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Method Article
Se ha demostrado que muchas proteínas intrínsecamente desordenadas participan en la formación de condensados biomoleculares altamente dinámicos, un comportamiento importante para numerosos procesos celulares. Aquí, presentamos un método basado en imágenes de una sola molécula para cuantificar la dinámica por la cual las proteínas interactúan entre sí en condensados biomoleculares en células vivas.
Los condensados biomoleculares formados a través de la separación de fases líquido-líquido (LLPS) se han considerado críticos en la organización celular y en un número creciente de funciones celulares. La caracterización de la LLPS en células vivas también es importante porque la condensación aberrante se ha relacionado con numerosas enfermedades, incluidos cánceres y trastornos neurodegenerativos. La LLPS a menudo es impulsada por interacciones selectivas, transitorias y multivalentes entre proteínas intrínsecamente desordenadas. De gran interés son las dinámicas de interacción de las proteínas que participan en LLPS, que se resumen bien mediante mediciones de su tiempo de residencia de unión (RT), es decir, la cantidad de tiempo que pasan unidas dentro de los condensados. Aquí, presentamos un método basado en imágenes de células vivas de una sola molécula que nos permite medir el RT medio de una proteína específica dentro de condensados. Visualizamos simultáneamente las moléculas de proteína individuales y los condensados con los que se asocian, utilizamos el seguimiento de una sola partícula (SPT) para trazar trayectorias de una sola molécula y, a continuación, ajustamos las trayectorias a un modelo de unión proteína-gota para extraer la RT media de la proteína. Finalmente, mostramos resultados representativos donde se aplicó este método de imagen de una sola molécula para comparar los RT medios de una proteína en sus condensados de LLPS cuando se fusiona y no se fusiona con un dominio oligomerizante. Este protocolo es ampliamente aplicable a la medición de la dinámica de interacción de cualquier proteína que participe en LLPS.
Un creciente cuerpo de trabajo sugiere que los condensados biomoleculares juegan un papel importante en la organización celular y numerosas funciones celulares, por ejemplo, la regulación transcripcional 1,2,3,4,5, la reparación del daño del ADN 6,7,8, la organización de la cromatina 9,10,11,12, el cromosoma X inactivación 13,14,15 y señalización intracelular 16,17,18. Además, la desregulación de los condensados biomoleculares está implicada en muchas enfermedades, incluyendo cánceres 19,20,21 y trastornos neurodegenerativos 22,23,24,25,26. La formación de condensado a menudo es impulsada por interacciones transitorias, selectivas y multivalentes proteína-proteína, proteína-ácido nucleico o ácido nucleico-ácido nucleico27. Bajo ciertas condiciones, estas interacciones pueden conducir a la separación de fase líquido-líquido (LLPS), una transición de densidad que enriquece localmente biomoléculas específicas en gotas sin membrana. Tales interacciones multivalentes a menudo están mediadas por las regiones intrínsecamente desordenadas (IDR) de las proteínas 1,28,29. La caracterización biofísica de estas interacciones a nivel molecular es fundamental para nuestra comprensión de numerosas funciones celulares sanas y aberrantes, dada la omnipresencia de condensados a través de ellas. Aunque las técnicas basadas en la microscopía de fluorescencia confocal, por ejemplo, la recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP)30,31,32, se han utilizado ampliamente para demostrar cualitativamente que los intercambios moleculares entre los condensados y el entorno celular circundante son dinámicos, la cuantificación de la dinámica de interacción de biomoléculas específicas dentro de los condensados generalmente no es posible utilizando la microscopía confocal convencional o de una sola molécula Microscopía sin métodos especializados de análisis de datos. La técnica de seguimiento de una sola partícula (SPT) descrita en este protocolo se basa en la microscopía de molécula única de célula viva33 y proporciona una herramienta excepcionalmente poderosa para cuantificar la dinámica de interacción entre proteínas específicas dentro de condensados. La lectura de SPT para dicha medición es el tiempo medio de residencia de una proteína de interés en los condensados.
