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Research Article
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
이 기사에서는 상으로 분리된 거대 소포 내부의 세포골격 네트워크의 간단한 원팟 재구성을 소개합니다. 이 방법은 일반화되어 광범위한 생체 분자의 캡슐화 또는 제한에 적용될 수 있습니다.
거대 단층 소포(GUV) 형태의 생체 모방 지질막은 GUV 내부의 단백질 재구성, 시각화 및 세포막-단백질 역학에 대한 이해가 용이하기 때문에 세포막 거동을 모방하는 데 일반적으로 사용됩니다. 그러나 세포막은 세포막에 다른 지질이 존재하여 발생하는 지질 뗏목(또는 도메인)으로 구성됩니다. 모델 시스템의 이러한 복잡성 증가는 지질 조성을 미세하게 조정할 수 있는 상 분리 GUV로 이어지도록 통합될 수 있습니다. 동질적인 GUV를 생성하기 위한 캡슐화 방법은 널리 알려져 있지만, 상 분리된 GUV 내에서 단백질을 캡슐화하는 방법은 제한적입니다. 여기서, 이 프로토콜은 액체 무질서(Ld) 및 액체 정렬(Lo) 도메인으로 구성된 상 분리 GUV의 단순화된 단일 냄비 생산을 제공하여 서로 다른 세포골격 단백질, 즉 FtsZ 및 actin을 효율적으로 캡슐화하여 이 방법을 최소 세포 생산을 위한 다목적 도구로 만듭니다. 특히, 이 접근 방식은 에멀젼 전송 프로토콜을 사용하여 캡슐화 효율이 높은 GUV를 생성합니다. 이 방법에서는 먼저 지질/오일 혼합물에서 단백질 용액을 유화하여 지질-단층을 생성하며, 여기서 다양한 상전이 온도의 지질을 선택하여 결과 GUV에서 상 분리를 생성합니다. 이 에멀젼은 다른 튜브의 지질 내 유성 용액 위에 부드럽게 전달되어 물-오일 계면이 형성됩니다. 그런 다음 용액을 고온(단백질 활성을 유지하기 위해 이상적으로는 37°C)에서 원심분리한 후 이미징을 위해 GUV를 수집합니다. 이 방법은 번거로운 실험실 설정을 사용하지 않고 상분리된 GUV 내에서 세포골격 단백질의 체외 재구성을 단순화하므로 밀폐 상태에서 세포골격-막 상호 작용의 역학을 연구하기 위한 편리한 방법으로 사용됩니다.
거대 소포는 세포 기능을 이해하기 위한 모델 시스템 역할을 합니다 1,2. 생산의 용이성, 시각화, 조정 가능성 및 생체 분자의 체외 재구성으로 인해 이러한 생체 모방 모델은 많은 연구 연구에서 선택되는 시스템입니다 3,4,5. GUV를 만드는 방법에는 전기형성6, cDICE 7,8, 에멀젼 전달 및 기타 미세유체 기반 방법(9,10)과 같은 몇 가지 알려진 방법이 있습니다. 이러한 방법을 사용한 GUV 생산은 문헌 3,11에 보고되어 있습니다. 더욱이, 시험관내에서, GUV 내부의 세포골격 네트워크의 재구성은 이전에 어떠한 복잡한 설정도 필요로 하지 않는 이 원-팟 형성 방법의 용이성으로 인해 에멀젼 전달 방법을 사용하여 설명되었다12. 그러나 이러한 재구성은 세포막의 복잡성을 완전히 모방하지 않는 시스템인 균질한 GUV에서 매우 일반적으로 보고됩니다.
이 프로토콜은 지질막의 복잡성을 나타내는 상분리된 GUV 내부의 세포골격 네트워크의 체외 재구성을 설명합니다. 이러한 네트워크는 이전에 막 표면(외부)에 결합하는 것으로 보고되었지만 거대 소포13,14 내에 국한되지 않는 것으로 보고되었지만, 본 에멀젼 전달 기술은 상 분리를 수득하고 세포골격의 네트워크 형성 활성을 유지하기 위한 프로토콜에 초점을 맞춥니다. 이 기술의 주요 과제 중 하나는 온도입니다. 상 분리 GUV를 생성하기 위한 표준 생산 방법은 구성 지질의 상전이 온도에 따라 달라지는 상승된 온도를 사용해야 합니다. 그러나 세포골격 단백질은 이러한 고온에서 고차원 구조로 중합할 수 없습니다 15,16,17. 따라서 이 프로토콜은 지질 조성물을 사용하여 실온에서 GUV에서 상 분리를 수율할 뿐만 아니라 생리학적 온도에서 우수한 GUV 수율을 생성하도록 조건을 최적화합니다.
