我们提出了简单的肌动蛋白丝微流体测定方案,结合荧光显微镜,使人们能够实时准确地监测单个肌动蛋白丝,同时按顺序将它们暴露于不同的蛋白质溶液中。
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我们提出了简单的肌动蛋白丝微流体测定方案,结合荧光显微镜,使人们能够实时准确地监测单个肌动蛋白丝,同时按顺序将它们暴露于不同的蛋白质溶液中。
为了破译调节肌动蛋白细丝组装和拆卸的复杂分子机制,在良好控制的条件下监测单个反应是一项重要资产。为此,在过去的20年中出现了实时单丝实验,主要使用全内反射荧光(TIRF)显微镜,并提供了大量关键结果。2011年,为了进一步扩大这些实验的可能性并避免反复出现有问题的伪影,我们在这些测定中引入了简单的微流体。本研究详细介绍了我们的基本方案,其中单个肌动蛋白细丝由一端锚定在钝化的盖玻片表面上,与流动对齐,并且可以连续暴露于不同的蛋白质溶液中。我们还介绍了特定应用的协议,并解释了如何施加受控的机械力,这要归功于流动溶液的粘性阻力。我们强调了这些实验的技术警告,并简要介绍了基于该技术的可能发展。这些方案和解释,以及当今易于使用的微流体设备的可用性,应该允许非专业人员在其实验室中实施该测定。
肌动蛋白长丝和肌动蛋白丝网络的组装和拆卸由几种生化反应控制,并取决于机械环境。为了深入了解这些复杂的机制,能够观察单个细丝上的单个反应(足够大的数量)是非常宝贵的。在过去的几十年中,实时观察动态肌动蛋白丝,主要使用全内反射荧光(TIRF)显微镜,已成为一项关键技术,并提供了令人印象深刻的结果列表,这些结果无法通过本体溶液生化测定1获得。
为了实现这一点,需要将荧光标记的肌动蛋白丝保持在显微镜盖玻片表面附近,同时将它们暴露于肌动蛋白结合蛋白(ABP)的溶液中,这些溶液也可以进行荧光标记。这样做提供了一种在良好控制的生化条件下监测单个细丝上发生的事件的方法,从而量化反应速率。但是,应考虑一些具体的限制。人为地保持细丝靠近表面,通常由于多个锚定点或使用拥挤剂如甲基纤维素,可以改变它们的行为(例如,导致其聚合和解聚的暂停2)。跟踪每根灯丝的轮廓可能具有挑战性,特别是如果新的灯丝或灯丝碎片随着时间的推移在视野中积聚。反应发生在有限的体积中,其中肌动蛋白单体和ABP的浓度会随时间变化,可能难以获得准确的速率常数。最后,更新或改变ABP的溶液很难在不到30秒的时间内实现,并且通常会导致样品中的蛋白质含量不均匀。
10多年前,受到已经完成的单个脱氧核糖核酸(DNA)链3的启发,我们引入了一种基于微流体的新技术来观察和操纵单个肌动蛋白丝4。它允许人们规避上述经典单丝技术的局限性。在这些微流体测定中,肌动蛋白细丝是从吸附在盖玻片上的光谱蛋白 - 肌动蛋白种子中生长的。因此,细丝仅由一端锚定在微流体室的底部,并在表面上方波动而不粘附。细丝与进料溶液的流动保持一致,从而简化了对其轮廓长度的监控,并将它们保持在可以使用TIRF的盖玻片上方的浅区域。不同的溶液同时流入腔室而不混合,并且细丝可以依次快速地暴露在它们中。
在这里,我们提出了一系列基本方案,以在实验室中建立单肌动蛋白丝微流体测定。盖玻片和微流体室可以提前(在半天内)制备,实验本身可以在不到一天的时间内完成,其中可以测试几种生化条件。
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1. 微流控室制备
2. 玻璃盖玻片清洁
注意:这里详细介绍了基于一系列超声处理步骤的标准盖玻片清洁程序。其他玻璃盖玻片清洁程序已经在许多其他出版物中描述过,这些程序可以达到类似的令人满意的结果6,7,8,9。
3. 管腔室组装
4. [可选] 直接钝化和功能化
注意:根据应用的不同,腔室可以在连接到微流体控制装置(参见 材料表)后进行钝化和功能化,或者在将溶液连接到微流体装置之前用移液管手动将溶液直接注入腔室。后者的优点是消耗更少的试剂,并通过使溶液流过微流体装置的聚醚醚酮(PEEK)管来避免潜在的污染。在以下所有步骤中,通过将移液器吸头直接插入出口来注入溶液。为了避免在腔室内产生气泡,当将吸头插入 PDMS 腔室的出口时,请确保移液器吸头中伸出一个微小的液滴。同样,在注入整个体积之前取出移液器吸头。
5. 连接微流控装置
注意:使用具有多达四个通道的基于压力的微流体系统来控制微流体室中的流量(图1A,参见 材料表)。为避免微流体管中形成气泡并扰动流动稳定性,请对所有溶液进行脱气。将5 mL dH20和10 mL F缓冲液置于连接到真空泵的真空干燥器中(极限真空<250 mbar),并在室温下脱气至少1小时。

