本文介绍了一种实验方案,可同时利用基于荧光共振能量转移的张力传感器测量蛋白质所受载荷,并结合光漂白后荧光恢复技术测量蛋白质动态,从而实现对活细胞内受力敏感的蛋白质动态进行定量分析。
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本文介绍了一种实验方案,可同时利用基于荧光共振能量转移的张力传感器测量蛋白质所受载荷,并结合光漂白后荧光恢复技术测量蛋白质动态,从而实现对活细胞内受力敏感的蛋白质动态进行定量分析。
细胞通过一种称为机械转导的过程,将机械刺激转化为生物化学上可检测的信号,从而感知并响应其周围环境中的物理信号。机械转导中的一个关键步骤是细胞内外环境之间力的传递。为了实现力的传递,必须通过一系列蛋白质-蛋白质相互作用形成持续且连续的物理连接。对于特定的蛋白质-蛋白质相互作用而言,机械负荷可能对相互作用无影响,也可能导致相互作用更快解离,甚至可能稳定该相互作用。理解分子水平上的力学负荷如何决定活细胞中蛋白质的周转,可提供有关蛋白质力学状态的重要信息,进而阐明其在机械转导中的作用。目前用于测量力敏感性蛋白质动态的技术,要么缺乏对蛋白质受力的直接测量,要么依赖于非细胞环境下的测量。本文中,我们描述了一种荧光共振能量转移-光漂白后荧光恢复(FRET-FRAP)技术的操作方案,该技术能够在活细胞内测量力敏感性蛋白质的动态变化。该技术原则上适用于任何基于FRET的张力传感器,有助于在多种亚细胞结构和不同细胞类型中研究力敏感性蛋白质的动态行为。
细胞外环境富含调控细胞行为的生化和物理信号。特别是,微环境的物理特性可介导细胞生长、迁移和分化等关键细胞功能1,2,3,4。微环境力学特性的失调是多种尚无有效治疗方法的疾病的重要组成部分,例如癌症5、动脉粥样硬化6和纤维化7。要全面理解细胞如何将物理刺激转化为生化可检测信号(该过程称为机械转导),需要阐明介导力传递的分子机制,包括细胞内外以及多种亚细胞结构内部的力传递过程。
在亚细胞结构内部,蛋白质持续发生着动态更替,其与结合伙伴之间的结合与解离取决于相互作用的强度8。为了使力能够成功跨越物理距离传递,必须存在一条连续不断的蛋白质-蛋白质相互作用链,这意味着蛋白质的周转速率必须足够缓慢,以维持并将其所受的力传递给其结合伙伴9。尽管蛋白质-蛋白质相互作用通常由蛋白质结构域之间的多个非共价键组成,但这种相互作用常被概念化为一种可在不同条件下从结合态转变为非结合态的状态10,11。对于特定的蛋白质-蛋白质相互作用而言,外力可能对其相互作用寿命无影响,称为"理想键";也可能缩短其寿命,称为"滑脱键";或延长其寿命,称为"捕获键"10。因此,蛋白质所受载荷与其动力学行为之间存在着复杂的关联,我们将这种关系称为力敏感性动力学。
为了理解载荷对键合动力学的影响,研究人员已在单分子水平上开展了一系列信息丰富的实验。通过使用分离的蛋白质或蛋白质片段,结合磁镊、光镊和原子力显微镜等操纵技术,这些研究已证明多种相关蛋白质存在力敏感的蛋白质-蛋白质相互作用11,12。整合素13和钙黏蛋白14均为跨膜蛋白,分别在细胞-基质和细胞-细胞相互作用的形成中起重要作用,其动力学行为均已被证实会因受力而发生改变。在细胞内,黏着斑蛋白(vinculin)以依赖于力学的方式被招募至踝蛋白(talin)15和α-连环蛋白(α-catenin)16,并可与肌动蛋白形成捕获键(catch bond)17,表明在载荷条件下,黏着斑蛋白在黏着斑(FAs)和黏附连接(AJs)中均发挥关键作用。单分子研究能够分离特定的蛋白质-蛋白质相互作用,获得明确的结果,但无法反映细胞环境的复杂性。
