Name: high-resolution spatiotemporal analysis of receptor dynamics by single-molecule fluorescence microscopy
Uploaded: 2014-07-25T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-resolution Spatiotemporal Analysis of Receptor Dynamics by Single-molecule Fluorescence Microscopy at JoVE.com

The development of this protocol was supported by grants from the European Research Council (Advanced Grant TOPAS to M.J.L.) and the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Grants CA 1014/1-1 to D.C. and SFB487 to M.J.L.). T.S. was supported by the Alexander von Humboldt Foundation.

1. Preparación de la muestra <ol><li> Limpieza Cubreobjetos NOTA: Trabaje bajo una campana de humos. <ol><li> Utilice pinzas limpias para colocar cubreobjetos de vidrio (24 mm de diámetro) en un soporte de portaobjetos que separa cubreobjetos individuales. </li><li> Coloque el soporte con cubreobjetos en un vaso de precipitados y agregar cloroformo hasta que los cubreobjetos están cubiertos. Cubrir el vaso con papel de aluminio para reducir la evaporación y se somete a ultrasonidos en un ba...

<ol>
	<li>Pierce, K. L., Premont, R. T., Lefkowitz, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seven-transmembrane+receptors.">Seven-transmembrane receptors.</a> Nat Rev Mol Cell Biol. 3, 639-650 (2002).</li><li>Angers, S., Salahpour, A., Bouvier, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dimerization:+an+emerging+concept+for+G+protein-coupled+receptor+ontogeny+and+function.">Dimerization: an emerging concept for G protein-coupled receptor ontogeny and function.</a> Annu Rev Pharmacol Toxicol. 42, 409-435 (2002).</li><li>Ferr&#233;, S., 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=Building+a+new+conceptual+framework+for+receptor+heteromers.">Building a new conceptual framework for receptor heteromers.</a> Nat Chem Biol. 5, 131-134 (2009).</li><li>Milligan, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=protein-coupled+receptor+hetero-dimerization:+contribution+to+pharmacology+and+function.">protein-coupled receptor hetero-dimerization: contribution to pharmacology and function.</a> Br J Pharmacol. 158, 5-14 (2009).</li><li>Lohse, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dimerization+in+GPCR+mobility+and+signaling.">Dimerization in GPCR mobility and signaling.</a> Curr Opin Pharmacol. 10, 53-58 (2010).</li><li>Ulbrich, M. H., Isacoff, E. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subunit+counting+in+membrane-bound+proteins.">Subunit counting in membrane-bound proteins.</a> Nat Methods. 4, 319-321 (2007).</li><li>Triller, A., Choquet, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+concepts+in+synaptic+biology+derived+from+single-molecule+imaging.">New concepts in synaptic biology derived from single-molecule imaging.</a> Neuron. 59, 359-374 (2008).</li><li>Hern, J. A., 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=Formation+and+dissociation+of+M1+muscarinic+receptor+dimers+seen+by+total+internal+reflection+fluorescence+imaging+of+single+molecules.">Formation and dissociation of M1 muscarinic receptor dimers seen by total internal reflection fluorescence imaging of single molecules.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 2693-2698 (2010).</li><li>Kasai, R. S., 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=Full+characterization+of+GPCR+monomer-dimer+dynamic+equilibrium+by+single+molecule+imaging.">Full characterization of GPCR monomer-dimer dynamic equilibrium by single molecule imaging.</a> J Cell Biol. 192, 463-480 (2011).</li><li>Calebiro, D., 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+fluorescently+labeled+G-protein-coupled+receptors+reveals+complexes+with+distinct+dynamics+and+organization.">Single-molecule analysis of fluorescently labeled G-protein-coupled receptors reveals complexes with distinct dynamics and organization.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 743-748 (2013).</li><li>Keppler, A., 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=A+general+method+for+the+covalent+labeling+of+fusion+proteins+with+small+molecules+in+vivo.">A general method for the covalent labeling of fusion proteins with small molecules in vivo.</a> Nat Biotechnol. 21, 86-89 (2003).</li><li>Gautier, A., 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=An+engineered+protein+tag+for+multiprotein+labeling+in+living+cells.">An engineered protein tag for multiprotein labeling in living cells.</a> Chem Biol. 15, 128-136 (2008).</li><li>Jaqaman, K., 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=Robust+single-particle+tracking+in+live-cell+time-lapse+sequences.">Robust single-particle tracking in live-cell time-lapse sequences.</a> Nat Methods. 5, 695-702 (2008).</li><li>Saxton, M. J., Jacobson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-particle+tracking:+applications+to+membrane+dynamics.">Single-particle tracking: applications to membrane dynamics.</a> Annu Rev Biophys Biomol Struct. 26, 373-399 (1997).</li></ol>

