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Research Article
Brandy N. Curtis*1, Ellysa J. D. Vogt*2, Kevin S. Cannon1,3, Amy S. Gladfelter1,2,3
1Department of Biochemistry and Biophysics,University of North Carolina at Chapel Hill, 2Curriculum in Genetics and Molecular Biology,University of North Carolina at Chapel Hill, 3Department of Biology,University of North Carolina at Chapel Hill
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
無細胞再構成は、細胞骨格アセンブリを理解するための重要なツールであり、過去10年間の研究は、最小限の系におけるセプチンダイナミクスを研究するためのアプローチを確立した。ここでは、異なる膜コンテキストでセプチンアセンブリを観察するための3つの相補的な方法、すなわち平面二重層、球状支持体、およびロッド支持体を提示する。
ほとんどの細胞は、基本的な細胞プロセスを実行するために、その形状を感知し、変化させることができます。多くの真核生物において、セプチン細胞骨格は、サイトカイン、分極成長、および遊走のような形状変化を調整する上で不可欠な構成要素である。セプチンは、多様な高次構造を形成するために集合するフィラメント形成タンパク質であり、多くの場合、原形質膜のさまざまな領域、特にミクロンスケールの正の曲率の領域に見られる。 インビボ でのセプチン集合のプロセスをモニタリングすることは、細胞における光学顕微鏡検査の限界、ならびに膜および細胞骨格要素の両方との相互作用の複雑さによって妨げられ、生体系におけるセプチン動態を定量化することを困難にしている。幸いなことに、過去10年間に、セプチンの集合を制御するメカニズムを高い空間的および時間的分解能で解剖するために、無細胞系でセプチン細胞骨格を再構成することにおいて大きな進歩があった。セプチン集合のコアステップには、セプチンヘテロオリゴマーの膜との会合および解離、フィラメントへの重合、およびフィラメント間の相互作用を介した高次構造の形成が含まれる。ここでは、異なるコンテキストでセプチンアセンブリを観察するための3つの方法、すなわち平面二重層、球状支持体、およびロッド支持を提示する。これらの方法は、集合のさまざまな段階におけるセプチンの生物物理学的パラメータを決定するために使用することができる:膜を結合する単一の八量体として、フィラメントとして、およびフィラメントの集合体として。これらのパラメータを曲率サンプリングおよび優先吸着の測定と組み合わせて使用し、曲率センシングがさまざまな長さおよび時間スケールでどのように動作するかを理解します。
細胞の形状とその内部区画の多くは、それらを囲む脂質膜に依存しています。膜は粘弾性構造であり、タンパク質との相互作用、脂質選別、および作用する内的および外的力を介して変形して様々な形状を生成することができる1、2、3、4。これらの形状は、しばしば膜曲率の観点から記述される。細胞は、特定の膜曲率を優先的に組み立てることができる多様なタンパク質スイートを使用して、細胞輸送、サイトカイン、および遊走を含むプロセスに対する定義された時空間制御を保証する5,6。膜における細胞機構のダイナミクスは、時間と空間分解能と細胞の健康とのバランスをとることが困難であるため、観察することが著しく困難である。超解像技術はそのような構造の詳細なビューを提供することができますが、ほとんどの機械の組み立て/分解の時間スケールに適さない長い取得を必要とします。さらに、ネイティブ環境におけるこれらのアセンブリの分子の複雑さと、単一のコンポーネントが果たすことができる多数の役割により、最小限の再構成システムは分子の機能的能力を研究するための貴重なツールになります。