标志性实验表明,多种亚细胞结构(包括黏着斑(FAs)和黏附连接(AJs))具有力学敏感性,并会在细胞自身产生或外界施加的力学负荷下表现出增强的组装效应18,19,20,21,22。此外,多个理论模型提示,这种力学敏感性组装可能由力敏感的蛋白质动态过程所驱动23,24,25。为了在活细胞内研究这些力敏感的动态过程,已有若干间接方法被采用。荧光漂白恢复技术(FRAP)及其相关技术为测量细胞内蛋白质动态提供了相对简便的方法26,27,28,29。然而,对蛋白质所受负荷的测量则较为有限。一种典型方法是将暴露于细胞骨架抑制剂(用于降低细胞整体收缩力)的细胞与未暴露的细胞进行蛋白质动态比较8,30,31。从概念上讲,这相当于在高负荷与低负荷状态之间进行比较。但该方法并未对两种状态下蛋白质所承受的负荷进行量化,且抑制剂可能带来非预期的生化效应,例如导致F-肌动蛋白丝上关键结合位点的丢失。另一种针对黏着斑(FAs)的方法是利用牵引力显微镜测量黏着斑对基底施加的总作用力,以估算分子水平的负荷,并分析其与黏着斑内单一蛋白质动态之间的关系32。尽管该方法可实现对总作用力的量化,却无法提供分子特异性的信息。黏着斑由超过200种不同蛋白质组成,其中许多蛋白均可承受力学负荷33。因此,仅测量黏着斑的总力输出可能掩盖了多种力传递通路并存的可能性,也无法可靠地反映特定蛋白质所受的负荷。
与以往的力学生物学方法不同,基于FRET的张力传感器的出现使得能够直接测量活细胞内特定蛋白质所承受的力学载荷34,35,36。本文介绍了一种将基于FRET的张力传感器与基于FRAP的蛋白质动力学测量方法相结合的实验方案,我们将该技术称为FRET-FRAP。该方法可同时测量蛋白质所受力学载荷及其动力学行为,从而实现对活细胞中力敏感性蛋白质动力学的评估(图1)。目前,FRET-FRAP技术已成功应用于机械连接蛋白vinculin的力敏感性动力学研究37。研究人员已开发出多种针对不同亚细胞结构中关键蛋白质的张力传感器。例如,针对黏着斑(FAs)中的vinculin34和talin38,39,黏附连接(AJs)中的cadherin和catenin40,41,42,细胞核LINC复合物中的nesprin43,细胞骨架中的α-actinin44和filamin36,以及糖萼中的MUC-145等均已有相应的传感器被开发46。同样,FRAP技术也已被广泛用于研究局灶性黏附8,31、黏附连接47、肌动蛋白皮层26以及细胞核48中力敏感蛋白的动力学行为。未来,FRET-FRAP技术可广泛适用于上述已有的或新开发的各类张力传感器,从而在多种亚细胞结构和生理背景下实现对力敏感性动力学的测量。为此,我们提供了一个详细且通用的FRET-FRAP技术实施方案,适用于不同生物系统。希望该方案能够推动开展多种实验,深入阐明各类力敏感蛋白在调控力传递及介导细胞行为中的作用。
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1. 制备用于成像的样本
2. 设置显微镜进行成像
3. 选择 FRET 成像参数
4. 选择 FRAP 成像的参数
5. 获取FRET-FRAP数据
6. 分析 FRET-FRAP 数据
7. 解读FRET-FRAP数据
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FRET-FRAP 结合了两种荧光技术,即 FRET 和 FRAP。由于我们关注的是蛋白负载的影响,因此采用了基于 FRET 的张力传感器34,46。这类传感器通常包含一个由两个荧光蛋白(如 mTFP1 和 VenusA206K)通过鞭毛状连接肽相连构成的张力感应模块(图 1A)。当该模块被插入蛋白的头部与尾部结构域之间时,即可测量跨越该蛋白所受的力学负载。在分析 FRET 数据时,使用受体通道采集的图像来评估张力传感器的定位及其浓度,因为该信号不受 FRET 效应的影响(图 1B)。在计算出 FRET 效率后,可通过色度标尺可视化蛋白负载:FRET 效率降低并趋向冷色调表示蛋白负载增加,而 FRET 效率处于红色范围则表明蛋白负载较低(图 1B)。FRAP 成像通过激光对单个亚...
