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
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Rory Nolan1, Luis A. Alvarez1, Samuel C. Griffiths2, Jonathan Elegheert2, Christian Siebold2, Sergi Padilla-Parra1,2,3,4
1Cellular Imaging Group, Wellcome Centre Human Genetics,University of Oxford, 2Division of Structural Biology, Wellcome Centre Human Genetics,University of Oxford, 3Dynamic Structural Virology Group,Biocruces Health Research Centre, 4IKERBASQUE,Basque Foundation for Science
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Ten protokół opisuje bezkalibracyjne podejście do ilościowego określania homo-oligomeryzacji białek in vitro na podstawie spektroskopii fluktuacji fluorescencji przy użyciu komercyjnej mikroskopii skaningowej światła. Wyświetlane są prawidłowe ustawienia akwizycji i metody analizy.
Liczba i jasność to technika spektroskopii fluktuacji fluorescencji (FFS) bez kalibracji do wykrywania homooligomeryzacji białek. Może być stosowany przy użyciu konwencjonalnego mikroskopu konfokalnego wyposażonego w detektory cyfrowe. Protokół stosowania tej techniki in vitro przedstawiono za pomocą przypadku użycia, w którym można zobaczyć liczbę i jasność w celu dokładnego ilościowego określenia stanu oligomerycznego FKBP12F36V znakowanych mVenus przed i po dodaniu AP20187 leku dimeryzującego. Omówiono znaczenie stosowania prawidłowych parametrów akwizycji mikroskopowej oraz prawidłowych metod wstępnego przetwarzania i analizy danych. W szczególności podkreślono znaczenie wyboru korekcji fotowybielania. Ta niedroga metoda może być stosowana do badania interakcji białko-białko w wielu kontekstach biologicznych.
Interakcje białko-białko invitro
Tradycyjnie, eksperymenty z krystalografią i magnetycznym rezonansem jądrowym w połączeniu z mikroskopią krioelektronową (cryoEM) są technologiami wybranymi do dokładnego opisania trójwymiarowej architektury białek i wnioskowania o ich funkcji poprzez analizę ich szczegółów strukturalnych o wysokiej rozdzielczości. Białka nie są jednak strukturami statycznymi i mogą ulegać różnorodnym zmianom konformacyjnym i wibracjom w czasie i przestrzeni. Z tego powodu informacje strukturalne pochodzące z danych krystalograficznych lub krioelektromagnetycznych muszą być uzupełnione innymi technikami (np. symulacjami dynamiki molekularnej i technikami pojedynczych cząsteczek): funkcja białka jest związana z jego zmianami konformacyjnymi i interakcjami, a informacje te nie są obecne w strukturze statycznej. W celu zbadania dynamiki wewnątrzcząsteczkowej bardzo skuteczne są techniki oparte na transferze energii rezonansu Forstera (smFRET) w pojedynczej cząsteczce1. Podejścia te są w stanie ocenić różne subpopulacje cząsteczek w złożonych podłożach. Jest to bardzo ważne, ponieważ zmiany te są szybkie i zachodzą podczas pozyskiwania danych (tj. zakres od nanosekundy do sekundy).
Do wykrywania i ilościowego określania tych zmian powszechnie stosuje się dwa główne podejścia: białka w roztworze i immobilizacja powierzchniowa. Do wykrywania oddziaływań międzycząsteczkowych, a w szczególności procesu dimeryzacji indukowanego przez ligandy, smFRET nie zawsze jest najlepszym narzędziem. Rzeczywiście, FRET zależy nie tylko od odległości (≈10 nm), ale także od orientacji dwóch dipoli (donora i akceptora, χ2) oraz nakładania się emisji donorowej z widmami absorpcyjnymi akceptora2, ale być może ten ostatni warunek jest mniej ważny, pod warunkiem, że eksperymentator może wybrać odpowiednią parę FRET. Szczególną wadą smFRET do sondowania homo-dimeryzacji jest znakowanie białka będącego przedmiotem zainteresowania: w przypadku hetero smFRET dimeryzację można wykryć tylko do 50% (tj. hetero-FRET będzie w stanie wykryć tylko homo-dimery donor-akceptor i akceptor-donor, ale nie donor-donor lub akceptor-akceptor, który jest pozostałymi 50% dimerów). Inną alternatywą jest zastosowanie spektroskopii korelacji fluorescencji (FCS) i pochodnych (FCCS, etc.3) do ustalenia stałych dyfuzji białek i stałych wiązania in vitro. Podejścia te również nie są w stanie w pełni określić ilościowo homodimeryzacji, ponieważ w FCS mierzy się stężenie i dyfuzję, a promień i współczynnik dyfuzji cząstki dyfuzyjnej są bardzo słabo zależne od masy cząsteczkowej; Na przykład 10-krotny wzrost masy cząsteczkowej będzie oznaczał tylko 2,15-krotną zmianę współczynnika dyfuzji
