Name: construction of model lipid membranes incorporating g-protein coupled receptors (gpcrs)
Uploaded: 2022-02-05T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Construction of Model Lipid Membranes Incorporating G-protein Coupled Receptors GPCRs at JoVE.com

Мы благодарим Мэтью Блоссера за ценную дискуссию и советы. Эта работа была поддержана Управлением военно-морских исследований (N00014-16-1-2382) и Национальным научным фондом (PHY-1915017).

1. Маркировка белка
<ol><li>Позволяет NHS-родамину, фрагментам мембраны 5-HT1A и одной спиновой обессоливающей колонне MWCO 7 К уравновешиваться при комнатной температуре.</li>
	<li>Растворить 1 мг NHS-родамина в 100 мкл диметилсульфоксида (ДМСО).</li>
	<li>Добавьте 5 мкл 1 М раствора бикарбоната натрия ...

Мы определили два шага, которые имеют решающее значение для успеха общего протокола: плазменная обработка и осаждение липидов. Плазменная очистка покровов имеет важное значение для обеспечения адекватного покрытия и адгезии гидрогеля агарозы к стеклянному покрову. Плазменная очистк?...

Синтетические модельные мембраны являются мощным инструментом в исследовании фундаментальных свойств и функций биомембран. Гигантские одногламеллярные везикулы (ГУВ) являются одной из наиболее заметных платформ для изучения различных свойств плазматической мембраны и могут быть спроектированы для имитации различных физиологических условий1,2,3,4,5,6,7,8. Хорошо известно, что плазматическая мембрана и ее организация играют ключевую роль во множестве клеточных процессов, таких как сигнальная трансдукция, адгезия, эндоцитоз и транспорт9,10,11,12,13,14,15.
ГУВ были изготовлены с использованием различных методов, включая щадящую гидратацию16, набухание гидрогеля17, электроформацию18, микрофлюидные методы19,20,21,22, струйную обработку23 и обмен растворителями24,25,26. Из-за проблем в обращении с интегральными мембранными белками (IMP) платформы in vitro для их изучения были ограничены. GUV представляют собой упрощенную платформу для изучения IMP в среде, имитирующей их родную среду. Хотя существует несколько подходов к восстановлению белка в ГУВ, проблемы возникают из-за включения белков с правильной ориентацией и поддержания функциональности белка27.
Наиболее успешное восстановление белка в ГУВ требует метода обмена моющих средств; которая включает в себя солюбилизацию белков из их родной среды моющими средствами с последующей очисткой белка, а затем замену молекул моющего средства липидами с помощью различных методов28. В то время как моющие средства служат для стабилизации третичной структуры ИМП во время очистки, моющие мицеллы являются относительно неестественной средой для этих белков, которые лучше стабилизируются, особенно для функциональных исследований, в липидных бислоях28,29,30. Кроме того, включение функциональных трансмембранных белков в липидный бислой с использованием традиционных методов изготовления GUV было затруднено из-за размера, деликатности этих белков и дополнительных этапов обмена моющих средств, которые потребовались бы27,31,32,33. Использование органического растворителя для удаления моющих средств вызывает агрегацию и денатурацию белка34. Улучшенный метод, опосредованный моющим средством, был многообещающим, однако для этапа удаления моющего средства необходима осторожность, и оптимизация может потребоваться для конкретных белков31,35. Кроме того, способы, использующие электроформацию, могут ограничивать выбор белка и могут не подходить для всех липидных композиций, особенно заряженных липидов31,36,37. Другим методом, который был использован, является пептид-индуцированное слияние больших одноцветных везикул (LUV), содержащих желаемый белок, с ГУВ, хотя было обнаружено, что оно трудоемко и может привести к вставке чужеродных молекул - фузогенных пептидов33,38,39. Гигантские везикулы плазматической мембраны (GPMV), которые получены из живых клеток, могут быть использованы для преодоления некоторых из этих проблем, однако они позволяют минимально контролировать полученный липидный и белковый состав14,40,41. Таким образом, интеграция ИМП в билипидный слой ГУВ с использованием нашего модифицированного метода набухания агарозы представляет собой надежный метод дальнейшего изучения этих белков в мембранной среде42,43,44,45.
Клеточная сигнализация и связь включает в себя семейство белков, известных как рецепторы, связанные с G-белком (GPCR); GPCR являются одним из крупнейших семейств белков и связаны с модуляцией настроения, аппетита, артериального давления, сердечно-сосудистой функции, дыхания и сна среди многих других физиологических функций46. В этом исследовании мы использовали рецептор серотонина 1А человека (5-HT1AR), который является прототипом семейства GPCR. 5-HT1AR может быть обнаружен в центральной нервной системе (ЦНС) и кровеносных сосудах; он влияет на многочисленные функции, такие как сердечно-сосудистая, желудочно-кишечная, эндокринная функции, а также участвует в регуляции настроения47. Большой барьер для исследований GPCR возникает из-за их сложной амфифильной структуры, и ГУВ представляют собой многообещающую платформу для исследования различных интересующих свойств, начиная от функциональности белка, липидно-белковых взаимодействий и белково-белковых взаимодействий. Для изучения липидно-белковых взаимодействий были использованы различные подходы, такие как поверхностный плазмонный резонанс (SPR)48,49, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)50,51, анализ наложения липидов на белок (PLO) 51,52,53,54, нативная масс-спектрометрия55, изотермическая титрационная калориметрия (ITC)56,57 и липосома осадочный анализ58,59. Наша лаборатория использовала упрощенный подход GUV для исследования влияния липидно-белковых взаимодействий на функциональность белка путем инкапсуляции BODIPY-GTPγS, которая связывается с субъединицей Giα в активном состоянии рецептора. Их связывание разглаживает флуорофор, производя флуоресцентный сигнал, который может быть обнаружен с течением времени45. Кроме того, в различных исследованиях изучались липидно-белковые взаимодействия и роль белков в обнаружении или стабилизации кривизны мембраны60,61, и использование осуществимого подхода GUV может быть ключевым преимуществом.
