Name: reconstitution of basic mitotic spindles in spherical emulsion droplets
Uploaded: 2016-08-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Reconstitution of Basic Mitotic Spindles in Spherical Emulsion Droplets at JoVE.com

We like to thank the members of the Dogterom lab for valuable discussions. We acknowledge Stefan Diez and Marcel Janson for reagents, and Samara Reck-Peterson for help with the purification of dynein. This work was supported by funding from the European Research Council (ERC Synergy grant: MODEL-CELL).

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	<li>Kotak, S., Gonczy, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+spindle+positioning:+cortical+force+generators+in+the+limelight.">Mechanisms of spindle positioning: cortical force generators in the limelight.</a> Curr Opin Cell Biol. 25 (6), 741-748 (2013).</li><li>Williams, S. E., Fuchs, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oriented+divisions,+fate+decisions.">Oriented divisions, fate decisions.</a> Curr Opin Cell Biol. 25 (6), 749-758 (2013).</li><li>Tanenbaum, M. E., Medema, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+centrosome+separation+and+bipolar+spindle+assembly.">Mechanisms of centrosome separation and bipolar spindle assembly.</a> Dev Cell. 19, 797-806 (2010).</li><li>Civelekoglu-Scholey, G., Scholey, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitotic+force+generators+and+chromosome+segregation.">Mitotic force generators and chromosome segregation.</a> Cell Mol Life Sci. 67 (13), 2231-2250 (2010).</li><li>Faivre-Moskalenko, C., Dogterom, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+microtubule+asters+in+microfabricated+chambers:+the+role+of+catastrophes.">Dynamics of microtubule asters in microfabricated chambers: the role of catastrophes.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 99 (26), 16788-16793 (2002).</li><li>Janson, M. E., de Dood, M. E., Dogterom, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+instability+of+microtubules+is+regulated+by+force.">Dynamic instability of microtubules is regulated by force.</a> J Cell Biol. 161 (6), 1029-1034 (2003).</li><li>Laan, L., Husson, J., Munteanu, E. L., Kerssemakers, J. W., Dogterom, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force-generation+and+dynamic+instability+of+microtubule+bundles.">Force-generation and dynamic instability of microtubule bundles.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (26), 8920-8925 (2008).</li><li>Laan, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+dynein+controls+microtubule+dynamics+to+generate+pulling+forces+that+position+microtubule+asters.">Cortical dynein controls microtubule dynamics to generate pulling forces that position microtubule asters.</a> Cell. 148 (3), 502-514 (2012).</li><li>Dogterom, M., Yurke, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+force-velocity+relation+for+growing+microtubules.">Measurement of the force-velocity relation for growing microtubules.</a> Science. 278 (5339), 856-860 (1997).</li><li>Cytrynbaum, E. N., Scholey, J. M., Mogilner, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+force+balance+model+of+early+spindle+pole+separation+in+Drosophila+embryos.">A force balance model of early spindle pole separation in Drosophila embryos.</a> Biophys J. 84 (2 Pt 1), 757-769 (2003).</li><li>Kozlowski, C., Srayko, M., Nedelec, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+microtubule+contacts+position+the+spindle+in+C.+elegans+embryos.">Cortical microtubule contacts position the spindle in C. elegans embryos.</a> Cell. 129 (3), 499-510 (2007).</li><li>Carminati, J. L., Stearns, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microtubules+orient+the+mitotic+spindle+in+yeast+through+dynein-dependent+interactions+with+the+cell+cortex.">Microtubules orient the mitotic spindle in yeast through dynein-dependent interactions with the cell cortex.</a> J Cell Biol. 138 (3), 629-641 (1997).</li><li>Nguyen-Ngoc, T., Afshar, K., Gonczy, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coupling+of+cortical+dynein+and+G+alpha+proteins+mediates+spindle+positioning+in+Caenorhabditis+elegans.">Coupling of cortical dynein and G alpha proteins mediates spindle positioning in Caenorhabditis elegans.</a> Nat Cell Biol. 9 (11), 1294-1302 (2007).</li><li>Moore, J. K., Cooper, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coordinating+mitosis+with+cell+polarity:+Molecular+motors+at+the+cell+cortex.">Coordinating mitosis with cell polarity: Molecular motors at the cell cortex.</a> Semin Cell Dev Biol. 21 (3), 283-289 (2010).</li><li>Grishchuk, E. L., Molodtsov, M. I., Ataullakhanov, F. I., McIntosh, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force+production+by+disassembling+microtubules.">Force production by disassembling microtubules.</a> Nature. 438 (7066), 384-388 (2005).</li><li>Toba, S., Watanabe, T. M., Yamaguchi-Okimoto, L., Toyoshima, Y. Y., Higuchi, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Overlapping+hand-over-hand+mechanism+of+single+molecular+motility+of+cytoplasmic+dynein.">Overlapping hand-over-hand mechanism of single molecular motility of cytoplasmic dynein.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (15), 5741-5745 (2006).</li><li>Ten Hoopen, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanism+for+astral+microtubule+capture+by+cortical+Bud6p+priming+spindle+polarity+in+S.+cerevisiae.">Mechanism for astral microtubule capture by cortical Bud6p priming spindle polarity in S. cerevisiae.</a> Curr Biol. 22 (12), 1075-1083 (2012).</li><li>Kapitein, L. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+bipolar+mitotic+kinesin+Eg5+moves+on+both+microtubules+that+it+crosslinks.">The bipolar mitotic kinesin Eg5 moves on both microtubules that it crosslinks.</a> Nature. 435 (7038), 114-118 (2005).</li><li>van den Wildenberg, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+homotetrameric+kinesin-5+KLP61F+preferentially+crosslinks+microtubules+into+antiparallel+orientations.">The homotetrameric kinesin-5 KLP61F preferentially crosslinks microtubules into antiparallel orientations.</a> Curr Biol. 18 (23), 1860-1864 (2008).</li><li>Kapitein, L. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microtubule+cross-linking+triggers+the+directional+motility+of+kinesin-5.">Microtubule cross-linking triggers the directional motility of kinesin-5.</a> J Cell Biol. 182 (3), 421-428 (2008).