W 2002 roku opisano pierwsze szeroko stosowane białka fluorescencyjne fotoaktywowane (PA-GFP1) i fotokonwertowalne (Kaede2). Te białka fluorescencyjne zakreślacza optycznego zmieniają swoje właściwości widmowe po naświetleniu światłem UV, tj. stają się jasne (fotoaktywowane białka fluorescencyjne, tj. PA-FP) lub zmieniają kolor (fotokonwertowalne FP). Do tej pory opracowano kilka odwracalnych i nieodwracalnych fotoaktywowalnych i fotokonwertowalnych białek fluorescencyjnych3,4. W badaniach zespołowych lub masowych zakreślacze optyczne były używane do badania dynamiki całych komórek lub białek oraz połączeń przedziałów subkomórkowych. Co więcej, zakreślacze optyczne umożliwiły stosowanie technik obrazowania w superrozdzielczości opartych na pojedynczych cząsteczkach, takich jak PALM5 i FPALM6.
Chociaż procesyfotochemiczne podczas fotoaktywacji lub -konwersji zostały opisane dla wielu rozświetlaczy optycznych, a nawet struktury krystalograficzne przed i po fotoaktywacji zostały udostępnione7,8, podstawowe zdjęciefizyczne Mechanizm fotoaktywacji i konwersji nie jest do końca poznany. Co więcej, do tej pory istnieją tylko przybliżone szacunki wydajności fotoaktywacji i -konwersji, czyli frakcji białek fluorescencyjnych wyrażonych w rzeczywistości, które są fotokonwertowane lub fotoaktywowane na fluorescencyjne. Opisano badania zespołowe in vitro, w których określono ilościowo przesunięcie widm absorpcji oraz ilość natywnego i aktywowanego białka w żelu9,10,11.
Tutaj prezentujemy protokół z wykorzystaniem chimer białek fluorescencyjnych do oceny frakcji fotoaktywowanych białek fluorescencyjnych w większości i w żywych komórkach. Za każdym razem, gdy pracujemy z genetycznie kodowanymi białkami fluorescencyjnymi, bezwzględna ilość wyrażanego białka różni się w zależności od komórki i jest nieznana. Jeśli jedna komórka wykazująca ekspresję PA-FP wykazuje jaśniejszy sygnał po fotoaktywacji niż inna komórka, nie można odróżnić, czy ten jaśniejszy sygnał jest spowodowany wyższą ekspresją PA-FP, czy bardziej wydajną fotoaktywacją PA-FP. Aby ustandaryzować poziom ekspresji w komórkach, wprowadzamy wewnętrzne linijki genetycznie sprzężonych spektralnie odrębnych białek fluorescencyjnych. Poprzez sprzężenie informacji genetycznej fotoaktywowanego białka fluorescencyjnego z widmowo odrębnymi, zawsze włączonymi białkami fluorescencyjnymi, tworzone są wewnętrzne linijki, które nadal będą wyrażane w nieznanej całkowitej ilości, ale w stałej i znanej względnej ilości 1:1. Strategia ta pozwala na ilościową charakterystykę różnych schematów fotoaktywacji światła UV, tj. ocenę względnej ilości PA-FP, które mogą być fotoaktywowane za pomocą różnych trybów fotoaktywacji, a tym samym pozwala na zdefiniowanie schematów fotoaktywacji, które są bardziej skuteczne niż inne. Ponadto strategia ta pozwala w zasadzie na ocenę bezwzględnej kwantyfikacji fotoaktywowanej frakcji PA-FP. W tym celu ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że prezentowane badania zespołowe są oparte na intensywności, co sprawia, że analiza jest bardziej złożona, jak określono w niniejszym protokole. Parametry określające zmierzoną intensywność fluorescencji, tj. różna jasność molekularna, widma absorbancji i emisji oraz efekty FRET, muszą być brane pod uwagę przy porównywaniu intensywności fluorescencji różnych białek fluorescencyjnych.
Przedstawiona ilościowa kwantyfikacja efektywności fotoaktywacji oparta na intensywności jest przykładem dla PA-GFP i PA-Cherry w żywych komórkach, ale w zasadzie ma szerokie zastosowanie i może być użyta dla dowolnego fotoaktywowanego białka fluorescencyjnego w dowolnych warunkach eksperymentalnych.