在此,开发了一种基于纳米棒支撑的脂质双层系统,以构建具有确定曲率的合成膜,从而实现对具有曲率感知能力的蛋白质进行表征 体外.
方法文章
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在此,开发了一种基于纳米棒支撑的脂质双层系统,以构建具有确定曲率的合成膜,从而实现对具有曲率感知能力的蛋白质进行表征 体外.
膜曲率发挥着重要作用 在细胞的多种基本过程中,如细胞迁移、细胞分裂和囊泡运输中发挥重要作用。它不仅由细胞活动被动产生,还能主动调控蛋白质相互作用,并参与多种细胞内信号传导。因此,研究膜曲率在调控蛋白质与脂质分布及动态行为中的作用具有重要意义。近年来,已发展出多种技术用于研究弯曲膜与蛋白质之间的关系 体外与传统技术相比,新开发的纳米条支撑脂质双层(SLB)通过在具有预定义膜曲率和局部平坦对照的纳米条图案化阵列上形成连续的脂质双层,实现了高通量和更精确的膜曲率生成。利用荧光显微成像,可对脂质流动性及蛋白质对曲率膜的敏感性进行定量表征。本文详细介绍了在含有纳米条阵列的制备玻璃表面形成SLB的具体操作步骤。 并介绍了在该类支持性脂双层(SLB)上曲率敏感蛋白的表征方法。此外,还涵盖了纳米芯片重复使用及图像处理的实验方案。除纳米条形SLB外,本方案可直接适用于各类用于曲率感知研究的纳米结构化玻璃芯片。
膜曲率是细胞的一个关键物理参数,在形态发生、细胞分裂和细胞迁移等多种细胞过程中均会呈现1。目前普遍认为,膜曲率不仅仅是细胞活动的简单结果,而已被证实可有效调控蛋白质相互作用和细胞内信号传导。例如,研究发现参与网格蛋白介导的内吞作用的多种蛋白质更倾向于结合弯曲的膜结构,从而形成内吞作用的热点区域2。导致膜变形的原因多种多样,包括细胞骨架作用力对膜的牵拉、具有不同大小头部基团的脂质不对称分布、呈圆锥形的跨膜蛋白的存在、BAR结构域蛋白(以Bin、amphiphysin和Rvs蛋白命名)等膜塑形蛋白的聚集,以及两亲性螺旋结构域插入膜中1。有趣的是,这些蛋白质和脂质不仅能引起膜变形,还可感知膜曲率并表现出优先富集的特性1。因此,研究不同曲率的膜是否以及如何改变其上附着的蛋白质和脂质的分布与动态行为,及其对相关细胞内过程的潜在影响,具有重要意义。
已开发出多种技术用于分析活细胞和固定细胞中弯曲膜与蛋白质之间的相互作用 体外 系统。活细胞系统提供了具有丰富脂质多样性和动态蛋白质信号调控的真实细胞环境2,3,4,5,6,7然而,由于细胞内环境存在不确定性和波动性,这种复杂的系统难以研究。因此, 体外 利用由已知脂质种类和纯化蛋白组成的合成膜,已成为表征蛋白质与弯曲膜之间关系的有力重构系统。传统上,通过挤出法制备不同直径的脂质体,以检测对膜曲率敏感的蛋白质。 通过 使用离心力的共沉淀实验或利用密度梯度的共漂浮实验,以避免蛋白质聚集8,9然而,挤出的脂质体曲率受到挤出器中所用膜滤器孔径大小的限制10单个脂质体曲率(SLiC)检测已被证实可克服这一局限,该方法通过荧光标记不同直径的脂质体并将其固定于表面,从而通过荧光强度标记曲率11然而,在小囊泡中观察到脂质组成存在显著变异,这会影响曲率测量的准确性12拖曳实验通过光镊从巨大单层囊泡(GUVs)中拉出瞬态膜管,能够更准确地测量膜管曲率,其中曲率可通过膜张力精确控制13,14该方法适用于研究感知正曲率或负曲率的蛋白质,但受限于纳米管生成的通量。10支持性膜管(SMrT)检测可利用微流控流动,从同一脂质储库中同时生成多根膜管。然而,膜曲率在纳米管轴向上具有内在的不均匀性,这会降低基于荧光强度的曲率测量的准确性15,16。相比之下,使用小单层囊泡(SUVs,直径 <100 nm17在具有通过纳米加工或纳米材料精确设计的形貌的表面上形成支撑脂双层(SLB),可高精度地生成由预定曲率控制的单层脂双层膜18,19,20.
