Name: Einzelmolekülmessung der Proteininteraktionsdynamik in biomolekularen Kondensaten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-01-05T14:35:00.000+00:00
Duration: 6 min 48 s
Description: Erfahren Sie, wie Einzelmolekülmikroskopie die Dynamik intrinsisch ungeordneter Proteine in biomolekularen Kondensaten lebender menschlicher Zellen quantifiziert. Diese Methode ermöglicht die Messung von Proteininteraktionen und Verweilzeiten.

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Diese Arbeit wurde durch das National Science Foundation Graduate Research Fellowship unter der Fördernummer unterstützt. DGE-1745301 (S.Y.), Pew-Stewart Scholar Award (S.C.), Searle Scholar Award (S.C.), der Shurl and Kay Curci Foundation Research Grant (S.C.), der Merkin Innovation Seed Grant (S.C.), der Mallinckrodt Research Grant (S.C.) und der Margaret E. Early Medical Research Trust 2024 Zuschuss (S.C.). S.C. wird auch vom NIH/NCI unter der Award-Nummer P30CA016042 unterstützt.

1. Markierung von Proteinen in Zellen
<ol><li>Exprimieren Sie das Protein von Interesse, das mit HaloTag fusioniert ist, in der gewünschten Zelllinie.</li>
	<li>Stabiles exprimieren Halo-markiertes H2B im gleichen Zelltyp wie in 1.1 unter Verwendung von Transposons oder viraler Transduktion.</li>
</ol>2. Vorbereitung von Deckgläsern
<ol><li>Reinigen Sie vor der Verwendung von Deckgläsern für die Zellkultur die Deckgläser, um autofluoreszierende Verunreinigungen zu entfernen.<ol><li>Montieren Sie die Deckgläser #1,5 mit einem Durchmesser von 25 mm auf einem Keramikfärbegestell und legen Sie sie in einen Polypropylenbehälter.</li>
		<li>Deckgläser vollständig in eine 1 M Lösung aus KOH tauchen und 1 h beschallen.</li>
		<li>Deckgläser dreimal mit doppelt destilliertem Wasser (ddH2O) abspülen.</li>
		<li>Deckgläser vollständig in 100% Ethanol tauchen und 1 h beschallen.</li>
		<li>Deckgläser vollständig in 20%iges Ethanol mit ddH2O verdünnt tauchen und bis zur Verwendung bei 4 °C lagern.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Vorbereitung der Zellen für die Mikroskopie
HINWEIS: Führen Sie die Schritte aus diesem Abschnitt in einer Biosicherheitswerkbank durch, um eine Kontamination der Zellen zu verhindern.
<ol><li>Plattenzellen auf gereinigten Deckgläsern. Führen Sie 2 Tage vor der Bildgebung durch, wenn das Halo-markierte Protein vorübergehend exprimiert werden soll. Führen Sie 1 Tag vor der Bildgebung durch, wenn das Halo-markierte Protein stabil oder endogen exprimiert wird.<ol><li>Verwenden Sie eine sterile Pinzette, um Deckgläser in eine 6-Well-Platte (ein Deckglas/Well pro Zellprobe) zu legen und das restliche Ethanol verdampfen zu lassen.</li>
		<li>Plattieren Sie jede Vertiefung mit einer geeigneten Anzahl von Zellen, um zum Zeitpunkt der Bildgebung eine Konfluenz von 70 % zu erreichen. Plattieren Sie ein zusätzliches Well mit Zellen, die H2B-Halo mit der gleichen Zielkonfluenz stabil exprimieren.</li>
		<li>Befolgen Sie diesen Schritt nur, wenn Sie das Halo-markierte Protein von Interesse vorübergehend exprimieren. Die Zellen werden 24 Stunden lang bei 37 °C und 5 % CO2 inkubiert. Transfizieren Sie dann die Zellen mit dem Plasmid, das für das markierte Protein von Interesse kodiert, unter Verwendung geeigneter Transfektionsreagenzien und gemäß den Richtlinien des Herstellers.</li>
		<li>Inkubieren Sie die Zellen 24 Stunden lang bei 37 °C und 5 % CO2.</li>
	</ol></li>
	<li>Färben Sie die Zellen, die das Halo-markierte Protein von Interesse exprimieren, sowohl mit einem nicht photoaktivierbaren Halo-Liganden (z. B. JFX549) als auch mit einem photoaktivierbaren Halo-Liganden (z. B. PA-JF646). Färbezellen, die H2B-Halo exprimieren, nur mit dem photoaktivierbaren Halo-Liganden. HINWEIS: Die hier aufgeführten Konzentrationen von Halo-Liganden sollten als Ausgangspunkt verwendet werden; Die optimale Konzentration hängt vom Expressionsniveau und der lokalen Konzentration des interessierenden Proteins im Kondensat ab.<ol><li>Für jede Zellprobe, die das interessierende Halo-markierte Protein exprimiert, werden 100 nM JFX549 Halo-Ligand35 und 20 nM PA-JF646 Halo-Ligand36 in 500 μl geeignetem Zellmedium verdünnt. Für jede Probe, die H2B-Halo exprimiert, verdünnen Sie nur 20 nM PA-JF646 Halo-Liganden in 500 μl geeignetem Zellmedium.</li>
		<li>Aspirieren Sie für jede Vertiefung vorhandene Medien, fügen Sie 2 ml 1x PBS hinzu, aspirieren Sie dann PBS (dies wird für den Rest des Protokolls als "Spülung" bezeichnet) und ersetzen Sie es durch Medien, die die entsprechenden Halo-Liganden enthalten.</li>
		<li>1 h bei 37 °C und 5 % CO2 inkubieren.</li>
		<li>Viermal mit PBS spülen und durch frische Medien ersetzen, die keine Halo-Liganden enthalten.</li>
		<li>15 min bei 37 °C und 5 % CO2 inkubieren.</li>
		<li>Die Schritte 3.2.4 und 3.2.5 dreimal wiederholen (insgesamt vier Spül-Inkubationszyklen).</li>
		<li>Verwenden Sie eine sterile Pinzette, um das Deckglas mit den Zellen in eine Zellkultur-Deckglaskammer zu übertragen, die mit dem Mikroskoptisch kompatibel ist.</li>
