Wizualizacja kompleksów białkowych in situ jest bardzo pożądana, szczególnie w badaniach nad sygnalizacją, gdzie oddziaływania białek i ich modyfikacje są mechanizmami wykorzystywanymi przez komórki do przesyłania sygnałów z powierzchni do jądra. Dotychczas nie było możliwości wizualizacji i kwantyfikacji kompleksów dwóch białek endogennych in situ za pomocą immunofluorescencji. Kolokalizacja przeciwciał charakteryzuje się niską rozdzielczością i nie może być stosowana do obrazowania rzeczywistych oddziaływań. PLA to nowa technika, którą badacze zaczęli z dużym sukcesem stosować w różnych systemach 6, 7. W niniejszej pracy demonstrujemy, jak wykorzystać PLA nie tylko do wizualizacji, ale także do kwantyfikacji endogennych kompleksów efektorów Smad aktywowanych w odpowiedzi na stymulację BMP w funkcji czasu. W tym celu wykorzystaliśmy różne linie komórkowe hodowle tkankowych, w tym Neuro2a, oraz opieraliśmy się na komercyjnych przeciwciałach wytworzonych w różnych gatunkach (mysie przeciw Smad4 i królicze przeciw P-Smad1/5/8) (ryc. 1). Metoda ta pozwoliła nam po raz pierwszy zaobserwować aktywację kompleksów efektorowych BMP w czasie, a nie tylko obecność fosforylowanych Smad1/5/8, z których nie wszystkie mogą być zaangażowane w aktywne kompleksy z Smad4. Policzyliśmy sygnały (ryc. 1F) i porównaliśmy ten pomiar z kwantyfikacją uzyskaną z immunoblottingu tych samych komórek 8 (rycina 1G). Wyciągnęliśmy wniosek, że liczba punktów stanowi dokładny pomiar porównawczy poziomów sygnalizacji w czasie. Technikę tę zastosowano również w innych liniach komórkowych (HEK293T i Cos7), uzyskując podobne wyniki (dane nie przedstawiono).
Zasada działania tej technologii opiera się na dwóch unikalnych sondach dostarczanych w zestawie Duolink. Każda sonda PLA składa się z przeciwciała wtórnego sprzężonego z unikalnym syntetycznym oligonukleotydem, który pełni rolę reportera. Bliskość sond umożliwia ligację DNA dokładnie w miejscu, w którym sondy te są przytwierdzone w bezpośrednim sąsiedztwie. Odległość między oligonukleotydami, która pozwala na hybrydyzację i ligację DNA, jest niewielka (<40nm), w związku z czym tylko oddziałujące ze sobą białka mogą doprowadzić do ligacji. Zligowane DNA może być następnie amplifikowane i wykrywane poprzez hybrydyzację z oznakowanymi oligonukleotydami komplementarnymi do amplifikowanej sekwencji. Amplifikacja jest specyficzna, ponieważ opiera się na zasadach hybrydyzacji DNA-DNA, a także zapewnia wysoką czułość, gdyż zligowane DNA jest powielane wielokrotnie, co prowadzi do wzmocnienia sygnału z początkowego zdarzenia ligacji. Amplifikowane DNA jest wykrywane poprzez hybrydyzację z oznakowanymi oligonukleotydami, co daje widoczny i stosunkowo duży punkt (spot). Ponieważ punkty te można zliczać, sygnał PLA dostarcza nie tylko dokładnych informacji przestrzennych (lokalizacji zdarzeń oddziaływania), ale także obiektywnej metody ilościowej oceny tych zdarzeń 2-4.
