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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Diese Studie beschreibt die Reinigung von KIF1A (1-393LZ), einem Mitglied der Kinesin-3-Familie, unter Verwendung des Sf9-Baculovirus-Expressionssystems. Die In-vitro-Einzelmolekül - und Multimotor-Gleitanalyse dieser gereinigten Motoren zeigte robuste Motilitätseigenschaften, die mit Motoren aus Säugetierzelllysat vergleichbar sind. Somit ist das Sf9-Baculovirus-System in der Lage, Motorprotein von Interesse zu exprimieren und zu reinigen.

Zusammenfassung

Eine komplexe zelluläre Umgebung stellt Herausforderungen für die Analyse der Einzelmolekülmotilität dar. Fortschritte in bildgebenden Verfahren haben jedoch Einzelmolekülstudien verbessert und immense Popularität bei der Erkennung und dem Verständnis des dynamischen Verhaltens fluoreszierender Moleküle erlangt. Hier beschreiben wir eine detaillierte Methode für In-vitro-Einzelmolekülstudien von Motoren der Kinesin-3-Familie unter Verwendung der TIRF-Mikroskopie (Total Internal Reflection Fluorescence). Kinesin-3 ist eine große Familie, die eine entscheidende Rolle bei zellulären und physiologischen Funktionen spielt, die vom intrazellulären Frachttransport über die Zellteilung bis hin zur Entwicklung reichen. Wir haben bereits gezeigt, dass konstitutiv aktive dimere Kinesin-3-Motoren eine schnelle und superprozessive Motilität mit hoher Mikrotubuli-Affinität auf Einzelmolekülebene unter Verwendung von Zelllysaten aufweisen, die durch Expression von Motoren in Säugetierzellen hergestellt werden. Unser Labor untersucht Kinesin-3-Motoren und ihre Regulationsmechanismen mit zellulären, biochemischen und biophysikalischen Ansätzen, und solche Studien erfordern gereinigte Proteine in großem Maßstab. Die Expression und Reinigung dieser Motoren mit Säugetierzellen wäre teuer und zeitaufwendig, während die Expression in einem prokaryotischen Expressionssystem zu einem signifikant aggregierten und inaktiven Protein führte. Um die Einschränkungen durch bakterielle Reinigungssysteme und Säugetierzelllysat zu überwinden, haben wir ein robustes Sf9-Baculovirus-Expressionssystem zur Expression und Reinigung dieser Motoren etabliert. Die Kinesin-3-Motoren sind C-terminal-markiert mit 3-Tandem-Fluoreszenzproteinen (3xmCitirin oder 3xmCit), die verbesserte Signale und verminderte Photobleiche liefern. In-vitro-Einzelmolekül - und Multimotor-Gleitanalysen von Sf9-gereinigten Proteinen zeigen, dass Kinesin-3-Motoren schnell und superprozessiv sind, ähnlich unseren früheren Studien mit Säugetierzelllysaten. Andere Anwendungen, die diese Assays verwenden, umfassen detaillierte Kenntnisse der Oligomerbedingungen von Motoren, spezifische Bindungspartner, die biochemische Studien parallelisieren, und deren kinetischer Zustand.

Einleitung

Eine immens überfüllte Zellumgebung stellt viele Herausforderungen bei der Sortierung bestimmter Proteine und Moleküle dar. Diese intensive Arbeitsbelastung der Organisation und raumzeitlichen Verteilung von Molekülen innerhalb des Zytoplasmas wird durch molekulare Motoren und Zytoskelettspuren erleichtert. Molekulare Motoren sind die Enzyme, die die Energiewährungen wie ATP hydrolysieren und diese Energie während der Bewegung und Krafterzeugung nutzen1. Basierend auf der Ähnlichkeit der Aminosäuresequenz werden Kinesine in 14 Familien eingeteilt und trotz dieser Ähnlichkeit trägt jeder Motor einzigartig zur Funktion einer Zelle bei. Die Motoren der Kinesin-3-Familie bilden eine der größten und umfassen fünf Unterfamilien (KIF1, KIF13, KIF14, KIF16 und KIF28)2, die mit verschiedenen zellulären und physiologischen Funktionen verbunden sind, einschließlich Vesikeltransport, Signalübertragung, Mitose, Kernmigration und Entwicklung 3,4,5. Eine Beeinträchtigung der Kinesin-3-Transportfunktion ist mit vielen neurodegenerativen Erkrankungen, Entwicklungsdefekten und Krebserkrankungen verbunden 6,7,8,9.

Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass Kinesin-3-Motoren Monomere sind, aber eine ladungsinduzierte Dimerisierung durchlaufen und im Vergleich zu herkömmlichen Kinesin10,11,12,13 zu einer schnellen und superprozessiven Motilität führen. Ihre biochemische und biophysikalische Charakterisierung benötigt eine große Menge an gereinigten, aktiven Proteinen. Ihre Produktion im prokaryotischen Expressionssystem führte jedoch zu inaktiven oder aggregierten Motoren, vermutlich aufgrund inkompatibler Proteinsynthese-, Faltungs- und Modifikationsmaschinerie 14,15,16,17,18. Um solche Einschränkungen zu umgehen und die Ausbeute zu erhöhen, haben wir hier ein robustes Sf9-Baculovirus-Expressionssystem etabliert, um diese Motoren zu exprimieren und zu reinigen.

