TY - JOUR A1 - Kunz, Tobias C. A1 - Götz, Ralph A1 - Gao, Shiqiang A1 - Sauer, Markus A1 - Kozjak-Pavlovic, Vera T1 - Using Expansion Microscopy to Visualize and Characterize the Morphology of Mitochondrial Cristae JF - Frontiers in Cell and Developmental Biology N2 - Mitochondria are double membrane bound organelles indispensable for biological processes such as apoptosis, cell signaling, and the production of many important metabolites, which includes ATP that is generated during the process known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). The inner membrane contains folds called cristae, which increase the membrane surface and thus the amount of membrane-bound proteins necessary for the OXPHOS. These folds have been of great interest not only because of their importance for energy conversion, but also because changes in morphology have been linked to a broad range of diseases from cancer, diabetes, neurodegenerative diseases, to aging and infection. With a distance between opposing cristae membranes often below 100 nm, conventional fluorescence imaging cannot provide a resolution sufficient for resolving these structures. For this reason, various highly specialized super-resolution methods including dSTORM, PALM, STED, and SIM have been applied for cristae visualization. Expansion Microscopy (ExM) offers the possibility to perform super-resolution microscopy on conventional confocal microscopes by embedding the sample into a swellable hydrogel that is isotropically expanded by a factor of 4–4.5, improving the resolution to 60–70 nm on conventional confocal microscopes, which can be further increased to ∼ 30 nm laterally using SIM. Here, we demonstrate that the expression of the mitochondrial creatine kinase MtCK linked to marker protein GFP (MtCK-GFP), which localizes to the space between the outer and the inner mitochondrial membrane, can be used as a cristae marker. Applying ExM on mitochondria labeled with this construct enables visualization of morphological changes of cristae and localization studies of mitochondrial proteins relative to cristae without the need for specialized setups. For the first time we present the combination of specific mitochondrial intermembrane space labeling and ExM as a tool for studying internal structure of mitochondria. KW - Expansion microscopy KW - mitochondria KW - cristae KW - structured illumination microscope KW - ultrastructure Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-208296 SN - 2296-634X VL - 8 ER - TY - THES A1 - Kunz, Tobias C. T1 - Expansion Microscopy (ExM) as a tool to study organelles and intracellular pathogens T1 - Expansionsmikroskopie (ExM) als Tool zur Untersuchung von Organellen und intrazellulären Pathogenen N2 - The resolution of fluorescence light microscopy was long believed to be limited by the diffraction limit of light of around 200-250 nm described in 1873 by Ernst Abbe. Within the last decade, several approaches, such as structured illumination microscopy (SIM), stimulated emission depletion STED and (direct) stochastic optical reconstruction microscopy (d)STORM have been established to bypass the diffraction limit. However, such super-resolution techniques enabling a resolution <100 nm require specialized and expensive setups as well as expert knowledge in order to avoid artifacts. They are therefore limited to specialized laboratories. Recently, Boyden and colleagues introduced an alternate approach, termed expansion microscopy (ExM). The latter offers the possibility to perform superresolution microscopy on conventional confocal microscopes by embedding the sample into a swellable hydrogel that is isotropically expanded. Since its introduction in 2015, expansion microscopy has developed rapidly offering protocols for 4x, 10x and 20x expansion of proteins and RNA in cells, tissues and human clinical specimens. Mitochondria are double membrane-bound organelles and crucial to the cell by performing numerous tasks, from ATP production through oxidative phosphorylation, production of many important metabolites, cell signaling to the regulation of apoptosis. The inner mitochondrial membrane is strongly folded forming so-called cristae. Besides being the location of the oxidative phosphorylation and therefore energy conversion and ATP production, cristae have been of great interest because changes in morphology have been linked to a plethora of diseases from cancer, diabetes, neurodegenerative diseases, to aging and infection. However, cristae imaging remains challenging as the distance between two individual cristae is often below 100 nm. Within this work, we demonstrate that the mitochondrial creatine kinase MtCK linked to fluorescent