		<li>Geben Sie phenolrotfreie Medien in die Kammer und fahren Sie mit der Bildgebung fort. Inkubieren Sie die Proben, die nicht sofort bei 37 °C und 5 % CO2 abgebildet werden, bis sie benötigt werden.</li>
	</ol></li>
</ol>4. Einzelmolekül-Bildgebung
HINWEIS: Unabhängige Experimente, die die Verweilzeiten sowohl von H2B als auch des interessierenden Proteins messen, sollten über mehrere (≥3) Tage durchgeführt werden, um statistisch signifikante Ergebnisse zu erzielen. Richten Sie die beiden Kameras vor der Abbildung von Zellproben am Mikroskop mit 0,1 μm gefärbten Mikrokugeln (Table of Materials) oder einem ähnlichen Kalibrierungsstandard aus.
<ol><li>Bereiten Sie das Mikroskop vor.<ol><li>Schalten Sie das Mikroskop und den Computer ein, der das Mikroskop steuert.</li>
		<li>Schalten Sie die Inkubationskomponenten für lebende Zellen (Heizung und CO2) am Mikroskop ein und stellen Sie es auf 37 °C und 5 % CO2 ein. Lassen Sie das System ausgleichen.</li>
		<li>Geben Sie einen Tropfen des entsprechenden Öls auf ein 100x TIRF-Ölimmersionsobjektiv am Mikroskop und laden Sie die Zellprobe auf den Mikroskoptisch.</li>
	</ol></li>
	<li>Identifizieren Sie eine Zelle, die abgebildet werden soll.<ol><li>Bilden Sie die Zellprobe unter Hellfeldbeleuchtung ab und passen Sie die z-Position an, bis die Zellen scharf sind.</li>
		<li>Identifizieren Sie eine Zelle, die morphologische Merkmale gesunder Zellen aufweist.</li>
		<li>Schneiden Sie das Sichtfeld (FOV) so zu, dass es nur den Zielzellkern erfasst.</li>
		<li>Verwenden Sie die Laserbeleuchtung und stellen Sie den TIRF-Winkel ein, bis die HILO-Beleuchtung41 mit optimalem Signal-Rausch-Verhältnis der einzelnen Moleküle erreicht ist.</li>
	</ol></li>
	<li>Bild H2B-Halo in lebenden Zellen. HINWEIS: Die in diesem Abschnitt verwendeten Laserleistungen sind spezifisch für dieses Experiment und als Beispiel enthalten. Geeignete Laserleistungen sollten nach den in der Diskussion aufgeführten Kriterien ausgewählt werden.<ol><li>Richten Sie eine Akquisitionskonfiguration wie folgt ein. Stellen Sie die Belichtungszeit auf 500 ms ein. Während jeder 500-ms-Exposition werden PA-JF646-markierte H2B-Halo-Moleküle mit einem 9,1 mW, 640 nm-Strahl angeregt. Während der Totzeit zwischen den Bildern (158,01 μs auf dem hier verwendeten Bildgebungssystem) photoaktivieren Sie die Moleküle mit einem 111 μW, 405 nm Strahl.</li>
		<li>Nehmen Sie mit diesen Einstellungen 2000 Frames kontinuierlich auf. Erhöhen Sie die Leistung des 405-nm-Strahls im Laufe der Aufnahme allmählich, wenn die Anzahl der photoaktivierten Moleküle nicht mehr ausreicht.</li>
	</ol></li>
	<li>Stellen Sie sich das Halo-markierte Protein von Interesse in lebenden Zellen vor.<ol><li>Verwenden Sie einen dichroitischen Langpassspiegel, um die Emissionswellenlängen auf zwei Kameras aufzuteilen, eine zum Nachweis von PA-JF646 und die andere zum Nachweis von JFX549. Verwenden Sie geeignete Emissionsfilter vor den Kameras.</li>
		<li>Verwenden Sie die gleiche Erfassungskonfiguration, die in 4.3.1 beschrieben ist, mit der folgenden Änderung. Fügen Sie einen zusätzlichen JFX549-Kanal hinzu, um die Positionen der Halo-markierten Proteinkondensate im Laufe der Zeit zu verfolgen. Erfassen Sie alle 10 s ein Bild (500 ms, 2,1 mW, 561 nm Anregung) im JFX549-Kanal, während die Erfassung des PA-JF646-Kanals beibehalten wird. Dies führt zu einem Durchbluten des PA-JF646-Kanals, das bei der Datenanalyse nach der Erfassung berücksichtigt wird.</li>
		<li>Nehmen Sie mit diesen Einstellungen 2000 Frames kontinuierlich auf. Erhöhen Sie die Leistung des 405-nm-Strahls im Laufe der Aufnahme allmählich, wenn die Anzahl der photoaktivierten Moleküle nicht mehr ausreicht.</li>
	</ol></li>
</ol>5. Analyse von Einzelmolekül-Bildgebungsdaten
HINWEIS: Die in Abschnitt 5 verwendeten Parameter sind spezifisch für dieses Experiment und als Beispiel enthalten. Geeignete Parameter sollten nach den in der Diskussion aufgeführten Kriterien ausgewählt werden.
<ol><li>Bereiten Sie Bildrohdaten für die Verarbeitung vor.<ol><li>Konvertieren Sie für die Daten des interessierenden Proteins jeden Kanal aus der Rohbilddatendatei mit ImageJ oder einer ähnlichen Bildverarbeitungssoftware in eine unabhängige .tif Datei. Konvertieren Sie für die Daten von H2B den einzelnen Kanal aus der Rohbilddatendatei auf die gleiche Weise in eine .tif Datei. HINWEIS: Abhängig von der verwendeten Erfassungssoftware kann es zu leeren Bildern im Kondensatfilm kommen, da nur alle 10 s ein Kondensat-Tracking-Bild aufgenommen wird. Die leeren Rahmen sollten mit dem neuesten Kondensatrahmen gefüllt werden (einige Erfassungssoftware erledigt dies automatisch). Wenn während dieser Kondensatverfolgungsrahmen ein signifikantes Durchbluten vom Kondensatkanal (JFX549) in den Einzelmolekülkanal (PA-JF646) auftritt, sollten die entsprechenden Einzelmolekülrahmen durch den neuesten Einzelmolekülrahmen ersetzt werden.</li>