El protocolo se puede dividir en dos partes: adquisición de datos y análisis de datos. El primer paso de la adquisición de datos de imagen es expresar en las células una proteína de interés que se fusiona con un HaloTag34. Esto permite el marcaje de la proteína de interés con dos fluoróforos, donde la mayoría de las moléculas de proteína deben marcarse con un fluoróforo no fotoactivable (por ejemplo, el ligando35 de Halo JFX549) y una pequeña fracción de ellas se marcará con un fluoróforo fotoactivable espectralmente distinto (por ejemplo, el ligando36 de Halo PA-JF646). Esto permite la adquisición simultánea de todas las ubicaciones de condensado en la celda y la adquisición de películas de una sola molécula de la proteína de interés que se unen y desunen a los condensados. Mientras tanto, el mismo tipo de células se modifican para expresar de manera estable H2B marcada con Halo, una histona que es en gran parte inmóvil en la cromatina. A continuación, las células se tiñen con el ligando PA-JF646 Halo para permitir la obtención de imágenes de H2B de una sola molécula. Como se discutirá en detalle a continuación, este experimento tiene en cuenta la contribución del fotoblanqueo para permitir una cuantificación precisa de la dinámica de interacción de la proteína de interés. A continuación, las células para experimentos de obtención de imágenes deben cultivarse en cubreobjetos limpios, teñirse con ligandos HaloTag y ensamblarse en una cámara de obtención de imágenes de células vivas. A partir de ahí, se obtienen imágenes de la muestra bajo iluminación de lámina óptica laminada y altamente inclinada (HILO) en un microscopio de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF) capaz de obtener imágenes de dos canales y detección de una sola molécula. A continuación, la emisión se divide en dos cámaras, una que rastrea las posiciones del condensado y otra que rastrea moléculas individuales. La adquisición se realiza con un largo tiempo de integración (del orden de cientos de ms) para difuminar las proteínas que se difunden libremente y capturar solo las proteínas que son menos móviles debido a la unión a estructuras estables en la célula37.
El primer paso del análisis de datos es utilizar un algoritmo establecido de seguimiento de una sola partícula (SPT)38,39 para localizar moléculas de proteína individuales en cada fotograma de la película y ensamblar las localizaciones en una trayectoria para cada molécula a lo largo de su vida útil detectable. A continuación, las trayectorias se clasifican en las que representan moléculas dentro y las que representan moléculas fuera de los condensados comparando las localizaciones de las moléculas a lo largo de sus trayectorias con las localizaciones de todos los condensados en los tiempos correspondientes1.
A continuación, se genera una curva de supervivencia (1 - CDF) utilizando las longitudes de todas las trayectorias en condensado. A continuación, se extrae el tiempo medio de residencia aparente de las moléculas ajustando la curva de supervivencia al siguiente modelo exponencial de unión a proteínas de dos componentes,
,
con A como la fracción de moléculas no unidas específicamente y con kobs,ns y kobs,s como las tasas de disociación observadas de las moléculas no unidas específicamente y específicamente unidas, respectivamente. A partir de aquí en adelante, solo se considera kobs,s. La dinámica tanto de la disociación deproteínas, k true,s, como del fotoblanqueo del fluoróforo, kpb, contribuyen a k obs,s como
;
así, para aislar los efectos de la disociación de proteínas, se mide la tasa de disociación específica de H2B-Halo en la línea celular mencionada anteriormente.
H2B es una proteína que se integra de forma estable en la cromatina y que experimenta una disociación mínima en la escala de tiempo de la adquisición de una película de una sola molécula37. Su tasa de disociación específica es entonces igual a la tasa de fotoblanqueo del ligando PA-JF646 Halo, o
.
El tiempo medio de residencia en condensado de la proteína de interés, , es entonces
.
Se muestran resultados representativos de Irgen-Gioro et al.40 , donde se aplicó este protocolo para demostrar que la fusión de un dominio de oligomerización con IDR da como resultado tiempos de residencia más largos de la IDR en sus condensados. Este resultado sugiere que el dominio de oligomerización añadido estabiliza las interacciones homotípicas de la IDR que impulsa la LLPS. En principio, se puede aplicar el mismo método con protocolos ligeramente modificados para caracterizar las interacciones homotípicas o heterotípicas de cualquier proteína que participe en la formación de cualquier tipo de condensados.
1. Marcaje de proteínas en células
2. Preparación de cubreobjetos
3. Preparación de células para microscopía
NOTA: Realice los pasos de esta sección en una cabina de bioseguridad para evitar la contaminación de las células.
4. Imágenes de una sola molécula
NOTA: Los experimentos independientes que miden los tiempos de residencia tanto de H2B como de la proteína de interés deben realizarse a lo largo de varios días (≥3) para generar resultados estadísticamente significativos. Antes de obtener imágenes de muestras de células en el microscopio, alinee las dos cámaras utilizando microesferas teñidas de 0,1 μm (Tabla de materiales) o un estándar de calibración similar.
5. Análisis de datos de imágenes de una sola molécula
NOTA: Los parámetros utilizados en la sección 5 son específicos de este experimento y se incluyen como ejemplo. Los parámetros apropiados deben elegirse de acuerdo con los criterios enumerados en la discusión.
Aquí, presentamos resultados representativos de Irgen-Gioro et al.40, donde utilizamos este protocolo SPT para comparar la dinámica de interacción de dos proteínas en sus respectivos condensados de LLPS autoensamblados. TAF15 (factor 15 asociado a la proteína de unión a la caja TATA) contiene una IDR que puede sufrir LLPS tras la sobreexpresión en células humanas. Planteamos la hipótesis de que la fusión de TAF15 (IDR) con FTH1 (cadena pesada de ferritina 1), que forma un oligómero de 2...
El protocolo que aquí se presenta está diseñado para sistemas como los investigados en Irgen-Gioro et al.40. Dependiendo de la aplicación, se pueden modificar algunos componentes del protocolo, por ejemplo, el método para generar líneas celulares marcadas con fluorescencia, el sistema de etiquetado fluorescente y el estilo de cubreobjetos utilizado. El marcaje con halo de una proteína en una célula se puede realizar utilizando dos estrategias, dependiendo de cuál sea más adecuada para un...
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por la Beca de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias bajo la Subvención No. DGE-1745301 (S.Y.), Premio Académico Pew-Stewart (Carolina del Sur), Premio Académico Searle (Carolina del Sur), Beca de Investigación de la Fundación Shurl y Kay Curci (Carolina del Sur), Beca Semilla de Innovación Merkin (Carolina del Sur), Beca de Investigación Mallinckrodt (Carolina del Sur) y la Beca de Investigación Margaret E. Subvención Early Medical Research Trust 2024 (S.C.). S.C. también cuenta con el apoyo de los NIH/NCI bajo la Adjudicación Número P30CA016042.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.1 µm TetraSpeck microsphere | Invitrogen | T7279 | Single-molecule imaging |
25 mm Diameter, #1.5 Coverslips | Marienfeld Superior | 111650 | Preparation of coverslips |
593/40 nm bandpass filter | Semrock | FF01-593/40-25 | Single-molecule imaging |
676/37 nm bandpass filter | Semrock | FF01-676/37-25 | Single-molecule imaging |
6-Well TC Plate | Genesee | 25-105MP | Preparation of cells for microscopy |
Cell Line: U-2 OS | ATCC | HTB-96 | Labeling of proteins in cells |
ConvertASCII_SlowTracking_css3 .m | Analysis of single-molecule imaging data: Available in Chong et al., 2018 | ||
Coverglass Staining Rack | Thomas | 24957 | Preparation of coverslips |
Deuterated Janelia Fluor 549 (JFX549) | Janelia Research Campus | Preparation of cells for microscopy | |
DMEM, Low Glucose | Gibco | 10-567-022 | Labeling of proteins in cells: Growth media used: DMEM with 5% fetal bovine serum, 1% penstrep |
Eclipse Ti2-E Inverted Microscope | Nikon | Single-molecule imaging | |
Ethanol 200 Proof | Lab Alley | EAP200-1GAL | Preparation of coverslips |
evalSPT | Analysis of single-molecule imaging data: Available in Drosopoulos et al., 2020 | ||
Fetal Bovine Serum | Cytiva | SH30396.03 | Labeling of proteins in cells: Growth media used: DMEM with 5% fetal bovine serum, 1% penstrep |
Fiji | Analysis of single-molecule imaging data | ||
Ikon Ultra CCD Camera | Andor | X-13723 | Single-molecule imaging |
Longpass dichroic beamsplitter | Semrock | Di02-R635-25x36 | Single-molecule imaging: Red/Far Red beamsplitter |
LUN-F Laser Unit | Nikon | Single-molecule imaging: 405/488/561/640 | |
MatTek glass-bottom dish | MatTek | P35G-1.5-20-C | Preparation of cells for microscopy: 35 mm, #1.5 coverslip dish for cell culture. |
NIS-Elements | Nikon | Single-molecule imaging: Microscope acquisition software | |
nucleus and cluster mask_v2.txt | Analysis of single-molecule imaging data: Available in Chong et al., 2018 | ||
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15-140-122 | Labeling of proteins in cells: Growth media used: DMEM with 5% fetal bovine serum, 1% penstrep |
Phosphate Buffered Saline | Thermo Fisher Scientific | 18912014 | Labeling of proteins in cells |
Photoactivatable Janelia Fluor 646 (PA-JF646) | Janelia Research Campus | Preparation of cells for microscopy | |
PLOT_ResidenceHist_css.m | Analysis of single-molecule imaging data: Available in Chong et al., 2018 | ||
Potassium Hydroxide | Mallinckrodt Chemicals | 6984-06 | Preparation of coverslips |
pretracking_comb.txt | Analysis of single-molecule imaging data: Available in Chong et al., 2018 | ||
SLIMfast | Analysis of single-molecule imaging data: Available in Teves et al., 2016 | ||
Stage-top incubation system | Tokai Hit | Single-molecule imaging: For live-cell imaging | |
TwinCam dual emission image splitter | Cairn Research | Single-molecule imaging | |
Ultrasonic Cleaner | Branson | 5800 | Preparation of coverslips |
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