Name: Author Spotlight: Direct Synthesis of EM-Visible Gold Nanoparticles in Cells for Protein Localization Analysis with Well-Preserved Ultrastructure
Uploaded: 2023-04-28T12:20:00
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El protocolo descrito aquí se derivó del artículo publicado por Jiang et al. (2020). Este trabajo fue apoyado por subvenciones de MOST (973 Programas nos. 2011CB812502 y 2014CB849902) y por el apoyo financiero del Gobierno Municipal de Beijing.

Todos los suministros utilizados en este experimento se enumeran en la Tabla de materiales. El flujo de trabajo paso a paso del protocolo actual se muestra en la figura 1.
1. Cultivo celular en discos de zafiro
<ol><li>Transfiera discos de zafiro de 3 mm x 0,16 mm a un tubo centrífugo de 2 ml que contenga 1 ml de etanol y sanice en un limpiador ultrasónico durante 10 minutos.</li>
	<li>Queme cada disco de zafiro en una llama d...

Direct Synthesis of Gold Nanoparticles for Protein Localization Analysis

<ol>
	<li>Tsien, R. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+green+fluorescent+protein.">The green fluorescent protein.</a> Annual Review of Biochemistry. 67, 509-544 (1998).</li><li>Shaner, N. C., Patterson, G. H., Davidson, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+fluorescent+protein+technology.">Advances in fluorescent protein technology.</a> Journal of Cell Science. 120, 4247-4260 (2007).</li><li>Masters, B. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=History+of+the+electron+microscope+in+cell+biology.">History of the electron microscope in cell biology.</a> Encylopedia of Life Sciences. , (2009).</li><li>Griffiths, G., Hoppeler, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitation+in+immunocytochemistry:+Correlation+of+immunogold+labeling+to+absolute+number+of+membrane+antigens.">Quantitation in immunocytochemistry: Correlation of immunogold labeling to absolute number of membrane antigens.</a> Journal of Histochemistry &amp; Cytochemistry. 34 (11), 1389-1398 (1986).</li><li>Tokuyasu, K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+technique+for+ultracryotomy+of+cell+suspensions+and+tissues.">A technique for ultracryotomy of cell suspensions and tissues.</a> Journal of Cell Biology. 57 (2), 551-565 (1973).</li><li>Connolly, C. N., Futter, C. E., Gibson, A., Hopkins, C. R., Cutler, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+into+and+out+of+the+Golgi+complex+studied+by+transfecting+cells+with+cDNAs+encoding+horseradish+peroxidase.">Transport into and out of the Golgi complex studied by transfecting cells with cDNAs encoding horseradish peroxidase.</a> Journal of Cell Biology. 127 (3), 641-652 (1994).</li><li>Grabenbauer, 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=Correlative+microscopy+and+electron+tomography+of+GFP+through+photooxidation.">Correlative microscopy and electron tomography of GFP through photooxidation.</a> Nature Methods. 2 (11), 857-862 (2005).</li><li>Gaietta, G., 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=Multicolor+and+electron+microscopic+imaging+of+connexin+trafficking.">Multicolor and electron microscopic imaging of connexin trafficking.</a> Science. 296 (5567), 503-507 (2002).</li><li>Shu, 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=A+genetically+encoded+tag+for+correlated+light+and+electron+microscopy+of+intact+cells,+tissues,+and+organisms.">A genetically encoded tag for correlated light and electron microscopy of intact cells, tissues, and organisms.</a> PLoS Biology. 9 (4), e1001041 (2011).</li><li>Martell, J. 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=Engineered+ascorbate+peroxidase+as+a+genetically+encoded+reporter+for+electron+microscopy.">Engineered ascorbate peroxidase as a genetically encoded reporter for electron microscopy.</a> Nature Biotechnology. 30 (11), 1143-1148 (2012).</li><li>Lam, S. 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=Directed+evolution+of+APEX2+for+electron+microscopy+and+proximity+labeling.">Directed evolution of APEX2 for electron microscopy and proximity labeling.</a> Nature Methods. 12 (1), 51-54 (2015).</li><li>Mavlyutov, T. 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=APEX2-enhanced+electron+microscopy+distinguishes+sigma-1+receptor+localization+in+the+nucleoplasmic+reticulum.">APEX2-enhanced electron microscopy distinguishes sigma-1 receptor localization in the nucleoplasmic reticulum.</a> Oncotarget. 8 (31), 51317-51330 (2017).</li><li>Wang, Q., Mercogliano, C. P., Lowe, 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+ferritin-based+label+for+cellular+electron+cryotomography.">A ferritin-based label for cellular electron cryotomography.</a> Structure. 19 (2), 147-154 (2011).