		<li>Wenn es Frames gibt, die aus den oben genannten Gründen in einem der beiden Filme ersetzt werden müssen, ersetzen Sie sie durch den neuesten Frame aus diesem Film, indem Sie (falls erforderlich) pretracking_comb.txt, ein ImageJ-Makro, das in Chong et al.1 verfügbar ist, ändern und ausführen und den Anweisungen folgen.</li>
	</ol></li>
	<li>Erzeugung von Einzelpartikeltrajektorien unter Verwendung einer SPT-Software, z. B. SLIMfast39, einer GUI-Implementierung des MTT-Algorithmus38 , die in Teves et al.42 verfügbar ist.<ol><li>Laden Sie die Datei aus 5.1.2 mit dem Einzelmolekülfilm in SLIMfast, indem Sie auf Load &gt; Imagestack klicken.</li>
		<li>Stellen Sie die Parameter ein (Lokalisierungsfehlerrate: 10-6; Deflationsschleifen: 3) für die Lokalisierung durch Klicken auf OPT &gt; Blatt: Lokalisierung.</li>
		<li>Stellen Sie die Parameter ein (Spitzenemission: 664 nm; Verzögerungszeit: 500 ms) für die Erfassung durch Klicken auf OPT &gt; Blatt: Erfassung.</li>
		<li>Visualisieren Sie die Lokalisierungen aller Moleküle in einem einzigen Frame, um sicherzustellen, dass die gewählten Parameter angemessen sind (TEST LOC). Ändern Sie die Parameter in den Schritten 5.2.2 und 5.2.3 und wiederholen Sie diesen Schritt, falls dies nicht zulässig ist.</li>
		<li>Generieren Sie eine Datei, die die Lokalisierungen aller Moleküle in jedem Frame enthält (LOC ALL).</li>
		<li>Laden Sie die Datei von 5.2.5 in SLIMfast, indem Sie &gt; Partikeldaten laden &gt; SLIMfast klicken.</li>
		<li>Stellen Sie die Parameter ein (maximal erwarteter Diffusionskoeffizient: 0,1 μm2/s; Maximale Anzahl von Wettbewerbern: 5) für die Trajektoriengenerierung durch Klicken auf OPT &gt; Sheet: Tracking.</li>
		<li>Generieren Sie eine Datei mit den Trajektorien aller Moleküle (GEN TRAJ).</li>
	</ol></li>
	<li>Filtern Sie die Trajektorien heraus, die kürzer als tmin, 2,5 s sind, mit evalSPT39, verfügbar in Drosopoulos et al.43, um Tracking-Fehler zu berücksichtigen, die zu künstlich kurzen Trajektorien führen.<ol><li>Laden Sie die Datei von 5.2.8 in evalSPT (+ &gt; Datei von 5.2.8 &gt; OK).</li>
		<li>Stellen Sie die Parameter ein (min.: 5 Bilder; max: maximale Trajektorienlänge für Datei aus 5.2.8), um die Trajektorien herauszufiltern, die kürzer als 2,5 s sind.</li>
		<li>Generieren Sie eine Datei mit allen gefilterten Trajektorien (EXPORT DATA).</li>
	</ol></li>
	<li>Befolgen Sie diesen Schritt nur für die Trajektorien des interessierenden Proteins. Sortieren Sie die Trajektorien in die in den Kondensaten und aus den Kondensaten heraus und extrahieren Sie dann die mittlere Verweilzeit im Kondensat. HINWEIS: Alle Codes für diesen Abschnitt sind in Chong et al.1 verfügbar.<ol><li>Legen Sie einen Schwellenwert für alle Frames des Films fest, die im JFX549-Kanal erfasst wurden, um einen Zeitrafferfilm zu erzeugen, der mit der zeitentwickelnden Binärmaske gefüllt ist, die Kondensatpositionen hervorhebt, indem Sie die ImageJ-Makro-, Nukleus- und Cluster-mask_v2.txt ausführen und den Eingabeaufforderungen folgen.</li>
		<li>Formatieren Sie die in 5.3.3 generierten Einzelmolekül-Trajektorien neu. Verwenden Sie das MATLAB-Skript ConvertASCII_SlowTracking_css3.m und passen Sie die Dateinamen, Pfade und Parameter nach Bedarf an. (Parameter: Belichtung, 0,5 s; Auflösung, 0,16 μm/Pixel).</li>
		<li>Sortieren Sie Trajektorien basierend auf dem Bruchteil der Lebensdauer, die ein bestimmtes Molekül in einem Kondensat (F) verbringt, indem Sie das MATLAB-Skript categorization_v4.m verwenden und die Dateinamen und Pfade nach Bedarf anpassen.</li>
		<li>Fahren Sie nur mit In-Kondensat-Trajektorien fort.</li>
	</ol></li>
	<li>Extrahieren Sie kobs,s und kpb und berechnen Sie die korrigierte mittlere Verweilzeit, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq05.jpg" style="margin: auto;">.<ol><li>Extrahieren Sie kobs,s aus dem interessierenden Protein im Kondensat mit dem MATLAB-Skript PLOT_ResidenceHist_css.m und passen Sie Dateinamen, Pfade und Parameter nach Bedarf an. (Parameter: Belichtung, 0,5 s; StartFrameForFit, 5 Frames).</li>
		<li>Extrahieren Sie kpb aus den H2B-Trajektorien mit dem MATLAB-Skript PLOT_ResidenceHist_css.m und passen Sie Dateinamen, Pfade und Parameter nach Bedarf an. (Parameter: Belichtung, 0,5 s; StartFrameForFit, 5 Frames).</li>
		<li>Berechnen Sie die korrigierte mittlere Verweilzeit des interessierenden Proteins, das spezifisch an seine Kondensate gebunden ist, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq05.jpg" style="margin: auto;">als <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq07v3.jpg" style="margin: auto;"> HINWEIS: Es sollten Kontrollen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass unterschiedliche Belichtungszeiten, die lang genug sind, um mobile Partikel zu verwischen, z. B. 300 ms und 800 ms, immer noch zur gleichen mittleren Verweilzeit des interessierenden Proteins führen.</li>
	</ol></li>
</ol>