Das Baculovirus-Expressionssystem verwendet Sf9-Insektenzelllinien als Wirtssystem für die eukaryotische rekombinante Proteinexpression mit hohem Durchsatz19,20. Baculovirus besitzt einen starken Polyhedrin-Promotor, der die heterologe Genexpression und die Produktion löslicher rekombinanter Proteine unterstützt17. Aufgrund seiner Kosteneffizienz, seiner sicheren Handhabung und seines hohen Anteils an aktiver Proteinexpression ist es zu einem leistungsstarken Werkzeug21 geworden. Um ein Protein von Interesse zu exprimieren, besteht ein wichtiger Schritt darin, ein rekombinantes Bakmid zu erzeugen. Da die kommerziell erhältlichen Bacmid-Generierungskits teuer sind und wir mit mehr Proben arbeiten werden, haben wir ein internes Protokoll für große und kleine Einsätze von Kinesin-3-Motoren in Bacmid entwickelt. Sf9-gereinigte Kinesin-3-Motoren wurden verwendet, um in vitro Einzelmolekül- und Multimotor-Mikrotubuli-Gleiteigenschaften mittels TIRF-Mikroskopie (Total Internal Reflection Fluoreszenz) zu charakterisieren. Motoren sind C-terminal-markiert mit 3-Tandem-fluoreszierenden Molekülen (3xmCit), um ein verbessertes Signal und eine verminderte Photobleiche zu liefern. Aufgrund des erhöhten Signal-Rausch-Verhältnisses, der geringeren Phototoxizität und der selektiven Bildgebung eines sehr kleinen Bereichs in der Nähe des Deckglases wurde die TIRF-Bildgebung häufig verwendet, um die Proteindynamik auf Einzelmolekülebene in vivo und in vitro zu visualisieren.

Diese Studie diskutiert die Reinigung von Kinesin-3-Motoren unter Verwendung des Sf9-Baculovirus-Expressionssystems und der In-vitro-Einzelmolekülbildgebung und der Multimotor-Gleitanalyse von Motoren mittels TIRF-Mikroskopie. Insgesamt zeigt diese Studie, dass die Motilitätseigenschaften von gereinigten Sf9-Motoren identisch sind mit denen von Motoren, die aus Säugetierzelllysaten hergestellt werden. Daher glauben wir, dass das Sf9-Baculovirus-System angepasst werden kann, um jedes Motorprotein von Interesse zu exprimieren und zu reinigen.

Protokoll

1. Sf9-Kultur, Transfektion und Virusgenerierung

HINWEIS: Halten Sie die Sf9-Zellen in 30 ml Sf-900/SFM-Medium in einem sterilen 100-ml-Einwegkolben ohne Antibiotikum/Antimykotikum bei 28 °C. Halten Sie die Aufhängungskultur in einem Orbitalschüttler bei 90 U/min. Die Zufuhr von CO2 und die Aufrechterhaltung der Luftfeuchtigkeit ist nicht erforderlich. Die Zellen werden normalerweise jeden vierten Tag subkultiviert, indem 0,5 x 106 Zellen / ml inokuliert werden, um am vierten Tag eine Dichte von 2,0 x 106 Zellen / ml zu erreichen.

  1. Generierung von P0-Virusbeständen
    1. Für die Transfektion werden die Zellen in eine 35 mm Schale mit 4,5 x 105 Zellen/ml Konfluenz gesät und bei 28 °C ohne zu schütteln gehalten.
    2. Nach 24 Stunden, sobald die Zellen angebunden sind und gesund aussehen, fahren Sie mit der Transfektion wie unten beschrieben fort.
      1. Röhre A: Mischen Sie 1 μg Bacmid-DNA-Kodierung für konstitutiv aktiven KIF1A(1-393LZ)-3xmCit-FLAG-spezifischen Kinesin-3-Motor mit 100 μL unergänztem Grace-Medium.
      2. Röhrchen B: Mischen Sie 6 μL Transfektionsreagenz mit 100 μL unergänztem Grace-Medium.
      3. Übertragen Sie den Inhalt von Röhrchen A vorsichtig in Röhrchen B und mischen Sie gründlich durch Pipettieren auf und ab (ca. 20 Mal).
      4. Inkubieren Sie die Mischung für ~45 min bei Raumtemperatur.
    3. Nach Abschluss der Inkubation 0,8 ml unergänztes Grace-Medium zu der obigen Mischung hinzufügen und langsam durch Pipettieren mischen.
    4. Saugen Sie das Sf-900/SFM-Medium vorsichtig aus den Zellen ab (um Spuren von Serum zu entfernen, die die Transfektionseffizienz beeinträchtigen können).
    5. Die Transfektionsmischung aus Schritt 1.1.3 wird tropfenweise auf die Oberseite der Zellen gegeben und die Platte 6 h bei 28 °C inkubiert.
    6. Nach der Inkubation die Transfektionsmischung vorsichtig entfernen, 2 ml Sf-900/SFM-Medien hinzufügen und 48 h bei 28 °C weiter inkubieren.
    7. Überprüfen Sie die Motorproteinexpression unter einem inversen Fluoreszenzmikroskop. Das Motorprotein ist mit einem fluoreszierenden Protein, mCitrin, einer Variante des gelb fluoreszierenden Proteins, markiert.
      HINWEIS: Transfizierte Zellen wurden unter einem inversen Mikroskop visualisiert, das mit differentiellem Interferenzkontrast (DIC) und Epifluoreszenzbeleuchtung mit einem 20-fachen Objektiv (200-fache Vergrößerung), einer Quecksilberlampe und einer EM-CCD-Kamera ausgestattet war. Überprüfen Sie die Effizienz der Virusgenerierung und Infektion, indem Sie die Expression von mCitrin-markierten Motoren in Zellen durch mCitrin-Anregung und Emissionsfilterwürfel überwachen. Überprüfen Sie außerdem auf morphologische Veränderungen infizierter Zellen, wie vergrößerte Zellen / Kerne (Abbildung 1A-C).
    8. Überprüfen Sie die Zellen 72 Stunden nach der Infektion. Normalerweise beginnen sich Zellen von der Oberfläche zu lösen (Abbildung 2).
    9. Wenn sich >5% der Zellen von der Oberfläche lösen, ernten Sie das Medium mit infizierten Zellen in 1,5 ml sterilen Mikrozentrifugenröhrchen und drehen Sie sich 5 Minuten lang bei 500 x g.
    10. Sammeln Sie die Überstands- und Snap-Freeze-Aliquots von 1 ml in flüssigem Stickstoff und lagern Sie sie als P0-Bestand bei -80 °C oder verwenden Sie sie, um P1-Virusvorrat zu erzeugen.
  2. Generierung von P1-Virusbeständen
    1. Um den P0-Baculovirus-Bestand weiter zu amplifizieren und die Proteinexpression zu bestätigen, züchten Sf9-Zellen in flüssiger Suspensionskultur.
    2. In einem sterilen 100-ml-Konikenkolben werden 10 ml Sf-900/SFM-Medien mit einer Zelldichte von 2 x 106 Zellen/ml und 1 ml P0-Virusschaft hinzugefügt. Bei 28 °C unter ständigem Schütteln bei 90 U/min inkubieren.
    3. Überprüfen Sie nach 72 Stunden Infektion die Proteinexpression wie zuvor beschrieben (Schritt 1.1.7). Wenn die Proteinexpression gut ist (>90% der Zellen zeigen ein helles mCitrin-Fluoreszenzsignal) und einen signifikanten Zelltod zeigt (ca. 10%-15%), drehen Sie die Zellen in einem 15 ml sterilen konischen Röhrchen bei 500 x g für 5 min herunter.
    4. Sammeln Sie den Überstand, Snap-Freeze-Aliquots von 1 ml (P1-Vorrat) in flüssigem Stickstoff und lagern Sie ihn bei -80 ° C oder fahren Sie mit einer großflächigen Infektion und Proteinreinigung fort.
  3. Großflächige Infektion
    1. Für die großflächige Proteinexpression 30 mL der Suspensionskultur bei 2 x 106 Zellen/ml Dichte mit 1 ml P1-Virusvorrat infizieren und bei 28 °C mit konstantem Schütteln bei 90 U/min inkubieren.
    2. Überprüfen Sie nach ~72 h nach der Infektion die Proteinexpression (im Allgemeinen wird die maximale Proteinexpression zwischen 65-75 h nach der Infektion erreicht).
    3. Wenn >90% der Zellen ein helles fluoreszierendes Signal mit minimalem Zelltod (<5%) zeigen, sammeln Sie die Zellen in einem sterilen 50-ml-Konikenröhrchen und drehen Sie sich bei 500 x g bei 4 °C für 15 min herunter.
      HINWEIS: Es sollte einen minimalen Zelltod (<5%) geben, da tote Zellen den zellulären Inhalt in das Medium abgeben, was zum Verlust des exprimierten Proteins führt.
    4. Entsorgen Sie den Überstand, sammeln Sie das Zellpellet und fahren Sie mit der Proteinreinigung fort.