</li><li>Ferenz, N. P., Gable, A., Wadsworth, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitotic+functions+of+kinesin-5.">Mitotic functions of kinesin-5.</a> Semin Cell Dev Biol. 21 (3), 255-259 (2010).</li><li>Schuyler, S. C., Liu, J. Y., Pellman, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+molecular+function+of+Ase1p:+evidence+for+a+MAP-dependent+midzone-specific+spindle+matrix.+Microtubule-associated+proteins.">The molecular function of Ase1p: evidence for a MAP-dependent midzone-specific spindle matrix. Microtubule-associated proteins.</a> J Cell Biol. 160 (4), 517-528 (2003).</li><li>Loiodice, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ase1p+organizes+antiparallel+microtubule+arrays+during+interphase+and+mitosis+in+fission+yeast.">Ase1p organizes antiparallel microtubule arrays during interphase and mitosis in fission yeast.</a> Mol Biol Cell. 16 (4), 1756-1768 (2005).</li><li>Kapitein, L. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microtubule-driven+multimerization+recruits+ase1p+onto+overlapping+microtubules.">Microtubule-driven multimerization recruits ase1p onto overlapping microtubules.</a> Curr Biol. 18 (21), 1713-1717 (2008).</li><li>Janson, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crosslinkers+and+motors+organize+dynamic+microtubules+to+form+stable+bipolar+arrays+in+fission+yeast.">Crosslinkers and motors organize dynamic microtubules to form stable bipolar arrays in fission yeast.</a> Cell. 128 (2), 357-368 (2007).</li><li>Bieling, P., Telley, I. A., Surrey, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+minimal+midzone+protein+module+controls+formation+and+length+of+antiparallel+microtubule+overlaps.">A minimal midzone protein module controls formation and length of antiparallel microtubule overlaps.</a> Cell. 142 (3), 420-432 (2010).</li><li>Mollinari, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PRC1+is+a+microtubule+binding+and+bundling+protein+essential+to+maintain+the+mitotic+spindle+midzone.">PRC1 is a microtubule binding and bundling protein essential to maintain the mitotic spindle midzone.</a> J Cell Biol. 157 (7), 1175-1186 (2002).</li><li>Braun, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptive+braking+by+Ase1+prevents+overlapping+microtubules+from+sliding+completely+apart.">Adaptive braking by Ase1 prevents overlapping microtubules from sliding completely apart.</a> Nat Cell Biol. 13 (10), 1259-1264 (2011).</li><li>Lansky, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffusible+crosslinkers+generate+directed+forces+in+microtubule+networks.">Diffusible crosslinkers generate directed forces in microtubule networks.</a> Cell. 160 (6), 1159-1168 (2015).</li><li>Yamashita, A., Sato, M., Fujita, A., Yamamoto, M., Toda, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+roles+of+fission+yeast+ase1+in+mitotic+cell+division,+meiotic+nuclear+oscillation,+and+cytokinesis+checkpoint+signaling.">The roles of fission yeast ase1 in mitotic cell division, meiotic nuclear oscillation, and cytokinesis checkpoint signaling.</a> Mol Biol Cell. 16 (3), 1378-1395 (2005).</li><li>Roth, S., Laan, L., Dogterom, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstitution+of+cortical+Dynein+function.">Reconstitution of cortical Dynein function.</a> Methods Enzymol. 540, 205-230 (2014).</li><li>Moudjou, M., Bornens, M., Celis, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Method+of+centrosome+isolation+from+cultured+animal+cells.">Method of centrosome isolation from cultured animal cells.</a> Cell Biology: A laboratory handbook. 2, 111-119 (1998).</li><li>Reck-Peterson, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+analysis+of+dynein+processivity+and+stepping+behavior.">Single-molecule analysis of dynein processivity and stepping behavior.</a> Cell. 126 (2), 335-348 (2006).</li><li>Schindelin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiji:+an+open-source+platform+for+biological-image+analysis.">Fiji: an open-source platform for biological-image analysis.</a> Nat Methods. 9 (7), 676-682 (2012).</li><li>Lancaster, O. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitotic+rounding+alters+cell+geometry+to+ensure+efficient+bipolar+spindle+formation.">Mitotic rounding alters cell geometry to ensure efficient bipolar spindle formation.</a> Dev Cell. 25 (3), 270-283 (2013).</li><li>Good, M. C., Vahey, M. D., Skandarajah, A., Fletcher, D. A., Heald, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cytoplasmic+volume+modulates+spindle+size+during+embryogenesis.">Cytoplasmic volume modulates spindle size during embryogenesis.</a> Science. 342 (6160), 856-860 (2013).</li><li>Green, N. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Avidin+and+streptavidin.">Avidin and streptavidin.</a> Methods Enzymol. 184, 51-67 (1990).</li><li>Moore, W., Zhang, C., Clarke, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+of+RCC1+to+chromosomes+is+required+for+proper+mitotic+spindle+assembly+in+human+cells.">Targeting of RCC1 to chromosomes is required for proper mitotic spindle assembly in human cells.</a> Curr Biol. 12 (16), 1442-1447 (2002).</li><li>Akiyoshi, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tension+directly+stabilizes+reconstituted+kinetochore-microtubule+attachments.">Tension directly stabilizes reconstituted kinetochore-microtubule attachments.</a> Nature. 468 (7323), 576-579 (2010).</li><li>Lawrimore, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DNA+loops+generate+intracentromere+tension+in+mitosis.">DNA loops generate intracentromere tension in mitosis.</a> J Cell Biol. 210 (4), 553-564 (2015).</li><li>Minc, N., Burgess, D., Chang, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+cell+geometry+on+division-plane+positioning.">Influence of cell geometry on division-plane positioning.</a> Cell. 144 (3), 414-426 (2011).</li><li>Taberner, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+systems+for+the+study+of+microtubule-based+cell+polarity+in+fission+yeast.">In vitro systems for the study of microtubule-based cell polarity in fission yeast.</a> Methods Cell Biol. 128, 1-22 (2015).</li><li>Boukellal, H., Selimovic, S., Jia, Y., Cristobal, G., Fraden, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+robust+storage+of+drops+and+fluids+in+a+microfluidic+device.">Simple robust storage of drops and fluids in a microfluidic device.</a> Lab Chip. 9 (2), 331-338 (2009).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

