微管是本质上不稳定的多聚体,其在生长与缩短状态之间的转换具有随机性且难以控制。本文描述了使用带有可光解稳定帽的节段化微管的实验方案。通过该方法,可实现对节段化微管去聚合过程的高时间与空间分辨率触发,从而有助于分析微管解聚末端所驱动的运动过程。
方法文章
微管是本质上不稳定的多聚体,其在生长与缩短状态之间的转换具有随机性且难以控制。本文描述了使用带有可光解稳定帽的节段化微管的实验方案。通过该方法,可实现对节段化微管去聚合过程的高时间与空间分辨率触发,从而有助于分析微管解聚末端所驱动的运动过程。
微管去聚合可提供驱动力,用于运输不同的蛋白质复合物及蛋白质包被的微珠 体外其潜在机制被认为在细胞分裂过程中依赖微管的染色体运动中起关键作用,但相关蛋白质及其确切功能尚不明确。因此,迫切需要开发可用于研究此类运动的实验方法。 体外 使用纯化的组分和明确的生化环境。然而,微管本质上是不稳定的多聚体,其在生长与缩短状态之间的转换具有随机性且难以控制。本文所述的实验方案利用了带有光可消融稳定帽的节段化微管。此类节段化微管的去聚合可被高时间和空间分辨率地触发,从而有助于对微管解聚末端的运动行为进行研究。该技术可用于对荧光标记的蛋白质复合物中分子数量进行定量分析,这些复合物可随着动态微管末端持续移动。为了优化本实验及其他定量荧光检测中的信噪比,应处理盖玻片以减少可溶性荧光标记蛋白的非特异性吸附。文中提供了详细方案,以校正荧光照明不均的问题,并通过等距高斯拟合确定单个荧光分子的强度。最后,我们描述了利用节段化微管研究蛋白包被微珠沿微管依赖性运动的方法,从而揭示不同马达蛋白和非马达蛋白将微管去聚合过程与货物持续运动相偶联的能力。
微管是高度保守的细胞骨架结构,在细胞形态维持、细胞运动、细胞分裂和细胞内运输中具有重要作用1这些动态聚合物在GTP存在下由微管蛋白组装而成,并能自发地在生长与缩短状态之间转换2微管非常纤细(直径仅为25 nm),因此需采用特殊的光学技术增强对比度,才能在光学显微镜下观察到微管。以往对这些聚合物的研究利用微分干涉差(DIC)技术来观察其动态行为。3。此类研究及其他类似研究 体外 结果显示,在典型的实验条件下,微管发生灾变并转为去聚合的情况很少见,每5-15分钟发生一次(该频率对应于在28-32 °C下检测的7-15 mM可溶性微管蛋白浓度)4因此,已有多种技术被提出,以可控的方式诱导微管去聚合。通过洗去可溶性微管蛋白,可触发微管缩短5,6,使用激光束切割微管7,或使用片段化的微管8,如本文所述。先前利用被分割的微管以及随机切换状态的聚合物进行的研究发现,较小的细胞内货物(如染色体、囊泡和蛋白质包被的微珠)可在微管缩短的末端发生移动9-13这一现象被认为对有丝分裂细胞中的染色体运动具有直接影响,其潜在机制目前正处于积极研究之中14-16.