2. Sf9-Reinigung von Kinesin-3-Motoren

  1. Zu dem obigen Zellpellet werden 3 mL eiskalter Lysepuffer (Zusatztabelle 1) frisch ergänzt mit 5 mM DTT, 5 μg/ml Aprotinin, 5 μg/ml Leupeptin und 5 μg/ml PMSF hinzugefügt und die Zellen durch Pipettieren 20-25 mal lysiert, ohne Luftblasen zu erzeugen. Alle Pufferzusammensetzungen und Reagenzien entnehmen Sie bitte der Zusatztabelle 1.
  2. Schleudern Sie das Zelllysat bei 150.000 x g für 30 min bei 4 °C.
  3. Sammeln Sie den Überstand in ein frisches, steriles Röhrchen und mischen Sie es mit ~40 μL 50% Anti-FLAG M2-Affinitätsharz. Die Mischung für 3 h bei 4 °C mit End-to-End taumeln.
  4. Nach der Inkubation das FLAG-Harz durch Schleudern bei 500 x g für 1 min bei 4 °C pelletieren. Den Überstand vorsichtig absaugen, ohne das Pellet mit einer 26 G Nadel zu stören, entsorgen und entsorgen.
  5. Waschen Sie das FLAG-Harzpellet dreimal mit eiskaltem Waschpuffer (Zusatztabelle 1), frisch ergänzt mit 2 mM DTT, 5 μg/ml Aprotinin, 5 μg/ml Leupeptin und 5 μg/ml PMSF. Die Perlen durch Schleudern bei 500 x g für 1 min bei 4 °C in jedem Waschgang pelletieren.
  6. Nach der dritten Wäsche den Waschpuffer vorsichtig so weit wie möglich abtropfen lassen, ohne das Pellet zu stören. Für die Proteinelution ~70 μL Waschpuffer mit 100 μg/ml FLAG-Peptid in das Harzpellet geben und über Nacht bei 4 °C mit End-to-End-Taumeln inkubieren.
  7. Am folgenden Tag das Harz bei 500 x g für 1 min bei 4 °C herunterschleudern. Sammeln Sie den Überstand mit gereinigtem Protein in eine frische Tube und ergänzen Sie ihn mit 10% Glycerin. Aliquots von 5 μL in flüssigem Stickstoff einfrieren und bis zur weiteren Verwendung bei -80 °C lagern.
  8. Führen Sie das SDS-PAGE-Gel aus, um die Proteinkonzentration und den Ertrag zu bestimmen. Zusammen mit dem gereinigten Protein von Interesse, einer Standardproteinkontrolle, werden BSA mit bekannten Konzentrationen im Bereich von 0,2 μg, 0,4 μg, 0,6 μg, 0,8 μg und 1 μg geladen, um eine Standardkurve zu erzeugen. Färben Sie das Gel mit Coomassie Brilliant blue (Abbildung 3).
  9. Analysieren Sie das Gel mit einem integrierten Gel-Quantifizierungstool in der ImageJ-Software. Messen Sie zunächst die Bandenintensität bekannter BSA-Konzentrationen und erzeugen Sie die Standardkurve. Messen Sie dann die Intensität der gereinigten Proteinbande und bestimmen Sie die Proteinkonzentration. Öffnen Sie dazu die Image J-Software, klicken Sie in der Menüleiste auf die Option Analysieren und wählen Sie Gels im Dropdown-Menü.