protein GFP (MtCK-GFP) can be used as a cristae marker. Upon fourfold expansion, we illustrate that our novel marker enables visualization of cristae morphology and localization of mitochondrial proteins relative to cristae without the need for specialized setups. Furthermore, we show the applicability of expansion microscopy for several bacterial pathogens, such as Chlamydia trachomatis, Simkania negevensis, Neisseria gonorrhoeae and Staphylococcus aureus. Due to differences in bacterial cell walls, we reveal important aspects for the digestion of pathogens for isotropic expansion. We further show that expansion of the intracellular pathogens C. trachomatis and S. negevensis, enables the differentiation between the two distinct developmental forms, catabolic active reticulate bodies (RB) and infectious elementary bodies (EB), on a conventional confocal microscope. We demonstrate the possibility to precisely locate chlamydial effector proteins, such as CPAF or Cdu1, within and outside the chlamydial inclusion. Moreover, we show that expansion microscopy enables the investigation of bacteria, herein S. aureus, within LAMP1 and LC3-II vesicles. With the introduction of the unnatural α-NH2-ω-N3-C6-ceramide, we further present the first approach for the expansion of lipids that may also be suitable for far inaccessible molecule classes like carbohydrates. The efficient accumulation and high labeling density of our functionalized α-NH2-ω-N3-C6-ceramide in both cells and bacteria enables in combination with tenfold expansion nanoscale resolution (10-20 nm) of the interaction of proteins with the plasma membrane, membrane of organelles and bacteria. Ceramide is the central molecule of the sphingolipid metabolism, an important constituent of cellular membranes and regulates many important cellular processes such as differentiation, proliferation and apoptosis. Many studies report about the importance of sphingolipids during infection of various pathogens. While the transport of ceramide to Chlamydia has been reported earlier, one of the unanswered questions remaining was if ceramide forms parts of the outer or inner bacterial membrane. Expansion of α-NH2-ω-N3-C6-ceramide enabled the visualization of ceramide in the inner and outer membrane of C. trachomatis and their distance was determined to be 27.6 ± 7.7 nm. N2 - Aufgrund der Beugungseigenschaften des Lichtes wurde bereits 1873 durch Ernst Abbe für die Lichtmikroskopie eine theoretische Auflösungsgrenze von 200-250 nm definiert. Durch die Einführung verschiedener hochauflösender Mikroskopiemethoden, wie beispielsweise SIM-Mikroskopie (structured illumination microscopy), STED-Mikroskopie (stimulated emission depletion) und (d)STORM-Mikroskopie ((direct) stochastic optical reconstruction microscopy), konnte im letzten Jahrzehnt jedoch die Auflösung auf unter 100 nm verbessert werden. Allerdings benötigen solche Hochauflösungstechniken sowohl spezialisierte und kostenintensive Geräte als auch Expertenwissen zur Vermeidung von Artefakten, sodass diese nur in wenigen Laboren angewendet werden können. Ein alternativer Ansatz, die sogenannte Expansionsmikroskopie, wurde kürzlich von der Arbeitsgruppe um Ed Boyden etabliert. Hierbei wird eine Probe mit einem quellfähigen Gel vernetzt, welches daraufhin isotrop expandiert wird, sodass auch an konventionellen konfokalen Mikroskopen Hochauflösung ermöglicht wird. Seit ihrer Einführung im Jahre 2015 hat sich die Expansionsmikroskopie schnell entwickelt und bietet Protokolle für 4-fache, 10-fache oder sogar 20-fache Expansion von Proteinen als auch RNA in Zellen oder sogar komplexen Geweben. Mitochondrien besitzen zwei Membranen und sind für die Zelle von großer Bedeutung, da sie eine Vielzahl wichtiger Aufgaben übernehmen - von der ATP-Produktion durch die oxidative Phosphorylierung über die Produktion vieler wichtiger Metabolite bis hin zur Regulation zellulärer Signalwege. Die innere Mitochondrienmembran ist stark gefaltet und bildet Einstülpungen, die sogenannten Cristae, in welchen die oxidative Phosphorylierung und somit die Energieumwandlung und ATP-Synthese stattfindet. Morphologische Veränderungen der Cristae können sowohl beim Altern von Zellen, als auch bei verschiedenen Infektionen beobachtet werden und können darüber hinaus auch im Rahmen diverser Erkrankungen, wie beispielsweise Krebs, Diabetes oder neurodegenerativen Erkrankungen auftreten. Die Visualisierung der Cristae durch Fluoreszenzmikroskopie ist herausfordernd, da der Abstand zwischen einzelnen Cristae oftmals unter 100 nm beträgt. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Expression der mitochondrialen Kreatinkinase gekoppelt an das Fluoreszenzprotein GFP (MtCK-GFP) als Cristaemarker genutzt werden kann. In Kombination mit vierfacher Expansion ermöglicht unser Marker die Untersuchung morphologischer Veränderungen von Cristae, sowie die Lokalisierung mitochondrialer Proteine relativ zu den Cristae. Darüber hinaus wird im Rahmen dieser Arbeit die Anwendbarkeit der Expansionsmikroskopie für mehrere bakterielle Pathogene, und zwar Chlamydia trachomatis, Simkania negevensis, Neisseria gonorrhoeae und Staphylococcus aureus, gezeigt. Hierbei verdeutlichen wir wichtige Aspekte für den vollständigen Verdau unterschiedlicher bakterieller Zellwände und somit isotropen Expansion. Die Expansion der intrazellulären Pathogene C. trachomatis und S. negevensis ermöglichte es uns an konventionellen konfokalen Mikroskopen zwischen den zwei verschiedenen Entwicklungsstadien, der katabolisch aktiven Retikulärkörperchen (RBs) und der infektiösen Elementarkörperchen (EBs), zu unterscheiden. Außerdem konnte die Möglichkeit der präzisen Lokalisierung chlamydialer Proteine wie CPAF und Cdu1 innerhalb und außerhalb der chlamydialen Inklusion gezeigt werden und Bakterien, in diesem Fall S. aureus, in LAMP1 und LC3-II Vesikeln visualisiert werden. Mit der Einführung des unnatürlichen α-NH2-ω-N3-C6-Ceramides, präsentieren wir zudem ein erstes Konzept für die Expansion von Lipiden, welches möglicherweise auch für deutlich unzugänglichere Molekülklassen wie beispielsweise Kohlehydrate geeignet ist. Die effiziente Akkumulierung unseres funktionalisierten α-NH2-ω-N3-C6-Ceramides in Zellen sowie Bakterien ermöglicht in Kombination mit zehnfacher Expansion die Untersuchung der Interaktion von Proteinen mit der Zellmembran, Membranen von Organellen und Bakterien mit einer räumlichen Auflösung von 10-20 nm. Ceramid ist das zentrale Molekül des Sphingolipidstoffwechsels, ein wichtiger Baustein zellulärer Membrane und reguliert viele essentielle Prozesse wie die Zelldifferenzierung, die Proliferation als auch die Apoptose. Viele Studien berichten von der Bedeutung der Sphingolipide während der Infektion verschiedener Pathogene. So wurde beispielsweise zuvor berichtet, dass Ceramide aktiv zu Chlamydien transportiert und in deren Membranen eingebaut werden. Hierbei verblieb allerdings die Frage, ob Ceramide in der äußeren oder inneren bakteriellen Membran lokalisiert sind. Die Expansion unseres α-NH2-ω-N3-C6-Ceramides ermöglichte es uns Ceramide in der inneren und äußeren Membran von C. trachomatis zu visualisieren und den Abstand zwischen beiden Membranen auf 27.6 ± 7.7 nm zu bestimmen. KW - Fluoreszenzmikroskopie KW - Mitochondrium KW - Chlamydia trachomatis KW - Ceramide KW - Superresolution microscopy KW - Expansion microscopy KW - Mitochondria KW - Intracellular bacteria KW - Hochauflösungsmikroskopie KW - Expansionsmikroskopie KW - Mitochondrien KW - Intrazelluläre Bakterien Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-223330 ER - TY - JOUR A1 - Götz, Ralph A1 - Panzer, Sabine A1 - Trinks, Nora A1 - Eilts, Janna A1 - Wagener, Johannes A1 - Turrà, David A1 - Di Pietro, Antonio A1 - Sauer, Markus A1 - Terpitz, Ulrich T1 - Expansion Microscopy for Cell Biology Analysis in Fungi JF - Frontiers in Microbiology N2 - Super-resolution microscopy has evolved as a powerful method for subdiffraction-resolution fluorescence imaging of cells and cellular organelles, but requires sophisticated and expensive installations. Expansion microscopy (ExM), which is based on the physical expansion of the cellular structure of interest, provides a cheap alternative to bypass the diffraction limit and enable super-resolution imaging on a conventional fluorescence microscope. While ExM has shown impressive results for the magnified visualization of proteins and RNAs in cells and tissues, it has not yet been applied in fungi, mainly due to their complex cell wall. Here we developed a method that enables reliable isotropic expansion of ascomycetes and basidiomycetes upon treatment with cell wall degrading enzymes. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) and structured illumination microscopy (SIM) images of 4.5-fold expanded sporidia of Ustilago maydis expressing fluorescent fungal rhodopsins and hyphae of Fusarium oxysporum or Aspergillus fumigatus expressing either histone H1-mCherry together with Lifeact-sGFP or mRFP targeted to mitochondria, revealed details of subcellular structures with an estimated spatial resolution of around 30 nm. ExM is thus well suited for cell biology studies in fungi on conventional fluorescence microscopes. KW - Expansion microscopy KW - fluorescence microscopy KW - fungi KW - sporidia KW - hyphae Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-202569 SN - 1664-302X VL - 11 ER -