МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ВИРУС-КЛЕТКА: ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И ПРОБЛЕМ



Цитировать

Полный текст

Аннотация

Резюме

Знание взаимодействия вируса и клетки-хозяина имеет решающее значение для разработки противовирусных терапий и вакцин. Из-за своего наномасштабного размера и динамической природы вирусы являются сложными объектами для исследования. Характеризация вирусов при помощи визуализация вирусных структур, внутриклеточного вирусного трафика и молекулярных механизмов инфекции, в значительной степени опиралась на сложные технологические подходы. Классическая световая микроскопия, такая как флуоресцентная микроскопия и микроскопия сверхвысокого разрешения, предоставляет информацию о проникновении вируса, репликации и локализации белка в живых клетках. Методы электронной микроскопии (ЭМ), такие как просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ), предоставляют структурные данные высокого разрешения о вирусах и их репликационных компартментах [53]. Достижения в области корреляционных методов визуализации, которые включают световую и электронную микроскопию, улучшили возможность изучать вызванные вирусом клеточные изменения в трех измерениях. Но по сравнению с более ранними разработками, визуализация вирусов остается сложной из-за компромисса между разрешением и подготовкой образцов, ограничений в методах маркировки, проблемы визуализации быстрых взаимодействий вируса с хозяином и ограничения биологической безопасности для высокопатогенных вирусов [10]. Решения таких проблем будут предоставлены с помощью новых методов, таких как анализ изображений на основе ИИ, зондов для визуализации на основе нанотехнологий и криоэлектронной томографии. В настоящем обзоре рассматриваются современные методы визуализации в вирусологии, их применимость и ограничения, а также будущие перспективы с акцентом на микроскопию для распознавания взаимодействия вирусов с клетками [51].

Об авторах

Санджив Кумар Джайн

TMMC & RC, Морадабад, UP, Индия

Email: jainsanjeevkumar77@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9609-5950

