Name: ground state depletion super-resolution imaging in mammalian cells
Uploaded: 2017-11-05T08:30:00
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Ce travail a été soutenu par une subvention de l’AHA à R.E.D. (15SDG25560035). Auteurs tient à remercier Dr. Fernando Santana pour utilisation de son microscope 3D Leica SR GSD et Dr. Johannes Hell pour aimablement l’anticorps FP1.

1. lavage des lamelles de verre <ol><li>la veille du traitement des échantillons, nettoyer les lamelles de verre #1.5 par sonification dans une solution de 1 M de KOH pendant 1 h. Cette commande supprime tous les contaminants fluorescents qui peuvent être présents sur les lamelles.
	<ol><li>Rincer abondamment le KOH depuis les lamelles couvre-objet avec de l’eau déionisée.</li>
		<li>Une fois nettoyé dans KOH, stocker les lamelles dans l’éthanol à 70 % jusqu'à utilisation.</li>
	</ol></li...

<ol>
	<li>Willig, K. I., Rizzoli, S. O., Westphal, V., Jahn, R., Hell, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=STED+microscopy+reveals+that+synaptotagmin+remains+clustered+after+synaptic+vesicle+exocytosis.">STED microscopy reveals that synaptotagmin remains clustered after synaptic vesicle exocytosis.</a> Nature. 440 (7086), 935-939 (2006).</li><li>Gustafsson, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+structured-illumination+microscopy:+wide-field+fluorescence+imaging+with+theoretically+unlimited+resolution.">Nonlinear structured-illumination microscopy: wide-field fluorescence imaging with theoretically unlimited resolution.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 102 (37), 13081-13086 (2005).</li><li>Betzig, E., 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=Imaging+intracellular+fluorescent+proteins+at+nanometer+resolution.">Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution.</a> Science. 313 (5793), 1642-1645 (2006).</li><li>Hell, S. W., Kroug, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ground-state-depletion+fluorscence+microscopy:+A+concept+for+breaking+the+diffraction+resolution+limit.">Ground-state-depletion fluorscence microscopy: A concept for breaking the diffraction resolution limit.</a> JAppl Phys B. 60 (5), 495-497 (1995).</li><li>Bretschneider, S., Eggeling, C., Hell, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breaking+the+diffraction+barrier+in+fluorescence+microscopy+by+optical+shelving.">Breaking the diffraction barrier in fluorescence microscopy by optical shelving.</a> Phys Rev Lett. 98 (21), 218103 (2007).</li><li>Flynn, J. M., Santana, L. F., Melov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+cell+transcriptional+profiling+of+adult+mouse+cardiomyocytes.">Single cell transcriptional profiling of adult mouse cardiomyocytes.</a> J Vis Exp. (58), e3302 (2011).</li><li>Davare, M. A., Horne, M. C., Hell, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein+phosphatase+2A+is+associated+with+class+C+L-type+calcium+channels+(Cav1.2)+and+antagonizes+channel+phosphorylation+by+cAMP-dependent+protein+kinase.">Protein phosphatase 2A is associated with class C L-type calcium channels (Cav1.2) and antagonizes channel phosphorylation by cAMP-dependent protein kinase.</a> J Biol Chem. 275 (50), 39710-39717 (2000).</li><li>Dempsey, G. T., Vaughan, J. C., Chen, K. H., Bates, M., Zhuang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+fluorophores+for+optimal+performance+in+localization-based+super-resolution+imaging.">Evaluation of fluorophores for optimal performance in localization-based super-resolution imaging.</a> Nat Methods. 8 (12), 1027-1036 (2011).</li><li>Chozinski, T. J., Gagnon, L. A., Vaughan, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Twinkle,+twinkle+little+star:+photoswitchable+fluorophores+for+super-resolution+imaging.">Twinkle, twinkle little star: photoswitchable fluorophores for super-resolution imaging.</a> FEBS Lett. 588 (19), 3603-3612 (2014).</li><li>Dempsey, G. 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=Photoswitching+mechanism+of+cyanine+dyes.">Photoswitching mechanism of cyanine dyes.</a> J Am Chem Soc. 131 (51), 18192-18193 (2009).</li><li>Nahidiazar, L., Agronskaia, A. V., Broertjes, J., van den Broek, B., Jalink, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimizing+Imaging+Conditions+for+Demanding+Multi-Color+Super+Resolution+Localization+Microscopy.">Optimizing Imaging Conditions for Demanding Multi-Color Super Resolution Localization Microscopy.</a> PLoS One. 11 (7), e0158884 (2016).</li><li>Ovesny, M., Krizek, P., Borkovec, J., Svindrych, Z., Hagen, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ThunderSTORM:+a+comprehensive+ImageJ+plug-in+for+PALM+and+STORM+data+analysis+and+super-resolution+imaging.">ThunderSTORM: a comprehensive ImageJ plug-in for PALM and STORM data analysis and super-resolution imaging.</a> Bioinformatics. 30 (16), 2389-2390 (2014).</li><li>Veeraraghavan, R., Gourdie, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stochastic+optical+reconstruction+microscopy-based+relative+localization+analysis+(STORM-RLA)+for+quantitative+nanoscale+assessment+of+spatial+protein+organization.">Stochastic optical reconstruction microscopy-based relative localization analysis (STORM-RLA) for quantitative nanoscale assessment of spatial protein organization.</a> Mol Biol Cell. 27 (22), 3583-3590 (2016).</li><li>Ries, J., Kaplan, C., Platonova, E., Eghlidi, H., Ewers, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple,+versatile+method+for+GFP-based+super-resolution+microscopy+via+nanobodies.">A simple, versatile method for GFP-based super-resolution microscopy via nanobodies.</a> Nat Methods. 9 (6), 582-584 (2012).</li><li>Dixon, R. E., 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=Graded+Ca2+/calmodulin-dependent+coupling+of+voltage-gated+CaV1.2+channels.">Graded Ca2+/calmodulin-dependent coupling of voltage-gated CaV1.2 channels.</a> Elife. 4, (2015).</li><li>Annibale, P., Vanni, S., Scarselli, M., Rothlisberger, U., Radenovic, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+clustering+artifacts+in+photoactivated+localization+microscopy.">Identification of clustering artifacts in photoactivated localization microscopy.</a> Nat Methods. 8 (7), 527-528 (2011).</li><li>Nan, 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=Single-molecule+superresolution+imaging+allows+quantitative+analysis+of+RAF+multimer+formation+and+signaling.">Single-molecule superresolution imaging allows quantitative analysis of RAF multimer formation and signaling.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (46), 18519-18524 (2013).</li><li>Fricke, F., Beaudouin, J., Eils, R., Heilemann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One,+two+or+three?+Probing+the+stoichiometry+of+membrane+proteins+by+single-molecule+localization+microscopy.">One, two or three? Probing the stoichiometry of membrane proteins by single-molecule localization microscopy.</a> Sci Rep. 5, 14072 (2015).</li></ol>

