Kriyo-elektron tomografisi ile in situ makromoleküllerin yüksek çözünürlüklü yapısal çalışmaları için kriyo odaklı iyon ışını mikromakine ile dalma donmuş biyolojik örneklerin lamel hazırlanması için bir protokol sunuyoruz. Sunulan protokol, Saccharomyces cerevisiaeiçindeki makromoleküllerin yapısal karakterizasyonu için yüksek tekrarlanabilirlik ile yüksek kaliteli lamel hazırlanması için yönergeler sağlar.
Bugün, kriyo-elektron tomografisi (kriyo-ET), in situ makromoleküler kompleksler üzerinde atom çözünürlüğe yakın yapısal veriler sağlayabilen tek tekniktir. Bir elektronun maddeyle güçlü etkileşimi nedeniyle, yüksek çözünürlüklü kriyo-ET çalışmaları, kriyo-ET’nin sadece bir hücrenin çevre bölgeleriyle uygulanabilirliğini kısıtlayan 200 nm’den daha az kalınlığa sahip örneklerle sınırlıdır. Kriyo odaklı iyon ışını mikromakine (kriyo-FIBM) ile ince hücresel kesitlerin hazırlanmasını içeren karmaşık bir iş akışı, kriyo-ET verilerinin daha büyük hücrelerin iç kısımlarından elde edilmesini sağlamak için son on yıl içinde tanıtıldı. Hücresel ve moleküler biyoloji araştırmalarında geniş kullanımlı ökaryotik bir hücrenin prototipik bir örneği olarak Saccharomyces cerevisiae kullanılarak dalma dondurma ile vitrifiye edilen bir örnekten hücresel lamel hazırlanması için bir protokol sunuyoruz. S. cerevisiae’nin birkaç hücrenin izole edilmiş yamalarına veya bir TEM ızgarasındaki hücrelerin sürekli monolayerine vitrifikasyonu için protokolleri açıklıyoruz ve bu iki örnek için kriyo-FIB tarafından lamel hazırlanması için bir protokol sağlıyoruz.
Son teknolojik ve yazılımsal gelişmeler, vitrifiye biyolojik örneklerin elektron kriyo-mikroskopisini (kriyo-EM) son on yılda yapısal biyoloji araştırmalarında anahtar tekniklerden biri haline getirmiştir1,2. Kriyo-EM için bir numunenin hazırlanması genellikle saflaştırılmış bir proteinin veya nükleik asit içeren bir protein kompleksinin numune taşıyıcısına (TEM ızgarası) uygulanmasından, ardından sıvının çoğunun bir filtre kağıdı ile çıkarılmasından ve bir numunenin artık ince tabakası ile ızgaranın dondurulmasından oluşur sıvı etan veya propan3 . Böylece numune, tamamen hidratlı bir durumda, neredeyse yerel koşullarda ve herhangi bir kimyasal fiksasyona veya ağır metal kontrastına gerek kalmadan ince bir tabaka (tipik olarak <80 nm) amorf tamponda sabitlenir. İletim elektron mikroskobundaki yapısal homojen numunenin görüntülenmesi, daha sonra tek bir parçacık analizi protokolü kullanılarak makromolekülün atoma yakın çözünürlükte üç boyutlu yapısının belirlenmesi için kullanılabilecek verilerle sonuçlanır2. Böyle bir in vitro yapı, numune hazırlama sırasında kullanılan koşullar ve tedavi altında makromolekülün temsiline karşılık gelir. Tüp bebek koşullarında belirlenen yapılar genellikle makromolekülün tamamen işlevsel durumuna karşılık gelse de, hücre içindeki çeşitli makromoleküller arasında mekansal ilişkileri görüntüleyeme kapasitesi yapısal verilere ek bir fonksiyonel bağlam sağlayacaktır.
