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Method Article
Neste protocolo, enjaulado proteína quinase A (PKA), um bioeffector de transdução de sinal de celular, foi imobilizada em uma superfície de nanopartículas, injetada no citosol e ativada pelo upconverted UV luz de irradiação de infravermelho próximo (NIR), induzindo desintegração de fibra de stress a jusante no citosol.
Nanopartículas de upconversion (UCNP)-mediada photoactivation é uma nova abordagem para remotamente controle bioeffectors com muito menos fototoxicidade e com penetração mais profunda do tecido. No entanto, a instrumentação existente no mercado não é prontamente compatível com aplicação de upconversion. Portanto, modificar o instrumento comercialmente disponível é essencial para esta pesquisa. Neste trabalho, nós primeiro ilustram as modificações de um fluorímetro convencional e o microscópio de fluorescência para torná-los compatíveis para experimentos de upconversion de fóton. Em seguida, descrevemos a síntese de um infravermelho próximo (NIR)-desencadeada enjaulado proteína quinase A catalítica subunidade (PKA) imobilizada em um complexo UCNP. Parâmetros para microinjeção e NIR photoactivation procedimentos também são relatados. Depois que o PKA-UCNP enjaulado é injetada em células de fibroblastos REF52, a irradiação de NIR, que é significativamente superior ao convencional irradiação UV, dispara eficientemente via PKA de transdução de sinal em células vivas. Além disso, experimentos de controle positivos e negativos confirmar que o pathway induzida por PKA levando à desintegração de fibras de estresse especificamente é desencadeado por irradiação de NIR. Assim, o uso de proteínas modificadas UCNP fornece uma abordagem inovadora para controlar remotamente a luz modulada experimentos celulares, no qual deve-se evitar a exposição directa à luz UV.
Proteínas quimicamente modificadas que podem ser fotoativados (por exemplo, as proteínas PKA enjaulado) foram desenvolvidas como um campo emergente na biologia química de forma não-invasiva, manipular processos bioquímicos intercelulares1,2 ,3. Usando a luz como um estímulo oferece excelente resolução spatiotemporal quando activar estas enjaulado proteínas. No entanto, a luz UV pode causar alterações morfológicas indesejáveis, apoptose e dano ao DNA de células4,5. Daí, desenvolvimentos recentes na concepção dos grupos photocaging focar permitindo que photocleavage sobre o mais longo comprimento de onda ou dois fotões excitação para reduzir fototoxicidade, bem como para aumentar a penetração de tecidos profundos6,7. Enjaulamento grupos que respondem ao comprimento de onda mais longo, permitindo-nos escolher o apropriado uncaging comprimentos de onda (ou seja, canais) seletivamente ativar bioeffectors quando dois ou mais grupos de enjaulamento estão presentes7. Tendo em conta estas características úteis, desenvolver novos grupos de photocaging de luz vermelha é muito importante trabalho upstream em fotoquímicas metodologias para estudos biológicos, que vão desde os mecanismos de reações de controle de atividades celulares8de sondagem. Apesar de tudo, um grupo de enjaulamento dois fotões é normalmente muito hidrofóbico devido à estrutura de anel aromático fundido, e um grupo de enjaulamento de luz visível é normalmente organometálico, com ligantes aromáticos. Esta propriedade hidrofóbica/aromático não é adequada quando o bioeffector é uma proteína ou enzima, que desnatura o site da ativação da enzima/proteína e provoca a perda de função, mesmo se a conjugação e fotólise continua a funcionar a nível químico2 ,9.
UCNPs são eficazes transdutores que convertem a luz de excitação de NIR aos raios UV. Esta propriedade única e fascinante de UCNPs ofereceu-se resoluções realistas para enfrentar os desafios associados a fotoativação e desencadeada a liberação controlada de moléculas pequenas, incluindo ácido fólico10, cisplatina derivados11 , DNA/siRNA12, copolímero vesículas13e partículas ocas14. No entanto, o melhor de nosso conhecimento, o photoactivation assistida por UCNP de enzimas ou proteínas não foi testado até agora. Porque não há nenhum caso de sucesso do uso de luz vermelha ou NIR a fotoativa uma enzima, recebemos indicações para executar a ativação de uma enzima/proteína de construção composta por complexos enzima enjaulado quimicamente modificado com uma sílica-revestido, acionadas por NIR dopado com lantanídeos UCNP15. Neste estudo, o UCNP foi conjugada com uma quinase de transdução de sinal reagir rapidamente sob a forma de PKA enjaulado. PKA controla a síntese de glicogênio e regulamento do citoesqueleto que responde a estímulos externos, através de regulamento de adenosina cíclico (cAMP) de fosfato no citosol16. Estudamos a viabilidade de activação enzimática em educação espacial e temporal em um experimento de celular após a irradiação de NIR. Esta plataforma photoactivation assistida por UCNP é uma nova metodologia para Fotoativar uma enzima usando NIR e evita a resposta de transdução de sinal indesejado de células causada por UV convencional irradiação2,4.
