Wir werden zeigen, wie man die Wirkung einer einzelnen Punktmutation auf die Funktion eines Ionenkanals zu studieren.
Methodenartikel
Wir werden zeigen, wie man die Wirkung einer einzelnen Punktmutation auf die Funktion eines Ionenkanals zu studieren.
Wir werden zeigen, wie die funktionalen Auswirkungen der Einführung einer Punktmutation in einem Ionenkanal-Studie. Wir studieren G Protein-gekoppelten innerlich Behebung Kalium (bezeichnet als GIRK) Kanäle, die wichtig sind für die Regelung der Erregbarkeit der Neuronen. Es gibt vier verschiedene Säugetier-GIRK Kanal-Untereinheiten (GIRK1-GIRK4) - konzentrieren wir uns auf GIRK2, weil es ein Homotetramer Formen. Die Stimulation der verschiedenen Typen von G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), wie die Muskarin-Rezeptor (M2R), führt zur Aktivierung von GIRK Kanäle. Alkohol auch direkt aktiviert GIRK Kanäle. Wir werden zeigen, wie man eine Aminosäure durch eine gezielte Veränderung eines oder mehrerer Nukleotide in der cDNA für die GIRK Kanal mutieren. Diese mutierte cDNA-Sequenz wird in Bakterien amplifiziert, gereinigt, und das Vorhandensein der Punktmutation wird durch DNA-Sequenzierung bestätigt werden. Die cDNAs für die mutierten und Wildtyp-GIRK Kanäle in humanen embryonalen Nierenzellen HEK293T Zellen in vitro kultiviert transfiziert werden. Schließlich wird whole-cell Patch-Clamp-Elektrophysiologie benutzt, um die makroskopischen Kalium Ströme durch die ektopische Expression eines Wildtyp-oder mutierte GIRK Kanäle zu untersuchen. In diesem Experiment untersuchen wir die Wirkung einer L257W-Mutation in GIRK2 Kanäle auf M2R-abhängig und Alkohol-abhängige Aktivierung.
1. Ortsspezifische Mutagenese
Wir verwenden Säugetieren Expressionsplasmid pcDNA3.1 Kodierung einer cDNA für GIRK2 und die Einführung einer Punktmutation mit Stratagene (Agilent Technologies) Quikchange XL II Mutagenese-Kit nach den Anweisungen des Herstellers.
Primer-Sequenz kann leicht erzeugt werden mittels Online-Primer-Design-Programm finden Sie unter:
https://www.genomics.agilent.com/CollectionSubpage.aspx?PageType=Tool&SubPageType=ToolQCPD&PageID=15
Hinweis: Wir verwenden Standard-Eppendorf 1,5 ml Röhrchen anstelle von BD 14 ml-Röhrchen in das Protokoll beschrieben. Allerdings ist die Verwendung von XL10-Gold ultracompetent E. coli vorbehandelt mit β-Mercaptoethanol, 30s Hitzeschock Zeit und NZY + (oder NZYM +) Medien sind entscheidend für die erfolgreiche Mutagenese. Wenn möglich, kann eine zusätzliche Engineering stille Mutation, die eine neue Restriktionsschnittstelle schafft praktisch sein für das Screening Mutantenkolonien unten.
2. Miniprep, DNA-Sequenzierung und Maxiprep
2,1 Qiagen Miniprep und Sequenzierung.
Individuelle Bakterienkolonien werden gepflückt und aufgewachsen in LB-Medium mit Ampicillin (AMP). Wir folgen den Anweisungen des Herstellers für die Reinigung der cDNA. Eine einfache Restriktionsverdau kann bestätigen die erfolgreiche Einführung der Mutation verwendet werden, wenn eine Restriktionsschnittstelle in Schritt 1 oben eingebaut wird. Automatisierte DNA-Sequenzierung ist off-site, getan und ist von wesentlicher Bedeutung, um das Vorhandensein der Mutation in der cDNA zu bestätigen, als auch zu beurteilen, ob es irgendwelche unerwünschte Mutationen. Dieser Schritt ist sehr wichtig. Wir sequenzieren das gesamte GIRK kodierende Sequenz mittels Forward-und Reverse-T7-Promotor BGH Sequenzierungsprimern dass Flanke multiple Klonierungsstelle des pcDNA3.1 Plasmid.