3. In-vitro-Einzelmolekül-Motilitätstest mit Sf9-gereinigten Kinesin-3-Motoren

HINWEIS: Die Sf9-gereinigten Kinesin-3-Motoren können verwendet werden, um biochemische und biophysikalische Eigenschaften wie ATP-Umsatzrate, Mikrotubuli-Affinität, Geschwindigkeit, Lauflänge, Schrittweite und Krafterzeugung zu untersuchen. Hier wird ein detailliertes Protokoll für die in vitro Einzelmolekül-Motilitätsanalyse von KIF1A(1-393LZ) mittels TIRF-Mikroskopie (Total Internal Reflection Fluorescence) beschrieben. Alle Pufferzusammensetzung und Reagenzien entnehmen Sie bitte der Zusatztabelle 1.

  1. Mikrotubuli-Polymerisation
    1. Bereiten Sie in einem vorgekühlten 0,5-ml-Mikrozentrifugenröhrchen eine Polymerisationsmischung durch Pipettieren in der folgenden Reihenfolge vor: 12,0 μL BRB80-Puffer, pH 6,9; 0,45 μL 100 mM MgCl2, 1 μL 25 mM GTP.
    2. Man nimmt ein 10 μL Aliquot von 10 mg/ml Tubulin, das in flüssigem Stickstoff gelagert ist, taut sofort auf und fügt es in die obige Polymerisationsmischung ein. Mischen Sie vorsichtig, indem Sie 2-3 mal pipettieren, ohne Luftblasen zu erzeugen.
      HINWEIS: Führen Sie die oben genannten Schritte schnell und streng auf Eis durch.
    3. Lassen Sie die obige Mischung 5 min auf Eis sitzen.
      HINWEIS: Dies ist ein kritischer Schritt, um die Denaturierung von Tubulin zu verhindern oder die Bildung von kurzen Mikrotubulisamen zu vermeiden.
    4. Das Rohr wird in einen vorgewärmten 37 °C heißen Hitzeblock/Wasserbad überführt und 30 min zur Polymerisation der Mikrotubuli inkubiert.
    5. Während Mikrotubuli polymerisieren, tauen Sie einen aliquoten P12-Puffer auf und bringen Sie ihn auf Raumtemperatur.
    6. Beginnen Sie vor Abschluss der 30-minütigen Inkubation mit der Vorbereitung des MT-Stabilisierungspuffers, indem Sie 100 μL P12-Puffer in ein frisches Mikrozentrifugenröhrchen pipettieren. Fügen Sie dazu 1 μL 1 mM Taxol hinzu und wirbeln Sie sofort die Mischung durch.
      HINWEIS: Beginnen Sie ca. 5 Minuten vor Abschluss der Inkubation in Schritt 3.1.4 mit der Vorbereitung des MT-Stabilisierungspuffers. Taxol stabilisiert die polymerisierten Mikrotubuli durch Bindung an β-Tubulin.
    7. Erwärmen Sie den Mikrotubuli-Stabilisierungspuffer für 2-3 min bei 37 °C und geben Sie ihn vorsichtig in die polymerisierten Mikrotubuli, ohne die Polymerisationsmischung am Boden zu stören.
      HINWEIS: Das Erwärmen des Stabilisierungspuffers bringt ihn auf die gleiche Temperatur wie die Polymerisationsmischung.
    8. Die Mischung wird nicht angeklopft oder pipettiert und bei 37 °C 5 min lang weiter inkubiert.
    9. Klopfen Sie vorsichtig auf die Mischung und mischen Sie sie mit einer abgeschrägten Schnittspitze (200 μL Fassungsvermögen) langsam mit der Pipette.
      HINWEIS: Ab diesem Zeitpunkt sollten Mikrotubuli immer mit einer abgeschrägten Schnittspitze behandelt werden, um eine Scherung der Mikrotubuli zu vermeiden.
    10. Nehmen Sie 10-15 μL polymerisierte Mikrotubuli in eine Durchflusszelle, um die korrekte Mikrotubuli-Polymerisation zu überprüfen.
      HINWEIS: Man kann die unbeschrifteten Mikrotubuli mit einem DIC-Mikroskopie-Setup visualisieren.
    11. Wenn Mikrotubuli konzentriert sind, verdünnen Sie sie in P12-Puffer, ergänzt mit 10 μM Taxol.
  2. Vorbereitung der Motilitätsflusszellenkammer
    1. Bereiten Sie eine Motilitätskammer mit einem Glasobjektträger, doppelseitigem Klebeband und Glasdeckglas (22 mm x 30 mm) vor.
    2. Nehmen Sie einen Glasobjektträger, legen Sie einen Tropfen (~ 70 μL) deionisiertes destilliertes Wasser in die Mitte und wischen Sie ihn mit einem fusselfreien Seidenpapier ab.
    3. Schneiden Sie zwei Streifen doppelseitiges Klebeband (~ 35 x 3 mm) und kleben Sie sie parallel fest auf den Glasträger, wobei Sie einen ~ 4-5 mm Abstand zwischen zwei Streifen lassen, um einen engen Durchgang zu schaffen.
    4. Als nächstes nehmen Sie ein Deckglas und fügen einen Tropfen (~ 20 μL) deionisiertes destilliertes Wasser in der Mitte hinzu. Legen Sie einen Streifen fusselfreies Linsenreinigungspapier auf den Wassertropfen, bis er das Wasser aufnimmt. Schieben Sie es dann langsam zu einem Ende des Deckglases.
      HINWEIS: Das Deckglas sollte vollständig trocken sein. Auf dem Deckglas sollte kein Wasser sichtbar sein.
    5. Legen Sie das Deckglas auf die doppelseitigen Streifen, die auf dem Objektträger aufgeklebt sind, und drücken Sie das Deckglas gleichmäßig entlang der Streifen, um fest zu kleben.
      HINWEIS: Bitte stellen Sie sicher, dass die gereinigte Seite des Deckglases dem Glasobjektträger zugewandt ist.
    6. Stellen Sie sicher, dass zusammen eine schmale Kammer mit einer Kapazität von 10-15 μL für die Durchführung von Motilitätstests entsteht (Abbildung 4A).