近年来,基于荧光的技术(包括全内反射荧光显微镜,TIRF)已被用于研究与动态微管末端相关的运动性17-24该方法的优势在于能够利用不同荧光染料标记的蛋白质,实时观察微管与微管结合蛋白之间的相互作用。研究发现,多种蛋白复合物可随着延伸和/或缩短的微管末端进行持续性移动,其中包括微管相关蛋白Dam110,12,18Ska119,以及 XMAP21520,以及驱动蛋白马达Kif18A21,22,MCAK23 和 CENP-E24这些蛋白质表现出具有持续性的尖端追踪行为,这与经典的尖端追踪蛋白(如 EB1)的追踪方式在本质上不同。25尽管EB1分子及其相关伙伴似乎稳定地与动态微管末端结合,但单个分子与微管尖端的结合时间仅为约0.8秒,随后迅速与可溶性分子库进行交换。26相比之下,像 Dam1 这样的持续性末端追踪蛋白能够随微管末端移动数微米,其与微管末端的结合可持续数十秒。末端结合时间以及由此产生的追踪速率在很大程度上取决于形成末端追踪复合物的分子数量。27较大的蛋白质复合物通常具有更好的微管末端追踪能力。例如,像分离的酵母着丝粒复合体这样的复杂组装结构,能够与微管末端保持数小时的耦合状态。28一些微管结合蛋白, 例如 Ndc80着丝粒蛋白复合物在单分子水平上被发现无法追踪微管末端,然而Ndc80在偶联微珠货物运动方面却非常高效19,29-31因此,为了理解不同蛋白质复合物在尖端追踪中的机制及其生物学功能,有必要研究尖端追踪行为如何依赖于尖端追踪复合物中分子数量的变化,同时需确定这些复合物在珠状货物表面表现出集体运动能力的情况。
以下我们提供了制备和开展分段微管实验的详细方案(图1A)。首先,将市售的玻璃载玻片进行改造,以连接短段聚乙烯管(方案1)。然后,将该载玻片与经过化学或等离子清洗并硅烷化的盖玻片组装成可重复使用的显微镜流动室(方案2)32-34。最终形成的流动室体积仅为20–25 μl (或低至15 μl,详见方案1中的注释3),包括进样管路的体积。也可使用市售的流动室,但其体积通常较大,会导致蛋白质的不必要浪费。若使用较大的流动室,则下述方案中所有溶液的体积应按比例相应放大。随后制备微管种子,例如使用缓慢水解的GTP类似物GMPCPP(Guanosine-5’-[(α,β)-methyleno]triphosphate)(方案3,另见Hyman 等35)。将种子固定在清洁的盖玻片表面,并对表面进行封闭处理,以防止其他蛋白质的非特异性吸附32(方案4描述了使用地高辛标记进行种子固定的步骤)。随后可使用方案5制备分段微管。该方法的主要原理在于:在GTP存在下形成的动态微管聚合物,可通过添加含有GMPCPP的稳定微管短“帽”片段而暂时稳定。这些帽段还含有罗丹明标记的微管蛋白,因此只需用530–550 nm的激光或汞弧灯照射视野,即可将其去除(方案6)36。随后可利用尖端追踪信号的荧光强度来估算随解聚微管末端移动的分子数量,同时需考虑显微镜照明视野的不均匀性(方案7)。类似的方法也可用于研究去聚合微管与蛋白包被微珠之间的相互作用,微珠的制备方法如文献27所述(方案8)。某些蛋白质可直接结合到分段微管的管壁上,也可使用光镊将微珠固定在微管壁附近,从而促进其结合。
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所需设备: 下述实验需要配备微分干涉差(DIC)和荧光成像功能的光学显微镜(表1)。使用LED明场照明可显著提高对盖玻片上附着的微管种子的检测灵敏度37,而使用常规卤素灯则难以观察到这些结构。为了控制显微镜腔室中的液体流动,应使用蠕动泵进行溶液更换,其流速范围需达到10–100 μl/min。也可使用注射泵,但需注意避免在流速突然改变时产生气泡。在操作蛋白包被的微珠(例如将其移近分段微管壁)时,可将波长为1,064 nm的连续激光束引入显微镜光路,并通过高数值孔径物镜(1.3或更高)聚焦,从而形成光镊。为了对单分子荧光强度进行定量分析,激发光源应采用激光器,因为其光强稳定性优于汞灯。为最大限度减少机械振动,显微镜应放置在光学平台上。若需在恒定力条件下研究微珠随微管解聚末端的运动,以及测量单次力信号11,38,39,则需要更复杂的设备,相关方法将在别处描述。
1. 制备可重复使用的流动室
可使用图1B中的示意图从本地玻璃制造厂家订购可重复使用的流动腔室载玻片(有关供应商的详细信息,请参见表2)。通过超声铣削对普通显微镜载玻片(75 mm × 25 mm,厚度1.0 mm)进行加工,制备两条长度为15±1 mm、宽度为1.0±0.1 mm、深度为0.8±0.05 mm的沟槽。两条沟槽最近端之间的距离应为14±1 mm;该距离与22 mm × 22 mm的盖玻片组装成的腔室最为匹配。其他材料清单请见表2。
