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Method Article
Este artigo descreve um aumento da Fluorometria Voltagem-Clamp convencional (VCF) onde Fluorescente Aminoácidos Não-naturais (fUAA) são usados em vez de corantes maleimida, para sondar rearranjos estruturais em canais iônicos. O procedimento inclui injeção de DNA de oócito de Xenopus , coinjeção de ARN / fUAA e medições simultâneas de corrente e fluorescência.
A Fluorometria de Voltage-Clamp (VCF) tem sido a técnica de escolha para investigar a estrutura e função das proteínas de membrana eletrogênicas, onde as medidas em tempo real de fluorescência e correntes relatam simultaneamente rearranjos locais e função global, respectivamente. Enquanto que as técnicas estruturais de alta resolução, como a microscopia de crio-elétrons ou a cristalografia de raios-X, fornecem imagens estáticas das proteínas de interesse, o VCF fornece dados estruturais dinâmicos que nos permitem relacionar os rearranjos estruturais (fluorescência) com dados funcionais dinâmicos (eletrofisiologia). Até recentemente, a química tiol-reactiva utilizada para a marcação fluorescente dirigida ao local das proteínas restringia o âmbito da abordagem porque todas as cisteínas acessíveis, incluindo as endógenas, seriam rotuladas. Foi assim necessário construir proteínas isentas de cisteínas endógenas. A rotulagem também se restringiu a locais acessíveis a partir dolado. Isto mudou com o uso de Aminoácidos Não-naturais Fluorescentes (fUAA) para incorporar especificamente uma pequena sonda fluorescente em resposta à supressão do codão de paragem utilizando um par ortogonal de tRNA e tRNA sintetase 2 . A melhoria do VCF requer apenas um procedimento de injeção de dois passos de injeção de DNA (par tRNA / sintetase) seguido por co-injeção de ARN / fUAA. Agora, a rotulagem tanto intracelular e locais enterrados é possível, eo uso de VCF se expandiu significativamente. A técnica VCF torna-se assim atraente para o estudo de uma vasta gama de proteínas e, mais importante, permite investigar numerosos mecanismos reguladores citosólicos.
Mais de 200 aminoácidos não naturais de várias propriedades químicas e físicas foram geneticamente incorporados em proteínas em células de E. coli , leveduras e mamíferos 3 . O aminoácido não natural é incorporado em resposta a um codão de paragem específico através de um par tRNA / sintetase engendrado ortogonalmente. A abordagem genética para modificar proteínas forneceu insights valiosos sobre a estrutura ea função da proteína. Aqui, apresentamos um protocolo para o uso de Fluorometria de Voltagem-Clamp (VCF) em combinação com uma UAA fluorescente.
No VCF, a observação simultânea de dados funcionais e rearranjos estruturais localizados ao redor da sonda fluorescente (~ 5 Å) nos permite obter informações dinâmicas com resolução milissegundo 1 . As sondas fluorescentes alteram o seu estado de extinção ao movimento localizado da proteína. Um movimento de apenas 1-2 Å é suficiente para levar a alterações significativas na fluorescênciaIntensidade 4 . Após a identificação do local de interesse na proteína alvo, o local é mutado por mutação pontual. Classicamente, o resíduo tinha sido mutado para uma cisteína enquanto que agora, um codão de paragem âmbar (TAG) é introduzido para a incorporação genética de fUAA. A proteína é então transcrita in vitro .
Enquanto outros sistemas de expressão ( por exemplo, células de mamíferos) podem ser utilizados 5 , 6 , 7 , os oócitos de Xenopus são preferíveis para estudos de estrutura-função devido ao seu maior tamanho, levando a manipulação mais fácil e maior intensidade de fluorescência (mais fluoróforos) Ruído. Além disso, os oócitos de Xenopus têm baixa formação de proteínas endógenas 2 , 8 , ea pigmentação escura no pólo animal protege contra a fluorescência de fundo de tEle citosol. Os oócitos de Xenopus são removidos cirurgicamente e o ADN que codifica o par tRNA / tRNA-sintetase ortogonal específico para a fUAA é injectado no núcleo dos oócitos. Após um período de incubação de 6-24 h, a proteína ARN é co-injectada com a fUAA no citosol dos oócitos, seguido por um período de incubação de 2-3 dias. A fim de evitar qualquer dano ao fUAA (foto-branqueamento), os procedimentos incluindo Anap têm de ser levados a cabo sob luz vermelha para evitar a excitação do fluoróforo.
Os oócitos são estudados em uma configuração de braçadeira de tensão de oócito cortada aberta, que é montada em um microscópio de fluorescência vertical, e mudanças de corrente elétrica e fluorescência são registradas simultaneamente 9 , 10 . Em alternativa, podem ser utilizadas as configurações de tensão de dois eléctrodos 1 ou de grampo-grampo 11 . A fluorescência é excitada por comprimentos de onda apropriados com baixo Emissão gravada usando um fotodíodo ligado a um amplificador com alta amplificação.
