この研究では、制御された条件下でのアクトミオシンゲルの多孔弾性を研究するために 、in vitro 再構成アプローチが採用されています。アクトミオシンゲルと包埋溶媒のダイナミクスが定量化され、それを通してネットワークの多孔弾性が実証されます。また、実験上の課題、一般的な落とし穴、および細胞骨格力学との関連性についても説明します。
方法論記事
この研究では、制御された条件下でのアクトミオシンゲルの多孔弾性を研究するために 、in vitro 再構成アプローチが採用されています。アクトミオシンゲルと包埋溶媒のダイナミクスが定量化され、それを通してネットワークの多孔弾性が実証されます。また、実験上の課題、一般的な落とし穴、および細胞骨格力学との関連性についても説明します。
細胞は活発にその形状を変えて運動性になることができ、これはそれらの内部構造を活発に再編成する能力に依存する特性である。この特徴は、細胞骨格、特に極性アクチンフィラメント、ミオシンモーター、および固有の収縮特性を示すアクセサリータンパク質の活性ゲルであるアクトミオシン細胞骨格の機械的および動的特性に起因します。通常受け入れられている見解は、細胞骨格が粘弾性材料として振る舞うというものです。しかし、このモデルは、細胞骨格を多孔弾性活物質(細胞質ゾルが埋め込まれた弾性ネットワーク)として記述する図とより一致する実験結果を常に説明できるとは限らない。ミオシンモーターによって生成された収縮性勾配は、ゲル細孔を横切る細胞質ゾルの流れを駆動し、細胞骨格と細胞質ゾルの力学が密接に結合していることを推測します。多孔弾性の主な特徴の1つは、ゲル弾性率、多孔性、および細胞質ゾル(溶媒)粘度に依存する有効拡散定数によって特徴付けられる、ネットワーク内の応力の拡散緩和です。細胞はその構造と材料特性を調節する多くの方法を持っているため、細胞骨格力学と細胞質ゾルの流れのダイナミクスがどのように結合しているかについての現在の理解はよくわかっていません。ここでは、細胞細胞骨格のモデル系としての多孔弾性アクトミオシンゲルの材料特性を特徴付けるために、 in vitro 再構成アプローチが採用されています。ゲル収縮はミオシン運動収縮性によって駆動され、それは浸透溶媒の流れの出現をもたらす。この論文では、これらのゲルを調製し、実験を実行する方法について説明します。また、溶媒の流れとゲルの収縮をローカルスケールとグローバルスケールの両方で測定および分析する方法についても説明します。データの定量化に使用されるさまざまなスケーリング関係が示されています。最後に、細胞骨格力学との関連性を含め、実験上の課題と一般的な落とし穴について説明します。
生細胞は独特の機械的性質を持っています。加えられた力に受動的に反応する能力に加えて、それらはまた、外部刺激に応答して能動的に力を生成することができる1。これらの特性は、特に細胞運動中のさまざまな細胞プロセスに不可欠であり、主に細胞骨格、特に極性アクチンフィラメント、ミオシン分子モーター、およびアクセサリータンパク質の活性ゲルであるアクトミオシン細胞骨格の機械的および動的特性に起因します。これらのアクトミオシンネットワークは、アクチンフィラメントを架橋し、ATP加水分解によって燃料となるネットワークに機械的ストレスを積極的に生成するミオシンモータータンパク質によって駆動される固有の自己組織化および収縮特性を示します2。
細胞骨格の材料特性を研究するために、数多くの実験的および理論的研究が行われてきた3。一般に受け入れられている見解は、細胞骨格が粘弾性材料4として振る舞うというものである。これは、短い時間スケールでは細胞骨格が弾性材料として振る舞い、長い時間スケールでは、架橋タンパク質とミオシンモーターの剥離(および再付着)により粘性流体として振る舞い、ネットワークが動的に回転することを可能にすることを意味します。しかし、多くの場合、粘弾性モデルは実験結果を記述できず、細胞骨格、より一般的には細胞質が多孔弾性活物質として記述されている図とより一致しています5,6。2つの主な特徴がこれらのタイプの材料を特徴付ける。(i)第1の主な特徴は、細胞ブレブ7、運動性8、細胞形状振動9などのプロセスの根底にあるミオシンモーターによって駆動される収縮性勾配によって、ゲル細孔を横切る浸透性細胞ゾル(「溶媒」)の流れの生成です。そのような細胞質流の出現は、ブレブのために局所的であり得るか、または細胞運動性のように局所的であり得る。後者の場合、細胞後部で加えられた収縮応力は、細胞前面に向かって細胞質液の流れを駆動し、それはラメリポディアアセンブリ8に必要なタンパク質プールを補充する。(ii)第2の主な特徴は、応力の緩和が拡散性であり、ゲル弾性率、ゲル多孔度、および溶媒粘度に依存する実効拡散定数によって特徴付けられることです5。多孔弾性拡散定数は、加えられた応力に対するシステムの応答速度を決定します。拡散定数が高いほど、応力の再分布が速くなります。これにより、ミオシンモーターによって生成される活発な収縮ストレスなど、外部または内部に適用された機械的ストレスの後に、細胞内細胞質液が細胞内に再分配されるのにかかる時間が決まります。したがって、これらの例は、細胞骨格と細胞質ゾルの機構が緊密に結合しており、別々に扱うことができないことを示しています3。
