Summary

Fluorescens Biomembrane Kraft Probe: Samtidig Kvantificering af receptor-ligand Kinetics og Binding-induceret intracellulær signalering på en enkelt celle

Published: August 04, 2015
doi:

Summary

We describe a technique for concurrently measuring force-regulated single receptor-ligand binding kinetics and real-time imaging of calcium signaling in a single T lymphocyte.

Abstract

Membran receptor-ligand-interaktioner medierer mange cellulære funktioner. Bindende kinetik og nedstrøms signalering udløses af disse molekylære interaktioner er sandsynligvis påvirkes af den mekaniske miljø, hvor binding og signalering finde sted. En nylig undersøgelse viste, at mekanisk kraft kan regulere antigen-genkendelse ved og udløsning af T-celle receptor (TCR). Dette blev muliggjort af en ny teknologi, vi udviklet og betegnet fluorescens biomembran force sonde (fBFP), som kombinerer enkelt molekyle force spektroskopi med fluorescens mikroskopi. Ved hjælp af en ultra-bløde menneskelige røde blodlegemer som følsomme force sensor, en high-speed kamera og real-time imaging sporing teknikker, den fBFP er ~ 1 pN (10 -12 N), ~ 3 nm og ~ 0,5 ms i kraft, rumlig og tidsmæssig opløsning. Med fBFP, kan man præcist måle enkelt receptor-ligand bindende kinetik under force regulering og samtidig billede binding-udløst intracellulær calcium signalering på en enkelt levende celle. Denne nye teknologi kan anvendes til at studere andre membran-receptor-ligand-interaktion og signalering i andre celler under mekanisk regulering.

Introduction

Celle-til-celle og celle-til-ekstracellulære matrix (ECM) adhæsion medieres af binding mellem celleoverfladereceptorer, ECM-proteiner og / eller lipider 1. Binding tillader celler at danne funktionelle strukturer 1, samt erkende, kommunikere og reagerer på miljøet 1-3. Modsætning opløselige proteiner (f.eks cytokiner og vækstfaktorer), der binder fra en tredimensional (3D) væskefase onto celleoverfladereceptorer, celleadhæsionsreceptorer danne bindinger med deres ligander på tværs af en smal forbindelsesepitop kløft at bygge bro to modstående overflader, der begrænser molekylære diffusion i en todimensionel (2D) grænseflade 4-7. I modsætning til 3D-kinetik, der almindeligvis måles på traditionel bindingsanalyser (f.eks overfladeplasmonresonans eller SPR), at 2D kinetik har kvantificeres med specialiserede teknikker såsom atomic force mikroskopi (AFM) 8-10, flow kammer 11,12, mikropipette 13,14, optiskpincet 15 og biomembran force probe (BFP) 16-21.

Mere end blot at give fysisk kobling til cellulær samhørighed, adhæsionsmolekyler er en vigtig del af signaleringen maskiner til cellen til at kommunikere med sine omgivelser. Der har været stigende interesse for at forstå, hvordan ligand-engagementet af adhæsionsmolekyler initierer intracellulær signalering og hvordan det første signal transduceres inde i cellen. Intuitivt egenskaber receptor-ligand-binding kan påvirke de signaler den fremkalder. Det er imidlertid vanskeligt at dissekere mekanistiske relationer mellem den ekstracellulære interaktion og intracellulære signalsystemer begivenheder ved hjælp af traditionel ensemble af biokemiske analyser på grund af deres mange begrænsninger, f.eks en dårlig tidsmæssig opløsning og den fuldstændige mangel på rumlig opløsning. Eksisterende metoder, der tillader både biofysiske (2D-receptor-ligand binding kinetik) og biokemiske (signalanlæg) bemærkninger om levendeceller omfatter substrater af justerbar stivhed 22, elastomer søjle arrays 23 og flow kammer / mikrofluidenheder indarbejdet med fluorescens kapacitet 24-26. , Udlæsninger af signalering og receptor-ligand binding har dog skal indhentes separat (oftest ved forskellige metoder), hvilket gør det vanskeligt at dissekere tidsmæssige og rumlige relationer obligations- karakteristika med signalering begivenheder.

