FRET'e duyarlı emisyona sahip canlı hücrelerdeki protein etkileşimlerinin değerlendirilmesi
Summary
İki florofor molekülü arasındaki Förster Rezonans Enerji Transferi (FRET), canlı hücredeki protein etkileşimlerini incelemek için kullanılabilir. Burada, alıcı ve konfokal lazer tarama mikroskobu kullanılarak donör molekülünün söndürülmesi ile alıcının duyarlılaştırılmış emisyonunu tespit ederek canlı hücrelerde FRET’nin nasıl ölçüleceğine dair bir protokol sağlanmaktadır.
Abstract
Förster Rezonans Enerji Transferi (FRET), uyarılmış bir donörden bir alıcı moleküle radyasyonsuz enerji transferidir ve moleküllerin mesafesine ve oryantasyonuna ve ayrıca donör emisyonu ile alıcı absorpsiyon spektrumları arasındaki örtüşme derecesine bağlıdır. FRET, canlı hücredeki proteinlerin zaman içinde ve farklı hücre altı bölmelerdeki etkileşimini incelemeye izin verir. Literatürde mikroskopi kullanarak FRET ölçümü için farklı yoğunluk tabanlı algoritmalar tanımlanmıştır. Burada, hem alıcının duyarlılaştırılmış emisyonunu hem de donör molekülün söndürülmesini ölçmeye dayanarak FRET verimliliğini ölçmek için bir protokol ve bir algoritma sağlanmaktadır. Canlı hücredeki oranmetrik FRET’nin nicelleştirilmesi, sadece floresan proteinlerinin çapraz konuşmasının (spektral dökülme veya kanama) belirlenmesini değil, aynı zamanda mikroskobik kurulumun tespit verimliliğini de gerektirir. Burada sağlanan protokol, bu kritik parametrelerin nasıl değerlendirileceğini ayrıntılarıyla açıklamaktadır.
Introduction
Förster Rezonans Enerji Transferi’nin (FRET) mikroskopi tabanlı analizi, canlı hücrelerdeki proteinler arasındaki etkileşimlerin değerlendirilmesine izin verir. Etkileşimin hücrenin neresinde ve hangi hücre altı bölmede gerçekleştiği ve bu etkileşimin zaman içinde değişip değişmediği hakkında bilgi de dahil olmak üzere mekansal ve zamansal bilgi sağlar.
Theodor Förster, 1948’de FRET’in teorik temelini attı1. FRET, uyarılmış bir donörden bir alıcı moleküle radyasyonsuz bir enerji transferidir ve moleküllerin mesafesine ve geçiş dipollerinin göreceli oryantasyonuna ve ayrıca donör emisyonu ile alıcı absorpsiyon spektrumları arasındaki örtüşmeye bağlıdır. Enerji transfer hızı, donör-alıcı mesafesinin altıncı gücü ile ters orantılıdır. Böylece, FRET 1-10 nm aralığında moleküler yakınlığı ölçmek için kullanılabilir.
FRET, donör molekülün diğer uyarım giderme işlemleriyle rekabet eder ve alıcının donör söndürme ve hassaslaştırılmış emisyonu ile sonuçlanır. Donör söndürme, yayılan donör fotonlarının sayısının azaltılmasıdır, hassaslaştırılmış emisyon ise yayılan alıcı fotonlarda bir artıştır. Birçok mikroskobik FRET analizi, alıcı fotobeyazlatma 2, donör fotobeyazlatma2 veya alıcı3’ün FRET-duyarlılaştırılmış fotobeyazlatma dahil olmak üzere floresan yoğunluğu ölçümlerini kullanır.
