Name: applying live cell imaging and cryo-electron tomography to resolve spatiotemporal features of the legionella pneumophila dot/icm secretion system
Uploaded: 2020-03-10T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Applying Live Cell Imaging and Cryo-Electron Tomography to Resolve Spatiotemporal Features of the Legionella pneumophila Dot/Icm Secretion System at JoVE.com

D.C. e C.R.R. foram apoiados pelo NIH (R37AI041699 e R21AI130671). D.P., B.H., e J.L foram apoiados pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01AI087946 e R01GM107629).

NOTA: Todos os procedimentos envolvendo o crescimento, manipulação e imagem de L. pneumophila devem ser realizados em um laboratório de segurança biológica nível 2 em conformidade com as diretrizes locais.
1. Inserção de sfGFP no Cromossomo L. pneumophila utilizando a Estratégia de Troca Adélia e Dupla Seleção(Figura 2, Figura 3)
<ol><li>Clone no vetor de substituição genética pSR47S<sup class="xref"...

<ol>
	<li>Franco, I. S., Shuman, H. A., Charpentier, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+perplexing+functions+and+surprising+origins+of+Legionella+pneumophila+type+IV+secretion+effectors.">The perplexing functions and surprising origins of Legionella pneumophila type IV secretion effectors.</a> Cellular Microbiology. 11, 1435-1443 (2009).</li><li>Burstein, D., 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=Genome-scale+identification+of+Legionella+pneumophila+effectors+using+a+machine+learning+approach.">Genome-scale identification of Legionella pneumophila effectors using a machine learning approach.</a> PLOS Pathogens. 5, 1000508 (2009).</li><li>Ninio, S., Roy, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effector+proteins+translocated+by+Legionella+pneumophila:+strength+in+numbers.">Effector proteins translocated by Legionella pneumophila: strength in numbers.</a> Trends in Microbiology. 15, 372-380 (2007).</li><li>Vogel, J. P., Andrews, H. L., Wong, S. K., Isberg, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conjugative+transfer+by+the+virulence+system+of+Legionella+pneumophila.">Conjugative transfer by the virulence system of Legionella pneumophila.</a> Science. 279, 873-876 (1998).</li><li>Isberg, R. R., O'Connor, T. J., Heidtman, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Legionella+pneumophila+replication+vacuole:+making+a+cosy+niche+inside+host+cells.">The Legionella pneumophila replication vacuole: making a cosy niche inside host cells.</a> Nature Reviews Microbiology. 7, 13-24 (2009).</li><li>Roy, C. R., Berger, K. H., Isberg, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Legionella+pneumophila+DotA+protein+is+required+for+early+phagosome+trafficking+decisions+that+occur+within+min+of+bacterial+uptake.">Legionella pneumophila DotA protein is required for early phagosome trafficking decisions that occur within min of bacterial uptake.</a> Molecular Microbiology. 28, 663-674 (1998).</li><li>Archer, K. A., Roy, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MyD88-Dependent+Responses+Involving+Toll-Like+Receptor+2+Are+Important+for+Protection+and+Clearance+of+Legionella+pneumophila+in+a+Mouse+Model+of+Legionnaires'+Disease.">MyD88-Dependent Responses Involving Toll-Like Receptor 2 Are Important for Protection and Clearance of Legionella pneumophila in a Mouse Model of Legionnaires' Disease.</a> Infection and Immunity. 74, 3325-3333 (2006).</li><li>Nagai, H., Kubori, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Type+IVB+Secretion+Systems+of+Legionella+and+Other+Gram-Negative+Bacteria.">Type IVB Secretion Systems of Legionella and Other Gram-Negative Bacteria.</a> Frontiers in Microbiology. 2, 136 (2011).</li><li>Kubori, T., Nagai, H. <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+IVB+secretion+system:+an+enigmatic+chimera.">The Type IVB secretion system: an enigmatic chimera.</a> Current Opinion in Microbiology. 29, 22-29 (2016).</li><li>Chetrit, D., Hu, B., Christie, P. J., Roy, C. R., 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=A+unique+cytoplasmic+ATPase+complex+defines+the+Legionella+pneumophila+type+IV+secretion+channel.">A unique cytoplasmic ATPase complex defines the Legionella pneumophila type IV secretion channel.</a> Nature Microbiology. 3, 678-686 (2018).</li><li>Merriam, J. J., Mathur, R., Maxfield-Boumil, R., Isberg, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+the+Legionella+pneumophila+fliI+gene:+intracellular+growth+of+a+defined+mutant+defective+for+flagellum+biosynthesis.">Analysis of the Legionella pneumophila fliI gene: intracellular growth of a defined mutant defective for flagellum biosynthesis.