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Method Article
Muitas proteínas intrinsecamente desordenadas têm demonstrado participar na formação de condensados biomoleculares altamente dinâmicos, um comportamento importante para inúmeros processos celulares. Aqui, apresentamos um método baseado em imagem de molécula única para quantificar a dinâmica pela qual as proteínas interagem entre si em condensados biomoleculares em células vivas.
Condensados biomoleculares formados via separação de fase líquido-líquido (LLPS) têm sido considerados críticos na organização celular e em um número crescente de funções celulares. A caracterização da LLPS em células vivas também é importante porque a condensação aberrante tem sido associada a inúmeras doenças, incluindo cânceres e doenças neurodegenerativas. A LLPS é frequentemente impulsionada por interações seletivas, transitórias e multivalentes entre proteínas intrinsecamente desordenadas. De grande interesse são as dinâmicas de interação das proteínas participantes do LLPS, que são bem resumidas por medidas de seu tempo de residência de ligação (TR), ou seja, a quantidade de tempo que passam ligadas dentro dos condensados. Aqui, apresentamos um método baseado em imagens de célula única de célula viva que nos permite medir a RT média de uma proteína específica dentro de condensados. Visualizamos simultaneamente moléculas proteicas individuais e os condensados com os quais elas se associam, usamos rastreamento de partícula única (SPT) para traçar trajetórias de molécula única e, em seguida, ajustamos as trajetórias a um modelo de ligação proteína-gotícula para extrair o TR médio da proteína. Finalmente, mostramos resultados representativos onde este método de imagem de molécula única foi aplicado para comparar as médias de RTs de uma proteína em seus condensados de LLPS quando fundida e não fundida a um domínio oligomerizante. Este protocolo é amplamente aplicável para medir a dinâmica de interação de qualquer proteína que participa de LLPS.
Um crescente corpo de trabalhos sugere que os condensados biomoleculares desempenham um papel importante na organização celular e em numerosas funções celulares, por exemplo, regulação transcricional 1,2,3,4,5, reparo de danos ao DNA 6,7,8, organização da cromatina 9,10,11,12, cromossomo X inativação 13,14,15 e sinalização intracelular 16,17,18. Além disso, a desregulação dos condensados biomoleculares está implicada em muitas doenças, incluindo cânceres 19,20,21 e doenças neurodegenerativas 22,23,24,25,26. A formação de condensado é frequentemente impulsionada por interações transitórias, seletivas e multivalentes proteína-proteína, proteína-ácido nucleico ou ácido nucleico-ácido nucleico27. Sob certas condições, essas interações podem levar à separação de fase líquido-líquido (LLPS), uma transição de densidade que enriquece localmente biomoléculas específicas em gotículas sem membrana. Tais interações multivalentes são frequentemente mediadas pelas regiões intrinsecamente desordenadas (IDRs) das proteínas 1,28,29. A caracterização biofísica dessas interações em nível molecular é crítica para a compreensão de inúmeras funções celulares saudáveis e aberrantes, dada a penetração de condensados através delas. Embora técnicas baseadas em microscopia confocal de fluorescência, por exemplo, recuperação de fluorescência após fotoclareamento (FRAP)30,31,32, tenham sido amplamente utilizadas para mostrar qualitativamente que as trocas moleculares entre condensados e o ambiente celular circundante são dinâmicas, quantificar a dinâmica de interação de biomoléculas específicas dentro de condensados geralmente não é possível usando microscopia confocal convencional ou molécula única microscopia sem métodos especializados de análise de dados. A técnica de rastreamento de partícula única (SPT) descrita neste protocolo é baseada em microscopia de célula única de célula viva33 e fornece uma ferramenta excepcionalmente poderosa para quantificar a dinâmica de interação entre proteínas específicas dentro de condensados. A leitura do TCP para tal medida é o tempo médio de residência de uma proteína de interesse nos condensados.
O protocolo pode ser dividido em duas partes - aquisição e análise de dados. O primeiro passo da aquisição de dados de imagem é expressar nas células uma proteína de interesse que é fusionada a um HaloTag34. Isso permite a marcação da proteína de interesse com dois fluoróforos, onde a maioria das moléculas de proteína deve ser marcada com um fluoróforo não fotoativável (por exemplo, ligante35 do Halo JFX549) e uma pequena fração delas deve ser marcada com um fluoróforo fotoativável espectralmente distinto (por exemplo, o ligante36 do Halo PA-JF646). Isso permite a aquisição simultânea de todos os locais de condensado na célula e a aquisição de filmes de molécula única da proteína de interesse ligando e desligando aos condensados. Enquanto isso, o mesmo tipo de células é modificado para expressar de forma estável H2B marcado com Halo, uma histona que é em grande parte imóvel na cromatina. As células são então coradas com o ligante PA-JF646 Halo para permitir a imagem de uma única molécula de H2B. Como será discutido em detalhes a seguir, este experimento explica a contribuição do fotoclareamento para permitir a quantificação precisa da dinâmica de interação da proteína de interesse. As células para experimentos de imagem devem então ser cultivadas em lamínulas limpas, coradas com ligantes(es) HaloTag e montadas em uma câmara de imagem de células vivas. A partir daí, a amostra é fotografada sob iluminação de folha óptica altamente inclinada e laminada (HILO) em um microscópio de fluorescência de reflexão interna total (TIRF) capaz de obter imagens de dois canais e detecção de molécula única. A emissão é então dividida em duas câmeras, uma rastreando posições de condensado e outra rastreando moléculas individuais. A aquisição é realizada com um longo tempo de integração (da ordem de centenas de ms) para borrar proteínas de difusão livre e capturar apenas proteínas que são menos móveis devido à ligação a estruturas estáveis na célula37.
