Mitochondrien und Endoplasmatische Retikulum-Bildgebung durch korrelative Licht- und Volumenelektronenmikroskopie

Mitochondrien und endoplasmatisches Retikulum (ER) sind membrangebundene Zellorganellen. Ihre Verbindung ist für ihre Funktion notwendig, und Proteine, die mit ihrem Netzwerk zusammenhängen, wurden beschrieben¹. Der Abstand zwischen den Mitochondrien und ER wurde mit Hilfe der Lichtmikroskopie²als etwa 100 nm gemeldet; Jüngste Studien der Superresolution-Mikroskopie³ und der Elektronenmikroskopie (EM)⁴ haben jedoch ergeben, dass sie mit etwa 10-25 nm erheblich kleiner ist. Die in der Hochauflösenden Mikroskopie erreichte Auflösung ist niedriger als EM, und eine spezifische Kennzeichnung ist erforderlich. EM ist eine geeignete Technik, um einen ausreichend hochauflösenden Kontrast für Strukturstudien der Verbindungen zwischen Mitochondrien und ER zu erreichen. Ein Nachteil sind jedoch die begrenzten Z-Achsen-Informationen, da die dünnen Abschnitte für die konventionelle Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) etwa 60 nm oder dünner sein müssen. Für eine ausreichende EM-Z-Achsen-Bildgebung kann die dreidimensionale Elektronenmikroskopie (3DEM)⁵verwendet werden. Dies beinhaltet jedoch die Vorbereitung von Hunderten von dünnen seriellen Abschnitten ganzer Zellen, was eine sehr schwierige Arbeit ist, die nur wenige erfahrene Technologen gemeistert haben. Diese dünnen Abschnitte werden auf zerbrechlichen Formwaren-Film-beschichteten Ein-Loch-TEM-Gittern gesammelt. Wenn der Film auf einem Gurt bricht, ist eine serielle Bildgebung und Volumenrekonstruktion nicht möglich. Die serielle Block-Face-Scanning-Elektronenmikroskopie (SBEM) ist eine beliebte Technik für 3DEM, bei der zerstörerische En-Block-Sektionen in der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) mit einem Diamantmesser (Dik-SBEM) oder einem fokussierten Ionenstrahl (FIB-SEM) ^{verwendet werden. 6}. Da diese Techniken jedoch nicht in allen Einrichtungen verfügbar sind, schlagen wir arraytomography⁷ mit seriellem Schnitt und SEM vor. In der Arraytomographie werden mit einem Ultramikrotom geschnittene serielle Abschnitte auf einen Glasdeckel anstelle eines TEM-Gitters übertragen und mittels Lichtmikroskopie und SEM⁸visualisiert. Um das Signal für die Rückstreuelektronen-Bildgebung (BSE) zu verbessern, haben wir ein en bloc EM-Färbeprotokoll verwendet, das Osmiumtetroxid (OsO₄)-feste Zellen mit osmiophilem Thiocarbohydrazid (TCH)⁹verwendet, so dass wir Bilder ohne Doppelfärbung nach der Einbettung.

Zusätzlich wurde der mitochondriale Marker SCO1 (Cytochrom c Oxidase Assembly Protein 1)– Ascorbatperoxidase 2 (APEX2)¹⁰ molekulare Tags verwendet, um Mitochondrien auf EM-Ebene zu visualisieren. APEX2 ist ca. 28 kDa und wird aus Sojabohnen-Ascorbatperoxidase¹¹abgeleitet. Es wurde entwickelt, um die detaillierte Position spezifischer Proteine auf EM-Ebene auf die gleiche Weise zu zeigen, wie grüne fluoreszierende Protein-markierte Proteine in der Lichtmikroskopie verwendet werden. APEX2 wandelt 3,3′ -Diaminobenzidin (DAB) in ein unlösliches osmiophiles Polymer an der Stelle des Tagsin Gegenwart des Cofaktors Wasserstoffperoxid (H2 O2 ) um. APEX2 kann als Alternative zur herkömmlichen Antikörperkennzeichnung in EM mit einer Proteinlokalisierung in der gesamten Zelltiefe verwendet werden. Mit anderen Worten, das APEX2-markierte Protein kann durch spezifische Osmisierung¹¹ ohne Immunogold-Etikettierung und Permeabilisierung nach Ultra-Kryosektion visualisiert werden. Meerrettichperoxidase (HRP) ist auch ein empfindliches Tag,das die H2 O2-abhängige Polymerisation von DAB in einen lokalisierten Niederschlag katalysiert und em-Kontrast nach der Behandlung mit OsO₄liefert. Die ER-Zielpeptidsequenz HRP-KDEL (lys-asp-glu-leu)¹² wurde angewendet, um ER innerhalb einer ganzen Zelle zu visualisieren. Um unser Protokoll der Verwendung von genetischen Tags und En-Block-Färbung mit reduziertem Osmium und TCH (rOTO-Methode) unter Verwendung des Osmisierungseffekts gleichzeitig zu bewerten, verglichen wir den Membrankontrast mit und ohne die Verwendung jedes genetischen Tags in rOTO en bloc Färbung. Obwohl 3DEM mit Arraytomographie und DAB-Färbung mit APEX bzw. HRP für andere Zwecke verwendet wurden, ist unser Protokoll einzigartig, da wir Arraytomographie für 3DEM- und DAB-Färbung für Mitochondrien und ER-Kennzeichnung kombiniert haben. Insbesondere zeigten wir fünf Zellen mit und ohne APEX-markierte Gene im selben Abschnitt, die bei der Untersuchung der Wirkung der genetischen Veränderung auf Zellen halfen.