Misurazione delle dinamiche di sensibili alla forza della proteina in cellule viventi, utilizzando una combinazione di tecniche di fluorescenza

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per l’uso simultaneo di Förster risonanza energia basati sul trasferimento di tensione sensori per misurare recupero carico e fluorescenza della proteina dopo photobleaching per misurare la dinamica della proteina che permette la misurazione di sensibili alla forza dynamics della proteina nelle cellule viventi.

Abstract

Cellule di percepiscono e rispondono ai segnali fisici nel loro ambiente convertendo stimoli meccanici in segnali biochimicamente rilevabili in un processo chiamato mechanotransduction. Un passo fondamentale nella meccanotrasduzione è la trasmissione di forze tra gli ambienti interni ed esterni. Per la trasmissione di forze, ci deve essere una continua, ininterrotta sollevatore fisico creato da una serie di interazioni proteina-proteina. Per un’interazione proteina-proteina data, carico meccanico non può avere alcun effetto sull’interazione, portare alla dissociazione più veloce dell’interazione, o addirittura stabilizza l’interazione. Comprendere come molecolare carico detta turnover delle proteine in cellule viventi in grado di fornire preziose informazioni circa lo stato meccanico di una proteina, a sua volta chiarire il suo ruolo nella meccanotrasduzione. Le tecniche esistenti per la misurazione dinamica di proteine sensibili alla forza mancano misure dirette di carico proteico o si basano su misure effettuate di fuori del contesto cellulare. Qui, descriviamo un protocollo per il recupero di trasferimento-fluorescenza Förster energia di risonanza dopo tecnica photobleaching (FRET-FRAP), che consente la misurazione delle dinamiche di sensibili alla forza della proteina nelle cellule viventi. Questa tecnica è potenzialmente applicabile a qualsiasi sensore di tensione basato su FRET, facilitare lo studio della dinamica di proteine sensibili alla forza in varietà di strutture subcellulari e in diversi tipi cellulari.

Introduction

L’ambiente extracellulare è una fonte ricca di spunti sia biochimici e fisici che determinano il comportamento delle cellule. In particolare, la natura fisica del microambiente possa mediare principali funzioni cellulari, tra cui la crescita delle cellule, migrazione e differenziazione^1,2,3,4. Disregolazione della meccanica del microambiente è una componente critica per molte malattie che non hanno ancora adeguato trattamento, quali cancro⁵, aterosclerosi⁶e⁷di fibrosi. Una comprensione completa di come le cellule convertono stimoli fisici in segnali biochimicamente rilevabili, un processo chiamato meccanotrasduzione, richiede la delucidazione dei meccanismi molecolari che mediano la trasmissione della forza, sia all’interno e all’esterno delle cellule e all’interno di più strutture subcellulari.

All’interno di strutture subcellulari, proteine si rivolgono costantemente sopra; associazione e separazione basata sulla forza del loro interazioni con l’associazione partner⁸. Per le forze per essere trasmesso con successo attraverso una distanza fisica, ci devono essere una catena ininterrotta di interazioni proteina-proteina, significante che il fatturato di una proteina deve essere abbastanza lento per sostenere e trasmettere forza alla sua associazione partner⁹. Mentre interazioni proteina-proteina consistono generalmente di diversi legami non covalenti tra i domini della proteina, l’interazione spesso è concettualizzato come uno stato legato che può eseguire la transizione a uno stato non associato sotto diverse condizioni^{10, 11}. per un’interazione proteina-proteina data, è possibile che in vigore non può avere effetto sulla durata dell’interazione, conosciuto come un “legame ideale”, ridurre la durata dell’interazione, conosciuto come un “legame di slittamento” o aumentare la durata dell’interazione , conosciuto come un “legame di cattura”¹⁰. Così, c’è un intricato rapporto tra carico proteico e dinamica di proteine che ci riferiamo come sensibili alla forza dinamica.