O primeiro passo da análise dos dados é usar um algoritmo estabelecido de rastreamento de partícula única (SPT)38,39 para localizar moléculas de proteína individuais em cada quadro do filme e montar as localizações em uma trajetória para cada molécula ao longo de sua vida útil detectável. As trajetórias são então classificadas entre as que representam moléculas dentro e as que representam moléculas fora dos condensados, comparando-se as localizações das moléculas ao longo de suas trajetórias com as localizações de todos os condensados nos tempos correspondentes1.
Em seguida, uma curva de sobrevivência (1 - CDF) é gerada usando os comprimentos de todas as trajetórias no condensado. O tempo de residência médio aparente das moléculas é então extraído ajustando-se a curva de sobrevivência ao seguinte modelo exponencial de dois componentes de ligação às proteínas,
,
com A como a fração de moléculas não especificamente ligadas e com kobs,ns e kobs,s como as taxas de dissociação observadas das moléculas não especificamente ligadas e especificamente ligadas, respectivamente. Apenas kobs,s é considerado daqui em diante. A dinâmica de dissociação deproteínas, k true,s, e o fotoclareamento do fluoróforo, kpb, contribuem para kobs,s como
;
assim, para isolar os efeitos da dissociação proteica, a taxa de dissociação específica do H2B-Halo na linhagem celular mencionada anteriormente é medida.
A H2B é uma proteína que se integra de forma estável à cromatina e que experimenta dissociação mínima na escala de tempo de aquisição de uma única molécula37. Sua taxa de dissociação específica é então igual à taxa de fotobranqueamento do ligante PA-JF646 Halo, ou
.
O tempo médio de residência em condensado da proteína de interesse, , é então
.
Resultados representativos de Irgen-Gioro et al.40 são mostrados, onde esse protocolo foi aplicado para demonstrar que a fusão de um domínio de oligomerização ao IDR resulta em maior tempo de residência do IDR em seus condensados. Esse resultado sugere que o domínio de oligomerização adicionado estabiliza as interações homotípicas do IDR que impulsiona a LLPS. Em princípio, o mesmo método com protocolos ligeiramente modificados pode ser aplicado para caracterizar as interações homotípicas ou heterotípicas de qualquer proteína que participe da formação de quaisquer tipos de condensados.
1. Marcação de proteínas em células
2. Preparação de lamínulas
3. Preparação das células para microscopia
NOTA: Execute as etapas desta seção em um gabinete de biossegurança para evitar a contaminação das células.
4. Imagem de molécula única
NOTA: Experimentos independentes medindo os tempos de residência do H2B e da proteína de interesse devem ser conduzidos ao longo de vários (≥3) dias para gerar resultados estatisticamente significativos. Antes de obter imagens de amostras de células no microscópio, alinhe as duas câmeras usando microesferas coradas com 0,1 μm (Tabela de Materiais) ou um padrão de calibração semelhante.
5. Análise de dados de imagem de molécula única
NOTA: Os parâmetros usados ao longo da seção 5 são específicos para este experimento e incluídos como exemplo. Os parâmetros apropriados devem ser escolhidos de acordo com os critérios listados na discussão.
Aqui, apresentamos resultados representativos de Irgen-Gioro et al.40, onde utilizamos este protocolo de TCP para comparar a dinâmica de interação de duas proteínas em seus respectivos condensados de LLPS auto-montados. TAF15 (TATA-box binding protein associated factor 15) contém um IDR que pode sofrer LLPS após superexpressão em células humanas. Nós hipotetizamos que a fusão de TAF15(IDR) com FTH1 (ferritin heavy chain 1), que forma um oligômero de 24 subunidades, levaria a interaçõe...
O protocolo aqui apresentado é projetado para sistemas como os investigados em Irgen-Gioro et al.40. Dependendo da aplicação, alguns componentes do protocolo podem ser modificados, por exemplo, o método de geração de linhagens celulares marcadas fluorescentemente, o sistema de marcação fluorescente e o estilo de lamínula usado. A marcação de uma proteína em uma célula pode ser feita usando duas estratégias, dependendo de qual é mais adequada para um determinado experimento. 1) Expre...
Os autores não têm nada a revelar.
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation Graduate Research Fellowship sob o Grant No. 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.) e Margaret E. Bolsa Early Medical Research Trust 2024 (S.C.). S.C. também é apoiado pelo NIH/NCI sob o número de prêmio 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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