</a> Infection and Immunity. 65, 2497-2501 (1997).</li><li>Feeley, J. 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=Charcoal-yeast+extract+agar:+primary+isolation+medium+for+Legionella+pneumophila.">Charcoal-yeast extract agar: primary isolation medium for Legionella pneumophila.</a> Journal of Clinical Microbiology. 10, 437-441 (1979).</li><li>Andrews, H. L., Vogel, J. P., Isberg, R. R. <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+linked+Legionella+pneumophila+genes+essential+for+intracellular+growth+and+evasion+of+the+endocytic+pathway.">Identification of linked Legionella pneumophila genes essential for intracellular growth and evasion of the endocytic pathway.</a> Infection and Immunity. 66, 950-958 (1998).</li><li>Morado, D. R., Hu, B., 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=Using+Tomoauto:+A+Protocol+for+High-throughput+Automated+Cryo-electron+Tomography.">Using Tomoauto: A Protocol for High-throughput Automated Cryo-electron Tomography.</a> Journal of Visualized Experiments. (107), e53608 (2016).</li><li>Hu, B., Lara-Tejero, M., Kong, Q., Galan, J. E., 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=In+Situ+Molecular+Architecture+of+the+Salmonella+Type+III+Secretion+Machine.">In Situ Molecular Architecture of the Salmonella Type III Secretion Machine.</a> Cell. 168, 1065-1074 (2017).</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> Journal of Structural Biology. 152, 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=MotionCor2:+anisotropic+correction+of+beam-induced+motion+for+improved+cryo-electron+microscopy.">MotionCor2: anisotropic correction of beam-induced motion for improved cryo-electron microscopy.</a> Nature Methods. 14, 331-332 (2017).</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> Journal of Structural Biology. 116, 71-76 (1996).</li><li>Gilbert, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Iterative+methods+for+the+three-dimensional+reconstruction+of+an+object+from+projections.">Iterative methods for the three-dimensional reconstruction of an object from projections.</a> Journal of Theoretical Biology. 36, 105-117 (1972).</li><li>Radermacher, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Weighted+Back-projection+Methods.">Weighted Back-projection Methods.</a> Electron Tomography. , 245-273 (2007).</li><li>Winkler, H., 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=Tomographic+subvolume+alignment+and+subvolume+classification+applied+to+myosin+V+and+SIV+envelope+spikes.">Tomographic subvolume alignment and subvolume classification applied to myosin V and SIV envelope spikes.</a> Journal of Structural Biology. 165, 64-77 (2009).</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, 240-254 (2006).</li><li>Prevost, M. S., Waksman, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=X-ray+crystal+structures+of+the+type+IVb+secretion+system+DotB+ATPases.">X-ray crystal structures of the type IVb secretion system DotB ATPases.</a> Protein Science. 27, 1464-1475 (2018).</li><li>Miklos, G. L., Rubin, 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=The+role+of+the+genome+project+in+determining+gene+function:+insights+from+model+organisms.">The role of the genome project in determining gene function: insights from model organisms.</a> Cell. 86, 521-529 (1996).</li><li>Reyrat, J. M., Pelicic, V., Gicquel, B., Rappuoli, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Counterselectable+markers:+untapped+tools+for+bacterial+genetics+and+pathogenesis.">Counterselectable markers: untapped tools for bacterial genetics and pathogenesis.</a> Infection and Immunity. 66, 4011-4017 (1998).</li><li>Yu, J. <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+Studies+in+Live+Cells.">Single-Molecule Studies in Live Cells.</a> Annual Review of Physical Chemistry. 67, 565-585 (2016).</li><li>Stewart, P. L. <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+microscopy+and+cryo-electron+tomography+of+nanoparticles.">Cryo-electron microscopy and cryo-electron tomography of nanoparticles.</a> Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 9, (2017).</li></ol>

Elucidar as funções dos sistemas de secreção bacteriana é a chave para uma compreensão completa das interações hospedeira-patógena. Os sistemas de secreção são máquinas complexas que podem injetar proteínas de efeitos em células hospedeiras, e em alguns casos promovem o estabelecimento de um nicho subcelular que suporta a replicação bacteriana. O método acima fornece novas ferramentas importantes para estudar o sistema de secreção Dot/ICM do patógeno respiratório Legionella pneumophila, dan...