最小限の膜模倣体は、細胞外の膜特性およびタンパク質 - 膜相互作用を研究するために開発されている。膜模倣体は、リポソームまたは巨大な単層小胞などの自立脂質二重層から、支持脂質二重層(SLB)までさまざまである7、8、9、10。SLBは、下層の支持体に固定された生体模倣膜であり、典型的には、ガラス、マイカ、またはシリカ11、12から構成される。平面表面、球体、棒状体、さらには起伏のある基板またはマイクロパターン化された基質を含む様々な形状を使用して、凹面曲率と凸曲率の両方で同時にタンパク質膜相互作用をプローブすることができる1 3,14,15,16,17,18.二重層形成は、親水性表面への小胞吸着から始まり、続いて融合および破裂して連続的な二重層を形成する(図1)19。支持された二重層は、光および電子顕微鏡に特に適しており、細胞でしばしば達成可能なよりも優れた時間と空間分解能の両方を提供する。湾曲したSLBは、特に、著しい膜変形がない場合にタンパク質の曲率感度をプローブする魅力的な手段を提供し、自立系では分離が不可能な曲率センシングと曲率誘導を区別することができます。
セプチンは、正に湾曲した膜上に集合する能力でよく知られているフィラメント形成細胞骨格タンパク質のクラスである6,18,20。酵母における細胞周期の過程で、セプチンはリングに集合し、それぞれ芽の出現およびサイトカインに関連する砂時計および二重リング構造を形成するために再配列しなければならない21。プラチナレプリカ電子顕微鏡を使用して、さまざまな細胞周期段階22でセプチン構造を観察する美しい研究が行われてきましたが、酵母の光学顕微鏡を使用してセプチンアセンブリを経時的に観察することは、限られた空間分解能で満たされました。透過型電子顕微鏡(TEM)によって可視化された脂質単層を用いたセプチンに関する以前の研究は、環、束、およびガウゼ23などのいくつかの興味深いセプチン構造を再構成することができた。しかしながら、EM技術は、蛍光顕微鏡法とは異なり、その時間分解能において同様に制限される。セプチンアセンブリのマルチスケールプロセスの動力学パラメータをよりよく解決するために、我々は、膜形状、サンプル条件、およびイメージングモダリティを慎重に制御できる支持された膜模倣体に目を向けた。
ここで説明するプロトコルは、平面または湾曲したSLB、精製タンパク質、および顕微鏡技術の組み合わせを使用する。定量的蛍光共焦点顕微鏡および全反射蛍光顕微鏡(TIRFM)を使用して、様々な膜曲率へのバルクタンパク質結合の両方を測定し、ならびに単一分子の結合動態を測定した。さらに、このプロトコルは、異なる膜曲率上のタンパク質超微細構造を調べるために走査型電子顕微鏡(SEM)と共に使用されるように適合されている。これらのプロトコルの焦点はセプチン細胞骨格にありますが、プロトコルは簡単に変更して、読者が興味深いと感じるタンパク質の曲率感度を調べることができます。さらに、エンドサイトーシスや小胞性トラフィッキングなどの分野で働いている人は、これらの技術が多タンパク質複合体の曲率依存性アセンブリをプローブするのに有用であると感じるかもしれません。
注:支持された脂質二重層を形成するには、単分散の小さな単層小胞(SUV)の調製が必要です。SUV編成については、以前に公表されたプロトコル24 を参照してください。簡単に言えば、すべてのSUVは、氷水中で2分の休息期間が続く4分の超音波処理期間を介して70%の振幅で合計12分間のプローブ超音波処理によって形成されます。SUVソリューションは、サイズが十分に明確化され、単分散されていなければなりません。SUVのサイズ分布は、例えば、動的光散乱25によって測定することができる。
1. 平面脂質二重層
| サポートされている脂質二重層バッファー(SLBB) | ||
| 株式 | 容積 | 最終濃度 |
| 2 M KCl | 1.5 ミリリットル | 300 ミリワット |
| 1 M ヘーペス | 200 μL | 20 ミリリットル |
| 500 mM ミリグラム 2 | 20 μL | 1 ミリリットル |
| 水 | 8 mL | |
| 反応前バッファー (PRB) | ||
| 株式 | 容積 | 最終濃度 |
| 2 M KCl | 166 μL | 33.3 ミリ |
| 1 M ヘーペス | 500 μL | 50 ミリワット |
| 水 | 9.33 mL | |
| 反応バッファー | ||
| 株式 | 容積 | 最終濃度 |
| 2 M KCl | 166 μL | 33.3 ミリ |
| 1 M ヘーペス | 300 μL | 50 ミリワット |
| 10 ミリグラム/mL BSA | 1.39 mL | 1.39 ミリグラム/mLの |
| 1% メチルセルロース | 1.39 mL | 0.0014 |
