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
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Neelima Boora*1, Vibha Verma*1, Ridhi Khurana1, Gautam Gawande1, Sanchi Bhimrajka1, Komal Chaprana1, Meenu Kapoor2, Sanjay Kapoor1
1Interdisciplinary Centre for Plant Genomics, Department of Plant Molecular Biology,University of Delhi South Campus, 2University School of Biotechnology,Guru Gobind Singh Indraprastha University
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Здесь мы представляем метод визуализации образования троичного комплекса между тремя белковыми партнерами с использованием флуоресцентных помеченных белков с помощью анализа FRET-FLIM на основе BiFC. Этот метод ценен для изучения белково-белковых комплексов взаимодействия in vivo.
Белково-белковые взаимодействия являются неотъемлемой частью всех биологических процессов в клетках, поскольку они играют решающую роль в регулировании, поддержании и изменении клеточных функций. Эти взаимодействия участвуют в широком спектре явлений, таких как сигнальная трансдукция, реакция патогена, взаимодействие клеток с клетками, метаболические процессы и процессы развития. В случае транскрипционных факторов эти взаимодействия могут привести к олигомеризации субъединиц, секвестрации в конкретных субклеточных контекстах, таких как ядро, цитоплазма и т. Д., Что, в свою очередь, может оказать более глубокое влияние на экспрессию нисходящих генов. Здесь мы демонстрируем методологию визуализации трехстороннего взаимодействия in vivo с использованием бимолекулярной флуоресцентной комплементации (BiFC) на основе резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET) с использованием флуоресцентной пожизненной визуализации (FLIM). Два белка, выбранных для этой демонстрации, взаимодействуют как партнеры BiFC, и их восстановленная флуоресцентная активность используется для анализа FRET-FLIM с третьим партнером. Четыре-пятинедельные растения Nicotiana benthamiana, выращенные в камере роста, были использованы в качестве модельной системы растений для этой демонстрации.
Белково-белковые взаимодействия (ИПП) составляют основу правильного функционирования эукариотических клеток, регулируя различные метаболические процессы и процессы развития. Некоторые ИЦП являются стабильными, в то время как другие носят преходящий характер. Взаимодействия могут быть классифицированы на основе количества и типа членов во взаимодействии, таких как димерные, тримерные, тетрамерные гомомерные и гетеромерные1. Идентификация и характеристика белковых взаимодействий может привести к лучшему пониманию функций белка и регуляторных сетей.
Факторы транскрипции — это белки, которые участвуют в регуляторных функциях. Они регулируют скорость транскрипции своих нисходящих генов, связываясь с ДНК. Иногда олигомеризация или образование белков комплексов высшего порядка является предпосылкой для выполнения их функций2. Факторы транскрипции РАСТЕНИЙ MADS-box представляют собой гомеотические гены, которые регулируют различные процессы, такие как переход флоры, развитие цветочных органов, удобрение, развитие семян, старение и вегетативное развитие. Известно, что они образуют комплексы высшего порядка, которые связываются с ДНК3,4. Изучение сетей PPI среди факторов транскрипции и их интеракторов дает представление о сложности, лежащей в основе транскрипционной регуляции.
Транзиторная экспрессия белка в Nicotiana benthamiana была популярным подходом к изучению локализации белка или белково-белковых взаимодействий in vivo5. BiFC и FRET являются методами изучения белково-белковых взаимодействий in vivo с использованием флуоресцентных репортерных систем6. Было показано, что комбинация этих двух методов раскрывает взаимодействие между тремя белками7. FRET измеряется с использованием акцепторного фотоотбеливания, сенсибилизированного излучения и метода флуоресцентной визуализации (FLIM). Анализ FRET на основе FLIM появился как инструмент, который обеспечивает точную количественную оценку и пространственно-временную специфичность для измерений передачи энергии между двумя молекулами на основе их флуоресцентного времени жизни8. FLIM измеряет время, в течение которого флуорофор остается в возбужденном состоянии до испускания фотона, и лучше, чем методы, которые используют только измерения интенсивности9,10. Помимо гетерологичных систем, таких как Nicotiana benthamiana и луковые эпидермальные пилинги, более поздние отчеты продемонстрировали использование корней Arabidopsis и молодых саженцев риса и т. Д. Для анализа in vivo белково-белковых взаимодействий в нативных условиях11,12.