Konventionel BFP er en ultrasensitiv kraft spektroskopi med høj opløsning Spatiotemporal 17. Det bruger en fleksibel røde blodlegemer (RBC) som en kraft sensor, hvilket muliggør måling af enkelt-molekyle 2D kinetik, mekaniske egenskaber og konformationelle ændringer 14,16,19-21,27-29. En fluorescerende billeddannelse baseret BFP (fBFP) korrelerer de receptor-ligand bindingskinetik med bindingen-udløste cellesignalering ved enkelt-molekyle skala. Med denne opsætning in situ cellesignalering aktiviteter i forbindelse med overfladen generelt mekaniskcal-stimulering blev observeret i T-celler 27. Den fBFP er alsidig og kan bruges til undersøgelser af celleadhæsion og signalering medieret af andre molekyler i andre celler.

Protocol

Denne protokol følger retningslinjerne fra og er blevet godkendt af den menneskelige videnskabsetisk komité af Georgia Institute of Technology. 1. Menneskelig RBC Isolation, Biotinylering og Osmolaritet Justering Bemærk: Trin 1.1 skal udføres af en uddannet læge, såsom en sygeplejerske, med en Institutional Review Board godkendte protokol. Opnåelse 8-10 pi (én dråbe) af blod fra stik i fingeren, og der tilsættes til 1 ml af carbonat / bicarbo…

Representative Results

BFP teknik blev udviklet af Evans laboratorium i 1995 17. Har Denne picoforce værktøj blevet ekstensivt anvendt til at måle interaktioner af proteiner immobiliseret på overflader, således at analysere todimensionale kinetik for adhæsionsmolekyler interagere med deres ligander 16,19,20, 30, for at måle molekylær elasticitet 21,29, og til at bestemme protein konformationsændringer 21. For en fBFP, et ekstra sæt epi-fluorescens-relaterede enheder med tilhørende softwar…

Discussion

En vellykket fBFP eksperiment medfører nogle kritiske overvejelser. Først for den kraft beregning for at være pålidelige, mikropipetten, RBC, og sonden perle bør tilpasses så tæt til koaksial som muligt. Projektionen af ​​RBC inde pipetten skal være omkring én probe pipette diameter, således at friktionen mellem RBC og pipetten er ubetydelig. For en typisk human RBC, den optimale pipette diameter er 2,0-2,4 um, som giver en bedste tilpasning af ligning 1 17,30. For det andet at sikre målinger i…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Research related to this paper and the development of the fBFP technology in the Zhu lab were supported by NIH grants AI044902, AI077343, AI038282, HL093723, HL091020, GM096187, and TW008753. We thank Evan Evans for inventing this empowering experimental tool, and members of the Evans lab, Andrew Leung, Koji Kinoshita, Wesley Wong, and Ken Halvorsen, for helping us to build the BFP. We also thank other Zhu lab members, Fang Kong, Chenghao Ge and Kaitao Li, for their helps in the instrumentation development.