本文介绍了一种在具有纳米条阵列结构的制备型纳米芯片表面形成支持性脂双层(SLB)的实验方案,并阐述了如何利用该系统研究蛋白质对膜曲率的敏感性。 体外如图所示 图1,该实验包含六个基本组分:A)清洗芯片并装配带有微流控腔室的芯片;B)SUVs的制备 具有明确脂质组成的SLB;C)在纳米芯片上形成SLB并与曲率敏感蛋白结合;D)通过荧光显微镜对SLB及曲率敏感蛋白进行成像与表征;E)清洗芯片以供重复使用;F)图像处理以定量分析蛋白的曲率感知能力。详细实验步骤如下所述。
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1. 纳米芯片的清洗
2. 小单层囊泡(SUVs)的制备
3. 纳米芯片上支撑脂双层的形成
4. 在纳米芯片上成像SLB及曲率感应蛋白的结合
注意:本部分将取决于实验可用的显微镜系统。此处将描述成像操作的总体指南。不同显微镜装置之间的详细设置可有所调整。
5. 纳米芯片的重复使用
6. 图像定量分析
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建议使用纳米棒结构来研究感知正曲率的蛋白质,该结构两端各包含一个半圆形,其曲率由纳米棒的宽度定义,并在中心局部设有一个平坦/零曲率的对照区域(图2A,B)。在纳米棒上成功形成支持性脂双层(SLB)后,脂质标记信号在整个纳米棒表面均匀分布,如图2C所示。通过平均多个单独纳米棒的图像,可将多个纳米棒的信号合并(图2D),从而最小化不同纳米棒之间的随机差异。此前的一项电子显微镜研究表明,细胞质膜能够完全贴合地包裹整个纳米结构24。因此,合成脂双层也被认为能紧密附着于纳米结构表面,这在200 nm纳米棒上形成了衍射极限宽度的线条,如图4E所示。此外,纳米棒曲面SLB上的膜流动性还可通过荧光漂白恢复(FRAP)实验进行表征,其中单个纳米棒上的荧光信号可被单独漂白,以实现对膜流动性的分析(
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本文所述的纳米棒-支持性脂双层(nanobar-SLB)系统结合了多种现有体外(in vitro)检测方法的优势。该系统能够高效揭示蛋白质对高度弯曲膜的优先结合特性,类似于脂质体漂浮或沉降实验,但所需样品量显著减少,并且在单个纳米棒上可提供更精确控制的曲率8,29。它还像SLiC实验一样,可在同一平台上实现多种精确调控曲率的并行比较,同时由于SLB具有流动性并能紧密覆盖所有尺寸的纳米棒,因此无需担忧不同曲率下脂质组成的变化,也避免了因结构尺寸低于光衍射极限而无法检测到的形貌或曲率变化30。nanobar-SLB还允许观察蛋白质在弯曲膜上的动态行为,类似于拴绳拉拔实验,但不受制备膜管通量的限制,也无需依赖光镊操作的技术经验13。尽管SMrT实验可高通量生成膜纳米管,但膜管上的曲率沿长度方向变化,使得研究蛋白质对曲率的敏感性更加困难16。更有意义的是,与其他基于图案...