Помимо подходящей системы выражения, выбор взаимодействующих партнеров для анализов BiFC и FRET также имеет решающее значение для успеха этого эксперимента. PPI среди партнеров, используемых в конфигурации BiFC, должен быть проверен с использованием соответствующих элементов управления перед их использованием в качестве сопряженного партнера в эксперименте FRET13. BiFC использует структурное дополнение N- и C-концевых частей флуоресцентного белка. Общим ограничением в большинстве, если не во всех флуоресцентных белках, используемых в анализах BiFC, была самосборка между двумя производными нефлуоресцентными фрагментами, способствующая ложноположительной флуоресценции и уменьшающая отношение сигнал-шум (S / N)14. Последние разработки, включая точечные мутации или положение расщепления флуоресцентного белка, дали начало парам BiFC с повышенной интенсивностью, более высокой специфичностью, высоким соотношением S/N15,16. Эти флуоресцентные белки также могут быть использованы для проведения BiFC в зависимости от пригодности эксперимента.
Традиционно CFP и YFP использовались в качестве пары донора и акцептора в экспериментах FRET17. Тем не менее, было обнаружено, что YFP или m-цитрин являются лучшими донорами FRET (при использовании с RFP в качестве акцептора) из-за высокого квантового выхода (QY) во время нативной экспрессии целевых белков в корневой системе Arabidopsis. Выбор промоторов (конститутивных и нативных/эндогенных) и флуорофоров также играет решающую роль в разработке успешного эксперимента BiFC-FRET-FLIM. Важно отметить, что эффективность доноров FRET и пригодность пар FRET, как правило, меняются с изменением промотора и биологической системы, используемой для экспрессии. QY флуорофора, который относится к его яркости, зависит от рН, температуры и используемой биологической системы. Мы предлагаем тщательно рассмотреть эти критерии, прежде чем выбирать пару флуорофоров для эксперимента FRET. Биологическая система, промоторы и белки, используемые для этого протокола, хорошо работали с флуорофорами CFP-YFP для эксперимента BiFC FRET-FLIM.
В настоящем исследовании мы включили функцию FLIM для визуализации взаимодействия между тремя белковыми молекулами с использованием FRET на основе BiFC. В этом методе два белка помечаются разделенным белком YFP, а третий белок — CFP. Поскольку мы были заинтересованы в изучении взаимодействия гомодимера белка MADS-box (M) с белком датчика кальция (C), эти белки были помечены флуоресцентными белками в векторах pSITE-1CA и pSITE-3CA18. Два из взаимодействующих партнеров в этом анализе были помечены N- и C-концевыми частями YFP в векторах pSPYNE-35S и pSPYCE-35S19,и их взаимодействие приводит к восстановлению функционального YFP, который действует как акцептор FRET, к третьему взаимодействующему партнеру, который помечен CFP (действуя как донор FRET)(рисунок 1 ). В этом конкретном случае PPI между двумя мономерами M и между M и C был проверен путем выполнения BiFC в трех различных системах вместе с дрожжево-двухгибридной системой. Эти векторы были мобилизованы в штамм Agrobacterium tumifaciens GV3101 путем электропорации. Штамм GV3101 имеет обезоруженную Ti плазмиду pMP90 (pTiC58DT-ДНК) с резистентностью к гентамицину20. Штамм p19 Agrobacterium добавляли вместе со всеми инфильтрациями для предотвращения глушения трансгенов21. Мы рекомендуем, чтобы три белка также использовались в противоположных конформациях для проверки трехсторонних взаимодействий.