El protocolo descrito permite el análisis de la disposición espacial, la movilidad y el tamaño de los complejos receptores de la superficie celular a nivel de una sola molécula. En comparación con el uso de proteínas fluorescentes, etiquetado con fluoróforos orgánicos pequeños, que son más brillantes y más fotoestable, tiene la ventaja de permitir la visualización ampliada de las partículas de los receptores individuales. Dado que los niveles de expresión extremadamente bajos se consiguen (&lt;0,45 de los ...

Receptores localizados en la superficie celular detectan el medio ambiente extracelular y responden a una variedad de estímulos, tales como odorantes, iones, pequeñas neurotransmisores y hormonas proteicas grandes. La naturaleza fluida de las membranas celulares permite movimientos de los receptores y otras proteínas de membrana. Esto es esencial para la formación de complejos de proteínas y la aparición de interacciones proteína-proteína transitorios, tales como los utilizados por los receptores para ensamblar en unidades funcionales y transducir señales al interior de la célula. Por ejemplo, los receptores de proteína G acoplados (GPCR), que constituyen la mayor familia de receptores de superficie celular 1, se han sugerido para formar di-/oligomers, que parece estar implicada en la regulación afinada de la transducción de señales y podría tener importantes consecuencias fisiológicas y farmacológicas 2-5. Microscopía sola molécula tiene el gran potencial de visualizar directamente con alta spatiotempresolución oral, el comportamiento dinámico de los receptores individuales situados en la superficie de las células vivas, incluyendo su asociación para formar dímeros y de orden superior complejos moleculares 6-10. Esto ofrece varias ventajas en comparación con los métodos bioquímicos y de microscopía estándar, que por lo general reportan el comportamiento medio de miles o millones de moléculas. El etiquetado de proteínas con un fluoróforo suficientemente brillante y fotoestable es esencial para la microscopía de una sola molécula. Este protocolo se aprovecha de la etiqueta SNAP recientemente introducido 11 para unir covalentemente fluoróforos orgánicos pequeños y brillantes a los receptores de la superficie celular. SNAP es un 20 kD etiqueta de proteína derivada de la enzima O-ADN alquiltransferasa 6-alquilguanina de reparación del ADN humano, que puede ser irreversible etiquetado con fluoróforo conjugado-bencilguanina derivados (fluoróforo-BG). CLIP, una etiqueta de ingeniería adicional derivado de SNAP, puede en cambio marcado con fluoróforo-cderivados bencilcitosina onjugated 12. El protocolo en este manuscrito se explica cómo transfectar y la etiqueta de SNAP-11 marcado con receptores pequeños fluoróforos orgánicos y el uso total de fluorescencia de reflexión interna (TIRF) microscopía para visualizar los receptores individuales o complejos de receptores en la superficie de las células vivas 10. Los resultados del protocolo reportados en&gt; 90% de eficiencia en el etiquetado de una proteína de la superficie celular de etiquetado SNAP extracelular 10. Más información sobre cómo utilizar los datos de una sola molécula para analizar el tamaño y la movilidad de los complejos receptores, así como para capturar las interacciones del receptor-receptor transitorio, se proporciona. Un flujo de trabajo esquemática de todo el protocolo se da en la Figura 1. Como un ejemplo, la transfección de células de ovario de hámster chino (CHO) con los receptores etiquetados SNAP-G-acoplados a proteínas (GPCRs) seguida por el etiquetado con un derivado de fluoróforo-BG como así como su aplicación a quantifse describen y y di-/oligomerization receptor de monitor. Este protocolo se puede extender a otras proteínas de la superficie celular y etiquetas fluorescentes (por ejemplo., CLIP), así como a otros métodos de transfección y etiquetado.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="882">
	<tbody>
		<tr height="69">
			<td height="69" style="height:69px;width:259px;">Chloroform</td>
			<td style="width:248px;">AppliChem GmbH</td>
			<td style="width:115px;">A1585</td>
			<td style="width:261px;">CAUTION: toxic and irritating substance as well as a possible carcinogen</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">NaOH</td>
			<td style="width:248px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:115px;">S8045</td>
			<td style="width:261px;">CAUTION: strong base and highly corrosive reagent</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Absolute ethanol</td>
			<td style="width:248px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:115px;">32205</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Glass coverslip&#160;</td>
			<td style="width:248px;">Marienfeld-Superior</td>
			<td style="width:115px;">111640</td>
			<td style="width:261px;">24 mm diameter, 0.13-0.16 mm thickness</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">0.2 mm sterile filter</td>
			<td style="width:248px;">Sarstedt</td>
