يتراكم الكينيسين-5 Cin8 الانقسامي ثنائي الاتجاه في مجموعات تنقسم وتندمج أثناء حركتها. التراكم في مجموعات يغير أيضا سرعة واتجاه Cin8. هنا ، يتم وصف بروتوكول لاختبارات الحركة مع Cin8-GFP المنقى وتحليل الخصائص المتحركة للجزيئات المفردة ومجموعات Cin8.
مقالة منهجية
يتراكم الكينيسين-5 Cin8 الانقسامي ثنائي الاتجاه في مجموعات تنقسم وتندمج أثناء حركتها. التراكم في مجموعات يغير أيضا سرعة واتجاه Cin8. هنا ، يتم وصف بروتوكول لاختبارات الحركة مع Cin8-GFP المنقى وتحليل الخصائص المتحركة للجزيئات المفردة ومجموعات Cin8.
تؤدي محركات كينيسين -5 ثنائية القطب الانقسامية وظائف أساسية في ديناميكيات المغزل. تظهر هذه المحركات بنية متجانسة رباعية مع زوجين من مجالات المحركات الحفازة ، وتقع في طرفي نقيض من المجمع النشط. تمكن هذه البنية الفريدة محركات kinesin-5 من الربط والانزلاق بعيدا عن الأنابيب الدقيقة المغزل المضادة للتوازي (MTs) ، وبالتالي توفير القوة الموجهة ظاهريا التي تفصل بين قطبي المغزل عن بعضهما البعض. في السابق ، كان يعتقد أن محركات kinesin-5 موجهة حصريا بالإضافة إلى النهاية. ومع ذلك ، كشفت الدراسات الحديثة أن العديد من محركات كينيسين 5 الفطرية موجهة ناقص النهاية على مستوى الجزيء الواحد ويمكنها تغيير الاتجاه في ظل ظروف تجريبية مختلفة. يعد Saccharomyces cerevisiae kinesin-5 Cin8 مثالا على هذا البروتين الحركي ثنائي الاتجاه: في ظروف القوة الأيونية العالية ، تتحرك جزيئات واحدة من Cin8 في اتجاه نهاية MTs ناقص. وتبين أيضا أن Cin8 تشكل مجموعات متحركة، في الغالب في الطرف الناقص من MTs، ويسمح هذا التجمع ل Cin8 بتبديل الاتجاه والخضوع لحركية بطيئة زائدة موجهة. توفر هذه المقالة بروتوكولا مفصلا لجميع خطوات العمل مع kinesin-5 Cin8 الموسوم ب GFP ، من الإفراط في التعبير عن البروتين في خلايا S. cerevisiae وتنقيته إلى فحص حركية جزيء واحد في المختبر . تساعد الطريقة المطورة حديثا الموصوفة هنا على التمييز بين الجزيئات المفردة ومجموعات Cin8 ، بناء على شدة التألق. تتيح هذه الطريقة تحليلا منفصلا لحركية الجزيئات المفردة ومجموعات Cin8 ، مما يوفر توصيف اعتماد حركية Cin8 على حجم عنقودها.