Hinweis: Es ist wichtig, sorgfältig zu untersuchen die Sequenzierung Elektropherogramm, um eine ausreichende Qualität der Sequenzierung Daten zu gewährleisten. Hochwertige Elektropherogramm hat scharfe, nicht-überlappenden Peaks mit wenig Hintergrundgeräuschen.
2,2 Qiagen Maxiprep.
Wir folgen den Anweisungen des Herstellers.
Hinweis: Dieser Schritt ist in unseren Experimenten enthalten, um die Reinheit der cDNA, die wir finden, ist für eine effiziente Transfektion wichtig zu verbessern.
3. Kultur und Transfektion von Zellen HEK293T
All diese Schritte sollten in einem sterilen Gewebekultur Haube getan werden.
3,1 Zellkultur
HEK293T Zellen sind bequem zu bedienen, weil sie einfach zu Kultur (37 ° C, 5% CO 2 befeuchteten Inkubator), haben schnelle Replikation, hohe Transfektionseffizienz und sind zugänglich für whole-cell Patch-Clamp-Elektrophysiologie. HEK293T Zellen exprimieren SV40 large T Antigen, das episomalen Replikation von Plasmid pcDNA3.1 gewährleistet.
HEK293T Zellen werden in DMEM mit niedrigem Glucosegehalt Medien mit L-Glutamin und 10% fötalem Rinderserum (FBS) gezüchtet. Für die Passage Zellen, fügen 0,25% Trypsin / EDTA zu konfluent (90-95%) HEK293T Zellen, warten, bis die Zellen aus dem Gewebe Gericht zu lösen, dann stoppen die Enzymaktivität durch Zugabe von frischem Medium mit FBS /. Platte ~ 1 X 10 5 Zellen / Well in eine 12-Well-Zellkulturschale zusammen mit 1 ml Antibiotika-freien Kulturmedien pro Vertiefung. (1 x 10 5 Zellen ~ 350 ul Zellsuspension aus konfluenten T25-Kolben mit 10 ml Medium resuspendiert erhalten).
3,2 Transfektion
Nach 8-24 Uhr, wird HEK-Zellen am Kunststoff haften und sind bereit für die Transfektion. Transfektion von Zellen mit 0,2 ug Kanal cDNA, 0,4 pg M2R-Rezeptor-cDNA und 0,04 pg YFP cDNA mit Invitrogen Lipofectamine 2000. Hinweis: wir verwenden eine kleine Menge von YFP cDNA zu bestimmen, welche Zellen erfolgreich transfiziert (grüne Zellen wird wahrscheinlich enthalten sowohl GIRK Kanäle und M2-Rezeptoren). Die Konzentration der cDNA zu nutzen, müssen Sie für jeden Klon eingestellt werden.
3,3 Fluoreszenz Visualisierung von transfizierten Zellen.
Legen Sie 12-Well-Platte auf der Bühne eines invertierten Fluoreszenzmikroskop und untersuchen Zellen für YFP Ausdruck. Vergleichen Sie DIC Bild und notieren Sie die ungefähre Anzahl der grünen Zellen. Dies ermöglicht eine Abschätzung der Transfektionseffizienz.
3.4 Vorbereitung der 24-Well-Schalen und Poly-D-Lysin beschichteten Deckgläsern
Saubere 12 mm Glasdeckgläschen (Warner, CS-12R) durch Schütteln sie über Nacht mit Radiacwash, gefolgt von Waschen mit entionisiertem Wasser und über Nacht unter Schütteln in 95% Ethanol. Bewahren Sie die sauberen Deckgläschen in 70% igem Ethanol bis zur Verwendung.
