이 방법은 리간드를 제시하는 고정된 DNA-듀플렉스를 파열시켜 상대적인 세포 견인력을 보고하는 세포의 경향을 측정합니다. 파열된 형광 올리고는 세포로 전달되어 유세포 분석으로 분석되어 세포의 기계적 이력을 기록합니다. 이를 통해 세포 메카노피노타이핑(cellular mechanophenotyping)의 맥락에서 세포력 생성에 대한 고처리량 측정이 가능합니다.
방법 논문
이 방법은 리간드를 제시하는 고정된 DNA-듀플렉스를 파열시켜 상대적인 세포 견인력을 보고하는 세포의 경향을 측정합니다. 파열된 형광 올리고는 세포로 전달되어 유세포 분석으로 분석되어 세포의 기계적 이력을 기록합니다. 이를 통해 세포 메카노피노타이핑(cellular mechanophenotyping)의 맥락에서 세포력 생성에 대한 고처리량 측정이 가능합니다.
기계적 힘은 많은 중요한 세포 과정을 안내하며, 세포의 기계적 표현형 또는 기계형은 많은 질병에서 방해를 받습니다. 세포의 힘을 정량화하는 데 가장 널리 사용되는 방법은 견인력 현미경 검사법으로, 전통적으로 형광 비드를 포함하는 탄성 기질을 변형시키거나, 마이크로 포스트를 편향시키거나, 고정된 분자 장력 센서의 형태를 변경하는 세포의 고해상도 현미경 검사를 통해 세포가 주변 환경에 가하는 힘을 포착합니다. 여기에서는 확립된 DNA 장력 프로브를 사용하여 상대적인 세포 견인력을 측정하고 유세포 분석을 통해 정량화하는 고처리량 방법을 제시합니다. 이 방법에는 아래에 설명된 5가지 전체 단계가 있습니다. 첫째, DNA 연결 HUH-태그에 융합된 고친화성 인테그린 리간드 에키스타틴의 발현 및 정제; 둘째, 리포터와 리간드를 포함하는 DNA 이중 프로브의 제조; 셋째, 프로브의 표면 준비 및 고정; 넷째, "Rupture and Deliver" 장력-게이지-테더 실험 및 흐름 판독 실행. 마지막으로 데이터 분석 및 실험 결과 해석에 대해 설명합니다.
기계적 힘은 이동(migration)1부터 줄기세포 분화(stem cell differentiation)2, T세포가 올바른 항원제시세포(antigen-presenting cell)3에 결합하고 활성화되는 능력에 이르기까지 많은 중요한 세포 과정을 안내합니다. 기계적 변수는 질병에서 조절이 되지 않아 세포의 세포, 기계적 표현형 또는 기계형에서 측정 가능한 차이를 초래합니다 4,5. 메카노타입(Mechanotype)은 세포와 조직의 기계적 특성을 포괄하는 용어이며 수축성(contractility), 이동(migration), 접착력(adhesion) 및 변형성(deformability)과 같은 매개변수를 포함할 수 있습니다. 세포 또는 조직의 강성은 높은 처리량으로 측정할 수 있으므로 측정되는 메카노타입의 가장 일반적인 측면입니다. 예를 들어, 암세포는 정상 세포보다 뻣뻣한 경우가 많고, 전이성 세포는 순응도가 더 높은 경우가 많습니다 6,7. 세포에 의한 힘 생성은 특정 세포와 환경 간의 상호 작용을 조사하기 때문에 질병8에서 변형된 기계형의 중요한 측면입니다. 견인력 현미경 검사는 세포의 힘 생성을 측정하는 가장 일반적인 방법이며, 형광 비드가 내장된 변형 가능한 탄성 기판 또는 마이크로포스트 어레이에 셀을 도금하고 비드 이동 또는 포스트 편향의 변화를 추적하여 세포가 가하는 힘을 계산하는 것을 포함합니다. 분자 장력 센서는 또한 견인력을 측정하는 데 사용되었으며 더 작은 크기의 힘에 대한 민감성과 특정 리간드-수용체 쌍에 의해 생성된 힘을 측정하는 이점을 제공합니다 9,10. 그러나 기존 TFM 및 분자 장력 센서로 세포력을 측정하는 것은 고해상도 이미징에 의존하므로 측정 처리량이 제한됩니다.