Liczba i jasność
N&B zostało niedawno sprawdzone7. Przegląd ten koncentrował się na zastosowaniu tej techniki w żywych komórkach. Warto w tym miejscu odtworzyć formalizm matematyczny, ponieważ równania te zostaną zastosowane do danych zebranych in vitro. Po pierwsze, konieczne jest zdefiniowanie kilku pojęć i wielkości matematycznych:
Następnie, z detektorami zliczającymi fotony i zakładając byty mobilne bez tła,


gdzie N to pozorna liczba, a B to pozorna jasność. Powoduje to


Dalal et al.8 pokazał, że w przypadku sprzętu analogowego potrzebne są trzy warunki korekcyjne: współczynnik S, przesunięcie tła i szum odczytu σ02. Następnie, ponownie zakładając jednostki mobilne,


dawanie


Zauważ, że powyższe równanie dla jest inne niż podane w Dalal et al.8 i późniejsza recenzja. 7 W Dalal et al. litera S w mianowniku została pominięta z powodu literówki, a błąd ten został powtórzony w recenzji. Powyższe równanie jest poprawne. Instrukcje dotyczące pomiaru S, przesunięcia i σ02 - wraz z wyjaśnieniem ich znaczenia - podają Dalal i wsp.8
jasności jest proporcjonalna do oligomerycznego stanu jednostek dyfuzyjnych: ε będzie dwa razy większa dla dimerów niż dla monomerów, trzy razy większa dla trimerów niż dla monomerów, dwa razy większa dla heksamerów niż dla trimerów i tak dalej. W ten sposób, mierząc jasność ε, można określić ilościowo dowolny rodzaj multimeryzacji.
Jeśli występuje mieszanina stanów oligomerycznych, liczba i jasność nie są w stanie przywrócić obecnych poszczególnych stanów oligomerycznych. Jest to ograniczenie techniki.
Algorytm Detrenda i oprogramowanie nandb
Znaczenie korekty fotowybielania zostało wcześniej podkreślone9. Fotowybielanie nieuchronnie występuje podczas eksperymentów z mikroskopią świetlną w trybie poklatkowym; zarówno w żywych komórkach, jak i in vitro. W literaturze opisano wiele podejść do korygowania wybielania7. Technika filtrowania wykładniczego z automatycznym wyborem parametru detrendingu T jest obecnie najlepsza. Jest zintegrowany z darmowym oprogramowaniem open source nandb9. Rzeczywiście, oprogramowanie, które wymaga od użytkownika ręcznego wybrania parametru detrendingu, może prowadzić do nieprawidłowych wyników, ponieważ ten wybór parametrów będzie prawdopodobnie arbitralny i nieprawidłowy. Automatyczny algorytm sprawdza dane i określa dla nich odpowiedni parametr, bez konieczności interwencji użytkownika9. Nawet przy najlepszym doborze parametrów wygładzania, detrending ma swoje ograniczenia i działa dobrze tylko przy procentach fotowybielania niższych niż 25%, jak pokazano w symulacjach9. Co ciekawe, podczas korzystania z procedury automatycznego odtrendowywania, jej dokładność jest taka, że można pracować z niskimi wartościami jasności (nawet B <1,01), a co za tym idzie z niską intensywnością, a jednocześnie być wystarczająco precyzyjnym, aby określić ilościowo homodimeryzację.
Fotowybielanie powoduje również inny problem: obecność fotobielonych fluoroforów w kompleksie multimerów. To sprawia, że np. trymer wygląda jak dimer, gdy jedna z trzech jednostek w trymerze jest niefluorescencyjna. Hur i Mueller10 pokazali, jak to poprawić, a poprawka ta została również podkreślona w kolejnym przeglądzie7. Oprogramowanie nandb zawiera następującą poprawkę9.
System FKBP12F36V
FKBP12F36V jest białkiem, które naturalnie nie oligomeryzuje, ale wiadomo, że dimeryzuje po dodaniu AP20187 leku (potocznie znanego jako ligand dimeryzujący BB)11,12. To sprawia, że jest to idealny przypadek testowy dla liczby i jasności: przy znakowanych FKBP12F36V należy zaobserwować podwojenie stanu oligomerycznego po dodaniu BB.