Legionella pneumophila (L. pneumophila), o agente etiológico da doença dos Legionários, habita reservatórios de água doce, onde as bactérias se propagam infectando e replicando dentro de protozoários aquáticos de natação livre. L. pneumophila causa surtos de doenças em humanos quando ocorre inalação de bactérias aerossolizadas de fontes de água potável. Nas células infectadas, a subversão das vias hospedeiras permite que a L. pneumophila atrase a maturação endocítica do vacúolo em que reside e promova a biogênese de um compartimento celular que suporta a replicação bacteriana. Este processo é conduzido por um sistema especializado de secreção de tipo bacteriano IVB (T4BSS) conhecido como Ponto/Icm e seu repertório de mais de 300 proteínas "eficazes" que são translocadas no citosol hospedeiro durante a infecção para facilitar a manipulação das funções celulares1,2,3,4,5. Mutantes sem um aparelho funcional Dot/Icm não conseguem entregar os efeitos no citosol hospedeiro, são defeituosos para replicação intracelular e são aviudores em modelos animais da doença6,7.
Muitas espécies bacterianas desenvolveram máquinas multicomponentes extremamente complexas e dinâmicas que são necessárias para processos de infecção. Outros T4BSS como o sistema Dot/Icm também são essenciais para a replicação intracelular de patógenos bacterianos como Coxiella burnetii e Rickettsiella grylli. Embora o T4BSS esteja evolutivamente relacionado aos sistemas iva do tipo prototípico, que mediam a transferência de DNA e podem fornecer um repertório limitado de proteínas eficazes, o sistema Dot/Icm tem quase o dobro de componentes da máquina e fornece uma grande variedade de efeitos. Presumivelmente, essa expansão no número de componentes permitiu que o aparelho Dot/Icm acomodasse e integrasse facilmente novos efeitos8,9.
Recentemente usamos a tomografia crio-elétron (crio-ET) para resolver a estrutura do aparelho Dot/Icm in situ e mostramos que ele forma um canal de abrangência de envelopes de células que se conecta a um complexo citoplasmático. Análises posteriores revelaram que o citosolicatat ATPase DotB associa-se ao sistema Dot/Icm no pólo celular L. pneumophila através de interações com o citosolicatATPase DotO. Descobrimos que o DotB apresenta um movimento citosólico na maioria das células bacterianas, indicando que este ATPase está presente em uma população citossólica dinâmica, mas também se associa aos complexos polares do Dot/Icm. Além disso, DotO forma uma montagem hexamérica de dimers DotO associados com o complexo de membrana interna, e um Hexamer DotB se junta à base deste complexo citoplasmático. A montagem do complexo energético DotB-DotO cria um canal citoplasmático que direciona a translocação de substratos através do T4SS (Figura 1)10.
Apesar desses avanços recentes, pouco se sabe sobre como funciona o sistema Ponto/Icm e como cada proteína se reúne para formar um aparelho ativo8. Descobrir os circuitos regulatórios do Ponto/Icm T4SS é fundamental para compreender os mecanismos moleculares das interações hospedeira-patógena. Portanto, discutimos como usar a microscopia de células vivas e crio-ET para detectar e caracterizar componentes essenciais do sistema L. pneumophila Dot/Icm que são marcados com a super pasta GFP (sfGFP). Utilizando microscopia quantitativa de fluorescência, a localização polar do DotB será definida em um tipo de fundo selvagem ou quando o sistema tipo IV for excluído. A microscopia de lapso de tempo será usada para quantificar diferenças na localização e dinâmica entre os ATPas citosolic do TT/ICM.
A aplicação combinada de duas abordagens complementares, como imagem ao vivo e crio-ET, proporciona uma vantagem em comparação com outros sistemas in vitro. Ambos os métodos são realizados em células intactas e preservam o ambiente natural do T4BSS, minimizando assim a interrupção da estrutura nativa durante a preparação da amostra. Como a superexpressão das proteínas pode prejudicar a estequiometria do aparelho de secreção, as fusões sfGFP são devolvidas através da troca alélica ao cromossomo Legionella para que cada fusão seja codificada em cópia única e a expressão seja conduzida pelo promotor endógeno. A visualização de fusões codificadas cromossomicamente permite quantificação do nível exato de proteína sendo expressa em um ponto de tempo definido. O Cryo-ET também tem muitas vantagens para determinar a estrutura dos sistemas de secreção. A vantagem mais notável é que as amostras crio-ET são compostas de células intactas congeladas que preservam complexos nativos no contexto da arquitetura celular bacteriana. Consequentemente, o crio-ET pode ser preferível às abordagens de purificação bioquímica, que extraem complexos de membrana e podem retirar proteínas periféricas do aparelho central ou modificar a estrutura geral. Além disso, a marcação de uma proteína de interesse com uma proteína volumosa como o sfGFP adiciona uma massa que é detectável pelo crio-ET e pode auxiliar no mapeamento dos diferentes subcomplexos do aparelho Dot/Icm na estrutura obtida pelo crio-ET.
Esta abordagem é uma poderosa ferramenta para descobrir informações estruturais sobre complexos multimoleculares que se reúnem na membrana celular bacteriana. A interpretação das estruturas elucidadas usando essas técnicas ajudará o campo a entender como funcionam os componentes T4BSS, por que tantos componentes são necessários para a função, como os componentes interagem dentro do complexo maior e quais funções esses subconjuntos funcionam.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>10 nm colloidal gold particles</td>
			<td>Aurion</td>
			<td>25486</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>100x Plan Apo objective (1.4 NA)</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ACES</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A9758</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Activated charcoal</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>C5510</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agaroze GPG/LMP, low melt</td>
			<td>American bioanalytical</td>
			<td>AB00981</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bacto dehydrated agar</td>
			<td>BD</td>
			<td>214010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CoolSNAP EZ 20 MHz digital monochrome camera</td>
			<td>Photometrics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gene Frame, 1.7x2.8 cm, 125 &#181;L</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>AB-0578</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Holey Carbon grid R 2/1 Cu 200 mesh</td>
			<td>Quantifoil</td>
			<td>Q225-CR1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iron(III) nitrate nonahydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>216828</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>K2 Summit camera for cryo-EM</td>
			<td>GATAN</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-Cysteine</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>C7352</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope cover slides 22x22 mm</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>12-542B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope cover slides 24x50 mm</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>12-545K</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope slides 25x75x1 mm</td>
			<td>Globe Scientific</td>
			<td>1380</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SlideBook 6.0</td>
			<td>Intelligent Imaging Innovations</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectra X light engine</td>
			<td>Lumencor</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Taq 2X Master Mix</td>
			<td>New England BioLabs</td>
			<td>M0270</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titan Krios</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast Extract</td>
			<td>BD</td>
			<td>212750</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

