여기에서는 초저온 전자 단층 촬영을 위한 세포 샘플 준비를 안내하는 3D 상관 집속 이온 빔 밀링을 위한 파이프라인을 제시합니다. 형광 태그가 부착된 관심 단백질의 3D 위치는 먼저 극저온 형광 현미경으로 측정한 다음 밀링을 대상으로 합니다. 이 프로토콜은 포유류, 효모 및 박테리아 세포에 적합합니다.
초저온 전자 단층 촬영(Cryo-ET)은 원래의 냉동 수화 상태에서 세포 미세 구조 및 분자 복합체를 조사하기 위해 선택되는 방법이 되었습니다. 그러나 Cryo-ET는 입사 전자빔이 산란되거나 차단되지 않을 만큼 샘플이 얇아야 합니다. 두꺼운 세포 샘플의 경우 극저온 집속 이온 빔(FIB) 밀링을 통해 이를 달성할 수 있습니다. 이 프로토콜은 3D 상관 접근법을 사용하여 FIB 밀링 중에 특정 세포 부위를 표적으로 삼는 방법을 설명합니다.이 접근법은 3 차원 형광 현미경 데이터와 FIB 주사 전자 현미경의 정보를 결합합니다. 이 기술을 사용하면 희귀 세포 이벤트 및 구조를 높은 정확도로 표적화하고 극저온 투과 전자 현미경(cryo-TEM)을 사용하여 분자 분해능으로 시각화할 수 있습니다.
집속 이온빔 밀링을 사용하면 나이프 마크 및 압축 아티팩트와 같은 기계적 절단과 일반적으로 관련된 문제 없이 극저온 고정 시편에서 얇은 생물학적 샘플을 준비할 수 있습니다1. 초저온 전자 단층 촬영과 함께 사용하면 FIB 밀링은 세포 형태에 대한 고해상도 생물학적 연구와 나노 미터 미만의 분해능 2,3,4에서 세포 내에서 직접 거대 분자 복합체의 구조를 결정할 수 있습니다. 리보솜과 같은 풍부한 종은 무작위로 절단된 FIB 라멜라에서 쉽게 발견되지만 많은 세포 과정은 여러 복합체의 공동 국소화에 의존하거나 세포 내의 특정 부위에 국한됩니다. 결과적으로, 효율적인 타겟팅은 밀링 공정 동안 관심있는 생물학적 특징을 잃지 않고 무작위 타격으로 제한되지 않도록 요구된다. 따라서 주사 전자 현미경 (SEM) -FIB와 극저온 형광 광학 현미경 (FLM)의 데이터를 결합하는 상관 접근법이 필요합니다. TEM 획득5,6 후에만 초기 상관관계를 생략하고 FLM과 Cryo-ET 데이터를 결합할 수 있지만, 형광 유도 집속 이온빔 밀링을 사용하면 밀링 영역을 미리 정확하게 선택할 수 있으므로 보다 효율적인 데이터 수집이 가능합니다. 개념7 이후, 생물학적 연구에서 3D 상관 FIB 밀링의 적용은 최근에이 기술을 사용하여 효모에서 새로운 액체 – 액체 상 분리 (LLPS) 구획을 확인했다고보고 할 때까지 제한되었습니다8.
여기에 설명된 것은 박테리아에서 효모 및 포유류 세포에 이르는 다양한 샘플을 연구하는 데 사용할 수 있는 일반화된 3D 초저온 상관 광 및 전자 현미경(CLEM) 프로토콜입니다. 실험은 특정 세트의 기기를 사용하여 수행되었지만, 개별 단계는 특정 하드웨어에 구속되지 않으며 기존 프로토콜(3,5)에 대한 확장으로서 다른 시스템으로 쉽게 전송될 수 있습니다. 테스트된 장비 및 제안된 설정 목록은 재료 표와 표 1에 나와 있습니다. 파이프라인의 4가지 주요 단계는 (1) 시료 전처리, (2) 극저온 형광 현미경을 통한 관심 특징의 국소화, (3) 3D 상관 집속 이온빔 밀링, (4) 극저온 투과 전자 현미경의 라멜라에 대한 Cryo-ET 데이터 수집을 위한 표적 구조의 국소화입니다(그림 1).
1. 프로토콜의 중요한 단계
세포 배양 및 그리드 플런징 파라미터의 최적화는 이 워크플로우의 기본입니다. 프로젝트를 시작할 때 태깅 전략, 세포 및 기준 비드의 분포를 최적화하고 다양한 그리드 준비 및 블로팅 매개변수를 테스트하는 데 시간을 투자할 가치가 있습니다. 최적으로 플런지 냉동 샘플로 작업하면 다운스트림 처리가 크게 용이해집니다.
