这项工作是由马克斯·普朗克学会（KMD，BD，AWM，结核病，台湾企银，粉喷桩，和星期），法兰克福卓越"大分子复合物"的集群由德意志研究联合会（星期）和一个博士后EMBO长期资金支持奖学金（VAMG）。

从差速离心细胞或组织1。制备线粒体本节介绍了完整的线粒体来自不同真核生物的隔离一般程序。精确的缓冲部件和离心速度需要为每种组织进行优化/物种的影响。 <ol><li>破细胞在等渗缓冲液（ 例如 250mM的蔗糖，10mM的HEPES pH 7.4）中，用玻璃珠磨机（真菌菌丝体）28，细胞壁（ 酿酒酵母 ）29，滚珠轴承匀浆的酶消化（单胰岛β细胞真核生物/培养细胞/线虫）30或搅拌机（动物或植物组织）31。 </li><li>通过细布接着通过低速离心（2000 XG，4℃，10分钟），通过过滤除去细胞碎片。 </li><li>收集上清和沉淀线粒体由高速离心（9,000 XG，4℃，10分钟）。 </li><li>必要时，使用的等渗浓度梯度的步骤为线粒体部分32的进一步纯化。 </li></ol> 2，准备线粒体的冷冻电子断层扫描以下部分介绍如何获取冷冻水合样品低温ET。注:该方法包括使用极冷液态氮和乙烷，这可能会导致严重的皮肤灼伤。护目镜和低温保护必须戴手套。液态乙烷，这也是易燃的，必须在通风橱中进行处理。 <ol><li>重悬沉淀线粒体中的250mM海藻糖，10mM的HEPES缓冲液在pH 7.4至大约5毫克/毫升的总蛋白质的浓度。 </li><li>辉光放电多孔碳EM电网，碳面朝上，在根据制造商的说明真空装置。 </li><li>通过将乙烷气体流至液氮酷内侧液化乙烷几毫升编辑铝制容器。 </li><li>混合蛋白A结合的黄金基准停牌1:1与线粒体悬液，并立即申请3微升至镊子举行的辉光放电电磁网格。 </li><li>把镊子的玻璃化装置， 例如 ，一个自制断头台。吸去多余的液体用滤纸楔（〜5秒或直至液体停止扩频），并立即通过释放扳机沉浸网格成液态乙烷。 </li><li>传送从液态乙烷网格到液氮中。在转移过程中，从电网用滤纸除去过量的乙烷。放置楔形片滤纸的尖端到液体乙烷。由于液态乙烷上升，轻轻拖动网格了滤​​纸，但保持低于液体的前沿。液态乙烷从电网通过毛细作用移除并一次全部液体乙烷已被删除，网格立即转移至液氮中。 </li><li>将玻璃化电网成格收纳盒，第二液氮下保存以备后用适当的。 </li></ol> 3，录音断层倾角系列以下部分介绍了如何设置和收集断层倾角系列配备了后能量过滤器和CCD相机Polara电子显微镜线粒体。类似的协议适用于所有电子低温显微镜配备了CCD或直接电子探测器相机。 <ol><li>对准显微镜<ol><li>将试样如石墨和金群岛上的多孔碳薄膜。 </li><li>选择搜索模式，在显微镜的低剂​​量的系统。 </li><li>把样品eucentric高度。这是最小的xy移动的点倾斜的试样夹持器时。居中的关注点在0°倾斜，倾斜的阶段到20°并重新中心的点，通过改变Z轴高度。返回到0°，并重复直到横向偏移被最小化。 </li><li>选择曝光模式。选择所需的放大倍率收集的断层图像（ 例如 ，25,000X对探测器≈0.6 nm的试样像素大小）。 </li><li>选择一个小的冷凝器孔径（50-70毫米），并选择一个点的大小和束强度，以使光束正好大于成像装置更宽的，并给出了60 E A像素读取- /像素（CCD）或13 E - /像素/秒（直接电子探测器，计数模式）。 </li><li>中心冷凝器光圈。 </li><li>查找高斯焦点，例如，点的最小对比度。复位显微镜离焦读数和正确的枢转点，并根据制造商的说明旋转中心。 </li><li>拨打所需的散焦录制断层扫描。注:高离焦（8微米）增加对比度，而且降低了分辨率，而小散焦（2-4微米），在对比度为代价提高分辨率。 </li><li>在一个空孔，生成新的增益参考，并调整能量过滤器根据制造商的说明。 </li><li>调整搜索和曝光模式。在曝光模式，围绕一个兴趣点，并切换到搜索模式。 1500倍的倍率选择（对检测器样品的0.033微米/像素）和散焦为100μm（用于增加对比度）。把兴趣点回用图像移位线圈中心。 </li><li>在搜索模式中，调整光斑大小和光束的强度，以使光束正好大于成像装置更宽的，并给出了〜20个电子的像素读- /像素（CCD）或〜7 E - /像素/秒（直接电子检测器，计数模式）。 </li></ol></li><li>找到一个好的标本区<ol><li>插入电网与冷冻水合线粒体成在液氮温度下的电子显微镜（参照EM制造商的说明）。 </li><li>在搜索模式中，搜索网格适当的冰层厚度和标本的质量方面。采取有前途的领域有6秒的图像搜索，以确定是否适合断层图像采集。博特小时内和外线粒体膜应该在这个放大率可见。 </li></ol></li><li>录制断层倾角系列<ol><li>一旦一个好的试样区域被发现，倾斜阶段±60°，以确定最大倾斜范围是可用的，没有任何阻碍的曝光或由尘棒或冰块集中区。 </li><li>在相似的外观附近的冰填充孔，改变曝光模式，调整光束强度或图像采集时间，让每一个记录的图像具有30-50Ë电子剂量- /像素的CCD芯片或6-8ë - /像素/ s的直接电子探测器，计数模式。 </li><li>计算出的剂量分布比（I 0 / I 60）除以平均电子数为0°与60°的图像的获取的1秒的图像。这个比例说明了增加曝光时间，以保持每幅图像的恒定电子计数随倾斜角度（曝光时间= 1 / C要求OS（α）n其中（I 0 / I 60）= 2 n）的 。该比例也可以作为冰厚的一个很好的迹象。线粒体良好断层通常是记录与I 0 / I 60 = 2.3-2.6。 </li><li>在一个空孔，收购曝光模式下1秒的图像，并注意每2电子计数。考虑到剂量分布比例，计算出可以记录特定电子总剂量图像的总数（ 例如 ，&lt;40ë - / 2的结构测定和〜160ë - / 2的形态）。 </li><li>通过将总的倾斜范围确定为断层图像采集相应的倾斜的时间间隔（ 例如 ，120°±60°），通过在3.3.4计算图像的总数目。 </li></ol></li><li>建立并记录上面使用适当的自动数据采集软件3确定的参数的断层3，34。倾斜系列通常开始在±20°和为了最大限度地低倾斜的图像，它是通过增大电子的剂量破坏了信息内容到达高倾斜之前经过0°。 </li></ol> 4，建立和层析卷分割本节介绍如何线粒体断层卷从倾斜系列和卷是如何存在于一般观赏生成。 <ol><li>保存断层倾角系列到适当的目录。生成图像的堆栈，并转换成与开放源代码软件，如dm2mrc或tif2mrc（IMOD包）一个适当的文件格式，转换.dm3，.dm4或tif档案，以MRC栈。 MRC栈所需的断层重建IMOD 35。其他包需要不同的格式。 </li><li>对齐图像，并按照在IMOD教程详细步骤生成的断层（ <ahref=&quot;http://bio3d.colorado.edu/imod/doc/etomoTutorial.html&quot;&gt;http://bio3d.colorado.edu/imod/doc/etomoTutorial.html ). </li><li>提高使用分布式与IMOD非线性的各向异性扩散滤波器的断层图像的对比度。此过滤器可以很好地用于膜和膜结合粒子如ATP合酶。 </li><li>对于可视化，手动分段的断层图像使用可商购的方案，例如，阿米拉。分配对应于内或外的膜的体素，并生成一个表面。使用的EM-包插件AMIRA 36唱首歌选项标记ATP合酶粒子的位置。 </li></ol> ATP合酶二聚体5 Subtomogram平均和配件X射线结构的以下部分介绍了如何对ATP合成酶二聚体subtomogram平均可以得到。 <ol><li>使用该标记的颗粒作为输入和适当的软件程序包，如&#39;部分ICLE估计电子断层扫描"程序，计算subtomogram平均水平。 </li><li>对于分辨率的估计，比较两个独立决定subtomogram平均傅立叶壳的相关性37。 </li><li>如果有的话，船坞已知X射线结构进subtomogram平均通过刚性体，无论是手动装配或使用自动连续对接例程，如那些在程序中嵌合体38。 </li></ol>

