Przedstawiono i omówiono tworzenie wiązek aktomiozyny in vitro oraz pomiar siły generowania zespołu miozyny za pomocą pęsety optycznej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Przedstawiono i omówiono tworzenie wiązek aktomiozyny in vitro oraz pomiar siły generowania zespołu miozyny za pomocą pęsety optycznej.
Miozyny to białka motoryczne, które hydrolizują ATP, aby podążać wzdłuż ścieżek filamentu aktynowego (AF) i są niezbędne w procesach komórkowych, takich jak ruchliwość i skurcze mięśni. Aby zrozumieć mechanizmy generowania siły, miozyna II została przebadana zarówno na poziomie pojedynczej cząsteczki (SM), jak i jako zespoły silników in vitro przy użyciu metod biofizycznych, takich jak pułapkowanie optyczne.
Te badania wykazały, że zachowanie generujące siłę miozyny może się znacznie różnić, gdy przechodzi się z poziomu pojedynczej cząsteczki w układzie trzech koralików do grup silników współpracujących ze sobą na sztywnej powierzchni koralików lub szkiełek nakrywkowych w układzie ślizgowym. Jednak te konstrukcje testowe nie pozwalają na ocenę dynamiki grupowej miozyny w lepkosprężystej hierarchii strukturalnej, tak jak w komórce. Opracowaliśmy metodę wykorzystującą pęsetę optyczną do zbadania mechaniki generowania siły przez zespoły miozyny oddziałujące z wieloma włóknami aktyny.
Te pakiety aktomiozyny ułatwiają badanie w hierarchicznym i zgodnym środowisku, które rejestruje komunikację motoryczną i moc wyjściową zespołu. Konfigurowalny charakter testu pozwala na zmianę warunków eksperymentalnych w celu zrozumienia, w jaki sposób modyfikacje zespołu miozyny, wiązki włókien aktynowych lub otaczającego środowiska skutkują różnymi mocami wyjściowymi.
Białka motoryczne są niezbędne do życia, przekształcając energię chemiczną w pracę mechaniczną1,2,3. Silniki miozyny oddziałują z filamentami aktyny, podejmując kroki wzdłuż włókien podobnych do toru, a dynamika sieci aktyna-miozyna przeprowadza skurcz mięśni, ruchliwość komórek, pierścień kurczliwy podczas cytokinezy i ruch ładunku wewnątrz komórki, wśród innych istotnych zadań3,4,5,6,7,8. Ponieważ miozyny odgrywają tak wiele istotnych ról, awaria funkcjonalności sieci miozyna-aktyna może prowadzić do rozwoju choroby, takiej jak mutacje w łańcuchu ciężkim miozyny, które powodują nadkurczliwość serca w kardiomiopatii przerostowej (HCM)9,10,11,12,13,14. W skurczu mięśni poszczególne silniki miozyny współpracują ze sobą, pracując jako zespół, aby zapewnić wymaganą energię mechaniczną, która przeprowadza względne przesuwanie AFs4,15,16,17,18. Silniki miozyny tworzą mostki krzyżowe między AF i wykorzystują zmiany konformacyjne wynikające z cyklu mechanochemicznego, aby wspólnie poruszać się w kierunku kolczastego końca wyrównanych włókien17,18,19,20,21.
Rozwój ilościowych testów ruchliwości in vitro na poziomie SM przy użyciu technik takich jak pułapkowanie optyczne ułatwił zebranie bezprecedensowych szczegółów na temat funkcjonowania poszczególnych silników miozynowych, w tym pomiar generowania siły SM i wielkości kroków22,23,24,25,26,27,28,29,30. Finer i in. opracowali optyczny test pułapkowania "z trzema koralikami" lub "hantlami", aby zbadać mechanikę generowania siły w pojedynczych silnikach miozyny II23,31. Ponieważ miozyna mięśniowa II działa w zespołach w celu zarażenia migotania przedsionków, ale nie jest procesowa na poziomie SM, orientacja testu pułapkowania optycznego musiała zostać zmieniona z klasycznego podejścia kulkowego związanego z silnikiem32. Aby utworzyć test hantli, użyto dwóch pułapek optycznych do utrzymania AF nad silnikiem miozyny związanym z koralikiem przymocowanym do szkiełka nakrywkowego, a siłę wyjściową przez pojedynczy silnik mierzono poprzez ruchy AF w obrębie trap23.
