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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Este protocolo é um guia para visualizar actina dinâmica e microtúbulos usando um ensaio de microscopia de fluorescência interna total in vitro (TIRF).
Tradicionalmente, os citoesqueletos de actina e microtúbulos têm sido estudados como entidades separadas, restritos a regiões ou processos celulares específicos, e regulados por diferentes suítes de proteínas vinculantes únicas para cada polímero. Muitos estudos agora demonstram que a dinâmica de ambos os polímeros citoesqueléticos estão entrelaçadas e que este crosstalk é necessário para a maioria dos comportamentos celulares. Várias proteínas envolvidas nas interações actina-microtúbulos já foram identificadas (ou seja, Tau, MACF, GAS, formins e muito mais) e são bem caracterizadas apenas no que diz respeito à actina ou aos microtúbulos. No entanto, relativamente poucos estudos mostraram ensaios de coordenação actin-microtúbulo com versões dinâmicas de ambos os polímeros. Isso pode ocluir mecanismos de ligação emergentes entre actina e microtúbulos. Aqui, uma técnica de microscopia in vitro baseada em microscopia interna (TIRF) permite a visualização da dinâmica de actina e microtúbula a partir de uma reação bioquímica. Esta técnica preserva a dinâmica de polimerização de filamentos de actina ou microtúbulos individualmente ou na presença do outro polímero. A proteína Tau comercialmente disponível é usada para demonstrar como os comportamentos de actina-microtúbula mudam na presença de uma proteína citoesqueletal clássica de crosslinking. Este método pode fornecer insights funcionais e mecanicistas confiáveis sobre como as proteínas reguladoras individuais coordenam a dinâmica actin-microtúbula em uma resolução de filamentos únicos ou complexos de alta ordem.
Historicamente, actina e microtúbulos têm sido vistos como entidades separadas, cada uma com seu próprio conjunto de proteínas regulatórias, comportamentos dinâmicos e locais celulares distintos. Evidências abundantes agora demonstram que polímeros de actina e microtúbulos se envolvem em mecanismos funcionais de crosstalk que são essenciais para executar numerosos processos celulares, incluindo migração, posicionamento de fuso místico, transporte intracelular e morfologiacelular 1,2,3,4. Os diversos comportamentos coordenados que fundamentam esses exemplos dependem de um intrincado equilíbrio de fatores de acoplamento, sinais e propriedades físicas. No entanto, os detalhes moleculares que sustentam esses mecanismos ainda são amplamente desconhecidos porque a maioria dos estudos se concentra em um único polímero citoesquelético de cada vez 1,2,5.
Actina e microtúbulos não interagem diretamente 6,7,8. A dinâmica coordenada de actina e microtúbulos vistos nas células é mediada por fatores adicionais. Muitas proteínas pensadas para regular o crosstalk actin-microtúbulo foram identificadas e suas atividades são bem caracterizadas no que diz respeito a qualquer polímero citoesquelético apenas 1,2. Evidências crescentes sugerem que essa abordagem de polímero único escondeu as duas funções de algumas das proteínas/complexos que permitem eventos de acoplamento actin-microtúbulo 7,8,9,10,11,12,13. Experimentos onde ambos os polímeros estão presentes são raros e muitas vezes definem mecanismos com um único polímero dinâmico e versão estabilizada estática dos outros 6,8,9,10,11,14,15,16,17,18 . Assim, são necessários métodos para investigar as propriedades emergentes das proteínas coordenadoras de actin-microtúbulos que só podem ser totalmente compreendidas em sistemas experimentais que empregam ambos os polímeros dinâmicos.
