RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ko_KR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
이 원고는 양성자 교통 시스템의 활동을 측정 하 양성자-선택적 전극 및 패치 방법 클램핑의 응용 프로그램을 설명 합니다. 이러한 메서드는 일반적으로 양성자 수송 활동, 적당 한 감도, 시간 해상도 및 부족 한 세포내 환경 제어 등을 연구 하는 데 사용 하는 기술의 몇 가지 제한 사항이 극복.
세포 세포 막을 통해 이온의 수송 이온 콘텐츠 내부 및 외부 셀을 셀 생존을 위한 필수 불가결의 정밀한 제어를 보장 합니다. 이러한 전송 메커니즘 전문된 운송업 자 단백질의 활동에 의해 중재 됩니다. 특히, pH 역학 가늘게 나+같은 플라즈마 멤브레인 양성자 (H+) 압출 시스템에 의해 제어 됩니다 /H+ 교환기 (NHE) 단백질 가족. NHE 레 귤 레이 션을 기본 메커니즘을 연구를 광범위 한 노력에도 불구 하 고 NHE 가족의 속성과 분자 생물의 우리의 현재 이해 부족 하다 NHE 활동을 효과적으로 측정 하는 방법의 한정 된 가용성 때문에 . 이 원고에서는 사용 하는 H+-전체 셀 중 선택적 전극 패치 NHE 유도 H+ 플럭스 측정을 클램핑 기록. 우리는 일반적으로의 약간의 한계를 극복 하기 위해이 방법은 방사성 글귀 등 형광 막 permeants NHE 활동을 측정 하 방법을 사용을 제안 했다. 설명한 메서드를 사용 하 여 NHE 활동의 측정에는 높은 감도 및 시간 분해능 및 세포내 H+ 농도의 효율적 제어 수 있습니다. H+-선택적 전극은 운송업 자 활동 생성 이온 기온 변화도 세포 막에 가까운 근접에서 사실에 근거한. H+-선택적 전극까지 이동 및 반복, 진동 방식에서 세포 막에서 멀리 기록 전압 차이 H+ 유량에 따라 달라 집니다. 동안 H+-선택적 전극 전체 셀 구성에서 패치 클램프 방법 세포내 이온 구성을 제어 하는 셀을 이동 하는 H+ 플럭스 감지 하는 데 사용 됩니다. 또한, 거 대 한 패치 클램프 기술 적용의 이온 뿐만 아니라 지 질의 세포내 구성의 수정 수 있습니다. NHE isoform (NHE3) 3의 운송업 자 활동 phosphoinositides에 의해 NHE3 규정의 분자 기초 연구이 기술 접근을 사용 하 여을 측정 했다.
이온과 플라즈마 막에 걸쳐 용액의 세포의 그리고, 따라서, 생물1의 생존을 위해 필수적 이다. 이온과 용액의 선택적 전송 전문된 채널 및 운송업 자 단백질의 배열에 의해 이루어집니다. 이 단백질에 돌연변이 다양 한 렌더링 약리 치료1채널 및 운송업 자 단백질 잠재적인 목표 임상 조건에에서 수시로 유래한 다. 불행히도, 기본 채널 및 전송 기능 및 규정 하는 메커니즘을 이해 종종 그들의 활동2,,34공부에 사용할 수 있는 방법에 의해 제한 됩니다.
특히, 전송기 분할 될 수 있다 약 하 그들은 용액의 전송 동안 세포 막 횡단 잠재력을 변경 여부에 따라 두 개의 큰 그룹으로: 변경 electrogenic 이온 운송업 자 [예를 들면, 나트륨 인산 염 공동 수송 2a (NaPi2a), 나트륨 칼슘 교환기 (NCX), 등.] 또는 비 변경 electroneutral 이온 운송업 자 [예를 들면, 나트륨-양성자 교환기 (NHE), 염화 나트륨 공동 전송, NaPi2c, 등.]. 전송기의 두 클래스의 활동의 방사성 동위 원소를 사용 하 여 광범위 하 게 연구 하 고 막 permeant 형광 염료2. 두 가지 방법을 특정 세포질 이온의 대량 농도 변화를 측정 하 여 전송기의 활동을 예측 하 고 두 메서드 모두 제한이, 온건한 감도 및 시간 해상도 세포내의 부적절 한 제어 등 환경입니다. 실제로, 많은 전송기의 활동 (예를 들어, NHE3, NCX), 월된 이온의 세포질 농도에 따라 달라 집니다 및 이러한 이온 농도에 변화 전송 활동2 를 조절에 중요 한 역할을 할 것으로 예상 된다 , 3 , 5. 이러한 규정적 메커니즘의 정확한 측정은 고전적인 방법을 사용 하 여 제한.