細胞はさまざまな方法で機械的特性を調節できるため、ネットワーク力学と流体力学の相互作用はよくわかっていません。強力な代替アプローチは、さまざまな微視的成分とシステムパラメータの完全な制御を可能にするin vitro再構成システムを使用することであり、これにより、これらのモデルシステムは物理分析に最適です10,11。このアプローチは、アクチンベースの運動性に対するタンパク質組成とシステム形状の影響を研究するために首尾よく採用されています12、13、14、15、16、17、18、アクトミオシンネットワークの2Dパターニング19、20、21、22、およびこの論文の焦点である多孔弾性アクトミオシンゲルのネットワーク収縮性と流体力学の間の相互作用23。
この原稿では、制御可能な寸法と材料特性の収縮弾性アクトミオシンネットワークの調製について、Ideses et al.23の研究に基づいて議論されています。収縮ゲルと排出溶媒のダイナミクスが分析および定量化され、これらのアクトミオシンゲルが多孔弾性活物質として記述できることが実証されます。応力拡散性に対する溶媒粘度の影響を研究することで、これらのネットワークの多孔弾性特性がさらに確認されます。データの定量化に使用されるさまざまなスケーリング関係が提供されます。最後に、実験上の課題、一般的な落とし穴、および実験結果と細胞骨格との関連性についても説明します。
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1.ガラス表面処理と不動態化:
注:このセクションには、(i)洗浄と親水化、(ii)シラン化、および(iii)表面不動態化の3つの主要なステップが含まれています( 図1を参照)。
2. タンパク質精製
3. サンプル調製
注:ミオシンIIモーターと強力な受動架橋剤ファシンの大きな凝集体の存在下でアクチンモノマーを重合して、巨視的に収縮する弾性アクトミオシンネットワークを生成します19,23。蛍光ビーズを溶液に添加することで、ゲル収縮中の溶媒の流れを追跡できます。
4. テストの実行
5.顕微鏡技術
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実験ごとに2枚のガラスカバースリップが使用されます。ガラスカバーガラスは、PEGポリマーで洗浄および不動態化されています。パッシベーションは、可溶化タンパク質が実験の初期段階でガラス表面に付着するのを防ぎ、収縮ネットワークとガラス壁との相互作用を最小限に抑えるために不可欠です。良好な不動態化を達成できないと、非効率的な収縮につながる可能性があり、極端な場合にはアクチンネットワーク形成を阻害することさえあります。
図1は、表面処理手順の3つの主要なステップを説明しています。これらのステップには以下が含まれます:(i)カバーガラス表面から有機汚染を除去し、ガラス表面のOH基を露出させるピラニア溶液を使用した表面洗浄と親水化。(ii)シランをガラス表面に共有結合させることを目的とした(3-メルカプトプロピル)トリメトキシシランによる表面シラン化、各シラン分子がSH基で終わる。(iii)PEGポリマーによるパッシベーション(mPEG-mal、5 kDa)-このステップでは、PEGポリマーのマレイミド基が(3-メルカプトプロピル)ト...
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ここでは、多孔弾性アクトミオシンゲルの力学を細胞骨格のモデル系として特徴付けるためにin vitroアプローチが採用されており、より一般的には、多孔弾性材料として振る舞うことが示されている細胞質のモデルシステムとして3,5。細胞骨格(細胞質)のレオロジーは、多孔弾性拡散定数によって特徴付けられており、これは、加えられた機械的ストレスの後に細胞内細胞質液が細胞内に再分配するのにかかる時間を決定します。細胞は、このメカニズムを使用してその形状を調節することが提案されています5。
これらの知見に動機付けられて、私たちは多孔弾性を in vitroで研究するためのフレームワークを開発しました。提案モデルシステムを用いて、ミオシン収縮性が流体の流れの出現にどのように寄与するか、またネットワーク速度と溶媒速度の方向性と速度が時間と空間でどのように相関するかについての洞察を提供します。これにより、...