Os métodos descritos aqui presentes os recentes esforços para reconstituir eixos básicos mitóticas em água-em-óleo gotículas de emulsão. Estudar montagem do fuso dentro de limites geométricos oferece inúmeras vantagens. Existem mecanismos importantes de feedback entre os microtúbulos do fuso mitótico e as restrições geométricas em que são montadas. Os microtúbulos pode gerar forças que empurra quando crescem em limites geométricos, o que pode resultar num deslocamento do fuso mitótico. Além disso, crescendo em uma barreira física pode induzir catástrofes microtúbulos. Além disso, a montagem do eixo dentro de uma geometria confinada pode levar a uma redução gradual dos componentes individuais, tais como a tubulina, que por sua vez afecta directamente a taxa de crescimento dos microtúbulos 36. Estes são todos determinantes essenciais do porta-veios, que podem ser estudados utilizando os ensaios descritos aqui. Os ensaios descritos são muito sensíveis à pequena concentração diferenc ias de os componentes das gotículas. Este é o caso para a tubulina, em que as diferenças de concentração pequenas podem resultar em crescimento de microtúbulos, quer muito lenta ou muito rápida. Neste caso, as taxas de crescimento de microtúbulos pode muitas vezes ainda ser corrigido ajustando a temperatura durante o primeiro ~ 30 min da experiência. montagem do fuso mitótico e posicionamento é também muito sensível a variações na concentração dos geradores (cortical) de força. É provável que isto depende da concentração, a pureza e a actividade dos componentes purificados e precisa de ser cuidadosamente titulada para cada nova proteína purificada. Além disso, certas soluções de compromisso tem que ser feita em configurações de imagem, dependendo da natureza do ensaio. Inicialmente, altos níveis de dímeros de tubulina fluorescentes solúveis dificultar a imagem microtúbulos individuais. Como microtúbulos tubulina e crescer mais lentamente solúvel é esgotado, a relação sinal-ruído gradualmente torna-se maior e permite a imagiologia de INDIVIDUmicrotúbulos al. Em contraste com as configurações com sistemas abertos, o confinamento geométrica impede a troca de moléculas fluorescentes e componentes do sistema eliminador de oxigénio dentro de um reservatório a granel, resultando em branqueamento significativo. Especialmente para monitorizar a montagem do fuso e o posicionamento ao longo do tempo, que é necessário para a imagem com baixas intensidades de luz, mesmo na presença de um sistema eliminador de oxigénio potente. Estes métodos permitem a reconstituição de baixo para cima de estruturas fusiformes simplificados in vitro. Em adição aos componentes aqui apresentados, muitos outros factores têm sido descritas para influenciar a formação do fuso bipolar, posicionamento, orientação, moldagem, etc 3. Este sistema também pode ser expandido para estudar os efeitos individuais e combinados de geradores de força adicional. importantes contribuintes para a formação do fuso que estão atualmente ausente deste sistema são os cromossomos mitóticos. cromatina mitótica foi mostrado paraformação do fuso directo, por (1) chromokinesins que podem gerar os chamados &quot;forças polar-ejecção &#39;3, (2) a formação de um gradiente RanGTP pela ligada à cromatina RanGEF RCC1 38, (3) cinetócoros que pode interagir com (despolimerização microtúbulos) 39 e (4) do próprio cromatina, o que pode funcionar como uma mola mecânica entre-microtúbulos opostas 40. Finalmente, o sistema descrito atualmente fornece controle espacial e temporal limitado sobre a atividade e localização de força-geradores introduzidas. Nas células, muitos fatores de montagem do fuso localizam compartimentos específicos ou estão ativos dentro de uma janela de tempo restrito. Um exemplo notável é a actividade de dineína, que é especificamente enriquecida no lado posterior da C. elegans fase de embrião de uma célula para promover o posicionamento do eixo assimétrico e divisão celular. Neste sistema, estamos a explorar a possibilidade de imitar tais tmétodos emporal e assimétricas atividade usando emprestado de técnicas opto-genéticos. Além disso, como é o caso para o C. elegans embrião e as células com uma parede celular rígida, muitas células não completam na mitose. A forma do confinamento geométrica terá um impacto fundamental sobre as forças que atuam sobre o eixo 41. Assim, será importante para reconstituir montagem do fuso e posicionamento em gotículas não esféricas, bem como, potencialmente usando sistemas microfluídicos mais complexos que permitem que moldam e armazenamento de emulsão de gotas 42,43. Finalmente, em tecidos, célula-célula e sinalização-substrato celular e apego fornecer pistas externas que podem ser traduzidos em orientação do fuso dirigido, como é muitas vezes observada em células epiteliais e células-tronco. Todos estes aspectos especializados não foram tidos em conta neste estudo atual e pode fornecer futuros desafios para construir no sentido mais in vivo -como reconstituições de assemb fuso mitóticoly e posicionamento.