Materials

Table 1: Reagents/Equipment
Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Sodium Phosphate Monobasic Monohydrate (NaH2PO4•H2O) Sigma-Aldrich S9638 Phosphate buffer preparation
Anhy. Sodium Phosphate Dibasic (Na2HPO4) Sigma-Aldrich S7907 Phosphate buffer preparation
Sodium Carbonate (Na2CO3) Sigma-Aldrich S2127 Carbonate/bicarbonate buffer preparation
Sodium Bicarbonate (NaHCO3) Sigma-Aldrich S5761 Carbonate/bicarbonate buffer preparation
Sodium chloride (NaCl) Sigma-Aldrich S7653 N2-5% buffer preparation
Potassium chloride (KCl) Sigma-Aldrich P9541 N2-5% buffer preparation
Potassium phosphate monobasic (KH2PO4) Sigma-Aldrich P5655 N2-5% buffer preparation
Sucrose Sigma-Aldrich S0389 N2-5% buffer preparation
MAL-PEG3500-NHS JenKem A5002-1 Bead functionalization
Biotin-PEG3500-NHS JenKem A5026-1 RBC biotinylation
Nystatin Sigma-Aldrich N6261 RBC osmolarity adjustment
Ammonium Hydroxide (NH4OH) Sigma-Aldrich A-6899 Glass bead silanization
Methanol BDH 67-56-1 Glass bead silanization
30% Hydrogen Peroxide (H2O2) J. T. Barker Jan-86 Glass bead silanization
Acetic Acid (Glacial) Sigma-Aldrich ARK2183 Glass bead silanization
3-MERCAPTOPROPYLTRIMETHOXYSILANE(MPTMS) Uct Specialties, llc 4420-74-0 Glass bead functionalization
Borosilicate Glass beads Distrilab Particle Technology 9002 Glass bead functionalization
Streptavidin−Maleimide Sigma-Aldrich S9415 Glass bead functionalization
BSA Sigma-Aldrich A0336 Ligand functionalizing
Fura2-AM Life Technologies F-1201 Intracellular calcium fluorescence dye loading
Dimethyl sulfoxide (DMSO) Sigma-Aldrich D2650 Intracellular calcium fluorescence dye loading
Quantibrite PE Beads BD Biosciences 340495 Density quantification
Flow Cytometer BD Biosciences BD LSR II Density quantification
Capillary Tube 0.7-1.0mm x 30" Kimble Chase 46485-1 Micropipette making
Flaming/Brown Micropipette Puller sutter instrument P-97 Micropipette making
Pipette microforce Narishige MF-900 Micropipette making
Mineral Oil Fisher Scientific BP2629-1 Chamber assembly
Microscope Cover Glass Fisher Scientific 12-544-G Chamber assembly
Micro-injector World Precision Instruments MF34G-5 Chamber assembly
1ml Syringe BD  309602 Chamber assembly
Micropipette holder Narishige HI-7 Chamber assembly
Home-designed mechanical parts and adaptors fabrications using CNC machining.  Biophysics Instrument All parts are customized according to the CAD designs. BFP system
Microscope (TiE inverted) Nikon MEA53100 BFP system
Objective CFI Plan Fluor 40x (NA 0.75, WD 0.72mm, Spg) Nikon MRH00401 BFP system
Camera, GE680, 640×480, GigE, 1/3" CCD, mono Graftek Imaging 02-2020C BFP system
Prosilica GC1290 – ICX445, 1/3", C-Mount, 1280×960, Mono., CCD, 12 Bit ADC Graftek Imaging 02-2185A BFP system
Manual submicron probehead with high resolution remote control Karl Suss PH400 BFP system
Anti-vibration table (5’ x 3’) TMC 77049089 BFP system
3D manual translational stage Newport 462-XYZ-M
SolidWorks 3D CAD software SOLIDWORKS Corp. Version 2012 SP5 BFP system
LabVIEW software National Instruments Version 2009 BFP system, BFP program
3D piezo translational stage Physik Instrumente M-105.3P BFP system
Linear piezo accuator Physik Instrumente P-753.1CD BFP system
Micromanager software Version 1.4 fBFP system, fluorescence imaging program
Dual Cam (DC-2) Photometrics 77054724 fBFP system
Dual Cam emission filter (T565LPXR) Photometrics 77054725 fBFP system
Fluorescence Camera Hamamatsu ORCA-R2 C10600-10B fBFP system
Plastic paraffin film (Parafilm) Bemis Company, Inc PM996 bottle sealing
Table 2: Buffer solutions
Carbonate/bicarbonate buffer (pH 8.5)
Sodium Carbonate (Na2CO3) 8.4g/L
Sodium Bicarbonate (NaHCO3) 10.6g/L
Phosphate buffer (pH 6.5-6.8)
NaPhosphate monobasic   NaH2PO4•H2O 27.6g/L
Anhy. NaPhosphate dibasic   Na2HPO4 28.4g/L
N2-5% buffer (pH 7.2)
Potassium chloride (KCl) 20.77g/L
Sodium chloride (NaCl) 2.38g/L
Potassium phosphate monobasic (KH2PO4) 0.13g/L
Anhy. Sodium Phosphate Dibasic (Na2HPO4) 0.71g/L
Sucrose 9.70g/L

