Name: proteome-wide quantification of labeling homogeneity at the single molecule level
Uploaded: 2019-04-19T13:30:00
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Los autores agradecen a Masae Ohno y Kazuya Nishimura para asesoramiento y asistencia experimental. Este trabajo fue apoyado por PRESTO (JPMJPR15F7), Japón Agencia de ciencia y tecnología, subvenciones para jóvenes científicos (A) (24687022), desafiando la investigación exploratoria (26650055) y la investigación científica en áreas innovadoras (23115005), sociedad japonesa para la promoción de la ciencia y por las subvenciones de la Fundación de ciencia de Takeda y el Mochida Memorial Foundation para la investigación farmacéutica y médica. S.L. reconoce apoyo del programa de RIKEN internacional programa asociado (IPA).

1. preparación de la célula
<ol><li>Cultivar células HeLa en un plato de 10 cm a 37 ° C debajo del 5% de CO2 en Dulbecco de modificado medio de Eagle con 10% suero bovino fetal.</li>
	<li>Recoger las células de crecimiento exponencial una vez que han llegado a la confluencia de 70%, siguiendo las instrucciones de ATCC17.<ol>
<li>Lavar las células con 5 mL de 1 x de tampón fosfato salino (PBS) (pH 7.4). Retirar el PBS.</li>
		<li>Añadir 1 mL de 0.1% tripsina-dihidratada del ác...

