Ad alta risoluzione Spatiotemporal Analisi del recettore Dynamics per singola molecola di microscopia a fluorescenza
Summary
This protocol describes how to use total internal reflection fluorescence microscopy to visualize and track single receptors on the surface of living cells and thereby analyze receptor lateral mobility, size of receptor complexes as well as to visualize transient receptor-receptor interactions. This protocol can be extended to other membrane proteins.
Abstract
Microscopia a singola molecola sta emergendo come un potente approccio per analizzare il comportamento delle molecole di segnalazione, in particolare per quanto riguarda quelli di aspetto (ad es., Cinetica, la coesistenza di diversi stati e popolazioni, interazioni transienti), che sono in genere nascosti nelle misure Ensemble, come quelli ottenuti con metodi biochimici o microscopia standard. Così, eventi dinamici, quali le interazioni recettore-recettore, possono essere seguite in tempo reale in una cellula vivente con alta risoluzione spazio-temporale. Questo protocollo descrive un metodo basato sulla marcatura con fluorofori organici piccoli e luminosi e riflessione interna totale fluorescenza (TIRF) microscopia di visualizzare direttamente singoli recettori sulla superficie delle cellule viventi. Questo approccio permette di localizzare con precisione i recettori, misurare la dimensione dei complessi recettoriali e catturare gli eventi dinamici come le interazioni recettore-recettore transitori. Il protocollo fornisce una descrizione dettagliata di come perform un esperimento singola molecola, compresa la preparazione del campione, l'acquisizione delle immagini e l'analisi delle immagini. Come esempio, l'applicazione di questo metodo per analizzare due proteine G recettori, cioè., Β 2-adrenergici e γ-aminobutirrico tipo B acido (GABA B) recettore, viene segnalato. Il protocollo può essere adattato ad altre proteine di membrana e modelli cellulari diversi, metodi di trasfezione e strategie di etichettatura.
Introduction
Recettori situati sulla superficie cellulare percepire l'ambiente extracellulare e rispondono a una varietà di stimoli, come odoranti, ioni, piccole e grandi neurotrasmettitori ormoni proteici. La fluidità delle membrane cellulari consente movimenti di recettori e altre proteine di membrana. Ciò è essenziale per la formazione di complessi proteici e il verificarsi di interazioni proteina-proteina transitori, come quelli utilizzati da recettori per assemblare in unità funzionali e trasdurre segnali nell'interno delle cellule. Ad esempio, G-proteine-recettori accoppiati (GPCR), che costituiscono la più grande famiglia di recettori di superficie cellulare 1, sono stati proposti per formare di-/oligomers, che sembra essere coinvolto nella regolazione messa a punto di trasduzione del segnale e potrebbe avere importanti conseguenze fisiologiche e farmacologiche 2-5.
Microscopia singola molecola ha il grande potenziale di visualizzare direttamente con l'alta spatiotemprisoluzione orale il comportamento dinamico dei singoli recettori situati sulla superficie delle cellule viventi, compresi loro associazione per formare dimeri e complessi molecolari ordine superiore 6-10. Questo offre diversi vantaggi rispetto ai metodi biochimici e microscopia standard, che di solito riportano il comportamento medio di migliaia o milioni di molecole.
Etichettatura proteina con un fluoroforo sufficientemente luminoso e fotostabili è essenziale per microscopia singola molecola. Questo protocollo sfrutta il tag SNAP recentemente introdotto 11 per collegare in modo covalente fluorofori organici piccole e luminose ai recettori della superficie cellulare. SNAP è un kD tag 20 proteine derivate da l'enzima O alchiltransferasi umano 6-alkylguanine-DNA riparazione del DNA, che può essere irreversibile etichettato con fluoroforo-coniugato benzylguanine (fluoroforo-BG) derivati. CLIP, un tag ulteriormente ingegnerizzato derivato da SNAP, può essere invece etichettato con fluoroforo-cDerivati benzylcytosine onjugated 12.
Il protocollo riportato in questo manoscritto spiega come transfettare e l'etichetta SNAP-tagged 11 recettori con piccole fluorofori organici e utilizzare riflessione interna totale in fluorescenza (TIRF) microscopia a visualizzare singoli recettori o complessi recettore sulla superficie delle cellule viventi 10. I risultati del protocollo riportati in> 90% di efficienza etichettatura di un extracellulare SNAP-tagged proteine della superficie cellulare 10. Ulteriori informazioni su come utilizzare dati singola molecola di analizzare la dimensione e la mobilità dei complessi recettoriali, nonché per catturare le interazioni recettore-recettore transitori, è fornito. Un flusso di lavoro schematicamente l'intero protocollo è data in Figura 1. Come esempio, la trasfezione di ovaio di criceto cinese (CHO) con-G recettori accoppiati alla proteina SNAP-tag (GPCR) seguita da marcatura con un derivato fluoroforo-BG come nonché la sua applicazione alla quantify e il monitor del recettore di-/oligomerization sono descritti. Questo protocollo può essere estesa ad altre proteine della superficie cellulare e tag fluorescenti (ad es., CLIP), così come ad altri metodi di trasfezione e di etichettatura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo descritto permette l'analisi della disposizione spaziale, mobilità e dimensioni dei complessi recettore della superficie cellulare a livello di singola molecola. Rispetto all'uso di proteine fluorescenti, etichettatura con piccole fluorofori organici, che sono più luminoso e fotostabile, ha il vantaggio di permettere la visualizzazione estesa del recettore particelle singole. Poiché i livelli di espressione estremamente bassi sono raggiunti (<0,45 particelle recettore / micron 2),<…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The development of this protocol was supported by grants from the European Research Council (Advanced Grant TOPAS to M.J.L.) and the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Grants CA 1014/1-1 to D.C. and SFB487 to M.J.L.). T.S. was supported by the Alexander von Humboldt Foundation.