Jednak siły SM i użycie orientacji testu pojedynczego silnika/pojedynczego włókna nie dają pełnego obrazu generowania siły na poziomie systemu, ponieważ wiele białek motorycznych, w tym miozyna II, nie działa w izolacji i często nie funkcjonuje jako suma swoich części15,16,17,32,33,34,35,36. Bardziej złożone struktury, które zawierają więcej niż jeden silnik oddziałujący z więcej niż jednym włóknem, są niezbędne do lepszego zrozumienia synergii sieci włókien miozyny i aktyny15,32. Orientacja testu hantli została wykorzystana do zbadania generowania siły małego zespołu poprzez przymocowanie wielu miozyn do koralika lub użycie włókna o grubości miozyny przymocowanego do powierzchni i umożliwienie silnikom interakcji z zawieszonym AF4,23,34,37,38,39,Lokal mieszkalny 40.
Inne testy małych zespołów obejmują test ślizgania włókien in vitro, w którym silniki miozyny są powlekane na powierzchni szkiełka nakrywkowego, a koralik związany z AF jest używany do sondowania siły generowanej przez zespół silników4,35,36,38,39,40,41,42,43. W obu tych przypadkach miozyny są związane ze sztywną powierzchnią – koralikiem lub szkiełkiem nakrywkowym – i wykorzystują jeden AF. W takich przypadkach silniki nie są w stanie swobodnie się poruszać ani komunikować ze sobą, a sztywno związane miozyny nie odzwierciedlają zgodnego, hierarchicznego środowiska, w którym silniki współpracowałyby ze sobą w sarcomere32. Wcześniejsze badania sugerowały, że miozyna II może wyczuwać swoje otoczenie i odpowiednio dostosowywać się do zmieniających się warunków lepkosprężystych lub koncentracji motorycznej poprzez zmianę cech, takich jak generowanie siły i współczynnik obciążenia41,44,45. W związku z tym istnieje potrzeba opracowania testu pułapkowania optycznego, który wspiera i rejestruje komunikację motoryczną i zgodność systemu, aby namalować bardziej realistyczny obraz mechanistycznych podstaw generowania siły zespołu miozyny II.
Tutaj opracowaliśmy metodę łączenia hierarchicznej struktury in vitro z pułapką optyczną poprzez tworzenie wiązek lub kanapek składających się z wielu silników miozyny oddziałujących między dwoma filamentami aktyny. Ta modułowa geometria testu ma możliwość bezpośredniego badania, w jaki sposób czynniki molekularne i środowiskowe wpływają na wytwarzanie siły miozyny zespołowej. Co więcej, badanie mechanizmów generowania siły za pomocą tych zespołów aktyna-miozyna może potencjalnie pomóc w modelowaniu i zrozumieniu, w jaki sposób zadania komórkowe na dużą skalę, takie jak skurcz mięśni, rozprzestrzeniają się z poziomu molekularnego9,10,13.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Trawienie szkiełek nakrywkowych
2. Polimeryzacja filamentów aktynowych
3. Przygotowanie miozyny i koralików
4. Przygotowanie komory przepływowej
5. Przygotowanie pakietu Actomyosin
6. Pomiary siły za pomocą pułapki optycznej (NT2 Nanotracker2)
UWAGA: Chociaż poniższy protokół jest przeznaczony specjalnie dla systemu NT2, ten test może być używany z innymi systemami pułapkowania optycznego, w tym z tymi, które są zbudowane na zamówienie, które również mają możliwości fluorescencji. Ogólny przepływ pracy pozostaje taki sam, polegający na ustawianiu ostrości na powierzchni szkiełka, wykonywaniu kalibracji kulek i pozyskiwaniu danych poprzez znajdowanie fluorescencyjnych wiązek aktyny. Dla systemu NT2 rysunek uzupełniający S1, rysunek uzupełniający S2, rysunek uzupełniający S3, rysunek uzupełniający S4, rysunek uzupełniający S5, rysunek uzupełniający S6 i rysunek uzupełniający S7 zawierają szczegółowe informacje na temat systemu pułapkowania optycznego i interfejsu oprogramowania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Komory przepływowe zawierające systemy pęczków akto-miozynowych mają standardową konstrukcję, składającą się z szkiełka przedmiotowego i trawionej lamelki, rozdzielonych kanałem wykonanym z dwustronnej taśmy klejącej (Rycina 1). Układ analityczny jest następnie budowany od lamelki w górę poprzez etapowe wprowadzanie składników, zgodnie z opisem w protokole. Końcowy układ składa się z matrycowych filamentów aktyny znakowanych rodaminą; pożądanego stężenia miozyny (dla reprezentatywnych wynikó...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przeprowadzono badanie in vitro z użyciem pęsety optycznej w połączeniu z obrazowaniem fluorescencyjnym w celu zbadania dynamiki zespołów miozyny oddziałujących z filamentami aktyny. Wiązki aktyna-miozyna-aktyna zostały złożone przy użyciu miozyny mięśniowej II, aktyny rodaminy na dole wiązki i na powierzchni szkiełka nakrywkowego oraz znakowanych 488, biotynylowanych włókien aktyny na górze wiązki. Białko aktynowe z mięśnia królika polimeryzowano i stabilizowano przy użyciu ogólnych aktynowych (GAB) i polimeryz...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.