</li><li>Sano, T., Glazer, A. N., Cantor, 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=A+streptavidin-metallothionein+chimera+that+allows+specific+labeling+of+biological+materials+with+many+different+heavy+metal+ions.">A streptavidin-metallothionein chimera that allows specific labeling of biological materials with many different heavy metal ions.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 89 (5), 1534-1538 (1992).</li><li>Mercogliano, C. P., DeRosier, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanocluster+formation+using+metallothionein:+Mass+spectrometry+and+electron+microscopy.">Gold nanocluster formation using metallothionein: Mass spectrometry and electron microscopy.</a> Journal of Molecular Biology. 355 (2), 211-223 (2006).</li><li>Mercogliano, C. P., DeRosier, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concatenated+metallothionein+as+a+clonable+gold+label+for+electron+microscopy.">Concatenated metallothionein as a clonable gold label for electron microscopy.</a> Journal of Structural Biology. 160 (1), 70-82 (2007).</li><li>Morphew, M. K., 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=Metallothionein+as+a+clonable+tag+for+protein+localization+by+electron+microscopy+of+cells.">Metallothionein as a clonable tag for protein localization by electron microscopy of cells.</a> Journal of Microscopy. 260 (1), 20-29 (2015).</li><li>Nishino, Y., Yasunaga, T., Miyazawa, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+genetically+encoded+metallothionein+tag+enabling+efficient+protein+detection+by+electron+microscopy.">A genetically encoded metallothionein tag enabling efficient protein detection by electron microscopy.</a> Journal of Electron Microscopy. 56 (3), 93-101 (2007).</li><li>Bouchet-Marquis, C., Pagratis, M., Kirmse, R., Hoenger, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metallothionein+as+a+clonable+high-density+marker+for+cryo-electron+microscopy.">Metallothionein as a clonable high-density marker for cryo-electron microscopy.</a> Journal of Structural Biology. 177 (1), 119-127 (2012).</li><li>Fukunaga, Y., 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+microscopic+analysis+of+a+fusion+protein+of+postsynaptic+density-95+and+metallothionein+in+cultured+hippocampal+neurons.">Electron microscopic analysis of a fusion protein of postsynaptic density-95 and metallothionein in cultured hippocampal neurons.</a> Journal of Electron Microscopy. 56 (4), 119-129 (2007).</li><li>Diestra, E., Fontana, J., Guichard, P., Marco, S., Risco, C. <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+proteins+in+intact+cells+with+a+clonable+tag+for+electron+microscopy.">Visualization of proteins in intact cells with a clonable tag for electron microscopy.</a> Journal of Structural Biology. 165 (3), 157-168 (2009).</li><li>Risco, 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=sensitive,+high-resolution+detection+of+protein+molecules+in+eukaryotic+cells+using+metal-tagging+transmission+electron+microscopy.">sensitive, high-resolution detection of protein molecules in eukaryotic cells using metal-tagging transmission electron microscopy.</a> Structure. 20 (5), 759-766 (2012).</li><li>Ding, S. -. W., 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=Noncanonical+role+for+the+host+Vps4+AAA++ATPase+ESCRT+protein+in+the+formation+of+tomato+bushy+stunt+virus+replicase.">Noncanonical role for the host Vps4 AAA+ ATPase ESCRT protein in the formation of tomato bushy stunt virus replicase.</a> PLoS Pathogens. 10 (4), e1004087 (2014).</li><li>Jiang, Z., 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=Direct+synthesis+of+gold+nanoparticles+on+cysteine-rich+tags+in+yeast+cells.">Direct synthesis of gold nanoparticles on cysteine-rich tags in yeast cells.</a> Protocol Exchange. , (2020).</li><li>Jiang, Z., 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=Direct+synthesis+of+gold+nanoparticles+on+cysteine-rich+tags+in+mammalian+cells.">Direct synthesis of gold nanoparticles on cysteine-rich tags in mammalian cells.</a> Protocol Exchange. , (2020).</li><li>Jiang, Z., 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=Genetically+encoded+tags+for+direct+synthesis+of+EM-visible+gold+nanoparticles+in+cells.">Genetically encoded tags for direct synthesis of EM-visible gold nanoparticles in cells.</a> Nature Methods. 17 (9), 937-946 (2020).</li><li>Brust, M., Walker, M., Bethell, D., Schiffrin, D. J., Whyman, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+thiol-derivatised+gold+nanoparticles+in+a+two-phase+liquid-liquid+system.">Synthesis of thiol-derivatised gold nanoparticles in a two-phase liquid-liquid system.</a> Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. 7, 801-802 (1994).</li></ol>

