Hier präsentieren wir eine unterstützte Lipiddoppelschicht im Rahmen einer mikrofluidischen Plattform zur Untersuchung von Protein-Phosphoinositid-Wechselwirkungen unter Verwendung eines etikettfreien Verfahrens auf Basis der pH-Modulation.
Zahlreiche zelluläre Proteine wechselwirken mit Membranoberflächen, um essentielle zelluläre Prozesse zu beeinflussen. Diese Wechselwirkungen können auf eine spezifische Lipidkomponente innerhalb einer Membran gerichtet sein, wie im Fall von Phosphoinositiden (PIPs), um eine spezifische subzelluläre Lokalisation und / oder Aktivierung zu gewährleisten. PIPs und zelluläre PIP-bindende Domänen wurden intensiv untersucht, um ihre Rolle in der zellulären Physiologie besser zu verstehen. Wir haben einen pH-Modulationstest auf geträgerten Lipiddoppelschichten (SLBs) als ein Werkzeug zur Untersuchung von Protein-PIP-Wechselwirkungen angewendet. In diesen Studien wird pH-sensitives ortho- Sulforhodamin B-konjugiertes Phosphatidylethanolamin verwendet, um Protein-PIP-Wechselwirkungen zu detektieren. Nach der Bindung eines Proteins an eine PIP-haltige Membranoberfläche wird das Grenzflächenpotential moduliert ( dh Änderung des lokalen pH-Werts), wobei der Protonierungszustand der Sonde verschoben wird. Eine Fallstudie der erfolgreichen Verwendung des pH-Modulationstests wird unter Verwendung von Phospholipase C delta1 PleckstrIn der Homologie (PLC-δ1 PH) -Domäne und Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PI (4,5) P 2 ) -Interaktion als Beispiel. Die scheinbare Dissoziationskonstante ( Kd, app ) für diese Wechselwirkung betrug 0,39 ± 0,05 μM, ähnlich Kd, app- Werte, die von anderen erhalten wurden. Wie bereits erwähnt, ist die PLC-δ1-PH-Domäne PI (4,5) P 2 spezifisch, zeigt eine schwächere Bindung an Phosphatidylinositol-4-phosphat und keine Bindung an reine Phosphatidylcholin-SLBs. Der PIP-on-a-Chip-Assay ist gegenüber herkömmlichen PIP-Bindungsassays vorteilhaft, einschließlich, aber nicht beschränkt auf niedrige Probenvolumina und keine Ligand / Rezeptor-Markierungsanforderungen, die Fähigkeit, hoch- und niederaffine Membran-Wechselwirkungen sowohl mit kleinen als auch mit testen zu testen Große Moleküle und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis. Dementsprechend wird die Verwendung des PIP-on-a-Chip-Ansatzes die Aufklärung von Mechanismen einer breiten Palette von Membranwechselwirkungen erleichtern. Darüber hinaus könnte diese Methode möglicherweise u seinSed bei der Identifizierung von Therapeutika, die die Fähigkeit des Proteins modulieren, mit Membranen zu interagieren.
Unzählige Wechselwirkungen und biochemische Prozesse finden auf zweidimensional flüssigen Membranoberflächen statt. Membran-umschlossene Organellen in eukaryotischen Zellen sind nicht nur in biochemischen Prozessen und ihrem assoziierten Proteom, sondern auch in ihrer Lipidzusammensetzung einzigartig. Eine außergewöhnliche Klasse von Phospholipiden ist Phosphoinositide (PIPs). Obwohl sie nur 1% des zellulären Lipidoms enthalten, spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Signaltransduktion, Autophagie und Membranhandel unter anderem 1 , 2 , 3 , 4 . Dynamische Phosphorylierung der Inositol – Kopfgruppe durch zelluläre PIP – Kinasen führt zu sieben PIP – Kopfgruppen , die Mono-, Bis- oder Tris-phosphoryliert 5. Zusätzlich definieren PIPs die subzelluläre Identität von Membranen und dienen als spezialisierte Membran-Docking-Stellen für Proteine / Enzyme, die ein oder mehrere Phosphoinos enthaltenItide-bindende Domänen, z. B. Pleckstrin-Homologie (PH), Phox-Homologie (PX) und Epsin-N-terminale Homologie (ENTH) 6 , 7 . Eine der am besten untersuchten PIP-bindenden Domänen ist Phospholipase C (PLC) -δ1 PH-Domäne, die spezifisch mit Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PI (4,5) P 2 ) innerhalb einer hohen Nanomolar-niedrigen Mikromolarbereich-Affinität 8 wechselwirkt , 9 , 10 , 11
Eine Vielzahl von qualitativen und quantitativen in vitro Methoden wurden entwickelt und verwendet, um den Mechanismus, die Thermodynamik und die Spezifität dieser Wechselwirkungen zu untersuchen. Zu den am häufigsten verwendeten PIP-Bindungsassays gehören die Oberflächenplasmonresonanz (SPR), die isotherme Kalorimetrie (ITC), die Kernspinresonanz (NMR) -Spektroskopie, der Liposom-Flotations- / Sedimentationsassay und die Lipidblots (Fat-Blots / PIP-Streifen)12 , 13 Auch wenn diese weitgehend genutzt werden, haben sie alle viele Nachteile. Zum Beispiel benötigen SPR, ITC und NMR große Mengen an Probe, teure Instrumentierung und / oder geschultes Personal 12 , 13 . Einige Assayformate wie Antikörper-basierte Lipid-Blots verwenden wasserlösliche Formen von PIPs und präsentieren sie in einer nichtphysiologischen Weise 12 , 14 , 15 , 16 . Darüber hinaus können Lipid-Blots nicht zuverlässig quantifiziert werden und haben oft zu falsch-positiven / negativen Beobachtungen 12 , 17 , 18 geführt . Um diese Herausforderungen zu bewältigen und den aktuellen Werkzeugsatz zu verbessern, wurde eine neue, etikettfreie Methode auf Basis einer unterstützten Lipiddoppelschicht (SLB) im Rahmen von am Mikrofluidische Plattform, die erfolgreich auf die Untersuchung von Protein-PIP-Wechselwirkungen angewendet wurde ( Abbildung 1 ) 19 .