모든 TEM 실험의 경우 유리체 샘플이 필요합니다. HeLa와 같은 대형 포유류 세포의 경우 격자 정사각형당 1-2개의 세포가 바람직하지만 세포는 여전히 더 높은 밀도에서 유리체일 수 있습니다. 임의로, 유리화는 포유류 세포(예를 들어, HEK293, HeLa)를 급락하기 10분 전에 배양 배지에 첨가된 2.5-10%(v/v) 글리세롤과 함께 배양함으로써 개선될 수 있다23. 가능하다면, 그리드 패터닝은 세포의 완벽한 배치 및 분포를 보장하기 위해 사용될 수 있으며, 이에 따라 유리화 및 추후 상관관계를 개선한다(24).
워크플로우 중에 특정 세포를 선택할 수 있지만 관심 있는 생물학적 특징을 나타내는 세포가 너무 적으면 전체 처리량이 크게 감소합니다. POI 양성 세포의 상관관계를 개선하려면 충분히 밝은 형광단을 사용해야 합니다. 이것은 내인성 발현 수준에서 특히 중요합니다. 우리는 극저온 조건에서 mVenus가 증가된 밝기25 와 극면 변색 이동으로 인해 EGFP보다 더 나은 성능을 발휘하여 극저온 조건26에서 표준 GFP 필터 설정에 적합하다는 것을 발견했습니다. 점과 같은 표적 구조가 아닌 경우, 파장과 국소화 정확도(Abbe 회절 한계) 간의 균형도 고려해야 합니다.
효율적인 3D 상관 관계를 위해서는 그리드가 기계적으로 안정적이어야 하며 세심한 주의를 기울여 처리해야 합니다. 탄소 지지를 갖는 표준 금 또는 구리 그리드가 사용될 수 있지만, 프로젝트에 따라 더 단단한 SiO2 필름을 사용함으로써 성공률이 크게 증가 할 수있다. 그러나 (a) 기계적 안정성 또는 (b) 극저온주름을 줄이기 위한 열팽창 계수(기판 대 필름)의 일치가 성공적인 3D 상관관계를 위한 가장 중요한 요소인지 여부는 아직 결정적으로 결정되지 않았습니다. 또한, 깨지기 쉬운 Au 그리드를 집어 올리기 위해 폴리디메틸실록산 코팅 접시를 사용할 수 있습니다5.
샘플 안정성을 보장하는 것 외에도 FIB 밀링 중 최적의 타겟팅에 적합한 고품질 형광 스택을 얻으려면 FLM 이미징 매개 변수를 신중하게 선택해야합니다. 이와 관련하여, FLM 데이터에 대해 다양한 노이즈 제거28 또는 디콘볼루션 기술을 테스트하는 것도 권장되는데, 이는 기준점 및 세포 신호의 국소화를 상당히 향상시킬 수 있기 때문입니다. 형광 신호를 FIB-SEM 이미지와 연관시킬 때 기준 비드의 적절한 샘플링이 중요합니다. 그것들은 세포 주위에 잘 분포되어 있어야 하며 아마도 다른 z 높이에 있어야 합니다. 또한 신탁 모델에서 의도적으로 제외되었지만 눈으로 명확하게 상관 관계를 나타낼 수 있는 비드의 예측 위치와 실제 위치를 확인하여 상관 관계의 일관성을 검증하는 것이 좋습니다. 3DCT의 RMSE 값도 등록 일관성을 확인하기 위해 항상 고려되어야 합니다.
FIB-SEM 챔버에서 밀링된 재료와 잔류물을 증착(즉, 재오염)하면 양쪽에 비정질 재료를 추가하여 유효 라멜라 두께가 증가하기 때문에 현미경에서 미세 밀링된 라멜라를 장기간 유지하면 일반적으로 추가 전자 산란 이벤트로 인해 TEM 데이터 품질이 저하됩니다. 따라서, 밀링은 2-단계 방식으로 가장 자주 수행된다: 첫째, 모든 위치들은 대략적으로 (즉, 약 800 nm까지), 그 다음 미세하게 (~150-250 nm까지), 그리드는 마지막 라멜라가 완료된 후에 즉시 언로딩된다. 그러나 더 나은 상관 관계 성공은 관심 위치를 현장별 방식으로 처리하여 얻을 수 있으며, 따라서 굽힘 또는 변형을 위한 시간이 없기 때문에 동일한 라멜라에서 서로 직접 거칠고 미세한 밀링을 수행할 수 있습니다. 그러나 이것은 시스템의 재오염 속도에 따라 그리드당 생산할 수 있는 최대 라멜라 수를 줄입니다. 20 nm / h의 속도의 경우, 4-6 라멜라는 1-1.5 시간 이내에 생성됩니다.