作者宣称，他们没有竞争的经济利益。

这里介绍的协议进行了介绍冷冻ET和线粒体subtomogram平均，但基本上相同的方法可应用于任何其他细胞区室或膜。为了获得最佳的数据，在手术过程中的关键步骤是样品制备，暴跌冻结过程和数据采集策略。样品的质量，这是至关重要的成功，取决于一个优化的冻结协议，以确保合适的冰的厚度，这对于良好的图像对比度非常重要的。最佳的数据采集策略取决于仪器和样品。要优化的参数包括每幅图像的电子剂量，倾斜机制和散焦。取得了良好的样本的良好断层扫描使所有进一步的处理步骤更容易，并确保一个满意的最终结果。 冷冻的ET结合subtomogram平均和原子模型拟合提供了如何蛋白质复合物被布置在第细节EIR天然细胞环境。该技术同样适合用于研究的大的膜蛋白复合物，诸如呼吸链supercomplexes（1.7 MDA），ATP合酶的二聚体（2×500 kDa的），或核孔复合物（〜120 MDA）8，9，17的结构。的ATP合酶的二聚体的组织进行不能由如X射线晶体学，核磁共振或单粒子冷冻电镜高分辨率技术可以观察到，因为该二聚体行由洗涤剂提取，这是在隔离的必要步骤打乱和的膜蛋白复合物的纯化。 在沿行嵴隆起二聚体的ATP合成酶的安排，是所有物种的线粒体的普遍组织原则。电子传递链的质子泵配合物，特别是复合物I（NADH脱氢酶），分别位于所述膜的区域中的行8的任一侧9，该组织在呼吸链中的具有线粒体生物能量产生深远的影响。如果该二聚体行不能由于缺乏二聚体特异性蛋白亚基组成，该细胞表现出更长的生成时间和减少细胞的健身，如在图3中41所示的酵母突变体观察到，随着在线粒体疾病的越来越大的兴趣，有详细治线粒体超微结构和功能的分子基础的认识是非常重要的。电子冷冻断层提供在所述膜的纳米尺度由高分辨率的方法测定蛋白质的结构和分布与这些蛋白质的结构之间的联系。这使得冷冻ET在健康和疾病的理解线粒体结构和功能的基本工具。 在低温ET技术上的进一步发展和改进包括蛋白质标记策略，以确定protei的位置Ñ​​亚基的大分子复合物或更小或更独特的蛋白（&lt;0.5 MDA）在细胞中的位置。此外，混合动力EM的加工方法，其中结合subtomogram平均单粒子分析或螺旋重建最近确定的蛋白结构，以〜8 A 42，43。这些处理方法目前仅限于纯化的蛋白质，这是很好的分离在冰面或形成螺旋集会，目前并不适用于拥挤的细胞环境，如线粒体嵴膜。数据收集，正在开发新的计算和硬件工具，使自动化断层图像采集，增加图像的对比度和降低的总要求电子剂量。在低温ET的唯一基本限制是辐射损坏样品的电子束。这就是说，只有非常低的电子剂量可用于记录的断层倾斜系列的每个图像，从而产生信号叔差Ø信噪比，最终限制了可实现的分辨率。新的直接电子探测器，发布不到一年前，正在彻底改变单粒子冷冻电镜44,45领域。这些新的检测器提供更高的对比度和更好的分辨率更低的电子剂量。对于低温电子断层扫描，这意味着更小的步长，甚至双轴断层的倾角系列无需过多有关辐射损伤（1 CCD图像是在电子剂量相当于5直接电子探测器图像）的关注被收集。海量通过这些检测器产生的数据中创建数据的处理，处理和存储他们自己的挑战，这将必须被克服。 此外，相板，类似的原则与在光学显微镜经常使用的工作，以提高相衬，目前正在透射电子显微镜46，4开发7，这应该允许断层图像被收集更接近焦点，并因此以较高的分辨率，而同时保持低的分辨率提供必要的对准和断层体积的解释。总之，这些技术进步将极大地扩大了可以通过冷冻ET来解决生物学问题的范围。