applying live cell imaging and cryo-electron tomography to resolve spatiotemporal features of the legionella pneumophila dot/icm secretion system

O sistema de secreção Dot/ICM da pneumophila Legionella é uma nanomáquina complexa do sistema de secreção tipo IV (T4SS) que localiza no pólo bacteriano e media a entrega de substratos de proteína e DNA às células-alvo, um processo que geralmente requer contato direto entre células. Recentemente, resolvemos a estrutura do aparelho Dot/Icm por tomografia crio-elétron (crio-ET) e mostramos que ele forma um canal de abrangência de envelopes de células que se conecta a um complexo citoplasmático. A aplicação de duas abordagens complementares que preservam a estrutura nativa do espécime, a microscopia fluorescente em células vivas e crio-ET, permite a visualização in situ de proteínas e assimilação da estequiometria e tempo de produção de cada componente da máquina em relação a outras subunidades do Ponto/Icm. Para investigar os requisitos para o posicionamento polar e para caracterizar características dinâmicas associadas à biogênese da máquina T4SS, fundimos uma proteína fluorescente verde de codificação de genes de superpasta para genes Dot/Icm ATPase em suas posições nativas no cromossomo. O método a seguir integra a microscopia quantitativa de fluorescência de células vivas e crio-ET para quantificar a localização polar, a dinâmica e a estrutura dessas proteínas em células bacterianas intactas. A aplicação dessas abordagens para o estudo da Legionella pneumophila T4SS é útil para caracterizar a função do sistema Dot/Icm e pode ser adaptada para estudar uma grande variedade de patógenos bacterianos que utilizam o T4SS ou outros tipos de complexos de secreção bacteriana.