L’explosion récente des technologies qui permettent l’imagerie au-delà de la limite de diffraction ont offert de nouvelles fenêtres dans les complexités de la signalisation dans l’espace et le temps des cellules de mammifères. Ces technologies comprennent STORM, STED, PALM, GSD, SIM et leurs variantes (p. ex., dSTORM, FPALM). L’ingéniosité des scientifiques derrière ces techniques nous a permis de contourner les limitations imposées par les lois de la physique qui régissent la diffraction de la...

Réactions de signalisation cellulaires traduisent des environnements internes et externes pour amorcer une réaction cellulaire. Ils réglementent tous les aspects de la physiologie humaine, servant de la Fondation pour l’hormone et la libération des neurotransmetteurs, le rythme cardiaque, vision, de fertilisation et la fonction cognitive. Perturbation de ces cascades de signalisation peut avoir des conséquences graves dans la forme de conditions physiopathologiques, y compris le cancer, maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer. Pendant des décennies, les enquêteurs biologiques et médicales ont utilisé avec succès protéines fluorescentes, sondes et biocapteurs couplées avec la microscopie en fluorescence comme les principaux outils pour comprendre l’organisation spatiale et temporelle précise de ces cellulaires les signaux.
Les points forts de techniques optiques tels qu’épifluorescence, confocale, ou la microscopie de fluorescence (FRBR) réflexion totale interne sont leur sensibilité, la vitesse et la compatibilité avec l’imagerie de cellules vivantes, alors que la limitation majeure est leur résolution diffraction-limited, structures de sens ou complexes de protéines inférieures à 200-250 nm ne peut pas être résolus. Avec le développement théorique et pratique de Super-résolution déterministe (par exemple, émission stimulée appauvrissement microscopie STED1, structuré microscopie d’illumination (SIM2) ou stochastique Super-résolution (par exemple , appauvrissement de microscopie (PALM3), ou état fondamental localisation photoactivation (GSD4,,5)), la résolution latérale et axiale en microscopie de fluorescence a été étendue au-delà de la barrière de la diffraction, à l’ordre de dizaines de nanomètres. Ainsi, les enquêteurs ont maintenant la capacité inégalée de visualiser et de comprendre comment les organisation et dynamique des protéines se traduit en fonction au niveau moléculaire près.
État fondamental microscopie appauvrissement suivie de chaque molécule de retour (GSDIM), ou simplement de GSD comme on le sait, contourne la limite de diffraction en réduisant le nombre d’émettre simultanément des fluorophores4,5. Lumière laser de haute énergie est utilisée pour exciter l’échantillon marqué au fluorophore, bombardement d’électrons avec des photons et augmentation de la probabilité, ils subissent un « renversement de spin » et entrez le triplet ou « dark-état » de l' état excité4. Cela épuise efficacement l’état fondamental, d'où le nom « au sol appauvrissement de l’Etat ». Dans l’état de triplet, fluorophores n’émettent pas de photons et l’échantillon apparaît gradateur. Toutefois, ces fluorophores stochastique retournent à l’état fondamental et peut passer par plusieurs photons émettant des transitions d’état excité-sol avant de retourner à l’état de triplet. Avec moins générant des fluorophores à un moment donné, éclats de photon émis par fluorophores individuelles devenus distincts dans le temps et l’espace des voisins des fluorophores. L’éclatement des photons peut être adapté avec une fonction gaussienne, le centre de gravité calculé qui correspond à la position du fluorophore avec une précision de localisation qui est tributaire de l’ouverture numérique (NA) de la lentille, la longueur d’onde de la lumière utilisée pour excitation et surtout, le nombre de photons émis par un fluorophore. Une des limitations de GSD est que, étant donné que seul un sous-ensemble des fluorophores émet activement à tout moment, des milliers d’images doivent être prélevés sur plusieurs minutes à mettre en place une carte de localisation complète. Le temps d’acquisition longue combiné à l’exigence de puissance laser haute, signifie que GSD est mieux adaptée pour fixe plutôt que des échantillons vivants.
Cet article décrit la préparation d’échantillons fixes pour l’imagerie microscopie Super-résolution de membrane et le réticulum endoplasmique (re)-protéines résidentes (pour une liste des consommables et réactifs pour voir la Table des matières). Exemples de comment ce protocole peut être facilement adapté pour quantifier la taille et le degré de regroupement de voltage-dépendants Ca2 + canaux de type L (Cav1.2) dans le sarcolemme des myocytes cardiaques, ou utilisé pour visualiser la distribution cellulaire de l’ER, sont illustrés. Comprendre la répartition et l’organisation de ces composants cellulaires est extrêmement important dans la compréhension de l’initiation, la traduction et en fin de compte la fonction de nombreux Ca2 +-dépendantes cascades de signalisation. Par exemple, Cav1.2 canaux sont fondamentalement important pour couplage excitation contraction, tandis que libération2 + Ca médiée par les récepteurs de l’ER est peut-être la cascade de signalisation plus omniprésente dans les cellules de mammifères.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>KOH</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>P250-500</td>
			<td>To clean coverglass</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>#1.5 coverglass 18 x 18 mm</td>
			<td>Marienfeld Superior</td>
			<td>0107032)</td>