图1:通过微流体室注射溶液 (A)用于单个肌动蛋白丝实验的标准微流体设置。放置在储液槽1-3中的蛋白质溶液通过调节气相中的压力被推入腔室。生成的流量由流量计测量。在微流体室内部,溶液不会混合并占用空间,具体取决于施加的相对压力(此处为所有入口上的相同压力)。典型尺寸:储液管含有多达 2 mL 的溶液。PEEK管(内径0.25毫米)将储液器连接到流量计(在10厘米的管道之后),然后连接到PDMS室(再连接70厘米后)。硅管和不锈钢管接头用于将PEEK管连接到PDMS入口。主微流体通道高20-60μm,宽约1毫米,长1厘米。(乙、丙)微流体腔内的流动曲线。(B)流体在腔室高度上产生抛物线轮廓:v(z) = 6z(h-z)R / h3w,其中h和w是腔室的高度和宽度,R是总流速。底部:由表面锚定的光谱蛋白肌动蛋白种子聚合而成的单肌动蛋白丝。(C)当腔室宽度大大大于其高度时,流动在腔室中几乎是均匀的,除了在PDMS表面,它变为零。请点击此处查看此图的大图。
6. 使用标准流速配置设置
注意:计算机控制的压力系统可以轻松、精确地调节连接到 PDMS 腔室的所有入口/出口的压力,从而控制输入和输出流量。只需单击鼠标即可保存和打开/关闭预设配置。以下是推荐的配置(除非另有说明,否则出口压力设置为 0 mbar)。有关这些预设配置的预期流速,请参见 表 3 。此处指示的压力必须根据腔室几何形状和系统配置进行调整。

图2:施加在每个储液罐上的压力控制微流体室内溶液的分区/空间分布。(A)在对储液器施加相等压力的情况下,每个溶液占据腔室的三分之一。(B)更换储液管(此处为储液罐3)时,有效压力降至零,产生逆流。(三、四)增加其中一个储液槽上的相对压力允许玻璃表面暴露在单个溶液中。通过在配置中流1(C)和中流2(D)之间交替,腔室中间的视野可以依次暴露于溶液1和2。请点击此处查看此图的大图。
7. 更改解决方案"x"
注意:如图3A-C所示,重要的是要记住,溶液从储液管流向腔室的主通道需要几分钟时间。这种最小的"死"时间是由管道中所含的液体体积和管道内的流动曲线施加的(图3A-C)。

图3:溶液从储液罐延迟到达PDMS室以及生化条件的快速变化。 (自动对照)溶液从储液罐延迟到达 PDMS 室。 (A) 根据腔室几何形状,管长和入口处施加的压力,一种溶液的更换不是即时的。将储液管更换为含有荧光溶液的储液管(0分钟)后,溶液逐渐填充管(0.4分钟)和PDMS室(1-2分钟)。对于 150 mbar 施加的压力、80 cm PEEK 管和 1600 μm 宽、20 μm 高的 PDMS 腔室,给出了指示性计时。 (B)PEEK管内的抛物线流动曲线沿管子放射状剖面和腔室内产生有效的荧光梯度(另见 图1B)。 (C)溶液的延迟到达可以通过测量腔室中的背景落射荧光信号作为时间的函数来量化。实验条件:通过流量计和80 cm PEEK管向0.5 μM 10%Alexa-568标记的G-肌动蛋白注入150 mbar。 (D,E)生化条件的快速变化。 (D) 两种 中流 条件下的进料溶液模式。 (E)背景荧光的增加作为肌动蛋白浓度的读数。时间 t = 0 设置为荧光开始增加。溶液1:0.5μM 10%Alexa-488标记的G-肌动蛋白,溶液2:F缓冲液。(C,E)PDMS腔室:高20微米,宽1600微米。通过对整个视场上的信号求平均值来量化表面以上约2μm的落射荧光强度,在没有荧光团的情况下归一化为0,在最大强度下归一化为1。 请点击此处查看此图的大图。
8. 基本单丝实验:二磷酸腺苷(ADP)-肌动蛋白倒钩端解聚
注:本节假定为非功能化腔室(仅限第 5 节)。如果腔室已直接功能化(第4节),请从步骤8.4开始。

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对于上述所有实验,荧光标记的肌动蛋白丝应清晰可见,具有良好的对比度,表明表面的背景荧光较低(图4,请参阅 补充文件1 以解决常见问题)。肌动蛋白细丝也不应粘附在表面上:当显性流速较低时,当观察它们活着时,肌动蛋白丝的横向波动应该是可感知的,并允许人们清楚地确定它们仅由其末端之一锚定。同样,当使用TIRF成像时,它们的垂直波动应该通过其长度和时间的强度变化可见。根据施加的流速,可能需要调整TIRF穿透深度,以优化TIRF获取的肌动蛋白丝的图像质量。
当长丝暴露于聚合条件(见第8节)时,长丝伸长率应规则(即,细丝末端的伸长率不受表面相互作用或永久粘附的阻碍)。此外,根据管内肌动蛋白浓度1,20测量的细丝倒钩端伸长率应与预期值相匹配,表明管溶液已正确流向微流控室(图4A)。同样,当暴露于缓冲溶液中时,灯丝应以反映其ADP...