врач, профессор, кафедра анатомии, TMMC & RC, Морадабад, UP

Россия

Судхир Сингх

TMMC & RC, Морадабад, UP, Индия

Email: singhdrsudhir4@gmail.com

врач, профессор, кафедра микробиологии, TMMC & RC, Морадабад, UP

Индия

Соника Шарма

TMMC & RC, Морадабад, UP, Индия

Email: soniyasharma19922@gmail.com

доктор философии, доцент, кафедра анатомии, TMMC & RC, Морадабад, UP

Индия

Д-р Васундхара

TMMC & RC, Морадабад, UP, Индия

Автор, ответственный за переписку.
Email: vasu257@gmail.com

врач, профессор, кафедра микробиологии, TMMC & RC, Морадабад, UP

Индия

Список литературы

  1. A Nickerson, Huang T, Lin LJ, Nan X. Photoactivated Localization Microscopy with Bimolecular Fluorescence Complementation
  2. J Vis Exp. 2015 Dec 22;(106):e53154 doi: 10.3791/53154. PMID: 26779930; PMCID: PMC4758764.
  3. Bernhard OK, Diefenbach RJ, Cunningham AL. New insights into viral structure and virus-cell interactions through proteomics. Expert Rev Proteomics. 2005 Aug;2(4):577-88. doi: 10.1586/14789450.2.4.577. PMID: 16097890.
  4. Bykov YS, Cortese M, Briggs JAG, Bartenschlager R. Correlative light and electron microscopy methods for the study of virus–cell interactions. FEBS Lett. 2016 Jul;590(13):1877–95. doi: 10.1002/1873-3468.12153
  5. Chen T, Tu S, Ding L, Jin M, Chen H, Zhou H. The role of autophagy in viral infections. J Biomed Sci. 2023 Jan 18;30(1):5. doi: 10.1186/s12929-023-00899-2. PMID: 36653801; PMCID: PMC9846652.
  6. Cole R.
  7. doi: 10.4161/cam.28348 Live-cell imaging. Cell Adh Migr. 2014 Sep;8(5):452–9. doi: 10.4161/cam.28348
  8. Cornish NE, Anderson NL, Arambula DG, Arduino MJ, Bryan A, Burton NC, et.al Clinical Laboratory Biosafety Gaps: Lessons Learned from Past Outbreaks Reveal a Path to a Safer Future. Clin Microbiol Rev. 2021 Jun 16;34(3):e0012618. doi: 10.1128/CMR.00126-18. Epub 2021 Jun 9. PMID: 34105993; PMCID: PMC8262806
  9. Cuervo AM, Knecht E, Terlecky SR, Dice JF. Activation of a selective pathway of lysosomal proteolysis in rat liver by prolonged starvation. Am J Physiol. 1995;269(5 Pt 1):C1200. doi: 10.1152/ajpcell.1995.269.5.c1200
  10. DiGiuseppe S, Bienkowska-Haba M, Sapp M. Human Papillomavirus Entry: Hiding in a Bubble. J Virol. 2016 Sep;90(18):8032–5. doi: 10.1128/JVI.01065-16
  11. Dimitrov DS. Virus entry: molecular mechanisms and biomedical applications. Nat Rev Microbiol. 2004 Feb;2(2):109–22. doi: 10.1038/nrmicro817
  12. Dobbie IM. Bridging the resolution gap: correlative super-resolution imaging. Nat Rev Microbiol. 2019 Jun;17(6):337. Bridging the resolution gap: correlative super-resolution imaging. Nat Rev Microbiol. 2019 Jun;17(6):337.
  13. Earl LA, Falconieri V, Milne JL, Subramaniam S. Cryo-EM: Beyond the microscope. Curr Opin Struct Biol. 2017 Oct;46:71–8. doi: 10.1016/j.sbi.2017.06.002
  14. Ettinger A, Wittmann T. Fluorescence live cell imaging. Methods Cell Biol. 2014;123:77–94. doi: 10.1016/B978-0-12-420138-5.00005-7
  15. Fish KN. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. Curr Protoc Cytom. 2009 Oct;50(1):12.18.1–13. doi: 10.1002/0471142956.cy1218s50
  16. Giacomelli G. Spatiotemporal localization of proteins in microorganisms via photoactivated localization microscopy. 2021;4(6):2-13 doi: 10.5282/edoc.27360
  17. Haase A, Brahic M, Stowring L, Blum H. Detection of viral nucleic acids by in situ hybridization. In: Methods in Virology. Vol. 7. New York: Academic Press; 1984. p. 189–226.
  18. doi: 10.1016/B978 0 12 470207 3.50013 9.
  19. Hell SW, Wichmann J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. Opt Lett. 1994 Jun;19(11):780. doi: 10.1364/OL.19.000780
  20. Hermann R, Walther P, Müller M. doi: 10.1007/BF02473200
  21. Immunogold labeling in scanning electron microscopy. Histochem Cell Biol. 1996;106(1):31–9. doi: 10.1007/BF02473200
  22. Hess ST, Girirajan TPK, Mason MD. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys J. 2006;91(11):4258–72. doi: 10.1529/biophysj.106.091116
  23. Hlawacek G, Veligura V, van Gastel R, Poelsema B. Helium ion microscopy. J Vac Sci Technol B. 2014 Mar;32(2). doi: 10.1116/1.4863676
  24. Hoenen T, Groseth A. Virus–Host Cell Interactions. Cells. 2022 Feb;11(5):804. doi: 10.3390/cells11050804
  25. Jensen E, Crossman DJ. Technical review: Types of imaging—Direct STORM. Anat Rec. 2014 Dec;297(12):2227–31. doi: 10.1002/ar.22960
  26. Johnson DS, Jaiswal JK, Simon S. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy illuminator for improved imaging of cell surface events. Curr Protoc Cytom. 2012 Jul;61(1):12.29.1–19. doi: 10.1002/0471142956.cy1229s61
