Name: using tomoauto: a protocol for high-throughput automated cryo-electron tomography
Uploaded: 2016-01-30T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Tomoauto: A Protocol for High-throughput Automated Cryo-electron Tomography at JoVE.com

Biz yorumlar için Dr. William Margolin teşekkür ederim. Biz Dr dan SerialEM üzerinde destek için müteşekkiriz. David Mastronarde ve Chen Xu. DM, BH ve JL Welch Vakfı Ulusal Alerji ve Bulaşıcı Hastalıklar Enstitüsü, Genel Tıp Bilimleri Ulusal Enstitüsü (NIGMS) den Hibeler R01GM110243 ve R01GM107629 ve Grant AU-1714 Grant R01AI087946 tarafından desteklendi. Doğrudan elektron dedektörü Sağlık Ödülü S10OD016279 Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edildi.

1. Minicell Hazırlık <ol><li> S. yapmak flexneri minicells, yapısal olarak spektinomisin dayanıklı plazmid, 5 | il elektro Streptomisin dayanıklı serotip 5a (M90T-Sm) elektroporasyon ile hücrelere düşük kopya Escherichia coli hücre bölünmesi genleri ftsQ, ftsA ve ftsZ ifade plazmidi pBS58, 1 ul dönüşümü 1 mm küvetler 5 ms için 2.5 kV. </li><li> 1.5 ml kriyojenik mikrotüp% 15 gliserol içinde -80 ° C&#39;de mağazanın Minicell örnekleri. Kullanılmak üzere, 4 ml hücreleri bir pipet kullanarak unthawed mikrotüpünden hücrelerin yaklaşık 5 ul kazıyın ve askıya hazır olduğunda spectinomycin ile triptik soy broth / ml konsantrasyonu 100 ug ekledi. 37 ° C &#39;de O / N büyütün. </li><li> Pipet daha 100 ug / ml konsantrasyonlara eklenmiştir spectinomycin 1.2 200 içine mi triptik soya suyu kültür 2 mi. Eski kütük fazı 37 ° C&#39;de büyür. </li><li> Minicells, santrifüj zenginleştirmek5 dakika boyunca 1000 x g&#39;de 1.3 ile kültür 200 mi. Dikkatle 10 dakika boyunca 20.000 x g&#39;de yeni bir santrifüj tüpüne ve santrifüj içine süpernatan fraksiyonu dökün. Dikkatlice dökün ve süpernatan fraksiyonu atmak ve hafifçe bir pipet kullanılarak geri kalan sıvı ile pelet karıştırın ve 1.5 ml mikrosantrifüj tüpüne topak karışımı, yaklaşık olarak 100 ul aktarma. </li></ol> 2. EM Izgara Hazırlık <ol><li> Bir bardak slayt R2 / 2 holey karbon film 200 örgü bakır ızgara karbon tarafı yukarı bakacak şekilde yerleştirin. NOT: R2 / 2 200 ızgaralı hala numune desteklemek ve kamera alanında karbon film kenarına yerleştirerek, tek bir ızgara meydanında elde etmek için ayarlanabilir eğim-serisi sayısını arttırmak için seçilir İstediğiniz büyütme. Daha ince ağlar ızgaraları ve R1.2 gibi daha küçük Delikli C film / 1,3 400 gözenekli yüksek büyütmede görüntülü örnekler için de kullanılabilir; Böyle R3.5 gibi büyük holey karbon filmler / 1 200 örgü kullanmak olabilirörnekleri d düşük büyütmede görüntülü ya mikrografı örneğin R1 ile daha büyük bir mesafe ile C-kenar ve Delikli C filmleri içermez gerekir / 4 200 gözenekli ilgi alanına aşamasını hizalayarak ve gelen alanların korunması ile yardım için kullanılabilir aşırı maruz kalma rutinleri odaklama ve izleme. </li><li> Bir kızdırma deşarj cihazında platformda slayt yerleştirin. NOT: bir anod ve platform, bir vakum desikatörde içine makine ile işlenir ve yüksek frekanslı bir jeneratör tarafından güçlendirilmiş olan bir içi cihazı kullanın. Bir vakum oluşturduktan sonra, ızgara taburcu kızdırma 1 dakika süreyle prob üzerindeki anot ve güç yüksek frekans jeneratörü probu takın. Gerekli zaman ızgara bir dakika için birkaç saniye arasında olabilir deşarj kızdırma. Kızdırma deşarj süresi değişen numune konsantrasyonu ve hiçbir vitreus buz ile kuru görünen ızgaraları ile ilgili sorunları teşhis etmek için kullanılabilir. </li><li> Forseps bir dizi ile ızgara kaldırın ve forseps elastik b kapalı kilitve. </li><li> 1.4 hazırlanan minicells ile mikrosantrifüj tüp 10 nm koloidal altın çözeltisinin 100 ul ekleyin ve hafifçe parmağınızla tüp hafifçe vurarak karıştırın. 2.2 hazırlanan ızgara üzerine karışımın yeni pipet yer 4 ul. Not: kolloidal altın boyutları ve bakım çeşitli mevcuttur altın büyüklüğü, elde edilen büyütülmüş işlenecek mikrograflar piksel boyutu göz önüne alındığında daha büyük 5 piksel olduğuna dikkat edilmelidir belirsiz özellikler için çok büyük olmamakla birlikte ilgi. </li><li> Dalma-friz aparatı hazırlayın; sıvı nitrojen ile dış donma kabın doldurulması ve daha sonra sıvı etan iç bölmeyi doldurun. Dalgıç çubuğa ızgara ile forseps takın ve yükseltilmiş pozisyona piston çubuğunu kilitleyin. NOT: Daha Iancu ve ark 20 ticari bir dalma-donma cihazının kullanımını anlatan bir protokol için.. </li><li> Dikkatli t filtre kağıdı bir parçasına dokunarak ızgara Bloto da hemen ızgara dondurma, dalgıç çubuk bırakın, ızgara ve filtre kağıdı ayrıldığı ve durur filtre kağıdı üzerinde esneklik arasındaki menisküs kadar örnek bırakın. Dikkatle dalgıç çubuk forseps çıkarın ve ızgara tutucu içine ızgara yerleştirin. </li><li> Sıvı azot ile yükleme alanı ve emme pompası kabı doldurarak cryo-EM transfer istasyonu hazırlayın. Yükleme alanı grid tutucu ve yükleme alanında bir mikroskop numune kartuş sıvı azot