Interakcje białko-białko IIn Vitro
Tradycyjnie krystalografia i eksperymenty z wykorzystaniem magnetycznego rezonansu jądrowego w połączeniu z kriomikroskopią elektronową (cryoEM) są technologiami wybieranymi do dokładnego opisania trójwymiarowej architektury białek oraz wnioskowania o ich funkcji poprzez analizę szczegółów strukturalnych o wysokiej rozdzielczości. Białka nie są jednak strukturami statycznymi i mogą ulegać różnorodnym zmianom konformacyjnym oraz wibracjom w czasie i przestrzeni. Właśnie dlatego informacje strukturalne z danych krystalograficznych lub cryoEM muszą być uzupełnione innymi technikami (np. symulacjami dynamiki molekularnej i technikami pojedynczych cząsteczek): funkcja białka jest powiązana z jego zmianami konformacyjnymi i oddziaływaniami, a informacje te nie są zawarte w strukturze statycznej. W celu zbadania dynamiki wewnątrzmolekularnej bardzo skuteczne są techniki oparte na transferze energii przez rezonans Förstera z pojedynczych cząsteczek (smFRET)1. Podejścia te pozwalają ocenić różne subpopulacje cząsteczek w złożonych środowiskach. Jest to niezwykle istotne, ponieważ zmiany te są szybkie i następują podczas pozyskiwania danych (tzn. w zakresie od nanosekund do sekund).
Do wykrywania i kwantyfikacji tych zmian powszechnie stosuje się dwa główne podejścia: analizę białek w roztworze oraz unieruchomienie powierzchniowe. W przypadku wykrywania oddziaływań międzycząsteczkowych, a w szczególności procesu dimeryzacji indukowanej przez ligandy, smFRET nie zawsze jest najlepszym narzędziem. Rzeczywiście, FRET zależy nie tylko odległości (≈10 nm), ale także od orientacji dwóch dipoli (donora i akceptora, χ2) oraz od nakładania się widma emisji donora z widmem absorpcji akceptora2, choć ten ostatni warunek może być mniej istotny, o ile badacz dobierze odpowiednią parę FRET. Szczególną wadą smFRET w badaniu homodimeryzacji jest znakowanie analizowanego białka: w przypadku hetero-smFRET dimeryzację można wykryć jedynie do 50% (tj. hetero-FRET pozwoli na wykrycie jedynie homodimerów donor-akceptor i akceptor-donor, ale nie donor-donor ani akceptor-akceptor, które stanowią pozostałe 50% dimerów). Inną alternatywą jest zastosowanie spektroskopii korelacyjnej fluorescencji (FCS) i jej pochodnych (FCCS, itp.3) w celu ustalenia stałych dyfuzji i stałych wiązania białek in vitro. Podejścia te również nie pozwalają na pełną kwantyfikację homodimeryzacji, ponieważ w FCS mierzy się stężenie i dyfuzję, a promień i współczynnik dyfuzji dyfundującej cząstki są w bardzo niewielkim stopniu zależne od masy cząsteczkowej; na przykład dziesięciokrotny wzrost masy cząsteczkowej spowoduje jedynie 2,15-krotną zmianę współczynnika dyfuzji4. W przypadku dwukolorowego FCS lub FCCS tylko 50% homodimerów zostanie wykrytych z tego samego powodu, o którym wspomniano powyżej. Najbardziej praktycznymi i ilościowymi metodami wykrywania homodimeryzacji in vitro i in vivo są homo-FRET5 oraz metoda liczby i jasności (number and brightness, N&B)6. Biorąc pod uwagę, że homo-FRET wymaga specjalistycznej aparatury do odzyskania wartości anizotropii (tj. elementów optycznych/analizatorów do odzyskania polaryzacji równoległej i prostopadłej), N&B jest tutaj przedstawione jako korzystna technika wykrywania homodimeryzacji i agregacji białek. Może być ona stosowana zarówno in vitro, jak i in vivo przy użyciu komercyjnego zestawu aparatury.
Liczba i jasność
Metoda N&B została niedawno omówiona w przeglądzie literatury7. Przegląd ten skupiał się na zastosowaniu tej techniki w żywych komórkach. Warto tutaj powtórzyć formalizm matematyczny, ponieważ równania te zostaną zastosowane do danych zebranych in vitro. Najpierw należy zdefiniować niektóre pojęcia i wielkości matematyczne:
- Podmiot jest zbiorem cząsteczek, które są ze sobą związane.
- Jasność ε podmiotu to liczba emitowanych przez niego fotonów w jednostce czasu (na klatkę).
- n to liczba obecnych podmiotów.
- Dla danego piksela w serii obrazów, jest jego średnią intensywnością, a σ2 to wariancja jego intensywności.
Następnie, przy zastosowaniu detektorów zliczających fotony i przy założeniu ruchomości obiektów oraz braku tła,