Legen Sie Deckgläser in einer Petrischale mit Ethanol Flamme aus Ethanol mit einer Pinzette und Brenner, eind in eine Vertiefung einer sterilen 24-Well-Platte.
Abdeckung jedes Well mit 250 ul von Poly-D-Lysin (PDL)-Lösung [0,2 mg / mL] und lassen Sie die Deckgläser sich über Nacht in PDL-Lösung unter sterilen Haube getaucht. Wickeln Sie den 24-Well-Platte in Parafilm, um Verdunstung zu vermeiden.
Am nächsten Morgen, absaugen und waschen PDL 2x mit sterilem Wasser. Lassen Platten offen unter der Haube trocknen, dann decken. Die 24 Well-Schalen mit beschichteten Deckgläser können in mit steriler Aluminiumfolie gewickelt und bei Raumtemperatur gelagert Wochen.
3,5 Plating transfizierten HEK293T Zellen auf dem Deckglas
24 Stunden nach der Transfektion, Teilen von Zellen in 24-Well-Platte (~ 4 X 10 3 Zellen / well) mit Glasdeckgläschen mit Poly-D-Lysin beschichtet. Hinweis: transfizierten Zellen können bis zu 24-72 Stunden nach der Transfektion verwendet werden. Die Zellen werden aufgeteilt auf einzelne Deckgläser für Patch-Clamp-Elektrophysiologie Experiment liefern.
4. Elektrophysiologie
4.1 Vorbereiten Lösungen
Extrazelluläre (Bad) Lösung: 20 mM KCl, 140 mM NaCl, 0,5 mM CaCl 2, 2 mM MgCl 2 und 10 mM HEPES (pH 7,4 eingestellt mit NaOH).
Aliquot 20K Badlösung und fügen entsprechende Modulatoren
Ort Bad Lösungen in Spritzen (Lösung Container) von den schnellen Austausch Perfusion System. Hinweis: Wir verwenden ein Warner Quetschventil System, das Bad-Lösungen zu kontrollieren. PE-Schlauch wird empfohlen.
Intern / Elektrode-Lösung: 140 mM KCl, 20 mM NaCl, 5 mM EGTA, 5,4 mM MgCl 2, 10 mM HEPES (pH 7,4) mit 2,5 mM K 2 ATP und 0,3 uM Li 2 GTP.
Wir machen die Elektrode Lösung ohne ATP-und GTP. Wir gesondert vorbereiten Aliquots von ATP und GTP, die bei -80 ° C gelagert werden, und fügen Sie die Elektrode Lösung auf dem Tag des Experiments. Wir halten Spritze mit endgültigen Elektrode Lösung auf Eis, um die ATP / GTP zu bewahren. Wir Sterilfilter (0,2 um) die interne / externe Lösungen für das mikrobielle Wachstum zu hemmen und zu reduzieren Möglichkeit einer Verstopfung der Rohre und der Elektrode.
4,2 Pulling Elektroden
Wir verwenden Narishige zweistufigen vertikale Abzieher und Borosilikatglas Elektrode von Warner Instrument (1,5 mm Außendurchmesser, 0,86 mm Innendurchmesser und 7,5 cm Länge), um Elektroden mit 3-7 MOhm Widerstand, wenn sie mit intrazellulären Lösung gefüllt zu erhalten.
Hinweis: Es ist notwendig, um experimentell zu bestimmen Parameter für die Elektrode Abzieher und die Art der Elektrode aus Glas in Ihrem Labor. Für unsere vertikale Abzieher, verwenden wir eine Kochstufe von 60,2 für das erste Zug-und ~ 43 für den zweiten Zug.
4,3 Whole-cell Patch-Clamp-
5. Data Analysis
Wir verwenden Clampfit 9.2 Software, um Daten GIRK Ströme bei -100 mV zu analysieren.