Burada, genellikle oranmetrik FRET olarak adlandırılan bir yöntem olan donör söndürme ve alıcı duyarlılaştırılmış emisyon 4,5 kullanarak FRET’yi ölçmek için adım adım deneysel bir protokol ve matematiksel algoritma sunulmaktadır. Hassaslaştırılmış emisyonun nasıl yaklaşacağına dair birçok protokol yayınlanmıştır, çok azı mutlak FRET verimliliğiniölçmüştür 6,7,8,9. Canlı hücredeki FRET verimliliklerinin nicelleştirilmesi, (i) floresan proteinlerin çapraz konuşmasının (spektral dökülme veya kanama) ve ayrıca (ii) mikroskobik kurulumun tespit verimliliğinin belirlenmesini gerektirir. Çapraz konuşma, floroforlardan sadece birini eksprese eden görüntüleme hücreleri ile değerlendirilebilirken, donör ve alıcı floresansının göreceli tespit etkinliğinin değerlendirilmesi daha karmaşıktır. En azından ölçülen sinyallere yol açan donör ve alıcı molekül sayısının oranının bilinmesini gerektirir. Bununla birlikte, canlı hücrelerde eksprese edilen floroforların sayısı hücreden hücreye değişir ve bilinmemektedir. Sözde α faktörü, tek bir uyarılmış donör ve alıcı molekülden gelen göreceli sinyal güçlerini karakterize eder. Faktör bilgisi, floresan proteinlerle canlı hücre görüntülemesi sırasında karşılaşılan değişken alıcı-donör molekül oranlarına sahip örneklerde kantitatif oranmetrik FRET ölçümleri için bir ön koşuldur. Kalibrasyon probu olarak 1’e 1 donör-alıcı füzyon proteini kullanmak, α faktörünün belirlenmesine izin verir ve ayrıca pozitif bir kontrol görevi görür. Bu genetik olarak bağlanmış prob, hücreler tarafından bilinmeyen toplam miktarlarda, ancak bire bir sabit ve bilinen göreceli bir miktarda eksprese edilir. Aşağıdaki protokol, 1’e 1 probun nasıl oluşturulacağını ve FRET verimliliğinin ölçülmesi için nasıl kullanılacağını ortaya koymaktadır. Tüm formülleri içeren bir elektronik tablo ekte bulunabilir ve okuyucular tarafından aşağıda belirtildiği gibi ilgili sütunlara kendi ölçümlerini girmek için kullanılabilir.
Protokol GFP-Cherry donör / alıcı çiftini kullanırken, sunulan yaklaşım başka herhangi bir FRET çifti ile gerçekleştirilebilir. Ek Dosya 1, camgöbeği-sarı çiftleri hakkında ayrıntılı bilgi sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sunulan protokol, alıcının duyarlılaştırılmış emisyonunun tespitini ve donör molekülün konfokal mikroskopi ile söndürülmesini kullanarak FRET’yi ölçmek için genetik olarak eşleşmiş bire bir floresan protein kalibrasyon probunun kullanımını detaylandırmaktadır. Bu yöntem, farklı hücre altı bölmelerde canlı hücrenin fizyolojik bağlamındaki protein etkileşimlerini değerlendirmek için uygulanabilir. Uzamsal çözünürlük, bir görüntünün her pikselindeki FRET verimliliklerini hesapl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Stanford Üniversitesi Tıp Fakültesi Sinirbilim Görüntüleme Servisi’ne bu proje için ekipman ve alan sağladığı için teşekkür ederiz. Bu araştırma, Stanford Kanser Enstitüsü ve Jinekolojik Onkoloji Bölümü Stanford’un intramural finansmanının yanı sıra Macaristan Ulusal Araştırma, Geliştirme ve İnovasyon Ofisi’nden GINOP-2.3.2-15-2016-00026, GINOP-2.3.3-15-2016-00030, NN129371, ANN135107 tarafından desteklenmiştir.
Materials
| 0.5% Trypsin-EDTA without phenol red (10x) | Thermo Fisher Scientific | 15400054 | |
| Clontech mCherry N1 vector | Addgene | 3553 | |
| DMEM without phenol red | Thermo Fisher Scientific | 11054020 | |
| Fugene 6 | Promega | E2691 | |
| HEPES | Thermo Fisher Scientific | 15630080 | |
| LabTek 8-well chambers #1.0 | Thermo Fisher Scientific | 12565470 | |
| L-Glutamine (200 mM) | Thermo Fisher Scientific | 25030081 |
References
- Förster, T. Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz. Annal der Physik. 437, 55-75 (1948).
- Jovin, T. M., Arndt-Jovin, D. J. Luminescence digital imaging microscopy. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry. 18, 271-308 (1989).
- Mekler, V. M. A photochemical technique to enhance sensitivity of detection of fluorescence resonance energy transfer. Photochemistry and Photobiology. 59, 615-620 (1994).
- Vamosi, G., et al. Conformation of the c-Fos/c-Jun complex in vivo: A combined FRET, FCCS, and MD-modeling study. Biophysical Journal. 94 (7), 2859-2868 (2008).