В этом методе мы использовали FLIM, где сначала время жизни флуоресценции донора (срок службы неутоленного донора) измеряется при отсутствии акцептора. После этого его срок службы измеряется в присутствии акцептора (закаленный срок жизни донора). Эта разница в времени жизни донорской флуоресценции используется для расчета эффективности FRET, которая зависит от количества фотонов, демонстрирующих сокращение времени жизни флуоресценции. Ниже приведен подробный протокол для определения образования троичного комплекса между любыми тремя белками путем временной экспрессии флуоресцентных помеченных белков в Nicotiana benthamiana и анализа их взаимодействия с помощью BiFC-FRET-FLIM.
1. Клонирование генов во входных и целевых векторах(рисунок 2)
2. Условия роста растений Nicotiana benthamiana
ПРИМЕЧАНИЕ: Выращивайте растения Nicotiana до 4-6 листовой стадии в контрольных условиях.
3. Подготовка бактериальных штаммов к агроинфильтрации
ПРИМЕЧАНИЕ: Для агроинфильтрации бактериальные штаммы должны быть свежевыращены и смешаны вместе со штаммом p19 Agrobacterium в соответствующих соотношениях.

4. Подготовьте слайды для флуоресцентной визуализации
5. Анализ FRET-FLIM с использованием конфокального лазерного сканирующего микроскопа
ПРИМЕЧАНИЕ: В данной процедуре основой определения и количественной оценки взаимодействия между двумя белками является сокращение времени жизни флуоресценции партнера-донора FRET при его взаимодействии с акцептором, которое используется для расчета эффективности FRET. Сложность в случае трехстороннего взаимодействия еще больше возрастает, потому что FRET-акцептор в этом случае представляет собой не одну молекулу, а расщепленную пару YFP-BiFC, которая сначала должна быть восстановлена in vivo, чтобы стать функциональным FRET-акцепторным флуорофором. Для проведения FRET-FLIM необходимо определить время жизни флуоресценции донорской молекулы - сначала в одиночку, а затем в присутствии партнера FRET.
Этот протокол представляет собой оптимизированный метод изучения in vivo трехсторонних белково-белковых взаимодействий в растениях. Основной принцип протокола заключается в объединении двух методов белкового взаимодействия с флуоресцентной меткой, то есть BiFC и FRET, для создания анализа для измерения образования троичного комплекса между тремя белковыми партнерами. Здесь мы использовали FLIM для измерения срока службы флуоресценции партнера-донора FRET в присутствии и отсутствии акцептора FRET. Ожидалось сокращение времени жизни флуоресценции донора, если между двумя белками наблюдалось положительное взаимодействие. Мы начали с измерения времени флуоресценции донора, то есть белка C-CFP. Мы использовали режим измерения «Подсчет всех фотонов», который создает кривую флуоресцентного распада со всеми фотонами в интересующей области (ROI) и дает измеренное время жизни с меньшей погрешностью, чем традиционный коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов. Высокоскоростной фильтр FLIM обеспечивает использование однофотонных событий между импульсами. Затем была выбрана подходящая математическая модель для попиксельных вычислений и подгонки кривой распада27.
Вариант CFP, используемый здесь (и также наиболее часто используемый), имеет конформационную адаптацию, которая приводит к двум срокам жизни флуоресценции. Поэтому мы решили подогнать кривую флуоресцентного распада, используя модель для многоэкспоненциального донора. Это приводит к разделению двух времен жизни CFP, которые в нашем случае наблюдались как 1,0 нс и 3,3 нс. Для расчета эффективности FRET мы использовали более высокий срок службы CFP, т.е. 3,3 нс (средний срок службы флуоресценции, n = 10).
В случае положительного контроля (C-CFP и M-YFP) мы наблюдаем снижение времени жизни флуоресценции донора (C-CFP) с 3,3 нс до 2,5 нс(рисунок 6). А эффективность FRET по следующему уравнению составила 56%.