  27. Junod SL, Saredy J, Yang W. Nuclear import of adeno-associated viruses imaged by high-speed single-molecule microscopy. Viruses. 2021 Jan;13(2):167. doi: 10.3390/v13020167
  28. Laue M. Electron Microscopy of Viruses. Methods Cell Biol. 2010;96:1–20. doi: 10.1016/S0091-679X(10)96001-9
  29. Levsky JM, Singer RH. Fluorescence in situ hybridization: past, present and future. J Cell Sci. 2003 Jul 15;116(Pt 14):2833-8. doi: 10.1242/jcs.00633. PMID: 12808017.
  30. Lichtman JW, Conchello JA.
  31. Fluorescence microscopy. Nat Methods. 2005 Nov;2(12):910–9. doi: 10.1038/nmeth817
  32. Lu M. Single-molecule FRET imaging of virus spike–host interactions. Viruses. 2021;13(2):332. doi: 10.3390/v13020332
  33. Lucic V, Leis A, Baumeister W. . Cryo-electron tomography of cells: Connecting structure and function. Histochem Cell Biol. 2008 Aug;130(2):185–96. doi: 10.1007/s00418-008-0459-y
  34. McClelland RD, Culp TN, Marchant DJ. Imaging Flow Cytometry and Confocal Immunofluorescence Microscopy of Virus-Host Cell Interactions. Front Cell Infect Microbiol. 2021 Oct;11:749039. doi: 10.3389/fcimb.2021.749039
  35. Mohammed A, Abdullah A. Scanning electron microscopy (SEM): A review.
  36. Mukherjee S, Boutant E, Réal E, Mély Y, Anton H.
  37. Imaging viral infection by fluorescence microscopy: Focus on HIV-1 early stage. Viruses. 2021 Jan;13(2):213. doi: 10.3390/v13020213
  38. Murphy DB. Digital light microscopy techniques for the study. In: Murphy DB, editor. Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging. New York: Wiley-Liss; 1999. p. 1–32.
  40. Müller T, Schumann C, Kraegeloh A. STED Microscopy and its Applications: New Insights into Cellular Processes on the Nanoscale. ChemPhysChem. 2012 Jun;13(8):1986–2000. doi: 10.1002/cphc.201100986
  41. Müller TG, Sakin V, Müller B. A Spotlight on Viruses—Application of Click Chemistry to Visualize Virus-Cell Interactions. Molecules. 2019 Jan;24(3):481. doi: 10.3390/molecules24030481
  42. Nickerson A, Huang T, Lin LJ, Nan X.
  43. Photoactivated localization microscopy with bimolecular fluorescence complementation (BiFC-PALM). J Vis Exp. 2015 Dec;(106):e53154. doi: 10.3791/53154
  44. Parveen N, Borrenberghs D, Rocha S, Hendrix J. Single viruses on the fluorescence microscope: Imaging molecular mobility, interactions and structure sheds new light on viral replication. Viruses. 2018 May;10(5):250. doi: 10.3390/v10050250
  45. Payne S. Virus Interactions With the Cell. In: Viruses. 2017. p. 23. doi: 10.1016/B978-0-12-803109-4.00003-9
  46. Peddie CJ, Genoud C, Kreshuk A, Meechan K, Micheva KD, Narayan K et.al Volume electron microscopy. Nat Rev Methods Primers. 2022 Jul 7;2:51. Volume electron microscopy. Nat Rev Methods Primers. 2022 Jul 7;2:51.
  47. Rajcani J. Molecular mechanisms of virus spread and virion components as tools of virulence: A review. Acta Microbiol Immunol Hung. 2003;50(4):407–31. doi: 10.1556/AMicr.50.2003.4.8
  48. Razi M, Tooze SA. Chapter 17 Correlative light and electron microscopy. Methods Enzymol. 2009;452:261–75. doi: 10.1016/S0076-6879(08)03617-3
  49. Richert-Pöggeler KR, Franzke K, Hipp K, Kleespies RG. Electron microscopy methods for virus diagnosis and high resolution analysis of viruses. Front Microbiol. 2019 Jan;10:421852. doi: 10.3389/fmicb.2018.03255
  50. Risco C. Application of Advanced Imaging to the Study of Virus-Host Interactions. Viruses. 2021 Sep 29;13(10):1958. doi: 10.3390/v13101958. PMID: 34696388; PMCID: PMC8541363.
  51. Robb NC. Virus morphology: Insights from super-resolution fluorescence microscopy. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2022 Apr;1868(4):166347. doi: 10.1016/j.bbadis.2022.166347
  52. Rust MJ, Bates M, Zhuang X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat Methods. 2006 Oct;3(10):793–5. doi: 10.1038/nmeth929
  53. Ryan J, Gerhold AR, Boudreau V, Smith L, Maddox PS. Introduction to modern methods in light microscopy. Methods Mol Biol. 2017;1563:1–15. doi: 10.1007/978-1-4939-6810-7_1
  54. Saffarian S. Application of advanced light microscopy to the study of HIV and its interactions with the host. Viruses. 2021 Feb;13(2):223. doi: 10.3390/v13020223
  55. Saibil H, White N.
  56. Recent advances in biological imaging. Biosci Rep. 1989 Aug;9(4):437–49. doi: 10.1007/BF01117046
  57. Sakin V, Paci G, Lemke EA, Müller B. Lemke EA, Müller B. Labeling of virus components for advanced, quantitative imaging analyses. FEBS Lett. 2016 Jul;590(13):1896-914. doi: 10.1002/1873-3468.12131. Epub 2016 May 24. PMID: 26987299.