  3. In-vitro-Einzelmolekül-Motilitätstest
    HINWEIS: Um die auf Mikrotubuli basierenden Einzelmolekülmotilitätseigenschaften von Motoren zu untersuchen, müssen Mikrotubuli auf die Deckglasoberfläche in der Motilitätskammer adsorbiert werden.
    1. Die polymerisierten taxolstabilisierten Mikrotubuli werden in P12-Puffer, ergänzt mit 10 μM Taxol, im Verhältnis 1:5 verdünnt und durch langsames Pipettieren mit einer abgeschrägten Spitze gemischt.
    2. Halten Sie die Durchflusskammer in einer schrägen Position (~15-20°). Fließen Sie 30 μL verdünnte Mikrotubulilösung vom oberen Ende durch die Durchflusskammer, während am unteren Ende ein fusselfreies Seidenpapier aufbewahrt wird, um die Flüssigkeit aufzunehmen. Dies erzeugt eine Scherkraft, um den Mikrotubuli in Strömungsrichtung auszurichten und hilft, die Mikrotubuli gerade und parallel auszurichten.
    3. Lassen Sie einen kleinen Tropfen Flüssigkeit an beiden Enden der Kammer und halten Sie die Durchflusszelle in einer umgekehrten Position (Deckglas nach unten) in einer geschlossenen, feuchten Kammer, um ein Austrocknen der Motilitätskammer zu verhindern.
    4. Lassen Sie es ~ 30 min sitzen, so dass Mikrotubuli an der Oberfläche des Deckglases in der Motilitätskammer adsorbieren.
    5. In der Zwischenzeit wird der Blockierpuffer vorbereitet, indem 500 μL P12-BSA-Puffer mit 5 μL 1 mM-Taxol gemischt wird.
    6. Fließen Sie 40-50 μL Blockierpuffer und inkubieren Sie den Objektträger in einer umgekehrten Position für 10 min in einer feuchten Kammer.
    7. Die Motilitätsmischung wird hergestellt, indem die folgenden Komponenten in ein steriles Mikrozentrifugenröhrchen mit einer Kapazität von 500 μL in der folgenden Reihenfolge pipettiert werden: 25 μL P12-Puffer mit Taxol, 0,5 μL 100 mM MgCl2, 0,5 μL 100 mM DTT, 0,5 μL 20 mg/ml Glucoseoxidase, 0,5 μL 8 mg/ml Katalase, 0,5 μL 2,25 M Glucose und 1,0 μL 100 mM ATP.
      HINWEIS: Fluoreszenzbildgebung wurde häufig für biologische Anwendungen verwendet 22,23,24,25,26. Die Photoanregung fluoreszierender Proteine erzeugt reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die eine Photobleiche der fluoreszierenden Proteine und eine Schädigung der biologischen Proben verursachen können27,28. Sauerstofffänger wie Glucose, Glucoseoxidase und Katalase werden routinemäßig in Motilitätstests verwendet, um Lichtschäden zu begrenzen und die Bleichzeit fluoreszierender Proteine zu verlängern.
    8. Schließlich fügen Sie 1 μL des gereinigten Motors zu der obigen Motilitätsmischung hinzu und mischen Sie gut, bevor Sie in die Motilitätskammer fließen.
    9. Versiegeln Sie beide Enden der Motilitätskammer mit flüssigem Paraffinwachs und machen Sie sofort ein Bild unter TIRF-Beleuchtung mit einem 100-fachen TIRF-Objektiv von 1,49 NA mit 1,5-facher Vergrößerung.
    10. Um die Deckglasoberfläche zu fokussieren, fokussieren Sie sich zunächst auf einen der Innenkanten des doppelseitigen Klebebandes in der Motilitätskammer unter differentieller Interferenzkontrastbeleuchtung (DIC).
      HINWEIS: Die helle und unebene Oberfläche ist sichtbar.
    11. Verschieben Sie dann den Fokus in die Motilitätskammer. Fokussieren Sie die Deckglasoberfläche durch Feineinstellung und suchen Sie nach den Mikrotubuli, die auf der Deckglasoberfläche adsorbiert sind.
    12. Sobald die Mikrotubuli fokussiert sind, wechseln Sie mit einem 488-nm-Anregungslaser zur TIRF-Beleuchtung und passen Sie die Beleuchtungstiefe an, indem Sie den Anregungsstrahlwinkel ändern, um die beste und gleichmäßige TIRF-Beleuchtung zu erhalten (Abbildung 4B).
    13. Fokussieren Sie die einzelnen mCitrin-markierten Motoren, die sich prozessiv entlang der Mikrotubulioberfläche bewegen, mit 100 ms Belichtung und zeichnen Sie die Bewegung mit einer EM-CCD-Kamera auf.
      HINWEIS: Obwohl die Motilitätstests an unmarkierten Mikrotubuli durchgeführt wurden, kann die z-Projektionsfunktion mit maximaler Intensität verwendet werden, um den Umriss der Mikrotubulispur zu enthüllen. Bevorzugt wurden Ereignisse auf langen Mikrotubulispuren für die Tracking-Analyse berücksichtigt.
    14. Verfolgen Sie manuell die Position der fluoreszierend markierten einzelnen Motoren, die auf langen Mikrotubulispuren laufen, Bild für Bild mit einem benutzerdefinierten Plugin in der ImageJ (nih.gov) -Software, wie zuvor beschrieben29.
    15. Generieren Sie die Histogramme der Geschwindigkeit und der Lauflänge für die motorische Grundgesamtheit, indem Sie die Anzahl der Ereignisse in jedem Behälter darstellen. Passen Sie diese Histogramme an eine einzelne Gaußsche Peakfunktion an, um die durchschnittliche Geschwindigkeit und Lauflänge12 zu erhalten (Abbildung 4C-E).

