Summary

Vedhæftning Frekvens Assay for In Situ Kinetics Analyse af Cross-Junctional molekylære interaktioner i celle-celle-grænseflade

Published: November 02, 2011
doi:

Summary

En vedhæftning frekvens-analysen til måling af receptor-ligand interaktion kinetik, når begge molekyler er forankret på overfladen af ​​de vekselvirkende celler er beskrevet. Dette mekanisk-baserede assay er eksemplificeret ved hjælp af en mikropipette-tryk humane røde blodlegemer som vedhæftning sensor og integrin αLβ2 og intercellulære adhæsionsmolekyle-1 som vekselvirkende receptorer og ligander.

Abstract

Den mikropipette vedhæftning assay blev udviklet i 1998 til at måle todimensionale (2D) receptor-ligand binding kinetik 1. Analysen anvender en menneskelig røde blodlegemer (RBC) som vedhæftning sensor og præsentere celle til en af ​​de interagerende molekyler. Virksomheden beskæftiger mikromanipulering at bringe RBC i kontakt med en anden celle, der udtrykker den anden interagere molekylet med præcist kontrollerede område og tid til at gøre det muligt for obligationen dannelse. Vedhæftningen Arrangementet er detekteret som RBC forlængelse på at trække de to celler fra hinanden. Ved at styre tætheden af ​​ligander immobiliseret på RBC overfladen, er sandsynligheden for vedhæftning holdes i mid-range mellem 0 og 1. Vedhæftningen Sandsynligheden er estimeret ud fra hyppigheden af ​​friktion begivenheder i en sekvens af gentagen kontakt cyklusser mellem de to celler for en given kontakttid. Varierende kontakten tid genererer en bindende kurve. Montering af en probabilistisk model for receptor-ligand reaktionskinetik 1 til bindendekurve returnerer 2D affinitet og off-sats.

Analysen er valideret ved hjælp af interaktioner mellem Fcγ receptorer med IgG Fc 1-6, selectins med glycoconjugate ligander 6-9, integriner med ligander 10-13, homotypical cadherin bindende 14, T-celle receptoren og coreceptor med peptid-dur histocompatibility komplekser 15 – 19.

Metoden har været anvendt til at kvantificere reglerne i 2D kinetik af biofysiske faktorer, såsom den membran microtopology 5, membran anker 2, molekylære orientering og længde 6, transportør stivhed 9, krumning 20, og impingement kraft 20, samt biokemiske faktorer, såsom modulatorer af cytoskeleton og membran mikromiljø hvor vekselvirkende molekyler bor og overfladen organiseringen af disse molekyler 15,17,19.

Metoden er også blevet brugt to undersøge den samtidige bindingen af dual-receptor-ligand arter 3,4, og trimolecular interaktioner 19 ved hjælp af en modificeret model 21.

Den største fordel ved metoden er, at det giver mulighed for undersøgelse af receptorer i deres oprindelige membran miljø. Resultaterne kan være meget forskellige fra indhentet dem, der bruger renset receptorer 17. Det giver også mulighed undersøgelse af receptor-ligand interaktioner i en sub-sekunders tid med tidsmæssige opløsning langt ud over den typiske biokemiske metoder.

For at illustrere mikropipette vedhæftning hyppigheden metode, vi viser kinetik måling af intercellulære adhæsionsmolekyle 1 (ICAM-1) funktionaliserede om RBC binding til integrin α L β 2 på neutrofile med dimerisk E-selektin i løsningen for at aktivere α L β 2.

Protocol

1. RBC isoleret fra fuldblod Forbered EAS-45 løsninger. Afvejning af alle ingredienser fra tabel I og opløses i 100-200ml af DI vand. Tilsæt vand for at lave 1000ml løsning og justere pH til 8,0. Filter og alikvot af 50ml. Fryses ved -20 ° C til opbevaring. Bemærk: Trin 1,2 skal udføres af en uddannet læge, såsom en sygeplejerske, en institutionel Review Board godkendte protokol. Tegn 3-5 ml blod fra median kubiske vene i et 1…

Discussion

For at kunne bruge mikropipette vedhæftning frekvens-analysen bør man overveje en række vigtige skridt. Først skal du sørge for at registrere den specifikke interaktion for den receptor-ligand system af interesse. Uspecifik kontrolmålinger (jf. fig. 3, 4) sikre, at specificitet. Ideelt set bør uspecifik vedhæftning sandsynligheder være under 0,05 for al kontakt tid, varighed og til at have en betydelig forskel mellem det specifikke og uspecifikke vedhæftning sandsynligheder for hvert tidspunkt. Forskellige met…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne undersøgelse blev støttet af NIH tilskud R01HL091020, R01HL093723, R01AI077343, og R01GM096187.