El estudio presenta aquí una robusta tecnología de etiquetado EM clonable para la visualización de moléculas de proteínas individuales dentro del entorno celular con resolución ultraestructural. Las AuNP sintetizadas directamente en etiquetas ricas en cisteína codificadas genéticamente proporcionan una localización inequívoca y precisa de las proteínas diana. La técnica de congelación a alta presión y la sustitución por congelación preservan excelentemente la ultraestructura de las muestras biológicas. E...

En la era postgenómica, el desarrollo de la proteína fluorescente verde (GFP) como reportero de una sola molécula para microscopía óptica ha revolucionado el campo de la investigación moderna en ciencias de la vida 1,2. Durante décadas, la microscopía electrónica (EM) ha sido una herramienta poderosa para observar intuitivamente la ultraestructura celular con resolución a nanoescala3; Sin embargo, la identificación precisa y la localización de las moléculas de proteínas siguen siendo un desafío.
La técnica de marcado EM más utilizada es la técnica de marcado de microscopía inmunoelectrónica (IEM), que se basa en la reacción antígeno-anticuerpo. Sin embargo, aunque se han desarrollado muchas técnicas en el campo del etiquetado IEM, incluyendo IEM pre-incrustado y IEM post-incrustado (en secciones de resina o criosecciones hidratadas), todavía sufre de baja eficiencia de etiquetado (<10%)4,5, que está relacionado con la preparación de la muestra y la calidad de los anticuerpos. Para superar estas limitaciones, el desarrollo de etiquetas codificadas genéticamente tiene un gran potencial de aplicación.
Dos tipos principales de etiquetas EM se han explorado a fondo en los últimos años. Un tipo es el método de tinción DAB, que utiliza etiquetas como APEX2 para oxidar 3,3'-diaminobencidina (DAB) a polímeros osmiófilos para la visualización EM 6,7,8,9,10,11,12. Permite el etiquetado de proteínas de alta abundancia en regiones subcelulares, pero no es adecuado para el recuento de moléculas individuales. El otro tipo utiliza proteínas de unión a metales, como la ferritina 13 y la metalotioneína (MT)14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26, para generar depósitos metálicos densos en electrones en situ para visualización EM. Solo este último tiene un potencial real para la visualización y el conteo de moléculas individuales. El tamaño molecular de la ferritina es demasiado grande (~ 450 kD) para que se use como una etiqueta prometedora, mientras que el pequeño tamaño (~ 5 kD) de MT y su capacidad para unir varios iones a través de sus 20 cisteínas han atraído gran atención. Varios laboratorios han intentado etiquetar proteínas de fusión MT purificadas o células que expresan MT incubando directamente con Au +. Estos intentos han demostrado inicialmente que las etiquetas MT pueden unirse a iones de oro para formar señales de alto contraste, pero ninguno ha logrado realmente la identificación efectiva de proteínas individuales en las células, y no son ampliamente aplicables 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23.
La técnica de síntesis de AuNP basada en ANSM, que consiste en sintetizar AuNP de tamaño 2-6 nm directamente en etiquetas ricas en cisteína (por ejemplo, MT, las variantes MT MTn y MTα, AFP) como etiquetas densas en electrones para la visualización EM, es el primer enfoque confiable y aplicable para el etiquetado de proteínas y la detección de moléculas individuales en células24,25,26. Permite la síntesis específica de AuNPs en proteínas aisladas de fusión de etiquetas y ha logrado una eficiencia de etiquetado sin precedentes en células procariotas (E. coli) y eucariotas (S. pombe) no fijas o fijadas químicamente. Sin embargo, implementar el mismo protocolo en sistemas más avanzados, como células de mamíferos o incluso tejidos, implica desafíos adicionales, como la homeostasis redox intracelular más compleja y la estructura celular más frágil.
Este estudio presenta una tecnología de etiquetado EM clonable, que combina la novedosa técnica de síntesis de AuNP basada en ANSM para etiquetar etiquetas ricas en cisteína (MT) codificadas genéticamente con el método de preparación de muestras HPF / FSF -rehidratación-HPF / FSF, permite la identificación inequívoca de una sola molécula de proteínas marcadas en la membrana ER, la luz ER y la matriz mitocondrial en células HeLa. El método actual combina las características de alta eficiencia de etiquetado, una alta relación señal-ruido, etiquetado de una sola molécula y una fuerte universalidad, y este método tiene amplias perspectivas de aplicación en la investigación de ciencias de la vida.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.025 mm/0.275 mm Aluminum carrier</td>