É muito difícil translocar bioeffectors grande (por exemplo, proteínas) através da membrana celular para controlar a atividade celular. Apesar de partícula-imobilizado proteína pode ser mais fácil para translocar através de endocitose no citosol, endocitose pode ser danificado ou degradada através de uma armadilha de CDDP e a consequente degradação lisossomal2,4. Mesmo se a proteína enjaulada é ainda funcional após translocação da membrana, os montantes translocados podem não ser suficiente para desencadear a resposta celular2,17. Em contraste, a microinjeção é uma abordagem direta e quantitativa para entregar grandes bioeffectors para o citoplasma da célula. Além disso, bioeffector UCNP-imobilizado requer upconverted luz para ser ativado. Portanto, a instrumentação óptica requer mais modificação para medir, Visualizar e utilizar a luz upconversion. Neste trabalho, a entrega de um complexo de PKA-UCNP enjaulado para uma célula utilizando microinjeção e as seguintes modificações essenciais de espectroscopia e microscopia para NIR photoactivation será descrita em detalhes.
Nota: O protocolo descreve uma modificação de instrumentação detalhada para photoactivation upconversion assistida, um procedimento sintético para gerar enjaulado PKA-UCNP, microscopia eletrônica de transmissão (TEM) do UCNP de sílica-revestido e enjaulado amostras de PKA-UCNP, UV e NIR instalação de fotólise, preparação da pilha, microinjeção de PKA-UCNP, um estudo de fotoativação e a coloração de fibra de stress das células REF52.
1. fluorímetro instalação para medição do espectro Upconversion
2. Instalação do microscópio
Nota: A seguinte configuração funciona para microscópios equipados com percurso óptico de duas camadas. Se o usuário pretende instalar um interruptor de luz fonte de excitação na porta traseira para fazer o laser NIR e a lâmpada de iodetos compartilham a mesma porta, o colimador na porta traseira significativamente bloqueará o NIR porque ele é projetado para reduzir o aquecimento da amostra. O usuário deve fazer uma escolha difícil: manter o colimador e sofrem de upconversion muito baixa eficiência, ou remover o colimador e sacrificar a intensidade da luz para a epifluorescência excitação.
Nota: um diagrama de fraque, mostrando o esquema do trajeto da luz para um spectrofluorometer modificado, a microscopia para upconversion luminescência e modo de fotólise NIR e epifluorescência e modo de fotólise de UV e a instalação experimental utilizado para este experimento são ilustrados na Figura 2.
Guia3. Preparação e caracterização de PKA-UCNP Caged construir
4. Caracterização
Nota: O ensaio da quinase é usado para quantificar a atividade específica de piruvato quinase. Em breve, a fosforilação do peptide, que é acoplado ao piruvato quinase e lactato desidrogenase, resulta na oxidação do NADH. Formação destes últimos é monitorizada medindo-se a diminuição de absorbância do NADH a 340 nm.
5. Instalação de fotólise
Meas6. Preparação da amostra e microinjeção de complexos de PKA-UCNP celular
7. Photoactivation de Caged PKA-UCNP usando UV ou luz NIR em células vivas
8. Visualização de desintegração da fibra Stress causado por NIR Photoactivation
O projeto de construção de gaiolas enzima-UCNP é ilustrado na Figura 1. A enzima PKA foi primeiro reagiu com brometo de 2-nitrobenzil para gerar um PKA enjaulado inativo, e então estava eletrostaticamente imobilizado na superfície de UCNP. UCNPs emitem a luz de upconverted e consequentemente photolytically cleave os grupos ó-nitrobenzil em 199 Cys e 343 Cys, gerando o PKA registrado. TEM imagens e ensaio de Bradford confirmaram que o PKA e enjaulado PKA...
Anteriormente, Hofmann e colegas de trabalho encontraram que dramáticas mudanças morfológicas foram observadas em células REF52 após a microinjeção da enciclopédia PKA19. Em outro estudo, o grupo de Lawrence demonstrou que PKA enjaulado pode ser registrados na vivo, levando a alterações morfológicas e a desintegração de fibras de estresse quando submetido a UV fotólise20. Anteriores relatórios sobre explorando upconverted UV luz para photoactivation ...
Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.