<ol>
	<li>Wilhelm, 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=Mass-spectrometry-based+draft+of+the+human+proteome.">Mass-spectrometry-based draft of the human proteome.</a> Nature. 509 (7502), 582-587 (2014).</li><li>Guo, 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=Immunoaffinity+enrichment+and+mass+spectrometry+analysis+of+protein+methylation.">Immunoaffinity enrichment and mass spectrometry analysis of protein methylation.</a> Molecular &amp; Cellular Proteomics. 13 (1), 372-387 (2014).</li><li>Tyanova, S., Temu, T., Cox, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+MaxQuant+computational+platform+for+mass+spectrometry-based+shotgun+proteomics.">The MaxQuant computational platform for mass spectrometry-based shotgun proteomics.</a> Nature Protocols. 11 (12), 2301-2319 (2016).</li><li>Neuhoff, V., Arold, N., Taube, D., Ehrhardt, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+staining+of+proteins+in+polyacrylamide+gels+including+isoelectric+focusing+gels+with+clear+background+at+nanogram+sensitivity+using+Coomassie+Brilliant+Blue+G-250+and+R-250.">Improved staining of proteins in polyacrylamide gels including isoelectric focusing gels with clear background at nanogram sensitivity using Coomassie Brilliant Blue G-250 and R-250.</a> Electrophoresis. 9 (6), 255-262 (1988).</li><li>Berggren, 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=Background-free,+high+sensitivity+staining+of+proteins+in+one-+and+two-dimensional+sodium+dodecyl+sulfate-polyacrylamide+gels+using+a+luminescent+ruthenium+complex.">Background-free, high sensitivity staining of proteins in one- and two-dimensional sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gels using a luminescent ruthenium complex.</a> Electrophoresis. 21 (12), 2509-2521 (2000).</li><li>Butt, R. H., Coorssen, 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=Coomassie+blue+as+a+near-infrared+fluorescent+stain:+a+systematic+comparison+with+Sypro+Ruby+for+in-gel+protein+detection.">Coomassie blue as a near-infrared fluorescent stain: a systematic comparison with Sypro Ruby for in-gel protein detection.</a> Molecular &amp; cellular proteomics. 12 (12), 3834-3850 (2013).</li><li>Nanda, J. S., Lorsch, 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=Labeling+a+protein+with+fluorophores+using+NHS+ester+derivitization.">Labeling a protein with fluorophores using NHS ester derivitization.</a> Methods in Enzymology. , 87-94 (2014).</li><li>Kim, Y., 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=Efficient+site-specific+labeling+of+proteins+via+cysteines.">Efficient site-specific labeling of proteins via cysteines.</a> Bioconjugate chemistry. 19 (3), 786-791 (2008).</li><li>Dickson, R. M., Cubitt, A. B., Tsien, R. Y., Moerner, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On/off+blinking+and+switching+behaviour+of+single+molecules+of+green+fluorescent+protein.">On/off blinking and switching behaviour of single molecules of green fluorescent protein.</a> Nature. 388 (6640), 355-358 (1997).</li><li>Penna, 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=The+CRAC+channel+consists+of+a+tetramer+formed+by+Stim-induced+dimerization+of+Orai+dimers.">The CRAC channel consists of a tetramer formed by Stim-induced dimerization of Orai dimers.</a> Nature. 456 (7218), 116-120 (2008).</li><li>Ji, W., 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=Functional+stoichiometry+of+the+unitary+calcium-release-activated+calcium+channel.">Functional stoichiometry of the unitary calcium-release-activated calcium channel.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (36), 13668-13673 (2008).</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> Nature Methods. 4 (4), 319-321 (2007).</li><li>Sugiyama, Y., Kawabata, I., Sobue, K., Okabe, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+absolute+protein+numbers+in+single+synapses+by+a+GFP-based+calibration+technique.">Determination of absolute protein numbers in single synapses by a GFP-based calibration technique.</a> Nature Methods. 2 (9), 677-684 (2005).</li><li>Puchner, E. M., Walter, J. M., Kasper, R., Huang, B., Lim, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Counting+molecules+in+single+organelles+with+superresolution+microscopy+allows+tracking+of+the+endosome+maturation+trajectory.">Counting molecules in single organelles with superresolution microscopy allows tracking of the endosome maturation trajectory.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (40), 16015-16020 (2013).</li><li>Grassart, 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=Actin+and+dynamin2+dynamics+and+interplay+during+clathrin-mediated+endocytosis.">Actin and dynamin2 dynamics and interplay during clathrin-mediated endocytosis.</a> The Journal of Cell Biology. 205 (5), 721-735 (2014).</li><li>Leclerc, S., Arntz, Y., Taniguchi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extending+Single+Molecule+Imaging+to+Proteome+Analysis+by+Quantitation+of+Fluorescent+Labeling+Homogeneity+in+Complex+Protein+Samples.">Extending Single Molecule Imaging to Proteome Analysis by Quantitation of Fluorescent Labeling Homogeneity in Complex Protein Samples.</a> Bioconjugate chemistry. 29 (8), 2541-2549 (2018).</li><li>Ian Freshney, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Culture of Animal Cells: A Manual of Basic Technique and Specialized Applications. , (2015).</li><li>Taniguchi, Y., 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=Quantifying+E.+coli+proteome+and+transcriptome+with+single-molecule+sensitivity+in+single+cells.">Quantifying E. coli proteome and transcriptome with single-molecule sensitivity in single cells.</a> Science. 329 (5991), 533-538 (2010).</li><li>Sternberg, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomedical+Image+Processing.">Biomedical Image Processing.</a> Computer. 16 (1), 22-34 (1983).</li><li>Rueden, C. T., 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=ImageJ2:+ImageJ+for+the+next+generation+of+scientific+image+data.">ImageJ2: ImageJ for the next generation of scientific image data.</a> BMC Bioinformatics. 18 (1), 529 (2017).</li><li>Yen, J. C., Chang, F. J., Chang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+criterion+for+automatic+multilevel+thresholding.">A new criterion for automatic multilevel thresholding.</a> IEEE Transactions on Image Processing. 4 (3), 370-378 (1995).</li><li>Livnah, O., Bayer, E. A., Wilchek, M., Sussman, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+structures+of+avidin+and+the+avidin-biotin+complex.">Three-dimensional structures of avidin and the avidin-biotin complex.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90 (11), 5076-5080 (1993).</li><li>Mostovenko, E., Hassan, C., Rattke, J., Deelder, A. M., van Veelen, P. A., Palmblad, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+peptide+and+protein+fractionation+methods+in+proteomics.">Comparison of peptide and protein fractionation methods in proteomics.</a> EuPA Open Proteomics. 1, 30-37 (2013).</li><li>Volpe, P., Eremenko-Volpe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+studies+on+cell+proteins+in+suspension+cultures.">Quantitative studies on cell proteins in suspension cultures.</a> European Journal of Biochemistry. 12 (1), 195-200 (1970).</li><li>Huang, 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=Counting+low-copy+number+proteins+in+a+single+cell.">Counting low-copy number proteins in a single cell.</a> Science. 315 (5808), 81-84 (2007).</li><li>Johnson, A. C., Bowser, M. T. H. i. g. h. -. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Speed,+Comprehensive,+Two+Dimensional+Separations+of+Peptides+and+Small+Molecule+Biological+Amines+Using+Capillary+Electrophoresis+Coupled+with+Micro+Free+Flow+Electrophoresis.">High-Speed, Comprehensive, Two Dimensional Separations of Peptides and Small Molecule Biological Amines Using Capillary Electrophoresis Coupled with Micro Free Flow Electrophoresis.</a> Analytical Chemistry. 89 (3), 1665-1673 (2017).</li></ol>

Este papel describe un protocolo para cuantificar la homogeneidad Etiquetadora de cada especie de etiquetado de proteínas en las células después de la separación con SDS-PAGE (paso 3). El método de separación puede ser sustituido con otros métodos como la cromatografía líquida o electroforesis capilar, que permiten la separación y fraccionamiento de proteínas celulares con alta resolución, mientras que requieren equipo especial23. El método de etiquetado con NHS-ester en el protocolo ...

Análisis del proteoma, que tiene como objetivo cuantificar el conjunto de moléculas de la proteína expresada en la célula, es un enfoque valioso en estudios biológicos y medicamentos actuales. Este análisis se basa comúnmente en espectrometría de masa, que identifica especies de proteínas basadas en espectros generados a través de proteínas ionización1,2,3. Un método alternativo para el análisis del proteoma es la electroforesis, incluyendo electroforesis de geles de poliacrilamida (PAGE) y electroforesis capilar, electroforesis en dos dimensiones (2D). Este método se basa en etiquetado fluorescente no específicos de todas las moléculas de proteína en las células analizadas, seguidas por separación electroforética y la detección y cuantificación de cada especie de proteína. Para lograr el etiquetado requiere proteína no específica, una estrategia es utilizar tintes fluorescentes que pueden unirse a proteínas a través de interacciones electrostáticas e hidrofóbicas, tales como azul de Coomassie y Sypro Ruby4,5,6 . Una estrategia alternativa es usar etiquetado covalente con tintes que contengan éster N-hydroxysuccinimide (NHS) o maleimida, que puede unirse covalentemente a proteínas a través de residuos comunes tales como aminas primarias y tioles, respectivamente7, 8.
Mientras tanto, la sensibilidad de detección de fluorescencia es ideal para el análisis de proteínas de baja abundancia y al pequeño número de células. Imágenes de fluorescencia de una molécula es uno de los métodos más sensibles que permite la detección de tintes fluorescentes individuales y etiquetadas proteínas en vitro y en vivo9,10,11,12, 13,14,15. Se espera que la aplicación de este método de imagen para el análisis del proteoma basado en electroforesis permiten análisis altamente sensibles y cuantitativos por contar proteínas individuales marcada con fluorescencia. Sin embargo, no queda claro si etiquetado con tintes fluorescentes es bastante homogéneo en todas las moléculas de proteína, y cómo esta homogeneidad es afectada por especies diferentes de proteínas (figura 1). Simples medidas de solución a granel pueden utilizarse para obtener un cociente molar de tintes fluorescentes para proteínas llamadas 'eficiencia de acoplamiento'8 o 'etiquetado eficiencia', pero esta propiedad no proporciona información sobre la homogeneidad de las etiquetas entre moléculas de la proteína.
Aquí, describimos el protocolo de un ensayo investigar la homogeneidad Etiquetadora para todas las especies de proteínas en la célula (figura 2)16. Los dos pasos claves de este ensayo son la proyección de imagen y purificación de proteínas. En el primer paso, todas las proteínas en las células llevan la etiqueta fluorescente y biotinilado, luego extraída por separado mediante electroforesis en gel seguido por electroelución. En el segundo paso, propiedades de fluorescencia de las moléculas individuales de proteínas en las muestras extraídas son evaluadas en base a proyección de imagen de molécula única. De estos datos, parámetros importantes para el análisis de la cuenta, tales como el porcentaje de proteínas etiquetados con uno menos tinte, que llamamos etiquetado ocupación (LO)16, y el número promedio de tintes fluorescentes enlazado a una molécula de proteína sola (n̄ tinte), se puede caracterizar. En el protocolo, un procedimiento optimizado para el etiquetado el proteoma de células HeLa con tinte de Cianina 3 (Cy3) basado en éster NHS se presenta como un ejemplo y puede modificarse con otros procedimientos de etiquetado según objetivos de investigación deseada.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:637px;" width="638">
	<tbody>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:216px;">22x22x0.15 mm coverslip</td>
			<td style="width:119px;">VWR</td>
			<td style="width:136px;">470019-004</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">488 nm Argon laser</td>
			<td style="width:119px;">Coherent</td>
			<td style="width:136px;">Innova 70C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">488 nm dichroic mirror</td>
			<td style="width:119px;">Semrock</td>
			<td style="width:136px;">FF495-Di03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">488 nm emission filter</td>
			<td style="width:119px;">Semrock</td>
			<td style="width:136px;">FF02-520/28</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">560 nm dichroic filter</td>
			<td style="width:119px;">Semrock</td>
			<td style="width:136px;">Di02-R561</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">560 nm emission filter</td>
			<td style="width:119px;">Semrock</td>
			<td style="width:136px;">FF02-617/73</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">560 nm fiber laser</td>
			<td style="width:119px;">MBP Communications</td>
			<td style="width:136px;">F-04306-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">60x oil immersion lens</td>
			<td style="width:119px;">Olympus</td>
			<td style="width:136px;">PLAPON 60x</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Avidin</td>
			<td style="width:119px;">Nacalai-tesque</td>
			<td style="width:136px;">03553-64</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Biotin-PEG-amine</td>
			<td style="width:119px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:136px;">21346</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Biotinylated Alexa Fluor 488</td>
			<td style="width:119px;">Nanocs</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Borate</td>
			<td style="width:119px;">Nacalai-tesque</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">BSA</td>
			<td style="width:119px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;">A9547</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">CHAPS</td>
			<td style="width:119px;">Dojindo</td>
			<td style="width:136px;">C008-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Cy3 NHS-ester dye</td>
			<td style="width:119px;">GE Healthcare</td>
			<td style="width:136px;">PA13101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Dialyzer&#160; - D-tube, 6-8 kDa</td>
			<td style="width:119px;">Merck Millipore</td>
			<td style="width:136px;">71507-M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">DMEM</td>
			<td style="width:119px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">DTT</td>
			<td style="width:119px;">Nacalai-tesque</td>
			<td style="width:136px;">14112-94</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">EDC</td>
			<td style="width:119px;">Nacalai-tesque</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">EMCCD camera</td>
			<td style="width:119px;">Andor</td>
			<td style="width:136px;">IiXon 897</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Epi fluorescence microscope</td>
			<td style="width:119px;">Olympus</td>
			<td style="width:136px;">IX81</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:216px;">Gel viewer</td>
			<td style="width:119px;">GE Healthcare</td>
			<td style="width:136px;">ImageQuant LAS 4000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Penicillin, streptomycine and Amphoterecin mix</td>
			<td style="width:119px;">Gibco</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Plasma cleaner</td>
			<td style="width:119px;">Diener Electronic</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">SDS</td>
			<td style="width:119px;">Wako</td>
			<td style="width:136px;">NC0792960</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Size purification column 10K</td>
			<td style="width:119px;">Merck Millipore</td>
			<td style="width:136px;">UFC5010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Tween 20</td>
			<td style="width:119px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;">P9416</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

proteome-wide quantification of labeling homogeneity at the single molecule level

Proteomas celulares se caracterizan a menudo usando análisis de electroforesis, donde todas las especies de proteínas en las células no específicamente están marcadas con un colorante fluorescente y son vistas por un fotodetector tras su separación. Imágenes de fluorescencia de una molécula pueden proporcionar detección ultrasensible de la proteína con su capacidad para la visualización de las moléculas fluorescentes individuales. Sin embargo, la aplicación de este método de proyección de imagen de gran alcance para ensayos de electroforesis es obstaculizada por la falta de formas de caracterizar la homogeneidad de las etiquetas fluorescentes de cada especie de proteína en el proteoma. Aquí, se desarrolló un método para evaluar la homogeneidad de etiquetado en el proteoma basado en un análisis de imágenes de fluorescencia de sola molécula. En nuestra medición en una muestra de células HeLa, la proporción de proteínas con al menos un tinte, que denomina 'etiquetado ocupación' (LO), se determinó al rango del 50% al 90%, apoyando el potencial de la aplicación de la proyección de imagen de una molécula a Análisis del proteoma sensible y precisa.

Figura 4 representa los datos de imagen raw para las fracciones de diferente peso molecular de proteínas de célula HeLa lisada, así como el control positivo y negativo. Mientras que la muestra de proteína y positivo controlan de exhibición de 100 – 500 puntos por imagen, el control negativo muestra ninguno o pocos puntos, demostrando que el protocolo lo suficientemente inhibe la fijación no específica de los tintes a la superficie del cubreobjetos. I...

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Proteome-wide Quantification of Labeling Homogeneity at the Single Molecule Level

Aquí, presentamos un protocolo para evaluar la homogeneidad de etiquetado para cada especie de proteína en una muestra de proteína compleja en el nivel de molécula única.

Cuantificación de todo el proteoma de etiquetado homogeneidad en el nivel de molécula única

Cell proteomes are often characterized using electrophoresis assays, where all species of proteins in the cells are non-specifically labeled with a ...