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FRET-FRAP 方法能够直接测量对力敏感的蛋白质动态,这一特性在活细胞内一直难以直接探测。蛋白质动态对分子载荷的敏感性对其作为力传递或力转导分子的功能至关重要。载荷的存在是传递细胞内产生或外界施加的力(称为力传递)以及将这些力转化为可被生物化学检测的信号(称为力转导)所必需的。然而,载荷的变化会影响蛋白质结合状态的持续时间;因此,蛋白质承受载荷的时间越短,力传递给其他蛋白质或转化为可检测生化信号并被感知的机会就越少。FRET-FRAP 方法通过在更广泛的细胞背景下实现对力敏感动态的分子尺度测量,弥合了分子水平与细胞水平之间的鸿沟。此外,该方法允许在通过生化或机械方式扰动细胞内或细胞外环境的同时进行这些测量。该技术适用于任何基于 FRET 的张力传感器,可用于研究多种亚细胞结构及细胞外环境中蛋白质的力学状态。
确保获得理想FRET-FRAP测量结果的关键步骤包括优化成像参数以及进行数据分析与解释。如本实验方案所述,优化成像参数对于限制样品的光损伤至关重要,同时可区分目标结构与动态过程,并为FRET计算提供足够的信号强度。在特定细胞系和目标蛋白的研究初期即确立这些成像参数,将有助于...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了美国国家科学基金会职业奖(NSF-CMMI-14-54257)、美国心脏协会资助(16GRNT30930019)和美国国立卫生研究院资助(R01GM121739-01)的支持,上述资助授予Brenton Hoffman博士,此外Katheryn Rothenberg还获得了美国国家科学基金会研究生研究奖学金。 本内容完全由作者负责,不代表美国国家科学基金会或美国国立卫生研究院的官方观点。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.05% 胰蛋白酶-EDTA | 赛默飞世尔科技 | 25300062 | |
| 16% 多聚甲醛 | 电子显微镜科学公司 | 30525-89-4 | |
| 60倍物镜,数值孔径1.35 | Olympus | UPLSAPO 60XO | |
| 抗生素-抗真菌素溶液(100倍浓缩) | Gibco | 15240-062 | |
| 自动载物台 | Prior Scientific | H117EIX3 | |
| 定制二向色镜 | Chroma Technology Corp | T450/514rpc | |
| 定制 mTFP1 发射滤光片 | Chroma Technology Corp | ET485/20m | |
| 定制 mTFP1 激发滤光片 | Chroma Technology Corp | ET450/30x | |
| 定制 Venus 激发滤光片 | Chroma Technology Corp | ET514/10x | |
| DMEM-gfp 活细胞成像培养基 | 蓝宝石 | MC102 | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基 | Sigma Aldrich | D5796 | 含L-谷氨酰胺和碳酸氢钠 |
| 胎牛血清 | HyClone | SH30396.03 | |
| 人纤维连接蛋白 | 康宁 | 47743-654 | |
| FRAPPA 校准片 | Andor | 与 FRAPPA 装置一并提供 | |
| 带有515 nm激光器的FRAPPA系统 | 安道尔 | ||
| 玻璃底荧光培养皿 | 世界精密仪器公司 | FD35 | |
| HEK293-T细胞 | ATCC | CRL-3216 | |
| 六亚甲基溴化物,Polybrene | Sigma Aldrich | H9268-5G | |
| 高糖 Dulbecco 改良 Eagle 培养基 | Sigma Aldrich | D6429 | |
| 倒置荧光显微镜 | Olympus | IX83 | |
| JMP Pro 软件 | SAS | ||
| Lambda 10-3 电动滤光轮 | Sutter Instruments | LB10-NW | |
| LambdaLS 弧光灯,配备 300W 无臭氧氙灯泡 | Sutter Instruments | LS/OF30 | |
| Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668-027 | |
| MATLAB 软件 | Mathworks | ||
| MEM非必需氨基酸 | 赛默飞世尔科技 | 11140050 | |
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| OptiMEM | 赛默飞世尔科技 | 31985070 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Sigma Aldrich | D8537 | |
| pMD2.G 包膜质粒 | Addgene | 12259 | |
| pRRL 载体 | Kam Leong 博士(哥伦比亚大学)惠赠 | ||
| psPax2 包装质粒 | Addgene | 12260 | |
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| Sorvall Legend XT/XF 离心机 | 赛默飞世尔科技 | 75004505 | |
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