A combinação de abordagens diretas de rotulagem de proteínas, etiquetas de afinidade geneticamente codificadas e microscopia total de fluorescência interna (TIRF) tem sido aplicada com grande sucesso em sistemas de reconstituição biomimética 19,20,21,22,23. Muitos esquemas de baixo para cima não contêm todos os fatores que regulam proteínas nas células. No entanto, a tecnologia "bioquímica em um óculos de cobertura" refinou muitos mecanismos de dinâmica de actina e microtúbulos em altas escalas espaciais e temporais, incluindo os componentes necessários para montagem ou desmontagem de polímeros, e movimento de proteína motora 5,12,23,24,25,26,27 . Aqui é descrita uma abordagem de filamento único de componente mínimo para investigar o acoplamento actin-microtúbulo in vitro. Este protocolo pode ser usado com proteínas purificadas comercialmente disponíveis ou altamente puras, proteínas fluorescentes rotuladas, câmaras de perfusão e estendidas a esquemas mais complicados contendo extratos celulares ou sistemas sintéticos. Aqui, a proteína Tau comercialmente disponível é usada para demonstrar como a dinâmica citoesquelletal muda na presença de uma proteína de acoplamento actin-microtúbulo, mas pode ser substituída por outros fatores coordenadores putative actin-microtubula. A maior vantagem deste sistema em relação a outras abordagens é a capacidade de monitorar simultaneamente a dinâmica de múltiplos polímeros citoesqueléticos em uma reação. Este protocolo também fornece aos usuários exemplos e ferramentas simples para quantificar alterações em polímeros citoesqueléticos. Assim, os usuários do protocolo produzirão dados confiáveis, quantitativos e de resolução de filamentos únicos para descrever mecanismos que fundamentam a forma como diversas proteínas regulatórias coordenam a dinâmica actin-microtúbula.
1. Lavar as tampas
NOTA: Lavar (24 mm x 60 mm, #1,5) cobre clipes de acordo com Smith et al., 201328.
2. Revestimento limpo (24 mm x 60 mm, #1,5) tampas com mPEG- e biotina-PEG-silane
NOTA: Este protocolo usa especificamente um sistema biotina-streptavidina para posicionar actina e microtúbulos dentro do plano de imagem TIRF. Outros revestimentos e sistemas podem ser usados (por exemplo, anticorpos, poli-L-lysine, MIosina NEM, etc.).
3. Montagem de câmaras de fluxo de imagem
4. Condicionamento de câmaras de perfusão
5. Preparação do microscópio
NOTA: As reações bioquímicas contendo filamentos e microtúbulos dinâmicos são visualizadas/realizadas usando um microscópio de Fluorescência De Reflexão Interna Total (TIRF) invertido equipado com lasers de estado sólido de 120-150 mW, um objetivo de imersão de óleo de 63x corrigido por 63x e uma câmera EMCCD. As proteínas neste exemplo são visualizadas nos seguintes comprimentos de onda: 488 nm (microtúbulos) e 647 nm (actina).
6. Preparação de misturas de reação proteica
7. Dinâmica de actina de imagem e microtúbulos
8. Processar e analisar imagens usando o software FIJI31
Com as condições descritas acima (Figura 1), os polímeros actin e microtúbulos devem ser visíveis (e dinâmicos) dentro de 2 min de aquisição de imagem (Figura 2). Como em qualquer protocolo baseado em bioquímica, a otimização pode ser necessária para diferentes proteínas regulatórias ou lotes de proteínas. Por essas razões, o ângulo TIRF e as exposições de imagem são definidos primeiro com reações contendo cada polímero individual. Isso confirma que as proteínas armazenadas são funcionais e proteínas rotuladas suficientes estão presentes para detecção. Embora nem sempre seja necessário (e não realizado aqui), o pós-processamento de filmes (ou seja, subtração de fundo, média ou transformações de Fourier) pode ser usado para melhorar o contraste da imagem (particularmente de microtúbulos)5,25,33. A visualização direta de filamentos e microtúbulos de actina único proporcionado por este ensaio apoia a determinação quantitativa de várias medidas dinâmicas para componentes citoesqueletos sozinhos ou juntos, incluindo parâmetros de polimerização (ou seja, taxa de nucleação ou alongamento), parâmetros de desmontagem (ou seja, taxas de encolhimento ou eventos de catástrofe) e coalignamento/sobreposição de polímeros (Figura 3 ). Além disso, essas medidas podem ser utilizadas como ponto de partida para decifrar a vinculação ou influência de ligantes regulatórios como Tau (Figura 3). Muitas medidas de filamentos ou microtúbulos de actin único podem ser feitas a partir de um filme TIRF. No entanto, devido a variações no revestimento de deslizamento de tampas, pipetação e outros fatores, as medidas confiáveis também devem incluir múltiplas reações/filmes de replicação técnica.