1. FKBP12 F36V -mVenus Oczyszczanie
2. Przygotowanie tablicy płyt wielodołkowych
3. Akwizycja konfokalna bez kalibracji
4. Detrend i analiza jasności przy użyciu pakietu R nandb
Detrending i jasność monomeryczna
Po zebraniu danych, można rozpocząć obliczenia jasności w celu określenia oligomerycznego stanu białka będącego przedmiotem zainteresowania w roztworze. Nawet jeśli efekt wybielania w roztworze może nie być tak drastyczny, jak może być in vivo, ślad intensywności nadal prawdopodobnie nie będzie miał średniej stacjonarnej, prawdopodobnie z powodu efektów fotofizycznych związanych z fluoroforem,18, ale przyczyny tego nie są w pełni zrozumiałe. Ma to wpływ na obliczanie jasności; Przy próbie wyznaczenia przejść monomer-dimer ten aspekt jest kluczowy. Stosując algorytm automatycznego detrendu do danych pokazanych w Rysunek 2a, ślad intensywności jest odpowiednio korygowany, zapewniając dokładniejszą wartość jasności FKBP12F36V-mVenus w roztworze. Przed dodaniem BB, bez detrendingu, B = 1,026, natomiast po detrendingu, B = 1,005 (Rysunek 2b).
Oznaczanie przemian FKBP12F36V -mVenus monomer-dimer in vitro
Sekwencje 20 000 obrazów oczyszczonego FKBP12F36V -mVenus w roztworze 100 nM zostały uzyskane, jak określono w sekcji protokołu. Po pobraniu 10 000 ramek, homodimeryzator BB został dodany do roztworu podczas pozyskiwania. Analizowana była każda kolejna seria 5 000 klatek (Rysunek 3). Średnia jasność 5 minut po dodaniu BB wynosiła B = 1,010, co stanowi 2-krotny wzrost, wskazujący na FKBP12F36V ciemniejsze. Kinetyka procesu jest pokazana w Rysunek 3b; opóźnienie między dodaniem BB do pełnej dimeryzacji FKBP12F36V wynosiło około 2 minut.
Identyfikacja agregatów białkowych
Wykryto pewną liczbę agregatów białkowych zarówno w ograniczonej liczbie klatek, jak i w śladzie intensywności (Rysunek 4). Agregaty te występują naturalnie w roztworze podczas pracy z białkami i mogą być eliminowane przez sonikację i/lub zwiększanie rozcieńczenia białka. Niemniej jednak w niektórych problemach biologicznych konieczne jest wykrycie przejść między monomerami a dużymi agregatami. Rysunek 4 pokazuje przykład, gdzie agregat białka FKBP12F36V dyfunduje przez objętość obserwacyjną (obrazy 16 x 16); W naszych poprzednich obliczeniach dane te zostały odrzucone, jednak jeden przykład jest pokazany w Rysunek 4, aby pokazać, że te agregaty można wykryć i scharakteryzować przy użyciu tych samych ustawień i podejścia. Na pierwszy rzut oka, oceniając 5000 obrazów, można odzyskać średnią jasność dla FKBP12F36V-mVenus leczonej BB (B = 1,010). Patrząc na obraz o surowej jasności, można jednak wyraźnie zobaczyć obszar zainteresowania o długości około 8 pikseli o wysokiej wartości B ≈ 1,080. Ten obszar zainteresowania zbiega się z kilkoma ramkami w t = 34 - 37 s, gdzie FKBP12F36V agregat rozproszył się wokół obszaru obserwacji. Agregat nie pozostawał w przestrzeni obserwacyjnej wystarczająco długo, aby dokładnie określić jego rozmiar.