يتم توسط عدد كبير من أحداث الحركة داخل الخلايا حقيقية النواة من خلال وظيفة البروتينات الحركية الجزيئية. تتحرك هذه المحركات على طول خيوط الهيكل الخلوي ، وخيوط الأكتين ، والأنابيب الدقيقة (MTs) ، وتحول الطاقة الكيميائية للتحلل المائي ATP إلى قوى حركية وميكانيكية مطلوبة لدفع الحركة البيولوجية داخل الخلايا. S. cerevisiae Cin8 القائم على MT هو بروتين محرك كينيسين -5 ثنائي القطب ، متجانس ، يربط ويمرر MTs المغزل بعيداعن 1. يؤدي Cin8 وظائف أساسية أثناء الانقسام ، في تجميع المغزل2،3،4 واستطالة المغزل خلال الطور5،6،7. في السابق ، ثبت أن Cin8 هو محرك ثنائي الاتجاه ، يقوم بتبديل الاتجاه في ظل ظروف تجريبية مختلفة. على سبيل المثال ، في ظل ظروف القوة الأيونية العالية ، تتحرك محركات Cin8 المفردة نحو الطرف السفلي من MTs ، بينما في المجموعات ، في اختبارات MT المنزلقة متعددة المحركات ، وبين MTs المضادة للتوازي ، تتحرك محركات Cin8 بشكل أساسي نحو النهايات الإضافية ل MTs 8,9,10,11,12 . كانت هذه النتائج غير متوقعة للغاية لعدة أسباب. أولا ، يحمل Cin8 مجال محركه الحفاز عند المحطة الأمينية وكان يعتقد سابقا أن هذه المحركات موجهة حصريا بالإضافة إلى النهاية ، في حين تبين أن Cin8 موجهة إلى نهاية ناقصة على مستوى الجزيء الواحد. ثانيا، كان يعتقد أن محركات كينيسين أحادية الاتجاه، إما ناقصة النهاية أو زائدة التوجيه، في حين تبين أن Cin8 ثنائي الاتجاه، اعتمادا على الظروف التجريبية. أخيرا ، بسبب اتجاه MT في المغزل الانقسامي ، لا يمكن تفسير الدور الكلاسيكي لمحركات kinesin-5 في فصل أقطاب المغزل أثناء تجميع المغزل و anaphase B إلا من خلال حركتها الموجهة ذات النهاية الإضافية على MTs التي تتقاطع معها 1,13. بعد التقارير الأولى عن ثنائية الاتجاه ل Cin8 ، ثبت أن بعض محركات كينيسين الأخرى ثنائية الاتجاه14،15،16 ، مما يشير إلى أن الحركة ثنائية الاتجاه لمحركات كينيسين قد تكون أكثر شيوعا مما كان يعتقد سابقا.
وقد أفيد سابقا أنه في الخلايا ، يتحرك Cin8 أيضا بطريقة ثنائية الاتجاه8 ، مما يدعم فكرة أن الحركة ثنائية الاتجاه لبعض محركات kinesin-5 مهمة لوظائفها داخل الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن محركات kinesin-5 الثلاثة التي تم الإبلاغ عنها على أنها ثنائية الاتجاه هي من خلايا فطرية ، فقد تم مؤخرا اقتراح دور محتمل لمحركات kinesin-5 ثنائية الاتجاه في هذه الخلايا10. وفقا لهذا النموذج ، في الانقسام المغلق للخلايا الفطرية ، حيث لا ينهار المغلف النووي أثناء الانقسام ، توفر محركات kinesin-5 القوة الأولية التي تفصل قطبي المغزل قبل تجميع المغزل. لأداء هذه المهمة ، قبل فصل قطب المغزل ، تتمركز محركات kinesin-5 بالقرب من أقطاب المغزل ، من خلال حركتها الموجهة ذات النهاية الناقصة على MTs نووية واحدة. بمجرد الوصول إلى هذا الموضع ، تتجمع محركات kinesin-5 ، وتحول الاتجاه ، وتلتقط ، وتتقاطع مع MTs من أقطاب المغزل المجاورة. في وقت لاحق ، توفر محركات kinesin-5 الفصل الأولي للأقطاب عن طريق الحركة الموجهة زائد النهاية على MTs التي تتقاطع معها. من خلال هذا النموذج، يلزم وجود حركية موجهة ناقصة النهاية على MTs مفردة وحركية موجهة زائد النهاية على MTs متقاطعة أثناء الانزلاق المضاد للتوازي لمحركات kinesin-5 الفطرية لأداء أدوارها في تجميع المغزل 1,13.