Этот протокол демонстрирует простой метод включения GPCR в мембрану ГУВ с использованием модифицированной системы гидрогеля агарозы17,42. Кроме того, основываясь на нашей предыдущей работе, наш метод может быть подходящим для IMP, которые могут выдерживать кратковременное воздействие 30-40 ° C. Вкратце, мы распространили тонкую пленку агарозы в сочетании с фрагментами мембраны, содержащими интересующий GPCR. После гелеобразования этого слоя мы наносим раствор липидов поверх агарозы и позволяем растворителю испариться. Затем регидратацию системы выполняли с помощью водного буфера, в результате чего образовывались ГУВ с белком, включенным в липидный бислой.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC)</td>
			<td>Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL</td>
			<td>850375C-25mg</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160;TI-Eclipse inverted microscope</td>
			<td>Nikon, Melville, NY</td>
			<td>Eclipse Ti</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DPPC)</td>
			<td>Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL</td>
			<td>850355C-25mg</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>13/16&#8243; ID, 1&#8243; OD silicon O-rings</td>
			<td>Sterling Seal &#38; Supply, Neptune, IN</td>
			<td>5-003-8770</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>16-bit Cascade II 512 electron-multiplied charge coupled device camera</td>
			<td>Photometrics, Huntington Beach, CA</td>
			<td>&#160;Cascade II 512</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1-palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-phosphocholine (POPC)</td>
			<td>Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL</td>
			<td>850457C-25mg</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mW solid-state lasers at 488 nm and emission filter centered at 525 nm, and 561 nm with emission filter centered at 595 nm</td>
			<td>Coherent, Santa Clara, CA</td>
			<td>488/561-50-LS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-HT1AR membrane fragments</td>
			<td>Perkin Elmer, Waltham, MA</td>
			<td>RBHS1AM400UA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ATTO-488-1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DPPE)</td>
			<td>ATTO-TEC, Siegen, Germany</td>
			<td>AD 488-155</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bench top plasma cleaner</td>
			<td>Harrick Plasma, Ithaca, NY</td>
			<td>PDC-32G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>bovine serum albumin (BSA)</td>
			<td>Sigma Aldrich, St. Louis, MO</td>
			<td>A9418</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>chloroform (CHCl3)</td>
			<td>Millipore Sigma, Burlington, MA</td>
			<td>CX1055</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cholesterol (Chol)</td>
			<td>Sigma Aldrich, St. Louis, MO</td>
			<td>C8667-5G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning 96-well Flat Clear Bottom</td>
			<td>Corning, Corning, NY</td>
			<td>3904</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Elmasonic E-Series E15H Ultrasonic</td>
			<td>Elma, Singen, Germany</td>
			<td>[no longer sold on main website]</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>glucose</td>
			<td>Sigma Aldrich, St. Louis, MO</td>
			<td>G7528</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>methanol (MeOH)</td>
			<td>Millipore Sigma, Burlington, MA</td>
			<td>MX0485</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanoDrop ND-1000</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA</td>
			<td>ND-1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NHS-Rhodamine</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA</td>
			<td>46406</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>phosphate buffered saline (PBS) (10x PBS)</td>
			<td>Corning, Corning, NY</td>
			<td>21-040</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>spinning-disc CSUX confocal head</td>
			<td>Yokogawa,Tokyo, Japan</td>
			<td>CSU-X1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>standard 25 mm no. 1 glass coverslips</td>
			<td>ChemGlass, Vineland, NJ</td>
			<td>CLS-1760</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sucrose</td>
			<td>Sigma Aldrich, St. Louis, MO</td>
			<td>S7903</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sykes-Moore chambers</td>
			<td>Bellco, Vineland, NJ</td>
			<td>1943-11111</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultra-low melting temperature agarose</td>
			<td>Sigma Aldrich, St. Louis, MO</td>
			<td>A5030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VWR Analog Heatblock</td>
			<td>VWR International, Radnor, PA</td>
			<td>[no longer sold on main website]</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VWR Tube Rotator</td>
			<td>VWR International, Radnor, PA</td>
			<td>10136-084</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zeba Spin Desalting Columns, 7K MWCO, 0.5 mL</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA</td>
			<td>89882</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

construction of model lipid membranes incorporating g-protein coupled receptors (gpcrs)

Надежные исследования in vitro структуры и функции интегральных мембранных белков были проблемой из-за сложности плазматической мембраны и многочисленных факторов, которые влияют на поведение белка в живых клетках. Гигантские одноламеллярные везикулы (ГУВ) представляют собой биомиметическую и высоко перестраиваемую модельную систему in vitro для исследования белково-мембранных взаимодействий и зондирования поведения белка точным, зависимым от стимула способом. В этом протоколе мы представляем недорогой и эффективный метод изготовления ГУВ с рецептором серотонина 1А человека (5-HT1AR), стабильно интегрированным в мембрану. Мы производим ГУВ с использованием модифицированного метода набухания гидрогеля; путем осаждения липидной пленки поверх смеси агарозы и 5-HT1AR, а затем гидратации всей системы, везикулы могут быть сформированы с правильно ориентированным и функциональным 5-HT1AR, включенным в мембрану. Эти ГУВ затем могут быть использованы для изучения белково-мембранных взаимодействий и поведения локализации с помощью микроскопии. В конечном счете, этот протокол может продвинуть наше понимание функциональности интегральных мембранных белков, обеспечивая глубокое физиологическое понимание.

Измеряли концентрацию белка, а степень маркировки рассчитывали как молярное соотношение между красителем и белком 1:1. Изучив ГУВ с помощью конфокальной микроскопии, мы смогли подтвердить успешное образование и белковую интеграцию везикул. Липиды были помечены 0,4 моль% ATTO 488-DPPE, а белок ?...

Watch this Scientific Journal Video about Construction of Model Lipid Membranes Incorporating G-protein Coupled Receptors GPCRs at JoVE.com

Construction of Model Lipid Membranes Incorporating G-protein Coupled Receptors GPCRs

Этот протокол использует набухание агарозы в качестве мощного и обобщаемого метода включения интегральных мембранных белков (ИМП) в гигантские одноламеллярные липидные везикулы (ГУВ), как описано здесь для восстановления человеческого белка рецептора серотонина 1А (5-HT1AR), одного из классов фармакологически важных рецепторов, связанных с G-белком.

Построение модельных липидных мембран, включающих рецепторы, связанные с G-белком (GPCR)

Robust in vitro investigations of the structure and function of integral membrane proteins has been a challenge due to the complexities of the plasma ...

Изучение интегральных мембранных белков в их родной среде было проблемой из-за сложности плазматической мембраны. Гигантские одноламеллярные липидные везикулы, или GUV, являются одной из наиболее известных платформ для изучения свойств биомембраны, и они могут быть спроектированы для имитации различных физиологических состояний. Этот протокол описывает способ изготовления белковых инкорпорированных ГУВ на основе спонтанного включения после набухания гидрогеля. Традиционные методы изготовления ГУВ не могут быть обобщены для включения интегрального мембранного белка. Эти методы часто являются низкопродуктивными, методологически сложными и специальными, не применимыми к широким классам белков. С другой стороны, этот протокол представляет собой гибкий, надежный и простой метод включения функциональных интегральных мембранных белков в ГУВ.Мы достигли этого, подготовив гидрогелевой каркас, содержащий белок, и нанеся тонкий слой липидов поверх него. В примере, представленном здесь, мы включили рецептор, связанный с G-белком, или GPCR, в ГУВ.При регидратации всей системы ГУВ отходят от поверхности гидрогеля с мембраной, содержащей правильно ориентированные GPCR.Позвольте всем реагентам достичь комнатной температуры. В течение этого времени очистите крышку, поместив их в метанол и обработав ультразвуком в течение 30 минут при 40

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Cell Biology

Bioengineering

Construction of Model Lipid Membranes Incorporating G-protein Coupled Receptors (GPCRs)

Unit 1

Membrane Structure and Components

SCIENTISTS IN ACTION

Helical Organization of Blood Coagulation Factor VIII on Lipid Nanotubes

Винтовая Организация свертывания крови фактора VIII на липидный нанотрубок

Cryo-electron microscopy (Cryo-EM)1 is a powerful approach to investigate the functional structure of proteins and complexes in a hydrated state and ...

Use of Label-free Optical Biosensors to Detect Modulation of Potassium Channels by G-protein Coupled Receptors

Использование этикеток без оптические биосенсоры для обнаружения модуляции калиевых каналов на G-белком рецепторов

Ion channels control the electrical properties of neurons and other excitable cell types by selectively allowing ions to flow through the plasma ...

Lipid Bilayer Vesicle Generation Using Microfluidic Jetting

Липидов Bilayer везикул поколения Использование микрофлюидных струйное

Bottom-up synthetic biology presents a novel approach for investigating and reconstituting biochemical systems and, potentially, minimal organisms. This ...

Construction and Characterization of a Novel Vocal Fold Bioreactor

Строительство и характеристика Fold биореактора Роман вокального

In vitro engineering of mechanically active tissues requires the presentation of physiologically relevant mechanical conditions to cultured cells. To ...

Preparation of Light-responsive Membranes by a Combined Surface Grafting and Postmodification Process

Подготовка Свет проблематики мембран на комбинированным покрытием Прививка и Postmodification процесса

In order to modify the surface tension of commercial available track-edged polymer membranes, a procedure of surface-initiated polymerization is ...

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer (SALB) Method

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer SALB Method

Биомембрана Изготовление растворителем-помощь липидного бислоя (SALB) метод

In order to mimic cell membranes, the supported lipid bilayer (SLB) is an attractive platform which enables in vitro investigation of membrane-related ...

Construction of Modular Hydrogel Sheets for Micropatterned Macro-scaled 3D Cellular Architecture

Строительство модульных гидрогеля листов для Micropatterned Макро-масштабного 3D Cellular архитектуры

Hydrogels can be patterned at the micro-scale using microfluidic or micropatterning technologies to provide an in vivo-like three-dimensional (3D) tissue ...

Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

Магнитной левитации В сочетании с Портативный визуализации и анализа для заболевания Диагностика

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

Синтез гидрогелей с противообрастающей недвижимостью в качестве мембран для очистки воды

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...

Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests

Строительство и настройка сканирующего фотосинтетического биореактора водорослей с контролем температуры, света и pH для испытаний на кинетический рост

The optimal design and operation of photosynthetic bioreactors (PBRs) for microalgal cultivation is essential for improving the environmental and economic ...