- Renz, M., Daniels, B. R., Vamosi, G., Arias, I. M., Lippincott-Schwartz, J. Plasticity of the asialoglycoprotein receptor deciphered by ensemble FRET imaging and single-molecule counting PALM imaging. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 109 (44), 2989-2997 (2012).
- van Rheenen, J., Langeslag, M., Jalink, K. Correcting confocal acquisition to optimize imaging of fluorescence resonance energy transfer by sensitized emission. Biophysical Journal. 86 (4), 2517-2529 (2004).
- Muller, S. M., Galliardt, H., Schneider, J., Barisas, B. G., Seidel, T. Quantification of Forster resonance energy transfer by monitoring sensitized emission in living plant cells. Frontiers in Plant Sciences. 4, 413 (2013).
- Gates, E. M., LaCroix, A. S., Rothenberg, K. E., Hoffman, B. D. Improving quality, reproducibility, and usability of FRET-based tension sensors. Cytometry Part A. 95 (2), 201-213 (2019).
- Menaesse, A., et al. Simplified instrument calibration for wide-field fluorescence resonance energy transfer (FRET) measured by the sensitized emission method. Cytometry Part A. , 24194 (2020).
- Shaner, N. C., et al. Improved monomeric red, orange and yellow fluorescent proteins derived from Discosoma sp. red fluorescent protein. Nature Biotechnology. 22 (12), 1567-1572 (2004).
- Cormack, B. P., Valdivia, R. H., Falkow, S. FACS-optimized mutants of the green fluorescent protein (GFP). Gene. 173, 33-38 (1996).
- Nagy, P., et al. Novel calibration method for flow cytometric fluorescence resonance energy transfer measurements between visible fluorescent proteins. Cytometry Part A. 67 (2), 86-96 (2005).
- Arai, R., Ueda, H., Kitayama, A., Kamiya, N., Nagamune, T. Design of the linkers which effectively separate domains of a bifunctional fusion protein. Protein Engineering. 14 (8), 529-532 (2001).
- Szendi-Szatmari, T., Szabo, A., Szollosi, J., Nagy, P. Reducing the detrimental effects of saturation phenomena in FRET microscopy. Analytical Chemistry. 91 (9), 6378-6382 (2019).
- Tron, L., et al. Flow cytometric measurement of fluorescence resonance energy transfer on cell surfaces. Quantitative evaluation of the transfer efficiency on a cell-by-cell basis. Biophysical Journal. 45 (5), 939-946 (1984).
- Sebestyen, Z., et al. Long wavelength fluorophores and cell-by-cell correction for autofluorescence significantly improves the accuracy of flow cytometric energy transfer measurements on a dual-laser benchtop flow cytometer. Cytometry. 48 (3), 124-135 (2002).
- Szaloki, N., et al. High throughput FRET analysis of protein-protein interactions by slide-based imaging laser scanning cytometry. Cytometry Part A. 83 (9), 818-829 (2013).
- McRae, S. R., Brown, C. L., Bushell, G. R. Rapid purification of EGFP, EYFP, and ECFP with high yield and purity. Protein Expression and Purification. 41 (1), 121-127 (2005).
- Kremers, G. J., Goedhart, J., van Munster, E. B., Gadella, T. W. Cyan and yellow super fluorescent proteins with improved brightness, protein folding, and FRET Forster radius. Biochemistry. 45 (21), 6570-6580 (2006).
- Bajar, B. T., Wang, E. S., Zhang, S., Lin, M. Z., Chu, J. A Guide to Fluorescent Protein FRET Pairs. Sensors (Basel). 16 (9), (2016).
- Scott, B. L., Hoppe, A. D. Optimizing fluorescent protein trios for 3-Way FRET imaging of protein interactions in living cells. Science Reports. 5, 10270 (2015).
- Chen, Y. C., Spring, B. Q., Clegg, R. M. Fluorescence lifetime imaging comes of age how to do it and how to interpret it. Methods Molecular Biology. 875, 1-22 (2012).
- King, C., Sarabipour, S., Byrne, P., Leahy, D. J., Hristova, K. The FRET signatures of noninteracting proteins in membranes: Simulations and experiments. Biophysical Journal. 106 (6), 1309-1317 (2014).