Muitas facetas da dinâmica dos microtúbulos podem ser determinadas a partir de címógrafos, incluindo a taxa de alongamento de microtúbulos, bem como a frequência de eventos de catástrofe e resgate (Figura 3A). O uso de kymógrafos para medir a dinâmica da actina neste sistema não é tão simples porque os filamentos de actin são mais complicados do que os microtúbulos. Como consequência, parâmetros da dinâmica do filamento actin são medidos manualmente, o que é demorado e intensivo em mão de obra. As contagens de núcleos são medidas como o número de filamentos actin presentes em um ponto de tempo consistente para todas as condições. Essas contagens variam amplamente entre os campos de imagem TIRF, mas podem ser usadas com muitas réplicas ou para complementar observações de outros ensaios de polimerização. As contagens de nucleação também podem ser usadas para microtúbulos se as condições de ensaio não forem sementes estabilizadas de microtúbulos. As taxas de alongamento de filamento actina são medidas como o comprimento do filamento ao longo do tempo de pelo menos quatro quadros de filme. Os valores da taxa são transmitidos por atolar micromolar com fator de correção de 370 subunidades para contabilizar o número de monômeros de actina em um mícndo de filamento (Figura 3B)32. As medidas para definir os comportamentos coordenados entre actina e microtúbulos são menos bem definidas. No entanto, análises correlativas foram aplicadas para medir a coincidência de ambos os polímeros, incluindo varreduras de linha (Figura 3C) ou sobreposição de software 5,11,34.
Disponibilidade de dados:
Todos os conjuntos de dados associados a este trabalho foram depositados no Zenodo e estão disponíveis com solicitação razoável em: 10.5281/zenodo.6368327.

Figura 1. Esquemas experimentais: montagem da câmara de fluxo para aquisição de imagens. (A) Montagem da câmara de imagem. De cima para baixo: as câmaras de imagem IBIDI são coladas ao longo de poços de perfusão (denotadas por seta); a segunda camada (branca) de apoio à fita (deixada na imagem mostrada para usuários de melhor orientação) é removida e epóxi é aplicado na borda da câmara de perfusão (seta). Nota: Para orientar mais facilmente os usuários onde colocar o epóxi, o apoio branco foi deixado nesta imagem. O deslizamento de cobertura limpo e revestido é anexado à câmara de imagem com o lado do revestimento voltado para o interior do poço de perfusão. (B) Fluxograma ilustrando as etapas para condicionar câmaras de imagem para ligações biotina-streptavidina. (C) Exemplos de reações utilizadas para adquirir filmes TIRF de microtúbulos dinâmicos e filamentos de actin. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Sequências de imagens de filamentos e microtúbulos de actina crescentes na ausência ou presença de Tau. Montagem de imagem de lapso de tempo de ensaios TIRF contendo 0,5 μM actin (10% Alexa-647-actin e 0,09% biotina-actina rotulada) e 15 μM tubulina livre (4% HiLyte-488 rotulado) na ausência (A) ou presença (B) de 250 nM Tau. O tempo decorrido da iniciação da reação (mistura do tubo A e do tubo B) é mostrado. Barras de escala, 25 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Exemplo de medições de microtúbulos e dinâmicas de filamentos actin. (A) A projeção de tempo médio do canal tubulina visualiza eficientemente os comprimentos totais de microtúbulos para as varreduras de linha usadas para gerar gráficos de kymograph. Linhas pontilhadas