Aip1p Dynamics שונה על ידי מוטצית R256H ביקטין
Summary
מוטציות הגורמות למחלות ביקטינו יכולות לשנות את תפקוד cytoskeletal. דינמיקת Cytoskeletal הם לכמת באמצעות הדמיה של חלבונים מתויגים fluorescently באמצעות כולל מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפנימי. כדוגמא, חלבון cytoskeletal, Aip1p, שינה לוקליזציה ותנועה בתאים המבטאים את איזופורם אקטין המוטציה, R256H.
Abstract
מוטציות בתקטנה לגרום למגוון של מחלות בבני אדם כתוצאה משינויים מולקולריים ספציפיים, כי לעתים קרובות לשנות את תפקוד cytoskeletal. במחקר זה, הדמיה של חלבונים מתויגים fluorescently באמצעות הקרינה כוללת פנימית (TIRF) מיקרוסקופיה משמשת כדי לחזות ולכמת את השינויים בדינמיקת cytoskeletal. מיקרוסקופיה TIRF והשימוש בתגי ניאון גם מאפשר כימות של השינויים בדינמיקת cytoskeletal נגרמים על ידי מוטציות בתקטנה. באמצעות טכניקה זו, כימות של פונקצית cytoskeletal בתאים חיים באופן מועיל משלימה במחקרי מבחנה של תפקוד חלבון. כדוגמא, מוטציות missense משפיעות על השאריות אקטין R256 זוהו בשלושה isoforms אקטין אדם המצביע על חומצה אמינית זו משחקת תפקיד חשוב באינטראקציות רגולציה. ההשפעות של המוטציה R256H אקטין בתנועות cytoskeletal נחקרו תוך שימוש בשמרי המודל. החלבון, Aip1, אשר ידוע לסייע cofilin בdepolymerization אקטין, היהמתויג עם חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP) בN-הסופית ומעקב in vivo באמצעות מיקרוסקופיה TIRF. קצב תנועת Aip1p סוג שני בר וזנים מוטנטים היה לכמת. בתאים המבטאים אקטין מוטציה R256H, תנועת Aip1p מוגבלת וקצב תנועה הוא כמעט מחצית מהמהירות שנמדדה בתאים מסוג בר (0.88 ± 0.30 מיקרומטר / sec בתאי R256H לעומת 1.60 ± 0.42 מיקרומטר / sec בתאים מסוג בר, עמ ' <0.005).
Introduction
אקטין הוא החלבון הדומיננטי המרכיב את שלד התא, ומשתתף בתהליכים תאיים קריטיים, כולל חלוקת תא, תנועת אברון, תנועתיות תא, התכווצות, ואיתות. במהלך העשור האחרון, מוטציות הגורמות למחלות בתקטנה התגלו בכל אחד מששת isoforms אקטין האדם המוביל למגוון של הפרעות, מmyopathies למחלת לב כלילית 1-7. התהליכים שבאמצעותם מוטציות אקטין להוביל למחלות ימשיכו להיות הובהר. שמרי המודל נשאר סטנדרטי כדי לחקור את ההשפעות ביוכימיות של מוטציות על תפקוד אקטין בשל היתרונות של איזופורם אחת החיוני אקטין, עקיבות גנטיות וגבוה שימור רצף אקטין ותפקוד זהב. מחקרים מראים כי מוטציות אקטין פרט להוביל לתפקוד ספציפי מולקולרי עם השפעות שליליות דומיננטיות 8. לדוגמא, מוטציות הגורמות לחירשות ביקטין γ הלא שרירים המשפיעות על השאריות ליס-118 לשנות רגולציה על ידיהחלבון אקטין מחייב Arp2 / 3 9. מחקרים לעתים קרובות להעסיק במבחנה ניתוחים של חלבון: אינטראקציות חלבון. חקירות ההשפעה יקטין מוטציות בביולוגיה של תא, ובפרט, יקטין לוקליזציה חלבון מחייבת בתא מוגבלות.