Verso la comprensione l’effetto del carico sulle dinamiche di vincolo, è stata effettuata una serie di esperimenti altamente informativi a livello di singola molecola. Utilizzando proteine isolate, o frammenti di proteine e tecniche di manipolazione come magnetiche pinzette, pinzette ottiche e microscopia a forza atomica, questi studi hanno dimostrato interazioni della proteina-proteina di sensibili alla forza per più rilevanti proteine^11,12. Entrambe le integrine¹³ e caderine¹⁴, che sono proteine transmembrana importante per formare interazioni cellula-matrice e cellula-cellula, rispettivamente, hanno dimostrato alterazioni nella dinamica dovuta a caricare. All’interno della cellula, vinculina viene reclutato a entrambi talin¹⁵ e α-catenina¹⁶ in un modo dipendente dalla forza e può formare un legame di cattura con l’actina¹⁷, che indica un ruolo cruciale per vinculin sia adesioni focali (FAs) e giunzioni intermedie (AJs ) sotto carico. Studi di singola molecola consentono per l’isolamento delle interazioni specifiche proteina-proteina e producono risultati inequivocabili, ma essi non tengono conto della complessità dell’ambiente cellulare.

Pietra miliare gli esperimenti hanno dimostrato che diverse strutture subcellulari, tra cui FAs e AJs, mechanosensitive ed esibiscono Assemblea avanzata in risposta a carichi generati internamente o esternamente applicato^{18,19, 20,21,22}. Inoltre, diversi modelli teorici hanno suggerito che potrebbe essere guidato mechanosensitive assemblaggio di proteine sensibili alla forza dinamica^23,24,25. Per esaminare queste dinamiche di sensibili alla forza nelle cellule viventi, sono stati presi alcuni approcci indiretti. FRAP e relative tecniche forniscono una metodologia relativamente semplice per la misurazione dinamica della proteina in cellule^26,27,28,29. Tuttavia, la misurazione del carico proteico è stato più limitata. Un approccio tipico è quello di confrontare la dinamica della proteina in cellule con e senza l’esposizione ad un inibitore del citoscheletro utilizzato per ridurre il generale cella contrattilità^8,30,31. Concettualmente, questo è un confronto tra un carico elevato e basso carico stato. Tuttavia, non c’è nessuna quantificazione del carico attraverso la proteina in entrambi gli Stati, e ci possono essere effetti biochimici non intenzionali dell’inibitore, tale perdita di siti di legame chiave lungo un filamento di F-actina. Un altro approccio, specifico per FAs, è stato per misurare lo sforzo di forza totale sul substrato dalla FA usando microscopia di forza di trazione per approssimare carico molecolare ed esaminare la relazione con le dinamiche di una singola proteina all’interno la FA³². Mentre questo approccio consente per la quantificazione della forza totale, non fornisce informazioni specifiche molecolarmente. FAs sono costituiti da più di 200 differenti proteine, molte delle quali può sopportare carico³³. Così, misurare la produzione di forza totale di un FA potenzialmente oscura la possibilità di molteplici vie di trasmissione di forza e in modo affidabile non fornisce una misura del carico su una proteina specifica.

A differenza di precedenti approcci in mechanobiology, l’avvento dei sensori di tensione basato su FRET permette diretta misurazione del carico di proteine specifiche all’interno di vita di cellule^34,35,36. Qui, presentiamo un protocollo che combina sensori di tensione basato su FRET con la misura di FRAP-base della dinamica della proteina. Ci riferiamo a questa tecnica come FRET-FRAP. Questo approccio permette la misurazione simultanea di carico proteico e la dinamica della proteina, permettendo la valutazione delle dinamiche sensibili alla forza della proteina in cellule viventi (Figura 1). Già, la tecnica FRET-FRAP è stata applicata allo studio delle dinamiche sensibili alla forza della meccanica del linker proteina vinculin³⁷. Sensori di tensione sono stati sviluppati per numerose proteine che sono rilevanti in una varietà di strutture subcellulari. Ad esempio, i sensori sono stati sviluppati per vinculin³⁴ e talin^38,39 a FAs, caderine e catenine in AJs^40,41,42, nesprin nel complesso nucleare LINC ⁴³, α-actinina⁴⁴ e filamina³⁶ del citoscheletro e MUC-1 nel glicocalice⁴⁵, tra gli altri⁴⁶. Allo stesso modo, FRAP è che una tecnica comunemente usata è stata utilizzata sulle proteine meccanosensibili entro le adesioni focali^8,31, adherens junctions⁴⁷, actina corteccia²⁶e nucleo⁴⁸. Movimento in avanti, che la tecnica FRET-FRAP dovrebbe essere ampiamente applicabile a uno qualsiasi di questi sensori esistenti o appena sviluppato sensori, consentendo per le misurazioni di sensibili alla forza dinamica in un’ampia varietà di contesti e strutture subcellulari. A tal fine, forniamo un dettagliato protocollo generalizzato per implementare la tecnica FRET-FRAP applicabile a questi diversi sistemi. Speriamo che questo vi permetterà una vasta gamma di esperimenti chiarire i ruoli delle varie proteine meccanosensibili nella regolazione della trasmissione della forza e nel mediare il comportamento delle cellule.