Inne techniki stosowane do wykrywania oddziaływań białkowych obejmują ko-immunoprecypitację, immunofluorescencję oraz transfer energii rezonansowej fluorescencji (FRET). Testy ko-immunoprecypitacji są szeroko stosowane, umożliwiając izolację kompleksów białkowych. Metodzie tej towarzyszy immunoblotting, co oznacza, że białka muszą być wyrażane na stosunkowo wysokim poziomie, aby mogły zostać wykryte. W ko-immunoprecypitacji czasami trudno jest wyeliminować problemy związane z wysokim tłem lub niespecyficznym wiązaniem niektórych białek do kulek. Ponadto testy ko-immunoprecypitacji pozwalają na wykrycie białek, które mogą być częścią kompleksu białkowego, ale nie potrafią odróżnić tych, które znajdują się w bardzo bliskiej odległości i oddziałują fizycznie ze sobą. Co więcej, ko-immunoprecypitacje nie zapewniają kwantyfikacji z rozdzielczością pojedynczych komórek ani informacji o lokalizacji kompleksów białkowych w komórce. Wykrywanie współistnienia kompleksów białkowych w komórce lub przedziale komórkowym za pomocą immunofluorescencji opiera się na nakładaniu się rozproszonych sygnałów, a zatem charakteryzuje się niską rozdzielczością przestrzenną i nie może dostarczyć dokładnych informacji o oddziaływaniach białek. Kwantyfikacja sygnału immunofluorescencyjnego może być przeprowadzona metodą szacunkową jedynie w przypadku, gdy różnica jest kilkukrotna, i nie może być tak dokładna ani mierzalna jak plamki PLA. FRET umożliwia wizualizację kompleksów białkowych w żywych komórkach i eliminuje konieczność stosowania przeciwciał oraz odsłaniania epitopu. Jednakże FRET zazwyczaj opiera się na nadekspresji sztucznie połączonych białek, co może nie odzwierciedlać endogennych kompleksów białkowych w taki sposób, jak ma to miejsce w PLA.
Warunki blokowania w protokole PLA są krytyczne, ponieważ może dojść do agregacji przeciwciał, co zwiększa tło. Alternatywne warunki blokowania można znaleźć w kartach produktów przeciwciał. Odpowiednie kontrole z pominięciem przeciwciał pierwotnych i wtórnych dostarczają informacji o potencjalnych błędach i muszą być one zawsze uwzględniane. Ważne jest przetestowanie różnych przeciwciał w celu wybrania tych, które dają najniższe tło podczas stosowania pojedynczo oraz najlepszy sygnał przy jednoczesnym użyciu. Fixacja komórek jest kluczowa, ponieważ nadmierne utrwalenie może spowodować całkowitą denaturację i degradację kompleksów białkowych, natomiast niewystarczająca fixacja może prowadzić do utraty kompleksów białkowych podczas poszczególnych etapów procedury. Można to kontrolować poprzez obniżenie stężenia utrwalacza do 3% lub ograniczenie czasu fixacji. Jednakże fixacja zależy również od tego, czy przeciwciała pierwotne rozpoznają białka zdenaturowane. Ponieważ technika PLA jest bardzo czuła, należy zachować szczególną staranność, aby czasy inkubacji i mikro warunki były jednakowe dla wszystkich próbek.
Próbki w żadnym przypadku nie powinny wyschnąć przed ostatnim etapem. Wyschnięcie próbek może prowadzić do zwiększenia tła. Całkowite usunięcie roztworu blokującego jest również krytyczne, aby uniknąć tła. Bufory do płukania powinny zawsze zostać doprowadzone do temperatury pokojowej przed użyciem, ponieważ niska temperatura spowalnia reakcje enzymatyczne. W celu dalszego rozwiązywania problemów należy zapoznać się z instrukcją do zestawu.
W celu ustalenia subkomórkowej lokalizacji sygnału PLA warto zastosować barwienia (np. DAPI, aktyny itp.). W tym przypadku wykorzystano DAPI (w medium montującym) do zabarwienia jąder komórkowych. Metoda PLA jest kompatybilna z immunofluorescencją z użyciem przeciwciał w celu określenia typu komórek lub przedziału komórkowego (nie pokazano tutaj). Dokładną kwantyfikację można przeprowadzić poprzez zliczanie sygnałów przy użyciu specjalistycznego oprogramowania (Duolink Image Tool, Olink Biosience).
Podsumowując, zademonstrowaliśmy sposób wykorzystania metody in situ PLA z użyciem zestawu Duolink do wykrywania sygnalizacji BMP w utrwalonych komórkach i przedstawiliśmy jej zalety: łatwość użycia, wysoką czułość, brak tła oraz unikalną zdolność do ilościowego określania aktywnej sygnalizacji BMP in situ.
Ograniczeniem w zastosowaniu tej techniki do badania różnych oddziaływań białkowych jest dostępność i jakość przeciwciał pierwszorzędowych rozpoznających badane białka.