Agradecemos a Nano ciência e tecnologia programa de Academia Sinica e o Ministério da ciência e tecnologia de Taiwan de financiamento (101-2113-M-001-001-MY2; 103-2113-M-001-028-MY2).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagent | |||
Tris(hydroxymethyl)aminomethane | Sigma | 154563 | |
Magnesium chloride hexahydrate | Sigma | M9272 | |
MOPS | Sigma | M1254 | |
HEPES | Sigma | H4034 | |
Sodium chloride | Sigma | 31434 | |
Potassium chloride | Sigma | 12636 | |
Yttrium acetate hydrate | Sigma | 326046 | Y(C2H3CO2)3 · xH2O |
Thulium(III) acetate hydrate | Alfa Aesar | 14582 | Tm(CH3CO2)3 · xH2O |
Ytterbium(III) acetate tetrahydrate | Sigma | 326011 | Yb(C2H3O2)3 · 4H2O |
1-Octadecene | Sigma | O806 | |
Oleic acid | Sigma | 364525 | |
Methanol | macron | 304168 | |
Sodium hydroxide | Sigma | 30620 | |
Ammonium fluoride | J.T.Baker | 69804 | |
IGEPAL CO-520 | Sigma | 238643 | |
Cyclohexane | J.T.Baker | 920601 | |
Ammonium hydroxide (28% - 30%) | J.T.Baker | 972101 | Ammonia |
Tetraethyl orthosilicate (TEOS) | Sigma | 8658 | |
DL-Dithiothreitol (DTT) | Sigma | D0632 | |
N-hydroxymaleimide (NHM) | Sigma | 226351 | PKA activity blocking reagent |
Prionex protein stabilizer solution from hog collagen | Sigma | 81662 | Protein stabilizer solution |
2-nitrobenzyl bromide (NBB) | Sigma | 107794 | PKA caging reagent |
8-(4-Chlorophenylthio)adenosine 3′,5′-cyclic monophosphate sodium salt | Sigma | C3912 | 8-CPT-cAMP |
Pyruvate Kinase/Lactic Dehydrogenase enzymes from rabbit muscle | Sigma | P0294 | PK/LDH |
Adenosine 5'-triphosphate disodium | Sigma | A2387 | ATP |
β-NADH reduced from dipotassium | Sigma | N4505 | |
Phosphoenolpyruvate | Sigma | P7127 | PEP |
Coomassie Protein Assay Reagent, 950 mL | Thermo Scientific | 23200 | Bradford assay reagent |
cAMP-dependent protein kinase | Promega | V5161 | PKA activity control |
pET15b-PKACAT plasmid | Addgene | #14921 | |
pKaede-MC1 plasmid | CoralHue | AM-V0012 | |
Phosphate buffered saline (PBS), pH 7.4 | Thermo Scientific | 10010023 | |
DMEM, high glucose, pyruvate | Gibco | 12800-017 | Cell culture medium |
Leibovitz L-15 Medium | Biological Industries | 01-115-1A | Cell culture medium |
Fetal Bovine Serum | Biological Industries | 04-001-1A | |
Paraformaldehyde | ACROS | 416785000 | |
DAPI | Invitrogen | D1306 | Nucleus staining dye |
Alexa 594-phalloidin | Invitrogen | A12381 | F-actin staining dye |
5(6)-Carboxytetramethylrhodamine | Novabiochem | 8.51030.9999 | |
Pierce Coomassie (Bradford) Protein Assay Kit | Thermo Scientific | 23200 | |
CelluSep T4 Tubings/Nominal filter rating MWCO 12,000 - 14,000 Da | Membrane Filtration Products, Inc. | 1430-33 | Dialysis membrane |
Millex-HV Syringe Filter Unit, 0.45 µm, PVDF, 13 mm, gamma sterilized | EMD Milipore | SLHVX13NL | |
Equipment | |||
Dynamic Light Scattering/Zetapotential Zetasizer nano-ZS | Malvern | M104 | |
Transmission Electron Microscope | JEOL | JEM-1400 | |
Fluorescence Spectrophotometer | Agilent Technologies | 10075200 | Cary Eclipse |
UV-Vis Spectrophotometer | Agilent Technologies | 10068900 | Cary 50 |
Fluorescence Microscope | Olympus | IX-71 | |
950 nm longpass filter | Thorlabs | FEL0950 | |
850 nm dichroic mirror shortpass | Chroma | NC265609 | |
RT3 color CCD system | SPOT | RT2520 | |
Fluorescence Illumination | PRIOR | Lumen 200 | |
980 nm Infra-red diode laser | CNI | MDL-N-980-8W | |
UV LED Spot Light Source | UVATA | UVATA-UPS412 | With a UPH-056-365 nm LED at 200 mW/cm2 |
Thermal pile sensor | OPHIR | 12A-V1-ROHS | |
Picospritzer III | Parker Hannifin | 052-0500-900 | Intracellular Microinjection Dispense Systems |
PC-10 Needle puller | Narishige | PC-10 | |
MANOMETER Digital pressure gauge | Lutron | PM-9100 | |
One-axis Oil Hydraulic Micromanipulator | Narishige | MMO-220A | |
Heraeus Fresco 17 Centrifuge, Refrigerated | Thermo Scientific | 75002421 |
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