Existem várias vantagens do uso de aminoácidos fluorescentes não naturais (fUAAs) na fluorometria de tensão-braçadeira. Um deles é o acesso ao lado citosólico das proteínas da membrana; Muitos processos reguladores estão localizados aqui ( por exemplo, Ca2 + - ou sítios de ligação de nucleotídeos, inativação rápida e fechada de canais iónicos com voltagem, abertura de poros, acoplamento de módulo). Todos estes processos estão agora acessíveis para rotulagem fluorescente.
Outra vantagem é o pequeno tamanho da sonda levando a menos perturbação da proteína. Até agora, dois pares de tRNA / tRNA sintetase ortogonais para fUAAs foram desenvolvidos 12 , 13 , onde o ácido 3- (6-acetilnaftalen-2-ilamino) -2-aminopropanóico (Anap) é o único fUAA que tem sido utilizado em oócitos de Xenopus 2 ,"Xref"> 8. Anap é um fluoróforo ambientalmente sensível com um peso molecular de 272,3 g / mol e é apenas ligeiramente maior do que o triptofano 12 ( Figuras 1A, 1B ). Devido ao seu pequeno tamanho, é provável que sejam introduzidos menos efeitos estéricos pelo fluoróforo em comparação com os fluoróforos convencionais ligados através de um ligante (tipicamente mais do que 500 g / mol). Além disso, no caso de Anap, o fluoróforo está localizado mais próximo do esqueleto da proteína do que os ligados às cisteínas e, consequentemente, Anap está a testar rearranjos mais localizados. Finalmente, a remoção de cisteínas endógenas em VCF convencional para assegurar a marcação específica de sítio não é mais uma exigência em UAA-VCF e portanto (i) deixa as proteínas em (quase) o seu estado nativo e (ii) permite a aplicação de VCF Para estudar uma gama mais ampla de proteínas em que a função pode ser alterada pela substituição de cisteína.
Figura 1 : Espectro de Anap e Fluorescência. ( A ) Estrutura química de Anap. ( B ) Espectro de absorção normalizado e espectros de emissão para Anap 1 nM, demonstrando a sensibilidade da fluorescência de Anap à hidrofobicidade do solvente. Os espectros de emissão foram obtidos por excitação a 350 nm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Uma desvantagem do uso de UAAs fluorescentes é que uma população heterogénea de proteínas pode resultar de leitura de codão de terminação, reiniciação de tradução, proteínas truncadas de terminal C ou crosstalk com aminoacilação endógena se a quantidade de tRNAs aminoacilados for escassa. Tal expressão de vazamento deve ser sempre verificada na ausência do par de ARNt / tRNA sintetase. A questão da transReinicialização lacional e como evitá-la para locais de inserção N-terminais anteriormente 14 . No entanto, quando a fUAA, tRNA e tRNA sintetase estão presentes em quantidades saturadas, só permanece uma baixa probabilidade de expressão de vazamento.
A principal diferença processual entre fUAA-VCF e VCF convencional é a injecção e manuseamento dos oócitos; A injecção de ADN que codifica o ARNt e a ARNt-sintetase (pAnap) é seguida pela introdução de Anap, que é co-injectado com o ARNm da proteína ou, alternativamente, adicionado à solução de incubação como um éster de acetoximetilo (AM).
As manipulações de rãs foram realizadas de acordo com as diretrizes canadenses e foram aprovadas pelo comitê de ética (CDEA, protocolo # 15-042) da Universidade de Montréal.
1. Preparação de mRNA para incorporação de fUAA
2. Preparação e Injecção de Oócitos
Figura 2 : Ilustra�o da injec�o de ADN e ARN em O�itos de Xenopus para Anap Incorporation.
