本文描述了评估荧光蛋白对错误折叠的多聚谷氨酰胺扩展的聚集性和毒性影响的实验方案,可用于在荧光报告系统背景下快速评价一种新发现但尚未表征的荧光蛋白。
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本文描述了评估荧光蛋白对错误折叠的多聚谷氨酰胺扩展的聚集性和毒性影响的实验方案,可用于在荧光报告系统背景下快速评价一种新发现但尚未表征的荧光蛋白。
在利用活细胞成像研究蛋白质定位与转运时,研究人员通常依赖于将目标蛋白与荧光报告蛋白融合。随着基因编码的荧光蛋白(FP)种类不断增多,用户在设计荧光融合蛋白时面临多种选择。每种荧光蛋白都具有特定的光学和生物物理特性,可能影响所形成荧光融合蛋白的生化、细胞及功能特性。例如,某些荧光蛋白倾向于形成非特异性寡聚体,可能干扰融合伴侣蛋白的功能。遗憾的是,目前可用于评估荧光蛋白对报告蛋白行为影响的方法十分有限。本文中,我们描述了一种简单方法,可通过芽殖酵母Saccharomyces cerevisiae中的多聚谷氨酰胺(polyQ)毒性实验,快速评估荧光蛋白的影响。含扩展多聚谷氨酰胺序列的亨廷顿蛋白与亨廷顿病(HD)的发病相关,该蛋白会聚集形成有毒的寡聚体和包涵体。在酵母中,polyQ序列的聚集性和毒性高度依赖于其侧翼序列,包括荧光标签的存在,因此为研究荧光蛋白对其融合伴侣行为的影响提供了理想的实验平台。
自从首次对来自Aequorea victoria的绿色荧光蛋白(GFP)进行表征以来1,已开发出一系列遗传编码的荧光蛋白(FP),使细胞生物学家能够在活细胞中同时定位并追踪多种细胞事件/蛋白质2,3。荧光蛋白来源于多种生物体,从水母到珊瑚,因此其表现出的生物物理特性远不止各自的荧光光谱范围。这些特性包括亮度、光稳定性以及形成寡聚体的倾向等2,4。在设计荧光报告蛋白时,选择单体形式的荧光蛋白是筛选合适标签的重要考虑因素,以尽量减少不适当的相互作用以及融合伴侣功能的改变,并最大化报告蛋白在特定细胞区室中的效率4,5,6。尽管GFP经过长期优化,已能尽量降低荧光标签对融合伴侣的影响5,7,8,但新型荧光蛋白变体相较于GFP的表现仍难以评估。
目前可用于表征荧光蛋白(FPs)行为的方法较少。大多数方法依赖于生化手段来检测荧光蛋白的生物物理特性,例如超速离心和凝胶过滤实验方案9,10,11,12。然而,这些方法的局限性在于使用溶液中纯化的荧光蛋白,难以反映其在完整细胞内的实际行为。有序光滑内质网(OSER)检测技术的发展为评估荧光蛋白在活细胞中发生寡聚化的倾向提供了可量化的手段13,其原理是检测过表达的荧光蛋白是否能够将内质网小管重组为OSER环状结构14。该技术能够有效区分GFP及其他荧光蛋白的单体与寡聚体变体。然而,该方法主要依赖瞬时转染细胞中的过表达,且定量分析和图像处理可能耗时较长,除非将其整合为自动化的数据采集与分析流程。
为了补充这些方法,我们建立了一种实验方案,利用荧光标签对酵母中多聚谷氨酰胺(polyQ)扩增的毒性和聚集效应的影响15,16。编码亨廷顿蛋白(Htt)的基因第一外显子中,若polyQ序列扩增至36个以上重复,便与亨廷顿病相关17,18。在酵母中表达扩增的Httex1会导致错误折叠的Htt蛋白强烈聚集,并伴随严重的生长缺陷。有趣的是,这些表型受到polyQ序列侧翼序列的显著影响,包括荧光蛋白(FPs)15,16。已有研究认为,不同荧光蛋白的特性可能对酵母中polyQ的毒性产生差异性影响。事实上,与GFP类荧光蛋白相比,红色荧光蛋白及其进化形式表现出较低的毒性和聚集性16。本文提供了一套详细的实验流程,用于评估新一代荧光蛋白对酵母中polyQ毒性和聚集的影响。该检测方法可快速、高通量地分析荧光蛋白变体,可与已有的表征技术并行使用,以全面优化新荧光蛋白的特性评估,并比较其相对于GFP的性能表现。
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1. 为在酵母中表达生成新的荧光标记Httex1报告基因
注意:本节内容已根据 Jiang et al.16 和 Albakri et al.19 的实验方案进行了修改。
2. 点样实验
3. 液体培养中细胞生长的定量分析
4. 荧光显微镜
5. 点印迹
注意:本方案中使用点印迹法检测蛋白质表达水平。请按照本方案的步骤 2.1 - 2.5 准备细胞培养物。
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荧光蛋白(FPs)具有不同的生物物理特性,包括其形成寡聚体的倾向,这些特性可能会影响它们在荧光报告系统中与融合伙伴蛋白的相互作用行为。本实验方案描述了一种简单的方法,可将多种荧光蛋白与具有毒性的多聚谷氨酰胺(polyQ)扩增片段融合。由于polyQ的毒性高度依赖于polyQ序列两侧的侧翼序列15,该检测方法可实现对不同荧光标记的polyQ融合报告蛋白进行快速而直接的比较(图1)。实验中采用非亨廷顿病(HD)相关长度的polyQ序列(25Q)作为阴性对照,该序列不会表现出明显的毒性或聚集现象15,16,21,22。而72Q则用于诱导类似亨廷顿病的表型,包括显著的生长抑制和polyQ聚集。重要的是,本实验所使用的Ht...