线粒体是电房小区。通过将电化学质子梯度跨线粒体膜成化学键的能量，线粒体ATP合酶产生最驱动的细胞过程中的ATP。为了理解后面线粒体能量转换机制，我们需要确定在原位 ATP合酶的结构，并发现它是如何布置和分布在线粒体内膜。虽然可用的大多数的整个复杂4线粒体ATP合成酶组分1-3和低分辨率图的高分辨率结构，它建立在工作酶的结构和构象中的膜是很重要的。的ATP合成酶的线粒体内膜的分布已被广泛地认为是随机的，但早期发现5和我们自己的初步结果6所示，这是不吨他的情况下。从我们的基团随后的研究和其他7已经证实，ATP合酶被布置在长行沿线粒体内膜嵴8的紧密弯曲的脊部的二聚体，而电子传递链的质子泵可能在位于两侧的行9。这种结构具有用于线粒体能量转换机制具有重要意义。 我们已经使用，以确定该布置的技术是电子冷冻断层摄影（冷冻ET）。冷冻ET是目前，在分子的分辨率提供了细胞，细胞区室或细胞器中的精确的三维（3D）的卷的唯一方法。冷冻ET特别适合用于研究的大复合体中的生物薄膜，因为该膜出现了具有良好对比度和很容易就可以跟踪在3D断层扫描体积。 其他的方法来研究细胞或细胞器的三维结构ES不提供分子细节。超分辨率光镜10，11是极好的露出位置或附接至具有几十nm的精度兴趣蛋白质的发光标签之间的距离，但它并没有揭示该蛋白本身的结构，即使在低的分辨率。连续切片12或块面的成像扫描塑料包埋的生物样品的电镜13透射电子显微镜提供蜂窝体积的低分辨率的意见，但同样没有揭示分子细节。原子力显微镜14在原理上可以实现分子甚至原子级的分辨率，但是仅在物体上的原子级平坦，固体支持物的表面上。最后，X射线断层摄影术15或强烈的X射线脉冲从自由电子激光散射16不太可能揭示大的，复杂的，非周期的对象的结构，例如在米全细胞或细胞器olecular分辨率在可预见的未来。因此，在目前，有没有替代冷冻ET的细胞或细胞器的三维结构的纳米级分辨率的研究。 冷冻ET是选择的方法用于检查的膜结合蛋白组合件包括核孔复合体17中，流感尖峰配合物18的结构和构象，和鞭毛马达蛋白22，23，而且整个细菌细胞19的机构和进入致病病毒如艾滋病病毒在细胞20-23。冷冻ET是无价的可视化丝状蛋白及其在细胞间的相互作用，包括肌动蛋白丝24或轴突25。分辨率可以通过subtomogram平均26，由此反复，常规功能子卷是由单粒子图像的亲切出一个断层量，平均提高到2纳米或更高cessing技术。 冷冻ET涉及收购了一系列的薄样品（&lt;250纳米），在不同的倾斜角度在透射电子显微镜（TEM）拍摄的投影图像。试样必须是薄的，这样的电子，这与物质的强烈的相互作用，分散不超过一次。多次散射，使所得到的图像难以解释，并降低对比度。所选择的样本区域的图像的对齐相对于每个其它与投影到3D空间中通过合适的计算机程序，产生的样品的三维体积。的图像的排列是由金的基准标记，它与冷冻前的样品混合资助。理想的情况是10或更均匀分布的基准标记应该是存在于每一个图像，以实现良好的取向。 观察分子的细节，样品急跌冷冻在液态乙烷，它保留了其天然的水合状态。冷冻在液态乙烷是如此之快（〜10 5℃/秒）27使得水不会结晶而是保持在玻璃化，玻璃样状态。冰晶形成的损害敏感的生物结构。作为生物样品从辐射损伤患，是有一定限度的散射事件的标本可以容忍的总数。图像中的低剂量模式这样获取:感兴趣的区域被确定为低倍率（1500倍），用以下1 C的电子剂量- /纳米2（搜索模式）。该图像，然后集中在一个更高的放大倍率，关利益（对焦模式）的区域。被获取的图像，只有当中，感兴趣的区域上照射具有更高的电子剂量（曝光模式）。 这里，我们提出了如何收集和处理电子冷冻断层图像，利用ATP合酶的二聚体在线粒体内膜，例如一个概观。以下方案描述了如何制备线粒体为低温的ET，如何设置并收集与一个特定的电子总剂量，以及如何处理该倾斜系列以获得感兴趣区域的三维体积的倾斜系列。该过程的概述示于图1。