מחקרים של שלד תא שמרי in vivo מסתמכים כמקובל בתמונות של תאים קבועים ממיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוך 10. ניסויים אלה סיפקו נתונים בסיסיים על המורפולוגיה של שלד התא אקטין. חקירות שכן שולבו שלוש הדמיה confocal ממדים כדי להמחיש את הרשת המורכבת cytoskeletal 11, 12. הדמיה זו מאפשרת כימות של השפע ומיקום יחסי של תיקונים אקטין וחוטים. טומוגרפיה אלקטרון סעיף דקה שמשה לתמונה את המורפולוגיה של רשתות פילמנטיות הצפופים ביחס למבני subcellular השתמרו 13. ים סלולארי צפוףצעדים עם חתך קטן יכולים להיבחן בפרטים עדינים עם טכניקה זו. מחקרי הדמיה שהורחבו לתאים חיים באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי זמן לשגות. כאשר ניתן להקהות הלבנת צילום וקרינת רקע, זמן לשגות הדמיה מאפשרת חקירה באשר לדינמיקה של חלבוני cytoskeletal והתגובה לתנאים סביבתיים 11, 14. בנפרד, להדמיה של הדינמיקה של סיבי אקטין במבחנה הייתה מתקדמת על ידי ההקדמה של הקרינה השתקפות הפנימית המוחלטת מיקרוסקופיה (TIRF). בהשוואה למיקרוסקופ שדה רחב, יש TIRF היתרון של הקרינה רקע ירידה ולעומת זאת משופר לפקח חוטים בודדים 15, 16. עם התכונות האלה, מיקרוסקופיה TIRF הותאמה על ידי ביולוגים תא כדי לפקח על מבנים הסלולר בקרום הפלזמה 17, 18. אירועים הסלולר, לרבות שינויים בשלד התא, יכוללהיות דמיינו בזמן אמת עם phototoxicity הנמוך, לעומת זאת מקסימאלי, ותפרחת רקע מינימאלית 19.
כדי להבין טוב יותר את ההשפעה של מוטציות אקטין בתנועה, לוקליזציה, ומחזור של חלבוני cytoskeletal בתיוג תא, מיקרוסקופיה TIRF והחלבון היו בשימוש. בזאת, שיטות כדי לחקור את ההשפעות של מוטציה רלוונטית קליני ביקטינו על דינמיקת cytoskeletal בשמר אפייה מתוארות. באופן ספציפי, הלוקליזציה והתנועה של החלבון קושר אקטין, Aip1p, הייתה דמיינו ולכמת בתאים המבטאים את המוטציה R256H ביקטין. טכניקות אלה משלימים במחקרים ביוכימיים מבחנה ולאפשר הבנה טובה יותר של אינטראקציות חלבון ופונקציות.
Protocol
Representative Results
Discussion
אסטרטגיה יעילה כדי להמחיש את הדינמיקה של שלד התא והשירות בחקירות על מוטציות פתוגניים שתוארה כאן. שיטות הדמיה מתקדמות יצרו הזדמנויות חדשות כדי להבין את התנועה תאית של חלבונים ליד קרום התא. מיקרוסקופיה סך הקרינה השתקפות הפנימית (TIRF) היא טכניקה רגישה ללימודים תפקודיים …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים לפיטר רובינשטיין לדיון מועיל וייעוץ טכני ודוד Pellman לשיבוט PB1996 המקורי. עבודה זו נתמכה על ידי מענק מהמצעד הפרוטות ומימון מהרכיבה לילדים.
Materials
| Agarose | rpi | 9012-36-6 | |
| Bromophenol Blue | Amresco | 115-39-9 | |
| BSA | NEB | B9001S | |
| Change-IT Multiple Mutation Site Directed Mutagenesis Kit | USB Corporation | 4166059 | |
| CutSmart Buffer | NEB | B7204S | |
| DNA, single stranded from salmon testes | Sigma | 9007-49-2 | |
| EDTA pH 7.4 | Sigma | 93302 | |
| Ethidium Bromide | Invitrogen | 15585-011 | Warning! Harmful irritation |
| Fungal/Bacterial DNA Kit | Symo Research | D6005 | |
| HpaI | NEB | R0105S | |
| Lithium Acetate | AlfaAesar | 6108-17-4 | |
| Low DNA Mass Ladder | Invitrogen | 10068-013 | |
| NE Buffer #4 | NEB | B7004S | |
| Platinum PCR SuperMix High Fidelity | Invitrogen | 12532-016 | |
| Miniprep Kit | Qiagen | 27106 | Any kit will work |
| Quick Ligation Kit | NEB | M2200S | |
| Sodium azide | Sigma | 26628-22-8 | |
| PBS | Invitrogen | 10010-023 | |
| PEG | Amresco | 25322-68-3 | |
| Tris Base Ultrapure | rpi | 77-86-1 | |
| Wizard SV Gel and PCR Clean-Up System | Promega | 1/6/2015 | |
| XhoI | NEB | R0146S | |
| XmaI | NEB | R0180S | |
| YPD media | LabExpress | 3011 | |
| -URA Media | LabExpress | 3010 | |
| PCR Machine | Invitrogen | 4359659 | Any PCR machine will work |
| TIRF Microscope | Olympus IX81 | ||
| Hamamatsu ORCA-R camera | Hamamatsu |
Referências
- Lehtonen, H. J., et al. Segregation of a missense variant in enteric smooth muscle actin gamma-2 with autosomal dominant familial visceral myopathy. Gastroenterology. 143, 1482-1491 (2012).