이러한 한계를 극복 하기 위해 패치 클램프 방법 전송 활동2,6를 공부 하는 데 사용 됩니다. 특히, 클램핑 시스템 패치를 함께 자체 참조 이온 선택적인 전극 (ISEs)7,8 최근 있었습니다 electroneutral 운송업 자 활동3,4 의 측정을 , 5. ISEs는 운송업 자 활동 생성 이온 기온 변화도 세포 막에 가까운 근접에서 사실에 근거한. 이 세 하 고는 반복에 세포 막에서까지 이동, 진동 패션 (µ V)의 전압 차이 기록 합니다. 전압 차이 보급2,9Fick의 첫번째 법률을 적용 하는 교정 메서드를 사용 하 여 이온 플럭스 값으로 변환할 수 있습니다. ISEs는 사용의 밖으로 이동 하는 이온의 유출을 감지 하 세포, 두 전체 셀에 패치 클램프 방법 또는 내부 구성 막 잠재력과 세포내 이온 구성을 제어 하는 데 사용 됩니다. 또한, 응용 프로그램의 거 대 한 패치 클램프 기술 이온 뿐만 아니라 지질과 단백질3,5의 세포내 구성의 수정 수 있습니다.
요약, 패치 클램프 방법의 다양성에 비해 그 공부는 다른 방법의 운송업 자 활동 했다 패치 클램핑 다른 이러한 방법의 일반적인 한계를 극복 하기 위해 적당 한. 자체 ISEs 및 패치 클램프 기술 참조의 조합 electroneutral 전송기 긴밀 하 게 통제 된 실험 환경에서의 활동을 측정 하 고 소설 생물 분자를 독특한 가능성을 제공 합니다. 세포 막의 수송3,,45. 이 접근은 NHE의 활동 공부를 성공적으로 사용 되었습니다. 포유류 NHE 단백질 가족 세포내 양성자 (H+)10,11 안으로 나+ 그라데이션 활용에 대 한 세포 외의 나트륨 (Na+)의 electroneutral net 교환 catalyzes. 포유류, NHE 단백질 가족 11 관련된 단백질 (NHE1-9 및 NHA1-2)와 정자 특정 NHE10,,1213포함 됩니다.
NHEs (SLC9a 가족) 편 높은 진핵생물에 간단한 원핵생물에서 대부분 살아있는 유기 체에서 발견 되 고 중요 한 셀 함수10,11에 셀 염 방어 제어 등의 다양 한 참여 원핵생물, 산 기초 항상성 및 셀 볼륨을 유지 하 고 다양 한 전문된 epithelia10,12,,1415에 소금과 물을 흡수 조절 NHEs의 주요 생물학 역할 및 그들의 기능의 중요성; 여러 연구를 통해 결정 그러나, 몇 가지 연구 방법론 한계4때문에 포유류 NHEs의 속성과 분자 생물 조사 했습니다. 최근, 자체 ISEs 전체 셀 패치 클램핑 하는 동안 참조의 응용 NHE isoforms 이온, 단백질, 인지질3의 세포내 농도 있는 변화에 의해 규제의 새로운 분자 메커니즘을 밝혔다합니다 4.
특히,이 원고에 제공 된 프로토콜 설명 방법 및 활동을 연구 하 고 규제 NHE isoform 3의 (NHE3) 나+, Cl-, HCO3- 및 액체의 흡수에 중요 한 선수에 대 한 접근은 솔 국경 막 신장 및 장 epithelia14,16. 세포내 phosphoinositides에 NHE3 활동의 감도에 차이에 대 한 새로운 통찰력 (phosphatidylinositide 4, 5 bisphosphate [PI (4, 5) P2] 및 phosphatidylinositide 3,4,5 3 인산 염 [PI(3,4,5]P3]) 보고. 채널 및 전송기, 같은 세포 수송 단백질 phosphoinositides17에 의해 통제 되 고 NHE3는 직접 PI (4, 5) P2 및 P3 파이 (3,4,5)18를 바인딩합니다. 현재 문학을 바탕으로, 어느 phosphoinositide NHE35,,1819의 생리 적 또는 병 태 생리 규제에 대 한 관련 수 있습니다. 우리의 연구 결과 PI (4, 5) P2와 파이 (3,4,5) P3 NHE3 활동의 규칙에 대 한 별도 역할을 지원합니다. 이 구별이 세 기술 함께 전체 셀 패치 클램프 기록의 응용 프로그램 때문에 가능 했다. 이 기술에는 또한 NHE3 활동의 측정 하는 동안 다른 phosphoinositides의 세포내 관류를 통해 phosphoinositide 세포 내용 제어할 수 있습니다.
참고: 두 개의 앰프는 패치 클램핑, 전체 셀 구성 및 높은 들이 닥 침 증폭기 (에 셀을 유지 하기 위해 패치 클램프 앰프와 함께에서 자체 참조이 세 여 electroneutral 전송기의 활동을 기록 하는 데 필요한 전위 계)는이 세 통해 전송 활동을 기록 하 (재료의 표 참조). 패치 클램프 앰프 터미널 수집 보드에 직접 연결 됩니다. 전위 계는 신호를 증폭 및 필터링을 활용 하는 차동 증폭기에 연결 된다. 차동 증폭기는 터미널 수집 보드에 연결 됩니다. Capmeter, 셀 용량을 모니터링 하는 패치 클램프 소프트웨어 이전 연구20 에 사용 되었습니다 (재료의 표 참조). 녹음 실 및 관류 솔루션 37 ° c.에 유지 된다
1입니다. 펫 ISEs에 대 한 준비
2. 기록에 대 한 패치 클램프의 준비 펫
참고: 단일 채널 녹화21 에 그의 기사에서 도널드 Hilgemann에 의해 설명 하는 방법은 것이 좋습니다.
3입니다. 셀의 준비
4. 내 피 펫 관류 시스템의 준비
5입니다. 솔루션의 준비
6. 전송 활동의 기록
) 세포 표면 및 대량 솔루션 (ΔH+) 무료 H+ 농도 차이에서

및
H+ 고 확산 계수를 각각, 버퍼 BT 는 총 버퍼 농도, KD 는 버퍼의 분리 상수, r 은 셀 반경, 그리고
무료 H+에 작은 변화에 대 한 바운드 H+ 의 농도에 정상 상태 변화를 결정 합니다. H+ 솔루션 무료 양성자를 나타냅니다. 이전 연구 결과와 일치 하도록 H+ 용 변환 됩니다 electrophysiological 유량 단위는 용의 현재 항목을 계산 하 여 (
/faraday) pA3,5].전체 셀 패치 클램프 기록 중 자체 참조이 세는 phosphoinositides에 의해 NHE3 활동의 규칙을 공부에 적용 되었습니다. PS120 구와 같은 셀24, 생 플라즈마 멤브레인 NHEs의 표현 부족, 사용 되었다. NHE3 야생-타입 (NHE3 wt) 또는 NHE3 돌연변이 하지 않는 바인딩 phosphoinositides [티로신 501, 503 아르기닌과 리 505 알라닌, Y501A/R503A/K505A (NHE3-YRK)로 대체 했다] PS120 구와 같은 셀18에 안정적으로 표현 했다.
자취는 그림 2에 표시 됩니다. 셀 heldin 패치 클램핑, 피 펫에 의해 전체 셀 구성 되었고 ISE 셀 앞에 배치 했다. 이 위치에는 세 세포 막 (그림 1A); 가까이 무료 H+ 의 농도 기록 그런 다음,이 세 (또는 패치 클램프 피 펫) 수동으로 이동된 옆 50 µ m 이었고 (그림 1B) 솔루션에서 무료 H+ 의 농도 기록. 기록 된 전압 차이, 해당 셀의 앞에 또는 ISE, 멀리 패치 피 펫의 두 위치 하는 NHE3 활동 (그림 1C)의 대표. Apyrase (ATP-diphosphatase)의 내 피 펫 관류 이후 감소 하는 phosphoinositide 콘텐츠5ATP의 세포내 농도 줄인다. 이전에 보고 된 연구5,,1819와 apyrase 처리에 의해 중재 감소 phosphoinositide 콘텐츠 감소는 전압 감소 기록 했다 NHE3 활동 (~ 50%), 진동 진폭 (그림 2) NHE3 활동에 apyrase (주어진 5 단위/ml)의 효과 완전히 반전 2 µ M와 함께에서 apyrase의 내 피 펫 관류에 의해 파이 (3,4,5) P3 (그림 2 , 3A). 이러한 결과 안정적으로 표현 하는 NHE3 돌연변이 (NHE3-YRK) phosphatidylinositides18바인딩할 수 없었던 PS120 셀에 기록 된 NHE3 활동에 의해 지원 되었다. 혼자 또는 함께 PIP3 apyrase의 관류 NHE3 YRK 돌연변이 (그림 3B)에 NHE3의 활동에 영향을 미치지 않았다. 생 NHE3의 활동 또한 주머니 쥐 신장 (확인) 셀3에 apyrase 치료에 의해 저해 되었다. PI (3,4,5) P3의 내 피 펫 관류 반전 확인 셀 (그림 3C)에 apyrase에 의해 유도 된 NHE3 활동의 저해. 이러한 결과 NHE3 활동에 파이 (3,4,5) P3의 효과 세포 유형 특정 하지 좋습니다.
다음, 우리는 apyrase 중재 변경 NHE3 활동에서 규제에 PIP3의 특이성을 테스트 목적. 우리는 다른 phosphoinositides, PI (4, 5) P2 등의 재 관류 후 NHE3 활동에 apyrase 종속 감소에 미치는 영향을 시 금으로 이것을 했다. PI (4, 5) P2 (10 µ M)에서 apyrase (그림 4A)에 의해 중재 감소 NHE3 활동에 영향을 미치지 않았다. 마지막으로, 앰프-PNP, 비 hydrolysable ATP 아날로그의 관류 theapyrase 종속 억제 NHE3 활동 (그림 4B)의 차단 하지 않았다. 이 발견에는 PI (3,4,5) P3, 하지만 하지 PI (4, 5) P2, ATP 고갈 후 NHE3의 규정에의 한 역할을 건의 한다. PI (4, 5) p 2와 NHE3 레 귤 레이 션이 세 측정 전체 셀 패치 클램프 기록5와 함께 하는 동안 phosphoinositides의 세포 관류 때문 에서만 가능 했다 p 3 파이 (3,4,5)에 대 한 별도 역할의 식별. PI (4, 5) P2 NHE3 활동의 규제에서 보다는 파이 (3,4,5) P3의 특정 행동은 다른 세포내 phosphoinositides NHE3 기능을 다르게 조절 여부를 확인 하려면 중요 합니다.

그림 1 . H+ 의 도식 표현 측정 및 상관관계 NHE 활동 및 잠재적인 차이 pH microelectrode에 의해 기록 된 플럭스.
녹화 설정의 도식 적인 표현입니다. A. 초기 실험 설정의 다이어그램. 셀 전체 셀 구성 패치 클램프 피 펫에 의해 개최 하 고 ISE 앞. 이 위치에는 세 세포 막에 가까운 무료 H+ 의 농도 기록합니다. 나 는 세 (또는 패치 클램프 피 펫) 수동으로 이동된 옆으로 ~ 50 µ m 이며이 위치에 솔루션에서 무료 H+ 의 농도 기록. C. 그래픽 표현의 전압 차이이 세를 사용 하 여 기록. B (ISE 멀리 셀) 위치는이 세 앞 (셀)에서 진동 NHE 활동의 대표 있습니다. 사용 하는 소프트웨어 등록 전압 차이이 세 여 기록 하 고 세포 막 커패시턴스 및 패치 클램프 씰의 품질을 모니터링 구형 파 섭 (20 mV, 0.2 kHz)를 생성 했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 2 . 녹음의 예 apyrase와 파이 (3,4,5) P3 관류 전후 NHE3 wt를 표현 안정적으로 단일 PS120 셀에 NHE3 운송업 자 활동에 대 한 설정 (PIP3).
초기 녹음 후 셀 apyrase의 내 피 펫 관류에 의해 ATP 고갈 되었다. NHE3 활동은 점차적으로 감소 하 고 PIP3 내 피 펫 관류에 의해 복구 되었다. Apyrase 추가 빨간 막대로 표시 되 고 PIP3 추가 녹색 막대로 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 3 . ATP 고갈 및 PS120 및 확인 셀에 NHE3 운송업 자 활동에 PIP3 관류의 효과.
NHE3 활동 및 예약 NHE3 활동에 apyrase의 효과에 ATP 고갈 apyrase 중재의 효과 PIP3 내 피 펫 관류에 의해 유도 된: A. PS120 표현 NHE3 wt 또는 B 세포 PS120 세포 표현 NHE3-YRK, NHE3 돌연변이 phosphoinositides 바인딩할 수 없습니다. C. 확인 셀 생 NHE3을 표현입니다. 단단한 원형 개별 실험 (동일한 조건에서 수행 하는 4 개의 실험)에서 평균 데이터 표시. 오차 막대는 수단 ± 표준 오류 (SE)를 나타냅니다. * P < 0.05 제어, ANOVA에 대. $ P < 0.5, $$P < 0.01 apyrase apyrase + PIP3, ANOVA에 대. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 4 . PI (4, 5) P2의 효과 (PIP2)과 ATP 고갈 후 NHE3 활동에 ANP PNP 관류.