A recombinação homólogo com dupla seleção em duas etapas foi utilizada para construir a inserção definida do sfGFP. Na primeira etapa, foi realizado o acasalamento triparental, onde o plasmídeo conjugado pRK600 (um plasmid IncP) da cepa auxiliar E. coli MT616 foi mobilizado para o doador E. coli cepa com o vetor suicida pSR47S contendo o gene sfGFP ladeado pelas duas regiões homólogas, a origem da transferência oriT e o bacillus subseleção genética Em seguida, o sistema d...

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Applying Live Cell Imaging and Cryo-Electron Tomography to Resolve Spatiotemporal Features of the Legionella pneumophila Dot/Icm Secretion System

A imagem de células bacterianas é uma abordagem de biologia de sistemas emergentes focada na definição de processos estáticos e dinâmicos que ditam a função de grandes máquinas macromoleculares. Aqui, a integração da imagem quantitativa de células vivas e tomografia crio-elétron é usada para estudar a arquitetura e funções do sistema de secreção legionella tipo IV.

Aplicando imagens de células vivas e tomografia crio-elétron para resolver características espaciales do Sistema de Secreção Legionella pneumophila Dot/ICM

The Dot/Icm secretion system of Legionella pneumophila is a complex type IV secretion system (T4SS) nanomachine that localizes at the bacterial pole and ...