pretas correspondem aos dois exemplos de microtúbulos dinâmicos mostrados à direita. As fases de crescimento (linhas pretas sólidas) e desmontagem (linhas rosas pontiatadas; duas denotadas com setas rosas) de microtúbulos são mostradas em cada kymograph. Barra de escala de tempo, 3 min. Barra de escala de comprimento, 10 μm. A reação contém 0,5 μM de actina (10% 647 rótulos) e 15 μM de tubulina livre (4% 488-HiLyte). Apenas o canal tubulin é mostrado. (B) Duas montagens de imagens de lapso de tempo que retratam filamentos de ato único ativamente polimerizando. As taxas de alongamento são calculadas como a inclinação de parcelas do comprimento dos filamentos de actina ao longo do tempo por actina micromolar. Assim, um fator de correção de dois deve ser aplicado a reações de actina de 0,5 μM para comparação para taxas tipicamente determinadas na concentração de actina de 1 μM. Exemplos de cinco filamentos são mostrados à direita. Barras de escala, 10 μm. A reação contém 0,5 μM de actina (10% 647 rótulos) e 15 μM de tubulina livre (4% 488-HiLyte). Apenas o canal actin é mostrado. (C) Imagens TIRF de microtúbulos dinâmicos (MT) (verde) e filamentos de actina (roxo) polimerizando na ausência (esquerda) ou presença de 250 nM Tau (meio). Linhas pontilhadas azuis e setas marcam onde uma linha foi desenhada para os gráficos de varredura de linha correspondentes a cada condição (abaixo de cada imagem). A sobreposição entre microtúbulos e regiões de actina (mostrada como preta) pode ser pontuada em um ponto de tempo definido por área (à direita). Barras de escala, 25 μm. As reações contêm actina 0,5 μM (10% 647 rótulos) e 15 μM de tubulina livre (4% 488-HiLyte) com ou sem 250 nM Tau. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Não há conflitos de interesse para revelar.
Este protocolo é um guia para visualizar actina dinâmica e microtúbulos usando um ensaio de microscopia de fluorescência interna total in vitro (TIRF).
Sou grato a Marc Ridilla (Repair Biotechnologies) e Brian Haarer (SUNY Upstate) por comentários úteis sobre este protocolo. Este trabalho contou com o apoio dos Institutos Nacionais de Saúde (GM133485).
| 1% BSA (w/v) | Fisher Scientific | BP1600-100 | Para este propósito (bloqueio de câmaras TIRF), BSA é ressuspenso em ddH20 e filtrado através de um 0.22 µ m. |
| 1 e vezes; BRB80 | TUBOS caseiros | de 80 mM, 1 mM MgCl2, 1 mM EGTA, pH 6,8 com KOH | |
| 10 mg/mL (1000 U) glicose oxidase | Sigma Aldrich Inc, St. Louis, MO | G2133-50KU | Combinado com catalase, alíquota e armazenar a -80 oC até o uso |
| de 100 µ M tubulina | Citoesqueleto Inc, Denver, CO | T240 | As tubulinas caseiras devem ser recicladas antes do uso para remover a tubulina incompetente para polimerização (Hyman et al. (1992) < sup>29< / sup>; Li e Moore (2020) 30< / sup>). As tubulinas disponíveis comercialmente são muitas vezes muito diluídas para reciclar, mas funcionam bem se ressuspensas de acordo com o fabricante' s e pré-liberado por ultracentrifugação (278.000 > g) por 60 min, antes do uso. |
| 100 mM ATP | Gold Biotechnology Inc, Olivette, MO | A-081 | Ressuspenso em ddH20 (pH 7,5) e esterilizado por filtro. |
| 100 mM GTP | Fisher Scientific | AC226250010 | ressuspenso em 1× BRB80 (pH 6,8) e esterilizado por filtro. |
| Lasers de estado sólido de 120-150 mW | Leica Microsystems | 11889151; 11889148 | |
| catalase de 2 mg/mL | Sigma Aldrich Inc, St. Louis, MO | C40-100 | Combinado com glicose oxidase, alíquota e armazene a -80 oC até o uso |