<table><tbody><tr><td>Sucrose</td><td>Roth</td><td>4621.2</td><td></td></tr><tr><td>Trehalose</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T9449</td><td></td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H3375</td><td></td></tr><tr><td>Zymolase</td><td>biomol</td><td>Z1000.1</td><td></td></tr><tr><td>Density gradient medium</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D1556 or P1644</td><td></td></tr><tr><td>Protein A gold</td><td>Aurion</td><td>810.111</td><td>10 nm</td></tr><tr><td>Ethane</td><td>Air Liquide</td><td>P0502S02R0A001</td><td></td></tr><tr><td>Nitrogen</td><td>Air Liquide</td><td>I4150RG</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Consumables&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Filter paper</td><td>Whatman, GE Healthcare</td><td>1004 090</td><td>Nr 4</td></tr><tr><td>Tweezers</td><td>Dumont</td><td>T506</td><td>Non-magnetic, pattern #5</td></tr><tr><td>EM combined test grid</td><td>Plano GmbH</td><td>S142</td><td>grapite and gold islands on holey carbon film</td></tr><tr><td>Holey carbon grids</td><td>Quantifoil Micro Tools GmbH or C-flat</td><td></td><td>R2/2 300 Cu mesh</td></tr><tr><td>Cryo grid boxes</td><td>Plano GmbH</td><td>160-42</td><td>Alternative home-made metal boxes</td></tr><tr><td>Potter</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P7984</td><td></td></tr><tr><td>Blender</td><td>Waring</td><td>8011S</td><td></td></tr><tr><td>Glass bead mill - bead beater</td><td>BioSpec Products</td><td>1107900-105</td><td>Including 0.5 mm beads</td></tr><tr><td>Ball-bearing (Balch) homogeniser</td><td>isobiotec</td><td>H8</td><td></td></tr><tr><td>Centrifuge</td><td>Thermo Scientific</td><td>46915</td><td>Sorvall RC6+</td></tr><tr><td>Glow-discharge apparatus</td><td>Bal-Tec A.G.</td><td>CTA 010</td><td></td></tr><tr><td>Grid vitrification device</td><td>FEI, Gatan or Leica</td><td></td><td>Alternative home-made plunger</td></tr><tr><td>Transmission electron microscope</td><td>FEI or Jeol</td><td></td><td>300 keV</td></tr><tr><td>Direct electron detector</td><td>Gatan</td><td>K2 summit</td><td>4k x 4k pixels, counted mode</td></tr><tr><td>Charge coupled device (CCD)</td><td>Gatan</td><td>US4000</td><td>4k x 4k pixels (alternative to Direct electron detector)</td></tr><tr><td>Energy filter</td><td>Gatan or Jeol</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Software&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Image acquisition software</td><td>Gatan</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tomogram acquisition software</td><td>Gatan, FEI, USCF, or UC-Boulder</td><td></td><td>4 alternatives</td></tr><tr><td>Tomogram processing software</td><td>FEI, UCSF or UC-Boulder</td><td></td><td>3 alternatives</td></tr><tr><td>Subtomogram averaging software</td><td>UC-Boulder, or University of Basel</td><td></td><td>2 alternatives</td></tr><tr><td>Tomogram visualization software</td><td>UC-Boulder, FEI, or University of Utah</td><td></td><td>3 alternatives</td></tr><tr><td>Visualization software plugin</td><td>Goethe university</td><td></td><td>http://www.biophys.uni-frankfurt.de/frangakis/</td></tr><tr><td>Structure visualization software</td><td>UCSF</td><td></td><td>http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td></tr><tr><td>Numerical calculation software</td><td>MathWorks</td><td></td><td>http://www.mathworks.de/academia/</td></tr></tbody></table>

visualization of atp synthase dimers in mitochondria by electron cryo-tomography

电子冷冻断层扫描是在结构生物学的有力工具，能够可视化的​​生物样品，如细胞，细胞器，膜小泡或病毒在分子细节的三维结构。为了实现这一点，所述水性样品迅速玻璃化在液体乙烷，它保留它在近距离到本地的，冷冻的水合状态。在电子显微镜下，倾斜系列被记录在液氮温度下，从该三维断层图像进行重建。断层容积的信号 - 噪声比是固有地低。辨认，经常性的功能是由subtomogram平均，其中个别子卷切出，对准，平均降低噪音提高。以这种方式，三维映射为2纳米或更能够得到解决。一件合身可用的高分辨率结构的三维体积，然后产生蛋白质复合物的原子模型在他们的天然环境。在这里，我们将展示我们如何使用电子低温tomograpHY研究现场组织大型的膜蛋白复合物在线粒体中。我们发现，ATP合成酶的组织中的行沿内膜嵴高度弯曲的顶点的二聚体，而复合物I中随机地分布在膜的区域上的行的任一侧。通过subtomogram平均我们得到的嵴膜中的线粒体ATP合酶的二聚体的结构。

