cryo-electron tomography, 冷冻电镜, 冷冻电子断层扫描 • 1 min reading time

优化的冷冻电子断层扫描工作流程如何有益于病毒感染的研究?

病毒是无法在其宿主外繁殖的微观传染原。病毒与多种疾病有直接联系,从常见的病毒(比如,流感病毒或鼻病毒)到当前爆发的新冠病毒[1]。

长期以来,人们一直使用电子显微镜研究病毒以了解其发病机理。通常,确定病毒的结构的步骤是先分离并纯化病毒颗粒,然后将其在电镜中成像。然而,这种方法无法提供对病毒与宿主细胞之间相互作用的深入见解。冷冻电子断层扫描可以研究病毒在其近乎自然的细胞环境中,因此能够揭示病毒与其宿主之间的相互作用。大多数样本都需要铣削的步骤以获得高分辨率的层析X线照片。最无伪像的使样本变薄的方法的是聚焦离子束铣削,使用此方法可以制造细胞的薄切片。

用原位冷冻电子断层扫描研究病毒感染

尽管冷冻电子断层扫描是一种相对较新的方法,但目前已有一些实验显示了该技术在病毒感染研究中的强大作用。 冷冻电子断层扫描和聚焦离子束铣削的组合已用于详细检查不同细菌内噬菌体的复制过程,然后使用冷冻电子断层扫描可视化噬菌体组装过程中的许多重要步骤,以及为保护细菌内噬菌体遗传物质而形成的隔室[2-4]。Hagen等科学家还使用冷冻聚焦离子束和电子断层扫描工作流程在高分辨率下研究了疱疹病毒衣壳的核包膜[5]。

使用荧光显微镜指导聚焦离子束铣削

当前使用冷冻电子断层扫描的研究文献只关注了病毒感染期间的一般活动,因为特定结构或瞬时的活动很难被捕获。我们可以使用荧光显微镜来发现感兴趣的结构并确保该结构存在于制备的薄片中,而这意味着用户必须将其样本转移到另外一台独立的冷冻荧光显微镜中,此过程伴随的样本转移步骤容易使冷冻电子断层扫描工作流程出错。 Delmic开发出一种可以将其改装到当前的聚焦离子束和扫描电镜中的荧光显微镜,叫做METEOR。METEOR能极大简化工作流程,使研究人员得以研究病毒感染期间的瞬时活动。

发展冷冻电子断层扫描以研究病毒感染

由于病毒的高突变率和短复制时间特性,许多病毒繁殖非常迅速。这种进化对人类健康是十分危险的,因为这意味着病毒能够迅速逃脱免疫力和药物的控制。 冷冻电子断层扫描可用于检查病毒在进化过程中的结构变化,同时也可以用于比较研究。例如,可以比较来自相同病毒族群的病毒、突变体或感染中间体。

当前,进行这类实验必须准备大量的栅格,并多次执行费力的工作流程。 Delmic正在开发一种自动样本转移系统,该系统最多可容纳12个栅格,并且与大多数现有的冷冻透射电镜系统上的自动装载器系统兼容,从而消除了在样本玻璃化并装入盒中之后手动处理栅格的需求。因此,这项技术也将极大地促成冷冻电子断层扫描在病毒的大规模筛选实验中的应用。

 

参考文献

[1] Lamers MM, Beumer J, van der Vaart J, et al. SARS-CoV-2 productively infects human gut enterocytes. Science. Published online May 1, 2020:eabc1669. doi:10.1126/science.abc1669

[2] Chaikeeratisak V, Nguyen K, Khanna K, et al. Assembly of a nucleus-like structure during viral replication in bacteria. Science. 2017;355(6321):194-197. doi:10.1126/science.aal2130

[3] Dai W, Fu C, Raytcheva D, et al. Visualizing virus assembly intermediates inside marine cyanobacteria. Nature. 2013;502(7473):707-710. doi:10.1038/nature12604

[4] Chaikeeratisak V, Khanna K, Nguyen KT, et al. Viral Capsid Trafficking along Treadmilling Tubulin Filaments in Bacteria. Cell. 2019;177(7):1771-1780.e12. doi:10.1016/j.cell.2019.05.032

[5] Hagen C, Dent KC, Zeev-Ben-Mordehai T, et al. Structural Basis of Vesicle Formation at the Inner Nuclear Membrane. Cell. 2015;163(7):1692-1701. doi:10.1016/j.cell.2015.11.029

 
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Marit Smeets