Este protocolo é útil para caracterizar as funções de montagem de peles de secreção bacteriana e pode levar a uma compreensão fundamental dos mecanismos moleculares necessários para interações patógenas hospedeiras. Essa técnica integra abordagens complementares que preservam a estrutura nativa da amostra e permitem e veem a visualização de complexos proteicos em células bacterianas intactas. Aumenta nossa compreensão das relações de função estrutural dos sistemas de secreção bacteriana.Este método pode ser adaptado para estudar outros tipos de sistemas de secreção ou outros complexos celulares em uma ampla variedade de espécies bacterianas. Comece fazendo almofadas de agarose para imagens de células vivas. Prepare cerca de 30 mL de solução de agarose de derretimento 1% baixa na água e micro-ondas em um frasco de vidro por cerca de 90 segundos girando-o ocasionalmente até que a agarose seja completamente dissolvida.Coloque dois slides de vidro de 22 por 22 por 0,15mm na borda de um deslizamento de vidro de 25 por 75 por 1,1 mm um em cima do outro. Em seguida, empilhe mais dois slides menores na outra borda. Pipeta cerca de 1 mL da agarose derretida no slide central entre os dois slides de vidro superior e colocar outro grande slide em cima da agarose derretida certificando-se de evitar a formação de bolhas de ar.Esfrie os slides a quatro graus celsius por 15 minutos e use um bisturi ou lâmina de barbear para cortar suavemente a almofada em pequenos quadrados. Fixar uma moldura adesiva de dois lados em um deslizamento de vidro de 25 por 75 por 1,1 mm e coloque várias almofadas no slide. Dissolva um pedaço pesado de Legionella Pneumophila em 1 mL de água dupla destilada.Em seguida, vórtice e pipeta dois a três microliters da diluição sobre as almofadas. Coloque suavemente um deslizamento de cobertura de 58 por 24 por 0,15 mm sobre o quadro adesivo. Selecione células para imagens usando iluminação de campo brilhante.Em seguida, na janela de captura do software do microscópio, ajuste o ND para 180 e o binning para dois por dois. Use o canal de 488 nanômetros para expor a amostra por 500 a 1000 milissegundos e validar a especificidade da fluorescência por imagem não marcada Legionella Pneumophila com os mesmos parâmetros. Para quantificar a polaridade, ajuste o contraste da imagem para que as bactérias sejam claramente visíveis.Em seguida, amplie a região de interesse e use a ferramenta da região para colocar um retângulo de 0,25 por 1,3 micrômetro começando no polo e estendendo-se para o citoplasma certificando-se de que o retângulo permanece dentro das bordas bacterianas. Marque pelo menos 200 bactérias e crie máscaras usando a região para mascarar o botão no menu de análise. Clique nas estatísticas da máscara e escolha o objeto sob o escopo da máscara.Em seguida, marque intensidade média e variância sob características e intensidade. Exporte os dados como um arquivo de texto e use o aplicativo de planilha para calcular os escores de polaridade de cada bactéria como a razão entre a variância e a intensidade média. Para aplicações de alto rendimento, use microscopia de contraste facial para adquirir imagens de dois canais.Certifique-se de escolher campos de visão onde as bactérias estão totalmente separadas. Em seguida, ajuste o contraste do canal facial da imagem para um nível onde as bactérias são claramente visíveis. Abra a imagem do canal duplo e inicie a janela de máscaras do segmento de criação.Ajuste o limiar apropriado e remova os objetos pequenos clicando no botão definir objetos e ajustando o tamanho mínimo para 100 pixels. Sob a máscara de refinar, selecione remover bordas de objetos e máscaras separadas de bactérias adjacentes umas às outras. Para quantificar a dinâmica das proteínas de fusão, abra a janela de captura de imagem e marque o lapso de tempo.Digite dois na caixa de pontos de tempo. Adquira duas imagens bem sucedidas de Legionella Pneumophila expressando a proteína fluorescente de interesse. Ajuste o contraste da imagem até que as células estejam claramente visíveis.Em seguida, use a ferramenta região para colocar um quadrado de 0,25 por 0,25 micrômetro no meio de pelo menos 400 células. Em seguida, use a região para mascarar o botão no menu de análise para criar uma máscara dos quadrados de interesse. Crie uma nova máscara vazia e use a ferramenta pixel para marcar toda a área celular de pelo menos 25 células aleatórias.Crie outra máscara e use a ferramenta de pincel grande para marcar áreas entre as células. Finalmente, selecione as estatísticas da máscara e certifique-se de que o objeto seja selecionado sob o escopo da máscara para a máscara um. Sob características e intensidade, escolha intensidade média.Exporte os dados e repita o processo para a máscara 2. Para a máscara 3, selecione toda a máscara e exporte a intensidade média. Para preparar a amostra de criotomografia eletrônica, cresça um trecho pesado de Legionella Pneumophila em placas de Agrastreptomisum CYE por 48 horas a 37 graus Celsius.Resuspend as células na água para um OD 600 de cerca de 0,7. Em seguida, adicione cinco microliters de partículas de ouro coloidais a 20 microliters da suspensão celular. Descarreta uma grade de carbono furada e pipeta cinco microliters da mistura celular sobre ele.Deixe-o ficar por um minuto. Borrue a grade com papel filtro e congele-a em etano líquido usando um aparelho de êmbolo movido à gravidade. Após inserir a superpatora GFP no cromossomo Legionella Pneumophila, a microscopia fluorescente de células vivas foi realizada para comparar o sinal fluorescente com o da cepa negativa da superpato parental GFP.Além disso, a microscopia de campo brilhante foi utilizada para examinar a proporção de células com um sinal fluorescente específico. Apenas uma fração das células que produziram a superpatos DotB GFP exibiu localização polar da proteína de fusão. Ao caracterizar a distribuição do sinal fluorescente DotB, verificou-se que a intensidade da superpatos DotB GFP nos polos era cerca de duas vezes maior do que no citosol.Para investigar se a localização polar da superpatos DotB GFP dependia de um sistema de secreção tipo quatro totalmente montado, as pontuações de polaridade da superpatos DotB GFP foram determinadas para células individuais em um tipo selvagem, e em um tipo quatro de sistema de secreção mutante. De fato, o posicionamento polar da superpatos DotB GFP desapareceu quando o sistema Dot/ICM foi excluído. Padrões dinâmicos indicaram que o DotB ATPase estava presente em uma população citosolica dinâmica e foi recrutado para o sistema de secreção do tipo 4 do Dot/ICM localizado em uma reação de montagem em estágio final.Crio-ET de alta produtividade foi usado para visualizar o aparelho intacto do sistema de secreção tipo quatro em uma cepa Legionella Pneumophila expressando a superpatoria DotB GFP. A reconstrução da célula revelou várias máquinas Dot/ICM embutidas no envelope da célula. Também foi determinado o posicionamento geral do DotB e da superpatos GFP em relação à máquina intacta do sistema de secreção tipo quatro.Renderizações tridimensionais da superfície indicaram que a superpatosa GFP está posicionada abaixo do hexamer DotB, que se monta como um disco na base do complexo de ATPase citoplasmado. Ao tentar essa técnica, certifique-se de avaliar a estabilidade das proteínas de fusão e a funcionalidade do sistema de secreção de etiquetas antes de prosseguir para a aquisição de imagem. Modelagem e encaixe podem ser formas eficazes de analisar os padrões dinâmicos e densidades estruturais, bem como para avaliação de mudanças conformais ou localização de subunidades na estrutura.Essa abordagem pode ajudar a entender como diferentes componentes do sistema secreto tipo quatro funcionam, como eles interagem dentro do complexo maior e quais funções diferentes subconjuntos funcionam.