우리는 최근에 DNA-duplex tension probe를 세포 메카노피노타이핑11의 맥락에서 세포 힘 생성의 고처리량 판독에 적용했습니다(그림 1). 간단히 말해서, 광범위하게 사용되는 TGT(tension-gauge-tether) 프로브(12)에서 변형된 DNA 듀플렉스는 "앵커" 가닥13의 비오틴-뉴트라비딘 화학을 통해 96웰 플레이트의 웰에서 고정됩니다. TGT 듀플렉스의 필요한 파열력은 앵커 스트랜드에서 비오틴의 위치를 변경하여 조정할 수 있으며, 이는 듀플렉스의 기하학을 변경하여 낮은 파열력 언지퍼 형태(그림 2A) 또는 높은 파열력 전단 형태(그림 2B)를 초래합니다. 앵커 가닥에는 비오틴과 형광 소광제가 포함되어 있는 반면, DNA의 "리간드" 가닥에는 형광 프로브와 인테그린과 같은 메카노센싱에 관여하는 세포 표면 수용체를 인식하는 리간드가 포함되어 있습니다. 리간드는 리간드에 융합된 HUH-태그라고 하는 DNA 연결 융합 태그를 사용하여 DNA(그림 3)에 공유 연결됩니다14,15. HUH-태그는 바이러스 복제 및 기타 과정에 관여하는 작은 HUH 엔도뉴클레아제 도메인으로, 단일 가닥 DNA의 9bp 서열/구조를 인식하고, nick을 찍고, nicked DNA의 5' 말단에 공유 포스포티로신 부가물을 형성합니다.
이 프로브 위에 도금된 세포는 리간드에 결합하고 프로브가 생성하는 힘에 비례하여 프로브의 일정 비율을 파열시킵니다. 수용체에 결합된 형광 리간드 가닥은 이후에 세포로 전달됩니다. 따라서 세포의 기계적 이력은 형광의 크기를 통해 관심 세포에 기록됩니다. 형광은 유세포 분석을 사용하여 정량화할 수 있습니다. 이 방법을 Rupture and Deliver-TGTS 또는 RAD-TGT라고 합니다. 이 방법은 형광을 측정하여 한 번에 수천 개의 세포에서 생성되는 상대적인 힘을 측정할 뿐만 아니라 유세포 분석 판독을 통해 세포를 메카노타입별로 분류할 수 있는 가능성을 제공하여 다운스트림 오믹스 판독뿐만 아니라 세포 메카노타입을 변경하는 유전자 또는 약물을 식별할 수 있는 CRISPR-KO 또는 약물 스크리닝을 수행할 수 있습니다.
아래 프로토콜에서는 RAD-TGT 실험을 준비하고 실행하는 방법을 보여줍니다. 우리는 WDV(밀 왜성 바이러스에서 유래)로 알려진 HUH 유형의 발현 및 정제 자체로 음성 대조군 역할을 하고 RGD 결합 인테그린으로 알려진 세포와 환경 사이의 힘을 전달하는 접착 수용체 계열을 단단히 결합하는 리간드인 에키스타틴에 융합되어 실험 조건으로 작용하는 것을 강조할 것입니다. 이를 통해 실험용으로 RAD-TGT를 준비하는 방법을 보여줍니다. 실험을 진행하는 방법과 결과 데이터를 분석하는 방법을 설명합니다. 또한 ROCK 억제제가 CHO-K1 세포에서 인테그린 매개 힘을 어떻게 변경하는지 측정하여 RAD-TGT의 응용 분야를 강조할 것입니다(그림 4). 요약하자면, 우리는 이 프로토콜이 이전 경험에 관계없이 기계생물학에 입문하는 역할을 하기를 바랍니다. 이 분야는 초기 단계에 있으며 모든 배경은 더 많은 이해를 위해 필수적입니다.
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1. HUH 발현과 정화
2. RAD-TGT 준비
3. 표면 처리
4. RAD-TGT 실험 프로토콜
5. 데이터 수집 및 분석
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RAD-TGT의 유용성과 사용 편의성을 입증하기 위해 CHO-K1 세포의 기계형에 대한 Rho Kinase(ROCK) 억제제의 효과를 분석했습니다. ROCK 경로는 액틴 조직 및 미오신 활성화에 관여합니다. TGT를 사용한 이전 연구에서는 ROCK 억제가 TGT 전단 파열을 감소시킨다는 것을 보여주었습니다 16,17,18. 전단 또는 고하중 TGT는 국소 접착을 통해 가해지는 수축력에 대해 보고하는 반면, 지퍼가 풀리거나 낮은 힘의 TGT는 초기 접착, 세포 확산 및 국소 접착 형성의 초기 단계에 관여하는 낮은 세포력에 민감합니다. 따라서, Y-27632 처리는 이전에 미오신 II 억제제 블레비스타틴11에서 관찰한 바와 같이 TGT 압축 해제의 효과가 적으면서 차량 제어에 비해 전단 구조에서 RAD-TGT 형광 신호를 감...