gdzie N to liczba pozorna, a B to jasność pozorna. Przynosi to następujący wynik


Dalal i inni8 wykazano, że przy zastosowaniu aparatury analogowej konieczne są trzy człony korekcyjne: the czynnik Stło przesunięcieoraz i szum odczytu σ02Następnie, ponownie zakładając istnienie obiektów mobilnych,


podawanie


Należy zauważyć, że powyższe równanie dla jest inne niż podane w pracy Dalala i wsp.8 or a późniejsza recenzja.7 W Dalal i wsp. ten S w mianowniku pominięto ze względu na literówkę i błąd ten powtórzono w recenzji. Powyższe równanie jest poprawne. Instrukcje pomiaru S, przesunięcie i σ02 - wraz z wyjaśnieniem ich znaczenia - zostały przedstawione przez Dalala i wsp.8
Jasność ε jest proporcjonalna do stanu oligomerycznego dyfundujących jednostek: ε będzie dwukrotnie większa dla dimerów niż dla monomerów, trzykrotnie większa dla trimerów niż dla monomerów, dwukrotnie większa dla heksamerów niż dla trimerów i tak dalej. W ten sposób, mierząc jasność ε, można określić ilość każdego typu multimeryzacji.
W przypadku obecności mieszaniny stanów oligomerycznych, analiza liczby i jasności nie pozwala na odzyskanie informacji o poszczególnych stanach oligomerycznych. Jest to ograniczenie tej techniki.
Algorytm detrend oraz oprogramowanie nandb
Znaczenie korekcji fotobleachingu było wcześniej podkreślane9. Fotobleaching nieuchronnie występuje podczas eksperymentów z mikroskopią świetlną w trybie poklatkowym, zarówno w żywych komórkach, jak i in vitro. W literaturze opisano wiele podejść do korekcji bleachingu7. Obecnie najlepszą metodą jest technika filtrowania wykładniczego z automatycznym doborem parametru detrendingu T. Jest ona zintegrowana z darmowym oprogramowaniem o otwartym kodzie źródłowym nandb9. W rzeczywistości oprogramowanie wymagające od użytkownika ręcznego wyboru parametru detrendingu może prowadzić do błędnych wyników, ponieważ wybór tego parametru będzie prawdopodobnie arbitralny i nieprawidłowy. Algorytm automatyczny analizuje dane i określa dla nich odpowiedni parametr bez konieczności interwencji użytkownika9. Nawet przy najlepszym wyborze parametru wygładzania, detrending ma swoje ograniczenia i działa dobrze jedynie przy wartościach fotobleachingu niższych niż 25%, co wykazano w symulacjach9. Co ciekawe, przy zastosowaniu automatycznej procedury detrendingu jej dokładność jest taka, że można pracować z niskimi wartościami jasności (nawet B <1,01), a tym samym niskimi intensywnościami, i nadal zachować precyzję wystarczającą do kwantyfikacji homodimeryzacji.
Fotowybielanie powoduje również inny problem: obecność fotowybielonych fluoroforów w kompleksie multymerycznym. Sprawia to, że np. trimer wydaje się być dimerem, gdy jedna z trzech jednostek w trimerze nie wykazuje fluorescencji. Hur i Mueller10 pokazali, jak skorygować ten błąd, a korekta ta została również podkreślona w późniejszym przeglądzie7. Oprogramowanie nandb uwzględnia tę korektę9.
System FKBP12F36V
FKBP12F36V jest białkiem, które nie oligomeryzuje w sposób naturalny, lecz wiadomo, że dimeryzuje po dodaniu leku AP20187 (potocznie nazywanego ligandem dimeryzującym BB)1,12. Czyni to go idealnym przypadkiem testowym dla określania liczby i jasności: w przypadku znakowanego FKBP12F36V, po dodaniu BB powinno zostać zaobserwowane podwojenie stanu oligomerycznego.