الهدف العام من الطريقة الموصوفة هو الحصول على كينيسين الفطرية عالية النقاء الموسومة ب GFP-5 Cin8 وإجراء اختبارات حركية جزيء واحد (الشكل 1) مع تحليل حركية الجزيئات المفردة ومجموعات Cin8 بشكل منفصل. الفصل بين الجزيئات المفردة والعناقيد مهم لأن أحد العوامل التي ثبت أنها تؤثر على اتجاه Cin8 هو تراكمه في مجموعات على MTs10,12. لا توفر مقايسات الحركة البديلة ، مثل انزلاق سطح MT ومقايسات انزلاق MT معلومات تتعلق بنشاط البروتينات ذات المحرك الواحد17,18. تم تطبيق طرق فحص وتحليل حركية الجزيء الواحد القوية الموصوفة هنا بنجاح لتوصيف جوانب مختلفة من محركات كينيسين-5 ، Cin8 و Kip1 10،11،12،14،19،20.
هنا ، يتم تقديم بروتوكول مفصل للإفراط في التعبير والتنقية Cin8 ، وبلمرة MTs ، وفحص حركية الجزيء الواحد. وعلاوة على ذلك، فإن التحليلات الرامية إلى التمييز بين الجزيئات المفردة ومجموعات Cin8، وتحديد السرعات الحركية والعنقودية المفردة عن طريق تحليل متوسط الإزاحة (MD) ومتوسط الإزاحة المربعة (MSD). يهدف هذا البروتوكول إلى مساعدة الباحثين على تصور جميع خطوات الإجراءات والمساعدة في استكشاف أخطاء هذا النوع من المقايسات وإصلاحها.

الشكل 1: التمثيل التخطيطي لفحص حركية الجزيء الواحد. يتم توصيل MTs الفلورسنت البيوتينيل بالسطح الزجاجي ، المطلي ب Avidin الذي يتفاعل مع البيوتينيل BSA المرتبط بالسطح. يمثل السهم الأخضر اتجاه حركة جزيئات Cin8 المفردة في ظل ظروف القوة الأيونية العالية. +/- تمثل قطبية MT. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. إعداد المخازن المؤقتة والكواشف
| حجم | رصيد | اسم الكاشف |
| 50 ميكرولتر | 2X | ميغابايت (من الخطوة 1.3.1) |
| 40 ميكرولتر | - | تي دي دبليو |
| 1 ميكرولتر | 100 مللي متر | رابطة محترفي التنس |
| 1 ميكرولتر | 200 مللي متر | مج كل2 |
| 2 ميكرولتر | 5 ملغم/مل | الكازين |
| 1 ميكرولتر | 1 م | الجلوكوز |
| 1 ميكرولتر | 1 م | دي تي تي |
| 1 ميكرولتر | 10 ملغم/مل | أوكسيديز الجلوكوز |
| 1 ميكرولتر | 8 ملغم/مل | كاتالاز |
| 1 ميكرولتر | 1 م | فوسفوكرياتين |
| 1 ميكرولتر | 5 ملغم/مل | الكرياتين فوسفوكيناز |
| 100 ميكرولتر | مجموع |
الجدول 1.