			<td>To grow/process/image cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10X PBS</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>BP3994</td>
			<td>Dilute to 1X with de-ionized water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly-L-Lysine</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P4832</td>
			<td>Aids with cell adhesion to cover glass</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>laminin</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>114956-81-9</td>
			<td>Aids with cell adhesion to cover glass</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medium 199</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>11150-059</td>
			<td>Ventricular myocyte culture media</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM 11995</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11995</td>
			<td>Cell culture media</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal bovine Serum (FBS)</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>10437028</td>
			<td>Media supplement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Penicillin/streptomycin</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P4333</td>
			<td>Media supplement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.05% trypsin-EDTA</td>
			<td>Corning</td>
			<td>25-052-CL</td>
			<td>Cell culture solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lipofectamine 2000</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>11668-019</td>
			<td>Transient transfection reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ca2+-free PBS</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>1419-144</td>
			<td>Cell culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>100 % Methanol</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>A414-4</td>
			<td>Cell Fixation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraformaldehyde</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>15710</td>
			<td>Cell Fixation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glutaraldehyde</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>SLBR6504V</td>
			<td>Cell Fixation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SEAblock</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>37527</td>
			<td>BSA or other blocking solution alternatives exist</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triton-X 100</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>T8787</td>
			<td>Detergent to permeabilize cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rabbit anti-CaV1.2 (FP1)</td>
			<td>Gift</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Commercial anti-CaV1.2 antibodies exist such as Alomone Labs Rb anti-CaV1.2 (ACC-003)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse monoclonal anti-RFP</td>
			<td>Rockland Inc.</td>
			<td>200-301-379</td>
			<td>Primary antibody</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 647 donket anti-rabbit IgG (H+L)</td>
			<td>Invitrogen (Thermo Scientific)</td>
			<td>A31573</td>
			<td>Secondary antibody</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 568 goat anti-mouse IgG (H+L)</td>
			<td>Invitrogen (Thermo Scientific)</td>
			<td>A11031</td>
			<td>Secondary antibody</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium azide</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>S2002</td>
			<td>Prevents microbial growth for long term storage of samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Catalase</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>C40</td>
			<td>Photoswitching buffer ingredient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glucose oxidase</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>G2133</td>
			<td>Photoswitching buffer ingredient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>T6066</td>
			<td>Photoswitching buffer ingredient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>beta-Mercaptoethylamin hydrochloride</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>BP2664100</td>
			<td>Photoswitching buffer ingredient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#946;-mercaptoethanol</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>63689</td>
			<td>Photoswitching buffer ingredient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>S271-3</td>
			<td>Photoswitching buffer ingredient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dextrose</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>D14-212</td>
			<td>Photoswitching buffer ingredient</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Depression slides</td>
			<td>Neolab</td>
			<td>1 &#8211; 6293</td>
			<td>To mount samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Twinsil</td>
			<td>Picodent</td>
			<td>13001000</td>
			<td>To seal coverglass</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sec61&#946;-mCherry plasmid</td>
			<td>Addgene</td>
			<td>49155</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leica SR GSD 3D microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Washing block solution</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>20 % SEAblock in PBS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primary antibody incubation solution</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>0.5 % Triton-X100, 20 % SEAblock, in PBS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Secondary antibody incubation solution</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>1:1000 in PBS</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ground state depletion super-resolution imaging in mammalian cells