sıcaklığı yerinde olduğunu bir kez. </li><li> Dikkatle önceki Polara mikroskopları veya sonraki modellerde bir C tarzı klip halkası üzerinde küçük bir yivli kilit halkası ya olan kilit halkasını, kaldırmak; forseps kullanarak kartuş içine EM ızgara yerleştirin ve yavaşça ızgara güvence kartuş üzerine geri kilit halkasını takın. </li><li> Mikroskop birden numune tutucu çıkarın ve aktarma istasyonuna takın. Kartuş forseps bir kullanarak tutucu içine numune kartuşunu yerleştirinyükleme alanından tutucu geri ve mikroskop geri çoklu numune tutucu transferi d. NOT: Chen ve diğ. 21 2.1-2.9 ayrıntılı görsel protokol için bkz. </li></ol> 3. Yüksek verim Otomatik Tilt-serisi Koleksiyonu <ol><li> Düşük büyütme Haritalar Koleksiyonu <ol><li> SerialEM 10 &#39;Navigator&#39; menüsünden &#39;Aç&#39; tıklayarak yeni Navigator penceresi açın (http://bio3d.colorado.edu/SerialEM) </li><li> Kabul edilebilir görüntüleme koşulları içermesi ızgara kareler bul (yani, ince buz, hiçbir kirlilik, ilgi konusu), düşük büyütme floresan ekranı kullanarak (~ 2,300X Minicell numune için). NOT: [Opsiyonel:. Bu adım, tüm ızgara montaging tarafından SerialEM ile otomatik hale getirilebilir, ancak sadece elle birkaç alanları seçmek için daha hızlı olabilir] </li><li> Daha sonra ayarlamak 50 ° numune tutucu eğerek eucentric yüksekliğe ayarlayın sahnesahnenin xy çeviri kadar z-boy eğik ve untilted görünümler arasında düzeydedir. </li><li> Izgara meydanın ortasına taşıyın ve Gelinen aşamada pozisyonunu saklamak için Navigator penceresinde &#39;Ekle Sahne Pos&#39; düğmesine tıklayın. </li><li> Tüm kabul edilebilir ızgara kareler sahne pozisyonları kaydedildi kadar yukarıdaki adımları 3.1.1-4 devam edin. </li><li> &#39;Dosya&#39; menüsünden &#39;Yeni montaj&#39; tıklayarak yeni montaj MRC dosyasını açın. Açılır Montaj Kurulum Dialog, tüm ızgara kare (standart 200 meş ızgara örneğin, 10 x 10) kazanacaklardır X ve Y parçalarının bir numara seçin. &#39;Yerine Görüntü Kaydırma ve Sahne Taşı&#39; ve radyo düğmeleri &quot;parçalar hizalamak için kullanılan korelasyonlar atla &#39;8 gibi yüksek bir binning kullanın ve seçin. </li><li> Navigator penceresinde ilk aşama konumunu tıklayın ve &#39;Edinme&#39; onay kutusunu işaretleyerek elde edilecek ayarlayın. Navigator penceresinde her aşamasında pozisyon için bu işlemi tekrarlayın. </li><li> Navigator &#39;Navigator&#39; menüsünden &#39;Noktalarında Edinme&#39; tıklayarak Dialog Edinme açın. &#39;Edinme harita görüntüsünü&#39; ve &#39;Kaba eucentricity&#39; onay kutusunu işaretleyin ve diğer tüm onay kutularını işaretli olduğundan emin olun. Her aşama pozisyonunda bir montaj toplamak için &#39;Devam&#39; düğmesini tıklayın. </li></ol></li><li> Tilt-serisi Edinme <ol><li> Navigator penceresinde edinilen haritalardan birini seçin ve &#39;Load haritası&#39; düğmesine tıklayın. </li><li> Navigator penceresinde bir tilt serisi elde etmek için hangi harita düğmesini &#39;Puanları Ekle&#39; seçeneğini noktaları tıklatın. Ardından düğmeye &#39;Puanları ekleme Dur&#39; tıklayın. Toplanan her harita için tekrarlayın. </li><li> Kamera menüsünde &#39;parametreleri&#39; seçin ve Odak, Deneme ve Kayıt modları için parametreleri tanımlayın. [Opsiyonel:. Veri Kayıt modu için parametreleri belirtilebilir Doz fraksiyone] </li><li> Navigator penceresinde bir nokta seçin ve &#39;Tilt-Serisi kontrol9; onay kutusunu işaretleyin. Parametrelerini seçmek açılır Tilt-Serisi Ayarı iletişim penceresinde tilt serisi koleksiyonu için istenen. Navigator penceresinde seçilen noktaların geri kalanı için yineleyin, ancak haritalar seçmeyin. </li><li> Navigator menüsünde yine &#39;Noktalarında Edinme&#39; seçeneğini seçin. Navigator iletişim seçmek &#39;öğeye yeniden hizalayın&#39; Otofokus &#39;ve&#39; Kaba eucentricity Edinme &#39;Ön görevler gibi, ve&#39; tilt serisi Edinme &#39;Birincil görev olarak, ve&#39; zaman tüm sütunu kapatmak için &#39;ucunda Kapat kolon vanaları Puan toplanmıştır. Bir tilt serisi geçmeden üzerine her haritada her noktada tahsil edilecektir. </li></ol></li></ol> 4. Yüksek verim Otomatik Tilt-serisi İşleme ve İmar Tomoauto kullanma <ol><li> Doz-fraksiyone verilerin Işın kaynaklı Hareket Düzeltme [isteğe bağlı] NOT: Tomoauto MOTIONCORR 22 (http://cryoem.ucsf.edu/software/driftcorr.ht kullanırml) doz fraksiyone mikrografiklerinden ışın kaynaklı hareket kaldırın. NOTIONCORR 16 sisteminizde yüklü olması gerekmektedir. <ol><li> Komutu çalıştırmak bir terminal orijinal tilt-serisi, geçerli çalışma dizini SerialEM 10 den çıktı günlüğüne ve bireysel doz fraksiyonlara görüntüler tüm With: dose_fractioned_to_stack &lt;filename.st&gt; &lt;Filename.st&gt; işlemek için tilt-serisinin adıdır. </li></ol></li><li> Tilt-serisi Uyum ve İmar NOT: Varsayılan olarak Tomoauto tilt serisi otomatik referans modeli oluşturma, hizalama, kontrast transfer fonksiyonu (CTF), CTF-düzeltme 23 belirlenmesini işlemek için (http://bio3d.colorado.edu/imod/) iMod 13 