			<td>Beijing Wulundes Biotech Ltd., or Engineering Office of M. Wohlwend</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.2 M HEPES buffer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dissolve HEPES (0.2 M) in 980 mL of ddH2O, then add 10 mL of 100 mM MgCl2 and 10 mL of 100 mM CaCl2 (final concentration 1 mM), respectively, adjust pH to 5.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1.5 mL MaxyClear snaplock microtube</td>
			<td>Axygen Scientific</td>
			<td>MCT150C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 mL polypropylene screw cap microtubes</td>
			<td>Biologix</td>
			<td>81-0204</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>200 mesh hexagonal copper grid</td>
			<td>Tedpella inc</td>
			<td>G200HEX</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-mercaptoethanol</td>
			<td>Amresco</td>
			<td>0482-250ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>35 mm cell culture dishes</td>
			<td>Corning</td>
			<td>430165</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL polypropylene centrifuge tubes</td>
			<td>Corning</td>
			<td>430928</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Beiijng Tong Guang Fine Chemicals Company</td>
			<td>31025</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Automated freeze substitution machine</td>
			<td>Leica</td>
			<td>AFS2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Customized 3.05 mm x 0.66 mm specimen holders for HPF</td>
			<td>Beijing Wulundes Biotech Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-penicillamine</td>
			<td>TCI</td>
			<td>P0147</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dulbecco&#8217;s modified Eagle medium</td>
			<td>GBICO</td>
			<td>C11965500BT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal bovine serum</td>
			<td>GBICO</td>
			<td>10099-141C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flat bottom embedding capsule</td>
			<td>Tedpella inc</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Foam cryobox</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Formvar 15/95 resin</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>15800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HAuCl4</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>4022-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES</td>
			<td>sigma&#160;</td>
			<td>H3375-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HPF machine</td>
			<td>Wohlwend&#160;</td>
			<td>HPF compact01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methonal&#160;</td>
			<td>Beiijng Tong Guang Fine Chemicals Company</td>
			<td>12397</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaBH4</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>480886-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OsO4</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>19110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PBS-A buffer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dissolve NaH2PO4 (1.125 mM), Na2HPO4 (3.867 mM), NaCl (100 mM) in 1 L of ddH2O, adjust to pH 7.4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Qualitative filter paper (medium speed)</td>
			<td>Beyotime Biotechnology</td>
			<td>FFT08</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sapphire discs</td>
			<td>Beijing Wulundes Biotech Ltd., or Engineering Office of M. Wohlwend</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solvent resistant pen</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>62053-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SPI-Pon 812 resin</td>
			<td>SPI Inc</td>
			<td>02659-AB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission electron microscopy</td>
			<td>FEI</td>
			<td>Tecnai G2 spirit</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin-EDTA</td>
			<td>GBICO</td>
			<td>C25200-056</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers</td>
			<td>Dumont</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultramictotome</td>
			<td>Leica</td>
			<td>FC7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Uranyl acetate</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>22400</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

direct synthesis of em-visible gold nanoparticles in cells for protein localization analysis with well-preserved ultrastructure