4. In-vitro-Mikrotubuli-Gleittest

ANMERKUNG: Um das kollektive Verhalten von Kinesin-3-Motoren zu verstehen, wurde ein In-vitro-Mikrotubuli-Gleittest durchgeführt 18,30,31. Wenn Motoren in umgekehrter Position auf dem Deckglas immobilisiert werden und Mikrotubuli in die Kammer gegeben werden, landen Mikrotubuli auf Motoren und gleiten dahin, während die Motoren versuchen, auf ihnen zu laufen (Abbildung 5A, B).

  1. Fluoreszierende Mikrotubuli-Polymerisation: Polymerisieren Sie die Mikrotubuli nach dem zuvor beschriebenen Protokoll, mit Ausnahme des Mischens von rhodaminmarkiertem Tubulin (3 mg / ml) mit unmarkiertem Tubulin (10 mg / ml) in einem Verhältnis von 1: 10.
  2. Nach 30 min Polymerisation 30 μL vorgewärmter Mikrotubuli-Stabilisierungspuffer zugeben und 5 min bei 37 °C weiter inkubieren.
  3. Als nächstes scheren Sie die Mikrotubuli durch Pipettieren mit der Kapillarladespitze (~ 25-30 mal).
  4. Die Motilitätsflusskammer wie zuvor beschrieben vorbereiten, 50 μL Sf9-gereinigte GFP-Nanobodies fließen lassen (2,5 μL 100 nM verdünnt in 50 μL P12-Puffer) und 30 min bei Raumtemperatur inkubieren, wobei das Deckglas in einer feuchten Kammer nach unten zeigt.
    HINWEIS: Die Motoren sind C-terminal mit mCitrin gekennzeichnet. GFP-Nanobodies werden verwendet, um die Motoren aufgrund ihrer niedrigen Dissoziationskonstante32 zu immobilisieren.
  5. Blockieren Sie die Deckglasoberfläche, indem Sie 50 μL Blockpuffer in die Durchflusskammer fließen, um eine unspezifische Proteinadsorption zu verhindern, und inkubieren Sie weiter für 5 min.
  6. Bereiten Sie die Motormischung vor, indem Sie 50 μL Blockpuffer, 1 μL 100 mM ATP und 5 μL 100 nM Sf9-gereinigte Kinesin-3-Motoren pipettieren. Vor dem Einfließen in die Kammer vorsichtig mischen und 30 min bei Raumtemperatur in einer feuchten Kammer inkubieren.
  7. Waschen Sie die Kammer zweimal mit 50 μL P12-Kasein.
  8. In einem sterilen Mikrozentrifugenröhrchen wird die Gleitassaymischung in der folgenden Reihenfolge hergestellt, 45 μL P12-Casein mit 10 μM Taxol, 1 μL 100 mM ATP, 0,5 μL 8 mg/ml Katalase, 0,5 μL 20 mg/ml Glucoseoxidase, 0,5 μL 2,25 M Glucose und 1 μL gescherte fluoreszierende Mikrotubuli. Mischen Sie den Inhalt vorsichtig, bevor Sie in die Motilitätskammer fließen, und verschließen Sie die Enden der Kammer mit flüssigem Paraffinwachs.
  9. Bildmikrotubuli gleiten unter TIRF-Beleuchtung bei 100 ms Belichtung und erfassen die Bilder mit angeschlossener EM-CCD-Kamera.
    HINWEIS: Die durchschnittliche Gleitgeschwindigkeit von Mikrotubuli wurde durch manuelle Verfolgung von etwa 100 einzelnen Mikrotubuli Frame für Frame mit einem speziell geschriebenen Plugin in ImageJ29 bestimmt. Bestimmen Sie die durchschnittliche Gleitgeschwindigkeit der Mikrotubuli, indem Sie ein Histogramm generieren und an eine Gaußfunktion anpassen (Abbildung 5C, D).

Ergebnisse

Um aktive und funktionelle rekombinante Motorproteine in großem Maßstab mit der Sf9-Baculovirus-Expression zu exprimieren und zu reinigen, benötigt das System die Erzeugung von Viruspartikeln, die stabil eine kodierende Sequenz tragen, um Sf9-Zellen zu infizieren. Um dies zu erreichen, wurden Sf9-Zellen mit rekombinantem Bacmid-Encoding KIF1A(1-393LZ)-3xmCit-FLAG transfiziert. Nach 72 h zeigte eine signifikante Zellpopulation die Expression von grün fluoreszierendem Protein (mCitrin) mit vergrößerten Zellen und Ker...

Diskussion

Das Sf9-Baculovirus-Expressionssystem ist eine der vielseitigsten und erfolgreichsten Methoden zur Hochdurchsatz-Proteinproduktion 19,36,37. Die posttranslationale Modifikationsfähigkeit von Sf9-Zellen ist mit dem Säugetiersystem15 sehr vergleichbar. Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung dieses Systems ist, dass es langsam und empfindlich gegenüber Verunreinigungen ist. Einer der kritischsten Schrit...

Offenlegungen

Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen zu erklären.

Danksagungen

V.S. und P.S. danken Prof. Kristen J. Verhey (University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA) und Prof. Roop Mallik (Indian Institute of Technology Bombay (IITB), Mumbai, Indien) für ihre bedingungslose Unterstützung während der gesamten Studie. P.S. dankt Dr. Sivapriya Kirubakaran für ihre Unterstützung während des gesamten Projekts. V.S. erkennt die Finanzierung durch DBT (Fördernummer: BT/PR15214/BRB/10/1449/2015 und BT/RLF/Re-entry/45/2015) und DST-SERB (Fördernummer: ECR/2016/000913) an. P.K.N erkennt ICMR für die Finanzierung an (Zuschuss Nr. 5/13/13/2019/NCD-III). P.S. bestätigt die Finanzierung durch DST (Fördernummer: SR/WOS-A/LS-73/2017). D.J.S erkennt das Stipendium des IIT Gandhinagar an.