Kriyo-elektron tomografisi (kriyo-ET), 3D pleomorfik nesnelerin veya makromoleküler komplekslerin in situ4,5’iyeniden oluşturmak için kullanılır. Cryo-ET’nin avantajı, üç boyutlu bilgilerin tek bir varlığın görüntülenmesi ile elde edilmiş olmasıdır. Bununla birlikte, bireysel makromoleküler komplekslerin veya organellerin gözlendiği çözünürlük çok sınırlıdır. Bu nedenle, kriyo-ET veri6,7’den4-8 şçözünürlük modellerine ulaşmak için makromoleküllerin (alt tomogram ortalaması, STA) daha fazla sayıda tomogramdan aynı yapıya sahip ortalaması gereklidir. Son zamanlarda kriyo-ET ve STA’nın hücresel ortam bağlamında ribozomlar gibi makromoleküler makinelerin yüksek çözünürlüklü yapılarını belirlemek için de uygulanabileceği gösterilmiştir7. Bununla birlikte, iletim elektron mikroskopisinin kullanımı numune kalınlığı ile sınırlıdır. Genel olarak, bu, vitrifikasyon koşullarının optimizasyonunun sonunda numunenin ince bir buz tabakasına gömülmesi ile sonuçlanabileceği tek parçacıklı kriyo-EM için bir sorun değildir. Öte yandan, hücrelerin çoğu aslında 300 keV elektron ışını için elektron şeffaf değildir. 300 keV elektron için vitrifiye biyolojik örneklerde inelastik ortalama serbest yol yaklaşık 395 nm8, bu da kriyo-ET çalışmalarının hücrelerin çoğu için hücresel çevre ile sınırlı olduğu anlamına gelir.
Numuneyi kriyo-ET için yeterli kalınlıkte inceltmek için farklı teknikler geliştirilmiştir. Kriyo-ultramikrotomi, kriyo-ET9,10, 11 için uygun 60-80 nm kalınlığında bölümler sağlamak için sıvı azot sıcaklığında(-196°C) bir elmas bıçakla numunenin mekanik dilimletilmesini kullanır. Tek bir hücreden birden fazla bölüm hazırlanabilir ve veri analizi sonunda hücrenin daha büyük kısmı için 3D yapısal bilgiler üretebilir. Bununla birlikte, mekanik dilimleme kavisli bölümler, yarıklar veya numune sıkıştırma gibi çeşitli eserlere neden olabilir, bu da ortaya çıkan yapıyı etkileyebilir ve kriyo-ET verilerini10 , 11,12. Kriyo odaklı iyon ışını mikromakinemi (kriyo-FIBM), 80-300 nm kalınlığında hücresel kesit (lamel) 13,14,15 ile sonuçlanabilen çok adımlı bir işlemde ga+iyonlarının (FIB) odaklanmış bir ışını kullanılarak numunenin kademeli olarak ablasyon edilmesiyle ince bir hücresel kesit hazırlandığı alternatif bir yaklaşımı temsil eder. . Kriyo-ultramikrotomi’nin aksine, hacminin ~ 0.3-3% ‘sini temsil eden tek bir hücreden sadece bir lamel hazırlanır ve frezelenmiş kesite ilgi çekici bir bölge bulmak için genellikle birden fazla hücrenin mikromakinesi gereklidir. Buna ek olarak, tüm iş akışının verimi günümüzde hala oldukça düşüktür ve genellikle 8 saatlik bir cryo-FIBM oturumundan 6-8 yüksek kaliteli lamel ile sınırlıdır. Öte yandan, kriyo-FIBM kesitleri herhangi bir sıkıştırma yapıtından yoksundur ve yüksek çözünürlüklü cryo-ET için uygun giriş sağlar. Ayrıca, tüm lamel hazırlama işlemi sırasında numune TEM ızgarası üzerinde tutulduğu ve aynı ızgara daha sonra TEM’e aktarılabildiği için lamellerin kriyo-ET için numune taşıyıcısına aktarılması gerekli değildir. Kriyo-FIBM’nin veriminin, öncelikle denetimsiz lamel frezeleme16 , 17 için yazılımın kullanılabilirliği ve daha hızlı malzeme ablasyonunu sağlayacak şarj çifti plazma prensibiyle çalışan FIB’lerin kullanımından yakında önemli ölçüde iyileştirilmesini bekliyoruz.