6. Repräsentative Ergebnisse
Sie sollten in der Lage sein Datensatz aus Zellen mit Wildtyp-Kanäle transfizierten Strom. Für GIRK Kanälen messend in der extrazellulären Lösung mit 20 mM K + (und 145 mM K + intrazellulären) sollten sie stark nach innen Berichtigung und eine Umkehr Potenzial von ~ -50 mV, die eine wesentliche Eigenschaft von Kalium-Kanälen ist zu zeigen. Die Wildtyp-Strom stark ansteigen auf Carbachol Anwendung (3-5 mal mehr basalen Strom) und reagieren ähnlich wie die 100 mM Ethanol. Hinweis: das Zeichen Konvention für Elektrophysiologie ist, dass nach innen gerichteten Strom negativ ist und nach außen laufenden positiv ist. Für die L257W-Mutation in der Alkohol-Bindungstasche von GIRK2, werden Sie abgeschwächte Reaktionen sowohl Carbachol und Ethanol zu sehen. Dies deutet darauf hin, dass L 257 in Alkohol und G-Protein-Aktivierung GIRK2 Kanäle beteiligt ist. Weitere Beispiele für die Ergebnisse der GIRK2 Mutagenese, siehe jüngste Veröffentlichung von Aryal et al. 1.

Abbildung 1. Window of Clampfit 8,0 zeigt die Daten-Datei für Wildtyp-GIRK2 Aufnahme. Obere linke Tafel zeigt überlagert fegt in Reaktion auf eine Rampenspannung Protokoll in Gegenwart von verschiedenen externen bah-Lösungen erfasst. Cursor 1 ist bei -100 mV positioniert. Die Cursor-Werte sind, um die Tabelle (rechts) geschrieben. Untere linke Tafel zeigt das Diagramm der Sweep Anzahl vs, Strom. Notieren Sie sich die Zunahme des Stroms (Auslenkung nach unten) mit Ethanol (EtOH) und Carbachol (Carb) und Strom-Hemmung mit Ba 2 +.

Abbildung 2. Window of Clampfit 8,0 zeigt die Daten-Datei für eine Mutante GIRK2-L257W Aufnahme. Beschreibungen sind die gleichen wie in Abbildung 1. Beachten Sie den Verlust von Carbachol (Carb) Aktivierung und Reduktion von EtOH-induzierte Ströme in der Mutante Kanäle.
Site-Mutagenese ist ein klassischer Ansatz zur Struktur-Funktions-Beziehungen von Ionenkanälen zu untersuchen. Es beruht auf der Prämisse, dass durch Änderung einer kritischen Rest des Ionenkanals man in der Lage zu ausgeprägten Veränderungen in den Kanal-Funktion zu beobachten beruhen. Im Gegensatz dazu können viele Mutationen in nicht-kritische Position ohne größere Störungen auf den Kanal-Funktion eingeführt werden. Typischerweise wird der Rückstand in Frage zuerst zu Alanin, eine kleine, nicht-polare Aminosäure, die durch Mutation von Tryptophan, der größten der Aminosäuren 2 gefolgt mutiert. Wenn der Rückstand ist wichtig, um den Kanal-Funktion, werden beide Mutationen verändern Kanal Aktivität. Wenn eine weniger wichtige Rest mutiert ist, sind die Auswirkungen der Mutation, vor allem zu Alanin oft unauffällig. Tryptophan-Mutationen sind eher Veränderungen aufgrund sterischer Hindernisse mit dem Tryptophan Größe verbundenen verursachen. Oft kann, wenn die strukturellen Informationen fehlt, systematische Mutation zu Alanin oder Tryptophan in einem Fragment des Kanals (Alanin-oder Tryptophan-Scan) verwendet, um kritische Rückstände zu lokalisieren. Es ist wichtig zu beachten, dass mehrere Klone mit unterschiedlichen Punktmutationen in parallel damit für die Prüfung mehrerer Rückstände innerhalb relativ kurzer Zeit hergestellt werden können. In jüngster Zeit haben mehrere Kristallstrukturen der Kanäle zur Verfügung stehen 3,4,5. Sie können verwendet werden, um mögliche Schlüssel Rückstände getestet mit dem Ansatz in diesem Protokoll beschrieben werden vorzuschlagen.