  58. Salpeter MM, McHenry FA
  59. Electron microscope autoradiography. Adv Tech Biol Electron Microsc. 1973;113–52.
  60. doi: 10.1002/1873-3468.12131. Epub 2016 May 24. PMID: 26987299.
  61. Sanderson MJ, Smith I, Parker I, Bootman MD. Fluorescence microscopy. Cold Spring Harb Protoc. 2014 Oct;2014(10):071-795. doi: 10.1101/pdb.top071795
  62. Santarella-Mellwig R, et al. Correlative Light Electron Microscopy (CLEM) for Tracking and Imaging Viral Protein Associated Structures in Cryo-immobilized Cells. J Vis Exp. 2018 Sep;(139):e58-154. doi: 10.3791/58154
  63. doi: 10.3791/58154
  64. Schmidt M, Byrne JM, Maasilta IJ. . Bio-imaging with the helium-ion microscope: A review. Beilstein J Nanotechnol. 2021 Jan;12:1–23. doi: 10.3762/bjnano.12.1
  65. Schnell U, Dijk F, Sjollema KA, Giepmans BNG. Immunolabeling artifacts and the need for live-cell imaging. Nat Methods. 2012 Feb;9(2):152–8. doi: 10.1038/nmeth.1855
  66. Shotton DM. Video-enhanced light microscopy and its applications in cell biology. J Cell Sci. 1988;89(Pt 2):129–50. doi: 10.1242/jcs.89.2.129
  67. Stewart PL, Dermody TS, Nemerow GR. Structural basis of nonenveloped virus cell entry. Adv Protein Chem. 2003;64:455–91.
  68. doi: 10.1016/S0065-3233(03)01013-1
  69. Sun E, He J, Zhuang X. Live cell imaging of viral entry. Curr Opin Virol. 2013 Feb;3(1):34–43. doi: 10.1016/j.coviro.2013.01.005
  70. Sung MH, McNally JG. Live cell imaging and systems biology. Wiley Interdiscip Rev Syst Biol Med. 2011 Mar;3(2):167–82. doi: 10.1002/wsbm.108
  71. Tam J, Merino D. Stochastic optical reconstruction microscopy (STORM) in comparison with stimulated emission depletion (STED) and other imaging methods. J Neurochem. 2015 Nov;135(4):643–58. doi: 10.1111/jnc.13257
  72. Tang CY, Yang Z.
  73. Transmission electron microscopy (TEM). In: Membrane Characterization. 2017. p. 145–59. doi: 10.1016/B978-0-444-63776-5.00008-5
  74. Timmermans FJ, Otto C. Contributed review: Review of integrated correlative light and electron microscopy. Rev Sci Instrum. 2015 Jan;86(1). doi: 10.1063/1.4905434
  75. Trache A, Meininger GA. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. Curr Protoc Microbiol. 2008 Aug;10(1):2A.2.1–22. doi: 10.1002/9780471729259.mc02a02s10
  76. Turk M, Baumeister W. The promise and the challenges of cryo-electron tomography. FEBS Lett. 2020 Oct;594(20):3243–61. doi: 10.1002/1873-3468.13948
  77. Van den Dries K, Fransen J, Cambi A. Fluorescence CLEM in biology: historic developments and current super-resolution applications. FEBS Lett. 2022 Oct;596(19):2486–96. doi: 10.1002/1873-3468.14421
  78. doi: 10.1002/1873-3468.14421
  79. Vicidomini G, Bianchini P, Diaspro A. STED super-resolved microscopy. Nat Methods. 2018 Mar;15(3):173–82. doi: 10.1038/nmeth.4593
  80. Wang IH, Burckhardt CJ, Yakimovich A, Greber UF. Imaging, Tracking and Computational Analyses of Virus Entry and Egress with the Cytoskeleton. Viruses. 2018 Mar 31;10(4):166 doi: 10.3390/v10040166. PMID: 29614729; PMCID: PMC5923460.
  81. Wirtz T, De Castro O, Audinot JN, Philipp P. Imaging and analytics on the helium ion microscope. Annu Rev Anal Chem. 2019 Jun;12:523–43.
  82. doi: 10.1146/annurev-anchem-061318-115457
  83. Witte R, Andriasyan V, Georgi F, Yakimovich A, Greber UF. Concepts in Light Microscopy of Viruses. Viruses. 2018 Apr 18;10(4):202. doi: 10.3390/v10040202. PMID: 29670029; PMCID: PMC5923496.
  84. Wolff G, Bárcena M. Multiscale electron microscopy for the study of viral replication organelles. Viruses. 2021 Feb;13(2):197. doi: 10.3390/v13020197
  85. Xu CS, et al. Enhanced FIB-SEM systems for large-volume 3D imaging. Elife. 2017 May;6:e25916. doi: 10.7554/elife.25916
  86. Yi H, et al. Native immunogold labeling of cell surface proteins and viral glycoproteins for cryo-electron microscopy and cryo-electron tomography applications. J Histochem Cytochem. 2015 Oct;63(10):780–92. doi: 10.1369/0022155415593323
  87. Zhong H. Photoactivated localization microscopy (PALM): An optical technique for achieving ~10-nm resolution. Cold Spring Harb Protoc. 2010 Dec;2010(12):pdb.top91. doi: 10.1101/pdb.top91
  88. Zhou W, Apkarian R, Wang ZL, Joy D. Fundamentals of scanning electron microscopy (SEM). In: Scanning Microscopy for Nanotechnology: Techniques and Applications. 2006. p. 1–40. doi: 10.1007/978-0-387-39620-0_1

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Jain S., singh s., sharma s.,

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 64788 от 02.02.2016.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах