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많은 본질적으로 무질서한 단백질은 수많은 세포 과정에 중요한 행동인 매우 역동적인 생체 분자 응축물의 형성에 관여하는 것으로 나타났습니다. 여기에서, 우리는 살아있는 세포에 있는 생체 분자 응축물에서 단백질이 서로 상호 작용하는 동역학을 정량화하기 위한 단 하나 분자 화상 진찰 근거한 방법을 제시합니다.
액체-액체 상 분리(LLPS)를 통해 형성된 생체 분자 응축물은 세포 조직과 증가하는 세포 기능에 중요한 것으로 간주되어 왔습니다. 살아있는 세포의 LLPS를 특성화하는 것도 중요한데, 비정상적인 응축은 암 및 신경퇴행성 질환을 포함한 수많은 질병과 관련이 있기 때문입니다. LLPS는 종종 본질적으로 무질서한 단백질 간의 선택적, 일시적 및 다가 상호 작용에 의해 주도됩니다. LLPS에 참여하는 단백질의 상호 작용 역학은 결합 체류 시간(RT), 즉 응축수 내에서 결합하는 데 소비하는 시간의 양으로 잘 요약됩니다. 여기에서는 응축수 내 특정 단백질의 평균 RT를 측정할 수 있는 살아있는 세포 단일 분자 이미징을 기반으로 하는 방법을 제시합니다. 개별 단백질 분자와 이들이 연관된 응축물을 동시에 시각화하고, 단일 입자 추적(SPT)을 사용하여 단일 분자 궤적을 표시한 다음, 단백질의 평균 RT를 추출하기 위해 단백질 액적 결합 모델에 궤적을 맞춥니다. 마지막으로, 이 단일 분자 이미징 방법을 적용하여 올리고머화 도메인에 융합 및 비융합될 때 LLPS 응축물에서 단백질의 평균 RT를 비교한 대표적인 결과를 보여줍니다. 이 프로토콜은 LLPS에 참여하는 모든 단백질의 상호 작용 역학을 측정하는 데 광범위하게 적용할 수 있습니다.
점점 더 많은 연구가 생체 분자 응축물이 세포 조직과 수많은 세포 기능(예: 전사 조절 1,2,3,4,5, DNA 손상 복구 6,7,8, 염색질 조직 9,10,11,12, X-염색체)에 중요한 역할을 한다는 것을 시사합니다 불활화 13,14,15 및 세포 내 신호 16,17,18. 또한, 생체 분자 응축물의 조절 장애는 암(19,20,21) 및 신경퇴행성 질환(22,23,24,25,26)을 포함한 많은 질병과 관련이 있다. 응축수 형성은 종종 일시적, 선택적, 다가 단백질-단백질, 단백질-핵산 또는 핵산-핵산 상호작용에 의해 유발된다27. 특정 조건에서 이러한 상호 작용은 액체-액체 상 분리(LLPS)로 이어질 수 있으며, 이는 막이 없는 액적에서 특정 생체 분자를 국부적으로 농축하는 밀도 전이입니다. 이러한 다가 상호작용은 종종 단백질 1,28,29의 내재적 무질서 영역(IDR)에 의해 매개됩니다. 분자 수준에서 이러한 상호 작용의 생물물리학적 특성 분석은 응축수가 널리 퍼져 있다는 점을 감안할 때 수많은 건강하고 비정상적인 세포 기능을 이해하는 데 매우 중요합니다. 공초점 형광 현미경 기반 기술(예: 광표백(FRAP)30,31,32 후 형광 복구)는 응축물과 주변 세포 환경 간의 분자 교환이 동적임을 정성적으로 보여주기 위해 널리 사용되어 왔지만, 응축수 내 특정 생체 분자의 상호 작용 역학을 정량화하는 것은 일반적으로 기존의 공초점 현미경 또는 단일 분자를 사용하여 불가능합니다 특별한 데이터 분석 방법이 없는 현미경 검사. 이 프로토콜에 기술된 단일 입자 추적(SPT) 기법은 살아있는 세포 단일 분자 현미경(33)을 기반으로 하며, 응축수 내의 특정 단백질 간의 상호 작용 역학을 정량화하는 독특하고 강력한 도구를 제공합니다. 이러한 측정을 위한 SPT의 판독값은 응축수에서 관심 단백질의 평균 체류 시간입니다.