Messungen an Wildtyp-Kanal sollte immer begleiten die Messung eines mutierten Kanal als eine positive Kontrolle, um sicherzustellen, dass die Transfektion und elektrophysiologischen Experimenten richtig fertig waren dienen. Punktmutationen können mangels eines funktionierenden Strom ein Strom ähnlich dem Wildtyp-oder eine veränderte Regulierung der Kanal-Aktivität führen. Mangelnde messbarer Strom kann durch unsachgemäße Faltung oder verändert Menschenhandel. In einem solchen Fall kann es sinnvoll sein, um herauszufinden, ob der Kanal richtig Verkehre auf der Oberfläche mit einem Biotinylierung Assay oder Immunfluoreszenzfärbung gegen extrazelluläre Tag (ohne Zellpermeabilisierung) zwischen nicht-funktionalen Kanäle auf der Plasmamembran und Kanäle im Inneren der Zelle beibehalten zu unterscheiden . Schließlich ist es ratsam, nicht nur basale Aktivität des Kanals, sondern auch Folgen der Mutation auf dem Kanal Regelung zu untersuchen. Verschiedene Mechanismen der Modulation des Kanals Funktion könnte in Abhängigkeit von den Ionenkanal von Interesse, einschließlich Regulierung durch G-Proteine, PIP2, Ionen, ATP-Konzentration, Phosphorylierung (mit Tyrosin, Serin oder Threonin-Mutation), Ubiquitinierung oder Sumoylierung (mit Lysin Mutation) untersucht werden und direkte Kanalöffner oder Blocker.
Unsere Arbeit wurde durch die finanzielle Unterstützung von McKnight Endowment Fund for Neuroscience (PAS), das National Institute on Drug Abuse (R01 DA019022; PAS) vom National Institute on Alcohol Abuse und ein Pre-Doc-Stipendium an NIH NRSA PA (F31AA017042) und Alkoholismus. Die GIRK2-L257W Mutante wurde durch Dr. Prafulla Aryal zur Verfügung gestellt.
Fluoreszenzmikroskop und Sponsoring freundlicherweise von Leica Instruments zur Verfügung gestellt.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Chemikalien | Sigma | Varies | |
| Mini-Präp-Kit | Qiagen | 27104 | |
| Radiacwash | Biodex | 005-100 | |
| Poly-D-Lysin-Hydrobromid | BD Biosciences | CB40210 | Poly-L-Lysin kann ebenfalls verwendet werden |
| Maxi-Präp-Kit | Qiagen | 12263 | |
| QuickChange XL II gerichteter Mutagenese-Kit | Stratagene | 200512-5 | |
| Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668-027 | |
| Deckgläser ˆ… 12 mm | Warner Instruments | CS-12R | |
| Kapillar-Glasmikropipetten aus Borosilikat – Standardwandung | Warner Instruments | G150-3 | |
| Invertiertes Fluoreszenzmikroskop | Leica | DMI3000 B | |
| Elektrophysiologie | Nikon/ Leica/ Zeiss | Jedes invertierte DIC (Hoffmann) Mikroskop mit Fluoreszenz | |
| Verstärker | Molecular Devices | Axon Axopatch 200B Verstärker | |
| Perfusionssystem | Warner Instruments | VC-6 Perfusion MM-6 | |
| Digitalisierer | Molecular Devices | Digidata 1320 Digitalisierer | |
| Manipulatoren | Sutter Instruments | Manipulator: MP-85 | |
| Elektrodenzieher | Narishige | PC10 vertikaler Elektrodenzieher | |
| Isolationstisch | Technical Manufacturing Corporation | Lufttisch |
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragen
Leica