Lebendzell-Einzelmolekül-Imaging-basierte Quantifizierung von Proteininteraktionen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Das hier vorgestellte Protokoll ist für Systeme wie die in Irgen-Gioro et al.40 untersuchten konzipiert. Je nach Anwendung können einige Komponenten des Protokolls modifiziert werden, z. B. das Verfahren zur Erzeugung fluoreszenzmarkierter Zelllinien, das fluoreszierende Markierungssystem und die Art des verwendeten Deckglases. Das Halo-Tagging eines Proteins in einer Zelle kann mit zwei Strategien erfolgen, je nachdem, welche für ein bestimmtes Experiment besser geeignet ist. 1) Exogene Expressio...

Eine wachsende Zahl von Arbeiten deutet darauf hin, dass biomolekulare Kondensate eine wichtige Rolle bei der zellulären Organisation und zahlreichen zellulären Funktionen spielen, z. B. Transkriptionsregulation 1,2,3,4,5, DNA-Schadensreparatur 6,7,8, Chromatinorganisation 9,10,11,12, X-Chromosom Inaktivierung 13,14,15 und intrazelluläre Signalübertragung 16,17,18. Darüber hinaus ist die Dysregulation biomolekularer Kondensate an vielen Krankheiten beteiligt, darunter Krebs 19,20,21 und neurodegenerative Erkrankungen 22,23,24,25,26. Die Kondensatbildung wird häufig durch transiente, selektive und multivalente Protein-Protein-, Protein-Nukleinsäure- oder Nukleinsäure-Nukleinsäure-Wechselwirkungen angetrieben27. Unter bestimmten Bedingungen können diese Wechselwirkungen zur Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (LLPS) führen, einem Dichteübergang, der bestimmte Biomoleküle lokal in membranlosen Tröpfchen anreichert. Solche multivalenten Wechselwirkungen werden oft durch die intrinsisch ungeordneten Regionen (IDRs) von Proteinen vermittelt 1,28,29. Die biophysikalische Charakterisierung dieser Wechselwirkungen auf molekularer Ebene ist entscheidend für unser Verständnis zahlreicher gesunder und abweichender zellulärer Funktionen, da Kondensate in ihnen allgegenwärtig sind. Obwohl Techniken, die auf der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie basieren, z. B. die Fluoreszenzwiederherstellung nach Photobleaching (FRAP)30,31,32, weit verbreitet sind, um qualitativ zu zeigen, dass der molekulare Austausch zwischen Kondensaten und der umgebenden zellulären Umgebung dynamisch ist, ist die Quantifizierung der Interaktionsdynamik spezifischer Biomoleküle innerhalb von Kondensaten mit konventioneller konfokaler Mikroskopie oder Einzelmolekülen im Allgemeinen nicht möglich Mikroskopie ohne spezielle Datenanalysemethoden. Die in diesem Protokoll beschriebene Einzelpartikel-Tracking-Technik (SPT) basiert auf der Lebendzell-Einzelmolekülmikroskopie33 und bietet ein einzigartig leistungsfähiges Werkzeug zur Quantifizierung der Wechselwirkungsdynamik zwischen bestimmten Proteinen in Kondensaten. Die Auslesung von SPT für eine solche Messung ist die mittlere Verweilzeit eines Proteins von Interesse in den Kondensaten.
Das Protokoll kann in zwei Teile unterteilt werden - Datenerfassung und Datenanalyse. Der erste Schritt der bildgebenden Datenerfassung besteht darin, in Zellen ein Protein von Interesse zu exprimieren, das mit einem HaloTag34 fusioniert ist. Dies ermöglicht die Markierung des interessierenden Proteins mit zwei Fluorophoren, wobei ein Großteil der Proteinmoleküle mit einem nicht photoaktivierbaren Fluorophor (z. B. JFX549 Halo-Ligand35) und ein kleiner Teil von ihnen mit einem spektral unterschiedlichen, photoaktivierbaren Fluorophor (z. B. PA-JF646 Halo-Ligand36) markiert werden soll). Dies ermöglicht die gleichzeitige Erfassung aller Kondensatstellen in der Zelle und die Erfassung von Einzelmolekülfilmen des interessierenden Proteins, das an die Kondensate bindet und löst. In der Zwischenzeit wird derselbe Zelltyp modifiziert, um Halo-markiertes H2B stabil zu exprimieren, ein Histon, das auf Chromatin weitgehend unbeweglich ist. Die Zellen werden dann mit dem PA-JF646-Halo-Liganden gefärbt, um eine Einzelmolekül-Bildgebung von H2B zu ermöglichen. Wie im Folgenden