재구성 GUV 시스템을 생산할 때 고려해야 할 또 다른 측면은 필요한 캡슐화된 생체 분자의 부피입니다. 대부분의 단백질의 경우, 더 많은 양의 단백질을 생산하는 것은 여러 번의 정제 과정을 거쳐야 하는 비용과 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 또한, 체외 재구성 실험은 일반적으로 최적화된 내부 용액 함량을 달성하기 위해 생체 분자 농도, 완충액 조성 등을 먼저 테스트하는 초기 탐색 단계를 필요로 합니다. 따라서 이 프로토콜은 앞서 언급한 전제에 적응하는 두 가지 다른 분석에 대해 GUV 생산 프로토콜을 최적화합니다. 한편으로, 이 프로토콜은 상대적으로 더 많은 양의 단백질을 포함하고 튜브에서 고수율 GUV 생산을 생성하여 나중에 96웰 플레이트의 이미징으로 전환되는 표준 역 에멀젼 프로토콜을 최적화하는 하나의 분석을 설명합니다. 다른 한편으로, 여기에 설명된 접근법은 이미징 웰 플레이트에서 직접 위상 분리 GUV 생산을 위한 프로토콜을 최적화하여 더 적은 부피의 생체 분자(튜브 생산에 필요한 양의 ~1/4)를 사용하고 GUV 직렬 생성을 가능하게 하여 한 번의 원심분리 단계에서 많은 캡슐화된 조건을 달성합니다. 따라서 여기에 제시된 프로토콜은 하나의 캡슐화 방법을 보여주지만 사용자가 요구 사항에 따라 두 설정 중 하나를 선택할 수 있도록 합니다.
또한 이 프로토콜은 두 개의 서로 다른 세포골격 네트워크인 FtsZ 및 actin에 대한 캡슐화에 최적화된 방법을 설명합니다. 이 두 단백질은 서로 다른 완충액 및 밀집 조건을 필요로 하기 때문에 프로토콜은 최적의 네트워크 재구성을 달성하기 위해 필요한 후속 변화를 처리합니다. 따라서 여기에 제시된 접근 방식은 상 분리된 GUV 내에서 필요한 생체 분자를 캡슐화하는 데 사용 및 일반화될 수 있습니다.
이 연구에 사용된 시약과 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 지질 혼합물 제제
2. 캡슐화를 위한 내부 용액 준비
3. GUV 생산 및 생체외 캡슐화
4. 이미징 및 3D 이미지 재구성
5. 크기에 따른 GUV 빈도의 통계적 분석
첫 번째 단계로, 변형된 역 에멀젼 접근법에 따라 멤브레인 상 분리가 있는 GUV가 생성되었습니다(그림 1A). 그 결과 높은 수율의 GUV가 생성되며, 이는 Ld 도메인과 L d 도메인과 라벨링되지 않은 Lo 도메인에 해당하는 어두운 영역의 Atto 655-DOPE 라벨로 표현되는 바와 같이 Ld 및 Lo 도메인으로 혼합된 멤브레인을 나타냅니다(그림 1B). 이 방법은 고온에서 5-30μm(그림 1C) 범위의 위상 분리 GUV를 생성합니다(모든 단계는 37°C에서 수행되고 RT에서 이미징됨). 또한, 원심분리 속도를 조정하여 GUV 내에 원래 성분 지질이 통합되도록 하고 과도한 과잉 증식을 방지했습니다.
