本文介绍了一种针对持续性运动的肌球蛋白-5分子马达进行超快力钳实验的完整方案,该方案可轻松拓展应用于其他类型的持续性分子马达研究。本方案详细描述了从实验装置的搭建、样品制备,到数据采集与分析的全部必要步骤。
方法文章
本文介绍了一种针对持续性运动的肌球蛋白-5分子马达进行超快力钳实验的完整方案,该方案可轻松拓展应用于其他类型的持续性分子马达研究。本方案详细描述了从实验装置的搭建、样品制备,到数据采集与分析的全部必要步骤。
超快力钳光谱技术(UFFCS)是一种基于激光镊子的单分子技术,能够在负载条件下以 unprecedented 的时间分辨率研究传统和非传统肌球蛋白的化学力学特性。特别是,该技术能够在肌动蛋白-肌球蛋白键形成后立即在恒定力条件下探测肌球蛋白马达,结合高速力反馈(200 kHz),已证明 UFFCS 是研究负载依赖性快速动力学(如肌球蛋白工作行程)的有力工具。此外,UFFCS 还可用于研究施加力的强度和方向如何影响过程性和非过程性肌球蛋白-肌动蛋白相互作用。
通过遵循本方案,可对持续性运动的肌球蛋白-5分子马达及多种非常规肌球蛋白进行超快力钳实验。经过适当调整,该方案也可轻松拓展用于研究其他类型的持续性运动马达,如驱动蛋白和动力蛋白。本方案涵盖了从实验装置搭建、样品制备、校准程序到数据采集与分析的全部必要步骤。
近几十年来,由于光镊能够同时操控并测量单个分子的构象变化和酶促动力学,这一技术已成为阐明蛋白质相互作用的力化学机制的有力工具1,2。特别是,光镊能够施加并测量细胞内分子马达所作用范围内的力,同时具备测量亚纳米级构象变化的能力,使其成为揭示马达蛋白的化学机械特性及其机械调控机制的独特单分子工具。
超快力钳光谱法(UFFCS)是一种基于光镊的单分子力谱技术,采用三珠几何构型(图1a)开发,用于研究分子马达在负载条件下的快速动力学过程3,4。UFFCS将施加力至马达蛋白的时间延迟减少到光镊的物理极限,即系统的机械弛豫时间,从而可在肌球蛋白运动开始后迅速施加力(几十微秒内)3。该技术已被用于研究快速骨骼肌3和心肌肌球蛋白5中的早期机械事件,揭示了动力冲程、弱结合态与强结合态的负载依赖性,以及生化事件(Pi释放)与机械事件(动力冲程)发生的顺序。
三珠几何结构通常用于研究非过程性马达分子,而单珠几何结构结合力钳技术则常用于研究如肌球蛋白Va等过程性非常规肌球蛋白6。然而,对于过程性肌球蛋白,也有若干理由更倾向于采用三珠UFFCS检测方法。首先,在肌动蛋白与肌球蛋白结合后立即施加负载,可实现对力生成早期事件的测量,这一点与非过程性马达分子类似。此外,在过程性马达分子的情况下,该方法还能在恒定负载条件下精确测量马达在整个运动过程中的运行长度和持续时间(图1b)。再者,由于力反馈速率较高,系统可在位置快速变化期间(例如肌球蛋白的工作冲程)保持力的恒定,从而确保马达步进过程中负载的稳定性。系统的高时间分辨率使得亚毫秒级相互作用得以检测,为研究肌球蛋白与肌动蛋白之间的弱结合提供了可能。最后,该检测构型可确保力沿肌动蛋白丝方向施加,力的横向和垂直分量可忽略不计。这一点尤为重要,因为已有研究表明,垂直方向的力分量会显著影响马达动力学的负载依赖性7,8。通过使用该技术,我们能够对过程性肌球蛋白-5B施加一系列辅助性和抵抗性负载,并直接测量其在广泛力范围内的过程性负载依赖性4。