Durante a mitose, os cromossomos do genoma replicado são organizados no equador célula para assegurar a igualdade de distribuição de cromatídeos irmãos sobre as células filhas recém-formados. posicionamento cromossomo e segregação é mediada pela sua adesão aos microtúbulos do fuso originários de dois centrossomas opostas. Além de garantir a distribuição cromossoma fiel, a orientação do fuso mitótico também determina do plano de divisão celular 1. Orientação coordenada de divisão celular é essencial durante muitos estágios de desenvolvimento e para a homeostase do tecido 2. Especificamente, regulado o posicionamento do fuso mitótico pode resultar numa distribuição assimétrica dos conteúdos celulares ou mesmo produzir células filhas de diferentes tamanhos 2. Montagem de fuso mitótico e orientação começa na prófase e é orquestrado por uma complexa interação entre cooperação e antagonizar força-geradores 3,4. As forças geradas consistem em bpuxar e empurrar as forças OTH. Estas forças são originários a partir de ambos os contactos de fuso com o córtex celular, bem como a partir de dentro do fuso, e pode ser gerado por dinâmica dos microtúbulos, bem como por motores moleculares e agentes de reticulação (Figura 1). forças que empurram pode ser gerado quando microtúbulos crescer contra estruturas rígidas, tais como o córtex célula. Dependendo da força de resistência total gerada dentro do sistema, isso pode resultar em reposicionamento do fuso mitótico (forças inferiores) ou desencadear encurvadura microtúbulos ou catástrofe (forças elevadas) 5-8. A quantidade de força que pode ser gerada por empurrando depende do comprimento do microtúbulo, uma vez que o comprimento é um determinante forte do microtúbulo-flambagem 9. Além disso, os microtúbulos que se originam a partir de um centrossoma podem empurrar contra a outra centrossoma, um mecanismo que tem sido sugerido para conduzir a separação do centrossoma no início de profase 3,10. Em anúnciocondição para empurrar as forças geradas por microtúbulos crescimento, microtúbulos termina contactar o córtex celular também pode mediar puxando forças 11. Estudos de vários laboratórios tem mostrado que a actividade controlada de geradores de força corticais é necessário para o posicionamento assimétrico de fusos mitóticos in vivo 1. Essencial para essas forças que puxam é dineína localizada-cortex citoplasmática (doravante referida como &quot;dineína &#39;), um sinal de menos-end microtúbulos dirigido proteína motora 8,12,13. Por exemplo, na levedura de brotamento, interacções laterais de dineína cortical com o resultado da estrutura de microtúbulos em microtúbulos dependente do motor de deslizamento ao longo do córtex 14. No entanto, as forças de tracção corticais também pode ser gerado pela capacidade de dineína para formar ligações de extremidade-para despolimerizar os microtúbulos 8. A energia gerada pelo encolhimento dos microtúbulos podem conduzir a forças que são, geralmente, uma ordem de magnitude maior (~ 50 pN (Referência 15 </s-se&gt;)) do que as forças geradas pelo motor proteínas individuais (~ 7-8 pN (ref. 16)). Apego End-on de dineína cortical aos microtúbulos despolimerização promove o posicionamento do fuso em brotamento levedura 17 e C. elegans 13. Se corticais forças de tracção impulsionado deslizante dependentes de motor e microtúbulos despolimerização podem cooperar ou são mutuamente exclusivas in vivo é actualmente desconhecido. Além das forças que empurram microtúbulos e forças de tracção corticais mediada por dineína, centrossoma posicionamento é controlado a partir de dentro do fuso mitótico por numerosas outras proteínas. Cinesina-5 motores, por exemplo, existir como tetrâmeros que podem reticular os microtúbulos interpolares antiparalelas, resultando na geração de forças para o exterior de deslizamento 18-20. Os membros da família motora cinesina-5 são necessárias para a separação do centrossoma e montagem do fuso bipolar em todos os eucariotas estudados, com a excepção de C. elegans<html> (revisto em referência 21). Além disso, difusíveis reticulantes da família / PRC1 Ase1 também são conhecidos para localizar regiões de sobreposição dos microtúbulos de microtúbulos interpolares in vivo e in vitro 22-27. As forças geradas pela expansão Ase1-driven do microtubule-região de sobreposição são grandes o suficiente para contrabalançar kinesin-14 forças de correr mediadas in vitro 28,29. Em células, Ase1 / PRC1 é necessário para a formação estável de sobreposição de regiões de microtúbulos no fuso midzone 25-27,30, sugerindo que as forças geradas pela reticuladores difusíveis pode contribuir significativamente para a organização do fuso. Finalmente, as forças da cromatina mitótico e cinetócoros influenciar a formação do fuso mitótico e posicionamento através de várias vias 3. Uma vez que estes componentes não fazem parte dos ensaios de reconstituição descritos aqui, eles não serão discutidos em detalhe. jove_content &quot;&gt; Existem diferentes teorias sobre como os diferentes componentes moleculares e as forças descritas acima cooperar na montagem do fuso e posicionamento, mas ainda estamos muito longe de um entendimento quantitativo. Além de experimentos em células vivas, in vitro experimentos com componentes purificados fornecer uma poderosa rota para ajudar a atingir este objectivo. Aqui é apresentado um guia visual para uma versão adaptada e estendida dos métodos publicados recentemente (Roth et al., 31), em que fusos básicos são reconstituídos em água-em-óleo de gotículas de emulsão, começando com um número mínimo de componentes. Utilizando técnicas de microfluidos, gotas esféricas são gerados com tamanhos que são comparáveis ​​aos das células mitóticas. dentro destas gotículas, centrossomas purificadas e tubulina podem ser combinados a fim de estudar a dinâmica do áster de microtúbulos, forçar as interacções de geração e áster-áster. por introduzindo corticais (tais como dineína) e inter-polares (tais como cinesina-5 / Ase1) força-geradores, nósreconstituir estruturas fusiformes cada vez mais complexos que começam a assemelhar-se a situação in vivo.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;1. Preparation of microfluidic chips&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Photomask (Photomask on film substrate)</td><td>Selba S.A. Switzerland</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SU-8 3025</td><td>MicroChem</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafer (4 inch silicon wafer p/Boron &amp;lt;1-0-0&gt;10-20 &amp;Omega;-cm, 500-550 &amp;mu;m, SSP, with 2 flats)</td><td>WRS Materials</td><td>4P0SSP-005</td><td></td></tr><tr><td>Spin coater&amp;nbsp;</td><td>Polos</td><td>SPIN150I</td><td></td></tr><tr><td>PDMS pre-polymer RVT615 A+B</td><td>Lubribond</td><td>9481</td><td></td></tr><tr><td>Corona treater</td><td>Electro-technic products</td><td>BD-20ACV</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;2. Microfluidic setup&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Name&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Company&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Catalog Number&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Comments&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>DOPS (1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine)</td><td>Avanti Polar Lipids</td><td>840035</td><td></td></tr><tr><td>Biotinyl PE (1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(biotinyl))</td><td>Avanti Polar Lipids</td><td>870285</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>650498</td><td></td></tr><tr><td>Glass pipets</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Glass tubes</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum pump</td><td>Laboport</td><td>KNF</td><td></td></tr><tr><td>Vacuum chamber</td><td>Kartell</td><td>Polypropylene Vacuum Desiccator</td><td></td></tr><tr><td>Mineral oil</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M5904</td><td></td></tr><tr><td>Surfactant (Span80)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85548</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson</td><td>M2800H</td><td></td></tr><tr><td>Coverslips</td><td></td><td></td><td>24 mm x 60 mm, thickness 1.5</td></tr><tr><td>Glass-slides</td><td></td><td></td><td>26 mm x 76 mm</td></tr><tr><td>Puncher</td><td>Harris Uni-Core</td><td>135840/135841/135843</td><td></td></tr><tr><td>Laboratory sealing film</td><td>Parafilm</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Valap (Vaseline, lanolin, paraffin wax melted at equal concentrations)</td><td></td><td></td><td>Home made</td></tr><tr><td>Brightfield Microscope</td><td>Leica</td><td>PMIRB&amp;nbsp;</td><td>Any inverted brightfield would suffice</td></tr><tr><td>Pressure controler</td><td>Fluigent</td><td>MFCS-FLEX-4C-1000</td><td></td></tr><tr><td>PEEK Tubing</td><td>Cluzeau Info. Labo, France</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Microfluidics vials (Tubes Micrew 0.5 ml and 1 ml)</td><td>VWR, The Netherlands</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;3. Reconstituting spindle formation and positioning&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Name&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Company&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Catalog Number&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Comments&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Dextran-647 nm (Dextran, Alexa Fluor 647, 10,000 MW, Anionic, Fixable)</td><td>Life Technologies</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tween-20</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BSA - Bovine serum albumin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Glucose (D-(+)-Glucose)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G8270</td><td></td></tr><tr><td>Glucose-oxidase (Glucose oxidase from Aspergillus niger)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G6125</td><td></td></tr><tr><td>DTT (DL-dithioltheitol)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>646563</td><td></td></tr><tr><td>Catalase (Catalase form bovine liver)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C9322</td><td></td></tr><tr><td>Tubulin (Tubulin from bovine brain)</td><td>Cytoskeleton Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tubulin-488/561 (HiLyte-488/Rhodamine-labeled tubulin from porcine brain)</td><td>Cytoskeleton Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>GTP (Guanosine-&#039;5-triphosphate, sodium salt hydrate)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>51120</td><td></td></tr><tr><td>&amp;kappa;-casein (&amp;kappa;-casein from bovine serum milk)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C0406</td><td></td></tr><tr><td>Airfuge (Air-driven ultracentrifuge)</td><td>Beckman-Coulter</td><td>CLS</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;4. Introducing spindle-assembly factors&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Name&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Company&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Catalog Number&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Comments&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Neutravidin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A2666</td><td></td></tr><tr><td>ATP (Adenosine-&#039;5-triphosphate, disodium salt hydrate)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A9187</td><td></td></tr><tr><td>PEP (Phospho(enol)pyruvic acid monosodium salt hydrate &amp;ge;97% (enzymatic))</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P0564</td><td></td></tr><tr><td>PK/LDH -(Pyruvate kinase/lactic dehydrogenase enzymes from rabbit muscle)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P0294</td><td></td></tr></tbody></table>