ausführlich diskutiert wird, berücksichtigt dieses Experiment den Beitrag des Photobleaching, um eine präzise Quantifizierung der Interaktionsdynamik des interessierenden Proteins zu ermöglichen. Zellen für bildgebende Experimente müssen dann auf sauberen Deckgläsern kultiviert, mit HaloTag-Liganden gefärbt und in einer Bildgebungskammer für lebende Zellen zusammengesetzt werden. Von dort aus wird die Probe unter stark geneigter und laminierter optischer Blattbeleuchtung (HILO) auf einem TIRF-Mikroskop (Total Internal Reflection Fluorescence) abgebildet, das Zweikanal-Bildgebung und Einzelmoleküldetektion ermöglicht. Die Emission wird dann auf zwei Kameras aufgeteilt, eine verfolgt die Kondensatpositionen und eine verfolgt einzelne Moleküle. Die Akquisition wird mit einer langen Integrationszeit (in der Größenordnung von Hunderten von ms) durchgeführt, um frei diffundierende Proteine zu verwischen und nur Proteine einzufangen, die aufgrund der Bindung an stabile Strukturen in der Zelle weniger mobil sind37.
Der erste Schritt der Datenanalyse besteht darin, einen etablierten Einzelpartikel-Tracking-Algorithmus (SPT)38,39 zu verwenden, um einzelne Proteinmoleküle in jedem Bild des Films zu lokalisieren und die Lokalisierungen zu einer Trajektorie für jedes Molekül über seine nachweisbare Lebensdauer zusammenzusetzen. Die Trajektorien werden dann in diejenigen sortiert, die Moleküle innerhalb und Moleküle außerhalb der Kondensate repräsentieren, indem die Lokalisationen der Moleküle während ihrer Trajektorien mit den Lokalisationen aller Kondensate zu den entsprechenden Zeitenverglichen werden 1.
Als nächstes wird eine Überlebenskurve (1 - CDF) unter Verwendung der Längen aller In-Kondensat-Trajektorien erstellt. Die scheinbare mittlere Verweilzeit der Moleküle wird dann extrahiert, indem die Überlebenskurve an das folgende Zweikomponenten-Exponentialmodell der Proteinbindung angepasst wird:
<img align="center" alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq01.jpg" style="margin: auto;">,
mit A als Anteil der unspezifisch gebundenen Moleküle und mit kobs,ns und kobs,s als den beobachteten Dissoziationsraten der unspezifisch gebundenen bzw. spezifisch gebundenen Moleküle. Von hier an werden nur noch kobs,s berücksichtigt. Die Dynamik sowohl der Proteindissoziation, ktrue,s, als auch der Photobleichung des Fluorophors, kpb, trägt zu kobs,s als
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq02.jpg" style="margin: auto;">;
Um die Effekte der Proteindissoziation zu isolieren, wird daher die spezifische Dissoziationsrate von H2B-Halo in der zuvor erwähnten Zelllinie gemessen.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq03.jpg" style="margin: auto;">
H2B ist ein Protein, das stabil in das Chromatin integriert ist und auf der Zeitskala einer Einzelmolekül-Filmaufnahme eine minimale Dissoziation erfährt37. Seine spezifische Dissoziationsrate ist dann gleich der Photobleichrate des PA-JF646-Halo-Liganden oder
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq04.jpg" style="margin: auto;">.
Die mittlere Verweilzeit des interessierenden Proteins im Kondensat, <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq05.jpg" style="margin: auto;">, ist dann
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/66169/66169eq06.jpg" style="margin: auto;">.
Repräsentative Ergebnisse von Irgen-Gioro et al.40 werden gezeigt, wobei dieses Protokoll angewendet wurde, um zu zeigen, dass die Fusion einer Oligomerisierungsdomäne mit IDR zu längeren Verweilzeiten der IDR in ihren Kondensaten führt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die hinzugefügte Oligomerisierungsdomäne die homotypischen Wechselwirkungen der IDR stabilisiert, die LLPS antreiben. Im Prinzip kann die gleiche Methode mit leicht modifizierten Protokollen angewendet werden, um die homotypischen oder heterotypischen Wechselwirkungen jedes Proteins zu charakterisieren, das an der Bildung von Kondensaten jeglicher Art beteiligt ist.