如图1a所示,在该系统中,一条肌动蛋白丝被悬挂在双光镊捕获的两个聚苯乙烯小球之间(即"哑铃"结构)。通过快速反馈系统,对肌动蛋白丝施加一个不平衡的净力 F = F1 - F2,使肌动蛋白丝以恒定速度单向移动,直至到达用户定义的反转点,此时净力方向反转。当马达蛋白未与肌动蛋白丝相互作用时,哑铃结构可在底座小球(其上附着单个马达蛋白)范围内自由地以三角波形式来回移动(图1b,底部图示)。一旦马达蛋白与肌动蛋白丝发生相互作用,哑铃所承受的力便迅速传递至马达蛋白,马达随即在相互作用时刻反馈系统所施加的力的大小和方向下,通过步进行动推动肌动蛋白丝移动,直至肌球蛋白从肌动蛋白上解离。由于马达步进所产生的位移依赖于被捕获肌动蛋白丝的极性,根据所施加力的方向,负载可表现为辅助性(即与马达位移方向一致,推动马达前进,见图1b上部图示中的“push”),或表现为抵抗性(即与马达位移方向相反,阻碍马达前进,见图1b上部图示中的“pull”),从而可研究施加负载的强度和方向性对马达过程性化学机械调控的影响。
在接下来的章节中,将全面描述使用超快力钳光谱技术在不同负载条件下测量肌动蛋白-肌球蛋白-5B 相互作用的所有步骤,包括:1)光学装置的搭建、光阱的对准与校准程序;2)所有组分的制备及其在样品腔中的组装;3)测量过程;4)代表性数据及数据分析,以提取重要的物理参数,例如马达蛋白的运行长度、步长和速度。
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1. 光学装置
注意:实验装置由具有纳米级指向稳定性和<1% 激光强度波动的双光镊组成。在典型捕获刚度(0.1 pN/nm)和张力(1 pN 至数十 pN)条件下,可确保哑铃状微粒达到纳米级稳定性。图2展示了光学装置的详细示意图。
2. 样品制备
3. 测量
4. 数据分析4
注意:所描述的分析方法可根据哑铃速度的变化(由肌球蛋白步进行为引起)来检测和测量持续性运行及快速步进事件。对持续性运行的分析是基于文献3,4,13中所述的非持续性马达的数据分析方法进行的。

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代表性数据包括随时间变化的位置记录,如图所示 图4在位置记录中可观察到两种类型的位移。首先,当肌球蛋白马达未与肌动蛋白丝相互作用时,被捕获的微珠在溶液黏滞拖拽力作用下以恒定速度移动,表现出在线性位移基础上叠加的振荡,该振荡范围由操作者设定,呈三角波形。3 (不可见) 图4 由于时间尺度较长)。其次,一旦肌球蛋白马达与丝状物相互作用,运动丝所携带的力会迅速传递至该蛋白质,系统速度骤降至零(图中红线所示) 图4)且在恒定力作用下持续发生步进事件,直至运行结束。如图所示 图5 力的方向由反馈系统从正向切换到负向(反之亦然),当微珠到达用户设定的振荡范围边缘时,反馈系统即切换施加力的方向。在某些情况下,当肌球蛋白结合并朝正方向移动微丝时,会推动微珠趋向振荡范围的(上)边缘。若此情况发生在辅助力条件下(即力的方向与正向位移一致,推...
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尽管单分子技术(如三珠检测法)在技术上具有挑战性且通量较低,但UFFCS得益于数据的高信噪比,显著提升了分子相互作用的检测能力。UFFCS可用于研究马达蛋白的载荷依赖性,其主要优势在于:当马达与丝状结构结合时,能够迅速施加力,从而探测力产生过程中的早期及极快速事件,以及在受控力条件下的弱结合状态;在整个运动过程中保持力的恒定,并能够完全控制力的方向性,以探究马达蛋白对力的依赖性。关于最后一点,我们在此使用的三珠几何构型在沿丝状结构方向施加和测量力方面非常高效,可最大限度地减少横向或垂直方向分量的干扰。然而,当马达蛋白预期会主动产生横向或垂直方向的力,甚至扭矩时,其他构型(如单珠几何构型)则更为合适2,7,18。此外,得益于其出色的空间和 时间分辨率,UFFCS成为理解分子相互作用基本机制的独特工具,而这些机制在传统单分子技术中往往难以揭示。事实上,UFFCS使研究人员得以探究辅助力和阻力如何调控myosin-5B的机械响应,从而为理解其在细胞...