电子冷冻断层线粒体清楚地揭示了细胞器的三维形态（ 图2）。在断层容积膜的手工分割示出了在线粒体的嵴结构。通过影像从缺乏某些蛋白质成分不同的酵母基因敲除株线粒体，这些蛋白质对嵴形态的影响可以通过评估。 图3显示了从酵母菌株缺乏ATP合成酶亚基E A线粒体。是必需的线粒体ATP合酶的二聚化的ATP合成酶复合物的这一部分。从该菌株中线粒体缺乏野生型线粒体的正常层状嵴（ 图2），而是包含了若干内部隔膜室中。这些车厢或者是缺乏嵴或包含小气球状的膜内陷（ 图3）。 汤姆ograms具有良好的对比度，大线粒体的蛋白质复合物，在这种情况下，ATP合酶的二聚体，很容易看到（ 图4;电影1）。 （; 电影2图5）配合物的结构，可以在由subtomogram平均2-3纳米的分辨率来确定。的平均体积可放回断层图像，以评估相对于彼此和其他蛋白复合物在膜个别复合物的组织（ 图6;电影3）。 <img alt="图1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51228/51228fig1highres.jpg" width="500" /> 图1流程图显示低温电子断层扫描的阶段 。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/51228/51228fig1highres.jpg" target="_blank">点击这里查看大图。</a> 图2:从形态野生型啤酒酵母线粒体中。通过野生S的断层量环片酵母线粒体（左）和对应的表面呈现体积（右）。外膜的分割体积显示为灰色和内边界的体积和嵴膜在淡蓝色。从戴维斯等人 8改编。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/51228/51228fig2highres.jpg" target="_blank">点击这里查看大图。</a> <img alt="图3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51228/51228fig3highres.jpg" width="500" /> 图3线粒体从啤酒酵母株缺乏所需的亚基ATP合成酶的二聚化。通过切片断层容积（左）和相应的从个线粒体表面呈现量（右）。 酵母菌株缺乏所需的ATP合酶二聚体蛋白亚基ê。当与图2相比较，从突变株的线粒体缺乏野生型线粒体的正常层状嵴。相反，线粒体有很多内膜舱，要么没有嵴或气球形嵴。因此，电子低温断层凸显了膜的形态，由于基因缺失的改变。从戴维斯等人 8改编。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/51228/51228fig3highres.jpg" target="_blank">点击这里查看大图。</a> <img alt="图4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51228/51228fig4highres.jpg" width="500" /> 造型玩具从木耳体育 4线粒体蕨麻 。切片通过线粒体的从丝状真菌P.断层容积（左）和伴随的表面呈现体积（右） 鹅绒委陵菜 。在此断层图像，行10纳米粒子（黄色箭头）位于上述内层膜嵴高度弯曲的膜隆起部（参照电影1）。这些颗粒被确定为ATP合酶的二聚体通过subtomogram平均。从戴维斯等人 9。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/51228/51228fig4highres.jpg" target="_blank">点击这里查看大图。</a> <img alt="图5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51228/51228fig5highres.jpg" width="500" /> 图5结构中的线粒体ATP合成酶和组织。边和表示从S中的ATP合酶的二聚体的电子密度的顶视图ç<html> erevisiae由subtomogram平均连装的原子模型（左）来确定。线粒体内膜泡出的ATP合成酶二聚体行（右）的组织。该图是通过定位subtomogram平均的ATP合酶的二聚体到膜囊泡的分割量，采用平均值中计算出的坐标生成的。从戴维斯等人 8改编。原子模型:F 1 /转子环[PDB:2WPD] 39（蓝色和紫色）;寡霉素敏感相关蛋白-OSCP [PDB:2BO5] 40（绿色）;周边秸秆片段[PDB:2CLY] 1与N端残基[PDB:2WSS] 2（黄色和红色）（见电影2） <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/51228/51228fig6highres.jpg" target="_blank">点击此处查看大图。</a> <html> _upload / 51228 / 51228fig6highres.jpg"WIDTH ="500"/&gt; 从P.图6隔离嵴泡蕨麻线粒体。片从P的嵴泡的断层容积（左）和相应的表面呈现量（右） 鹅绒委陵菜 。蛋白浓度从膜突出都清晰可见。按黄色箭头指示的密度是ATP合酶二聚体，所确定的subtomogram平均。绿色箭头指向确定抗体标记为NADH脱氢酶浓度（复1;详见9）。蛋白质浓度的分割揭示其在嵴组织，与ATP合酶的二聚体（红色和黄色）沿高度弯曲的脊突脊形成行和NADH脱氢酶复合物（绿色）中的行的任一侧上的膜的区域（见电影3）。从戴维斯等人 9。28 / 51228fig7highres.jpg"目标="_ blank将"&gt;点击这里查看大图。 电影1电子低温断层图像P的线粒体鹅绒委陵菜的影片通过从丝状真菌P.采取了线粒体的断层量显示连续切片鹅绒委陵菜 。 ATP合酶的行由黄色箭头表示。表面渲染，分段体积显示ATP合酶（黄色球）相对于所述三维嵴结构的位置。外膜，灰色;内界膜，透明的蓝色;嵴膜，不透明的蓝色。从戴维斯等人 9。参见图4， <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/51228/movie1.mp4" target="_blank">点击此处查看视频。</a> 电影2 Subtomogram平均从S线粒体ATP合酶二聚体。 酵母与拟合的原子模型，平均为从121子体积计算。密度显示在三个轮廓层次:1秒 - 网，2S - 浅灰色和3S - 深灰色。原子模型，使用嵌合体的顺序拟合例程装入密度。原子模型:F 1 /转子环[PDB:2WPD] 39（蓝色和紫色）;寡霉素敏感相关蛋白-OSCP [PDB:2BO5] 40（绿色）;周边秸秆片段[PDB:2CLY] 1与N端残基[PDB:2WSS] 2（黄色和红色） <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/51228/movie2.mov" target="_blank">点击此处查看视频。</a> 从戴维斯等人 8改编。参见图5。 从体育电影3。隔离嵴泡通过断层容积蕨麻线粒体。连续切片示，随后经分割表面呈现体积。蛋白密度从卷材胶粘突出e为清晰可见。红色和黄色的密度是ATP合酶的二聚体。绿色密度NADH脱氢酶（复合体I）通过抗体标记来确定。从戴维斯等人 9。参见图6。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/51228/movie3.mpg" target="_blank">点击此处查看视频。</a>