Primeiro, pAnap é injetado no núcleo do oócito Xenopus ( 1 ). Após 6-24 h, Anap e canal RNA são coinjected no pólo vegetal ( 2 ). O Anap será ortogonalmente aminoacilado com o ARNt portador de um anti-codão de bloqueio âmbar, pela aminoacil-ARNt-sintetase que é codificada por pAnap. Deste modo, os Anap-ARNt aminoacilados são reconhecidos pelo ribossoma no codão de paragem âmbar inserido no canalL de ARN, resultando na supressão do codão de paragem e inserção de Anap. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Configuração VCF
Figura 3 < / Strong> : configuração VCF. ( A ) Vista lateral da configuração VCF mostrando o caminho da luz dentro do microscópio. O cubo do filtro contém um filtro de excitação, um espelho dicróico e um filtro de emissão. ( B ) As dimensões da câmara de oócito são 3,4 cm para o raio superior da câmara (1), 5,5 cm para o comprimento da câmara inferior (2), 1,4 cm para a largura da câmara inferior (3) e 1,7 cm para a largura da câmara intermédia (4). ( C ) Vista frontal da configuração VCF. O primeiro ocular à esquerda é para montar o oócito na câmara de aperto de tensão aberta e para permeabilização. Em seguida, a câmara é deslizada sob o microscópio no segundo olho para a direita. Aqui, o eléctrodo V1 é inserido no oócito utilizando o objectivo 4X, e a fluorescência é registada utilizando o objectivo 40X de imersão em água. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. Duas cores VCF
A Figura 4 mostra um exemplo de gravações de VCF obtidas a partir de um ovócito que expressa canais de Shaker com inactivação rápida removida (IR), L382stop-W434F na presença de pAnap e Anap. A mutação W434F bloqueia as correntes iônicas de potássio, o que torna possível medir os deslocamentos transitórios de carga de gating (correntes de gating). As gravações simultâneas das correntes de passagem (traçado superior) e das alterações de intensidade de f...
A aminoacilação in vivo de tRNAs que estão continuamente a ser transcritos em conjunto com a tRNA-sintetase, torna possível obter níveis de expressão elevados para medições de fluorescência. Para a incorporação eficiente de fUAA, é crítico que o pAnap seja corretamente injetado no núcleo. Devido à incerteza da localização exacta do núcleo, espera-se que 10-40% das injecções de ADN falhem, resultando em oócitos que não expressam (ou que expressam fugas). Portanto, é importante verificar a ...
Os autores não têm nada a revelar.
PAnap foi um presente amável do Dr. Peter Schultz (Scripps Research Institute). Este trabalho foi financiado pelos Institutos Canadenses de Subsídios de Pesquisa de Saúde MOP-102689 e MOP-136894 (para RB) e Canadian Foundation for Innovation Grant 950-225005.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Solutions | |||
Barth's solution | |||
NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | 90 mM |
KCl | Fisher Scientific | BP366-500 | 3 mM |
MgSO4 | Sigma-Aldrich | M-9397 | 0.82 mM |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C-7902 | 0.41 mM |
Ca(NO3)2 | Sigma-Aldrich | C-1396 | 0.33 mM |
HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | 5 mM |
NaOH hydrate | BDH | BDH7225-4 | pH 7.6 |
Penicilin | Invitrogen | 15140122 | 100 U/mL |
Streptomycin | Invitrogen | 15140122 | 100 µg/mL |
Kanamycin | Invitrogen | 15160054 | 10 mg/100mL |
Horse Serum (HS) | Invitrogen | 16050122 | 5% |
SOS Standard Oocyte Solution | |||
NaCl | Sigma-Aldrich | 746398 | 102 mM |
KCl | Sigma-Aldrich | 746436 | 3 mM |
MgCl2 | Sigma-Aldrich | M9272 | 1 mM |
HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | 5 mM |
External recording solution | |||
N-methyl-D-glucamine (NMDG) | Alfa Aesar | L14282 | 115 mM |
HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | 10 mM |
Calcium hydroxide | Sigma-Aldrich | 239232 | 2 mM |
MES hydrate | Sigma-Aldrich | 258105 | pH 7.2 |
Internal recording solution | |||
N-methyl-D-glucamine (NMDG) | Alfa Aesar | L14282 | 115 mM |
HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | 10 mM |
Ethylenediamine Tetraacetic Acid (EDTA) | Fisher Scientific | E478-500 | 2 mM |
MES hydrate | Sigma-Aldrich | 258105 | pH 7.2 |
Labeling solution | |||
KOH | Fisher Scientific | P250-1 | 115 mM |
HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | 10 mM |
Calcium hydroxide | Sigma-Aldrich | 239232 | 2 mM |
MES hydrate | Sigma-Aldrich | 258105 | pH 7.2 |
TMR stock solution | |||
Tetramethylrhodamine-5-maleimide (TMR) | Molcular Probes by Life Technologies | T6027 | 5 mM in DMSO |
Anap stock solution | |||
Anap | ABZENA (TCRS) | Custom synthesis TCRS-170 | 1 mM in nuclease-free water and 1% NaOH 1 N |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Material/Equipment | |||
pAnap | Addgene | 48696 | |
High Performance Oocyte Clamp | Dagan Corporation | CA-1B | |
Gpatch Acquisition software | Department of Anesthesiology, University of California, Los Angeles | ||
Analysis software | Department of Anesthesiology, University of California, Los Angeles | ||
Recording Chamber | Custom machined | ||
Photo diode detection system | Dagan Corporation | PhotoMax-200/PIN | |
Electrical shutter driver | UNIBLITZ | VCM-D1 |
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