Este método demuestra la calibración de la cantidad de proteína cuantificadora en muestra líquida con proceso de una sola molécula para el recuento. Específicamente, puede ilustrar cómo las poblaciones de proteínas se pueden etiquetar fluorescentemente en cada nivel de molécula. Los métodos anteriores realizaron mediciones a granel para analizar las proporciones molares de moléculas fluorescentes y de proteínas, pero no pueden revelar cómo las poblaciones de proteínas heterogéneamente están realmente etiquetadas.Nuestros métodos pueden hacerlo directamente a nivel de una sola molécula. Nuestro método puede extenderse hacia ensayos de concentración molecular ultrasensibles y avanzados, lo que conducirá a futuros métodos de diagnóstico, permitiendo hallazgos eficientes de moléculas patógenas en muestras. Nuestro método se puede aplicar al análisis de especies de una sola proteína utilizando anticuerpos fluorescentes, así como a múltiples análisis de especies utilizando etiquetas no específicas para todas las proteínas separadas por electroforesis o cromatografía.El punto más crítico de la técnica es obtener reproducibilidad de datos. Recomiendo mantener la misma condición experimental tanto como sea posible al medir varias muestras. La demostración visual de esta técnica proporcionará cómo hacer que cada paso experimental sea estable y reproducible.También mostrará algunos pasos poco comunes en los protocolos de bioquímica, como el recubrimiento de espín y el lavado de cubreobjetos de microscopio. Para comenzar este procedimiento, prepare el búfer de lising y el 1%Tween-20 como se describe en el protocolo de texto. Utilice hidróxido de sodio para ajustar el pH a 12.Mezclar 100 microlitros de tampón de celo con un microlitro de un DDT molar y cuatro microlitros de 50%CHAPS. Agregue un microlitros del cultivo celular preparado y homogeneice la solución pipeteando lentamente para evitar burbujas. Incubar en la oscuridad a temperatura ambiente durante cinco minutos con agitación suave.A continuación, vuelva a homogeneizar la solución pipeteándola lentamente hacia arriba y hacia abajo. Agregue un microgramo de tinte éster Cy3 NHS y homogeneice la solución ralentizando el pipeteo para evitar burbujas. Incubar en la oscuridad a temperatura ambiente durante 10 minutos con agitación suave.Repita este proceso, añadiendo la misma cantidad de tinte e incubando la muestra una vez. Añadir 100 microlitros de 0,8 molares de hidróxido de sodio HEPES para ajustar el pH de la solución a 7.2 y apagar la reacción. Pipetear lentamente hacia arriba y hacia abajo para homogeneizar la solución.A continuación, agregue 20 microlitros de Biotina-2-amina y cinco microlitros de EDC. Homogeneizar la solución pipeteando lentamente hacia arriba y hacia abajo. Incubar en la oscuridad a temperatura ambiente durante una hora con agitación suave.Después de esto, utilice una columna de ultrafiltración con un límite de 10 kiloDalton para eliminar cualquier reactivo de etiquetado no reaccionado y concentrar la muestra. Después de realizar SDS-PAGE estándar para la muestra de proteína y una escalera molecular, imagine el gel para identificar la ubicación de las bandas de proteínas. Usa una cuchilla afilada para cortar las porciones de gel que incluyen fracciones proteicas de interés basadas en la ubicación de las bandas.En primer lugar, establecer los cubreobjetos que son 22 milímetros por 22 milímetros y son 0.15 milímetros de espesor. Utilice un limpiador de plasma para exponer los cubreobjetos al plasma de aire durante un minuto para limpiar y activar sus superficies. A continuación, utilice una recubridora de centrifugado para hilar la capa de los cubreobjetos con 200 microlitros de tampón de avadina durante cinco segundos a 500 RPM, seguido de 30 segundos a 1000 RPM.Incubar los cubreobjetos a temperatura ambiente durante 15 minutos para dejar que se sequen al aire. Para preparar los cubreobjetos para la muestra de proteína, utilice una muestra de proteína que se haya diluido. Coloque 100 microlitros de la muestra diluida en el centro de los cubreobjetos recubiertos de avadina.Incubar en la oscuridad a temperatura ambiente durante 15 minutos. Para preparar el control positivo, coloque 100 microlitros de biotina fluorescente purificada en cinco micromolares HIDróxido de sodio HEPES a pH 7.2 en el centro de un cubreobjeto recubierto de avadina. Incubar en la oscuridad a temperatura ambiente durante 15 minutos.Para preparar el control negativo, espínesa cubre los cubreobjetos de plasma con 200 microlitros de cinco hidróxido de sodio HEPES con dos miligramos por mililitro de BSA sin avadina. Añadir 100 microlitros a la biotina fluorescente purificada en cinco micromolares HEPES-hidróxido de sodio a pH 7.2. Incubar en la oscuridad durante 15 minutos a temperatura ambiente.Después de esto, enjuague cada cubreobjetos con 200 microlitros de agua destilada pipeteando en los bordes, asegurándose de no tocar el centro del cubreobjetos con la punta de la pipeta. Repita este lavado tres veces. Luego, exponga un número igual de cubreobjetos nuevos al plasma de aire durante un minuto.Coloque un cubreobjetos limpio encima de cada cubreobjetos ligado a la muestra para evitar el secado. Poner en marcha un microscopio de fluorescencia de campo ancho o evanescente. Ponga un cubreobjetos en el microscopio y encuentre el foco.A continuación, realice un análisis de mosaico para obtener al menos 100 imágenes. En este estudio, la homogeneidad de etiquetado de cada especie de proteína etiquetada en las células se cuantifica después de la separación con SDS-PAGE. Los datos de imagen bruta para diferentes fracciones de peso molecular de proteínas del lysate celular de HeLa, así como los controles positivos y negativos, se ven aquí.Mientras que tanto la muestra de proteína como el control positivo exhiben entre 100 y 500 puntos por imagen, el control negativo exhibe muy pocos o ninguno. Esto demuestra que el proceso inhibe suficientemente la unión no específica de los tintes a la superficie del cubreobjetos. Los histogramas de intensidad puntual de las muestras de proteínas y el control positivo presentan múltiples picos, que representan la unión estocástica de los tintes a las aminas primarias en proteínas y estructuras de tetraméricos de avadina respectivamente.Todas las manchas mostraron parpadeo y fotoblancada escalonada con excitación láser continua, resaltando la observación a nivel de molécula única. La ocupación del etiquetado, o LO, se calcula a continuación a partir de la relación entre el número de puntos de cada muestra de proteína y el del control positivo. La LO medida a partir de la muestra de izado celular de HeLa oscila entre el 50% para la fracción de peso molecular más pequeño, hasta el 90% para la fracción de peso molecular más alto.La LO para toda la muestra de proteome sin separación se considera 72%Es fundamental utilizar reactivos recién hechos y evitar cualquier polvo, especialmente durante la preparación de los cubreobjetos. Después de este procedimiento, se puede realizar un análisis de recuento de moléculas individuales en un determinado volumen para cuantificar las concentraciones de cada proteína. Por ejemplo, se puede realizar un análisis de cualquier producto crudo, o productos de electroforesis de gel y capilar.Esta técnica allana el camino para utilizar imágenes de fluorescencia de molécula única a medicina molecular, química orgánica y análisis omics. Al salvar el concepto entre la concentración y los números. El hidróxido de sodio concentrado es corrosivo, y se debe usar una protección adecuada al manipularlo.Además, la radiación láser de alta potencia puede causar daño ocular, por lo que se pueden usar gafas protectoras.