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与标准的单丝方法相比,肌动蛋白细丝沿其长度通过多个点锚定在表面上或通过甲基纤维素等拥挤剂保持靠近表面,微流体具有许多优点。由于与表面的相互作用很小,因此避免了在伸长和解聚过程中这些相互作用可能引起的人为停顿。灯丝按流动对齐,彼此平行,便于监控和测量长度。细丝周围的溶液不断更新,使它们暴露于恒定的蛋白质浓度。能够在细丝暴露的不同蛋白质溶液之间快速(<1秒, 图3D,E)切换,可以进行时间控制的序贯实验,这通常有助于动力学研究。最后,可以利用流动溶液对灯丝施加的粘性阻力,在灯丝上施加受控的机械应力(代表性结果部分)。应该注意的是,中等流体流动(中流 压力设置)使细丝足够接近表面(〜250nm),以便用TIRF有效地成像它们,同时产生最小的张力(<1 pN)14。
然而,与经典的单丝测定相比,微流体将需要更大体积的蛋白质溶液:通常为几100μL,而标准实验可以用少于10μL完成。当使用珍贵的蛋白质时,这可能是一个限...
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作者声明没有利益冲突。
我们感谢拉杜克斯和拉多姆。梅格实验室使用他们的紫外线清洁设备,以及J.休文和0。du Roure接受的关于在硅晶圆上准备模具的初步培训,并提供有关微流体的提示。我们感谢欧洲研究理事会拨款StG-679116(授予AJ)和国家研究基金的资助,以资助肌肉酸和顺应蛋白(授予G.R.-L.)。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| β-酪蛋白 | Merck | C6905 | 用于 8 mg/mL |
| 活检穿刺器(带柱塞) | Ted Pella | 15115-2 | 内径 0.75 mm,外径 1.07 mm |
| 生物素-BSA | Merck | A8549 | 用于 1 mg/mL |
| BSA | Merck | A8022 | 用于 50 mg/mL |
| 盖玻片 Mini-Rack Teflon 支架 | Invitrogen | C14784 | 用于 8盖玻片 |
| 盖玻片 22x40mm 厚度 #1.5 | Menzel Gläser | 631-1370 | |
| DABCO | Merck | D27802 | 成分在 f 缓冲液中 |
| DTT | Euromedex | EU0006-D | 成分在 f 缓冲液中 |
| NHS Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A20000 | 荧光团,用于 Lys328 上的肌动蛋白标记。 |
| EZ-Link Sulfo-NHS-生物素 | Thermo Scientific | 21338 | 在 Lys328 上生物素化肌动蛋白 |
| Hellmanex III | Hellma | 9-307-011-4-507 | 玻璃清洁剂 |
| ImageJ | NIH | N/A | 开源软件 |
| Laboport | KNF | 811kn.18 | 真空泵(极限真空:240 mbar) |
| 魔术隐形胶带 | Scotch | 7100024666 | 标准透明办公胶带 |
| Micrewtube | Simport | T341-6T | 2 mL 微流体储液管 |
| 微流体装置 第 1 部分:流量装置 S | Fluigent | FLUIGENT FLU-S-D-PCKB | 流量计 |
| 微流体装置 第 2 部分:Fluiwell-4C-2 mL | Fluigent | 14002001PCK | 储液器支架 |
| 微流体装置 第 3 部分:MFCS-EZ | Fluigent | EZ-11000001 EZ-00345001 | 压力控制器 |
| 42 型 - UVO-Cleaner | Jelight Inc. | 42-220 | 紫外线清洁剂 |
| N6-(6-氨基己基)-ATP-ATTO-488 | Jena Bioscience | NU-805-488 | ATP-ATTO 用于标记肌动蛋白 |
| 中性亲和素 | Thermo Scientific | 31000 | |
| PLL-PEG | SuSoS | PLL(20)-g[3.5]-PEG(2) | 在 PBS 中使用浓度为 1 mg/mL。 |
| 聚二甲基硅氧烷 (PDMS) Sylgard 184 硅弹性体 | 道康宁 | 1673921 | 含有 PDMS 基础和固化剂 |
| 聚醚醚酮 (PEEK) 管 | 默克 | Z226661 | "蓝色": 内径 = 0.25 毫米 |
| 安全吹尘枪 | Coilhose 气动 | 700-S | 过滤空气 |
| 硅管 | VWR | 228-0701P | 将 ELITE 连接到耦合器 |
| 不锈钢导管耦合器 | Prime Bioscience | SC22/15 | 插入 PDMS 入口和出口,以连接到 PEEK 管 |
| 热塑性薄膜 | Sigma Aldrich | PM996 | 标准"封口膜" |
| 超纯乙醇 | VWR | 64-17-5 | |
| 超声波清洗槽 | VWR | USC200TH | 可容纳 1 L 烧杯 |
| 真空干燥器 | SP Bel-Art | F42022-0000 | 对 PDMS 或溶液进行脱气 |
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