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本文采用多种检测方法,以Httex1 polyQ扩展片段的聚集及其对酵母生长影响为模型,研究不同荧光蛋白在荧光报告系统中如何改变其融合蛋白的特性。通过使用一种GFP变体(ymsfGFP)作为阳性对照,我们证明了该系统能够检测到不同荧光标签在polyQ毒性及聚集性方面的显著差异,并可对polyQ-FP融合蛋白的性能与GFP标记的构建体进行直接且快速的比较16,19。
尽管本实验方案主要针对荧光蛋白,但其中多个步骤可轻松调整以检测其他蛋白标签的影响。此外,本方案使用的是低拷贝酵母着丝粒载体,其在细胞内的拷贝数可能存在差异(通常为1至2个拷贝)25。采用整合型载体可确保不同实验条件下表达水平的一致性,从而避免这一问题。虽然本方案已针对W303遗传背景进行优化,但也可使用其他酿酒酵母(S. cerevisiae)菌株。然而,在设计新的构建体之前,应先使用带有ymsfGFP标签的载体确定菌...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究得到了加拿大卫生研究院向 M.L.D. 和 P.L. 提供的运营资助。本文所述工作得到了加拿大创新基金会约翰·R·埃文斯领袖基金以及安大略研究基金向 P.L. 提供的配套资金支持。Y.J. 获得了西安大略大学舒立克医学与牙科学院院长颁发的硕士转博士奖学金支持。S.D.G. 获得了加拿大肌萎缩性脊髓侧索硬化症协会博士奖学金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5-α 型高效感受态大肠杆菌(E. coli) | New England Biolab | C2987 | |
| SpeI-HF | New England Biolab | R3133 | 推荐使用高保真酶 |
| SalI-HF | New England Biolab | R0138 | 推荐使用高保真酶 |
| 琼脂糖 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | BP160 | |
| LB-琼脂 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | BP1425 | |
| LB 肉汤培养基 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | BP1426 | |
| 氨苄青霉素 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | BP1760 | |
| PfuUltra 高保真 DNA 聚合酶 | 安捷伦科技(Agilent Technologies) | 600382 | |
| EPOCH2 微孔板分光光度计 | BioTek 仪器公司(BioTek Instruments inc) | EPOCH2TC | |
| 酵母点印迹复制器 | V&P 科学公司(V&P Scientific inc.) | VP407AH | |
| SPI 成像仪 | S&P 机器人公司(S&P Robotics inc.) | spImager-M | |
| 配备 AryScan 的蔡司 LSM 800 共聚焦显微镜 | 卡尔蔡司显微镜公司(Carl Zeiss Microscopy) | LSM 800 | |
| 8 孔 Lab-Tek 成像培养皿 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | 12565470 | |
| Bio-Dot 点印迹装置 | Bio-Rad | 1706545 | |
| Chemi Doc XRS+ 成像系统 | Bio-Rad | 1708265 | |
| 抗 FLAG M1 抗体 | 西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich) | F3040 | |
| 山羊抗小鼠 IgG Alexa 555 二抗 | 赛默飞世尔科技(Thermo ) | A32727 | |
| 质粒小提试剂盒 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | K0503 | |
| 质粒凝胶回收试剂盒 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | K0831 | |
| PCR 产物纯化试剂盒 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | K0702 | |
| Prizm | GraphPad | N/A | |
| TAE(Tris-乙酸-EDTA)缓冲液 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | BP13354 |
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