2. Cin8 الإفراط في التعبير والتنقية من خلايا S. cerevisiae

الشكل 2: تنقية Cin8-GFP. (أ) كروماتوجرام استبعاد الحجم من Ni-NTA تنقية Cin8-GFP ، مع الكشف المستمر عن التألق GFP من خلال إثارة 488 نانومتر وانبعاث عند ~ 510 نانومتر. يضعف رباعي Cin8-GFP عند ~ 10 مل من عمود SEC (المميز بسهم). (ب) هلام SDS-PAGE الملطخ بالكوماسي (أعلى) و α-GFP الغربية (أسفل) من كسور Cin8-GFP المأخوذة من SEC. العينات الموجودة في الممرات هي كما يلي: M - علامة الوزن الجزيئي ، Ni2 + - Ni-NTA عينة Cin8-GFP النقية التي يتم تحميلها في عمود SEC ، كسور GF: الكسر المقابل لاستخراج Cin8-GFP SEC كما هو موضح في اللوحة A. يشير السهم الموجود على اليمين إلى حجم مونومر Cin8-GFP (متوقع في SDS-PAGE). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
3. فحص حركية جزيء واحد مع Cin8 النقي

الشكل 3: MTs و MT المرتبطة Cin8-GFP. (A) صور من حقلين (يسار ويمين) ل MTs مبلمرة وفقا للبروتوكول الموضح في الخطوة 3.1 وصورت بهدف 100x كما هو موضح في الخطوة 3.4. (ب) صور من حقلين (يسار ويمين) ل Cin8-GFP (لوحات سفلية، معلمة بأسهم) متصلة ب MT الموضحة في اللوحات العلوية. شريط المقياس: 4 ميكرومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
4. تحليل الحركة
ملاحظة: قم بإجراء جميع تحليلات الصور وإنشاء kymographs باستخدام برنامج ImageJ-Fiji.

الشكل 4: ملف تعريف التبييض Cin8-GFP وتوزيع الكثافة. (أ) التبييض الضوئي ل GFP في أربعة محركات Cin8-GFP مختلفة. تؤدي خطوات التبييض الضوئي المفردة ، التي من المحتمل أن تمثل كل منها التبييض الضوئي ل GFP واحد ، إلى انخفاض في شدة التألق ~ 50 a.u. (B) توزيع كثافة محركات Cin8-GFP في الإطار الأول من تسلسل الفاصل الزمني (inset). تمثل الذروة الغاوسية (الزرقاء) المتمركزة عند ~ 125 a.u جزيئات Cin8-GFP المفردة. تظهر هذه الذروة متوسط كثافة رباعي Cin8 واحد مع واحد أو اثنين أو ثلاثة أو أربعة جزيئات GFP الفلورية ، مع مساهمة كل جزيء GFP ~ 50 a.u. في الكثافة الكلية (أي (50 + 100 + 150 + 200) / 4 = 125). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تهدف التجربة إلى التحقيق في خصائص الحركة لبروتين المحرك ثنائي الاتجاه Cin8 بأحجام عنقودية مختلفة على MTs مفردة. الحركة التمثيلية ل Cin8-GFP واضحة أيضا من الكيموغراف في الشكل 5A ، حيث يتم عرض الموقع المكاني للمحرك بمرور الوقت.
لتحليل الخصائص المتحركة ل Cin8-GFP ، أولا ، يتم تعيين حجم الكتلة (الخطوة 4.3) لكل جسيم Cin8-GFP متحرك متصل ب MT ، ثم يتم تتبع موضع جسيمات Cin8 التي تم فحصها كدالة للوقت (الخطوة 4.4). بالنسبة لكل فئة من فئات حجم الكتلة ، تم استخراج >40 مسار...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
في هذا العمل ، يتم تقديم بروتوكول لفحص حركية جزيء واحد مع kinesin-5 Cin8 ثنائي الاتجاه وتحليل الحركة. تم تنقية Cin818 كامل الطول بما في ذلك إشارة التوطين النووي الأصلية (NLS) في المحطة C من المضيف الأصلي S. cerevisiae. نظرا لأن Cin8 هو بروتين محرك نووي ، فقد وجد أن طحن خلايا S. cerevisiae تحت النيتروجين السائل هو الطريقة الأكثر فعالية لتحلل الخلايا. بعد التحلل ، من خلال الجمع بين تقارب المعادن وكروماتوغرافيا استبعاد الحجم ، يتم الحصول على Cin8 عالي النقاء ، وهو أمر مهم لاختبارات ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
وليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.