El análisis de la localización precisa de moléculas de proteínas en células con resolución ultraestructural es de gran importancia para el estudio de diversos procesos fisiológicos o patológicos en todos los organismos vivos. Por lo tanto, el desarrollo de etiquetas clonables que se pueden utilizar como sondas de microscopía electrónica es de gran valor, al igual que las proteínas fluorescentes han jugado un papel crucial en el campo de la imagen óptica. Recientemente se descubrió el mecanismo de supresión de autonucleación (ANSM), que permite la síntesis específica de nanopartículas de oro (AuNP) en etiquetas ricas en cisteína, como la metalotioneína (MT) y la proteína anticongelante (AFP).
Basado en el ANSM, se desarrolló una tecnología de etiquetado por microscopía electrónica, que permite la detección específica de proteínas marcadas en células procariotas y eucariotas con una eficiencia de etiquetado sin precedentes. Este estudio ilustra un protocolo para la detección de proteínas de fusión MTn (una variante de MT diseñada que carece de residuos reactivos al aldehído) en células de mamíferos con una ultraestructura bien conservada. En este protocolo, la congelación a alta presión y la fijación por congelación y sustitución por congelación se realizaron utilizando fijadores no aldehídos (como ácido tánico, acetato de uranilo) para preservar la ultraestructura casi nativa y evitar daños a la actividad de la etiqueta causada por la reticulación de aldehído.
Se utilizó una simple rehidratación de un solo paso antes de la síntesis de AuNP basada en ANSM. Los resultados mostraron que las proteínas marcadas se dirigieron a varios orgánulos, incluidas las membranas y la luz del retículo endoplásmico (RE), y las matrices mitocondriales se detectaron con alta eficiencia y especificidad. Esta investigación proporciona a los biólogos un protocolo robusto para abordar una enorme gama de cuestiones biológicas a nivel de molécula única en contextos ultraestructurales celulares.

In the postgenomic era, the development of green fluorescent protein (GFP) as a single-molecule reporter for light microscopy has revolutionized the field of modern life science research1,2. For decades, electron microscopy (EM) has been a powerful tool for intuitively observing the cellular ultrastructure with nanoscale resolution3; however, the precise identification and localization of protein molecules remain challenging.
The most commonly used EM labeling technique is the immunoelectron microscopy (IEM) labeling technique, which is based on the antigen-antibody reaction. However, although many techniques have been developed in the field of IEM labeling, including pre-embedding IEM and post-embedding IEM (on resin sections or hydrated cryosections), it still suffers from low labeling efficiency (&#60;10%)4,5, which is related to the sample preparation and antibody quality. To overcome these limitations, developing genetically encoded tags has great application potential.
Two main types of EM tags have been thoroughly explored in recent years. One type is the DAB staining method, which utilizes tags such as APEX2 to oxidize 3,3&#39;-diaminobenzidine (DAB) to osmiophilic polymers for EM visualization6,7,8,9,10,11,12. It enables the labeling of high-abundance proteins in subcellular regions but is not suitable for single-molecule counting. The other type utilizes metal-binding proteins, such as ferritin13 and metallothionein (MT)14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26, to generate electron-dense metal deposits in situ for EM visualization. Only the latter has real potential for single-molecule visualization and counting. The molecular size of ferritin is too large (~450 kD) for it to be used as a promising tag, whereas the small size (~5 kD) of MT and its ability to bind various ions through its 20 cysteines have attracted great attention. Several labs have tried to label purified MT-fusion proteins or MT-expressing cells by incubating directly with Au+. These attempts have initially proved that MT tags can bind gold ions to form high-contrast signals, but none have really achieved the effective identification of individual proteins in cells, and they are not widely applicable14,15,16,17,18,19,20,21,22,23.
The ANSM-based AuNP synthesis technique, which involves synthesizing 2-6 nm-sized AuNPs directly on cysteine-rich tags (e.g., MT, the MT variants MTn and MT&#945;, AFP) as electron-dense labels for EM visualization, is the first reliable and applicable approach for protein labeling and single molecule detection in cells24,25,26. It allows for the specific synthesis of AuNPs on isolated tag fusion proteins and has achieved an unprecedented labeling efficiency in nonfixed or chemically fixed prokaryotic (E. coli) and eukaryotic (S. pombe) cells. However, implementing the same protocol in more advanced systems such as mammalian cells or even tissues involves additional challenges, such as the more complex intracellular redox homeostasis and more fragile cellular structure.
This study presents a clonable EM labeling technology, which combines the novel ANSM-based AuNP synthesis technique for labeling genetically encoded cysteine-rich tags (MT) with the HPF/FSF-rehydration-HPF/FSF sample preparation method, enables the unambiguous single-molecule identification of tagged proteins in the ER membrane, ER lumen, and mitochondrial matrix in HeLa cells. The current method combines the characteristics of high labeling efficiency, a high signal-to-noise ratio, single-molecule labeling, and strong universality, and this method has broad application prospects in life science research.