Materials

Name of the reagent Company Catalogue # Comments
10x PBS BioWhittaker

17-517Q

Dilute to 1x with deionized water prior to use
Vacutainer EDTA BD 366643 RBCs isolation
10ML PK100      
Histopaque 1077 Sigma-Aldrich 10771 RBCs isolation
Adenine Sigma-Aldrich A2786 EAS-45 preparation
D-glucose (dextrose) Sigma-Aldrich G7528 EAS-45 preparation
D-Mannitol Sigma-Aldrich 6360 EAS-45 preparation
Sodium Chloride (NaCl) Sigma-Aldrich S7653 EAS-45 preparation
Sodium Phosphate, Dibasic (NaHPO) Fisher Scientific S374 EAS-45 preparation
L-glutamine Sigma-Aldrich G5763 EAS-45 preparation
Biotin-X-NHS Calbiochem 203188 RBCs biotinylation
Dimethylformamide (DMF) Thermo Scientific 20673 RBCs biotinylation
Borate Buffer (0.1M) Electron Microscopy Sciences 11455-90 RBCs biotinylation
Streptavidin Thermo Scientific 21125 Ligand functionalizing
BSA Sigma-Aldrich A0336 Ligand functionalizing
Quantibrite PE Beads BD Biosciences 340495 Density quantification
Flow cytometer BD Immunocytometry Systems

BD LSR II

Density quantification

Capillary Tube

0.7-1.0mm x 30"
Kimble Glass Inc. 46485-1 Micropipette pulling
Mineral Oil Fisher Scientific BP2629-1 Chamber assembly
Microscope Cover Glass Fisher Scientific 12-544-G Chamber assembly

PE α-human CD11a

Clone HI 111
eBioscience 12-0119-71 Reagent for Fig.1
PE anti-human CD54 eBioscience 12-0549 Reagent for Fig.1
Mouse IgG1 Isotype Control PE eBioscience 12-4714 Reagent for Fig.1
hydraulic micromanipulator Narishige MO-303 Micropipette system
Mechanical manipulator Newport 461-xyz-m, SM-13, DM-13 Micropipette system
piezoelectric translator Physik Instrumente P-840 Micropipette system
LabVIEW National Instruments Version 8.6 Micropipette system
DAQ board National Instruments USB-6008 Micropipette system
Optical table Kinetics Systems 5200 Series Micropipette system