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作者声明无竞争利益。
本工作得到了欧盟“地平线2020”研究与创新计划(资助协议号:871124 Laserlab-Europe)、意大利大学与研究部(FIRB“未来研究”2013年项目,资助号:RBFR13V4M2)以及佛罗伦萨储蓄银行基金会的资助。A.V. Kashchuk 获得了人类前沿科学计划跨学科博士后奖学金(LT008/2020-C)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 脂肪族胺乳胶微球 | ThermoFisher | A37362 | 1.0-μm 直径,2%(w/v) |
| 丙酮 | Sigma | 32201 | |
| 肌动蛋白聚合缓冲液 | 细胞骨架 | BSA02 | 10X |
| 声光偏转器(AODs) | AA光电电子 | DTS-XY 250 | 激光束偏转器 |
| ATP | Sigma | A7699 | |
| 生物素标记的BSA | 赛默飞世尔科技 | 29130 | |
| BSA | Sigma | B4287 | |
| 猪脑钙调蛋白(CaM) | 默克密理博 | 208783 | |
| 牛肝过氧化氢酶 | Sigma | C40 | |
| 聚光镜 | Olympus | 奥林巴斯U-AAC,平场消色差,消色差 | NA 1.4,油镜 |
| 磷酸肌酸二钠盐四水合物 | Sigma | 27920 | |
| 兔肌肉肌酸磷酸激酶 | Sigma | C3755 | |
| DDs | AA 光电 | AA.DDS.XX | 双通道数字合成器 |
| DL-二硫苏糖醇(DTT)> | Sigma | 43819 | |
| EGTA | Sigma | E4378 | |
| G-肌动蛋白 | 细胞骨架 | AKL99 | |
| 葡萄糖 | Sigma | G7528 | |
| 来自黑曲霉的葡萄糖氧化酶 | Sigma | G7141 | |
| HaloTag 琥珀酰亚胺酯 O2 配体 | Promega | P1691 | |
| 高真空硅脂,重型 | 默克密理博 | 107921 | |
| KCl | Sigma | P9541 | |
| KH2PO4/K2HPO4 | Sigma | P5379/ P8281 | |
| Labview | 国家仪器公司 | 8.1 版本 | 数据采集 |
| Labview FPGA 模块 | 国家仪器公司 | 8.1 版本 | 快速力钳 |
| Matlab | MathWorks | 2016 | 数据分析 |
| MgCl2 | Fluka | 63020 | |
| 显微镜物镜 | 尼康 | Plan-Apo 60X | 数值孔径 1.2,工作距离 0.2 毫米,水浸 |
| MOPS | Sigma | M1254 | |
| 硝酸纤维素 | Sigma | N8267 | 0.45 孔径 |
| 戊酸乙酯溶液 | Sigma | 46022 | |
| 纯乙醇 | Sigma | 2860 | |
| QPDs | UDT | DLS-20 | D 位置检测器 |
| 罗丹明 BSA | 分子探针 | A23016 | |
| 罗丹明鬼笔环肽 | Sigma | P1951 | |
| 二氧化硅珠 | 邦斯拉布斯 | SS04N | 1.21 毫米,10% 固含量 |
| 叠氮化钠 | Sigma | S2002 | |
| 链霉亲和素蛋白 | Sigma | 189730 |
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申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可An erratum was issued for: Dissecting Mechanoenzymatic Properties of Processive Myosins with Ultra Force-Clamp Spectroscopy. The title was updated.
The title was updated from:
Dissecting Mechanoenzymatic Properties of Processive Myosins with Ultra Force-Clamp Spectroscopy
to:
Dissecting Mechanoenzymatic Properties of Processive Myosins with Ultrafast Force-Clamp Spectroscopy