| 2 vezes; Buffer TIRF | Caseiro | 2&vezes; BRB80, 100 mM KCl, 20 mM DTT, 80 mM de glicose, 0,5% (v/v) de metilcelulose (4.000 cp); Nota: 1 µ L de 0,1M GTP e 1 µ L de 0,1M de ATP adicionado separadamente às reações TIRF para evitar ciclos repetidos de congelamento e descongelamento. | |
| 24 &vezes; 60 mm, #1.5 lamínula | Fisher Scientific, Waltham, MA | 22-266882 | A lamínula deve ser lavada extensivamente antes do uso (Smith et al. (2014)22) |
| 37 oC heatblock | |||
| 37 banho-maria | oC | ||
| 5 mg/mL Estreptavidina (estoque 600x) | Avantor, Filadélfia, PA | RLS000-01 | Ressuspenso em Tris-HCl (pH 8.8); diluir a alíquota para 1&vezes; em tampão HEK no dia do uso |
| 5 min Resina epóxi e endurecedor | Loctite, Rocky Hill, CT | 1365736 | Resina e endurecedor combinados podem levar até 30 min para curar. |
| 50% de sementes de microtúbulos biotinilados-GpCpp | Cytoskeleton Inc; As sementes de | microtúbulos estabilizadascom T333P | (opcional) GppCpp ou Taxol caseiros podem mediar com mais eficiência a polimerização dos microtúbulos. O taxol e o GppCpp estabilizam os microtúbulos de maneiras diferentes que podem afetar a estrutura da rede dos microtúbulos e a capacidade de certas proteínas reguladoras de se ligarem à porção estabilizada do microtúbulo. Um método para fazer diversos tipos de sementes de microtúbulos é descrito em Hyman et al. (1992). |
| oC | |||
| Actin mix stock | Caseiro; este protocolo | A 12.5 µ Mistura de actina M composta por actina marcada (fluorescente e biotinilada) e não marcada para até seis reações. 2 µ L de material é usado na reação final do TIRF. A concentração final de actina usada em cada reação é de 0,5 µ M (10% Alexa-647; 0,09% marcado com biotina). | |
| Controles de tampão apropriados | Caseiro | Combinação de tampões de todas as proteínas que estão sendo avaliadas | |
| Biotina-PEG-silano (MW 3.400) | Laysan Bio Inc | biotina-PEG-SIL-3400 | Dispensado em alíquotas de 2-5 mg, preenchido com nitrogênio, parafilmado fechado e armazenado a -20 oC com dessecante até o uso |
| Biotinilated actin | Cytoskeleton Inc; A | biotina-actina caseiraAB07 | é feita por marcação em resíduos de lisina e, portanto, presume-se que esteja pelo menos 100% marcada, mas varia com diferentes lotes/preparações. As concentrações óptimas de actina biotinilada devem ser determinadas empiricamente para utilizações/desenhos experimentais específicos. Concentrações mais altas permitem um rastreamento mais eficiente, mas podem impedir a polimerização ou interações com proteínas reguladoras. Aqui, uma pequena porcentagem (0,09% ou 900 pM) de actina biotinilada está presente na reação final do TIRF. |
| Dishsoap | Dawn, Procter and Gamble, Cincinnati, OH | Por razões desconhecidas, a versão azul limpa as lamínulas com mais eficiência do que outras cores disponíveis. | |
| Software FIJI | de geloseco www.https://imagej.net/software/fiji/downloads | Schneider et al. (2012)31. | |
| Citoesqueleto de actina marcado com fluorescência | Inc; | AR05 | Caseiro A actina caseira marcada com fluorescência é armazenada em tampão G suplementado com glicerol a 50% a -20 oC (Spudich et al. (1971)47; Liu et al. (2022)48). A actina marcada com fluorescência é dialisada contra o tampão G e pré-limpa por ultracentrifugação por 60 min a 278.000 &vezes; g antes de usar. |
