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Method Article
이 프로토콜은 MultiBac Baculovirus 시스템을 사용하여 인간 myosin-7a holoenzyme을 재조합 생산하고 맞춤형 in vitro 필라멘트 글라이딩 분석을 사용하여 운동성을 연구하는 절차를 자세히 설명합니다.
Myosin-7a는 청각 및 시각 과정에 필수적인 액틴 기반 운동 단백질입니다. myosin-7a의 돌연변이는 인간에게 가장 흔하고 심각한 형태의 청각 실명인 어셔 증후군 1형을 유발합니다. myosin-7a는 다른 Usher 단백질과 함께 막관통 접착 복합체를 형성하며, 이는 광수용체와 달팽이관 유모 세포의 구조적-기능적 무결성에 필수적이라는 가설이 있습니다. 그러나 순수하고 온전한 단백질을 얻는 데 어려움이 있기 때문에 인간 myosin-7a의 정확한 기능 메커니즘은 여전히 파악하기 어렵고 제한된 구조 및 생체 역학 연구가 있습니다. 최근 연구에 따르면 포유류의 미오신 -7a는 중쇄와 세 가지 유형의 경쇄, 즉 조절 경쇄(RLC), 칼모듈린 및 칼모듈린 유사 단백질 4(CALML4)로 구성된 다중체 운동 복합체입니다. 칼모듈린과 달리 CALML4는 칼슘 이온에 결합하지 않습니다. 칼슘에 민감한 칼모듈린과 둔감한 칼모듈린은 모두 포유류의 미오신 -7a의 기계적 특성을 적절하게 미세 조정하는 데 중요합니다. 여기에서는 MultiBac Baculovirus 단백질 발현 시스템을 사용하여 재조합 인간 myosin-7a 홀로효소를 생성하는 자세한 방법을 설명합니다. 이를 통해 밀리그램 단위의 고순도 전장 단백질을 생성하여 생화학적 및 생물물리학적 특성을 분석할 수 있습니다. 또한 맞춤형 in vitro motility assay 및 fluorescence microscopy를 사용하여 기계적 및 운동성 특성을 평가하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 여기에 설명된 상세한 기능적 특성 분석 프로토콜과 함께 온전한 인간 myosin-7a 단백질의 가용성은 시력 및 청각에서 myosin-7a의 분자 측면에 대한 추가 연구를 위한 길을 열어줍니다.
미오신 (Myosin)은 액틴과 상호 작용하여 수많은 세포 과정을 주도하는 분자 운동 단백질입니다 1,2,3,4. 인간은 12개의 유전자와 39개의 미오신 유전자(myosin gene)5를 가지고 있으며, 이 유전자들은 근육 수축6 및 감각 과정7과 같은 광범위한 생리적 기능에 관여한다. 각 미오신 분자는 중쇄와 경쇄로 구성된 다중체 복합체입니다. 무거운 사슬은 머리, 목, 꼬리 영역으로 나뉩니다. 헤드에는 ATP 가수분해를 담당하고 액틴 필라멘트에 힘을 생성하는 액틴 및 뉴클레오티드 결합 부위가 포함되어 있습니다2. 목은 특정 라이트 체인 세트가 바인딩 된 여러 개의 α 나선형 IQ 모티브로 형성됩니다. 그들은 함께 모터의 구조적 변화를 큰 움직임 8,9,10으로 증폭시키는 레버 암으로 기능합니다. 꼬리는 부류별 하위 도메인을 포함하며 미오신 운동 활동을 조정하고 세포 결합 파트너와의 상호 작용을 중재하는 조절 역할을 합니다 2,11.