kullanır ve rekonstrüksiyon. Alternatif kullanıcıların otomatik referans modeli nesil, CTF için (iMod dahil) RAPTOR 24 kullanımı tomoauto seçeneği varFIND4 25 (http://grigoriefflab.janelia.org/ctf) CTF belirlemek ve tomo3d 26 (https://sites.google.com/site/3demimageprocessing/tomo3d) yeniden inşası için veya yazılım paketleri herhangi bir kombinasyonu tarafından yapılandırması. Her pakette mevcuttur Bu yapılandırma yanı sıra parametreler yerel yapılandırma dosyaları da belirli bir numune için kullanılan detay parametreleri, toplama oluşturulabilir ise en yaygın bir laboratuarda kullanılan değerleri uygun düzenlenebilir Global bir yapılandırma dosyası tarafından ele alınır ayarlamak veya bireysel tilt serisi. Kullanılacak isteyen tüm paketler sisteminizde yüklü olması gerekmektedir. <ol><li> Geçerli çalışma dizininde tilt-serisi ile, bir terminalde komutu çalıştırmak tomoauto --CTF --mode = hizalamak &lt;filename.st&gt; &lt;fid_diam&gt; &lt;Filename.st&gt; işlenecek eğim-serisi ve &lt;fid_diam&gt; diame olduğununanometre fiducial belirteçlerin ter. Bu komut hizalamak ve otomatik eğim serisi CTF tahmin eder. Bu komut --CTF seçeneği kaldırarak CTF işleme atlamak mümkündür. </li><li> Hizalama işleme herhangi göze batan hataları görsel hizalanmış tilt-serisi kontrol edin ve komutlarla tahmin CTF inceleyin: 3dmod &lt;filename&gt; .ali submfg &lt;filename&gt; _ctfplotter.com sırasıyla burada &lt;filename&gt; eki olmadan tilt-serisinin adıdır. Ayrıca hizalama kalitesinin kantitatif istatistik uyum, tarafından üretilen ortalama kalıntı hatayı görmek için tomoauto komutunun çıktısını kontrol edin. </li><li> Kabul edilebilir bir hizalama Verilen komutu çalıştırarak işleme devam edin: tomoauiçin --CTF --mode = yeniden Yapılandırma &lt;filename.st&gt; &lt;fid_diam&gt; 4.2.1&#39;deki aynı kullanıcı ikameleri ile. Bu komut, CTF düzeltmek tilt-serisi fiducial işaretleri silmek ve yeniden hesaplamak. Yine CTF işleme 4.2.1 gibi atlanabilir. </li><li> [isteğe bağlı] görsel denetim adımı atlayın ve tamamen işleme ve yeniden komutu yürütmek otomatikleştirmek için tomoauto --CTF &lt;filename.st&gt; &lt;fid_diam&gt; </li><li> [isteğe bağlı] bir yerel yapılandırma dosyası oluşturmak için nasıl tomoauto belgelerine bakın Belirli bir yerel yapılandırmasını kullanın ve sonra komutu çalıştırmak için tomoauto [seçenekler] -L &lt;local_config&gt; &lt;filename.st&gt; &lt;fid_diam&gt; burada &lt;local_config&gt; yerel conf adıdıriguration dosyası. </li></ol></li></ol> 5. Alt tomogram Ortalaması NOT: 15 (http://www.electrontomography.org/) alt tomogram ortalama deneyleri işlemek için, ancak protokol açıklanan i3 paketini kullanmak en uygun alt tomogram ortalama yazılımı packages16to süreci alt tomogram ortalama deneyler genellikle geçerlidir, Ancak protokol çoğu mevcut alt tomogram ortalama yazılım paketleri 16-18 genellikle geçerlidir nitelendirdi. <ol><li> Geçerli çalışma dizininde yeniden tomografi ile komutu çalıştırarak parçacık toplama için tomogram açmak: tomopick &lt;filename&gt; REC &lt;filename&gt; 4.2.2 gibidir. Bir injectisome seçin ve tomogra dilimleri ile riff için yukarı ve aşağı ok tuşlarını kullanmak için öncelikle bazal vücut ve ardından iğne ucu tıklayın sol fare düğmesini kullanın Açılan penceredem. Bu şekilde tüm görünür injectisomes seçin. Bu yapının uzun ekseni tanımlayan yanı sıra üç Euler iki yapının yönünü anlatan açıları tahmin bir metin dosyasında koordinatları saklar. </li><li> Hesaplama extract komutunu yürüterek tanımlanan uzun ekseninin orta noktası merkezli tomografi 400 3 voksel küpleri: klibi yeniden boyutlandırmak Cx &lt;x&gt; -cy &lt;y&gt; -CZ &lt;z&gt; -ix 400 -iy 400 -IZ 400 &lt;filename&gt; REC &lt;filename&gt; _001.mrc Burada &lt;x&gt;, &lt;y&gt;, &lt;z&gt; yapının orta koordinatları ve &lt;filename&gt; 4.2.2 gibidir. Ekstre küp boyutu yapısı ve kullanılan büyütme göre değişebilir gerektiğini ve yeterince bu örnek için 400 3 vokselden olan ilgi yapısını içine kadar büyük olmalıdır. </li><li> Aşağı numune (bin) komutu yürüterek ilk hizalama için hesaplama süresini azaltmak için dört bir faktör tarafından alt tomogram: binvol -b 4 &lt;filename&gt; _001.mrc &lt;filename&gt; _001.bin4.mrc &lt;filename&gt; 5.2 olduğu gibi. </li><li> Belirlenen Euler alt tomogram için açıları uygulayın ve komutu yürüterek ilk şablonu üretmek için küresel ortalama hesaplamak. I3totsum.sh </li><li> Hizalayın ve sitoplazmik alan ikili bir sınıflandırma maskesi kullanarak aşağı örneklenmiş alt tomogram sınıflandırır. Tomografi karakteristik eksik kama eserler en aza indirmek için Fourier uzayında alt tomogram ortalamasının gerçekleştirin. 4 veri binning için SAMPFACT = &quot;4 4 4&quot; kullanın lütfen. i3mramsacls.sh </li><li> Adımı yineleyin 5.5 kullanıyorsanız alt tomografi iki (SAMPFACT = &amp; çarpanı ile aşağı-örneklenmiş# 34; 2 2 2 &quot;) ve bir kez daha orijinal veri ile (SAMPFACT =&quot; 1 1 1 &quot;). i3mramsacls.sh </li></ol>