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Structural Information from Single-molecule FRET Experiments Using the Fast Nano-positioning System

La información estructural a partir de una sola molécula de FRET experimentos utilizando el Nano-posicionamiento Sistema Rápido

Single-molecule F&#246;rster Resonance Energy Transfer (smFRET) can be used to obtain structural information on biomolecular complexes in real-time. ...

Investigación

Bioquímica

Enhanced Sample Multiplexing of Tissues Using Combined Precursor Isotopic Labeling and Isobaric Tagging (cPILOT)

Enhanced Sample Multiplexing of Tissues Using Combined Precursor Isotopic Labeling and Isobaric Tagging cPILOT

Muestra mejorada Multiplexing de tejidos usando combinada Precursor isotópico etiquetado y isobárico Tagging (cPILOT)

There is an increasing demand to analyze many biological samples for disease understanding and biomarker discovery. Quantitative proteomics strategies ...

High Precision FRET at Single-molecule Level for Biomolecule Structure Determination

FRET de alta precisión a nivel de molécula única para la determinación de estructuras de biomoléculas

A protocol on how to perform high-precision interdye distance measurements using F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) at the single-molecule ...

Single-molecule Manipulation of G-quadruplexes by Magnetic Tweezers

Manipulación de una sola molécula de G-quadruplexes por pinzas magnéticas

Non-canonical nucleic acid secondary structure G-quadruplexes (G4) are involved in diverse cellular processes, such as DNA replication, transcription, RNA ...

Using Three-color Single-molecule FRET to Study the Correlation of Protein Interactions

Uso del traste de una sola molécula a estudiar la correlación de las interacciones proteína

Single-molecule F&#246;rster resonance energy transfer (smFRET) has become a widely used biophysical technique to study the dynamics of biomolecules. For ...

Covalent Immobilization of Proteins for the Single Molecule Force Spectroscopy

Inmovilización covalente de las proteínas para la espectroscopia de fuerza sola molécula

In recent years, atomic force microscopy (AFM) based single molecule force spectroscopy (SMFS) extended our understanding of molecular properties and ...

Single-Molecule Tracking Microscopy - A Tool for Determining the Diffusive States of Cytosolic Molecules

Microscopía de seguimiento de una sola molécula - Una herramienta para determinar los estados difusos de las moléculas citosólicas

Single-molecule localization microscopy probes the position and motions of individual molecules in living cells with tens of nanometer spatial and ...

Characterization at the Molecular Level using Robust Biochemical Approaches of a New Kinase Protein

Caracterización a nivel molecular utilizando enfoques bioquímicos robustos de una nueva proteína kinasa

Extensive whole genome sequencing has identified many Open Reading Frames (ORFs) providing many potential proteins. These proteins may have important ...

An In Vitro Single-Molecule Imaging Assay for the Analysis of Cap-Dependent Translation Kinetics

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Un ensayo de imágenes de molécula única in vitro para el análisis de cinética de traducción dependiente de la tapa

Cap-dependent protein synthesis is the predominant translation pathway in eukaryotic cells. While various biochemical and genetic approaches have allowed ...

Single Cell Analysis Of Transcriptionally Active Alleles By Single Molecule FISH

Análisis unicelular de alelos transcripcionalmente activos por FISH de molécula única

Gene transcription is an essential process in cell biology, and allows cells to interpret and respond to internal and external cues. Traditional bulk ...