인간 미오신 -7a는 클래스 7 미오신 (myosin)의 구성원으로, 청각 및 시각 과정에 필수적이다 12,13. 인간 myosin-7a의 IQ 모티프는 조절 경쇄(RLC), 칼모듈린 및 칼모듈린 유사 단백질 4(CALML4)를 포함한 경쇄의 고유한 조합과 관련이 있습니다.14,15,16. 레버 암을 안정화하는 것 외에도, 이 경쇄는 칼슘 신호전달에 반응하여 미오신-7a의 기계적 성질을 조절하는데, 이는 포유류 동형14에 고유한 것으로 보인다.
myosin-7a 중쇄(MYO7A/USH1B)를 암호화하는 유전자의 결함은 인간에서 가장 심각한 형태의 시력 및 청력 상실인 어셔 증후군 1형의 원인이 된다17. 또한 경쇄 유전자 CALML4는 1형 어셔 증후군 15,18의 또 다른 변이체인 USH1H의 원인 대립유전자를 포함하도록 매핑된 후보 유전자중 하나입니다. 망막에서 myosin-7a는 망막 색소 상피와 광수용체 세포에서 발현됩니다13. 이는 망막 색소 상피(RPE)19에서 멜라노좀의 국소화와 RPE 세포(20)에 의한 광수용체 외부 분절 디스크의 식세포작용과 관련이 있습니다. 내이(inner ear)에서 미오신 -7a는 주로 입체섬모(stereocilia)에서 발견되며, 여기서 모발 다발을 형성하고 기계-전기 전달 과정을 게이팅하는 데 중요한 역할을 합니다 12,21,22.
감각 세포에서 myosin-7a의 중요성은 잘 확립되어 있지만, 분자 수준에서의 기능적 메커니즘은 잘 알려져 있지 않습니다. 이러한 지식의 격차는 부분적으로 온전한 단백질, 특히 포유류 동형을 정제하는 데 어려움이 있기 때문입니다. 최근에는 MultiBac 시스템을 사용하여 완전한 인간 미오신 -7a 홀로엔자임14를 재조합 발현하는 데 상당한 진전이 이루어졌습니다. 이러한 발전은 이 운동 단백질의 구조적 및 생물물리학적 특성을 가능하게 하여 포유류의 청각 기능에 특별히 적응된 인간 미오신 -7a의 몇 가지 고유한 특성을 발견하게 되었습니다14,23.
MultiBac 시스템은 진핵생물 다중체 복합체24,25의 발현을 위해 특별히 설계된 고급 baculovirus/곤충 세포 플랫폼입니다. 이 시스템의 주요 특징은 단일 MultiBac 바큘로바이러스 내에서 복합체의 소단위를 암호화하는 여러 유전자 발현 카세트를 호스팅할 수 있다는 것입니다. 다유전자 발현 카세트의 조립은 소위 증식 모듈, 즉 귀환 엔도뉴클레아제(HE) 부위와 다중 클로닝 부위(MCS) 측면에 있는 정합 설계된 BstXI 부위를 통해 촉진됩니다. 이 모듈은 제한/접합을 통해 단일 발현 카세트를 반복적으로 조립할 수 있으며, HE 및 BstXI 제한 부위가 접합 시 제거된다는 사실을 활용합니다. 이 논문에서는 human myosin-7a heavy chain, RLC, calmodulin 및 CALML4를 각각 pACEBac1 벡터 내의 곱셈 모듈로 클로닝한 다음(그림 1A) 반복 과정을 통해 다유전자 발현 카세트로 조립합니다(그림 1B). myosin-7a 다유전자 카세트는 pACEBac1 벡터의 mini-Tn7 요소를 게놈의 mini-attTn7 표적 부위로 전위함으로써 baculoviral 게놈(bacmid)에 통합됩니다(그림 1C). 바미드 정제, 바큘로바이러스 생산 및 증폭 절차(그림 1D,E)에 따라 재조합 미오신-7a MultiBac 바큘로바이러스를 준비하여 대규모 단백질 생산에 사용할 수 있습니다(그림 1F). 또한, 미오신 -7a 경쇄는 대장균에서 별도로 생산할 수 있으며 절단 가능한 His6-SUMO 태그 26,27,28을 사용하여 정제할 수 있습니다. 정제된 경쇄는 결합 역학과 myosin-7a의 조절을 연구하는 데 유용합니다.