| 水 | 10 mLまで | |
| ティッカー | 0.7 μL | 1 ミリリットル |
| セプチンストレージバッファ(SSB) | ||
| 株式 | 容積 | 最終濃度 |
| 2 M KCl | 1.5 ミリリットル | 300 ミリワット |
| 1 M ヘーペス | 500 μL | 50 ミリワット |
| 水 | 10 mLまで | |
| ティッカー | 0.7 μL | 1 ミリリットル |
表1:担持脂質二重層および反応の調製のための緩衝液成分。 緩衝液に組み込まれたストック溶液の量および各成分の最終濃度が示されている。SLBおよびPRBは室温で保存することができ、実験間で再利用することができる。反応緩衝液およびSSBは、実験ごとに新鮮にされる。
2. 球状担持脂質二重層
注:このプロトコルは、10%の密度で超純水に懸濁されたシリカミクロスフェアを使用しています。タンパク質集合の速度論的パラメータに関するいかなる研究においても、実験と曲率の間の全膜表面積を厳密に制御することが重要です。表2は、5mm2の総膜表面積を維持するためにビーズおよび緩衝液の補正体積を示す。このプロトコルは、以前に公開された方法8,18を拡張しています。
| ビーズ直径(μm) | よく混合されたビーズの体積(μL) | SLBバッファーの量(μL) | SUVの台数(μL) |
| 6.46 | 8.94 | 61.1 | 10 |
| 5.06 | 7 | 63 | 10 |
| 3.17 | 4.39 | 65.6 | 10 |
| 0.96 | 1.33 | 68.7 | 10 |
| 0.54 | 0.75 | 69.3 | 10 |
| 0.31 | 0.43 | 69.6 | 10 |
表2:ミクロスフェアの正規化された体積。 各ビーズサイズの等しい表面積を維持し、実験間で全膜表面積の一貫性を保つために、各ビーズサイズおよび総表面積を正規化した緩衝液の体積を計算した。
| ビーズ径(μm) | 沈降速度(RCF) |
| 0.31 | 4.5 |
| 0.54 | 4.5 |
| 0.96 | 2.3 |
| 3.17 | 0.8 |
| 5.06 | 0.3 |
表3:様々な直径の微小球の沈降速度。 各ビーズ直径について、示された最小沈降速度を、未結合リポソームを洗い流すためのビーズをペレット化するために使用した。
3. ロッド支持脂質二重層
注:ここで紹介する他のアッセイとは対照的に、ロッドアッセイでは、膜表面積全体を慎重に制御することはできません。実験間で量と体積は一貫している可能性がありますが、これは異なる長さと直径の棒をもたらすため、反応中の膜表面積全体を外挿することは困難です。したがって、これは単一の表面上の複数の曲率を有する曲率センシングを探索するための優れたアッセイであり、セプチン超構造を探索するのに有用であったが、速度論的測定には推奨されない。この方法は以前に報告され18 であり、ここで拡張されています。
各SLBの調製に続いて、セプチンまたは目的のタンパク質を所望の支持体と共にインキュベートし、TIRFM、共焦点顕微鏡、またはSEMを介して画像化してもよい。ここで示した結果は、大腸菌17から組換え発現・精製したセプチンを用いた。平面SLBにTIRFMを使用すると、フィラメントの長さとその柔軟性を決定し、拡散係数を測定し、時間の経過とともにアセンブリを観察することができます28,29。最高品質の測定値を収集するためには、特に初めてそれらを調製するとき、または脂質組成を変更するときに、二重層の品質を確認することが最初に必要である。TIRFMによる二重層上のタンパク質分布の目視検査は、傷がついているか、または奇形である二重層の領域を特定するのに役立つ。タンパク質分布は均質であるべきであり(図3A)、二重層に穴や隙間があってはならない(図3B)。二重層の他の領域におけるタンパク質分布を変化させる可能性があるため、ほこりの汚染またはスライド処理からの汚れから形成される可能性のある穴のある膜を避けることが最善である。膜自体を視覚化するために、微量のローダミン-PEをSUVに組み込んで二重層を形成することができます。高品質の二重層では、フィールドも現れますが(画像は示されていません)、リポソームが古い場合や洗浄が十分に厳格でない場合、未破裂のリポソームや細管リポソームが表面に蓄積する可能性があります(図3C)。さらに、固体支持体は脂質8の自由拡散を妨げるが、脂質は不動であってはならない。FRAP実験は、平面二重層上の脂質の移動度を評価するために使用することができ、これは組成によって変化し得、30秒のオーダーで回復率を示すべきである。