reconstitution of basic mitotic spindles in spherical emulsion droplets

Mitotic spindle assembly, positioning and orientation depend on the combined forces generated by microtubule dynamics, microtubule motor proteins and cross-linkers. Growing microtubules can generate pushing forces, while depolymerizing microtubules can convert the energy from microtubule shrinkage into pulling forces, when attached, for example, to cortical dynein or chromosomes. In addition, motor proteins and diffusible cross-linkers within the spindle contribute to spindle architecture by connecting and sliding anti-parallel microtubules. In vivo, it has proven difficult to unravel the relative contribution of individual players to the overall balance of forces. Here we present the methods that we recently developed in our efforts to reconstitute basic mitotic spindles bottom-up in vitro. Using microfluidic techniques, centrosomes and tubulin are encapsulated in water-in-oil emulsion droplets, leading to the formation of geometrically confined (double) microtubule asters. By additionally introducing cortically anchored dynein, plus-end directed microtubule motors and diffusible cross-linkers, this system is used to reconstitute spindle-like structures. The methods presented here provide a starting point for reconstitution of more complete mitotic spindles, allowing for a detailed study of the contribution of each individual component, and for obtaining an integrated quantitative view of the force-balance within the mitotic spindle.

Os métodos apresentados nas secções precedentes a permitir a reconstituição de estruturas fusiformes com o aumento da complexidade geométrica usando o confinamento de água-em-óleo de gotículas de emulsão. Esta seção descreve os resultados representativos que qualitativamente demonstrar a capacidade destes ensaios. Durante a mitose, quando o fuso bipolar é montado, as células completam para formar esferas com um diâmetro de cerca de 15 uM, tal como medido para as células humanas. Esta forma da célula mitótica característica fornece um limite geométrico que ambos restringe e dirige o tamanho e a orientação do eixo 35,36. Técnicas microfluídicos, fornecer um nível de confinamento geométrica que se assemelha com precisão a situação observada em células vivas e, portanto, permite a reconstrução de baixo para cima de fusos mitóticos in vitro. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; asters microtúbulos são por si só já capaz de comportamento complexo quando o crescimento dos microtúbulos é restrito por limites geométricos. Como microtúbulos crescem, empurrando as forças geradas pela incorporação de novos dímeros de tubulina conduzir os dois centrossomas para os lados das gotículas de emulsão opostas. Em primeiro lugar, centrossomas difundem-se livremente dentro do volume confinado (Figura 4A, painel da esquerda). Após cerca de 20-30 minutos, os primeiros microtúbulos se tornar difusão visível e centrossoma se torna restrito como microtúbulos crescem contra o córtex em todas as direções. Ásteres com microtúbulos de comprimento intermédio (cerca de 50% do diâmetro das gotículas) pode (estericamente) repelem outro, com microtúbulos empurrar um contra o outro, os outros centrossomas e o córtex. Isso resulta em um arranjo fusiforme &#39;bipolar&#39; típico com os dois centrossomas opostos uns aos outros (Figura 4A, painel do meio). Quando microtúbulos crescer mais do que ~ 50% da gotícula-diâmmedidor, os centrossomas são empurrados ainda mais para os limites opostos da gota, com os microtúbulos que crescem ao longo do córtex gota (Figura 4a, painel da direita). É importante notar que as taxas de crescimento dos microtúbulos nestes ensaios são muito sensíveis à temperatura e concentrações afim da tubulina. Esses parâmetros, portanto, afetar fortemente o momento em que a nucleação é observada pela primeira vez e quando as posições do áster de estado estacionário são atingidos. Em células, forças de tracção corticais são geradas através da formação de ligações de suporte de carga entre o microtúbulo e as extremidades plus-dineína associada-córtex. Nas células animais, a associação do complexo depende Gαi / LGN / NUMA, que é orientada para a membrana plasmática através de miristoilação de terminal-N de uma Gαi. Nestes ensaios de reconstituição, o requisito de o complexo Gαi / LGN / NuMA é ignorada por acoplamento directo dineína a lípidos através do biotiniladosformação de complexos de biotina-estreptavidina-biotina. Estas ligações são relativamente estáveis ​​(K D ~ 10 -14 M) 37 e formar rapidamente (geralmente dentro de 10 minutos após a formação das gotas da emulsão, antes de microtúbulos nucleação torna-se aparente) (Figura 4b). Na presença de dineína cortical, centrossomas tipicamente reter uma posição mais central, enquanto que, na ausência de dineína, centrossomas são empurrados para os lados opostos do córtex gota (Figura 4c). Nós razão que este é o resultado de dois efeitos, o que evitar e combater as forças de microtúbulos empurrando. (1) Dineína promove diretamente catástrofes microtúbulos, restringindo assim o comprimento dos microtúbulos e prevenir flambagem microtúbulos excessiva, e (2) as forças que puxam corticais levam a forças de centralização líquidos sobre os ásteres individuais 8, que neutralizam as forças de repulsão aster-aster. O agente de reticulação difusível Ase1 induz forces que tendem a aumentar a região de sobreposição de microtúbulos anti-paralelos 29. Consistente com este, na presença de Ase1 (e ausência de dineína) centrossomas são encontradas perto em conjunto com a localização de Ase1 empacotado microtúbulos interpolares (Figura 4D). Os membros da família da cinesina-5 conduzir a separação do centrossoma, fornecendo forças que empurram a partir de dentro do fuso (ver introdução). Na presença de Cut7 (S. pombe cinesina-5 ortólogo), centrossomas são empurrados para os lados opostos das gotículas de emulsão, mesmo na presença de Ase1 (Figura 4E). Através da combinação de geradores de força corticais e inter-polares, o nível de complexidade pode ser aumentada nestas experiências, o que levou a uma compreensão abrangente da montagem do fuso mitótico bipolar. Uma descrição detalhada quantitativa destes resultados estarão disponíveis no futuro (Roth et ai., Manuscrito em preparação). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; Além de observar a posição dos centrossomas em momentos fixos no tempo, e o seu comportamento relativo aos comprimentos observados dos microtúbulos, informações valiosas pode ser obtida seguindo o processo de posicionamento sobre Tempo. Ao reduzir o tempo de exposição e as intensidades de laser, é agora possível seguir posicionamento áster em intervalos de 2 min durante pelo menos 1 hora com apenas ~ 30% de branqueamento. Isso permite o monitoramento de reunião aster e posicionamento de centrossomas que difundem livremente (0 min.) Via centralizada (12 min.) Para asters descentralizadas (36 min e mais) (Figura 5C). Isto facilita o estudo de comportamento tanto no estado estacionário e cinética de montagem do fuso. Através da combinação de gotículas com diferentes teores na mesma amostra, é, por exemplo, possível comparar directamente posicionamento e montagem do fuso cinética centrossoma em gotículas com e sem geradores de força cortical (Figura 5b). Figura 1: As forças que actuam sobre o fuso mitótico Várias moléculas geradoras de força agir sobre os microtúbulos do fuso mitótico para promover a formação do fuso e posicionamento.. Os microtúbulos que se transformam em células do córtex gerar uma força de propulsão no centrossoma. dineína cortical (roxo) captura microtúbulos despolimerização e gera uma força puxando os centrossomas. Dentro do fuso, cinesina-5 proteínas do motor / Cut7 fornecer uma força externa que desliza no microtúbulos anti-paralelas, enquanto agentes de reticulação da família PRC1 / Ase1 gerar uma oposição externa força de deslizamento. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54278/54278fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura .</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54278/54278fig2.jpg" /> Figura 2:. Microfluidic Chip Design (A) Projeto de photomask 4 polegadas contendo 4 chips microfluídicos. (B) uma representação detalhada de um único chip. Batatas fritas contêm um canal de saída e três canais de entrada de ar seguido por um filtro de poeira. Uma entrada do canal contém a fase aquosa, o canal 2 / óleo de fase lipídica e o canal 3 pode ser utilizado para diluir as gotas formadas com / óleo de fase lípido adicional. (C) Representação detalhada da junção onde o / óleo de fase lipídica (proveniente da parte superior e inferior) encontra-se com a fase aquosa (vindo da esquerda). Na junção, as gotas irão formar e fluir em direcção ao canal de saída do lado direito. (D) a representação detalhada de um dust-filtro com 2 mm canais. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54278/54278fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54278/54278fig3.jpg" /> Figura 3:. Metodologia para a formação de água-em-óleo das gotas da emulsão (A) e tubos de chip microfluídico microfluidos em um microscópio de campo brilhante. Ambos os tubos de água e /-óleo de fase lipídica está ligado às entradas de chip 1 e 2, respectivamente. (B) Restrição no chip de microfluídica, onde a água e lipídios / óleo-fases se encontram. Ao mudar as pressões, as gotas de tamanho pode ser controlada. (C) Projeto de células de fluxo de PDMS-revestidos. Depois de colocar as gotas para a célula de fluxo, as extremidades abertas são fechadas com valap adicional. (D) Esquema de formação de gotículas. Gotas são usados ​​para encapsular centrossomas, tubulina e componentes adicionais necessários para a formação do fuso mitótico. (E) esquemático de segmentação cortical-dineína. Biotinilada (Bio) dineína é direcionado para lipídios biotinilados através de estreptavidina (Strp). <ahref = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54278/54278fig3large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54278/54278fig4.jpg" /> Figura 4:. Os resultados representativos do eixo-Reconstituições com a complexidade crescente (A) as projeções de intensidade máxima de gotículas contendo dois centrossomas que mostram exemplos de microtúbulos curtas, médias e longas. Centrossomas e microtúbulos são visualizadas através da adição de 10% HiLyte-488 marcado tubulina. Barras de escala = 10 uM. (B) Localização de GFP-biotina-dineína-TMR na ausência (-, esquerda) e na presença (+, direita) de estreptavidina (Strp). Posicionamento (C) Microtubule áster na ausência (-, esquerda) ou na presença (+, direita) da cortical GFP-biotina-dineína-TMR. (D) aster microtúbulos (painel esquerdo, green) posicionamento na presença de Ase1 (painel do meio, vermelho). (E) microtúbulos aster (painel esquerdo, verde) posicionamento na presença de Ase1 e Cut7 (kinesin-5) (painel do meio, vermelho). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54278/54278fig4large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54278/54278fig5.jpg" /> Figura 5: geração de imagens Aster de posicionamento Dynamics in vitro (A) Projeto de um copo PDMS que permite imagens gota por até várias horas.. (B) Geração, armazenamento e tratamento de imagens de gotas (transmitida) contendo diferentes teores, ilustrados por ausência (à esquerda) inclusão (direita) de dextrano fluorescente (Alexa 647). (C) imagens planas individuais de um 60 min de lapso de tempo (intervalos de 2 min), tomada a partir de um z-stack (2 mm distâncias) de anúncioroplet contendo um único centrossoma. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54278/54278fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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Reconstitution of Basic Mitotic Spindles in Spherical Emulsion Droplets