<table><tbody><tr><td>0,1 &Mikro; m TetraSpeck Mikrosphäre</td><td>Invitrogen</td><td>T7279</td><td>Einzelmolekül-Bildgebung</td></tr><tr><td>25 mm Durchmesser, #1,5 Deckgläser</td><td>Marienfeld Superior</td><td>111650</td><td>Präparation von Deckgläsern</td></tr><tr><td>593/40 nm Bandpassfilter</td><td>Semrock</td><td>FF01-593/40-25</td><td>Einzelmolekül-Bildgebung</td></tr><tr><td>676/37 nm Bandpassfilter</td><td>Semrock</td><td>FF01-676/37-25</td><td>Einzelmolekül-Bildgebung</td></tr><tr><td>6-Well TC Plate</td><td>Genesee</td><td>25-105MP</td><td>Vorbereitung von Zellen für die Mikroskopie</td></tr><tr><td>Zelllinie: U-2 OS</td><td>ATCC</td><td>HTB-96</td><td>Markierung von Proteinen in Zellen</td></tr><tr><td>ConvertASCII_SlowTracking_css3 .m</td><td></td><td></td><td>Analyse von Einzelmolekül-Bildgebungsdaten: Verfügbar in Chong et al., 2018</td></tr><tr><td>Coverglass Staining Rack</td><td>Thomas</td><td>24957</td><td>Vorbereitung von Deckgläsern</td></tr><tr><td>Deuterated Janelia Fluor 549 (JFX549)</td><td>Janelia Research Campus</td><td></td><td>Vorbereitung von Zellen für die Mikroskopie</td></tr><tr><td>DMEM, Low Glucose</td><td>Gibco</td><td>10-567-022</td><td>Markierung von Proteinen in Zellen: Verwendete Wachstumsmedien: DMEM mit 5 % fötalem Rinderserum, 1 % Penstrep</td></tr><tr><td>Eclipse Ti2-E Inverses Mikroskop</td><td>Nikon</td><td></td><td>Einzelmolekül-Bildgebung</td></tr><tr><td>Ethanol 200 Proof</td><td>Lab Alley</td><td>EAP200-1GAL</td><td>Vorbereitung von Deckgläsern</td></tr><tr><td>evalSPT</td><td></td><td></td><td>Analyse von Einzelmolekül-Bildgebungsdaten: Verfügbar in Drosopoulos et al., 2020</td></tr><tr><td>Fetal Bovine Serum</td><td>Cytiva</td><td>SH30396.03</td><td>Markierung von Proteinen in Zellen: Verwendete Wachstumsmedien: DMEM mit 5 % fötalem Rinderserum, 1 % Penstrep</td></tr><tr><td>Fidschi</td><td></td><td></td><td>Analyse von Einzelmolekül-Bildgebungsdaten</td></tr><tr><td>Ikon Ultra CCD Camera</td><td>Andor</td><td>X-13723</td><td>Einzelmolekül-Bildgebung</td></tr><tr><td>Dichromoitische Langpass-Strahlteiler</td><td>Semrock</td><td>Di02-R635-25x36</td><td>Einzelmolekül-Bildgebung: Rot/Fernrot Strahlteiler</td></tr><tr><td>LUN-F Lasereinheit</td><td>Nikon</td><td></td><td>Einzelmolekül-Bildgebung: 405/488/561/640</td></tr><tr><td>MatTek Glasbodenschale</td><td>MatTek</td><td>P35G-1.5-20-C</td><td>Vorbereitung der Zellen für die Mikroskopie: 35 mm, #1.5 Deckglasschale für die Zellkultur.</td></tr><tr><td>NIS-Elements</td><td>Nikon</td><td></td><td>Single-molecule imaging: Mikroskop-Erfassungssoftware</td></tr><tr><td>Nucleus und Cluster mask_v2.txt</td><td></td><td></td><td>Analyse von Einzelmolekül-Bildgebungsdaten: Verfügbar in Chong et al., 2018</td></tr><tr><td>Penicillin-Streptomycin</td><td>Gibco</td><td>15-140-122</td><td>Markierung von Proteinen in Zellen: Verwendete Wachstumsmedien: DMEM mit 5 % fötalem Rinderserum, 1 % Penstrep</td></tr><tr><td>Phosphat gepufferte Kochsalzlösung</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>18912014</td><td>Markierung von Proteinen in Zellen</td></tr><tr><td>Photoaktivierbares Janelia Fluor 646 (PA-JF646)</td><td>Janelia Research Campus</td><td></td><td>Vorbereitung von Zellen für die Mikroskopie</td></tr><tr><td>PLOT_ResidenceHist_css.m</td><td></td><td></td><td>Analyse von Einzelmolekül-Bildgebungsdaten: Verfügbar in Chong et al., 2018</td></tr><tr><td>Kaliumhydroxid</td><td>Mallinckrodt Chemicals</td><td>6984-06</td><td>Herstellung von Deckgläser</td></tr><tr><td>pretracking_comb.txt</td><td></td><td></td><td>Analyse von Einzelmolekül-Bildgebungsdaten: Verfügbar in Chong et al., 2018</td></tr><tr><td>SLIMfast</td><td></td><td></td><td>Analyse von Einzelmolekül-Bildgebungsdaten: Verfügbar in Teves et al., 2016</td></tr><tr><td>Stage-top Inkubationssystem</td><td>Tokai Hit</td><td></td><td>Einzelmolekül-Bildgebung: Für die Lebendzell-Bildgebung</td></tr><tr><td>TwinCam Dual-Emissions-Bildsplitter</td><td>Cairn Research</td><td></td><td>Ultraschallreiniger</td></tr><tr><td></td><td>Branson</td><td>5800</td><td>für Einzelmolekül-Bildgebung Vorbereitung von Deckgläsern</td></tr></tbody></table>