<ol>
	<li>Cornelis, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+type+III+secretion+injectisome.">The type III secretion injectisome.</a> Nat. Rev. Microbiol. 4 (11), 811-825 (2006).</li><li>Galan, J. E., Wolf-Watz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein+delivery+into+eukaryotic+cells+by+type+III+secretion+machines.">Protein delivery into eukaryotic cells by type III secretion machines.</a> Nature. 444 (7119), 567-573 (2006).</li><li>Kubori, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Supramolecular+structure+of+the+Salmonella+typhimurium+type+III+protein+secretion+system.">Supramolecular structure of the Salmonella typhimurium type III protein secretion system.</a> Science. 280 (5363), 602-605 (1998).</li><li>Schraidt, O., Marlovits, T. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+model+of+Salmonella's+needle+complex+at+subnanometer+resolution.">Three-dimensional model of Salmonella's needle complex at subnanometer resolution.</a> Science. 331 (6021), 1192-1195 (2011).</li><li>Hodgkinson, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+reconstruction+of+the+Shigella+T3SS+transmembrane+regions+reveals+12-fold+symmetry+and+novel+features+throughout.">Three-dimensional reconstruction of the Shigella T3SS transmembrane regions reveals 12-fold symmetry and novel features throughout.</a> Nat. Struct. Mol. Biol. 16 (5), 477-485 (2009).</li><li>Kudryashev, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+structural+analysis+of+the+Yersinia+enterocolitica+injectisome.">In situ structural analysis of the Yersinia enterocolitica injectisome.</a> eLife. 2, e00792 (2013).</li><li>Kawamoto, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Common+and+distinct+structural+features+of+Salmonella+injectisome+and+flagellar+basal+body.">Common and distinct structural features of Salmonella injectisome and flagellar basal body.</a> Scientific Reports. 3, 3369-3369 (2013).</li><li>Briggs, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+biology+in+situ-the+potential+of+subtomogram+averaging.">Structural biology in situ-the potential of subtomogram averaging.</a> Curr. Opin. Struct. Biol. 23 (2), 261-267 (2013).</li><li>Schur, F. K., Hagen, W. J., de Marco, A., Briggs, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+protein+structure+at+8.5&#197;+resolution+using+cryo-electron+tomography+and+sub-tomogram+averaging.">Determination of protein structure at 8.5&#197; resolution using cryo-electron tomography and sub-tomogram averaging.</a> J. Struct. Biol. 184 (3), 394-400 (2013).</li><li>Mastronarde, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+electron+microscope+tomography+using+robust+prediction+of+specimen+movements.">Automated electron microscope tomography using robust prediction of specimen movements.</a> J. Struct. Biol. 152 (1), 36-51 (2005).</li><li>Zheng, S. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=UCSF+tomography:+an+integrated+software+suite+for+real-time+electron+microscopic+tomographic+data+collection,+alignment+and+reconstruction.">UCSF tomography: an integrated software suite for real-time electron microscopic tomographic data collection, alignment and reconstruction.</a> J. Struct. Biol. 157 (1), 138-147 (2007).</li><li>Suloway, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+automated,+sequential+tilt-series+acquisition+with+Leginon.">Fully automated, sequential tilt-series acquisition with Leginon.</a> J. Struct. Biol. 167 (1), 11-18 (2009).</li><li>Kremer, J. R., Mastronarde, D. N., McIntosh, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+visualization+of+three-dimensional+image+data+using+IMOD.">Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD.</a> J. Struct. Biol. 116 (1), 71-76 (1996).</li><li>Winkler, H., Taylor, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accurate+marker-free+alignment+with+simultaneous+geometry+determination+and+reconstruction+of+tilt-series+in+electron+tomography.">Accurate marker-free alignment with simultaneous geometry determination and reconstruction of tilt-series in electron tomography.</a> Ultramicroscopy. 106 (3), 240-254 (2006).</li><li>Winkler, H., Zhu, P., Liu, J., Ye, F., Roux, K. H., Taylor, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tomographic+subvolume+alignment+and+classification+applied+to+myosin+V+and+SIV+envelope+spikes.">Tomographic subvolume alignment and classification applied to myosin V and SIV envelope spikes.</a> J. Struct. Biol. 165 (2), 64-77 (2009).</li><li>Nicastro, D., Schwartz, C. L., Pierson, J., Gaudette, R., Porter, M. E., McIntosh, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Molecular+Architecture+of+Axonemes+Revealed+by+Cryoelectron+Tomography.">The Molecular Architecture of Axonemes Revealed by Cryoelectron Tomography.</a> Science. 313 (5789), 944-948 (2006).</li><li>Casta&#241;o-D&#237;ez, D., Kudryashev, M., Arheit, M., Stahlberg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamo:+a+flexible,+user-friendly+development+tool+for+subtomogram+averaging+of+cryo-EM+data+in+high-performance+computing+environments.">Dynamo: a flexible, user-friendly development tool for subtomogram averaging of cryo-EM data in high-performance computing environments.</a> J. Struct. Biol. 178 (2), 139-151 (2012).</li><li>Hrabe, T., Chen, Y., Pfeffer, S., Cuellar, L. K., Mangold, A. V., F&#246;rster, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PyTom:+a+python-based+toolbox+for+localization+of+macromolecules+in+cryo-electron+tomograms+and+subtomogram+analysis.">PyTom: a python-based toolbox for localization of macromolecules in cryo-electron tomograms and subtomogram analysis.</a> J. Struct. Biol. 178 (2), 177-188 (2012).</li><li>Hu, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization+of+the+type+III+secretion+sorting+platform+of+Shigella+flexneri.">Visualization of the type III secretion sorting platform of Shigella flexneri.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 112 (4), 1047-1052 (2015).</li><li>Iancu, C. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+cryotomography+sample+preparation+using+the+Vitrobot.">Electron cryotomography sample preparation using the Vitrobot.</a> Nat. Protoc. 1 (6), 2813-2819 (2007).</li><li>Chen, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+Cryoelectrontomography+of+Bacterial+Cells.">Electron Cryoelectrontomography of Bacterial Cells.</a> J. Vis. Exp. (39), e1943 (2010).</li><li>Li, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+counting+and+beam-induced+motion+correction+enable+near-atomic-resolution+single-particle+cryo-EM.">Electron counting and beam-induced motion correction enable near-atomic-resolution single-particle cryo-EM.</a> Nat. Methods. 10 (6), 584-590 (2013).</li><li>Xiong, Q., Morphew, M. K., Schwartz, C. L., Hoenger, A. H., Mastronarde, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CTF+determination+and+correction+for+low+dose+tomographic+tilt+series.">CTF determination and correction for low dose tomographic tilt series.</a> J. Struct. Biol. 168 (3), 378-387 (2009).</li><li>Amat, F., Moussavi, F., Comolli, L. R., Elidan, G., Downing, K. H., Horowitz, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Markov+random+field+based+automatic+image+alignment+for+electron+tomography.">Markov random field based automatic image alignment for electron tomography.</a> J. Struct. Biol. 161 (3), 260-275 (2008).</li><li>Rouhou, A., Grigorieff, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CTFFIND4:+Fast+and+accurate+defocus+estimation+from+electron+micrographs.">CTFFIND4: Fast and accurate defocus estimation from electron micrographs.</a> bioRxiv. , (2015).</li><li>Agulleiro, J. I., Fernandez, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tomo3D+2.0+&#8211;+Exploitation+of+Advanced+Vector+eXtensions+(AVX)+for+3D+reconstruction.">Tomo3D 2.0 &#8211; Exploitation of Advanced Vector eXtensions (AVX) for 3D reconstruction.</a> J. Struct. Biol. 189 (2), 147-152 (2015).</li><li>Zhao, X., Zhang, K., Boquoi, T., Hu, B., Motaleb, M. A., Miller, K., James, M., Charon, N. W., Manon, M. D., Norris, S. J., Li, C., Liu, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-Electron+Tomography+Reveals+the+Sequential+Assembly+of+Bacterial+Flagella+in+Borrelia+burgdorferi.">Cryo-Electron Tomography Reveals the Sequential Assembly of Bacterial Flagella in Borrelia burgdorferi.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (35), 14390-14395 (2013).</li><li>Hu, B., Margolin, W., Molineux, I. J., Liu, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Bacteriophage+T7+Virion+Undergoes+Extensive+Structural+Remodeling+during+infection.">The Bacteriophage T7 Virion Undergoes Extensive Structural Remodeling during infection.</a> Science. 339 (6119), 576-579 (2013).</li><li>Liu, J., Hu, B., Morado, D. R., Jani, S., Manson, M. D., Margolin, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=W:+Molecular+architecture+of+chemoreceptor+arrays+revealed+by+cryoelectron+tomography+of+Escherichia+coli+minicells.">W: Molecular architecture of chemoreceptor arrays revealed by cryoelectron tomography of Escherichia coli minicells.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 109 (23), e1481-e1488 (2012).</li><li>Russo, C. J., Passmore, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+microscopy:+Ultrastable+gold+substrates+for+electron+cryomicroscopy.">Electron microscopy: Ultrastable gold substrates for electron cryomicroscopy.</a> Science. 346 (6215), 1377-1380 (2014).</li></ol>

Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarını var olduğunu beyan ederiz.

Burada açıklanan yüksek verim yöntemi 1917 cryo tilt-serisi işlemek ve bozulmamış S. 4500 üzerinde alt tomogram üretmek için etkin flexneri 19 injectisome. Toplanan veriler kompleksi sıralama sitoplazmik dahil in situ injectisome içinde detaylı karakterizasyonu, yol açtı. Yöntem ayrıca injectisome sıralama platformun bileşimi aydınlatmak yardımcı varsayılan protein bileşenlerinin belirli bir silinmesi, birkaç mutant hücreleri görselleşti...

Tip III salgılama sistemleri (T3SS), birçok Gram-negatif patojenlere için gerekli hastalık oluşturma etkenleridir. Ayrıca, iğne kompleksi olarak bilinen injectisome, ökaryotik konakçı hücreler 1, 2 içine bakteri efektör protein doğrudan translokasyon için gerekli olan santral T3SS makinesidir. Injectisome hücre dışı bir iğne, bir taban gövde ve sitoplazmik bir kompleksi içerir, bilinen sıralama kompleks 3 olarak. Daha önceki çalışmalar, önemli bir bazal vücut proteinleri 4, 5 atom yapılarla birlikte, Salmonella ve Shigella saflaştırılmış injectisomes 3-D yapılar ortaya çıkarmıştır. Salmonella, Shigella ve Yersinia gelen injectisomes in situ yapıları son-ET kriyo 6 ile ortaya çıkarılmıştır , 7. Bununla birlikte, efektör seçimi ve iğne düzeneğinin için gerekli sitoplazmik kompleks, bu yapılarda görselleştirilmiştir edilmemiştir. Cryo-ET mos olduğunu(in situ) doğal hücresel kapsamında nanometre çözünürlükte moleküler makineleri görüntüleme için uygun tekniği t. Bununla birlikte, kriyo-ET ile elde çözünürlük numune kalınlığı ile sınırlandırılmıştır. Dezavantajı aşmak için, genetik olarak cryo-ET için yeterince ince minicells üretmek için modifiye edilmiş bir öldürücü Shigella flexneri zorlanma sağlam injectisomes görüntülenmiş. Cryo-ET diğer kısıtlılığı çok hızlı bir şekilde numunede yüksek çözünürlüklü bilgi yok elektron demeti, tarafından uyarılan radyasyona örnek hassasiyetidir. Uygun bir doz, tam eğme serisi arasında dağıtılmasını ve böylece bir sonucu olarak, son derece düşük dozlar ayrı ayrı eğim görüntüler için kullanılır. Bu büyük ölçüde zor tomografisinde gürültü büyük miktarda konunun yapısal özelliklerini farklılaştırmak için hale getirir ve kriyo- elde edilebilir çözünürlüğü sınırlar son yeniden sinyal-gürültü oranı (SNR), düşürür ET. ConventiBöyle Fourier ve gerçek uzay filtreleri olarak yanı sıra örnekleme aşağı Önal görüntü işleme kontrastı artırmak için kullanılan, ancak yüksek çözünürlüklü bilgilerin çoğunu filtreleyerek pahasına yapılabilir. Son zamanlarda, bir alt tomogram ortalama mümkün ölçüde SNR artırmak ve alt nanometre seviyelerinin 8, 9, bazı durumlarda, daha sonra nihai çözünürlük yaptı. Kompleksleri daha ayrıntılı bir analizi, mümkün olmaktadır hesaplama ihtiva eden alt-tomografi binlerce ekstraksiyonuyla hizalayarak ve alt tomogram ortalama özgün tomografi ve ilgi alanları daha SNR ve daha yüksek çözünürlüğe sahip yerinde kompleks yapılara belirlemek için. Bu yöntemler makromoleküler meclisleri ve yerel hücresel bağlamda dinamik konformasyonlarına ilgili daha ayrıntılı bilgi sağlamak için genetik yaklaşımlar ile entegre edilebilir. Genel olarak, on ya da bin alt tomografi hatta yüzlerce yüksek belirlemek için ortalama gerekenin situ -resolution yapılar. Tilt-serisi yeterli sayıda edinimi alt tomogram bu sayıda hızlı bir darboğaz haline üretmek için gerekli. Elde edilen eğim serisi genellikle yeniden önce hizaya tilt-serisi getirmek için çözülmesi gereken ışın kaynaklı kayma, sahne tepki yanı sıra büyütme, rotasyon ve çarpık kusurları, etkilenir. Tilt serisi genellikle başka darboğaz neden geleneksel el tilt-serisinin denetim yoluyla seçilen izleme altın referans belirteçler, tarafından hizalanmış. Birçok yazılım paketleri 11, 12, tilt serisi uyum ve yeniden 13, 14 ve alt tomogram 15-18 ortalama bilgisayar kontrollü elektron mikroskopları 10 aracılığıyla otomatik eğim serisi edinimi için geliştirilmiştir. Bu paketler cryo-ET iş akışında ayrı operasyonlar ele gibi, Systema&#39;nın sürecin içine daha yüksek bir soyutlama düzeyini oluşturmak için arzu olurola- rak tek bir boru hattı içine tüm düzeni düzene. Bu nedenle, biz merkezi bir şekilde her bir bileşenin tam yapılandırmasını korurken basit kullanıcı işlemi için izin veren bir tek yarı otomatik birimine bu paketlerin bir dizi düzenlemek için tasarlanmış &quot;tomoauto&quot; bir yazılım sarıcı kütüphane geliştirdi. Kütüphane bir online uzaktan kaynak kod depo (http://github.com/DustinMorado/tomoauto) vasıtasıyla açık kaynak, kuyu, belgelenmiş sürekli geliştirilen ve kullanıma serbestçe kullanılabilir, özel kalkınma ya da daha fazla bütünleşmesidir. Bu yüksek verimli cryo-ET boru S. sağlam injectisomes görselleştirmek için kullanılmıştır flexneri minicells. 1917 tomografi toplam alt tomogram 19 ortalaması alınarak saptanması sitoplazmik sıralama platformu içeren sağlam makinenin in situ yapısında yüksek çözünürlük göstererek, bu yöntem kullanılarak elde edilmiştir. Birlikte yabani tip ve m moleküler modelleme ileutant makineleri, bizim yüksek verimli boru hattı doğal hücresel bağlamda bozulmamış injectisome yapısını ve işlevini anlamak için yeni bir yol sağlar.

<table><tbody><tr><td>Glycerol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G9012</td><td></td></tr><tr><td>Tyrptic Soy Broth</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>22092</td><td></td></tr><tr><td>Spectinomycin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S0692</td><td></td></tr><tr><td>Electroporation Apparatus</td><td>Bio-rad</td><td>165-2100</td><td></td></tr><tr><td>1 mm Cuvette</td><td>BTX</td><td>45-0124</td><td></td></tr><tr><td>1.5 ml Cryogenic Tube</td><td>Thermoscientific</td><td>5000-1020</td><td></td></tr><tr><td>1.5 ml Microcentrifuge Tube</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z336769</td><td></td></tr><tr><td>Holey Carbon Grids</td><td>Quantifoil&lt;br/&gt; (Electron Microscopy Sciences)</td><td>Q2100CR2</td><td>R2/2 200 Cu</td></tr><tr><td>Glow Discharge Device</td><td>In-House</td><td></td><td>Commercial Alternative Available</td></tr><tr><td>Vacuum Desiccator</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z119016&amp;nbsp;</td><td>Used in In-House Glow Discharge Device</td></tr><tr><td>High-Frequency Generator</td><td>Electro-Technic Products</td><td>BD-10A</td><td>Used in In-House Glow Discharge Device.&amp;nbsp; CAUTION: This device generates high voltages.</td></tr><tr><td>Centrifuge</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Forceps</td><td>Dumont&lt;br/&gt; (Electron Microscopy Sciences)</td><td>72705-D</td><td>Style 5 Anti-magnetic</td></tr><tr><td>Colliodal Gold</td><td>Aurion</td><td></td><td>BSA 10nm</td></tr><tr><td>Filter Paper</td><td>Whatman</td><td></td><td>#2</td></tr><tr><td>Ethane&amp;nbsp;</td><td>Matheson Tri-Gas</td><td>UN1035</td><td></td></tr><tr><td>Nitrogen</td><td>Matheson Tri-Gas</td><td>UN1977</td><td></td></tr><tr><td>Plunger Device</td><td>In-House</td><td></td><td>Commercial Alternative Available</td></tr><tr><td>Cryogenic Grid Storage Box</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>71166-30</td><td></td></tr><tr><td>Transmission Electron Microscope</td><td>FEI</td><td></td><td>Tecnai Polara F30&lt;br/&gt; (300 KeV)</td></tr><tr><td>Direct Detection Device Camera</td><td>Gatan</td><td></td><td>K2 Summit</td></tr><tr><td>Tomogram Acquisiton Software</td><td>SerialEM</td><td></td><td>http://bio3d.colorado.eud/SerialEM Alternatives: UCSF Tomography, Leginon, FEI Batch Tomography</td></tr><tr><td>Beam-induced Motion Correction Software</td><td>MOTIONCORR</td><td></td><td>http://cryoem.ucsf.edu/software/driftcorr.html Requires &gt;2GB Nvidia GPU</td></tr><tr><td>Tilt-Series Alignment Software</td><td>IMOD</td><td></td><td>http://bio3d.colorado.edu/IMOD Alternatives: XMIPP, Protomo</td></tr><tr><td>Automatic Fiducial Marker Modelling Software</td><td>IMOD</td><td></td><td>Alternatives: RAPTOR (Included in IMOD0&lt;br/&gt; (Usable in tomoauto)</td></tr><tr><td>CTF Determination Software</td><td>IMOD</td><td></td><td>Alternatives: CTFFIND http://grigoriefflab.janelia.org/ctf&lt;br/&gt; (Usable in tomoauto)</td></tr><tr><td>Tilt-Series Reconstruction Software</td><td>tomo3d</td><td></td><td>https://sites.google.com/site/3demimageprocessing/tomo3d Alternatives: IMOD, XMIPP http://xmipp.cnb.csic.es , Protomo</td></tr><tr><td>Tilt-Series Automated Processing Software</td><td>tomoauto</td><td></td><td>https://github.com/DustinMorado/tomoauto</td></tr><tr><td>Particle Picking Software</td><td>i3</td><td></td><td>http://www.electrontomography.org Alternatives: IMOD</td></tr><tr><td>Subvolume Averaging Software</td><td>i3</td><td></td><td>Alternatives: PEET http://bio3d.colorado.edu/PEET, Dynamo https://dynamo.bioz.unibas.ch , PyTom http://pytom.org</td></tr></tbody></table>

using tomoauto: a protocol for high-throughput automated cryo-electron tomography