References

  1. Aplin, A. E., Howe, A., Alahari, S. K., Juliano, R. L. Signal transduction and signal modulation by cell adhesion receptors: the role of integrins, cadherins, immunoglobulin-cell adhesion molecules, and selectins. Pharmacological reviews. 50, 197-263 (1998).
  2. Davis, M. M., Bjorkman, P. J. T-cell antigen receptor genes and T-cell recognition. Nature. 334, 395-402 (1988).
  3. Dado, D., Sagi, M., Levenberg, S., Zemel, A. Mechanical control of stem cell differentiation. Regenerative medicine. 7, 101-116 (2012).
  4. Edwards, L. J., Zarnitsyna, V. I., Hood, J. D., Evavold, B. D., Zhu, C. Insights into T cell recognition of antigen: significance of two-dimensional kinetic parameters. Frontiers in immunology. 3, 86 (2012).
  5. Zhu, C., Jiang, N., Huang, J., Zarnitsyna, V. I., Evavold, B. D. Insights from in situ analysis of TCR-pMHC recognition: response of an interaction network. Immunological reviews. 251, 49-64 (2013).
  6. Huang, J., Meyer, C., Zhu, C. T. T cell antigen recognition at the cell membrane. Molecular immunology. 52, 155-164 (2012).
  7. Zarnitsyna, V., Zhu, C. T. T cell triggering: insights from 2D kinetics analysis of molecular interactions. Physical biology. 9, 045005 (2012).
  8. Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters. 56, 930-933 (1986).
  9. Marshall, B. T., et al. Direct observation of catch bonds involving cell-adhesion molecules. Nature. 423, 190-193 (2003).
  10. Kong, F., Garcia, A. J., Mould, A. P., Humphries, M. J., Zhu, C. Demonstration of catch bonds between an integrin and its ligand. The Journal of cell biology. 185, 1275-1284 (2009).
  11. Yago, T., et al. Catch bonds govern adhesion through L-selectin at threshold shear. The Journal of cell biology. 166, 913-923 (2004).
  12. Yago, T., et al. Platelet glycoprotein Ibalpha forms catch bonds with human WT vWF but not with type 2B von Willebrand disease vWF. The Journal of clinical investigation. 118, 3195-3207 (2008).
  13. Chesla, S. E., Selvaraj, P., Zhu, C. Measuring two-dimensional receptor-ligand binding kinetics by micropipette. Biophysical journal. 75, 1553-1572 (1998).
  14. Huang, J., et al. The kinetics of two-dimensional TCR and pMHC interactions determine T-cell responsiveness. Nature. 464, 932-936 (2010).
  15. Heinrich, V., Wong, W. P., Halvorsen, K., Evans, E. Imaging biomolecular interactions by fast three-dimensional tracking of laser-confined carrier particles. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids. 24, 1194-1203 (2008).
  16. Chen, W., Evans, E. A., McEver, R. P., Zhu, C. Monitoring receptor-ligand interactions between surfaces by thermal fluctuations. Biophysical journal. 94, 694-701 (2008).
  17. Evans, E., Ritchie, K., Merkel, R. Sensitive force technique to probe molecular adhesion and structural linkages at biological interfaces. Biophysical. 68, 2580-2587 (1995).
  18. Evans, E., Leung, A., Heinrich, V., Zhu, C. Mechanical switching and coupling between two dissociation pathways in a P-selectin adhesion bond. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101, 11281-11286 (2004).