전체 그리드 또는 거친 분쇄된 라멜라>300nm의 이동은 상관관계가 좋지 않거나 실패하는 결과를 초래합니다(아래에서 논의되는 제한 사항 참조). 따라서 FIB 밀링 전, 도중 및 후에 IB 이미지를 비교하여 정기적으로 점검해야합니다. 상당한 움직임(>300nm)을 보이는 부위는 폐기해야 합니다. 시료 전처리(즉, 그리드 유형, 세포 밀도 및 플런징 파라미터 선택, 프로토콜 섹션 1 참조)와 밀링 전략을 최적화하여 이러한 이동을 방지합니다. 라멜라 굽힘은 단계 3.6에 설명된 바와 같이 부위별 밀링에 의해 상당히 감소될 수 있고 라멜라 폭을 감소시킬 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 응력 완화 컷(15 )은 라멜라 굽힘을 감소시키기 위해 고안되었지만, 종종 분리된 라멜라의 조화로운 움직임을 초래하여 상관관계를 효과적으로 방지한다. 통합 FLM 시스템을 사용하여 이 문제를 해결할 수 있습니다.
2. 방법의 수정 및 문제 해결
극저온 조건으로 이동하기 전에 생세포 이미징에서 샘플의 철저한 특성화를 수행하는 것이 좋습니다. 세포 샘플, 처리 계획을 최적화하고 cryo-workflow에 들어가기 전에 어떤 종류의 신호를 기대해야 하는지 알면 성공률을 크게 향상시킬 수 있습니다.
여기에 제시된 워크플로우에서는 극저온 스테이지가 있는 독립형 형광 현미경을 사용하여 샘플을 이미지화한 다음 그리드를 집속 이온빔 현미경으로 전송합니다. 그러나 형광 현미경이 FIB-SEM 챔버에 통합 된 시스템에서 테스트되었으므로 형광 이미지 29,30,31을 획득하기 위해 샘플 이동이 필요하지 않습니다. 이러한 통합 시스템을 사용하여 FIB 밀링 중 및 후에 관심 위치를 이미지화하여 최종 라멜라를 오염시킬 위험을 증가시키지 않고 표적 형광 신호의 존재를 확인할 수 있습니다. 그러나 사용된 현미경의 광학 파라미터를 염두에 두는 것이 중요한데, 예를 들어 NA 대물렌즈가 낮으면 기준 비드와 표적 신호의 위치를 파악할 수 있는 정밀도가 제한되기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 통합 FLM 설정은 FLM 스택을 지속적으로 업데이트하고 최신 SEM 및 IB 보기와 비교할 수 있으므로 그리드 및 라멜라의 약간의 변형을 더 잘 처리하는 데 도움이 됩니다.
FIB 밀링과 TEM 데이터 수집 사이의 라멜라의 형광 이미징에 대한 대안으로, TEM 후 상관 관계를 사용하여 라멜라의 올바른 배치 및 밀링을 확인할 수 있습니다 5,6.
상관 워크플로우의 모든 단계에서, 특히 TEM 동안에는 FIB-SEM/TEM 이미지에 투영된 형광 데이터의 오버레이를 생성하는 것이 좋습니다. 이러한 고전적인 CLEM 관점은 세포의 어느 부분이 라멜라 내에 포함되어 있는지 보다 직관적으로 이해하는 데 도움이 됩니다. 이는 상관 관계의 정확성을 확인하는 데 유용한 온전성 검사 역할도 합니다.
3. 방법의 한계
3D 상관 FIB 접근법에는 기준 비드와 함께 제공 할 수있는 샘플이 필요합니다. 따라서, 이 방법은 현재 플런지 냉동 그리드로 제한된다. 고압(HPF) 냉동(조직) 샘플의 경우 현재 2D-2D 상관관계만 수행할 수 있습니다. 잠재적으로, 내부 기준 마커(예를 들어, 세포 소기관, 염색된 지질 방울)가 이 문제에 대한 해결책이 될 수 있다32,33. 최종 상관 관계 성공률은 샘플 품질, 형광 현미경 설정, 라멜라 두께 및 표적 구조의 크기를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 기술된 3D 정합 접근법을 사용한 상관 정확도는 최종 IB 이미지에서 200-300 nm의 범위인 것으로 추정되며, 이는 FIB-밀링된 라멜라의 전형적인 두께에 대략 대응한다7. 따라서 이보다 훨씬 작은 세포 구조는 현재로서는 표적으로 삼기 어려울 것입니다. 또한 밀링 현장(>300nm)에서의 과도한 움직임은 상관관계의 정확도를 감소시키는데, 이는 FIB/SEM 기기에 통합된 FLM 설정으로 잠재적으로 해결할 수 있는 문제입니다. 밀링 중에 강한 변형 또는 굽힘을 보이는 라멜라는 어떤 경우에도 다운스트림 워크플로에서 제외되어야 합니다.