2. 盖玻片的准备
本方案耗时 6-8 小时,可制备 12 个盖玻片。您需要一个陶瓷盖玻片架,以及三个带盖的盖玻片染色罐;每个染色罐的容积应为 15 ml,以便每个罐中可叠放 4 个盖玻片。应使用一个带盖的玻璃瓶(250 ml)用于盖玻片与硅烷的孵育。使用标准的 1 号玻璃盖玻片(22 mm × 22 mm 或 22 mm × 30 mm,材料清单见表 2和表 3)。所有操作步骤均应在佩戴手套的情况下于通风橱中进行。
3. GMPCPP稳定微管种子的制备
该操作过程约需1小时,所得微管种子在室温下可稳定保存1-2天。试剂列表详见表4。
4. 微管种子与盖玻片的连接
方案4和5各需要2-3小时,因此每天需使用两个流式腔室。
5. 制备分段微管
以下所有溶液的体积均适用于15-20 μl的腔室体积;若使用更大的腔室,应按比例增加体积。
6. 蛋白质随微管末端去聚合化运动的实验观察
7. 微管末端追踪复合物分子大小的定量分析
该方法的原理是通过计算尖端追踪复合物的总荧光强度与单个荧光基团强度的比值,来确定尖端追踪复合物中分子的数量。该方法可应用于GFP-蛋白融合蛋白以及用荧光染料标记的蛋白,但如果样品中部分蛋白分子不具荧光性,则可能低估尖端追踪复合物中的分子数量。

8. 利用蛋白包被的微珠追踪微管末端
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利用去聚合微管末端进行蛋白质追踪。 酵母着丝粒组分 Dam1 目前是已知最优秀的去聚合微管末端追踪蛋白14。这一由10个亚基组成的复合物可被GFP标记,并能从细菌细胞中高效表达和纯化18,38,因此我们建议将其作为末端追踪实验的阳性对照。当一种荧光蛋白能够随微管去聚合末端移动时,可在显微镜下观察到一个明亮的荧光斑点持续向附着于盖玻片的微管种子方向移动(视频 3)。在相应的明暗图(kymograph)中,该运动表现为一条倾斜的直线(图 2E)。相反,若该蛋白无法实现末端追踪,则微管缩短过程中其末端不会出现荧光信号富集,例如人源 Ndc80-GFP 复合物的情况19(图 2F)。当观察到持续性追踪时,可通过追踪移动的荧光点或测量明暗图中斜线的斜率来确定微管缩短速率。该参数可反映蛋白质与微管末端结合的强度45。像 Dam1 环状复合物这样与微管紧密结合的蛋白质,会减缓微管去聚合的速率。然而,这种效应在很大程度上取决于末端追...
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如今,许多单分子实验常规使用经过特殊处理的盖玻片,以显著减少非特异性蛋白质吸附。本文所述方法是对Howard实验室开发的原始方案32的改进。我们发现,即使在基于微分干涉差(DIC)的珠粒实验(不使用荧光)中,对盖玻片进行硅烷化处理也值得付出努力。使用此类盖玻片组装的样品腔表面更洁净,在可溶性微管结合蛋白存在条件下获得的实验结果更具可重复性,尤其是在使用极低蛋白浓度时更为明显。
成功制备分段微管(MTs)最关键的步骤是:
本方案的主要优势在于,微管去聚合过程能够以高时间分辨率和空间分辨率被触发,从而有助于分析微管解聚末端的运动行为。利用该技术...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 F. I. Ataullakhanov 在可重复使用流动腔室的设计与制造方面提供的帮助,感谢 N. Dashkevich、N. Gudimchuk 和 A. Korbalev 提供图示所用图像,感谢 N. Gudimchuk 和 P. Zakharov 开发实验方案并提供用于制备地高辛标记微管种子的试剂,感谢 A. Potapenko 在文本编辑方面的协助,以及 Grishchuk 实验室其他成员提供的建议与讨论。本工作部分由 NIH 基金 GM R01-098389 及宾夕法尼亚肌肉研究所向 E.L.G. 提供的启动基金资助,E.L.G. 为基梅尔学者;F. I. Ataullakhanov 获得了 RFBR 基金 12-04-00111-a、13-04-40190-H 和 13-04-40188-H 以及俄罗斯科学院主席团资助(分子系统整合机制、分子与细胞生物学项目);J.R. McIntosh 获得了 NIH 基金 GM R01 GM033787 资助;V.A.V. 获得了德米特里·齐明王朝基金会博士后奖学金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 表 1.显微镜和其他设备. | |||