Rysunek 1. Zastosowanie N&B do wykrywania przejść monomer-dimer białek w roztworze. (a) Uproszczona ścieżka optyczna laserowego mikroskopu skaningowego (LSM) wyposażonego w źródło lasera (ustawione na 514 nm w przypadku białek znakowanych mVenus) skierowane (niebieskie strzałki) w kierunku obiektywu immersyjnego (w naszym przypadku oleju 63X1,4NA) oświetlającego 100 nM roztwór FKBP12F36V-mVenus. Fluorescencja emisyjna (zielone strzałki) przechodzi przez zwierciadło dichroiczne i jest kierowana w stronę filtra pasmowoprzepustowego, który oczyszcza światło emisyjne, oraz otworu umieszczonego na 1 jednostce Airy'ego umieszczonego tuż przed cyfrowym detektorem punktowym zdolnym do zliczania fotonów. (b) Konfokalna objętość oświetlenia jest skanowana przez 16 x 16 pikseli oświetlających pojedyncze cząsteczki FKBP12F36V-mVenus, które wchodzą i wychodzą z objętości konfokalnej w kształcie Gaussa, wytwarzając szereg fluktuacji intensywności fluorescencji. (c) Serie obrazów uzyskane na przestrzeni czasu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Automatyczne odtrendowywanie jest potrzebne do dokładnego pomiaru populacji monomerów w roztworze. (a) Uzyskano stos 5000 obrazów o wymiarach 16 x 16 pikseli, jak opisano w sekcji Protokół. Intensywność pierwszej klatki jest pokazana wraz ze średnim profilem intensywności rozdzielczej w czasie, który pokazuje długoterminowe wahania, które mogą być związane z wybielaniem i innymi efektami rozpuszczalnikowymi i/lub fotofizycznymi. Bez względu na przyczynę tych długoterminowych wahań, wpływają one na obliczenia jasności i dlatego wymagają detrendingu. Bez automatycznego detrendingu otrzymuje się B = 1,026, podczas gdy po automatycznym detrendingu B = 1,005. Pokazana jest również jasność bez (lewe panele, drugi rząd) i z (prawe panele, drugi rząd) płynnym filtrowaniem. (b) Te same dane przedstawione w lit. a) zostały zdetrendowane, a wyniki pod względem intensywności i jasności pokazane. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. In-vitro N&B jest w stanie rozwiązać problem przejścia między FKBP12F36V monomerami a dimerami w czasie rzeczywistym. Dodanie leku dimeryzującego BB spowodowało dwukrotny wzrost rzeczywistej jasności zaraz po 2 minutach (z 0,005 do 0,010 rzeczywistej jasności molekularnej). (a) Intensywność pierwszej klatki jest pokazana wraz ze średnim profilem intensywności obrazu zdetrendowanego. Pokazana jest jasność bez (lewe panele, drugi rząd) i z (prawe panele, drugi rząd) płynnym filtrowaniem. (b) Średnia jasność jest wykreślana (co 5000 klatek) przy użyciu rzeczywistej jasności molekularnej ε. Dimeryzacja następuje 2 minuty po dodaniu BB (t = 1 min) przy t = 4 min. Dopasowana krzywa jest funkcją sigmoidalną podkreślającą tendencję do dimeryzacji po dodaniu leku dimeryzującego (BB). Słupki błędów reprezentują błąd standardowy rozkładu jasności w każdym punkcie czasowym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. In vitro N&B w celu rozdzielenia wielkości agregatów białkowych w roztworze. (a) Czasowo-rozdzielczy ślad detrendowany intensywności dla akwizycji FKBP12F36V-mWenus pokazano razem ze zdjęciami jasności (drugi rząd). (b) Rozkładany w czasie ślad intensywności detrendowanej pokazuje maksimum intensywności, które jest podświetlone czerwonym kółkiem przerywanym (lewy górny panel). Pokazana jest pierwsza klatka intensywności odpowiadająca temu konkretnemu czasowi (t = 34 sekundy), a czerwona strzałka pokazuje skupisko FKBP12F36V-mWenus wchodzące w obszar oświetlenia. Bliższe przyjrzenie się obrazowi o wygładzonej jasności pokazuje obszar zainteresowania, który zawiera wysokie stany oligomeryczne, a reszta obrazu zawiera mieszankę monomerów i dimerów ze średnią B = 1,008. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ten protokół opisuje bezkalibracyjne podejście do ilościowego określania homo-oligomeryzacji białek in vitro na podstawie spektroskopii fluktuacji fluorescencji przy użyciu komercyjnej mikroskopii skaningowej światła. Wyświetlane są prawidłowe ustawienia akwizycji i metody analizy.
Ta praca została wsparta przez grant Wellcome Trust 105278/Z/14/2 dla R.N. Wellcome Trust Centre for Human Genetics jest finansowane przez Wellcome Trust Core Award 203852/Z/16/2. Prace w grupie C.S. są wspierane przez Cancer Research UK (C20724/A14414) oraz Europejską Radę ds. Badań Naukowych w ramach grantu Unii Europejskiej w ramach programu badań naukowych i innowacji Unii Europejskiej Horyzont 2020 647278.
| Komórki pLysS RosettaTM (DE3) | Novagen | 70956-3 | |
| Ampicillin | Sigma | Aldrich PubChem Identyfikator substancji 329824407 | |
| Chloramfenikol | Sigma Aldrich | PubChem Identyfikator substancji: 24892250 | |
| LB kultura starterowa | QIAGEN | ||
| LB podłoże | QIAGEN | https://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/head/search/external-link-icon.gif | |
| IPTG | Sigma Aldrich | PubChem Identyfikator substancji 329815691 | |
| bufor IMAC | Medicago | 09-1010-10 | |
| Inhibitory proteazy wolne od EDTA | Żywica Sigma Aldrich | 11873580001 | |
| TALON | Clonetech | ||
| Sefaroza niklowa | GE Healthcare | ||
| S200 16/60 kolumna | GE Healthcare | ||
| Naczynie obserwacyjne 8-dołkowe ze szklanym dnem | Ibidi | 80827 |