The assembly and positioning of the mitotic spindle depend on the combined forces generated by microtubule dynamics, motor proteins and cross-linkers. Here we present our recently developed methods in which the geometrical confinement of spherical emulsion droplets is used for the bottom-up reconstitution of basic mitotic spindles.

Reconstituição do Basic mitótico Fusos no esféricas Emulsão Gotas

Mitotic spindle assembly, positioning and orientation depend on the combined forces generated by microtubule dynamics, microtubule motor proteins and ...

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9.7K visualizações.  Delft University of Technology. The assembly and positioning of the mitotic spindle depend on the combined forces generated by microtubule dynamics, motor proteins and cross-linkers. Here we present our recently developed methods in which the geometrical confinement of spherical emulsion droplets is used for the bottom-up reconstitution of basic mitotic spindles.

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Preparation of Giant Vesicles Encapsulating Microspheres by Centrifugation of a Water-in-oil Emulsion

The constructive biology and the synthetic biology approach to creating artificial life involve the bottom-up assembly of biological or nonbiological materials. Such approaches have received considerable attention in research on the boundary between living and nonliving matter and have been used to construct artificial cells over the past two decades. In particular, Giant Vesicles (GVs) have often been used as artificial cell membranes. In this paper, we describe the preparation of GVs encapsulating highly packed microspheres as a model of cells containing highly condensed biomolecules. The GVs were prepared by means of a simple water-in-oil emulsion centrifugation method. Specifically, a homogenizer was used to emulsify an aqueous solution containing the materials to be encapsulated and an oil containing dissolved phospholipids, and the resulting emulsion was layered carefully on the surface of another aqueous solution. The layered system was then centrifuged to generate the GVs. This powerful method was used to encapsulate materials ranging from small molecules to microspheres.

Giant vesicles containing highly packed micrometer-sized components are useful cell models. The water-in-oil emulsion centrifugation method is a simple, powerful tool for the preparation of giant vesicles with encapsulated materials.

Preparação de gigantes Vesículas Encapsulamento microesferas por centrifugação de uma emulsão de água-em-óleo

The constructive biology and the synthetic biology approach to creating artificial life involve the bottom-up assembly of biological or nonbiological ...

Bioquímica

Reconstitution of Cell-cycle Oscillations in Microemulsions of Cell-free Xenopus Egg Extracts

Real-time measurement of oscillations at the single-cell level is important to uncover the mechanisms of biological clocks. Although bulk extracts prepared from Xenopus laevis eggs have been powerful in dissecting biochemical networks underlying the cell-cycle progression, their ensemble average measurement typically leads to a damped oscillation, despite each individual oscillator being sustained. This is due to the difficulty of perfect synchronization among individual oscillators in noisy biological systems. To retrieve the single-cell dynamics of the oscillator, we developed a droplet-based artificial cell system that can reconstitute mitotic cycles in cell-like compartments encapsulating cycling cytoplasmic extracts of Xenopus laevis eggs. These simple cytoplasmic-only cells exhibit sustained oscillations for over 30 cycles. To build more complicated cells with nuclei, we added demembranated sperm chromatin to trigger nuclei self-assembly in the system. We observed a periodic progression of chromosome condensation/decondensation and nuclei envelop breakdown/reformation, like in real cells. This indicates that the mitotic oscillator functions faithfully to drive multiple downstream mitotic events. We simultaneously tracked the dynamics of the mitotic oscillator and downstream processes in individual droplets using multi-channel time-lapse fluorescence microscopy. The artificial cell-cycle system provides a high-throughput framework for quantitative manipulation and analysis of mitotic oscillations with single-cell resolution, which likely provides important insights into the regulatory machinery and functions of the clock.