Cryo-electron tomography (Cryo-ET) is a powerful three-dimensional (3-D) imaging technique for visualizing macromolecular complexes in their native context at a molecular level. The technique involves initially preserving the sample in its native state by rapidly freezing the specimen in vitreous ice, then collecting a series of micrographs from different angles at high magnification, and finally computationally reconstructing a 3-D density map. The frozen-hydrated specimen is extremely sensitive to the electron beam and so micrographs are collected at very low electron doses to limit the radiation damage. As a result, the raw cryo-tomogram has a very low signal to noise ratio characterized by an intrinsically noisy image. To better visualize subjects of interest, conventional imaging analysis and sub-tomogram averaging in which sub-tomograms of the subject are extracted from the initial tomogram and aligned and averaged are utilized to improve both contrast and resolution. Large datasets of tilt-series are essential to understanding and resolving the complexes at different states, conditions, or mutations as well as obtaining a large enough collection of sub-tomograms for averaging and classification. Collecting and processing this data can be a major obstacle preventing further analysis. Here we describe a high-throughput cryo-ET protocol based on a computer-controlled 300kV cryo-electron microscope, a direct detection device (DDD) camera and a highly effective, semi-automated image-processing pipeline software wrapper library tomoauto developed in-house. This protocol has been effectively utilized to visualize the intact type III secretion system (T3SS) in Shigella flexneri minicells. It can be applicable to any project suitable for cryo-ET.

Minicells S. numuneleri flexneri toplandı ve Şekil 2&#39;de ayrıntılı olarak boru hattı, aşağıdaki tomoauto kullanılarak şeması, Şekil 1 &#39;de gösterdiği gibi işlenmiştir. Tilt-serisi düşük büyütmeli montaj haritalar üzerinde kullanıcı tarafından belirlenen noktalarda yüksek verimlilik tilt serisi edinimi için izin veren SerialEM 10, (Şekil 3)...

Watch this Scientific Journal Video about Using Tomoauto: A Protocol for High-throughput Automated Cryo-electron Tomography at JoVE.com

Using Tomoauto: A Protocol for High-throughput Automated Cryo-electron Tomography

Biz, moleküler makinelerin yerinde yapılarında yüksek çözünürlük belirlemek için yüksek verimli cryo-elektron tomografisi yararlanmak için nasıl bir protokol mevcut. Protokol ortak darboğazları önler, büyük miktarda veri işlenecek izin verir ve kullanıcı önemli biyolojik sorulara odaklanmak için izin, kaynak çalışmama süresini azaltır.

Tomoauto kullanma: Bir Protokol Yüksek verim Otomatik Cryo-elektron Tomografi için

Cryo-electron tomography (Cryo-ET) is a powerful three-dimensional (3-D) imaging technique for visualizing macromolecular complexes in their native ...

using-tomoauto-protocol-for-high-throughput-automated-cryo-electron

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.9K Görüntüleme.  University of Texas Health Science Center at Houston.  Biz, moleküler makinelerin yerinde yapılarında yüksek çözünürlük belirlemek için yüksek verimli cryo-elektron tomografisi yararlanmak için nasıl bir protokol mevcut. Protokol ortak darboğazları önler, büyük miktarda veri işlenecek izin verir ve kullanıcı önemli biyolojik sorulara odaklanmak için izin, kaynak çalışmama süresini azaltır. 

Video: Using Tomoauto: A Protocol for High-throughput Automated Cryo-electron Tomography

Determination of Molecular Structures of HIV Envelope Glycoproteins using Cryo-Electron Tomography and Automated Sub-tomogram Averaging

Since its discovery nearly 30 years ago, more than 60 million people have been infected with the human immunodeficiency virus (HIV) <a href="http://www.usaid.gov">(www.usaid.gov)</a>. The virus infects and destroys CD4+ T-cells thereby crippling the immune system, and causing an acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) 2. Infection begins when the HIV Envelope glycoprotein "spike" makes contact with the CD4 receptor on the surface of the CD4+ T-cell. This interaction induces a conformational change in the spike, which promotes interaction with a second cell surface co-receptor 5,9. The significance of these protein interactions in the HIV infection pathway makes them of profound importance in fundamental HIV research, and in the pursuit of an HIV vaccine.
The need to better understand the molecular-scale interactions of HIV cell contact and neutralization motivated the development of a technique to determine the structures of the HIV spike interacting with cell surface receptor proteins and molecules that block infection. Using cryo-electron tomography and 3D image processing, we recently demonstrated the ability to determine such structures on the surface of native virus, at &tilde;20 &Aring; resolution 9,14. This approach is not limited to resolving HIV Envelope structures, and can be extended to other viral membrane proteins and proteins reconstituted on a liposome. In this protocol, we describe how to obtain structures of HIV envelope glycoproteins starting from purified HIV virions and proceeding stepwise through preparing vitrified samples, collecting, cryo-electron microscopy data, reconstituting and processing 3D data volumes, averaging and classifying 3D protein subvolumes, and interpreting results to produce a protein model. The computational aspects of our approach were adapted into modules that can be accessed and executed remotely using the Biowulf GNU/Linux parallel processing cluster at the NIH <a href="http://biowulf.nih.gov">(http://biowulf.nih.gov)</a>. This remote access, combined with low-cost computer hardware and high-speed network access, has made possible the involvement of researchers and students working from school or home.

The protocol describes a high-throughput approach to determining structures of membrane proteins using cryo-electron tomography and 3D image processing. It covers the details of specimen preparation, data collection, data processing and interpretation, and concludes with the production of a representative target for the approach, the HIV-1 Envelope glycoprotein. These computational procedures are designed in a way that enables researchers and students to work remotely and contribute to data processing and structural analysis.

Cryo-Elektron Tomografi ve Otomatik Sub-tomogram Ortalaması kullanarak HIV Zarf Glikoproteinler Moleküler Yapılarının Belirlenmesi

Since its discovery nearly 30 years ago, more than 60 million people have been infected with the human immunodeficiency virus (HIV) (www.usaid.gov). The ...

İmmünoloji ve Enfeksiyon

Correlative Microscopy for 3D Structural Analysis of Dynamic Interactions

Cryo-electron tomography (cryoET) allows 3D visualization of cellular structures at molecular resolution in a close-to-physiological state1. However, direct visualization of individual viral complexes in their host cellular environment with cryoET is challenging2, due to the infrequent and dynamic nature of viral entry, particularly in the case of HIV-1. While time-lapse live-cell imaging has yielded a great deal of information about many aspects of the life cycle of HIV-13-7, the resolution afforded by live-cell microscopy is limited (~ 200 nm). Our work was aimed at developing a correlation method that permits direct visualization of early events of HIV-1 infection by combining live-cell fluorescent light microscopy, cryo-fluorescent microscopy, and cryoET. In this manner, live-cell and cryo-fluorescent signals can be used to accurately guide the sampling in cryoET. Furthermore, structural information obtained from cryoET can be complemented with the dynamic functional data gained through live-cell imaging of fluorescent labeled target.
In this video article, we provide detailed methods and protocols for structural investigation of HIV-1 and host-cell interactions using 3D correlative high-speed live-cell imaging and high-resolution cryoET structural analysis. HeLa cells infected with HIV-1 particles were characterized first by confocal live-cell microscopy, and the region containing the same viral particle was then analyzed by cryo-electron tomography for 3D structural details. The correlation between two sets of imaging data, optical imaging and electron imaging, was achieved using a home-built cryo-fluorescence light microscopy stage. The approach detailed here will be valuable, not only for study of virus-host cell interactions, but also for broader applications in cell biology, such as cell signaling, membrane receptor trafficking, and many other dynamic cellular processes.