Die zur Detektion von Protein-PIP-Wechselwirkungen eingesetzte Strategie basiert auf der pH-Modulationssensorik. Hierbei handelt es sich um einen pH-empfindlichen Farbstoff, der ortho- Sulforhodamin B ( o SRB) direkt an die Phosphatidylethanolamin-Lipidkopfgruppe 20 konjugiert hat. Die o SRB-POPE-Sonde ( Fig. 2A ) ist bei niedrigem pH-Wert hoch fluoreszierend und bei hohem pH-Wert mit einem pKa um 6,7 innerhalb von 7,5 Mol-% PI (4,5) P 2 -haltigen SLBs abgeschreckt ( Fig. 5B ). PLC-δ1-PH-Domäne wurde für die Validierung von Protein-PIP-Bindungsmethoden aufgrund ihrer hohen Spezifität gegenüber PI (4,5) P 2 ( Abbildung 5A ) 21 , 22 ,"> 23 , 24 , 25. Daher haben wir festgestellt, dass die PLC-δ1-PH-Domäne verwendet werden kann, um ihre Bindung an PI (4,5) P 2 durch den PIP-on-a-Chip-Assay zu testen. Das PH-Domänen-Konstrukt verwendet , das in dieser Studie eine positive Nettoladung (pI 8,4) hat, und so zieht OH -. Ionen (5C) auf zu PI (4,5) P 2 -haltigen SLBs Bindung bringt die PH – Domäne , die OH – Ionen zu dem Membranoberfläche, die wiederum das Grenzflächenpotential moduliert und den Protonierungszustand von o SRB-POPE verschiebt ( Abbildung 5C ) 26. Als Funktion der PH-Domänenkonzentration wird die Fluoreszenz abgeschreckt ( Abbildung 6A ). Schließlich sind die normierten Daten Zu einer bindenden Isotherme passt, um die Affinität der PH-Domäne-PI (4,5) P 2 -Interaktion zu bestimmen ( Abbildung 6B , 6C )/ P>
In dieser Studie wird ein detailliertes Protokoll bereitgestellt, um Proteinbindung an PIP-haltige SLBs innerhalb einer mikrofluidischen Plattform durchzuführen. Dieses Protokoll nimmt den Leser vom Zusammenbau der mikrofluidischen Vorrichtung und der Vesikelpräparation zur SLB-Bildung und Proteinbindung an. Zusätzlich werden Richtungen für die Datenanalyse zur Extraktion von Affinitätsinformationen für die PLC-δ1-PH-Domäne-PI (4,5) P 2 -Interaktion bereitgestellt.
Jede PIP-Variante, wenn auch bei niedrigen Konzentrationen, liegt auf der zytosolischen Oberfläche spezifischer Organellen vor, wo sie zur Etablierung einer einzigartigen physikalischen Zusammensetzung und funktionellen Spezifität der organellaren Membran 1 beitragen. Eine der wichtigsten Verwendungen von PIPs ist eine spezifische Docking-Plattform für die Vielzahl von Proteinen, die eine spezifische subzelluläre Lokalisierung und / oder Aktivierung erfordern 6 ,<…
The authors have nothing to disclose.
DS und CEC wurden teilweise durch die Gewährung von AI053531 (NIAID, NIH) unterstützt; SS und PSC wurden durch die Erteilung von N00014-14-1-0792 (ONR) unterstützt.