Reconstitution of Cell-cycle Oscillations in Microemulsions of Cell-free Xenopus Egg Extracts

We present a method for the generation of in vitro self-sustained mitotic oscillations at the single-cell level by encapsulating egg extracts of Xenopus laevis in water-in-oil microemulsions.

Reconstituição das oscilações do ciclo celular em microemulsões dos extratos de ovo sem célula Xenopus

Real-time measurement of oscillations at the single-cell level is important to uncover the mechanisms of biological clocks. Although bulk extracts ...

Fabrication of Spherical and Worm-shaped Micellar Nanocrystals by Combining Electrospray, Self-assembly, and Solvent-based Structure Control

Micellar nanocrystals (micelles with encapsulated nanocrystals) have become an emerging major class of nanobiomaterials. We describe a method of fabricating micellar nanocrystals based on combining top-down electrospray, bottom-up self-assembly, and solvent-based structure control. This method involves first using electrospray to generate uniform ultrafine liquid droplets, each of which functions as a micro-reactor in which self-assembly reaction occurs forming micellar nanocrystals, with the structures (micelle shape and nanocrystal encapsulation) controlled by the organic solvent used. This method is largely continuous and produces high quality micellar nanocrystal products with an inexpensive structure control approach. By using a water-miscible organic solvent tetrahydrofuran (THF), worm-shaped micellar nanocrystals can be produced due to solvent-induced/facilitated micelle fusion. Compared with the common spherical micellar nanocrystals, worm-shaped micellar nanocrystals can offer minimized non-specific cellular uptake, thus enhancing biological targeting. By co-encapsulating multiple nanocrystals into each micelle, multifunctional or synergistic effects can be achieved. Current limitations of this fabrication method, which will be part of the future work, primarily include imperfect encapsulation in the micellar nanocrystal product and the incompletely continuous nature of the process.

The present work describes a method to fabricate micellar nanocrystals, an emerging major class of nanobiomaterials. This method combines top-down electrospray, bottom-up self-assembly, and solvent-based structure control. The fabrication method is largely continuous, can produce high quality products, and possesses an inexpensive means of structure control.

Fabricação de nanocristais micélica esférico e em forma de verme, combinando Electrospray, auto-montagem e controle de estrutura de base solvente

Micellar nanocrystals (micelles with encapsulated nanocrystals) have become an emerging major class of nanobiomaterials. We describe a method of ...

Química

Reconstitution of Msp1 Extraction Activity with Fully Purified Components

As the center for oxidative phosphorylation and apoptotic regulation, mitochondria play a vital role in human health. Proper mitochondrial function depends on a robust quality control system to maintain protein homeostasis (proteostasis). Declines in mitochondrial proteostasis have been linked to cancer, aging, neurodegeneration, and many other diseases. Msp1 is a AAA+ ATPase anchored in the outer mitochondrial membrane that maintains proteostasis by removing mislocalized tail-anchored proteins. Using purified components reconstituted into proteoliposomes, we have shown that Msp1 is necessary and sufficient to extract a model tail-anchored protein from a lipid bilayer. Our simplified reconstituted system overcomes several of the technical barriers that have hindered detailed study of membrane protein extraction. Here, we provide detailed methods for the generation of liposomes, membrane protein reconstitution, and the Msp1 extraction assay.

Here, we present a detailed protocol for reconstitution of Msp1 extraction activity with fully purified components in defined proteoliposomes.

Reconstituição da Atividade de Extração de Msp1 com Componentes Totalmente Purificados

As the center for oxidative phosphorylation and apoptotic regulation, mitochondria play a vital role in human health. Proper mitochondrial function ...

Self-Assembly of Microtubule Tactoids

The cytoskeleton is responsible for major internal organization and re-organization within the cell, all without a manager to direct the changes. This is especially the case during mitosis or meiosis, where the microtubules form the spindle during cell division. The spindle is the machinery used to segregate genetic material during cell division. Toward creating self-organized spindles in vitro, we recently developed a technique to reconstitute microtubules into spindle-like assemblies with a minimal set of microtubule-associated proteins and crowding agents. Specifically, MAP65 was used, which is an antiparallel microtubule crosslinker from plants, a homolog of Ase1 from yeast and PRC1 from mammalian organisms. This crosslinker self-organizes microtubules into long, thin, spindle-like microtubule self-organized assemblies. These assemblies are also similar to liquid crystal tactoids, and microtubules could be used as mesoscale mesogens. Here, protocols are presented for creating these microtubule tactoids, as well as for characterizing the shape of the assemblies using fluorescence microscopy and the mobility of the constituents using fluorescence recovery after photobleaching.

This article presents a protocol for the formation of microtubule assemblies in the shape of tactoids using MAP65, a plant-based microtubule crosslinker, and PEG as a crowding agent.

Auto-montagem de Tactóides microtúbulos

The cytoskeleton is responsible for major internal organization and re-organization within the cell, all without a manager to direct the changes. This is ...

Reconstitution of Septin Assembly at Membranes to Study Biophysical Properties and Functions

Most cells can sense and change their shape to carry out fundamental cell processes. In many eukaryotes, the septin cytoskeleton is an integral component in coordinating shape changes like cytokinesis, polarized growth, and migration. Septins are filament-forming proteins that assemble to form diverse higher-order structures and, in many cases, are found in different areas of the plasma membrane, most notably in regions of micron-scale positive curvature. Monitoring the process of septin assembly in vivo is hindered by the limitations of light microscopy in cells, as well as the complexity of interactions with both membranes and cytoskeletal elements, making it difficult to quantify septin dynamics in living systems. Fortunately, there has been substantial progress in the past decade in reconstituting the septin cytoskeleton in a cell-free system to dissect the mechanisms controlling septin assembly at high spatial and temporal resolutions. The core steps of septin assembly include septin heterooligomer association and dissociation with the membrane, polymerization into filaments, and the formation of higher-order structures through interactions between filaments. Here, we present three methods to observe septin assembly in different contexts: planar bilayers, spherical supports, and rod supports. These methods can be used to determine the biophysical parameters of septins at different stages of assembly: as single octamers binding the membrane, as filaments, and as assemblies of filaments. We use these parameters paired with measurements of curvature sampling and preferential adsorption to understand how curvature sensing operates at a variety of length and time scales.