또한, 현재 프로토콜에 설명된 에멀젼 방법을 사용하여 생체 분자의 성공적인 캡슐화를 입증하기 위해 FtsZ와 액틴 네트워크를 개별 실험에서 재구성했습니다. FtsZ 네트워크는 2.5mM GTP 및 50g/L Ficoll70(그림 2 참조)이 존재할 때 막 표적화 서열(MTS)을 통해 Ld 도메인에 우선적으로 결합하는 필라멘트로 나타나는 GUV 내부로 요약됩니다. 네트워크는 캡슐화 단계 후 약 1시간 후에 관찰되었습니다. 그러나 액토미오신 네트워크는 GUV 내에서 재구성 후 얇은 다발(FtsZ의 두꺼운 네트워크와 대조적으로)로 나타납니다(그림 3). 비오틴화된 지질은 액토미오신 네트워크가 GUV의 막에 결합하는 데 중요한 역할을 한다는 점에 유의해야 합니다. 비오틴화된 지질이 없으면 액토미오신 다발은 곡선 구성을 채택할 수 없으며 긴 다발의 얽힌 그물망으로 멤브레인에 부착되는 대신 내강에서 곧고 짧고 뻣뻣한 다발로 남아 있습니다(그림 4).
변형된 에멀젼 프로토콜에서는 앞서 언급한 바와 같이 상분리된 GUV를 얻기 위해 원심분리 속도를 조정합니다. 실제로, 액토마이신 네트워크(15분 동안 600 x g )를 포함하는 샘플의 더 높은 원심분리 속도는 소포가 생산 웰 내부에서 조직과 같은 구성으로 응집되는 결과를 낳습니다. 따라서 액토미오신 네트워크의 모든 표준 재구성 실험에서 최적의 원심분리 속도를 200 x g 로 설정하여 응집되지 않은 GUV를 얻었습니다(그림 5).

그림 1: 이중 에멀젼 전달 방법을 사용하는 상 분리 GUV의 원팟 생성. (A) 이중 에멀젼 전달을 통한 상 분리 소포의 원포트 생산의 핵심 단계에 대한 실험 계획. (B) A. 스케일 바에 설명된 방법에 따라 생성된 결과 GUV의 컨포칼 Z-투영 이미지는 50μm입니다. (C) 직경에 따라 생성된 위상 분리된 GUV의 분율이 있는 막대 그래프. 수행된 실험 n = 3, 실험당 분석된 총 GUV 수 = 100. 평균값으로 표시된 데이터, 개별 데이터 포인트는 세 가지 독립적인 실험입니다. 오차 막대는 세 가지 실험의 표준 편차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 캡슐화된 FtsZ 네트워크가 있는 위상 분리된 소포. (A) FtsZ 네트워크를 포함하는 위상 분리 GUV의 완전히 획득된 z-스택에서 수행된 컨포칼 3D 투영 이미지. (B) 소포의 위쪽 절반에서만 수행된 컨포칼 Z-투영 이미지. GUV 표면에 걸쳐 도메인이 이질적으로 형성되기 때문에 획득된 공초점 절편의 3D 재구성은 소포의 상단과 하단 영역에서 지질 도메인이 겹치는 것을 보여줍니다. 중복을 방지하고 도메인의 시각적 검사를 용이하게 하기 위해 획득한 z-스택의 아래쪽 절반이 파일에서 제거됩니다. 결과 상단 절반은 표준 편차를 통한 3D 투영에 사용됩니다. 눈금 막대는 모두 20μm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 캡슐화된 액토마이신 네트워크가 있는 위상 분리된 소포. (A) 소포 생산 후 웰의 축소 보기가 있는 전체 획득 스택의 공초점 Z 투영 이미지. 얻어진 소포의 높은 수율은 소포 내의 다양한 액토마이신 구조를 연구할 수 있게 합니다. 스케일 바는 50μm입니다. (B) 소포의 위쪽 절반에서 수행되는 컨포칼 Z 투영 이미지. 지질 영역의 시각적 분석을 용이하게 하기 위해 이미지 슬라이스의 위쪽 절반만 3D 투영을 수행하는 데 사용됩니다. 눈금 막대는 10μm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 상분리된 소포 내부의 막결합 액토미오신 네트워크 생성을 위한 비오틴화된 지질의 중요성. 연결되지 않은 액토미오신 네트워크가 있는 위상 분리된 소포를 묘사하는 컨포칼 3D 투영. 비오틴화된 지질이 혼합물에 통합되지 않으면 액토미오신 구조가 내강에서 형성되고 소포의 내부 소엽에서 곡선 구성을 획득하지 않습니다(오른쪽 패널, Atto488로 표지된 액틴). 눈금 막대는 50μm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 에멀젼 전달을 통한 상 분리 소포 생산에 대한 원심분리 속도의 효과. 15분 동안 600 x g의 원심분리력을 사용하여 생성된 GUV 샘플을 보여주는 컨포칼 2D 이미지. 최적화된 200 x g보다 빠른 원심분리 속도는 웰 내부에서 소포를 조직과 같은 구성으로 응집시킵니다. 눈금 막대는 100μm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 경쟁 이익이 없음을 선언합니다.