Coverslip | |||
Glass Coverslips: Rectangles | Fisher Scientific | 12-544B | 22 x 40 x 0.16 – 0.19 mm, No. 1 1/2; Borosilicate Glass |
7X Cleaning Solution | MP Biomedicals | 976670 | Detergent |
PYREX Crystallizing Dish | Corning | 3140-190 | Borosilicate glass dish with a flat bottom; Diameter x Height (190 x 100 mm); Distributor: VWR (89090-700) |
Sentry Xpress 2.0 | Paragon Industries | SC-2 | Kiln |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
PDMS | |||
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | 4019862 | Polydimethylsiloxane (PDMS); Distributor: Ellsworth Adhesives |
PYREX Desiccator | VWR | 89134-402 | Vacuum Rated |
Biopsy punch | Harris | 15110-10 | Harris Uni-Core; 1.0 mm diameter; Miltex Biopsy Punch with Plunger (Cat. No. 15110-10) can be used as an alternative |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Device | |||
Plasma Cleaning System | PlasmaEtch | PE25-JW | 2-stage Direct Drive Oil Vacuum Pump, O2 service (Krytox Charged) |
Digital Hot Plate | Benchmark | H3760-H | Purchased through Denville Scientific (Cat. No. 1005640) |
Frosted Micro Slides | VWR | 48312-003 | Frosted, Selected, and Precleaned; Made of Swiss Glass; Thickness: 1 mm; Dimensions: 75 x 25 mm; GR 144 |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Mold | |||
AutoCAD | Autodesk | v.2016 | Drafting software for the photomask design |
Photomask | CAD/Art Services | N/A | Design with black background and clear features was printed at 20k dpi resolution on a transparent mask (5 x 7 in) by CAD/Art Services |
Silicone Wafers | University Wafer | 1575 | Prime Grade, Single Side Polished; 100 mm (4 inch) Diameter; 525 um Thickness |
SU-8 50 | MicroChem Corp. | N/A | Negative Tone Photoresist; Penn State Nanofabrication Facility Property |
SU-8 Developer | MicroChem Corp. | N/A | Penn State Nanofabrication Facility Property |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
SUV | |||
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids | 850457C | POPC |
L-α-phosphatidylinositol-4-phosphate | Avanti Polar Lipids | 840045X | PI4P |
L-α-phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate | Avanti Polar Lipids | 840046X | PI(4,5)P2 |
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine | Avanti Polar Lipids | 850757C | POPE; Required for the synthesis of oSRB-POPE |
Lissamine Rhodamine B Sulfonyl Chloride (mixed isomers) | ThermoFisher Scientific | L-20 | Required for the synthesis of oSRB-POPE |
pH Sensitive Fluorescent Lipid Probe (oSRB-POPE) | In-house | N/A | In-house Synthesis (Huang D. et al. 2013) |
Glass Scintillation Vial | VWR | 66022-065 | 20 mL volume capacity |
Aquasonic 250D | VWR | N/A | Ultrasonic Water Bath |
Nuclepore Track-Etched Membranes | Whatman | 110605 | Polycarbonate Membrane; Diameter: 25 mm; Pore Size: 0.1 um; Distributor: Sigma-Aldrich |
Chloroform | VWR | CX1054-6 | HPLC grade |
LIPEX Extruder | Transferra Nanosciences | T.001 | LIPEX 10 mL Thermobarrel Extruder |
Viscotek 802 DLS | Malvern Instruments | N/A | Dynamic Light Scattering; Penn State X-Ray Crystallography Facility Property |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Data Analysis | |||
GraphPad Prism | GraphPad Software | v.6 | Curve-fitting software for data analysis |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Microscope | |||
Axiovert 200M Epifluorescence Microscope | Carl Zeiss Microscopy | N/A | Microscope |
AxioCam MRm Camera | Carl Zeiss Microscopy | N/A | Camera |
X-Cite 120 | Excelitas Technologies | N/A | Light Source |
Alexa 568 Filter Set | Carl Zeiss Microscopy | N/A | Ex/Em 576/603 nm |
AxioVision LE64 v.4.9.1.0 Software | Carl Zeiss Microscopy | N/A | Image Processing Software |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Andere | |||
Tips | VWR | 10034-132 | 200 uL pipette tips; Thin and smooth tip for applying the protein solution into the microfluidic channel |
Tips | VWR | 53509-070 | 10 uL pipette tips; Thin and smooth tip for applying the vesicle solution into the microfluidic channel |
Orion Star A321 pH meter | Thermo Scientific | STARA3210 | pH meter |
Orion micro pH probe | Thermo Scientific | 8220BNWP | micro pH probe |
N-(2-Hydroxyethyl)-Piperazine-N'-(2-Ethanesulfonic Acid) | VWR | VWRB30487 | HEPES, Free Acid |
Sodium Chloride | VWR | BDH8014-2.5KGR | NaCl |
Tubing | Allied Wire & Cable | TFT-200-24 N | Internal Diameter: 0.020-0.026 inches (0.051-0.066 cm); Wall Thickness: 0.010 inches (0.025 cm); Flexible Polytetrafluoroethylene Thin-Wall Tubing; Natural Color |
Nitrogen Gas – Industrial | Praxair | N/A | Local Provider |
Oxygen Gas – Industrial | Praxair | N/A | Local Provider |
Liquid Nitrogen | Praxair | N/A | Local Provider |