E = эффективность ЛАД
τD = Срок службы неугашенного донора (образец только донора, C-CFP)
τ AvAmp = Среднее время распада - Средневзвешенный срок службы по амплитуде
Аналогичное упражнение с восстановленным YFP в результате взаимодействия между двумя мономерами M и С-белком также привело к положительному взаимодействию, ведущему к сокращению времени жизни флуоресценции акцептора (C-CFP) до 2,6 нс. Расчетная эффективность FRET в данном случае составила около 55%(рисунок 6).
Если вариант CFP или любой другой донорский флуорофор имеет одно время жизни флуоресценции, кривая распада должна быть подогнана с использованием моноэкспоненциальной донорской модели. В этом случае эффективность FRET может быть рассчитана по формуле:

τ - время жизни флуоресценции образца, содержащего только донора
τ закалка измеряется в присутствии акцептора (во время fret происходит)
Необработанные показания срока службы флуоресценции по меньшей мере из 10 ячеек для каждой экспериментальной установки были сопоставлены в виде точечной диаграммы с помощью онлайн-инструмента PlotsOfData (https://huygens.science.uva.nl/PlotsOfData/, рисунок 6C)28. Сокращение времени жизни флуоресценции донора FRET дает убедительные доказательства трехстороннего взаимодействия между этими тремя белками.

Рисунок 1:Схематическое представление принципа метода BiFC и BiFC FRET-FLIM. Взаимодействие между двумя M-белками приводит к восстановлению YFP, и эта пара может затем действовать как акцепторная молекула. Третий белок C-CFP выступает здесь в качестве донора FRET. Таким образом, положительный сигнал FRET доказывает трехстороннее взаимодействие между двумя М-белками и одним С-белком. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2:Клонирование генов M и C в векторах конечного назначения. Кодирующие последовательности генов амплифицируются и сначала клонируются в векторе pENTR/D-TOPO с последующей мобилизацией конструкций в векторах конечного назначения pSITE-1CA, pSITE-3CA, pSPYNE-35S и pSPYCE-35S реакцией рекомбинации LR Clonase II. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3:Используя электропорацию, желаемые векторные комбинации доставляются в штамме GV3101 Agrobacterium tumefaciens. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4:Схематическая иллюстрация агроинфильтрации растений Nicotiana и комбинаций конструкций, используемых для эксперимента. (A)C-CFP, содержащая агробактериальную культуру, выступает в качестве донорского образца (B) C-CFP и M-YFP служат положительным контролем FRET, (C) C-CFP и M белок в конформации BiFC; M-YFPn и M-YFPc используются для изучения трехстороннего взаимодействия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5:Представление времени жизни флуоресценции образцов при отсутствии и наличии акцептора. (A) Время жизни C-CFP в присутствии M-YFP уменьшается до 2,67 нс, как показано на гистограмме. Аналогично(B)показывает сокращение времени жизни C-CFP до 2,3 нс в случае трехстороннего взаимодействия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6:Трехстороннее взаимодействие между двумя мономерами M и С-белком, проанализированным с использованием анализа FRET-FLIM на основе BiFC. (A)Клетка, показывающая либо только CFP (i), либо оба CFP и YFP (ii и iii), исходящие от донорских и акцепторных белков с использованием соответствующих длин волн возбуждения и излучения. (B)i, ii, iii представляет собой FLIM-изображение, показывающее время флуоресценции CFP в ячейке. Шкала цветов представляет псевдоцвет, соответствующий времени жизни. Шкала bar = 50 мкм. (C) Диаграмма рассеяния, показывающая время флуоресценции CFP при наличии в одиночку или с взаимодействующими