| Citoesqueleto de tubulina marcado com fluorescência | Inc | TL488M, TLA590M, TL670M | ressuspenso em 20 µ L 1 e vezes; BRB80 (10 µ M) e pré-eliminados por ultracentrifugação (278.000 > g) por 60 min, antes do uso. |
| Tampão G | Caseiro | 3 mM Tris-HCl (pH 8,0), 0,2 mM CaCl2, 0,5 mM DTT, 0,2 mM ATP | |
| HEK Tampão | caseiro | 20 mM HEPES (pH 7,5), 1 mM EDTA (pH 8,0), 50 mM KCl | |
| Balde | |||
| de gelo Câmaras | |||
| de imagem | IBIDI, Fitchburg, WI | 80666 | Encomende câmaras sem fundo para utilizar diferentes revestimentos de lamínula |
| Câmera iXon Life 897 EMCCD | Andor, Belfast, Irlanda do Norte | 8114137 | |
| LASX Software de microscópio premium | Leica Microsystems | 11640611 | |
| Metilcelulose (4.000 cp) | Sigma Aldrich Inc | M0512 | |
| Base de microscópio equipada com módulo TIRF | Leica Microsystems, Wetzlar, Alemanha | 11889146 | |
| mPEG-silano (MW 2.000) | Laysan Bio Inc, Árabe, AL | mPEG-SIL-2000 | Dispensado em alíquotas de 10-15 mg, preenchido com nitrogênio, parafilmado fechado e armazenado a -20 oC com dessecante até o uso |
| Aquecedor objetivo e inserção de platina aquecida | OKO labs, Pozzioli, Itália | 8113569 | Defina os controles de temperatura para 35-37 oC. Use as sugestões do fabricante para uma calibração precisa. |
| Bomba de perfusão | Harvard Apparatus, Holliston, MA | 704504 | Uma seringa e um tubo podem ser substituídos. |
| Placa de Petri, 100 x 15 mm | Genesee Scientific, San Diego, CA | 32-107 | |
| Recipiente de plástico para envio de slides | Fisher Scientific | HS15986 | |
| SA-S-1L-SecureSeal 0,12 mm de espessura | Grace Biolabs, Bend, OR | 620001 | Fita dupla face de dimensões fabricadas precisas é fortemente recomendada. |
| Pequeno recipiente de isopor | Abcam, Cambridge, Reino Unido | Reutilizado do transporte | |
| Pequeno barco de pesagem | Fisher Scientific | 02-202-100 | |
| Espectrofotômetro | |||
| Tau | Cytoskeleton Inc | TA01 | Três isoformas de Tau estão presentes na preparação comercialmente disponível de Tau. A concentração neste protocolo foi determinada a partir da banda de maior peso molecular (14,3 µ M, quando ressuspenso por fabricante» s recomendações com 50 µ L de ddH20). |
| Temperatura corrigida 63&vezes; Objetiva TIRF de imersão em óleo Plan Apo 1.47 N.A. | Leica Microsystems | 11506319 | |
| Tubulin stock | Caseiro; este protocolo | Um estoque de tubulina consistindo de 7.2 µ L reciclado 100 µ M tubulina não marcada e 3 µ L de 10 µ M ressuspenso tubulina marcada com fluorescência disponível comercialmente. Um estoque de tubulina é usado por reação e descongelado/armazenado em gelo. A concentração final de tubulina livre em cada reação é de 15 µ M (4% rotulado). Mais de 15 µ A tubulina M resultará em microtúbulos hiperestabilizados (não dinâmicos), enquanto concentrações abaixo de 7,5 µ A tubulina livre de M não polimeriza bem. É necessária uma determinação cuidadosa da concentração e manuseio de proteínas. | |
| Actina não marcada (escura) | Citoesqueleto Inc; Os | nucleados de actinaAKL99 | caseirosestão quase sempre presentes em actinas comercialmente disponíveis (liofilizadas) ou congeladas e contribuem para a variabilidade nas medições quantitativas (Spudich et al. (1971) 47< / sup>; Liu et al. (2022)48). A actina muscular de coelho é armazenada em tampão G a -80 oC e pré-limpa por ultracentrifugação por 60 min a 278.000 &vezes; g antes de usar. Várias soluções de estoque de actina são feitas ao longo do dia (não fazendo mais do que o suficiente para seis reações por vez é fortemente recomendado). |