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
Sf9 culture and transfection materials
anti-FLAG M2 affinityBiolegend651502For protein purification
AprotininSigmaA6279For protein purification
CellfectinInvitrogen10362100For Sf9 transfection
DTTSigmaD5545For motility assays and protein purification
FLAG peptideSigmaF3290For protein purification
GlycerolSigmaG5516To freeze the protein
HEPESSigmaH3375For Sf9 lysis buffer
IGEPAL CA 630SigmaI8896For Sf9 lysis buffer
KClSigmaP9541For buffers preparation
LeupeptinSigmaL2884For protein purification
MgCl2SigmaM2670For buffers preparation
NaClSigmaS7653For preparing lysis buffer
PMSFSigmaP7626For protein purification
Sf9 cellsKind gift from Dr. Thomas Pucadyil (Indian Institute of Science Education and Research, Pune, India).For baculovirs expression and protein purification
Sf9 culture bottlesThermo Scientific4115-0125For suspension culture
Sf-900/SFM medium (1X)Thermo Scientific10902-096 -500mlFor culturing Sf9 cells
SucroseSigmaS1888Preparing lysing buffer for Sf9 cells
Unsupplemented Grace’s mediaThermo Scientific11595030 -500mlFor Sf9 transfection
Mirotubule Polymerization and Single molecule assay materails
ATPSigmaA2647For motility and gliding assay
BSASigmaA2153For blocking motility chamber
CatalaseSigmaC9322For motility and gliding assay
DMSOSigmaD5879For dissolving Rhodamine
EGTASigma3777For preparing buffers
GlucoseSigmaG7021For motility and gliding assay
Glucose oxidaseSigmaG2133For motility and gliding assay
GTPSigmaG8877For microtubule polymerization
KOHSigmaP1767Preparing PIPES buffer pH 6.9
PIPESSigmaP6757For preparing motility and gliding assay buffers
Microtubule gliding assay materials
26G  needleDispovanFor shearing microtubules
CaseinSigmaC3400For microtubule glidning assay
GFP nanobodiesGift from Dr. Sivaraj Sivaramakrishnan (University of Minnesota, USA)For attaching motors to the coverslip
RhodamineThermo Scientific46406For preparing labelling tubulin
Microscope and other instruments
0.5ml, 1.5 and 2-ml microcentrifuge tubesEppendorfFor Sf9 culture and purification
10ml  disposable sterile pipettesEppendorfFor Sf9 culture and purification
10ul, 200ul, 1ml micropipette tipsEppendorfFor Sf9 culture and purification
15ml concal tubesEppendorfFor Sf9 culture and purification
35mm cell culture dishCole Palmer15179-39For Sf9 culture
BalanceSartorious0.01g-300g
Benchtop orbial shaking incubatorREMIFor Sf9 suspenculture at 28oC
CameraEMCCD Andor iXon Ultra 897For TIRF imaging and acquesition
Double sided tapeScotchFor making motility chamber
Glass coverslipFisherfinest12-548-5Asize; 22X30
Glass slideBlue StarFor making motility chamber
Heating blockNeuationDissolving paraffin wax
Inverted microscopeNikon Eclipse Ti- UTo check protein expression
Lasers488nm (100mW)For TIRF imaging
Liquid nitrogenFor sample freezing and storage
Microcapillary loading tipEppendorfEP022491920For shearing microtubules
MicroscopeNikon Eclipse Ti2-E with DIC set upFor TIRF imaging
Mini spinGenetix, BiotechAsia Pvt.LtdFor quick spin
Objective100X TIRF objective with 1.49NA oil immersionFor TIRF imaging
Optima UltraCentrifuge XEBeckman CoulterFor protein purification
ParafilmEppendorf
pH-meterCorningCoring 430To adjust pH
Pipette-boyVWRFor Sf9 culture and purification
Sorvall Legend Micro 21Thermo ScientificFor protein purification
Sorvall ST8R centrifugeThermo ScientificProtein purification
ThermoMixerEppendorfFor microtubule polymerization
Ultracentrifuge rotorBeckman coulterSW60Ti rotor
Ultracentrifuge tubesBeckman5 mL, Open-Top Thinwall Ultra-Clear Tube, 13 x 51mm
Vortex mixerNeuationSample mixing
WaxSigmaV001228To seal motility chamber