球状支持体は、定義された曲率の膜上のタンパク質結合を単離して(1つの曲率で)または同じウェル内の複数の膜曲率で調べて、曲率間の競合を観察するために使用することができる6,18。ビーズ>1μm上の近TIRFMはまた、所与の領域27についての会合事象の数を測定するために使用され得る。平面二重層と同様に、ローダミン-PEを使用して、滑らかな二重層堆積(図4A)、すなわち、多層または非破裂リポソームを示す脂質凝集塊なし(図4B)、および二重層に隙間がない(図4C)。曲面上の総タンパク質吸着量またはタンパク質吸着量を経時的に測定するためには、個々のビーズを互いに単離して、合計脂質強度および合計セチン強度を測定できる離散的な体積を作成する必要がある。したがって、ビーズは図4Dのように一緒に凝集するのではなく、十分に分離されている必要があります。これらすべての潜在的な問題のトラブルシューティングオプションについては、ディスカッションセクションで説明します。
このSLBアッセイは、タンパク質が単一の表面上で複数の曲率をサンプリングするための環境を提供するロッド支持体にも適用できます。このアッセイを走査型電子顕微鏡と組み合わせることで、ユーザーはセプチン18 または他の目的のタンパク質の曲率選好、整列、および長さ分布を調べることができます。ここで提示する他のアッセイと同様であるが、ロッドアッセイは、濾紙に由来する基質の不均一性のために、全膜表面積の慎重な制御を可能にしない。ここで使用されるろ紙の材料特性は、異なる長さおよび直径のロッドをもたらす(図5A)。これは、曲面上のタンパク質の曲率センシングと組織化の探索に有用ですが(図5B)、膜に対するタンパク質の比率を制御することができないため、ロッドは飽和結合曲線の生成や結合定数などのパラメータの測定にはあまり役に立ちません。

図1:様々な曲率を有する支持体上の支持脂質二重層形成の概要。 SUVは、所定の膜でのサンプリングに利用可能な曲率を変更するために、異なる形状の固体支持体でインキュベートされる。SUVは固体支持体表面に吸着して破裂し、脂質二重層を生成する。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:反応室設置の概略図カスタムチャンバーを準備するために、0.2 mL PCR チューブを、チューブがテーパリングし始める場所とキャップ(赤い破線)で切断します。次に、切断されたチューブの切断されていないリムをUV活性化接着剤(青色)の薄い層でコーティングし、カバースリップ上に接着剤を下ろす。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:平面二重層の代表的なTIRF顕微鏡写真(A)非重合性セプチンが結合した高品質の脂質二重層(75%DOPC、25%大豆PI)の代表的な画像(緑色)。タンパク質は特定の領域にクラスタリングしておらず、膜に付着したリポソームも穴もありません。(B)この二重層は、洗浄が不十分なガラスカバースリップで作られ、セプチンが少ない膜に「穴」(白い矢印)のように見えるものを示す。セプチンは、二重層のこれらの欠陥の端に混雑しているのを見ることができます(右側のズーム領域の白い矢印で示されています)。(C)微量ローダミン-PEを用いた低品質二重層の代表的な画像。非破裂リポソームおよび細管脂質は、表面に目に見える。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:脂質被覆ミクロスフェアの代表的な顕微鏡写真。 直径0.3 μm、0.5 μm、1 μm、3 μm、および 5 μm の脂質被覆ビーズ(75% DOPC、25% Soy PI、0.1% Rhodamine PE)を混合した競合アッセイの代表的な画像。すべての画像は最大 Z 投影です。(a)脂質被覆ミクロスフェアの高品質混合物の代表的な画像。球状の支持体は膜によって均一にコーティングされ、ビーズクラスターはほとんどありません。(b)膜コーティングの不均一な代表的な画像は、過剰な脂質の不十分な洗浄によって引き起こされる可能性が高い。(C)不適切な取り扱いにより膜被覆率に隙間(白矢印)があるビーズの代表画像。(d)密集したビーズの代表的な画像は、特に異なるビーズを一緒に組み合わせる場合、手順全体を通して不十分な混合によって引き起こされる可能性が高い。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

