本文介绍了一种利用单分子全内反射荧光(smTIRF)显微镜技术,在人工拥挤的脂质膜上对单个分子的结合、运动性和组装行为进行观测与分析的实验方案。
本文介绍了一种利用单分子全内反射荧光(smTIRF)显微镜技术,在人工拥挤的脂质膜上对单个分子的结合、运动性和组装行为进行观测与分析的实验方案。
细胞膜是生物分子反应和信号传导高度拥挤的环境。然而,大多数研究蛋白质与脂质相互作用的体外(in vitro)实验采用的是裸露的双层膜体系。这类系统缺乏膜嵌入蛋白和糖类造成的拥挤效应,也未包含细胞膜表面所存在的相应空间位阻效应。此外,脂质双层通常构建在带负电荷的玻璃表面,这会阻碍跨膜生物分子的自由扩散。本文介绍一种经过充分表征的聚合物-脂质膜,可作为模拟拥挤脂质膜的模型体系。本实验方案采用聚乙二醇(PEG)修饰的脂质分子,作为在支撑性脂质双层 (SLB)中引入拥挤因子的通用方法。首先,介绍用于单分子实验的显微镜载玻片和盖玻片的清洗步骤。随后,阐述对PEG修饰的SLB进行表征的方法,并讨论利用单分子示踪和光漂白技术开展生物分子结合、扩散及组装过程的单分子实验。最后,本方案演示如何通过单分子光漂白分析,在拥挤脂质膜上监测细菌成孔毒素Cytolysin A(ClyA)的纳米孔组装过程。同时提供包含示例数据集的MATLAB代码,用于执行粒子追踪、提取扩散行为以及亚基计数等常见分析任务。
细胞膜是高度拥挤且复杂的系统1。分子拥挤可显著影响膜结合实体(如蛋白质和脂质)的扩散行为2,3,4。类似地,脂质膜上的双分子反应(如受体二聚化或膜复合物的寡聚化)也受到拥挤效应的影响5,6,7。拥挤分子的性质、构型和浓度可通过多种方式调控膜结合能力、扩散性以及蛋白质-蛋白质相互作用8,9。由于在细胞膜上控制膜拥挤程度并解析其对嵌入生物分子的影响具有挑战性,研究人员已尝试建立替代的体外(in vitro)系统10。
一种构建人工拥挤膜的常用方法是将聚合物(如聚乙二醇,PEG)接枝的脂质掺入双层膜中11,12在可视化支撑脂双层(SLBs)上蛋白质与脂质动态的过程中,这些聚合物还能通过将脂双层有效抬离下方带负电荷的基底(如玻璃),从而保护膜嵌入组分免受基底影响。通过调节聚合物的尺寸和浓度,可控制分子拥挤程度及其与下方固体支撑之间的距离。13,14这显然优于无聚合物垫层支撑的固体基底上的脂双层。15,16,其中跨膜生物分子可能会失去其活性17,18,19更重要的是,它使我们能够重现细胞膜的拥挤环境 体外,这对于许多膜过程至关重要。
膜表面接枝的聚合物也会根据其接枝密度的不同而发生构型变化12。在低密度时,它们在膜表面以上保持熵驱动的卷曲构型,称为“蘑菇”状构型。随着密度增加,聚合物链开始相互作用,逐渐伸展并解卷曲,最终在膜表面形成致密的刷状结构21。由于从蘑菇状向刷状构型的转变具有高度异质性,并且在聚合物性质未充分表征的条件下表现不明确,因此在聚合物接枝膜上使用经过充分表征的拥挤条件至关重要。与最近的一项研究20相比,我们鉴定并报道了能够维持跨膜生物分子扩散传输能力和生物活性的拥挤膜组成。