Riferimenti

  1. Chesla, S. E., Selvaraj, P., Zhu, C. Measuring two-dimensional receptor-ligand binding kinetics by micropipette. Biophys. J. 75, 1553-1572 (1998).
  2. Chesla, S. E., Li, P., Nagarajan, S., Selvaraj, P., Zhu, C. The membrane anchor influences ligand binding two-dimensional kinetic rates and three-dimensional affinity of FcgammaRIII (CD16). J. Biol. Chem. 275, 10235-10246 (2000).
  3. Williams, T. E., Nagarajan, S., Selvaraj, P., Zhu, C. Concurrent and independent binding of Fcgamma receptors IIa and IIIb to surface-bound IgG. Biophys. J. 79, 1867-1875 (2000).
  4. Williams, T. E., Selvaraj, P., Zhu, C. Concurrent binding to multiple ligands: kinetic rates of CD16b for membrane-bound IgG1 and IgG2. Biophys. J. 79, 1858-1866 (2000).
  5. Williams, T. E., Nagarajan, S., Selvaraj, P., Zhu, C. Quantifying the impact of membrane microtopology on effective two-dimensional affinity. J. Biol. Chem. 276, 13283-13288 (2001).
  6. Huang, J. Quantifying the effects of molecular orientation and length on two-dimensional receptor-ligand binding kinetics. J. Biol. Chem. 279, 44915-44923 (2004).
  7. Long, M., Zhao, H., Huang, K. S., Zhu, C. Kinetic measurements of cell surface E-selectin/carbohydrate ligand interactions. Ann. Biomed. Eng. 29, 935-946 (2001).
  8. Chen, W., Evans, E. A., McEver, R. P., Zhu, C. Monitoring receptor-ligand interactions between surfaces by thermal fluctuations. Biophys. J. 94, 694-701 (2008).
  9. Wu, L. Impact of carrier stiffness and microtopology on two-dimensional kinetics of P-selectin and P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1) interactions. J. Biol. Chem. 282, 9846-9854 (2007).
  10. Waugh, R. E., Lomakina, E. B. Active site formation, not bond kinetics, limits adhesion rate between human neutrophils and immobilized vascular cell adhesion molecule 1. Biophys. J. 96, 268-275 (2009).
  11. Zhang, F. Two-dimensional kinetics regulation of alphaLbeta2-ICAM-1 interaction by conformational changes of the alphaL-inserted domain. J. Biol. Chem. 280, 42207-42218 (2005).
  12. Lomakina, E. B., Waugh, R. E. Adhesion between human neutrophils and immobilized endothelial ligand vascular cell adhesion molecule 1: divalent ion effects. Biophys. J. 96, 276-284 (2009).
  13. 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. J. Biol. Chem. 285, 35967-35978 (2010).
  14. Chien, Y. H. Two stage cadherin kinetics require multiple extracellular domains but not the cytoplasmic region. J. Biol. Chem. 283, 1848-1856 (2008).
  15. Huang, J., Edwards, L. J., Evavold, B. D., Zhu, C. Kinetics of MHC-CD8 interaction at the T cell membrane. J. Immunol. 179, 7653-7662 (2007).
  16. Wasserman, H. A. MHC variant peptide-mediated anergy of encephalitogenic T cells requires SHP-1. J. Immunol. 181, 6843-6849 (2008).
  17. Huang, J. The kinetics of two-dimensional TCR and pMHC interactions determine T-cell responsiveness. Nature. 464, 932-936 .
  18. Sabatino, J. J., Huang, J., Zhu, C., Evavold, B. D. High prevalence of low affinity peptide-MHC II tetramer-negative effectors during polyclonal CD4+ T cell responses. J. Exp. Med. 208, 81-90 (2011).
  19. Jiang, N. Two-stage cooperative T cell receptor-peptide major histocompatibility complex-CD8 trimolecular interactions amplify antigen discrimination. Immunity. 34, 13-23 (2011).
  20. Spillmann, C. M., Lomakina, E., Waugh, R. E. Neutrophil adhesive contact dependence on impingement force. Biophys. J. 87, 4237-4245 (2004).
  21. Zhu, C., Williams, T. E. Modeling concurrent binding of multiple molecular species in cell adhesion. Biophys. J. 79, 1850-1857 (2000).
  22. Downey, G. P. Retention of leukocytes in capillaries: role of cell size and deformability. J. Appl. Physiol. 69, 1767-1778 (1990).
  23. Li, P. Affinity and kinetic analysis of Fcgamma receptor IIIa (CD16a) binding to IgG ligands. J. Biol. Chem. 282, 6210-6221 (2007).
  24. 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. Cell. Mol. Bioeng. 1, 276-288 (2008).
  25. Thoumine, O., Kocian, P., Kottelat, A., Meister, J. J. Short-term binding of fibroblasts to fibronectin: optical tweezers experiments and probabilistic analysis. Eur. Biophys. J. 29, 398-408 (2000).
  26. Ounkomol, C., Xie, H., Dayton, P. A., Heinrich, V. Versatile horizontal force probe for mechanical tests on pipette-held cells, particles, and membrane capsules. Biophys. J. 96, 1218-1231 (2009).
  27. Piper, J. W., Swerlick, R. A., Zhu, C. Determining force dependence of two-dimensional receptor-ligand binding affinity by centrifugation. Biophys. J. 74, 492-513 (1998).
  28. Li, P., Selvaraj, P., Zhu, C. Analysis of competition binding between soluble and membrane-bound ligands for cell surface receptors. Biophys. J. 77, 3394-3406 (1999).
  29. Long, M. Probabilistic modeling of rosette formation. Biophys. J. 91, 352-363 (2006).
  30. Lou, J. Flow-enhanced adhesion regulated by a selectin interdomain hinge. J. Cell. Biol. 174, 1107-1117 (2006).
  31. Yago, T., Zarnitsyna, V. I., Klopocki, A. G., McEver, R. P., Zhu, C. Transport governs flow-enhanced cell tethering through L-selectin at threshold shear. Biophys. J. 92, 330-342 (2007).
  32. Evans, E., Berk, D., Leung, A. Detachment of agglutinin-bonded red blood cells. I. Forces to rupture molecular-point attachments. Biophys. J. 59, 838-848 (1991).
  33. Zarnitsyna, V. I. Memory in receptor-ligand-mediated cell adhesion. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104, 18037-18042 (2007).

Play Video

Citazione di questo articolo
Zarnitsyna, V. I., Zhu, C. Adhesion Frequency Assay for In Situ Kinetics Analysis of Cross-Junctional Molecular Interactions at the Cell-Cell Interface. J. Vis. Exp. (57), e3519, doi:10.3791/3519 (2011).

View Video