  19. Ju, L., Dong, J. -. f., Cruz, M. A., Zhu, C. The N-terminal Flanking Region of the A1 Domain Regulates the Force-dependent Binding of von Willebrand Factor to Platelet Glycoprotein Ib. Journal of Biological Chemistry. 288, (2013).
  20. Chen, W., Lou, J., Zhu, C. Forcing switch from short- to intermediate- and long-lived states of the alphaA domain generates LFA-1/ICAM-1 catch bonds. The Journal of biological chemistry. 285, 35967-35978 (2010).
  21. Chen, W., Lou, J., Evans, E. A., Zhu, C. Observing force-regulated conformational changes and ligand dissociation from a single integrin on cells. The Journal of cell biology. 199, 497-512 (2012).
  22. Judokusumo, E., Tabdanov, E., Kumari, S., Dustin, M. L., Kam, L. C. Mechanosensing in T lymphocyte activation. Biophysical journal. 102, L5-L7 (2012).
  23. Bashour, K. T., et al. CD28 and CD3 have complementary roles in T-cell traction forces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111, 2241-2246 (2014).
  24. Nesbitt, W. S., et al. Distinct glycoprotein Ib/V/IX and integrin alpha IIbbeta 3-dependent calcium signals cooperatively regulate platelet adhesion under flow. The Journal of biological chemistry. 277, 2965-2972 (2002).
  25. Mazzucato, M., Pradella, P., Cozzi, M. R., De Marco, L., Ruggeri, Z. M. Sequential cytoplasmic calcium signals in a 2-stage platelet activation process induced by the glycoprotein Ibalpha mechanoreceptor. Blood. 100, 2793-2800 (2002).
  26. Lefort, C. T., Ley, K. Neutrophil arrest by LFA-1 activation. Frontiers in immunology. 3, 157 (2012).
  27. Liu, B., Chen, W., Evavold, B. D., Zhu, C. Accumulation of dynamic catch bonds between TCR and agonist peptide-MHC triggers T cell signaling. Cell. 157, 357-368 (2014).
  28. Lou, J., et al. Flow-enhanced adhesion regulated by a selectin interdomain hinge. The Journal of cell biology. 174, 1107-1117 (2006).
  29. Fiore, V. F., Ju, L., Chen, Y., Zhu, C., Barker, T. H. Dynamic catch of a Thy-1-alpha5beta1+syndecan-4 trimolecular complex. Nature communications. 5, 4886 (2014).
  30. Chen, W., Zarnitsyna, V. I., Sarangapani, K. K., Huang, J., Zhu, C. Measuring Receptor-Ligand Binding Kinetics on Cell Surfaces: From Adhesion Frequency to Thermal Fluctuation Methods. Cellular and molecular bioengineering. 1, 276-288 (2008).
  31. Marshall, B. T., Sarangapani, K. K., Lou, J., McEver, R. P., Zhu, C. Force history dependence of receptor-ligand dissociation. Biophysical. 88, 1458-1466 (2005).
  32. Xiang, X., et al. Structural basis and kinetics of force-induced conformational changes of an alphaA domain-containing integrin. PloS one. 6, e27946 (2011).
check_url/fr/52975?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Chen, Y., Liu, B., Ju, L., Hong, J., Ji, Q., Chen, W., Zhu, C. Fluorescence Biomembrane Force Probe: Concurrent Quantitation of Receptor-ligand Kinetics and Binding-induced Intracellular Signaling on a Single Cell. J. Vis. Exp. (102), e52975, doi:10.3791/52975 (2015).

View Video