Cell-free reconstitution has been a key tool to understand the cytoskeleton assembly, and work in the last decade has established approaches to study septin dynamics in minimal systems. Presented here are three complementary methods to observe septin assembly in different membrane contexts: planar bilayers, spherical supports, and rod supports.

Reconstituição da Assembleia septina em membranas para estudar propriedades e funções biofísicas

Most cells can sense and change their shape to carry out fundamental cell processes. In many eukaryotes, the septin cytoskeleton is an integral component ...

In Vitro Reconstitution of the Actin Cytoskeleton Inside Giant Unilamellar Vesicles

The actin cytoskeleton, the principal mechanical machinery in the cell, mediates numerous essential physical cellular activities, including cell deformation, division, migration, and adhesion. However, studying the dynamics and structure of the actin network in vivo is complicated by the biochemical and genetic regulation within live cells. To build a minimal model devoid of intracellular biochemical regulation, actin is encapsulated inside giant unilamellar vesicles (GUVs, also called liposomes). The biomimetic liposomes are cell-sized and facilitate a quantitative insight into the mechanical and dynamical properties of the cytoskeleton network, opening a viable route for bottom-up synthetic biology. To generate liposomes for encapsulation, the inverted emulsion method (also referred to as the emulsion transfer method) is utilized, which is one of the most successful techniques for encapsulating complex solutions into liposomes to prepare various cell-mimicking systems. With this method, a mixture of proteins of interest is added to the inner buffer, which is later emulsified in a phospholipid-containing mineral oil solution to form monolayer lipid droplets. The desired liposomes are generated from monolayer lipid droplets crossing a lipid/oil-water interface. This method enables the encapsulation of concentrated actin polymers into the liposomes with desired lipid components, paving the way for in vitro reconstitution of a biomimicking cytoskeleton network.

In Vitro Reconstitution of the Actin Cytoskeleton Inside Giant Unilamellar Vesicles

In this manuscript, we demonstrate the experimental techniques to encapsulate the F-actin cytoskeleton into giant unilamellar lipid vesicles (also called liposomes), and the method to form a cortex-biomimicking F-actin layer at the inner leaflet of the liposome membrane.

In vitro Reconstituição do Actin Cytoskeleton Dentro de Vesículos Gigantes Unilamellar

The actin cytoskeleton, the principal mechanical machinery in the cell, mediates numerous essential physical cellular activities, including cell ...

Bioengenharia

Particle Templated Emulsification enables Microfluidic-Free Droplet Assays

Reactions performed in monodispersed droplets afford enhanced accuracy and sensitivity compared to equivalent ones performed in bulk. However, the requirement of microfluidics to form controlled droplets imposes a barrier to non-experts, limiting their use. Here, we describe particle templated emulsification, an approach to generate monodisperse droplets without microfluidics. Using templating hydrogel spheres, we encapsulate samples in monodispersed droplets by simple vortexing. We demonstrate the approach by using it to perform microfluidic-free digital PCR.

Water-in-oil droplet assays are useful for analytical chemistry, enzyme evolution, and single cell analysis, but typically require microfluidics to form the droplets. Here, we describe particle templated emulsification, a microfluidic-free approach to perform droplet assays.

Emulsificação de modelos de partículas permite ensaios de gotículas livres de microfluídicos

Reactions performed in monodispersed droplets afford enhanced accuracy and sensitivity compared to equivalent ones performed in bulk. However, the ...

Biologia

Reconstitution of Membrane-Tethered Minimal Actin Cortices on Supported Lipid Bilayers

The surface of a living cell provides a versatile active platform for numerous cellular processes, which arise from the interplay of the plasma membrane with the underlying actin cortex. In the past decades, reconstituted, minimal systems based on supported lipid bilayers in combination with actin filament networks have proven to be very instrumental in unraveling basic mechanisms and consequences of membrane-tethered actin networks, as well as in studying the functions of individual membrane-associated proteins. Here, we describe how to reconstitute such active composite systems in vitro that consist of fluid supported lipid bilayers coupled via membrane-associated actin-binding proteins to dynamic actin filaments and myosin motors that can be readily observed via total internal reflection fluorescence microscopy. An open-chamber design allows one to assemble the system in a step-by-step manner and to systematically control many parameters such as linker protein concentration, actin concentration, actin filament length, actin/myosin ratio, as well as ATP levels. Finally, we discuss how to control the quality of the system, how to detect and troubleshoot commonly occurring problems, and some limitations of this system in comparison with the living cell surface.

This protocol describes the formation of supported lipid bilayers and the addition of cytoskeletal filaments and motor proteins to study the dynamics of reconstituted, membrane-tethered cytoskeletal networks using fluorescence microscopy.

Reconstituição de Córtices de Actina Mínima Amarrados à Membrana em Bicamadas Lipídicas Suportadas

The surface of a living cell provides a versatile active platform for numerous cellular processes, which arise from the interplay of the plasma membrane ...

Impacto do citoesqueleto na forma nuclear e na dinâmica do condensado em oócitos de camundongos

Capturing Cytoskeleton-Based Agitation of the Mouse Oocyte Nucleus Across Spatial Scales

A major challenge in understanding the causes of female infertility is to elucidate mechanisms governing the development of female germ cells, named oocytes. Their development is marked by cell growth and subsequent divisions, two critical phases that prepare the oocyte for fusion with sperm to initiate embryogenesis. During growth, oocytes reorganize their cytoplasm to position the nucleus at the cell center, an event predictive of successful oocyte development in mice and humans and, thus, their embryogenic potential. In mouse oocytes, this cytoplasmic reorganization was shown to be driven by the cytoskeleton, the activity of which generates mechanical forces that agitate, reposition, and penetrate the nucleus. Consequently, this cytoplasmic-to-nucleoplasmic force transmission tunes the dynamics of nuclear RNA-processing organelles known as biomolecular condensates. This protocol provides an experimental framework to document, with high temporal resolution, the impact of the cytoskeleton on the nucleus across spatial scales in mouse oocytes. It details the imaging and image analysis steps and tools necessary to evaluate i) cytoskeletal activity in the oocyte cytoplasm, ii) cytoskeleton-based agitation of the oocyte nucleus, and iii) its effects on biomolecular condensate dynamics in the oocyte nucleoplasm. Beyond oocyte biology, the methods elaborated here can be adapted for use in somatic cells to similarly address cytoskeleton-based tuning of nuclear dynamics across scales.

Autor em destaque: Elucidando a dinâmica da mecanotransdução e agitação nuclear em oócitos de camundongos

This protocol provides an experimental framework to document the physical impact of the cytoskeleton on nuclear shape and the internal membrane-less organelles in the mouse oocyte system. The framework can be adapted for use in other cell types and contexts.

Capturando a agitação baseada no citoesqueleto do núcleo do ovócito de camundongo em escalas espaciais

A major challenge in understanding the causes of female infertility is to elucidate mechanisms governing the development of female germ cells, named ...