Protocol

1. generare i campioni per l’Imaging Costrutto di sensore tensione stabile espresso nel tipo cellulare desiderato. Clonare Tensione sensore costrutto in pRRL vettoriale o altri plasmidi di espressione virale.Nota: Diversi strumenti clonazione molecolare sono disponibili per realizzare questo passaggio compreso l’uso degli enzimi di restrizione, si sovrappongono estensione e Gibson Assembly35. Il vettore di pRRL è usato nella trasduzione virale lenti e consente un notevole gr…

Representative Results

FRET-FRAP si compone della combinazione di due tecniche di fluorescenza, FRET e FRAP. Come ci siamo concentrati sugli effetti del carico proteico, abbiamo usato tensione basato su FRET sensori34,46. Questi sensori sono spesso basati su un modulo composto da due proteine fluorescenti, come mTFP1 e VenusA206K, collegati da un linker flagelliform (Figura 1A) sensore di tensionamento. Quando il modulo vie…

Discussion

Il metodo FRAP FRET consente per la misura diretta della dinamica della proteina sensibile alla forza, una proprietà che è stato difficile sondare direttamente all’interno di cellule viventi. La sensibilità del dynamics della proteina per carico molecolare è critica alla funzione della proteina come un trasmettitore di forza o trasduttore. Caricamento è necessaria per la trasmissione di entrambi generato internamente ed esternamente applicate forze, chiamato mechanotransmission e per la conversione di tali forze in …

Materials

0.05% Trypsin-EDTA	Thermo Fisher	25300062
16% Paraformaldehyde	Electron Microscopy Sciences	30525-89-4
60x Objective NA1.35	Olympus	UPLSAPO 60XO
Antibiotic-Antimycotic Solution (100x)	Gibco	15240-062
Automated Stage	Prior Scientific	H117EIX3
Custom Dichroic Mirror	Chroma Technology Corp		T450/514rpc
Custom mTFP1 Emission Filter	Chroma Technology Corp		ET485/20m
Custom mTFP1 Excitation Filter	Chroma Technology Corp		ET450/30x
Custom Venus Excitation Filter	Chroma Technology Corp		ET514/10x
DMEM-gfp Live Cell Visualization Medium	Sapphire	MC102
Dulbecco's Modified Eagle's Medium	Sigma Aldrich	D5796	with L-glutamine and sodium bicarbonate
Fetal Bovine Serum	HyClone	SH30396.03
Fibronectin, Human	Corning	47743-654
FRAPPA Calibration Slide	Andor		provided along with FRAPPA unit
FRAPPA System with 515 nm Laser	Andor
Glass-bottomed Fluoro Dishes	World Precision Instruments	FD35
HEK293-T Cells	ATCC	CRL-3216
Hexadimethrine Bromide, Polybrene	Sigma Aldrich	H9268-5G
High-glucose Dulbecco's Modified Eagle's Medium	Sigma Aldrich	D6429
Inverted Fluorescent Microscope	Olympus	IX83
JMP Pro Software	SAS
Lambda 10-3 Motorized Filter Wheels	Sutter Instruments	LB10-NW
LambdaLS Arc Lamp with 300W Ozone-Free Xenon Bulb	Sutter Instruments	LS/OF30
Lipofectamine 2000	Invitrogen	11668-027
MATLAB Software	Mathworks
MEM Non-Essential Amino Acids	Thermo Fisher	11140050
MetaMorph for Olympus	Olympus
Micro-Humidification System	Bioptechs	130708
MoFlo Astrios EQ Cell Sorter	Beckman Coulter	B25982
Objective Heater Medium	Bioptechs	150819-13
OptiMEM	Thermo Fisher	31985070
Phosphate Buffered Saline	Sigma Aldrich	D8537
pMD2.G Envelope Plasmid	Addgene	12259
pRRL Vector			gift from Dr. Kam Leong (Columbia University)
psPax2 Packaging Plasmid	Addgene	12260
sCMOS ORCA-Flash4.0 V2 Camera	Hamamatsu Photonics	C11440-22CU
Sorvall Legend XT/XF Centrifuge	Thermo Fisher	75004505
Stable Z Stage Warmer	Bioptechs	403-1926
Venus Emission Filter	Semrock	FF01-571/72