einzelmolekülmessung der proteininteraktionsdynamik in biomolekularen kondensaten

Single-Molecule Measurement of Protein Interaction Dynamics Within Biomolecular Condensates

Biomolekulare Kondensate, die durch Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (LLPS) gebildet werden, gelten als entscheidend für die zelluläre Organisation und eine zunehmende Anzahl zellulärer Funktionen. Die Charakterisierung von LLPS in lebenden Zellen ist auch deshalb wichtig, weil aberrante Kondensation mit zahlreichen Krankheiten in Verbindung gebracht wurde, darunter Krebs und neurodegenerative Erkrankungen. LLPS wird oft durch selektive, transiente und multivalente Wechselwirkungen zwischen intrinsisch ungeordneten Proteinen angetrieben. Von großem Interesse ist die Interaktionsdynamik von Proteinen, die an LLPS beteiligt sind, die durch Messungen ihrer Bindungsverweilzeit (RT), d.h. der Zeit, die sie in Kondensaten gebunden verbringen, gut zusammengefasst wird. Hier stellen wir eine Methode vor, die auf der Einzelmolekül-Bildgebung lebender Zellen basiert und es uns ermöglicht, die mittlere RT eines bestimmten Proteins in Kondensaten zu messen. Wir visualisieren gleichzeitig einzelne Proteinmoleküle und die Kondensate, mit denen sie assoziiert sind, verwenden Single-Particle Tracking (SPT), um Einzelmolekül-Trajektorien aufzuzeichnen, und passen die Trajektorien dann an ein Modell der Protein-Tröpfchen-Bindung an, um die mittlere RT des Proteins zu extrahieren. Schließlich zeigen wir repräsentative Ergebnisse, bei denen diese Einzelmolekül-Bildgebungsmethode angewendet wurde, um die mittleren RTs eines Proteins an seinen LLPS-Kondensaten zu vergleichen, wenn es mit einer oligomerisierenden Domäne fusioniert und nicht fusioniert ist. Dieses Protokoll ist allgemein anwendbar auf die Messung der Interaktionsdynamik jedes Proteins, das an LLPS beteiligt ist.

Hier präsentieren wir repräsentative Ergebnisse von Irgen-Gioro et al.40, wo wir dieses SPT-Protokoll verwendet haben, um die Interaktionsdynamik zweier Proteine in ihren jeweiligen selbstorganisierten LLPS-Kondensaten zu vergleichen. TAF15 (TATA-Box-Bindungsprotein-assoziierter Faktor 15) enthält einen IDR, der bei Überexpression in menschlichen Zellen einer LLPS unterzogen werden kann. Wir stellten die Hypothese auf, dass die Fusion von TAF15(IDR) mit FTH1 (Ferritin-Schwerkette 1), das ein Oligo...

Es wurde gezeigt, dass viele intrinsisch ungeordnete Proteine an der Bildung hochdynamischer biomolekularer Kondensate beteiligt sind, ein Verhalten, das für zahlreiche zelluläre Prozesse wichtig ist. Hier stellen wir eine auf Einzelmolekül-Bildgebung basierende Methode zur Quantifizierung der Dynamik vor, mit der Proteine in biomolekularen Kondensaten in lebenden Zellen miteinander interagieren.

Einzelmolekülmessung der Proteininteraktionsdynamik in biomolekularen Kondensaten

Biomolecular condensates formed via liquid-liquid phase separation (LLPS) have been considered critical in cellular organization and an increasing number ...

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Research

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JoVE Journal

Biology

Biologie

Dieses Video beschreibt eine Methode, um die Assemblierung von Fusionsprotein-Kondensaten auf DNA-Molekülen an bestimmten Loci mit Hilfe von Einzelmolekül-Bildgebung zu visualisieren. Diese Kondensate werden durch LCD-LCD- und LCD-DBD-Wechselwirkungen gebildet, die die Rekrutierung von RNA-Polymerase II und eine verbesserte Gentranskription ermöglichen.

Einzelmolekül-Bildgebung zur Visualisierung der Ansammlung von Fusionsprotein-Kondensaten auf DNA-Vorhängen

Hier beschreiben wir die Instrumentierung und Verfahren zum Nachweis einzelner fluoreszenzmarkierten Proteinmoleküle in Wechselwirkung mit einem einzelnen DNA-Molekül zwischen den zwei optisch eingeschlossene Mikrokügelchen suspendiert.