전반적으로, 초저온 형광 이미징은 현재 Abbe 회절 기준에 의해 제한됩니다. 초분리능 Cryo-FLM 분석법의 보다 일상적인 적용(및 상용화)을 통해, 특히 온더플라이(on-the-fly) 작동을 위해 FIB/SEM에 통합될 때 세포 구조의 보다 정확한 표적화가 가능해질 수 있습니다.
4. 방법의 중요성
특히 비 표적 및 사후 상관 기술과 비교할 때 3D 상관 FIB 밀링 접근 방식을 사용하면 시간과 자원이 많이 소요되는 TEM 단계 전에 적절한 위치를 선택할 수 있습니다. 따라서 보다 효율적인 데이터 수집 및 프로젝트 계획이 가능합니다. 또한, 상관관계가 있는 형광 데이터는 특히 구조화되지 않은 단백질 어셈블리 또는 템플릿 매칭 및 서브토모그램 평균화를 위해 너무 작은 것을 다룰 때 단층 촬영을 해석하고 다중 스케일 프로젝트에서 Cryo-ET 결과를 통합하는 데 중요할 수 있는 정보 계층을 추가합니다.
5. 중요성과 잠재적인 미래 응용 분야
HPF 샘플 34,35, cryo-FIB-SEM 볼륨36 및 초고해상도 형광 이미징 26,37,38,39의 cryo-lift와 같은 고급 워크플로우와 함께 3D 표적 라멜라 준비는 분리된 세포에서 생물학적 과정을 해부할 뿐만 아니라 조직 및 환자 샘플을 FIB 밀링 및 초저온 전자 단층 촬영에 접근할 수 있도록 합니다. 따라서 고해상도에서 병리학적 과정을 해부할 수 있으므로 나노 규모의 생검을 위한 필수 구성 요소가 될 것입니다.
The authors have nothing to disclose.
IT 인프라를 지원해 준 Inga Wolf, 컴퓨터 지원을 해준 Florian Beck, 원고를 비판적으로 읽어준 Oda H. Schiøtz에게 감사드립니다. 자금은 Philipp S. Erdmann의 Alexander von Humboldt 귀환 펠로우십과 Florian Wilfling의 EMBO 장기 펠로우십 ALTF 764-2014를 통해 부분적으로 제공되었습니다. 안나 비버(Anna Bieber)는 베링거인겔하임 재단(Boehringer Ingelheim Fonds) 박사 펠로우십의 지원을 받았다.
Autogrids | Thermo Fisher Scientific / Homemade | 1036173 (no cutout), 1205101 (with cutout) | |
C-rings | Thermo Fisher Scientific | 1036171 | |
Corrsight with cryo module | Thermo Fisher Scientific | FLM Alternative 1 | |
Dynabeads MyOne COOH | Thermo Fisher Scientific | 65011 | recommended 1 µm fiducial beads |
EM Grids R1/4 SiO2 | Quantifoil | N1-S13nAu20-01 | |
Falcon 4 camera w. post-column Selectris X energy filter | Thermo Fisher Scientific | Camera/Filter Alternative 1 | |
FIB Aquilos 1 | Thermo Fisher Scientific | FIB Alternative 1 | |
FIB Aquilos 2 | Thermo Fisher Scientific | FIB Alternative 2 | |
FIB Quanta 3D FEG | Thermo Fisher Scientific | FIB Alternative 3 | |
FIB Scios | Thermo Fisher Scientific | FIB Alternative 4 | |
K2 summit camera w. post-column energy filter 968 Quantum K2 | Gatan | Camera/Filter Alternative 2 | |
Leica TCS SP8 with cryo module | Thermo Fisher Scientific | FLM Alternative 2 | |
Plasma Cleaner PDC-3XG | Harrick | ||
Teflon Sheet (0.25 mm) | plastx24.de | 11645 | Cut to same dimensions as filter paper |
TEM Titan Krios XFEG 300 kV Gi2 | Thermo Fisher Scientific | TEM Alternative 1 | |
TEM Titan Krios XFEG 300 kV Gi4 | Thermo Fisher Scientific | TEM Alternative 2 | |
THUNDER Imager EM Cryo CLEM | Thermo Fisher Scientific | FLM Alternative 3 | |
Vitrobot Mark IV | Thermo Fisher Scientific | alternativevly, use manaual plunger | |
Whatman filter paper | Sigma Aldrich | 10311807 | 55 mm diamater; needs to be cut to fit the Vitrobot |