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Visualization of ATP Synthase Dimers in Mitochondria by Electron Cryo-tomography

我们提出了如何收集和处理电子低温断层整个线粒体的协议。该技术提供了详细分析上市的结构，功能和组织的大的膜蛋白复合物中天然生物膜。

ATP合酶二聚体线粒体通过冷冻电子断层扫描可视化

Electron cryo-tomography is a powerful tool in structural biology, capable of visualizing the three-dimensional structure of biological samples, such as ...

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视频: Visualization of ATP Synthase Dimers in Mitochondria by Electron Cryo-tomography

Method to Visualize and Analyze Membrane Interacting Proteins by Transmission Electron Microscopy

Monotopic proteins exert their function when attached to a membrane surface, and such interactions depend on the specific lipid composition and on the availability of enough area to perform the function. Nanodiscs are used to provide a membrane surface of controlled size and lipid content. In the absence of bound extrinsic proteins, sodium phosphotungstate-stained nanodiscs appear as stacks of coins when viewed from the side by transmission electron microscopy (TEM). This protocol is therefore designed to intentionally promote stacking; consequently, the prevention of stacking can be interpreted as the binding of the membrane-binding protein to the nanodisc. In a further step, the TEM images of the protein-nanodisc complexes can be processed with standard single-particle methods to yield low-resolution structures as a basis for higher resolution cryoEM work. Furthermore, the nanodiscs provide samples suitable for either TEM or non-denaturing gel electrophoresis. To illustrate the method, Ca2+-induced binding of 5-lipoxygenase on nanodiscs is presented.

Many proteins perform their function when attached to membrane surfaces. The binding of extrinsic proteins on nanodisc membranes can be indirectly imaged by transmission electron microscopy. We show that the characteristic stacking (rouleau) of nanodiscs induced by the negative stain sodium phosphotungstate is prevented by the binding of extrinsic protein.

方法可视化和用透射电子显微镜分析膜蛋白的相互作用

Monotopic proteins exert their function when attached to a membrane surface, and such interactions depend on the specific lipid composition and on the ...

科研

生物化学

Analyzing Supercomplexes of the Mitochondrial Electron Transport Chain with Native Electrophoresis, In-gel Assays, and Electroelution

The mitochondrial electron transport chain (ETC) transduces the energy derived from the breakdown of various fuels into the bioenergetic currency of the cell, ATP. The ETC is composed of 5 massive protein complexes, which also assemble into supercomplexes called respirasomes (C-I, C-III, and C-IV) and synthasomes (C-V) that increase the efficiency of electron transport and ATP production. Various methods have been used for over 50 years to measure ETC function, but these protocols do not provide information on the assembly of individual complexes and supercomplexes. This protocol describes the technique of native gel polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE), a method that was modified more than 20 years ago to study ETC complex structure. Native electrophoresis permits the separation of ETC complexes into their active forms, and these complexes can then be studied using immunoblotting, in-gel assays (IGA), and purification by electroelution. By combining the results of native gel PAGE with those of other mitochondrial assays, it is possible to obtain a completer picture of ETC activity, its dynamic assembly and disassembly, and how this regulates mitochondrial structure and function. This work will also discuss limitations of these techniques. In summary, the technique of native PAGE, followed by immunoblotting, IGA, and electroelution, presented below, is a powerful way to investigate the functionality and composition of mitochondrial ETC supercomplexes.

This protocol describes the separation of functional mitochondrial electron transport chain complexes (Cx) I-V and supercomplexes thereof using native electrophoresis to reveal information about their assembly and structure. The native gel can be subjected to immunoblotting, in-gel assays, and purification by electroelution to further characterize individual complexes.

用天然电泳，凝胶电泳和电解法分析线粒体电子传递链的超复合物

The mitochondrial electron transport chain (ETC) transduces the energy derived from the breakdown of various fuels into the bioenergetic currency of the ...

Mitochondria and Endoplasmic Reticulum Imaging by Correlative Light and Volume Electron Microscopy

Cellular organelles, such as mitochondria and endoplasmic reticulum (ER), create a network to perform a variety of functions. These highly curved structures are folded into various shapes to form a dynamic network depending on the cellular conditions. Visualization of this network between mitochondria and ER has been attempted using super-resolution fluorescence imaging and light microscopy; however, the limited resolution is insufficient to observe the membranes between the mitochondria and ER in detail. Transmission electron microscopy provides good membrane contrast and nanometer-scale resolution for the observation of cellular organelles; however, it is exceptionally time-consuming when assessing the three-dimensional (3D) structure of highly curved organelles. Therefore, we observed the morphology of mitochondria and ER via correlative light-electron microscopy (CLEM) and volume electron microscopy techniques using enhanced ascorbate peroxidase 2 and horseradish peroxidase staining. An en bloc staining method, ultrathin serial sectioning (array tomography), and volume electron microscopy were applied to observe the 3D structure. In this protocol, we suggest a combination of CLEM and 3D electron microscopy to perform detailed structural studies of mitochondria and ER.