We describe a correlative microscopy method that combines high-speed 3D live-cell fluorescent light microscopy and high-resolution cryo-electron tomography. We demonstrate the capability of the correlative method by imaging dynamic, small HIV-1 particles interacting with host HeLa cells.

Dinamik Etkileşimler 3D Yapısal Analiz için karşılıklı Mikroskopi

Cryo-electron tomography (cryoET) allows 3D visualization of cellular structures at molecular resolution in a close-to-physiological state1. However, ...

Biyomühendislik

Electron Cryotomography of Bacterial Cells

While much is already known about the basic metabolism of bacterial cells, many fundamental questions are still surprisingly unanswered, including for instance how they generate and maintain specific cell shapes, establish polarity, segregate their genomes, and divide. In order to understand these phenomena, imaging technologies are needed that bridge the resolution gap between fluorescence light microscopy and higher-resolution methods such as X-ray crystallography and NMR spectroscopy.
Electron cryotomography (ECT) is an emerging technology that does just this, allowing the ultrastructure of cells to be visualized in a near-native state, in three dimensions (3D), with "macromolecular" resolution (~4nm).1, 2 In ECT, cells are imaged in a vitreous, "frozen-hydrated" state in a cryo transmission electron microscope (cryoTEM) at low temperature (&lt; -180&deg;C). For slender cells (up to ~500 nm in thickness3), intact cells are plunge-frozen within media across EM grids in cryogens such as ethane or ethane/propane mixtures. Thicker cells and biofilms can also be imaged in a vitreous state by first "high-pressure freezing" and then, "cryo-sectioning" them. A series of two-dimensional projection images are then collected through the sample as it is incrementally tilted along one or two axes. A three-dimensional reconstruction, or "tomogram" can then be calculated from the images. While ECT requires expensive instrumentation, in recent years, it has been used in a few labs to reveal the structures of various external appendages, the structures of different cell envelopes, the positions and structures of cytoskeletal filaments, and the locations and architectures of large macromolecular assemblies such as flagellar motors, internal compartments and chemoreceptor arrays.1, 2
In this video article we illustrate how to image cells with ECT, including the processes of sample preparation, data collection, tomogram reconstruction, and interpretation of the results through segmentation and in some cases correlation with light microscopy.

We illustrate here how to use electron cryotomography (ECT) to study the ultrastructure of bacterial cells in near-native states, to "macromolecular" (~4 nm) resolution.

Bakteriyel Hücre Elektron Cryotomography

While much is already known about the basic metabolism of bacterial cells, many fundamental questions are still surprisingly unanswered, including for ...

Biyoloji

Routine Collection of High-Resolution cryo-EM Datasets Using 200 KV Transmission Electron Microscope

Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has been established as a routine method for protein structure determination during the past decade, taking an ever-increasing share of published structural data. Recent advances in TEM technology and automation have boosted both the speed of data collection and quality of acquired images while simultaneously decreasing the required level of expertise for obtaining cryo-EM maps at sub-3 &#197; resolutions. While most of such high-resolution structures have been obtained using state-of-the-art 300 kV cryo-TEM systems, high-resolution structures can be also obtained with 200 kV cryo-TEM systems, especially when equipped with an energy filter. Additionally, automation of microscope alignments and data collection with real-time image quality assessment reduces system complexity and assures optimal microscope settings, resulting in increased yield of high-quality images and overall throughput of data collection. This protocol demonstrates the implementation of recent technological advances and automation features on a 200 kV cryo-transmission electron microscope and shows how to collect data for the reconstruction of 3D maps that are sufficient for de novo atomic model building. We focus on best practices, critical variables, and common issues that must be considered to enable the routine collection of such high-resolution cryo-EM datasets. Particularly the following essential topics are reviewed in detail: i) automation of microscope alignments, ii) selection of suitable areas for data acquisition, iii) optimal optical parameters for high-quality, high-throughput data collection, iv) energy filter tuning for zero-loss imaging, and v) data management and quality assessment. Application of the best practices and improvement of achievable resolution using an energy filter will be demonstrated on the example of apo-ferritin that was reconstructed to 1.6 &#197;, and Thermoplasma acidophilum 20S proteasome reconstructed to 2.1-&#197; resolution using a 200 kV TEM equipped with an energy filter and a direct electron detector.

High-resolution cryo-EM maps of macromolecules can be also achieved by using 200 kV TEM microscopes. This protocol shows the best practices for setting accurate optics alignments, data acquisition schemes, and selection of imaging areas that are all essential for the successful collection of high-resolution datasets using a 200 kV TEM.

200 KV İletim Elektron Mikroskobu Kullanarak Yüksek Çözünürlüklü Kriyo-EM Veri Kümelerinin Rutin Toplanması

Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has been established as a routine method for protein structure determination during the past decade, taking an ...

Biyokimya

User-friendly, High-throughput, and Fully Automated Data Acquisition Software for Single-particle Cryo-electron Microscopy

In the past several years, technological and methodological advancements in single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) have paved a new avenue for the high-resolution structure determination of biological macromolecules. Despite the remarkable advances in cryo-EM, there is still scope for improvement in various aspects of the single-particle analysis workflow. Single-particle analysis demands a suitable software package for high-throughput automatic data acquisition. Several automatic data acquisition software packages were developed for automatic imaging for single-particle cryo-EM in the last eight years. This paper presents an application of a fully automated image acquisition pipeline for vitrified biomolecules under low-dose conditions. 
It demonstrates a software package, which can collect cryo-EM data fully, automatically, and precisely. Additionally, various microscopic parameters are easily controlled by this software package. This protocol demonstrates the potential of this software package in automated imaging of the severe acute respiratory syndrome-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein with a 200 keV cryo-electron microscope equipped with a direct electron detector (DED). Around 3,000 cryo-EM movie images were acquired in a single session (48 h) of data collection, yielding an atomic-resolution structure of the spike protein of SARS-CoV-2. Furthermore, this structural study indicates that the spike protein adopts two major conformations, 1-RBD (receptor-binding domain) up open and all RBD down closed conformations.

Single-particle cryo-electron microscopy demands a suitable software package and user-friendly pipeline for high-throughput automatic data acquisition. Here, we present the application of a fully automated image acquisition software package, Latitude-S, and a practical pipeline for data collection of vitrified biomolecules under low-dose conditions.

Tek parçacıklı Cryo-elektron Mikroskopisi için Kullanıcı Dostu, Yüksek Verimli ve Tam Otomatik Veri Toplama Yazılımı

In the past several years, technological and methodological advancements in single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) have paved a new avenue for ...