在本方案中,我们讨论如何制备聚乙二醇化脂质膜,并针对聚合物构型的两种不同状态(即蘑菇状和刷状)提供模拟分子拥挤效应的聚乙二醇(PEG)密度建议。该方案还描述了嵌入此类拥挤膜中分子的单分子结合、粒子追踪以及光漂白数据的采集与分析方法。首先,我们介绍成像腔室的彻底清洗步骤、组装过程以及PEG化固相脂双层膜(PEG-SLBs)的制备。其次,我们详细说明单分子结合、粒子追踪和光漂白实验的操作流程。第三,我们讨论如何从膜上单分子成像视频中:i)提取相对结合亲和力,ii)表征分子扩散行为,以及 iii)计数蛋白质复合物中的亚基数目。
尽管我们使用单分子成像技术对这一系统进行了表征,但该实验方案对于所有希望研究拥挤效应对脂质膜上生物分子反应影响的膜生物物理学者均具有实用价值。总体而言,我们提供了一套可靠的流程,用于制备拥挤且有支撑的脂质双层膜,并介绍了在该体系上开展的多种单分子实验及其相应的分析方法。
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1. 单分子实验用载玻片和盖玻片的清洗
2. 微流控芯片的组装
注意:成像室的制备方法如下所述,将双面胶带夹在上一步骤中预先清洁的盖玻片和载玻片之间。
3. 通过囊泡融合在玻璃基底上制备支撑脂双层
注意:通过掺入聚乙二醇修饰脂质(PEG-脂质)制备的脂质体与成像室壁融合,可在其表面形成拥挤的支撑脂双层膜。
4. 显微镜设置与单颗粒成像测量
注意:单分子实验在基于物镜的全内反射荧光24,25,26(TIRF)显微镜系统上进行(图2)。TIRF成像可为单分子成像提供更高的信噪比,尽管在某些条件下也可使用落射荧光显微镜(特别是当通过洗涤可将荧光生物分子从体相溶液中去除时)。可使用棱镜型TIRF系统,但物镜型TIRF更优,因其更便于微流控系统的搭建27。对于物镜型TIRF,建议使用高数值孔径物镜(100倍放大,通常作为TIRF专用物镜商业化供应)。
5. 蛋白质组装体中亚基计数的图像采集
注意:估算化学计量比的图像采集需要对荧光染料进行持续漂白,并检测荧光信号消失前的漂白步数,直至不再有荧光染料发射荧光。
6. 图像与数据分析

= 标记效率,n = 光漂白台阶数,s = 实际计数值。使用MATLAB程序Stepcount_immobile恢复校正后的寡聚体种类。将寡聚体频率(si)转换为质量分数(图7C;补充编码文件2)。访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
监测ClyA蛋白在聚乙二醇化膜上的结合
在步骤4.5之后,通过绘制随时间结合到膜表面的颗粒数量来估算结合动力学(视频1)。当ClyA蛋白结合至含有5 mol% PEG2000脂质的膜时,颗粒密度增加并达到饱和(图5)。对结合颗粒(青色圆圈)进行指数衰减拟合可得到膜结合的时间常数(τb)(值得注意的是,本例中未对初始时间点[红色圆圈]进行拟合)。
拥挤膜上DNA示踪剂的移动性
我们通常使用DNA示踪剂(通过生育酚锚定在膜上)、亲脂性示踪染料(例如DiI)或膜蛋白(例如ClyA)来表征PEG介导的拥挤环境下的膜。通过成像颗粒结合后的膜,可以监测标记示踪分子(25–100 pM)的侧向扩散。当膜中不存在任何PEG聚合物时,大多数示踪剂(尤其是那些延伸出双分子层外部的)在支撑脂双层(SLB)上表现出受限扩散(图6A)。当膜中含有少量P...