프로토콜은 데이터 수집과 데이터 분석의 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 이미징 데이터 수집의 첫 번째 단계는 HaloTag34에 융합된 관심 단백질을 세포에서 발현하는 것입니다. 이를 통해 2개의 형광단으로 관심 단백질을 표지할 수 있으며, 여기서 대부분의 단백질 분자는 비광활성성 형광단(예: JFX549 Halo ligand35)으로 표지되고 그 중 작은 부분은 스펙트럼적으로 구별되고 광활성화 가능한 형광단(예: PA-JF646 Halo ligand36)으로 표지됩니다). 이를 통해 셀의 모든 응축수 위치를 동시에 획득하고 응축물에 결합 및 결합 해제하는 관심 단백질의 단일 분자 동영상을 획득할 수 있습니다. 한편, 동일한 유형의 세포는 착색질에 크게 움직이지 않는 히스톤인 Halo-tagged H2B를 안정적으로 발현하도록 변형됩니다. 그런 다음 세포를 PA-JF646 Halo 리간드로 염색하여 H2B의 단일 분자 이미징을 가능하게 합니다. 아래에서 자세히 논의되겠지만, 이 실험은 관심 단백질의 상호 작용 역학을 정밀하게 정량화할 수 있도록 광표백의 기여를 설명합니다. 그런 다음 이미징 실험을 위한 세포를 깨끗한 커버슬립에서 배양하고 HaloTag 리간드로 염색한 다음 살아있는 세포 이미징 챔버에 조립해야 합니다. 거기에서 샘플은 2채널 이미징 및 단일 분자 검출이 가능한 전반사 형광(TIRF) 현미경의 고도로 기울어진 적층 광학 시트(HILO) 조명 아래에서 이미지화됩니다. 그런 다음 방출은 두 대의 카메라로 나뉘는데, 하나는 응축수 위치를 추적하고 다른 하나는 단일 분자를 추적합니다. 획득은 자유확산 단백질을 흐리게 하고 세포(37) 내의 안정한 구조에 결합하기 때문에 이동성이 적은 단백질만을 포획하기 위해 긴 통합 시간(수백 ms 정도)으로 수행된다.
데이터 분석의 첫 번째 단계는 확립된 단일 입자 추적(SPT) 알고리즘(38,39)을 사용하여 영화의 각 프레임에서 개별 단백질 분자를 국소화하고 검출 가능한 수명 동안 각 분자에 대한 궤적으로 국소화를 조립하는 것입니다. 그런 다음 궤적은 궤적 전체에 걸친 분자의 국소화를 해당 시간1에서 모든 응축수의 국소화와 비교하여 응축수 내부의 분자를 나타내는 분자와 응축수 외부의 분자를 나타내는 궤적으로 분류됩니다.
다음으로, 생존 곡선(1 - CDF)은 모든 응축수 내 궤적의 길이를 사용하여 생성됩니다. 분자의 겉보기 평균 체류 시간은 생존 곡선을 단백질 결합의 다음 2 성분 지수 모델에 적합시킴으로써 추출됩니다.
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A는 비특이적으로 결합된 분자의 분율로, kobs,ns 및 kobs,s 는 각각 비특이적으로 결합된 분자 및 특이적으로 결합된 분자의 관찰된 해리 속도입니다. 여기서부터는 kobs,s 만 고려됩니다. 단백질 해리, ktrue, s와 형광단의 광표백, kpb의 역학은 kobs, s 에 다음과 같이 기여합니다.