Visualization of ATP Synthase Dimers in Mitochondria by Electron Cryo-tomography

Electron cryo-tomography is a powerful tool in structural biology, capable of visualizing the three-dimensional structure of biological samples, such as cells, organelles, membrane vesicles, or viruses at molecular detail. To achieve this, the aqueous sample is rapidly vitrified in liquid ethane, which preserves it in a close-to-native, frozen-hydrated state. In the electron microscope, tilt series are recorded at liquid nitrogen temperature, from which 3D tomograms are reconstructed. The signal-to-noise ratio of the tomographic volume is inherently low. Recognizable, recurring features are enhanced by subtomogram averaging, by which individual subvolumes are cut out, aligned and averaged to reduce noise. In this way, 3D maps with a resolution of 2 nm or better can be obtained. A fit of available high-resolution structures to the 3D volume then produces atomic models of protein complexes in their native environment. Here we show how we use electron cryo-tomography to study the in situ organization of large membrane protein complexes in mitochondria. We find that ATP synthases are organized in rows of dimers along highly curved apices of the inner membrane cristae, whereas complex I is randomly distributed in the membrane regions on either side of the rows. By subtomogram averaging we obtained a structure of the mitochondrial ATP synthase dimer within the cristae membrane.

We present a protocol of how to collect and process electron cryo-tomograms of whole mitochondria. The technique provides detailed insights into the structure, function, and organization of large membrane protein complexes in native biological membranes.

Elektron Cryo-tomografi ile Mitokondri ATP Sintazı dimerlerini Görselleştirme

Electron cryo-tomography is a powerful tool in structural biology, capable of visualizing the three-dimensional structure of biological samples, such as ...

Visualization of DNA Compaction in Cyanobacteria by High-voltage Cryo-electron Tomography

This protocol describes how to visualize the transient DNA compaction in cyanobacteria. DNA compaction is a dramatic cytoplasmic event recently found to occur in some cyanobacteria before cell division. However, due to the large cell size and the transient character, it is difficult to investigate the structure in detail. To overcome the difficulties, first, DNA compaction is reproducibly produced in the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 by synchronous culture using 12 h each light/dark cycle. Second, DNA compaction is monitored by fluorescence microscopy and captured by rapid freezing. Third, the detailed structure of DNA compacted cells is visualized in three dimensions (3D) by high voltage cryo-electron tomography. This set of methods is widely applicable to investigate transient structures in bacteria, e.g. cell division, chromosome segregation, phage infection etc., which are monitored by fluorescence microscopy and directly visualized by cryo-electron tomography at appropriate time points.

This protocol describes how to visualize the transient DNA compaction in cyanobacteria. Synchronous cultivation, monitoring by fluorescence microscopy, rapid freezing, and high voltage cryo-electron tomography are used. A protocol for these methodologies is presented, and future applications and developments are discussed.

Siyanobakteriler yüksek gerilim Cryo-elektron tomografi tarafından DNA sıkıştırma görselleştirme

This protocol describes how to visualize the transient DNA compaction in cyanobacteria. DNA compaction is a dramatic cytoplasmic event recently found to ...

Strategies for Optimization of Cryogenic Electron Tomography Data Acquisition

Cryogenic electron tomography (cryoET) is a powerful method to study the 3D structure of biological samples in a close-to-native state. Current state-of-the-art cryoET combined with subtomogram averaging analysis enables the high-resolution structural determination of macromolecular complexes that are present in multiple copies within tomographic reconstructions. Tomographic experiments usually require a vast amount of tilt series to be acquired by means of high-end transmission electron microscopes with important operational running-costs. Although the throughput and reliability of automated data acquisition routines have constantly improved over the recent years, the process of selecting regions of interest at which a tilt series will be acquired cannot be easily automated and it still relies on the user's manual input. Therefore, the set-up of a large-scale data collection session is a time-consuming procedure that can considerably reduce the remaining microscope time available for tilt series acquisition. Here, the protocol describes the recently developed implementations based on the SerialEM package and the PyEM software that significantly improve the time-efficiency of grid screening and large-scale tilt series data collection. The presented protocol illustrates how to use SerialEM scripting functionalities to fully automate grid mapping, grid square mapping, and tilt series acquisition. Furthermore, the protocol describes how to use PyEM to select additional acquisition targets in off-line mode after automated data collection is initiated. To illustrate this protocol, its application in the context of high-end data collection of Sars-Cov-2 tilt series is described. The presented pipeline is particularly suited to maximizing the time-efficiency of tomography experiments that require a careful selection of acquisition targets and at the same time a large amount of tilt series to be collected.

The increasing demand for large-scale data collection in cryogenic electron tomography requires high-throughput image acquisition routines. Described here is a protocol that implements the recent developments of advanced acquisition strategies aimed at maximizing the time-efficiency and throughput of tomographic data collection.

Kriyojenik Elektron Tomografi Veri Kazanımının Optimizasyonu stratejileri

Cryogenic electron tomography (cryoET) is a powerful method to study the 3D structure of biological samples in a close-to-native state. Current ...

Imaging Replicative Domains in Ultrastructurally Preserved Chromatin by Electron Tomography

Principles of DNA folding in the cell nucleus and its dynamic transformations that occur during the fulfillment of basic genetic functions (transcription, replication, segregation, etc.) remain poorly understood, partially due to the lack of experimental approaches to high-resolution visualization of specific chromatin loci in structurally preserved nuclei. Here we present a protocol for the visualization of replicative domains in monolayer cell culture in situ,&#160;by combining EdU labeling of newly synthesized DNA with subsequent label detection with Ag-amplification of Nanogold particles and ChromEM staining of chromatin. This protocol allows for the high-contrast, high-efficiency pre-embedding labeling, compatible with traditional glutaraldehyde fixation that provides the best structural preservation of chromatin for room-temperature sample processing. Another advantage of pre-embedding labeling is the possibility to pre-select cells of interest for sectioning. This is especially important for the analysis of heterogeneous cell populations, as well as compatibility with electron tomography approaches to high-resolution 3D analysis of chromatin organization at sites of replication, and the analysis of post-replicative chromatin rearrangement and sister chromatid segregation in the interphase.

This protocol presents a technique for high-resolution mapping of replication sites in structurally preserved chromatin in situ that employs a combination of pre-embedding EdU-streptavidin-Nanogold labeling and ChromEMT.

Elektron Tomografisi ile Ultrayapısal Olarak Korunmuş Kromatinde Görüntüleme Replikasyon Alanları

Principles of DNA folding in the cell nucleus and its dynamic transformations that occur during the fulfillment of basic genetic functions (transcription, ...

Cryo-Electron Tomography Remote Data Collection and Subtomogram Averaging

Cryo-electron tomography (cryo-ET) has been gaining momentum in recent years, especially since the introduction of direct electron detectors, improved automated acquisition strategies, preparative techniques that expand the possibilities of what the electron microscope can image at high-resolution using cryo-ET and new subtomogram averaging software. Additionally, data acquisition has become increasingly streamlined, making it more accessible to many users. The SARS-CoV-2 pandemic has further accelerated remote cryo-electron microscopy (cryo-EM) data collection, especially for single-particle cryo-EM, in many facilities globally, providing uninterrupted user access to state-of-the-art instruments during the pandemic. With the recent advances in Tomo5 (software for 3D electron tomography), remote cryo-ET data collection has become robust and easy to handle from anywhere in the world. This article aims to provide a detailed walk-through, starting from the data collection setup in the tomography software for the process of a (remote) cryo-ET data collection session with detailed troubleshooting. The (remote) data collection protocol is further complemented with the workflow for structure determination at near-atomic resolution by subtomogram averaging with emClarity, using apoferritin as an example.

The present protocol describes high-resolution cryo-electron tomography remote data acquisition using Tomo5 and subsequent data processing and subtomogram averaging using emClarity. Apoferritin is used as an example to illustrate detailed step-by-step processes to achieve a cryo-ET structure at 2.86 &#197; resolution.

Kriyo-elektron Tomografisi Uzaktan Veri Toplama ve Subtomogram Ortalaması

Cryo-electron tomography (cryo-ET) has been gaining momentum in recent years, especially since the introduction of direct electron detectors, improved ...