Saccharomyces cerevisiae (maya), küresel şekil ve çapı ~2-5 μm olan ökaryotik hücrelerdir. Büyüklüğü, erişilebilirliği, genetiği, üretim süresi ve basit manipülasyonu sayesinde, maya yaygın olarak Escherichia coli‘ye benzer hücresel ve moleküler biyoloji araştırmalarında ökaryotik bir model organizma olarak incelenmiştir. Maya süspansiyonda kolayca kültürlenebilir ve kısa sürede yüksek miktarda hücre üretilir (1 – 2 saat iki katına çıkar). Daha da önemlisi, maya, kodlamayan DNA’nın düşük içeriğinden oluşan küçük bir genom tutarken hayvan ve bitki hücreleriyle karmaşık bir iç hücresel yapıyı paylaşır. Maya proteomunun yüksek çözünürlüklü yerinde verilerden yapısal olarak tanımlanması, literatürde bulunan geniş miktarda işlevsel veri için mekanistik bir açıklama sağlamaya yardımcı olabilir.
Burada, numune ekiminden kriyo-FIBM lamel hazırlığına kadar tüm adımları kapsayan maya numunesi üzerinde yerinde cryo-ET verilerinin alınması ve kriyo-ET veri alımı için numunenin TEM’e aktarılması için kapsamlı bir protokol sunuyoruz.
Cryo-ET için hücresel örneklerin hazırlanması, birkaç üst düzey cihazın kullanılmasını gerektiren karmaşık bir iş akışıdır. Örnek kalitesi, tüm protokolün verimini etkileyen her hazırlık adımı sırasında tehlikeye atılabilir. Ek olarak, numune transferinin bireysel aletler arasında gerekliliği, numune kontaminasyonu veya sapma riski oluşturur. Bu nedenle, örnek hazırlama iş akışındaki bireysel adımların optimizasyonu, lamel hazırlama iş akışının verimini ve tekrarlanabilirliğini artırmak için yüksek öneme sahiptir. Burada sunulan protokol, saccharomyces cerevisiae’nin kriyo-ET tarafından yerinde makromoleküler komplekslerin yapısal karakterizasyonu için optimize edilmiş hazırlanmasını açıklar.
Protokol, esas olarak hücrelerin TEM ızgarasındaki konsantrasyonunda farklılık gösteren iki tür maya örneğinin hazırlanmasını açıklar. Her iki maya örneği de kriyo-ET için yüksek kaliteli lamel verdi ve numune tipinin seçimi belirli bir çalışmanın hedeflerine uygun olarak yapılabilir. Maya, ilk durumda ızgara yüzeyine rastgele dağılmış birkaç hücreden oluşan yalıtılmış kümeler oluştururken, ikinci örnek tipi için TEM ızgara yüzeyinde sürekli bir hücre monolayer bulunur. Birincisi, öğütilmesi gereken malzemenin küçük hacmi sayesinde hızlı lamel preparatı için uygundur. Son lamel oldukça kısadır ve bu nedenle sadece 2-4 hücresel kesit içerir. Numune hazırlama için uygun alanlar, lamel hazırlama iş akışının otomasyonu kısmen kısıtlayabilecek ızgara kareleri de dahil olmak üzere ızgara yüzeyine rastgele dağıtılır. Numunenin ikinci tipi, genel frezeleme süresini korumak için ilk frezeleme aşamasında daha büyük akımların kullanılmasını gerektirir. Ek olarak, bu tür bir örnek, düzensiz frezelemeden (perdeleme) kaynaklanan eserlere daha yatkındır. Bu nedenle, CBS, daha kalın bir koruyucu tabaka oluşturmak için küçük hücresel kümelere sahip numunenin durumundan% 50 daha