تم دعم هذا البحث جزئيا من خلال منحة مؤسسة العلوم الإسرائيلية (ISF-386/18) ومنحة مؤسسة العلوم الإسرائيلية ثنائية القومية (BSF-2019008) ، الممنوحة ل L.G.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| الأدينين | فورميديوم | DOC0230 | |
| ATP | سيجما | A7699 | |
| البيوتينيل-BSA | سيجما | A8549 | |
| الكازين | سيجما | C7078 | |
| كاتالاز (C40) | سيجما | C40 | |
| الكرياتين كيناز | سيجما | C3755 | |
| ديثيوثريتول (DTT) | سيجما | D0632 | |
| EDTA | Sigma | E5134 | |
| EGTA | Sigma | E4378 | |
| مجموعة مرشح مضان ل GFP | Chroma | 49002: ET-EGFP (FITC / Cy2) | |
| مجموعة مرشح مضان ل Rhodamine | Chroma | 49004: ET-CY3 / TRITC | |
| مجهر مقلوب | Zeiss | Axiovert 200M | |
| Galactose | Tivan Biotech | GAL02 | |
| Glucose | Sigma | G8270 | |
| Glucose Oxidase | Sigma | G7141 | |
| Glycerol | Sigma | G5516 | |
| GlycylGlycine | Merck | G0674 | |
| GMPCPP | Jana Bioscience | Nu-405L | |
| GTB | الهيكل | الخلويBST01-010 | |
| GTP | Sigma | G8877 | |
| Histidine | Duchefa Biochemie | H0710.0100 | |
| برنامج ImageJ-FIJI | https://imagej.net/plugins/trackmate/ | الإصدار 2.1.0 / 1.53c ؛ Java 1.8.0_172 [64 بت] لنظام التشغيل Windows 10 | |
| Imidazole | Sigma | I0125 | |
| InstantBlue Coomassie Protein Stain | Abcam | ab119211 | |
| Lens | Zeiss | 100x / 1.4 زيت DIC الهدف | |
| Lysine | FORMEDIUM | DOC0161 | |
| كلوريد المغنيسيوم | Sigma | M8266 | |
| الميثيونين | Duchefa Biochemie | M0715.0100 | |
| Neo | Andor Technologies | sCMOS كاميرا | |
| NeutraAvidin | Life | A2666 | |
| Ni-NTA Agarose | Invitrogen | R901-15 | |
| Phospho-Creatine | Sigma | P1937 | |
| Pipes | Sigma | P1851 | |
| حمض البلورونيك F-127 (بولوكسامير) | Sigma | P2443 | |
| كلوريد البوتاسيوم | Sigma | P9541 | |
| Raffinose | Tivan Biotech | RAF01 | |
| حجم استبعاد الكروماتوغرافيا INTUMENT | GE Healthcare | AKTA مقياس | |
| ThermoFisher Scientific | NanoDrop | ||
| Superose-6 10/300 GL | GE Healthcare | 17-5172-01 | |
| تريس | روش | 10708976001 | |
| تريتون X-100 | سيجما | T8787 | |
| التربتوفان | دوشيفا الكيمياء الحيوية | T0720.0100 | |
| بروتين التوبولين | الهيكل الخلوي | T240 | |
| توبولين ، | الهيكل الخلوي | T333P | |
| توبولين ، الهيكل الخلوي TRITC Rhodamine | TL530M | ||
| Uracil | Sigma | U0750-100G | |
| قاعدة نيتروجين الخميرة | FORMEDIUM | CYN0401S | |
| & alpha - GFP الجسم المضاد | سانتا كروز التكنولوجيا الحيوية | SC8036 | |
| & بيتا ؛ -mercaptoethanol | Sigma | M3148 |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذنAn erratum was issued for: Motility of Single Molecules and Clusters of Bi-directional Kinesin-5 Cin8 Purified from S. cerevisiae Cells. The Authors section was updated.
One of the author names was updated from:
Roy Abraham
to:
Roy Avraham