A 의 효과 PIP2 또는 B ANP PNP 내부-피 펫 관류 PS120 셀 NHE3 wt. 솔리드 동그라미 표시 개별 실험 (동일한 조건에서 수행 하는 4 개의 실험)에서 평균 데이터 표현에 NHE3 활동의 apyrase 종속 감소에. 오차 막대를 나타내는 수단 ± SE. * P < 0.05, * * P < 0.01 제어, ANOVA에 대. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
저자는 공개 관심의 없습니다 충돌 있다.
이 원고는 양성자 교통 시스템의 활동을 측정 하 양성자-선택적 전극 및 패치 방법 클램핑의 응용 프로그램을 설명 합니다. 이러한 메서드는 일반적으로 양성자 수송 활동, 적당 한 감도, 시간 해상도 및 부족 한 세포내 환경 제어 등을 연구 하는 데 사용 하는 기술의 몇 가지 제한 사항이 극복.
저자 에릭 Fishback (데스 모인 스 행, 데스 모인 스 행, 아이오와, 미국)을 촬영 하 고 편집 하는 비디오와 함께 그의 도움에 감사 하 고 싶습니다. PS120 구와 같은 세포 안정적으로 NHE3 wt 또는 NHE3 YRK 표현 했다 친절 하 게 박사 마크 Donowitz (존스 홉킨스 대학의과 대학, 볼티모어, 메릴랜드, 미국)에 의해 제공 됩니다.
| 패치 클램프 증폭기 | 분자 장치 | ||
| 이중 채널 차동 전위계(HiZ-223) | Warner | Instruments 64-1650 | |
| 차동 증폭기(DP-301) | Warner Instruments | 64-0044 | |
| MatLab 기반 패치 클램프 소프트웨어 | 수집 도구 상자 | 포함 | 커패시터 미터 소프트웨어 권장 |
| ThermoClamp-1 온도 제어 시스템 | AutoMate Scientific | 03-11-LL | 인라인 히터 |
| 단일 채널 온도 컨트롤러 (TC-324C) | 워너 인스트루먼트 | 64-2400 | |
| 싱글-배럴 표준 보로실리케이트 유리 튜빙 | 월드 정밀 Instruments | 1B120F-3 | 이온 선택성 전극에 사용 |
| 마이크로피펫 보관 항아리 | World Precision Instruments | E212 | |
| Bis(dimethylamino)dimethylsilane | Sigma-Aldrich | 14755-100ML | |
| 탄소 테트라클로라이드 | Sigma-Aldrich | 319961-500ML | |
| 수소 이오노포어 I - 칵테일 B | Sigma-Aldrich | 95293 | |
| 얇은 벽 보로실리케이트 튜빙 | Sutter Instrument | B200-156-15 | 패치 클램프 피펫에 사용 |
| 소프트 글라스 (Corning 8161 패치 유리) | 워너 인스트루먼트 | 64-0815 | |
| 실리카 캐필러리 튜빙 (150um OD/75um ID) | Molex (Polymicro Technologies) | 106815-0018 | 피펫 내 관류 시스템에 사용됨 |
| 염화칼 | 륨Sigma-Aldrich | P9333 | |
| 칼륨 아스파르테이트 | 시그마-알드리치 | A6558 | |
| EGTA | 시그마-알드리치 | E3889 | |
| 염화마그네슘 | ,시그마-알드리치 | M4880 | |
| mg-ATP | ,시그마-알드리치 | A9187 | |
| 헤페스, | 시그마-알드리치 | H3375 | |
| 파이프 | , 시그마-알드리치 | P6757 | |
| 걸레, | 시그마-알드리치 | M1254 | |
| MES | Sigma-Aldrich | M3671 | |
| 염화칼슘 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
| Tris | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| 염산 | Sigma-Aldrich | H1758 | |
| Apyrase | Sigma-Aldrich | A6535 | |
| 포스파티딜이노시톨(4,5) 비스포스페이트 diC8 | Echelon 생명과학 | P-4508 | |
| 포스파티딜이노시톨 3,4,5-트리스포스페이트 diC8 | Echelon Biosciences | P-3908 |