			<td style="width:115px;">83.1826.001</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">CHO cells</td>
			<td style="width:248px;">ATCC, USA</td>
			<td style="width:115px;">ATCC CCL-61</td>
			<td style="width:261px;">Chinese hamster ovary cell line</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">6-well cell culture plare</td>
			<td style="width:248px;">Nunc</td>
			<td style="width:115px;">140675</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">DMEM/F-12 medium</td>
			<td style="width:248px;">GIBCO, Life Technologies</td>
			<td style="width:115px;">11039-021</td>
			<td style="width:261px;">Phenol-red free medium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Fetal bovine serum&#160;</td>
			<td style="width:248px;">Biochrom</td>
			<td style="width:115px;">S 0115</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Penicillin - streptomycin&#160;</td>
			<td style="width:248px;">Pan Biotech GmbH</td>
			<td style="width:115px;">P06-07 100</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Trypsin-EDTA</td>
			<td style="width:248px;">Pan Biotech GmbH</td>
			<td style="width:115px;">P10-23100</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Lipofectamine 2000</td>
			<td style="width:248px;">Invitrogen, Life Technologies</td>
			<td style="width:115px;">11668-019</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Opti-MEM I Reduced Serum Medium</td>
			<td style="width:248px;">Invitrogen, Life Technologies</td>
			<td style="width:115px;">31985-047</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;">Fluorophore-conjugated benzylguanine&#160;</td>
			<td style="width:248px;">New England BioLabs</td>
			<td style="width:115px;">S9136S</td>
			<td style="width:261px;">SNAP-Surface Alexa Fluor 647. Make a 1 mM stock solution in DMSO. Store at -20&#176;C.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">DMSO</td>
			<td style="width:248px;">AppliChem GmbH</td>
			<td style="width:115px;">A1584</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="67">
			<td height="67" style="height:67px;width:259px;">Imaging buffer:</td>
			<td style="width:248px;"></td>
			<td style="width:115px;"></td>
			<td style="width:261px;">137 mM NaCl, 5.4 mM KCl, 2 mM CaCl2, 1 mM MgCl2, 10 mM HEPES, pH 7.3, sterile-filtered</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">&#160;&#160;&#160; NaCl</td>
			<td style="width:248px;">AppliChem GmbH</td>
			<td style="width:115px;">A1371</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">&#160;&#160;&#160; KCl</td>
			<td style="width:248px;">AppliChem GmbH</td>
			<td style="width:115px;">A3582</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:259px;">&#160;&#160;&#160; CaCl2</td>
			<td style="width:248px;">AppliChem GmbH</td>
			<td style="width:115px;">A2303</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:259px;">&#160;&#160;&#160; MgCl2</td>
			<td style="width:248px;">AppliChem GmbH</td>
			<td style="width:115px;">A3618</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">&#160;&#160;&#160; HEPES</td>
			<td style="width:248px;">AppliChem GmbH</td>
			<td style="width:115px;">A3724</td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:259px;">Imaging chamber</td>
			<td style="width:248px;">Molecular Probes, Life Technologies</td>
			<td style="width:115px;">A-7816</td>
			<td style="width:261px;">Attofluor Cell Chamber, for microscopy</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">TIRF-M</td>
			<td style="width:248px;">Leica</td>
			<td style="width:115px;"></td>
			<td style="width:261px;">Model: DMI6000B</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">TIRF objective</td>
			<td style="width:248px;">Leica</td>
			<td style="width:115px;">11 506 249&#160;</td>
			<td style="width:261px;">HCX PL Apo 100x/1.46 Oil CORR&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">EM-CCD camera&#160;</td>
			<td style="width:248px;">Roper Scientific</td>
			<td style="width:115px;"></td>
			<td style="width:261px;">Photometrics Cascade 512B</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Temperature controller</td>
			<td style="width:248px;">Pecon</td>
			<td style="width:115px;"></td>
			<td style="width:261px;">Tempcontrol 37-2 digital</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">ImageJ software</td>
			<td style="width:248px;">NIH, USA</td>
			<td style="width:115px;"></td>
			<td style="width:261px;">http://rsbweb.nih.gov/ij</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:259px;">u-track software</td>
			<td style="width:248px;">Laboratory for computational cell biology, Dept. of Cell Biology, Harvard Medical School, USA</td>
			<td style="width:115px;"></td>
			<td style="width:261px;">http://lccb.hms.harvard.edu/software.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Matlab software</td>
			<td style="width:248px;">The MathWorks, USA</td>
			<td style="width:115px;"></td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-resolution spatiotemporal analysis of receptor dynamics by single-molecule fluorescence microscopy