Die Kombination von Einzelmolekül-Imaging und Manipulation für das Studium der Protein-DNA-Wechselwirkungen

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um die Montage und Demontage der Biolayer Interferometrie (BLI) mit Milzbrand-Toxin zu überwachen. Nach Montage/Demontage auf der Biosensor-Oberfläche sind von der Oberfläche zur Visualisierung und Identifikation von Komponenten der komplexe mit Elektronenmikroskopie und Massenspektrometrie, bzw. die große Proteinkomplexe veröffentlicht.

Analyse dynamischer Proteinkomplexe montiert auf und befreit Biolayer Interferometrie Biosensor mit Massenspektrometrie und Elektronenmikroskopie

Dieses Protokoll beschreibt einen Kalibrierung-freie Ansatz zur Quantifizierung der Protein Homo-Oligomerisierung in Vitro basierend auf Fluoreszenzspektroskopie Fluktuation mit kommerziellen Licht Rasterelektronenmikroskopie. Die richtige Übernahme Einstellungen und Analysemethoden werden angezeigt.

Kalibrierung-kostenlose In-vitro- Quantifizierung von Protein Homo-Oligomerisierung mit kommerziellen Instrumentierung und kostenlose Open Source-Helligkeit-Analyse-Software

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll für die Herstellung und Reinigung von Proteinen, die gekennzeichnet sind mit stabilen Isotopen und anschließende Charakterisierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen mit Spektroskopie der Kernspinresonanz (NMR) und MicroScale Thermophorese (MST) Experimente.

Messung der Interaktionen von Kugelsternhaufen und filamentösen Proteinen Kernresonanzspektroskopie (NMR) und Microscale Thermophorese (MST)

Hier präsentieren wir ein Protokoll für die gleichzeitige Verwendung von Förster Resonance Energy Transfer-basierte Spannung Sensoren zur Messung der Belastung und Fluoreszenz Proteingewinnung nach Immunofluoreszenz Proteindynamik ermöglichen die Messung der Kraft-und Kleinschreibung messen Proteindynamik innerhalb von lebenden Zellen.

Messung von Kraft-und Kleinschreibung Proteindynamik in lebenden Zellen mit einer Kombination von fluoreszierenden Techniken

Protein-Protein-Interaktionen sind von entscheidender Bedeutung für biologische Systeme, und Studien der verbindliche Kinetik geben Einblicke in die Dynamik und Funktion von Proteinkomplexen. Wir beschreiben eine Methode, die die kinetischen Parameter von einem Proteinkomplex mit Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer und die gestoppt-Flow-Technik quantifiziert.

In-vitro-Fluoreszenz Resonanz Energietransfer verwenden, um die Dynamik der Proteinkomplexe auf einer Millisekunde Zeitskala studieren

Die zeitaufgelöste Einzelmolekül-Protein-induzierte Fluoreszenzverstärkung ist ein nützlicher fluoreszenzspektroskopischer Näherungssensor, der empfindlich auf lokale Strukturveränderungen in Proteinen reagiert. Hier zeigen wir, dass es verwendet werden kann, um stabile lokale Konformationen in α-Synuclein aufzudecken, das auch als globulär unstrukturiert und instabil bezeichnet wird, wenn es mit dem FRET-Lineal mit größerer Reichweite gemessen wird.

Verwendung einer zeitaufgelösten proteininduzierten Fluoreszenzverstärkung zur Identifizierung stabiler lokaler Konformationen jeweils α-Synuclein-Monomer

Dieses Protokoll kombiniert Massenphotometrie mit einem neuartigen Mikrofluidik-System, um Protein-Protein-Wechselwirkungen mit geringer Affinität zu untersuchen. Dieser Ansatz basiert auf der schnellen Verdünnung hochkonzentrierter Komplexe in Lösung, was Messungen mit geringer Affinität ermöglicht und die Anwendbarkeit der Massenphotometrie erweitert.

Analyse der Proteinkomplexbildung bei mikromolaren Konzentrationen durch Kopplung von Mikrofluidik und Massenphotometrie

Dieser Artikel beschreibt ein Protokoll zur Untersuchung von DNA-Protein-Wechselwirkungen unter Verwendung eines Streptavidin-basierten Biolayer-Interferometrie-Systems (BLI). Es werden die wesentlichen Schritte und Überlegungen zur Verwendung grundlegender oder fortgeschrittener Bindungskinetik zur Bestimmung der Gleichgewichtsbindungsaffinität (KD) der Wechselwirkung beschrieben.

Analyse von DNA-Protein-Wechselwirkungen mit Streptavidin-basierter Biolayer-Interferometrie

Hier präsentieren wir Protokolle für NMR-Methoden, REstricted DIFfusion von INvisible-Species (REDIFINE) und CONdensate DEtectioN mittels SEmi-solid Magnetization Transfer (CONDENSE-MT), die eine labelfreie, quantitative Charakterisierung biomolekularer Kondensate unter biphasischen Bedingungen ermöglichen, wodurch molekulare Partitionierung, Austauschdynamik, Kondensathydration und Tröpfchenstruktur ohne Sedimentation oder Markierung offenbart werden.

Verwendung von Lösungs-NMR zur Charakterisierung biomolekularer Kondensate unter biphasischen Bedingungen

Erfahren Sie, wie Einzelmolekülmikroskopie die Dynamik intrinsisch ungeordneter Proteine in biomolekularen Kondensaten lebender menschlicher Zellen quantifiziert. Diese Methode ermöglicht die Messung von Proteininteraktionen und Verweilzeiten.

Einzelmolekülmessung der Proteininteraktionsdynamik in biomolekularen Kondensaten

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