uzun bir süre boyunca numune yüzeyine serpiştirilir. Daha sonra, örnek CBS tabakasını iyileştirmek, daha sert hale getirmek ve numune yüzey iletkenliğini artırmak için ek bir Iridium tabakası (alternatif olarak platin veya altın) ile serpiştirilir. Kaba lamel frezelemenin ilk adımı sırasında lamellerin her iki tarafındaki ek alanların FIBM’si (~2-5 μm lamel kenarından) büyük olasılıkla son kesit23’tekigerginliğin azalması nedeniyle kırık lamel sayısını azaltmak için faydalı bulunmuştur. Son lamel uzundur ve kriyo-ET için uygun bölgelerin sayısını artıran ~ 10 hücresel kesit içerir. Hücreler arasındaki ortamın veya tamponun yanlış vitrifikasyonu, kriyo koruyucunun tampon çözeltisine eklenmesiyle kolayca zayıflatılabilir (bu çalışmada kullanılan% 5 gliserol). Karelerin çoğu lamel preparatı için uygun olduğundan, sürekli bir monolayer halinde düzenlenmiş hücrelere sahip örnek, denetimsiz lamel preparatı için çok uygundur.
Lamel hazırlama iş akışındaki bir diğer önemli husus, iletim elektron mikroskobuna aktarılması ve lamellerin mikroskop kademe eğim eksenine uygun şekilde konumlandırılmasıdır. En uygun şekilde, lamel ana ekseni, görüntülenen bölgenin yüksekliğinde izleme ve odaklanma sağlayan ve lamel kenarlarının görüş alanını yüksek eğim açılarında korumasını önleyen mikroskobun eğim eksenine diktir. Doz simetrik şemasını kullanarak kriyo-ET verilerini toplarken,18 numune başlangıçta ızgara düzlemine göre lamel eğimini telafi etmek için mikroskopta döndürülmelidir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, Avrupa Komisyonu’nun Horizon 2020 programı tarafından finanse edilen Instruct-Ultra (Grant 731005), iNEXT-Discovery (Grant 871037) ve bir Instruct-ERIC Centre (LM2018127) olan CIISB araştırma altyapısı tarafından desteklendi. Thermo Fisher Scientific Brno’dan alınan desteği kabul ediyoruz.
Agar | Himedia | MB053 | |
Glucose | PENTA | 12020-31000 | |
Glycerol | Merck | G5516-1L | |
ethane | Messer | 1007 | |
LN2 | Lineq | LN2-1L | |
Peptone | Merck | P5905-1KG | |
Saccharomyces cerevisiae | ATCC | 201388 | strain BY4741 |
Tweezers | Dumont | T539 | |
Yeast extract | Duchefa Biochemie | Y1333.1000 | |
Disposable | |||
Blotting papers | Ted Pella | 47000-10 | |
C-clip | ThermoScientific | 9432 909 97551 | |
C-clip ring | ThermoScientific | 9432 909 97561 | |
Spreading sticks | Merck | Z376779-1PAK | |
Sterile inoculation loops | BRAND | BR452201-1000EA | |
Sterile plastic Petri dishes | Sigma | SIAL0166 | |
TEM grids | Quantifoil | 4420G-XA | |
Equipment | |||
Autoclave | Systec | 101291545 | |
balances | BEL | M124A | |
Cryo-FIB/SEM microscope | ThermoScientific | 1006123 | |
Cryo-TEM microscope | ThermoScientific | 9432 057 03301 | |
Laminar flow box | Telstar | AH5 | |
Plasma cleaner | Gatan | 955.82001 | |
Shaking incubator | New Brunswick | M1282-0002 | |
UV/VIS spectrophotometer | WPA | S800 | |
Vitrification robot | ThermoScientific | 9432 053 50621 |