정제된 myosin-7a 단백질은 구조적, 생화학적, 생물물리학적 연구를 통해 이 운동 단백질의 구조적 기능적 조절에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 또한, 액틴 네트워크 및 다른 결합 단백질(29)과의 상호 작용은 다양한 시험관 내 재구성 접근법을 사용하여 검사할 수 있습니다. 이러한 분석의 결과는 이 myosin의 생물물리학적 특성을 알리고, myosin-7a가 어떻게 세포골격 변화를 주도하고 궁극적으로 감각 세포의 고유한 형태와 기능을 형성하는지에 대한 기계론적 이해로 이어질 것입니다. 이 논문에서는 포유류 myosin-7a에 특별히 적용된 액틴 필라멘트 글라이딩 분석을 위한 워크플로우에 대해 자세히 설명합니다. Actin 필라멘트 글라이딩 분석은 커버슬립 표면30,31,32에 고정된 다수의 미오신 모터에 의해 추진되는 형광 액틴 필라멘트의 움직임을 정량적으로 연구하는 강력한 시험관 내 운동성 분석법입니다. 이 분석법의 장점으로는 설정이 간단하고, 장비 요구 사항이 최소화되고(디지털 카메라가 장착된 광시야 형광 현미경), 높은 재현성이 있습니다. 또한 액틴 필라멘트의 운동은 고정된 미오신 모터 클러스터에 의해 구동되기 때문에 이 분석은 미오신 -7a14,33과 같은 단량체 미오신 운동성을 연구하는 데 특히 유용합니다. 프로토콜에는 실험 절차에서 이미징 분석에 이르기까지 여러 가지 수정 사항이 포함되어 있으며, 특히 포유류 myosin-7a의 고유한 운동성 특성에 맞게 조정되었습니다. 온전한 myosin-7a 단백질의 가용성과 여기에 설명된 기능적 특성 분석 프로토콜을 통해 이 논문은 생리학적 및 병리학적 과정 모두에서 myosin-7a의 분자 역할에 대한 추가 연구를 위한 토대를 마련합니다.
참고: 여기에서는 온전한 인간 myosin-7a holoenzyme을 합성하고 in vitro에서 그 운동성을 특성화하기 위한 프로토콜에 대해 설명합니다. 이 프로토콜은 세 부분으로 나뉩니다: 첫째, MultiBac baculovirus 단백질 발현 시스템을 사용하여 human myosin-7a를 발현하는 것; 둘째, E.coli His6-SUMO 시스템을 사용하여 myosin-7a 경쇄를 개별적으로 정제하는 단계; 마지막으로 Actin-Filament Gliding Assay를 사용하여 인간 Myosin-7A의 운동성을 연구합니다.
1. MultiBac 시스템 기반 myosin-7a 복합체 생산
2. E. coli His6-SUMO 시스템을 이용한 경쇄 RLC 및 CALML4 정제 (7일)
참고: 1-4일차 - 플라스미드의 클로닝 및 정제. 5일차 - 박테리아 변형. 6-7일 - 최종 단백질의 정제, 분취 및 동결.
3. Myosin-7a 맞춤형 액틴 필라멘트 글라이딩 분석(3시간)
참고: 이 섹션에서 사용된 방법은 다른 미오신31 에 대해 설명된 방법과 유사하며, 주요 수정 사항은 이온 강도가 높은 완충액에서 미오신 배양 및 적용이며 프레임 간 변위의 정확한 측정을 달성하는 데 필요한 긴 간격입니다.
정제된 myosin-7a 복합체 및 경쇄 단백질은 그림 3과 같이 SDS-PAGE 겔 전기영동으로 평가할 수 있습니다. 200kDa 마커 위의 밴드는 myosin-7a 중쇄(255kDa)에 해당합니다. 위에서 아래로 22kDa와 14kDa 마커 사이를 이동하는 3개 대역은 각각 RLC(20kDa), 칼모듈린 및 CALML4입니다. 칼모듈린과 CALML4는 약 17kDa의 유사한 분자량을 갖지만 두 단백질은 16% 트리스-글리신 겔을 ...
여기에는 곤충 세포에서 재조합 인간 myosin-7a 단백질을 생산하기 위한 자세한 프로토콜이 제시되어 있습니다. Sf9/바큘로바이러스 시스템이 다양한 미오신40,41,42,43을 생성하는 데 사용되었지만, 최근에야 포유류 미오신 -7a가 MultiBac 바큘로바이러스 시스템(14...
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
이미지 분석에 대한 논의와 도움을 주신 West Virginia University의 Microscopy Imaging Facility와 Visual Function and Morphology Core에 감사드립니다. 이 연구는 West Virginia University School of Medicine에서 R.L.에 이르는 정년 트랙 스타트업 펀드의 지원을 받습니다. 이 연구는 또한 NIGMS(National Institute of General Medical Sciences), Vs-CoBRE(Visual Sciences Center of Biomedical Research Excellence)(P20GM144230) 및 NIGMS WV-INBRE(West Virginia Network of Biomedical Research Excellence)(P20GM103434)의 지원을 받습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.7 mL microcentrifuge tubes | VWR | 87003-294 | |
1X FLAG Peptide | GenScript | N/A | Custom peptide synthesis |
22x22mm No. 1.5 coverslips | VWR | 48366-227 | |
250 mL Conical Centrifuge Tubes | Nunc | 376814 | |
250 mL Vented Erlenmyer Shaker Flask | IntelixBio | DBJ-SF250VP | |
2-Mercaptoethanol | VWR | M131 | |
75x25x1 mm Vistavision microscope slides | VWR | 16004-42 | |
Actin Protein (>99% Pure) | Cytoskeleton | AKL99 | |
Amicon Ultra-0.5 Centrifugal Filter Unit | Millipore Sigma | UFC510024 | |
Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter Unit | Millipore Sigma | UFC801024 | |
ANTI-FLAG M2 Affinity Gel | Millipore Sigma | A2220 | |
ATP | Millipore Sigma | A7699 | |
ATP | Millipore Sigma | A7699 | |
Bio-Spin Disposable Chromatography Column | Bio-Rad | 732-6008 | |
BL21 Competent E. coli | New England Biolabs | C2530H | |
Bluo-Gal | Thermo Fisher | 15519028 | |
Bovine Serum Albumin | Millipore Sigma | 5470 | |
BstXI Enzyme | New England Biolabs | R0113S | |
Calmodulin | Millipore Sigma | 208694 | |
Catalase | Millipore Sigma | C40 | |
Champion pET-SUMO Expression System | Thermo Fisher | K30001 | |
cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | Roche Diagnostics | 5056489001 | |
Cutsmart Buffer | New England Biolabs | B6004S | |
DL-Dithiothreitol | Millipore Sigma | DO632 | |
DL-Dithiothreitol | Millipore Sigma | DO632 | |
DNase I, Spectrum Chemical | Fisher Scientific | 18-610-304 | |
Double-Sided Tape | Office Depot | 909955 | |
EGTA, Molecular Biology Grade | Millipore Sigma | 324626-25GM | |
EGTA, Molecular Biology Grade | Millipore Sigma | 324626-25GM | |
Ethanol | Thermo Fisher | BP2818 | |
ExpiFectamine Sf Transfection Reagent | Gibco | A38915 | |
FAST program | http://spudlab.stanford.edu/fast-for-automatic-motility-measurements; | ||
Fisherbrand Model 505 Sonic Dismembrator | Fisher Scientific | FB505110 | |
Gentamicin Reagent Solution | Gibco | 15710-064 | 10 mg/mL in distilled water |
Glucose | Millipore Sigma | G5767 | |
Glucose Oxidase | Millipore Sigma | G2133 | |
Glycerol | Invitrogen | 15514-011 | |
HisPur Cobalt Resin | Thermo Fisher | 89966 | |
I-CeuI Enzyme | New England Biolabs | R0699S | |
Image Stabilizer Plugin | https://www.cs.cmu.edu/~kangli/code/Image_Stabilizer.html | ||
ImageJ FIJI | https://imagej.net/Fiji/Downloads | ||
Imidazole | Millipore Sigma | I2399 | |
In-Fusion Snap Assembly Master Mix | TaKaRa | 638948 | |
IPTG | Thermo Fisher | 15529019 | |
Isopropanol | Fisher Scientific | A451SK | |
Kanamycin | Fisher Scientific | AAJ67354AD | |
Large Orifice Pipet Tips | Fisher Scientific | 02-707-134 | 1-200uL |
LB Agar, Ready-Made Powder | Thermo Fisher | J75851-A1 | |
Leupeptin Protease Inhibitor | Thermo Fisher | 78435 | |
Magnesium chloride | Thermo Fisher | J61014.=E | 1M |
Magnesium chloride | Thermo Fisher | J61014.=E | 1M |
Max Efficiency DH10Bac Competent Cells | Gibco | 10361012 | |
Microcentrifuge Tubes, 1.7mL | VWR | 87003-294 | |
Microcentrifuge Tubes, 1.7mL | VWR | 87003-294 | |
Microcentrifuge Tubes, 1.7mL | VWR | 87003-294 | |
Microscope | Nikon | Model: Eclipse Ti with H-TIRF system with 100X TIRF objective | |
Microscope Camera | ORCA-Fusion BT | ||
Microscope Laser Unit | Andor iXon Ultra | ||
Miller's LB Broth | Corning | 46-050-CM | |
MOPS | Millipore Sigma | M3183 | |
MOPS | Millipore Sigma | M3183 | |
NanoDrop One/OneC Microvolume UV-Vis Spectrophotometer | Thermo Fisher | ND-ONE-W | |
NanoDrop One/OneC Microvolume UV-Vis Spectrophotometer | Thermo Fisher | ND-ONE-W | |
NEB 5-alpha Competent E.coli (High Efficiency) | New England Biolabs | C2987H | |
NEBuffer r3.1 | New England Biolabs | B6003S | |
NIS Elements | Nikon | ||
NIS-Elements | Nikon | ||
Nitrocellulose | LADD Research Industries | 53152 | |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Gibco | 31985070 | |
pACEBac1 Vector | Geneva Biotech | ||
Parafilm | Millipore Sigma | P7793 | |
PMSF | Millipore Sigma | 78830 | |
PureLink RNase A (20 mg/mL) | Invitrogen | 12091021 | |
QIAprep Spin Miniprep Kit (250) | QIAGEN | 27106 | |
QIAquick Gel Extraction Kit (50) | QIAGEN | 28704 | |
QIAquick PCR Purification Kit (50) | QIAGEN | 28104 | |
Quick CIP | New England Biolabs | M0525S | |
Rhodamine phalloidin | Invitrogen | R415 | |
S.O.C. Medium | Invitrogen | 15544034 | |
SENP2 protease | PMID:17591783 | Purified in the lab | |
Sf9 cells | Thermo Fisher | 11496015 | |
Sf-900 III SFM (1X) - Serum Free Media Complete | Gibco | 12658-027 | |
Slide-A-Lyzer G3 Dialysis Cassettes, 10K MWCO, 3 mL | Thermo Fisher | A52971 | |
Sodium chloride | Millipore Sigma | S7653 | |
Sodium chloride | Millipore Sigma | S7653 | |
Stericup Quick Release Vacuum Driven Disposable Filtration System | Millipore Sigma | S2GPU01RE | |
Superdex 75 Increase 10/300 GL | Cytiva | 29148721 | |
T4 DNA Ligase | New England Biolabs | M0202S | |
T4 DNA Ligase Buffer - 10X with 10mM ATP | New England Biolabs | B0202A | |
Tetracycline Hydrochloride | Millipore Sigma | T7660-5G | |
Tris | Millipore Sigma | 10708976001 | |
Triton X | American Bioanalytical | 9002-93-1 |
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