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따라서, 단백질 해리의 효과를 분리하기 위해, 앞서 언급한 세포주에서 H2B-Halo의 특정 해리 속도를 측정한다.
H2B는 염색질에 안정적으로 통합되고 단일 분자 영화 획득의 시간 척도에서 최소한의 해리를 경험하는 단백질입니다37. 특정 해리 속도는 PA-JF646 Halo 리간드의 광표백 속도와 같습니다.
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관심있는 단백질의 평균 응축수 체류 시간, , 그 때
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Irgen-Gioro et al.40 의 대표적인 결과가 나타나며, 이 프로토콜은 올리고머화 도메인을 IDR에 융합하면 응축수에서 IDR의 체류 시간이 길어진다는 것을 입증하기 위해 적용되었습니다. 이 결과는 추가된 올리고머화 도메인이 LLPS를 구동하는 IDR의 동형 상호작용을 안정화시킨다는 것을 시사한다. 원칙적으로, 약간 수정된 프로토콜을 사용하는 동일한 방법을 적용하여 모든 유형의 응축물 형성에 관여하는 모든 단백질의 동형 또는 이형 상호 작용을 특성화할 수 있습니다.
1. 세포 내 단백질 라벨링
2. 커버슬립의 준비
3. 현미경 검사를 위한 세포 준비
알림: 세포의 오염을 방지하기 위해 생물 안전 캐비닛에서 이 섹션의 단계를 수행하십시오.
4. 단일 분자 이미징
참고: H2B와 관심 단백질의 체류 시간을 측정하는 독립적인 실험은 통계적으로 유의미한 결과를 생성하기 위해 수일(≥3)일에 걸쳐 수행되어야 합니다. 현미경에서 세포 샘플을 이미징하기 전에 0.1μm 염색 마이크로스피어(Table of Materials) 또는 유사한 보정 표준을 사용하여 두 카메라를 정렬합니다.
5. 단일 분자 이미징 데이터 분석
참고: 섹션 5 전체에서 사용된 매개변수는 이 실험에만 해당되며 예제로 포함되어 있습니다. 토론에 나열된 기준에 따라 적절한 매개 변수를 선택해야 합니다.
여기에서는 Irgen-Gioro et al.40의 대표적인 결과를 제시하며, 이 SPT 프로토콜을 사용하여 각각의 자체 조립된 LLPS 응축물에서 두 단백질의 상호 작용 역학을 비교했습니다. TAF15(TATA-box binding protein associated factor 15)는 인간 세포에서 과발현 시 LLPS를 겪을 수 있는 IDR을 함유하고 있습니다. TAF15(IDR)를 24-서브유닛 올리고머를 형성하는 FTH1(페리틴 중쇄 1)에 융합하면 LLPS를 구동하는 보다 ?...
여기에 제시된 프로토콜은 Irgen-Gioro et al.40에서 조사된 것과 같은 시스템을 위해 설계되었습니다. 응용 분야에 따라 프로토콜의 일부 구성 요소(예: 형광 표지 세포주 생성 방법, 형광 표지 시스템 및 사용되는 커버슬립 스타일)를 수정할 수 있습니다. 세포에서 단백질의 Halo-tagging은 주어진 실험에 더 적합한 전략에 따라 두 가지 전략을 사용하여 수행할 수 있습니다. 1) 외인성 발...
저자는 공개할 것이 없습니다.
이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 대학원 연구 펠로우십(Graduate Research Fellowship)의 지원을 받았습니다. DGE-1745301(S.Y.), Pew-Stewart Scholar Award(S.C.), Searle Scholar Award(S.C.), Shurl and Kay Curci Foundation Research Grant(S.C.), Merkin Innovation Seed Grant(S.C.), Mallinckrodt Research Grant(S.C.) 및 Margaret E. Early Medical Research Trust 2024 보조금(SC). 사우스캐롤라이나주는 또한 NIH/NCI의 지원을 받고 있습니다 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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