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作者声明本工作中不存在竞争性财务利益。
感谢南洋理工大学(NTU)的南洋纳米制造中心(N2FC)和颠覆性光子技术中心(CDPT)在纳米结构制备和扫描电子显微镜成像方面提供的支持,感谢NTU生物科学学院蛋白质生产平台(PPP)在蛋白质纯化方面的协助,以及NTU化学与生物医学工程学院提供的共聚焦显微镜设备。本研究由新加坡教育部(MOE)(W. Zhao,项目编号RG112/20、RG95/21和MOE-T2EP30220-0009)、在卓越研究中心计划下由MOE资助的数字分子分析与科学研究所(IDMxS)(W. Zhao)、人类前沿科学计划基金会(W. Zhao,项目编号RGY0088/2021)、NTU启动基金(W. Zhao)、NTU化学与生物医学工程学院的研究奖学金(X. Miao)以及中国国家留学基金管理委员会的研究奖学金(J. Wu)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 无水乙醇 | Sigma-Aldrich | 100983 | |
| 铝箔 | Diamond | RN0879999FU | |
| 棕色小瓶 | Sigma-Aldrich | 27115-U | |
| 脑源性磷脂酰丝氨酸:L-α-磷脂酰丝氨酸(脑组织,猪源)(钠盐) | Avanti Polar Lipids, Inc. | 840032 | |
| 10 mL 烧杯 | Schott-Duran | SCOT211060804 | |
| 50 mL 烧杯 | Schott-Duran | SCOT211061706 | |
| 1000 mL 烧杯 | Schott-Duran | SCOT211065408 | 第二个容器 |
| 氯仿 | Sigma-Aldrich | V800117 | |
| 棉签 | Watsons | ||
| 18:1 DGS-NTA(Ni):1,2-二油酰基-sn-甘油-3-[(N-(5-氨基-1-羧基戊基)亚氨基二乙酸)琥珀酰基](镍盐) | Avanti Polar Lipids, Inc. | 790404 | |
| 蛋源性磷脂酰胆碱:L-α-磷脂酰胆碱(蛋黄,鸡源) | Avanti Polar Lipids, Inc. | 840051 | |
| F-BAR | 新加坡南洋理工大学生物科学学院蛋白质生产平台 | 蛋白质与多肽 | |
| F-BAR+IDR | 新加坡南洋理工大学生物科学学院蛋白质生产平台 | 蛋白质与多肽 | |
| GFP | 新加坡南洋理工大学生物科学学院蛋白质生产平台 | 蛋白质与多肽 | |
| GFP-His | 新加坡南洋理工大学生物科学学院蛋白质生产平台 | 蛋白质与多肽 | |
| GraphPad Prism | GraphPad | V9.0.0 | |
| 过氧化氢,30%(ACS认证) | Thermo Scientific | H325-500 | |
| 人源FBP17的IDR片段 | 上海桑谷生物医药有限公司 | ||
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 | 1.50d | |
| 激光扫描共聚焦显微镜 | Zeiss | LSM 800 配备 Airyscan | 100倍(数值孔径1.4)油镜 |
| 甲醇 | Fisher scientific | 10010240 | |
| 微型挤出器 | Avanti Polar Lipids, Inc. | 610000-1EA | |
| 1.5 mL 微量离心管 | Greiner | 616201 | |
| MATLAB | Mathworks | R2018b | |
| Nuclepore 亲水性膜,0.1 μm | Whatman | 800309 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Life Technologies Holdings Pte Ltd. | 70013 | |
| 聚二甲基硅氧烷(PDMS)基础剂 | Dow Corning Corporation | SYLGARD 184 | |
| 聚二甲基硅氧烷(PDMS)交联剂 | Dow Corning Corporation | SYLGARD 184 | |
| 等离子清洗机 | HARRICK PLASMA | PDC-002-HP | |
| 石英纳米芯片 | 东海县阿尔法石英制品有限公司 | ||
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | 795429 | |
| 硫酸 | Sigma-Aldrich | 258105 | |
| Texas Red DHPE:Texas Red 1,2-二十六酰基-sn-甘油-3-磷脂乙醇胺,三乙基铵盐 | Life Technologies Holdings Pte Ltd. | T1395MP | |
| 镊子 | Gooi | PDC-002-HP | |
| 超声波清洗器 | Elma | D-78224 | |
| Voterx | Scientific Industries | G560E | |
| 真空干燥器 | NUCERITE | 5312 | |
| 水浴锅 | Julabo | TW8 |
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