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著者は開示するものは何もありません。
タンパク質の精製とラベリングを提供してくれたDina Aranovichに感謝します。G.L.は、ジャボチンスキー博士号奨学金を提供してくれたイスラエル科学技術宇宙省に感謝しています。A.B.G.は、イスラエル科学財団(助成金2101/20)と科学技術省-イスラエル国(助成金3-17491)の財政的支援に感謝しています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| (3-メルカプトプロピル)トリメトキシシラン | Sigma-Aldrich Company | 175617 | アルゴン雰囲気下 4°C;C |
| Acetic | Bio-Lab ltd | 1070521 | |
| Alexa-Fluor 488 | Invitrogene | A10254 | DMSOで希釈し、-20°Cのアルゴン雰囲気下で保存。C |
| Alexa-Fluor 647 | Invitrogene | A20347 | DMSOで希釈し、-20°Cのアルゴン雰囲気下で保存。C |
| BSA | Sigma -Aldrich Company | A3059 | 4°Cで保管。C |
| カタラーゼ | シグマ-アルドリッチ | カンパニーC9322 | ストックボトルは、-20°Cの乾燥雰囲気(シリカゲル)下に保管されます。C |
| カバースリップ | メゼルグレイザー | CG2222-1.5 | ピラニア処理後、ミリク水で保存し、3週間以内に使用 |
| クレアチンキナーゼ | ロシュ ライフサイエンス製品 | 10736988001 | グリシン緩衝液で新鮮に調製し、氷上でケップし、3日以内に使用しました。 ストックボトルは、乾燥した雰囲気(シリカゲル)の下で4°Cに保たれます。C |
| クレアチンホスフェート | ロシュライフサイエンス製品 | 10621714001 | 溶解したときは-20°Cに保つ必要があります。Cで3ヶ月以内に使用します。ストックボトルはアルゴン雰囲気下で保管され、4°Cで保管されます。C |
| DTT | ロシュライフサイエンス製品 | 10708984001 | 溶解したときは-20°Cに保つ必要があります。Cおよび3か月以内に使用 |
| デュアルビュー同時イメージングシステム | フォトメトリクス | DV2-CUBE | |
| EGTA | MP Biomedicals | 195174 | |
| EM-CCD カメラ | Andor Technology Ltd | DV 887 | |
| EM-CCD カメラ | フォトメトリクス | Evolve Delta | |
| エタノール | バイオラボ株式会社 | 525050300 | |
| Flourescence Lamp | Rapp Optoelectronic | ||
| FluoresbriteYG Microspheres | Polysciences | 17151-10 | 直径 200 nm |
| Glucose | ICN Biomedicals Inc | 194024 | 溶解するときは-20°Cに保つ必要があります。Cで3ヶ月以内に使用します。 |
| グルコースオキシダーゼ | Sigma-Aldrich Company | G7141 | -20 °C;Cで3ヶ月以内に使用します。ストックパウダーはアルゴン雰囲気下で保管され、-20°Cに保たれます。C |
| Glycerol | ICN Biomedicals Inc | 800687 | |
| Glycine | MP Biomedicals | 808822 | |
| Hydrogen Peroxide | Sigma-Aldrich Company | 216763 | 4 °Cで保存されています。C |
| KCl | EMDミリポア株式会社 | ||
| メタノール | バイオラボ株式会社 | 1368052100 MgCl | |
| 2 | EMD Millipore Corp. | ||
| 顕微鏡 | ライカマイクロシステムズ | DMI3000 | |
| mPEG-mal | Nanocs | PG1-ML-5k | Mw = 5000 Da. 重量で小さなバッチに分割されます。-20°Cのアルゴン雰囲気下で保存。C |
| ナイルレッド ミクロスフィア | Spherotech | FP-2056-2 | 直径2300nm |
| 対物レンズ (10x) | Leica Germany | HC PL AP0 | UPlanFL Numerical Aperture = 0.3 |
| Objective (2.5x) | ライカ・ドイツ | 506304 Plan-NEOFLUAR 開口数 = 0.075 | |
| オーブン | WTC バインダー | ||
| パラフィルム | Amcor | PM-996 | |
| PBS バッファー | Sigma-Aldrich Company | P4417 | |
| シャッター ドライバー | Vincet Associates | VMM D1 | |
| シリカゲル | メルク | 1.01907.5000 | |
| 超音波処理機 | エルマ | エルマソニック P | |
| 硫酸 | カルロ・エルバ | 410301 | |
| DV2 デュアルチャンネル同時イメージングシステム | フォトメトリクス | ||
| TRIS | MP Biomedicals | 819620 | |
| UV-VIS 分光光度計 | Pharmacia | Ultraspec 2100 pro | |
| MICROMAN E | Gilson | FD10001 | 1–10 uL |
| MATLAB R2017b | MathWorks | データの定量化 | |
| メタモルフ | 分子デバイス | 光学イメージングシステムの制御ソフトウェア、データ定量化(粒子追跡解析、ネットワークメッシュサイズ) |
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