(A)脂質被覆ロッド(75%DOPC、25%大豆PI、0.1%ローダミンPE)ロッドの長さおよび直径の分布を示すSEM画像。(B)正の曲率の軸に沿って整列したセプチンフィラメントを有する単離された膜被覆ロッドの縁。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
著者には利益相反はありません。
無細胞再構成は、細胞骨格アセンブリを理解するための重要なツールであり、過去10年間の研究は、最小限の系におけるセプチンダイナミクスを研究するためのアプローチを確立した。ここでは、異なる膜コンテキストでセプチンアセンブリを観察するための3つの相補的な方法、すなわち平面二重層、球状支持体、およびロッド支持体を提示する。
この研究は、国立衛生研究所(NIH)グラント番号によって支援されました。R01 GM-130934と国立科学財団(NSF)グラントMCB-2016022。B.N.C.、E.J.D.V.、K.S.C.は、国立総合医科学研究所からの助成金T32 GM119999の助成金によって部分的に支援されました。
| 0.2 mL PCRチューブ、フラットキャップ付き、ナチュラル | ワトソン | 137-211C(EX) | |
| 0.5 mL低接着チューブ | USA Scientific | 1405-2600 | |
| ベータメルカプトエタノール(BME) | Sigma-Aldrich | M6250-100ML | |
| ウシ血清アルブミン(BSA) | Sigma-Aldrich | A4612-25G | |
| PEG化カバースリップを作るためのカバーガラス | サーモScientific | 152450 | Richard-Allan Scientific SLIP-RITE カバー ガラス 24x50 #1.5 |
| DOPC | Avanti Polar Lipids | 850375 | |
| Egg Liss Rhodamine PE | Avanti Polar Lipids | 810146 | |
| EMS グルタルアルデヒド水性 25%, EM グレード | VWR | 16220 | |
| EMS カコジル酸ナトリウムバッファー | VWR | 11652 | |
| エタノール、200プルーフ | フィッシャーサイエンティフィック | 04-355-223EA | |
| HEPES | シグマ アルドリッチ | H3375-1KG | |
| ヘキサメチルジシラザン | シグマアルドリッチ | 440191 | |
| 塩化マグネシウム | VWR | 7791-18-6 | |
| メチルセルロース 4000cp | シグマアルドリッチ | M052-100G | |
| 平面二重膜用マイクロガラスカバースリップ | 松波 | 生産終了 | 22x22 |
| ミニ遠心分離機 | |||
| Non-Functionalized Silica Microspheres | Bangs Laboratories, Inc. | サイズにより異なる: SS0200*-SS0500* | 水懸濁液中のシリカ |
| 光学接着剤 | Norland Thorlabs | NOA 68 | ガラスまたはプラスチック用フレキシブル接着剤 |
| 四酸化オスミウム | ミリポアシグマ | 20816-12-0 | |
| パラフィルム | VWR | 52858-000 | |
| プラズマクリーナー | プラズマエッチング | PE-25 | 電圧: 120V, 60Hz. 電流: 15 アンペア |
| 塩化カリウム | VWR | 0395-1kg | |
| 丸型カバーガラス、#1.5 12mm | VWR | 64-0712 | |
| ソニケーターバス | ブランソン | 1510R-MT | ブランソニック 超音波洗浄機 50-60 Hz. 出力: 70W |
| 大豆 PI | アバンティ 極性脂質 | 840044 | |
| 卓上遠心分離機 | エッペンドルフ | 22331 | |
| UV ランプ | スペクトロライン | ENF-260C | 115 ボルト、60 Hz、0.20 アンペア |
| WhatmanGlass マイクロファイバー フィルターペーパー | VWR | 28455-030 | 直径 42.5 mm、グレード GF/C |