Materials
| Chloroform | AppliChem GmbH | A1585 | CAUTION: toxic and irritating substance as well as a possible carcinogen |
| NaOH | Sigma-Aldrich | S8045 | CAUTION: strong base and highly corrosive reagent |
| Absolute ethanol | Sigma-Aldrich | 32205 | |
| Glass coverslip | Marienfeld-Superior | 111640 | 24 mm diameter, 0.13-0.16 mm thickness |
| 0.2 mm sterile filter | Sarstedt | 83.1826.001 | |
| CHO cells | ATCC, USA | ATCC CCL-61 | Chinese hamster ovary cell line |
| 6-well cell culture plare | Nunc | 140675 | |
| DMEM/F-12 medium | GIBCO, Life Technologies | 11039-021 | Phenol-red free medium |
| Fetal bovine serum | Biochrom | S 0115 | |
| Penicillin – streptomycin | Pan Biotech GmbH | P06-07 100 | |
| Trypsin-EDTA | Pan Biotech GmbH | P10-23100 | |
| Lipofectamine 2000 | Invitrogen, Life Technologies | 11668-019 | |
| Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Invitrogen, Life Technologies | 31985-047 | |
| Fluorophore-conjugated benzylguanine | New England BioLabs | S9136S | SNAP-Surface Alexa Fluor 647. Make a 1 mM stock solution in DMSO. Store at -20°C. |
| DMSO | AppliChem GmbH | A1584 | |
| Imaging buffer: | 137 mM NaCl, 5.4 mM KCl, 2 mM CaCl2, 1 mM MgCl2, 10 mM HEPES, pH 7.3, sterile-filtered | ||
| NaCl | AppliChem GmbH | A1371 | |
| KCl | AppliChem GmbH | A3582 | |
| CaCl2 | AppliChem GmbH | A2303 | |
| MgCl2 | AppliChem GmbH | A3618 | |
| HEPES | AppliChem GmbH | A3724 | |
| Imaging chamber | Molecular Probes, Life Technologies | A-7816 | Attofluor Cell Chamber, for microscopy |
| TIRF-M | Leica | Model: DMI6000B | |
| TIRF objective | Leica | 11 506 249 | HCX PL Apo 100x/1.46 Oil CORR |
| EM-CCD camera | Roper Scientific | Photometrics Cascade 512B | |
| Temperature controller | Pecon | Tempcontrol 37-2 digital | |
| ImageJ software | NIH, USA | http://rsbweb.nih.gov/ij | |
| u-track software | Laboratory for computational cell biology, Dept. of Cell Biology, Harvard Medical School, USA | http://lccb.hms.harvard.edu/software.html | |
| Matlab software | The MathWorks, USA |
Riferimenti
- Pierce, K. L., Premont, R. T., Lefkowitz, R. J. Seven-transmembrane receptors. Nat Rev Mol Cell Biol. 3, 639-650 (2002).
- Angers, S., Salahpour, A., Bouvier, M. Dimerization: an emerging concept for G protein-coupled receptor ontogeny and function. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 42, 409-435 (2002).
- Ferré, S., et al. Building a new conceptual framework for receptor heteromers. Nat Chem Biol. 5, 131-134 (2009).
- Milligan, G. G. protein-coupled receptor hetero-dimerization: contribution to pharmacology and function. Br J Pharmacol. 158, 5-14 (2009).
- Lohse, M. J. Dimerization in GPCR mobility and signaling. Curr Opin Pharmacol. 10, 53-58 (2010).
- Ulbrich, M. H., Isacoff, E. Y. Subunit counting in membrane-bound proteins. Nat Methods. 4, 319-321 (2007).
- Triller, A., Choquet, D. New concepts in synaptic biology derived from single-molecule imaging. Neuron. 59, 359-374 (2008).
- Hern, J. A., et al. Formation and dissociation of M1 muscarinic receptor dimers seen by total internal reflection fluorescence imaging of single molecules. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 2693-2698 (2010).
- Kasai, R. S., et al. Full characterization of GPCR monomer-dimer dynamic equilibrium by single molecule imaging. J Cell Biol. 192, 463-480 (2011).
- Calebiro, D., et al. Single-molecule analysis of fluorescently labeled G-protein-coupled receptors reveals complexes with distinct dynamics and organization. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 743-748 (2013).
- Keppler, A., et al. A general method for the covalent labeling of fusion proteins with small molecules in vivo. Nat Biotechnol. 21, 86-89 (2003).
- Gautier, A., et al. An engineered protein tag for multiprotein labeling in living cells. Chem Biol. 15, 128-136 (2008).
- Jaqaman, K., et al. Robust single-particle tracking in live-cell time-lapse sequences. Nat Methods. 5, 695-702 (2008).
- Saxton, M. J., Jacobson, K. Single-particle tracking: applications to membrane dynamics. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 26, 373-399 (1997).