Avances en fluorescente microscopie et biologie cellulaire sont intimement corrélées, avec la meilleure possibilité de visualiser les événements cellulaires qui conduit souvent à des sauts spectaculaires dans notre compréhension de la façon dont les cellules fonction. Le développement et la disponibilité de microscopie de Super-résolution a considérablement étendu les limites de la résolution optique de ~ 250-20 nm. Les biologistes ne sont plus limités à décrire des interactions moléculaires en termes de colocalisation dans une zone de diffraction limitée, plutôt il est maintenant possible de visualiser les interactions dynamiques des molécules individuelles. Ici, nous exposons un protocole pour la visualisation et la quantification des protéines cellulaires par microscopie appauvrissement fondamental pour l’imagerie cellulaire fixe. Nous fournissons des exemples tirés de deux protéines membranaires différents, un élément de la translocon réticulum endoplasmique, sec61β et un membrane plasmique localisée voltage-dépendant type L2 + canal Ca (CaV1.2). Discutés sont les paramètres spécifiques de microscope, méthodes de fixation, photo-commutation formulation de tampon et pièges et défis du traitement de l’image.

Comme indiqué dans l’introduction, il y a nombreux microscopie de Super-résolution différentes modalités d’imagerie. Ce protocole, met l’accent sur l’imagerie de Super-résolution GSD. Images représentatives et des cartes de localisation sont indiquées dans la Figure 2 et Figure 3.
La figure 2 montre une cellule COS-7 transfec...

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Ground State Depletion Super-resolution Imaging in Mammalian Cells

Cet article décrit un protocole pour la détection d’un ou plusieurs plasma et/ou des protéines de la membrane intracellulaire Super-résolution par appauvrissement de l’état fondamental (GSD) microscopie en cellules mammifères. Ici, nous discutons des avantages et des considérations d’utiliser ces approches pour la visualisation et la quantification des protéines cellulaires.

État fondamental l’appauvrissement Super-résolution imagerie dans les cellules de mammifères

Advances in fluorescent microscopy and cell biology are intimately correlated, with the enhanced ability to visualize cellular events often leading to ...

Research

JoVE Journal

Biology

Long-term Imaging Mammalian Cells using Wide-Field Microscopy

Cellules d&#39;imagerie à long terme des mammifères en utilisant la microscopie à champ large

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