We present a protocol to study the distribution of mitochondria and endoplasmic reticulum in whole cells after genetic modification using correlative light and volume electron microscopy including ascorbate peroxidase 2 and horseradish peroxidase staining, serial sectioning of cells with and without the target gene in the same section, and serial imaging via electron microscopy.

线粒体和内质视网膜成像由相关光和体积电子显微镜

Cellular organelles, such as mitochondria and endoplasmic reticulum (ER), create a network to perform a variety of functions. These highly curved ...

Preparation and Cryo-FIB micromachining of Saccharomyces cerevisiae for Cryo-Electron Tomography

Today, cryo-electron tomography (cryo-ET) is the only technique that can provide near-atomic resolution structural data on macromolecular complexes in situ. Owing to the strong interaction of an electron with the matter, high-resolution cryo-ET studies are limited to specimens with a thickness of less than 200 nm, which restricts the applicability of cryo-ET only to the peripheral regions of a cell. A complex workflow that comprises the preparation of thin cellular cross-sections by cryo-focused ion beam micromachining (cryo-FIBM) was introduced during the last decade to enable the acquisition of cryo-ET data from the interior of larger cells. We present a protocol for the preparation of cellular lamellae from a sample vitrified by plunge freezing utilizing Saccharomyces cerevisiae as a prototypical example of a eukaryotic cell with wide utilization in cellular and molecular biology research. We describe protocols for vitrification of S. cerevisiae into isolated patches of a few cells or a continuous monolayer of the cells on a TEM grid and provide a protocol for lamella preparation by cryo-FIB for these two samples.

Preparation and Cryo-FIB micromachining of Saccharomyces cerevisiae for Cryo-Electron Tomography

We present a protocol for lamella preparation of plunge frozen biological specimens by cryo-focused ion beam micromachining for high-resolution structural studies of macromolecules in situ with cryo-electron tomography. The presented protocol provides guidelines for the preparation of high-quality lamellae with high reproducibility for structural characterization of macromolecules inside the&#160;Saccharomyces cerevisiae.

冷冻电子断层扫描 的糖核 酸的准备和冷冻-FIB微加工

Today, cryo-electron tomography (cryo-ET) is the only technique that can provide near-atomic resolution structural data on macromolecular complexes in ...

3D 技术可视化胰腺癌细胞中的线粒体嵴

A Three-Dimensional Technique for the Visualization of Mitochondrial Ultrastructural Changes in Pancreatic Cancer Cells

Understanding the dynamic features of the cell organelle ultrastructure, which is not only rich in unknown information but also sophisticated from a three-dimensional (3D) perspective, is critical for mechanistic studies. Electron microscopy (EM) offers good imaging depth and allows for the reconstruction of high-resolution image stacks to investigate the ultrastructural morphology of cellular organelles even at the nanometer scale; therefore, 3D reconstruction is gaining importance due to its incomparable advantages. Scanning electron microscopy (SEM) provides a high-throughput image acquisition technology that allows for reconstructing large structures in 3D from the same region of interest in consecutive slices. Therefore, the application of SEM in large-scale 3D reconstruction to restore the true 3D ultrastructure of organelles is becoming increasingly common. In this protocol, we suggest a combination of serial ultrathin section and 3D reconstruction techniques to study mitochondrial cristae in pancreatic cancer cells. The details of how these techniques are performed are described in this protocol in a step-by-step manner, including the osmium-thiocarbohydrazide-osmium (OTO) method, the serial ultrathin section imaging, and the visualization display.

作者聚焦:胰腺癌细胞线粒体超微结构变化可视化的三维技术  

This protocol describes how to reconstruct mitochondrial cristae to achieve 3D imaging with high accuracy, high resolution, and high throughput.

一种可视化胰腺癌细胞线粒体超微结构变化的三维技术

Understanding the dynamic features of the cell organelle ultrastructure, which is not only rich in unknown information but also sophisticated from a ...

癌症研究

Single-Molecule Imaging of Lateral Mobility and Ion Channel Activity in Lipid Bilayers using Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy

High-resolution imaging techniques have shown that many ion channels are not static, but subject to highly dynamic processes, including the transient association of pore-forming and auxiliary subunits, lateral diffusion, and clustering with other proteins. However, the relationship between lateral diffusion and function is poorly understood. To approach this problem, we describe how lateral mobility and activity of individual channels in supported lipid membranes can be monitored and correlated using total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. Membranes are fabricated on an ultrathin hydrogel substrate using the droplet interface bilayer (DIB) technique. Compared to other types of model membranes, these membranes have the advantage of being mechanically robust and suitable for highly sensitive analytical techniques. This protocol measures Ca2+ ion flux through single channels by observing the fluorescence emission of a Ca2+-sensitive dye in close proximity to the membrane. In contrast to classical single-molecule tracking approaches, no fluorescent fusion proteins or labels, which can interfere with lateral movement and function in the membrane, are required. Possible changes in ion flux associated with conformational changes of the protein are only due to protein lateral motion in the membrane. Representative results are shown using the mitochondrial protein translocation channel TOM-CC and the bacterial channel OmpF. In contrast to OmpF, the gating of TOM-CC is very sensitive to molecular confinement and the nature of lateral diffusion. Hence, supported droplet-interface bilayers are a powerful tool to characterize the link between lateral diffusion and the function of ion channels.