이 기사에서는 상으로 분리된 거대 소포 내부의 세포골격 네트워크의 간단한 원팟 재구성을 소개합니다. 이 방법은 일반화되어 광범위한 생체 분자의 캡슐화 또는 제한에 적용될 수 있습니다.
저자는 단백질 정제에 도움을 준 MPIB Core Facility, 플라스미드 클로닝을 제공한 Michaela Schaper, 단백질 정제를 제공한 Kerstin Röhrl, 지질 제제를 제공한 Sandra Ortmeier에게 감사를 표합니다. 저자들은 또한 크라우더 조건과 단백질 캡슐화에 대한 유용한 토론을 해준 Adrián Merino-Salomón과 Shunshi Kohyama에게 감사를 표합니다. M.R.-L. 연방 정부 및 Länder의 우수성 전략에 따라 바이에른 자유주뿐만 아니라 연방 교육 연구부(BMBF)가 지원하는 IMPRS-ML 및 ONE MUNICH 프로젝트의 일부입니다. 저자들은 또한 뮌헨의 나노과학 센터(Center for Nanoscience, CeNS)의 지원을 인정하고 싶습니다.
| 1,2-디올레오일-sn-글리세로-3-포스포-(1'-rac-글리세롤)(나트륨염)(DOPG) | Avanti 극성 지질 | 840475 | 클로로포름 |
| 1,2-디올레오일-sn-글리세로-3-포스포콜린(DOPC) | Avanti 극성 지질 | 850375 | 클로로포름 |
| 1,2-디올레오일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민-N-(캡 비오티닐)(나트륨염)(18:1 비오티닐 캡 PE) | Avanti 극성 지질 | 870273 | 클로로포름 |
| 1,2-디팔미토일-sn-글리세로-3-포스포-(1'-rac-글리세롤)(나트륨염)(DPPG) | Avanti 극성 지질 | 840455 | 클로로포름 |
| 1,2-디팔미토일-sn-글리세로-3-포스포콜린(DPPC) | Avanti 극성 지질 | 850355 | 클로로포름 |
| 96웰 평바닥 마이크로플레이트(SensoPlate)액 | |||
| 틴(알파-액틴 골격근, 토끼) | HYPERMOL | 8101-01 | |
| Atto488-Actin (알파-액틴 골격근, 토끼) | HYPERMOL | 8153-01 | |
| Atto655-DOPE | ATTO-TEC | AD 655-16 | 분말 |
| 목욕 초음파 처리기 | Branson | 1510R-MTH | 브랜소닉 초음파 세척기 |
| 비오틴-액틴(알파-액틴 골격근, 토끼) | HYPERMOL | 8109-01 | |
| BSA | 시그마 알드리치 | A6003 | |
| 원심분리기 | 엡펜도르프 | 5424R | |
| 원심분리기 | 엡펜도르프 | 5804 R | |
| 클로로포름 | 시그마 알드리치 | 67-66-3 | |
| 콜레스테롤(양) | Avanti 극성 지질 | 700000 | 클로로포름 |
| 데칸 | TCI Deutschland GmbH | D0011 | |
| Fascin(인간, 재조합) | Cytoskeleton Inc(Tebubio GmbH) | CS-FSC01-A | |
| Ficoll70 | Sigma Aldrich | F2878 | |
| Iodixanol(OptiPrep) | Sigma Aldrich | D1556 | |
| LSM800 공초점 레이저 주사 현미경 | Carl Zeiss | C-Apochromat 40 &시간; /1.2 침수 대물렌즈. 다이오드 펌핑 고체 레이저: 488 NM 및 640&Thinsp; nm. | |
| 미네랄 오일 | Sigma Aldrich | 8042-47-5 | |
| Myosin II (토끼 골격근) | Cytoskeleton Inc (Tebubio GmbH) | MY02-A | |
| Neutravidin | Thermo Fisher Scientific Inc. | 31000 | |
| 삼투압계 | Fiske Associates | Fiske Micro-Osmometer 모델 120 | |
| Greiner Bio-One | 글로벌 | 07-000-109 |