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本文展示了在支持性脂双层(SLB)上进行的单分子实验,该系统可模拟膜结合生物分子所处的拥挤环境。这种拥挤环境会产生排除体积效应,从而增强生物分子间的相互作用1,2,39,40。在聚乙二醇-脂质(PEG-lipid)体系中,聚合物主要占据脂双层外部的空间,因此对于具有较大胞外结构域的分子而言,该效应尤为显著。因此,与亲脂性染料相比,嵌入膜内的大分子亲水性物质(如受体、糖蛋白和糖脂)的扩散会显著受限。通过使用经生育酚锚定在膜上的荧光示踪DNA(图5),我们可以识别此类拥挤效应。
此外,底侧叶中存在聚乙二醇(PEG)也会将支撑脂双层(SLB)抬离基底,从而减弱生物分子与支撑基底之间的相互作用14,
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Benjamin Schuler 教授分享了 ClyA 蛋白的表达质粒。本工作由人类前沿科学计划(RGP0047-2020)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2.5 ml 注射器 | HMD Healthcare | Dispo Van, 2.5 ml 结核菌素注射器 | 塑料注射器 |
| 丙酮 | Finar Chemicals | 10020LL025 | |
| 亚克力板 | 2 mm 厚 | ||
| 亚克力板 | BigiMall | 2 mm,透明 | |
| 超声波清洗仪 | Branson | CPX-1800 | |
| 氯化钙 | |||
| 氯仿 | Sigma | 528730 | HPLC 级 |
| 胆固醇 | Avanti | 700100 | |
| 柯普林瓶 | Duran Wheaton Kimble | S6016 | 8 片装载玻片瓶,带玻璃盖 |
| 盖玻片 | VWR | 631-1574 | 24 mm × 50 mm |
| Cy3-DNA 链 | IDT | GCTGCTATTGCGTCCGTTTGGTT GGTGTGGTTGG-Cy3 | |
| 花菁染料(Cy3) | Cytiva Life Sciences | PA23001 | |
| DiI | Invitrogen | D3911 | DiI 染色剂(1,1'-二十八烷基-3,3,3',3'-四甲基吲哚羰花青高氯酸盐('DiI';DiIC18(3))) |
| DNA 连接链 1 | Sigma Aldrich | GCTGCTATTGCGTCCGTTTAGCT GGGGGAGTATTGCGGAGGAAGC T | |
| DNA 连接链 2 | Sigma Aldrich | CGGACGCAATAGCAGCTCACAG TCGGTCACAT | |
| DNA 生育酚链 | Biomers | Toco-CCCAATGTGACCGACTGTGA | |
| DOPE-PEG2000 | Avanti | 880130 | 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷脂酰乙醇胺-N-[甲氧基(聚乙二醇)-2000](铵盐) |
| 双面胶带 | 3M | LF93010LE | |
| 钻头(金刚石涂层) | 0.5 - 1 mm | ||
| 钻孔机 | Dremel | 220 | 工作台 |
| EMCCD | Andor | DU-897U-CS0-#BV | |
| 荧光微球 | Invitrogen | F10720 | |
| 载玻片 | Blue Star | 显微载玻片,PIC-1 | |
| 玻璃小瓶 | Sigma | 854190 | |
| 过氧化氢 | Lobachemie | 00182 | 30% 溶液,分析纯级 |
| Labolene | Thermo-Fischer Scientific | 洗涤剂 | |
| 532 nm 激光器 | Coherent | Sapphire | |
| 激光切割机 | Universal Laser Systems | ILS12.75 | |
| 丽丝胺罗丹明 DOPE | Avanti | 810150 | 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷脂酰乙醇胺-N-(丽丝胺罗丹明 B 磺酰基)(铵盐) |
| 甲醇 | Finar Chemicals | 30932LL025 | |
| 显微镜 | Olympus | IX81 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | 1X | ||
| 等离子清洗机 | Harrick Plasma Inc | PDC-002 | |
| POPC | Avanti | 850457 | 1-棕榈酰-2-油酰-甘油-3-磷脂酰胆碱 |
| 可编程注射泵 | New Era Pump Systems | NE1010 | 高压注射泵 |
| PTFE 盖帽 | Sigma | 27141 | |
| PTFE 管 | Cole-Parmer | WW-06417-21 | Masterflex,内径 0.022" × 外径 0.042" |
| 硫酸 | SD Fine Chemicals | 98%,分析纯级 | |
| TIRF 物镜 | Olympus | UPLAPO100XOHR | |
| 真空干燥器 | Tarsons | ||
| 涡旋混合器 | Tarsons |
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