партнерами, где n = 10. Сюжет генерируется с помощью онлайн-инструмента PlotsOfdata (https://huygens.science.uva.nl/PlotsOfData/); Среднее время жизни флуоресценции представлено в виде линии между точками образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный рисунок 1: Отрицательный контрольный эксперимент для валидации взаимодействия между белками M и C с помощью BiFC. Взаимодействие между мутированной формой M-белка (MΔCBD), в которой отсутствуют все области связывания С-белка, и слиянием С-белка-YFPc пытается служить отрицательным контролем для анализа BiFC. Верхние панели показывают переходную экспрессию MΔCBD-GFP в клетках луковой кожуры, а результаты попытки взаимодействия между MΔCBD-YFPn и C-YFPc показаны на нижних панелях. Отсутствие флуоресценции от восстановленного YFP свидетельствует об отсутствии взаимодействия между MΔCBD и С-белком. N, ядро; C, цитоплазма; BF, яркое поле; FL, флуоресценция; OL, цифровое наложение, цитоплазматическая область показана белыми стрелками. Шкала = 10 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
| S.No. | Вектор | Подбор антибиотиков |
| Вектор записи | ||
| 1 | pENTR/D-TOPO | Канамицин |
| Векторы назначения | ||
| 2 | пСПАЙН-35С | Канамицин |
| 3 | пСПЫЦЕ-35С | Канамицин |
| 4 | pSITE-1CA | Спектиномицин |
| 5 | pSITE-3CA | Спектиномицин |
Таблица 1: Векторы, использованные в исследовании.
| S.No. | Взаимодействие | Комбинация конструкций |
| 1 | Трехстороннее взаимодействие | C-CFP + M-YFPn: M-YFPc + p19 |
| 2 | Позитивный контроль | C-CFP + M-YFP + p19 |
| 3 | Отрицательный контроль | C-CFP + Пустой-YFP + p19 |
| Опционально (противоположные конформации) | ||
| 4 | Трехстороннее взаимодействие | M-CFP + M-YFPn: C-YFPc + p19 |
| 5 | Позитивный контроль | M-CFP + C-YFP + p19 |
| 6 | Отрицательный контроль 1 | M-CFP + Пустой-YFP + p19 |
| 7 | Отрицательный контроль 2 | Пустой -CFP + C-YFP + p19 |
| 8 | Отрицательный контроль 3 | Пустой -CFP + M-YFP + p19 |
Таблица 2: Комбинации конструкций, используемые в исследовании.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Здесь мы представляем метод визуализации образования троичного комплекса между тремя белковыми партнерами с использованием флуоресцентных помеченных белков с помощью анализа FRET-FLIM на основе BiFC. Этот метод ценен для изучения белково-белковых комплексов взаимодействия in vivo.
NB, GG, SB, KC искренне благодарят Комиссию по университетским грантам (UGC), UGC-BSR, DBT-INSPIRE и Совет по научным и промышленным исследованиям (CSIR) за их исследовательские стипендии. Мы с благодарностью выражаем признательность Департаменту биотехнологии (DBT), правительству Индии, Департаменту науки и техники (DST-FIST), правительству Индии за финансовую поддержку.
| 1 мл Шприцы без игл | Dispovan | - | |
| Ацетосирингон | Sigma-Aldrich | D134406 | |
| Gateway LR Clonase II Смесь ферментов | Thermo Fischer Scientific | 11791020 | Векторы, использованные в исследовании: Gateway based |
| Gentamycin Sulphate | Himedia | CMS461 | |
| Kanamycin Sulphate | Himedia | MB105 | |
| MES hydrate | Sigma-Aldrich | M2933 | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| pENTR/D-TOPO Cloning Kit | Thermo Fischer Scientific | K240020 | Векторы, использованные в исследовании: Gateway based |
| Phusion high Fidelity Taq DNA polymerase | Thermo Fischer Scientific | F530-S | Любая высокоточная полимераза может работать |
| Rifampicin | Himedia | CMS1889 | |
| SP8 FALCON Конфокальный лазерный сканирующий микроскоп | Leica | SP8 FALCON | Любой CLSM с возможностями FLIM может быть использован для этого анализ |
| Спектиномицина дигидрохлорида пентагидрат | Himedia | TC034 |