| Microscope | 蔡司 尼康 | Axio Imager 2 Eclipse Ti | 可以使用其他能够进行 DIC 和落射荧光成像的显微镜型号 |
| 镜 | 蔡司 尼康 | 420490-9900-000 CFI Apo 100x 油 1.49 | 100X, DIC, 1.3-1.49 NA |
| 物镜加热器 | Bioptechs | 150803, 150819-19 | |
| 荧光滤光片立方体 | Chroma | 49004 或 49008 41017 或 49020 | 针对罗丹明荧光进行了优化 针对 GFP 荧光采集 |
| 软件 | 免费软件 MicroManager 分子设备 | 不适用 MetaMorph 7.5 | http://valelab.ucsf.edu/~MM/MMwiki/ 其他软件可用于采集图像和粒子跟踪 |
| EMCCD 相机 | Andor | iXon3, DU-897E-cs0-#BV | 高灵敏度 EMCCD 相机 |
| 捕获激光 | IPGPhotonics | YLR-10-1064-LP | 1,064 nm 激光器,10 W |
| 荧光激发激光器 | Coherent, Inc. Coherent, Inc. | 蓝宝石 488 LP 蓝宝石 552 LP | 绿色荧光基团激发 荧光基团 |
| 等离子体清洗剂 | Harrick 等离子体 | PDC-001 | |
| 商用流动室 | Warner Instruments | RC-20 或 RC-30 | |
| 灌注泵 | Cole Palmer Harvard Apparatus | Masterflex 77120-52 Pico Plus | 两种泵都提供所需的液体流速,但蠕动泵可能以非常慢的速度脉冲。注射泵的流量在较宽的速率范围内更加一致,但该泵具有惯性。 |
| 表 2.显微镜腔室制备. | |||
| 用于可重复使用腔室的改性显微镜载玻片 | 科罗拉多州的精确玻璃吹制 | 定制订单 | www.precisionglassblowing.com 使用示意图在载玻片中 图 1 |
| 聚乙烯管 | Intramedic | 427410 | 内径 0.58 mm,外径 0.965 mm;使用这些管子将组装好的腔室连接到泵和废液容器 |
| 聚乙烯管 | Intramedic | 427400 | 内径 0.28 mm,外径 0.61 mm;使用这些管子制作可重复使用的腔室 |
| 常规显微镜载玻片 | VWR | 48312-003 | 可以使用其他类似载玻片 |
| 盖玻片 | VWR | 48393-150, 48366-067 | 可以使用其他类似的盖玻片 |
| 密封胶 | World Precision Instruments | 套件,硅密封胶 5 分钟固化 | |
| 环氧胶 | 乐泰 | 83082 | |
| 氰基丙烯酸酯胶粘剂 | Scotch 3M | AD114 | 或其他厂家的氰基丙烯酸酯胶 |
| 表 3.盖玻片清洁和涂层. | |||
| 分子筛,564 级 | Macron | 4490-04 | |
| 盖玻片染色罐 | Ted Pella, Inc. | 21036 | |
| 盖玻片陶瓷支架 | Thomas Scientific | 8542e40 | |
| PlusOne Repel Silane | GE Healthcare Biosciences | 17-1332-01 | |
| Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | |
| 抗地高辛 AB | 罗氏应用科学 | 11093274910 | |
| 表 4.从奶牛脑中纯化的种子和分段微管的制备 | |||
| 微管蛋白 | Cytoskeleton, Inc | T238P | 有关纯化方案,请参见 49–51 未标记的猪微管蛋白 |
| 标记的微管蛋白 | Cytoskeleton, Inc Invitrogen Invitrogen | TL590M C1171(罗丹明) A-2952(地高辛) | 罗丹明标记的猪微管蛋白 微管蛋白可以用任何胺反应性染料标记,如 reference52。 |
| GMPCPP | Jena Biosciences | NU-405 | 分装并储存在 -70 °C;C |
| VALAP | 凡士林、羊毛脂和石蜡质量为 1:1:2 | 参见 reference9 | |
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