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당사는 생명 과학 분야의 과학자들이 워크플로우에 메카노타이핑을 통합하도록 장려하기 위해 RAD-TGT 실험을 설정하고 수행하는 방법에 대한 프로토콜을 제공했습니다. 특히 단백질 생산 능력이 있는 RAD-TGT의 주요 이점은 HUH 엔도뉴클레아제를 사용하여 화학적 가교 및/또는 정제 없이 높은 충실도로 리간드를 DNA 듀플렉스에 접합한다는 것입니다. HUH 엔도뉴클레아제는 부위 특이적 방식으로 단일 가닥 DNA에 결합하는 뉴클레아제 계열을 포함합니다. HUH는 다음 결합을 통해 DNA 골격을 절단하고 새로 노출된 5' 말단과 공유 부가물을 형성하기 때문에 특히 흥미롭습니다. 이러한 반응은 빠르며 몇 분 내에 완료될 수 있습니다. HUH는 크기가 작고 메커니즘이 간단하기 때문에 많은 단백질의 말단에 추가될 수 있으며 원래 단백질과 HUH 유지 기능이 모두 가능합니다. 우리는 이를 활용하여 관심 리간드를 듀플렉스에 빠르게 접합하여 장력 게이지 테더를 1단계 반응으로 조립했습...
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저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.
W.R.G.는 NIH R35GM119483의 자금 지원을 인정합니다. Biorender는 도형 회로도를 만드는 데 사용되었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 15 mL 원뿔형 튜브 | Sarstedt | 62.554.205 | |
| 96 웰 유리 바닥 플레이트 | Cellvis | P96-1.5H-N | |
| 접착제 PCR 플레이트 호일 | Thermo Fisher Scientific | AB-0626 | |
| Ampicillin | Apex Bioresearch 제품 | 25-530 | |
| Bio-Rad 20mL 컬럼 | Bio-Rad | 7321010 | |
| Biotinylated BSA | Thermo Fisher Scientific | 29130 | |
| BL21 (DE3) Competent E. coli | New England Biolabs | C2527H | |
| 소 혈청 알부민 | Thermo Fisher Scientific | BP9703100 | |
| 세포 배양 인큐베이터 | Thermo Fisher Scientific | 51030284 | |
| 원심분리기 | Thermo Fisher Scientific | 75009521 | |
| CHO-K1 | ATCC | CCL-61 | |
| 투석 튜빙 | Thermo Fisher Scientific | PI88242 | |
| DMSO | Thermo Fisher Scientific | D12345 | |
| EDTA | Thermo Fisher Scientific | S311-100 | |
| Flow 사이토미터 | BD | Accuri C6 Plus | |
| FlowJo | BD | FlowJo v10.10 | |
| HEPES | Thermo Fisher Scientific | BP310-1 | |
| 이미다졸 | Thermo Fisher Scientific | O3196-500 | |
| IPTG | IBI Scientific | IB02125 | |
| LB 한천 | Fisher Scientific | BP1425-500 | |
| 리간드 스탠드 | 통합 DNA 기술 | 사용자 설계 올리고 | GCT ATA, AAC, TCA CCG, TAA TTT, TTT, GGC, CCG, CAG, CGA, CCA, CCC, TTT /3Cy5Sp/ |
| 용해 육수(LB) | Thermo Fisher Scientific | BP1426-500 | |
| MnCl2 | Thermo Fisher Scientific | M87-100 | |
| NaCl | Thermo Fisher Scientific | BP358-212 | |
| NeutrAvidin | Protein Thermo Fisher Scientific | 31000 | |
| Nickel-NTA 수지 | Thermo Fisher Scientific | 88222 | |
| PBS | Corning | 21-031-CV | |
| 페트리 디쉬 | VWR | 25384-342 | |
| 프로피듐 요오드화물 용액 | 케이맨 화학 물질 | 10008351 | |
| SDS-PAGE 젤 | Bio-Rad | 4561096 | |
| 무혈청 매체 | Thermo Fisher Scientific | A4124801 | Gibco Optimem 중고, 대체 혈청 무함유 배지는 사용해도 괜찮습니다 |
| Shearing Anchor | Strand Integrated DNA 기술 | 사용자 설계 oligo | /5IAbRQ//iBiodT/G GGT, GGT, CGC, TGC, GGG CC |
| Sonicator, | Thermo Fisher Scientific | 15-345-139 | |
| Thermal Cycler, | Bio-Rad | 1861096 | |
| Tris | Thermo Fisher Scientific | BP152-500 | |
| Trypin | Thermo Fisher Scientific | 12605036 | |
| 초원심 필터, 10 kDa 차단 | Amikon | ||
| Unzipping Anchor Strand | Integrated DNA Technologies | 사용자 설계 oligo | /5IAbRQ/GG GTG GTC GCT GCG GGC C/3Bio/ |
| WDV Plasmid | AddGene | 226983 | |
| WDV-Echistatin Plasmid | AddGene | 226985 | |
| Y-27632 | Selleck Chemicals | S1049 | DMSO에서 재구성되었습니다. |
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