Referenzen

  1. Vale, R. D. The molecular motor toolbox for intracellular transport. Cell. 112, 467-480 (2003).
  2. Miki, H., Okada, Y., Hirokawa, N. Analysis of the kinesin superfamily: insights into structure and function. Trends in Cell Biology. 15 (9), 467-476 (2005).
  3. Hirokawa, N., Niwa, S., Tanaka, Y. Molecular motors in neurons: transport mechanisms and roles in brain function, development, and disease. Neuron. 68 (4), 610-638 (2010).
  4. Hirokawa, N., Takemura, R. Molecular motors and mechanisms of directional transport in neurons. Nature Reviews Neuroscience. 6 (3), 201-214 (2005).
  5. Patel, N. M., et al. KIF13A motors are regulated by Rab22A to function as weak dimers inside the cell. Scientific Advances. 7 (6), (2021).
  6. Franker, M. A., Hoogenraad, C. C. Microtubule-based transport - basic mechanisms, traffic rules and role in neurological pathogenesis. Journal of Cellular Science. 126, 2319-2329 (2013).
  7. Gunawardena, S., Anderson, E. N., White, J. Axonal transport and neurodegenerative disease: vesicle-motor complex formation and their regulation. Degernative Neurological and Neuromuscular Disease. 4, 29-47 (2014).
  8. Rath, O., Kozielski, F. Kinesins and cancer. Nature Reviews Cancer. 12 (8), 527-539 (2012).
  9. Wang, Z. Z., et al. KIF14 promotes cell proliferation via activation of Akt and is directly targeted by miR-200c in colorectal cancer. International Journal of Oncology. 53 (5), 1939-1952 (2018).
  10. Guo, S. K., Shi, X. X., Wang, P. Y., Xie, P. Run length distribution of dimerized kinesin-3 molecular motors: comparison with dimeric kinesin-1. Scientific Reports. 9 (1), 16973 (2019).
  11. Scarabelli, G., et al. Mapping the processivity determinants of the Kinesin-3 motor domain. Biophysical Journal. 109 (8), 1537-1540 (2015).
  12. Soppina, V., et al. Dimerization of mammalian kinesin-3 motors results in superprocessive motion. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (15), 5562-5567 (2014).
  13. Soppina, V., Verhey, K. J. The family-specific K-loop influences the microtubule on-rate but not the superprocessivity of kinesin-3 motors. Molecular Biology Cell. 25 (14), 2161-2170 (2014).
  14. Soppina, V., et al. Kinesin-3 motors are fine-tuned at the molecular level to endow distinct mechanical outputs. BMC Biology. , (2022).
  15. Korten, T., Chaudhuri, S., Tavkin, E., Braun, M., Diez, S. Kinesin-1 Expressed in insect cells improves microtubule in vitro gliding performance, long-term stability and guiding efficiency in nanostructures. IEEE Transactions on Nanobioscience. 15 (1), 62-69 (2016).
  16. Schmidt, F. R. Recombinant expression systems in the pharmaceutical industry. Applied Microbiology and Biotechnology. 65 (4), 363-372 (2004).
  17. Kurland, C., Gallant, J. Errors of heterologous protein expression. Current Opinions in Biotechnology. 7 (5), 489-493 (1996).
  18. Tao, L., Scholey, J. M. Purification and assay of mitotic motors. Methods. 51 (2), 233-241 (2010).
  19. Kost, T. A., Condreay, J. P., Jarvis, D. L. Baculovirus as versatile vectors for protein expression in insect and mammalian cells. Nature Biotechnology. 23 (5), 567-575 (2005).
  20. Felberbaum, R. S. The baculovirus expression vector system: A commercial manufacturing platform for viral vaccines and gene therapy vectors. Biotechnology Journal. 10 (5), 702-714 (2015).
  21. Kumar, N., Pandey, D., Halder, A., Kumar, D., Gong, C. . Trends in Insect Molecular Biology and Biotechnology. , 163-191 (2018).
  22. Nagano, T. Development of fluorescent probes for bioimaging applications. Proceedings of the Japan Academy. Series B. Physical and Biological Sciences. 86 (8), 837-847 (2010).
  23. Hassan, M., Klaunberg, B. A. Biomedical applications of fluorescence imaging in vivo. Comparative Medicine. 54 (6), 635-644 (2004).
  24. Yang, Z., Samanta, S., Yan, W., Yu, B., Qu, J. Super-resolution microscopy for biological imaging. Advances in Experimental Medicine and Biology. 3233, 23-43 (2021).
  25. Ettinger, A., Wittmann, T. Fluorescence live cell imaging. Methods in Cell Biology. 123, 77-94 (2014).
  26. Waters, J. C. Live-cell fluorescence imaging. Methods in Cell Biology. 114, 125-150 (2013).
  27. Zheng, Q., Jockusch, S., Zhou, Z., Blanchard, S. C. The contribution of reactive oxygen species to the photobleaching of organic fluorophores. Photochemistry and Photobiology. 90 (2), 448-454 (2014).
  28. Wojtovich, A. P., Foster, T. H. Optogenetic control of ROS production. Redox Biology. 2, 368-376 (2014).
  29. Cai, D., Verhey, K. J., Meyhofer, E. Tracking single Kinesin molecules in the cytoplasm of mammalian cells. Biophysical Journal. 92 (12), 4137-4144 (2007).
  30. Bohm, K. J., Stracke, R., Baum, M., Zieren, M., Unger, E. Effect of temperature on kinesin-driven microtubule gliding and kinesin ATPase activity. FEBS Letters. 466, 59-62 (2000).
  31. Porter, M. E., et al. Characterization of the microtubule movement produced by sea urchin egg kinesin. The Journal of Biological Chemistry. 262 (6), 2794-2802 (1987).
  32. Muyldermans, S. Nanobodies: natural single-domain antibodies. Annual Review of Biochemistry. 82, 775-797 (2013).
  33. Verma, S., Kumar, N., Verma, V. Role of paclitaxel on critical nucleation concentration of tubulin and its effects thereof. Biochemical and Biophysical Research Communications. 478 (3), 1350-1354 (2016).
  34. Parness, J., Horwitz, S. B. Taxol binds to polymerized tubulin in vitro. Journal of Cell Biology. 91 (2), 479-487 (1981).
  35. Schiff, P. B., Fant, J., Horwitz, S. B. Promotion of microtubule assembly in vitro by taxol. Nature. 277 (5698), 665-667 (1979).
  36. Kato, T., Kageshima, A., Suzuki, F., Park, E. Y. Expression and purification of human (pro)renin receptor in insect cells using baculovirus expression system. Protein Expression and Purification. 58 (2), 242-248 (2008).
  37. Liu, F., Wu, X., Li, L., Liu, Z., Wang, Z. Use of baculovirus expression system for generation of virus-like particles: successes and challenges. Protein Expression and Purification. 90 (2), 104-116 (2013).
  38. Terpe, K. Overview of tag protein fusions: from molecular and biochemical fundamentals to commercial systems. Applied Microbiology and Biotechnology. 60 (5), 523-533 (2003).
  39. Huang, S. T., et al. Liposomal paclitaxel induces fewer hematopoietic and cardiovascular complications than bioequivalent doses of Taxol. International Journal of Oncology. 53 (3), 1105-1117 (2018).

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