Ta praca jest częściowo wspierana przez University of Mississippi Graduate Student Council Research Fellowship (OA), University of Mississippi Sally McDonnell-Barksdale Honors College (JCW, JER), Mississippi Space Grant Consortium w ramach grantu numer NNX15AH78H (JCW, DNR) oraz American Heart Association w ramach grantu numer 848586 (DNR).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Białko aktyny (biotyna): mięśnie szkieletowe | Cytoszkielet | AB07-A | Biotynylowane białko aktynowe |
| Białko aktynowe, mięśnie szkieletowe królika | Cytoszkielet | AKL99-A | Białko aktynowe |
| Alexa Fluor 488 Phalloidin | Invitrogen | A12379 | Stabilizator aktyny i barwnik Alexa Fluor 488 |
| ATP | Fisher scientific | BP413-25 | Wymagane dla aktyny montaż i ruchliwość miozyny |
| Beta-D-glukoza | Fisher | MP218069110 | naukowy Część systemu oczyszczania tlenu stosowany w celu zmniejszenia fotowybielania podczas obrazowania fluorescencyjnego |
| Blotting Grade Blocker (kazeina) | Biorad | 1706404 | Służy do blokowania powierzchni przed niespecyficznym wiązaniem |
| CaCl2 | Fisher scientific | C79500 | Chlorek wapnia, zapewnia niezbędną kontrolę nad dynamiką sieci miozyny aktynowej |
| Katalaza | Fisher | ICN10040280 | naukowy Część systemu oczyszczania tlenu stosowana w celu zmniejszenia fotowybielania podczas obrazowania fluorescencyjnego |
| Szkiełka nakrywkowe | Fisher scientific | 12544C | Służy do produkcji komórek przepływowych |
| DTT | Fisher scientific | AC327190010 | Służy do przygotowania |
| buforuEtanol | Fisher scientific | A4094 | Regent używany do czyszczenia szkiełek nakrywkowych |
| Oksydaza glukozowa | Fisher scientific | 34-538-610KU | Część systemu oczyszczania tlenu stosowana w celu zmniejszenia fotowybielania podczas obrazowania fluorescencyjnego |
| KCl | Fisher scientific | P217-500 | Służy do przygotowania buforu |
| KOH | Fisher scientific | P250-1 | Służy do wytrawiania szkiełek nakrywkowych i regulacji bufor pH |
| MgCl2 | Fisher scientific | M33-500 | Służy do przygotowania buforu |
| Szkiełka mikroskopowe | Fisher scientific | 12-544-2 | Służy do wytwarzania komórek przepływowych |
| Białko miozyny II: mięśnie szkieletowe królika | Cytoszkielet | MY02 | Białko motoryczne miozyny o pełnej długości wyizolowane z mięśni szkieletowych królika |
| Nanotracker2 | Bruker/JPK | NT2 | Przyrząd do pułapkowania optycznego |
| Poly-l-lizyna | Sigma-Aldrich | P8920 | Urządzenia do adhezji włókien aktynowych do szklanej powierzchni szkiełka nakrywkowego |
| Rodamina Falloidyna | Cytoszkielet | PHDR1 | Stabilizator aktyny i barwienie fluorescencyjne rodaminy |
| Koraliki streptawidyny, 1 i mu; m | Spherotech | SVP-10-5 | Uchwyt optyczny |
| Tris-HCl | Fisher scientific | PR H5121 | Służy do przygotowania bufora |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.