Author Spotlight: Direct Synthesis of EM-Visible Gold Nanoparticles in Cells for Protein Localization Analysis with Well-Preserved Ultrastructure  

Síntesis directa de nanopartículas de oro EM-visibles en células para análisis de localización de proteínas con ultraestructura bien conservada

Protein detection and localization are essential in biological research. Our protocol describes a novel EM-labeling technology using genetically-encoded tags which allows single-molecule visualization in situ with well-preserved ultrastructure. It is crucial to avoid over-fixation.The labeling method is based on the activity of cysteines in the tags, which are highly sensitive to aldehyde cross-linking. Our protocol avoids use of aldehyde fixatives and preserves the tag activity and ultrastructure. at the same time.EM labeling has always been challenging, suffering from poor morphology or inefficient labeling. Our protocols synthesizes in situ nanoparticles directly on individual proteins to provide clear and precise localization of the target proteins, with a high signal-to-noise ratio, high efficiency, and specificity. We have so far achieved excellent labeling in isolated proteins, E.coli cells, yeast cells, and HeLa cells.We will explore and optimize the method for application to tissue samples. Combining the prevailing cryo-FIB and cryo-EM technologies will allow us to address important biological questions.

La técnica de síntesis de AuNP basada en ANSM es una herramienta extremadamente útil para etiquetar y detectar proteínas marcadas con MT con TEM26. Para validar su robustez en células de mamíferos, se generaron tres líneas celulares estables que expresan EGFP-MTn-KDEL, Ost4-EGFP-MTn o Mito-acGFP-MTn en células Hela. KDEL es una secuencia canónica de retención/recuperación del retículo endoplásmico C-terminal (ER), que mantiene la proteína de fusión EGFP-MTn-KDEL dentro del lumen ER ...

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El presente protocolo describe una tecnología de etiquetado de microscopía electrónica clonable para detectar proteínas marcadas con metalotioneína en células utilizando una nueva técnica de síntesis de nanopartículas de oro basada en el mecanismo de supresión de autonucleación.

Analyzing the precise localization of protein molecules in cells with ultrastructural resolution is of great significance for the study of various ...

La detección y localización de proteínas son esenciales en la investigación biológica. Nuestro protocolo describe una novedosa tecnología de etiquetado EM utilizando etiquetas codificadas genéticamente que permite la visualización de una sola molécula in situ con una ultraestructura bien conservada. Es crucial evitar la fijación excesiva.El método de etiquetado se basa en la actividad de las cisteínas en las etiquetas, que son altamente sensibles a la reticulación de aldehído. Nuestro protocolo evita el uso de fijadores de aldehído y preserva la actividad de la etiqueta y la ultraestructura. al mismo tiempo.El etiquetado EM siempre ha sido un desafío, sufriendo de una morfología deficiente o un etiquetado ineficiente. Nuestros protocolos sintetizan nanopartículas in situ directamente en proteínas individuales para proporcionar una localización clara y precisa de las proteínas objetivo, con una alta relación señal-ruido, alta eficiencia y especificidad. Hasta ahora hemos logrado un excelente etiquetado en proteínas aisladas, células de E. coli, células de levadura y células HeLa.Exploraremos y optimizaremos el método para su aplicación a muestras de tejido. La combinación de las tecnologías crio-FIB y crio-EM prevalecientes nos permitirá abordar importantes cuestiones biológicas.