Research

JoVE Journal

Immunology and Infection

Applying Live Cell Imaging and Cryo-Electron Tomography to Resolve Spatiotemporal Features of the Legionella pneumophila Dot/Icm Secretion System

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

Determinação de estruturas moleculares de glicoproteínas do envelope HIV usando Cryo-Electron Tomografia e Média Sub-tomogram Automated

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 ...

Imunologia e Infecção

Use of an Optical Trap for Study of Host-Pathogen Interactions for Dynamic Live Cell Imaging

Uso de uma armadilha óptica de Estudos de Interações Hospedeiro-Patógeno para imagens de células dinâmica ao vivo

Dynamic live cell imaging allows direct visualization of real-time interactions between cells of the immune system1, 2; however, the lack of spatial and ...

Real-time Live Imaging of T-cell Signaling Complex Formation

Em tempo real de imagens ao vivo de células T Sinalização de Formação de Complexos

Protection against infectious diseases is mediated by the immune system 1,2. T lymphocytes are the master coordinators of the immune system, regulating ...

Live Cell Imaging of Alphaherpes Virus Anterograde Transport and Spread

De células vivas de Alphaherpes Vírus Transporte anterógrada e Spread

Advances in live cell fluorescence microscopy  techniques, as well as the construction of recombinant viral strains that  express fluorescent fusion ...

Use of Galleria mellonella as a Model Organism to Study Legionella pneumophila Infection

Use of Galleria mellonella as a Model Organism to Study Legionella pneumophila Infection

Utilização de<em&gt; Galleria mellonella</em&gt; Como um organismo modelo para estudar<em&gt; Legionella pneumophila</em&gt; Infecção

Legionella pneumophila, the causative agent of a severe pneumonia named Legionnaires&#39; disease, is an important human pathogen that infects and ...

Imaging InlC Secretion to Investigate Cellular Infection by the Bacterial Pathogen Listeria monocytogenes

Imaging InlC Secretion to Investigate Cellular Infection by the Bacterial Pathogen Listeria monocytogenes

Imagiologia inLC Secreção para investigar infecção celular pelo patógeno bacteriano<em&gt; Listeria monocytogenes</em

Bacterial intracellular  pathogens can be conceived as molecular tools to dissect cellular signaling  cascades due to their capacity to exquisitely ...

Applying an Inducible Expression System to Study Interference of Bacterial Virulence Factors with Intracellular Signaling

Aplicando um sistema de expressão induzível para estudar interferência de fatores de virulência bacteriana com Sinalização Intracelular

The technique presented here allows one to analyze at which step a target protein, or alternatively a small molecule, interacts with the components of a ...

Legionella pneumophila Outer Membrane Vesicles: Isolation and Analysis of Their Pro-inflammatory Potential on Macrophages

Legionella pneumophila Outer Membrane Vesicles: Isolation and Analysis of Their Pro-inflammatory Potential on Macrophages

Legionella pneumophila Outer Membrane vesículas: Isolamento e Análise do seu potencial pró-inflamatórios em macrófagos

Bacteria are able to secrete a variety of molecules via various secretory systems. Besides the secretion of molecules into the extracellular space or ...

A Novel Feeder-free System for Mass Production of Murine Natural Killer Cells In Vitro

A Novel Feeder-free System for Mass Production of Murine Natural Killer Cells In Vitro

Um novo sistema alimentador-livre para produção em massa de murino Natural Killer Cells In Vitro

Natural killer (NK) cells belong to the innate immune system and are a first-line anti-cancer immune defense; however, they are suppressed in the tumor ...

Isolation, Fixation, and Immunofluorescence Imaging of Mouse Adrenal Glands

Isolamento, fixação e imagem de imunofluorescência de glândulas supra-renais de Mouse

Immunofluorescence is a well-established technique for detection of antigens in tissues with the employment of fluorochrome-conjugated antibodies and has ...