Microscopía sola molécula está surgiendo como un enfoque poderoso para analizar el comportamiento de las moléculas de señalización, en particular en lo referente a los aspectos (por ejemplo., La cinética, la coexistencia de los diferentes estados y poblaciones, interacciones transitorias), que normalmente se ocultan en las mediciones del conjunto, tales como los obtenidos con métodos bioquímicos o de microscopía estándar. Por lo tanto, los eventos dinámicos, como las interacciones receptor-receptor, se pueden seguir en tiempo real en una célula viva con una alta resolución espacial y temporal. Este protocolo describe un método basado en el etiquetado con fluoróforos orgánicos pequeños y brillantes y el total de fluorescencia de reflexión interna (TIRF) microscopía para visualizar directamente los receptores individuales en la superficie de las células vivas. Este enfoque permite a localizar con precisión los receptores, medir el tamaño de los complejos receptores, y la captura de eventos dinámicos, como las interacciones receptor-receptor transitorio. El protocolo proporciona una descripción detallada de la forma de performa un experimento de una sola molécula, incluyendo la preparación de muestras, adquisición de imágenes y análisis de imágenes. Como un ejemplo, la aplicación de este método para analizar dos receptores G acoplados a la proteína,, β 2-adrenérgicos y γ-aminobutírico de tipo ácido B (GABA B), se informó es decir.. El protocolo se puede adaptar a otras proteínas de la membrana y diferentes modelos de células, métodos de transfección y estrategias de etiquetado.

El protocolo descrito se puede aplicar a una variedad de diferentes proteínas de la membrana. Como un ejemplo, los resultados representativos obtenidos con β 2-adrenérgicos y GABA B se reportan 10. Dado que las señales fluorescentes de las moléculas individuales son débiles, la minimización de la fluorescencia de fondo es el primer paso clave para obtener resultados exitosos. Por lo tanto, es importante utilizar cubreobjetos ampliamente limpiadas (Figura 2A), así...

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High-resolution Spatiotemporal Analysis of Receptor Dynamics by Single-molecule Fluorescence Microscopy

This protocol describes how to use total internal reflection fluorescence microscopy to visualize and track single receptors on the surface of living cells and thereby analyze receptor lateral mobility, size of receptor complexes as well as to visualize transient receptor-receptor interactions. This protocol can be extended to other membrane proteins.

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