Single-Molecule Imaging of Lateral Mobility and Ion Channel Activity in Lipid Bilayers using Total Internal Reflection Fluorescence TIRF Microscopy

This protocol describes how to use TIRF microscopy to track individual ion channels and determine their activity in supported lipid membranes, thereby defining the interplay between lateral membrane movement and channel function. It describes how to prepare the membranes, record the data, and analyze the results.

使用全内反射荧光（TIRF）显微镜对脂质双层中的横向迁移率和离子通道活性进行单分子成像

High-resolution imaging techniques have shown that many ion channels are not static, but subject to highly dynamic processes, including the transient ...

Simplified Volumetric Models as an Effective Strategy for Segmenting Actin Networks in Cryo-Electron Tomograms

Efficient methods for the extraction of features of interest remain one of the biggest challenges for the interpretation of cryo-electron tomograms. Various automated approaches have been proposed, many of which work well for high-contrast datasets where the features of interest can be easily detected and are clearly separated from one another. Our inner ear stereocilia cryo-electron tomographic datasets are characterized by a dense array of hexagonally packed actin filaments that are frequently cross-connected. These features make automated segmentation very challenging, further aggravated by the high-noise environment of cryo-electron tomograms and the high complexity of the densely packed features. Using prior knowledge about the actin bundle organization, we have placed layers of a highly simplified ball-and-stick actin model to first obtain a global fit to the density map, followed by regional and local adjustments of the model. We show that volumetric model building not only allows us to deal with the high complexity, but also provides precise measurements and statistics about the actin bundle. Volumetric models also serve as anchoring points for local segmentation, such as in the case of the actin-actin cross connectors. Volumetric model building, particularly when further augmented by computer-based automated fitting approaches, can be a powerful alternative when conventional automated segmentation approaches are not successful.

Here, we present a protocol to place simplified volumetric models into noisy, complex, tomographic 3D volumes. This allows the fast segmentation of actin filament densities, detection of systematic filament bending and of gaps in hair bundle filaments, as well as convenient quantification of volumetric model properties, such as distances.

Efficient methods for the extraction of features of interest remain one of the biggest challenges for the interpretation of cryo-electron tomograms. ...

神经科学

3D Mitochondrial Ultrastructure of Drosophila Indirect Flight Muscle Revealed by Serial-section Electron Tomography

Mitochondria are cellular powerhouses that produce ATP, lipids, and metabolites, as well as regulate calcium homeostasis and cell death. The unique cristae-rich double membrane ultrastructure of this organelle is elegantly arranged to carry out multiple functions by partitioning biomolecules. Mitochondrial ultrastructure is intimately linked with various functions; however, the fine details of these structure-function relationships are only beginning to be described. Here, we demonstrate the application of serial-section electron tomography to elucidate mitochondrial structure in Drosophila indirect flight muscle. Serial-section electron tomography may be adapted to study any cellular structure in three-dimensions.

3D Mitochondrial Ultrastructure of Drosophila Indirect Flight Muscle Revealed by Serial-section Electron Tomography

In this protocol, we demonstrate the application of serial-section electron tomography to elucidate mitochondrial structure in Drosophila indirect flight muscle.

连续切片电子断层扫描显示的 3D果蝇间接飞行肌的线粒体超微结构研究

Mitochondria are cellular powerhouses that produce ATP, lipids, and metabolites, as well as regulate calcium homeostasis and cell death. The unique ...

ATP合酶二聚体线粒体通过冷冻电子断层扫描可视化

摘要

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方法可视化和用透射电子显微镜分析膜蛋白的相互作用

用天然电泳，凝胶电泳和电解法分析线粒体电子传递链的超复合物

线粒体和内质视网膜成像由相关光和体积电子显微镜

冷冻电子断层扫描的糖核酸的准备和冷冻-FIB微加工

一种可视化胰腺癌细胞线粒体超微结构变化的三维技术

一种可视化胰腺癌细胞线粒体超微结构变化的三维技术

一种可视化胰腺癌细胞线粒体超微结构变化的三维技术

使用全内反射荧光（TIRF）显微镜对脂质双层中的横向迁移率和离子通道活性进行单分子成像

Simplified Volumetric Models as an Effective Strategy for Segmenting Actin Networks in Cryo-Electron Tomograms

连续切片电子断层扫描显示的 3D果蝇间接飞行肌的线粒体超微结构研究

ATP合酶二聚体线粒体通过冷冻电子断层扫描可视化

摘要

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方法可视化和用透射电子显微镜分析膜蛋白的相互作用

用天然电泳，凝胶电泳和电解法分析线粒体电子传递链的超复合物

线粒体和内质视网膜成像由相关光和体积电子显微镜

冷冻电子断层扫描 的糖核 酸的准备和冷冻-FIB微加工

一种可视化胰腺癌细胞线粒体超微结构变化的三维技术

一种可视化胰腺癌细胞线粒体超微结构变化的三维技术

一种可视化胰腺癌细胞线粒体超微结构变化的三维技术

使用全内反射荧光（TIRF）显微镜对脂质双层中的横向迁移率和离子通道活性进行单分子成像

Simplified Volumetric Models as an Effective Strategy for Segmenting Actin Networks in Cryo-Electron Tomograms

连续切片电子断层扫描显示的 3D果蝇间接飞行肌的线粒体超微结构研究

冷冻电子断层扫描的糖核酸的准备和冷冻-FIB微加工