- Matsson, H., et al. Alpha-cardiac actin mutations produce atrial septal defects. Hum Mol Genet. 17, 256-265 (2008).
- Zhu, M., et al. Mutations in the gamma-actin gene (ACTG1) are associated with dominant progressive deafness (DFNA20/26). Am J Hum Genet. 73, 1082-1091 (2003).
- Nowak, K. J., et al. Mutations in the skeletal muscle alpha-actin gene in patients with actin myopathy and nemaline myopathy. Nat Genet. 23, 208-212 (1999).
- Olson, T. M., Michels, V. V., Thibodeau, S. N., Tai, Y. S., Keating, M. T. Actin mutations in dilated cardiomyopathy, a heritable form of heart failure. Science. 280, 750-752 (1998).
- Riviere, J. B., et al. De novo mutations in the actin genes ACTB and ACTG1 cause Baraitser-Winter syndrome. Nat Genet. 44, 440-444 (2012).
- Guo, D. C., et al. Mutations in smooth muscle alpha-actin (ACTA2) lead to thoracic aortic aneurysms and dissections. Nat Genet. 39, 1488-1493 (2007).
- Sparrow, J. C., et al. Muscle disease caused by mutations in the skeletal muscle alpha-actin gene (ACTA1). Neuromuscul Disord. 13, 519-531 (2003).
- Kruth, K. A., Rubenstein, P. A. Two deafness-causing (DFNA20/26) actin mutations affect Arp2/3-dependent actin regulation. J Biol Chem. 287, 27217-27226 (2012).
- Amberg, D. C. Three-dimensional imaging of the yeast actin cytoskeleton through the budding cell cycle. Mol Biol Cell. 9, 3259-3262 (1998).
- Pelham, R. J., Chang, F. Role of actin polymerization and actin cables in actin-patch movement in Schizosaccharomyces pombe. Nat Cell Biol. 3, 235-244 (2001).
- Vavylonis, D., Wu, J. Q., Hao, S., O’Shaughnessy, B., Pollard, T. D. Assembly mechanism of the contractile ring for cytokinesis by fission yeast. Science. 319, 97-100 (2008).
- Bertin, A., et al. Three-dimensional ultrastructure of the septin filament network in Saccharomyces cerevisiae. Mol Biol Cell. 23, 423-432 (2012).
- Senning, E. N., Marcus, A. H. Actin polymerization driven mitochondrial transport in mating S. cerevisiae. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 107, 721-725 (2010).
- Breitsprecher, D., Kiesewetter, A. K., Linkner, J., Faix, J. Analysis of actin assembly by in vitro TIRF microscopy. Methods Mol Biol. 571, 401-415 (2009).
- Popp, D., Narita, A., Iwasa, M., Maeda, Y., Robinson, R. C. Molecular mechanism of bundle formation by the bacterial actin ParM. Biochem Biophys Res Commun. 391, 1598-1603 (2010).
- Trache, A., Lim, S. M. Live cell response to mechanical stimulation studied by integrated optical and atomic force microscopy. J Vis Exp. (44), (2010).
- Spira, F., Dominguez-Escobar, J., Muller, N., Wedlich-Soldner, R. Visualization of cortex organization and dynamics in microorganisms, using total internal reflection fluorescence microscopy. J Vis Exp. (63), e3982 (2012).
- Manneville, J. B. Use of TIRF microscopy to visualize actin and microtubules in migrating cells. Methods Enzymol. 406, 520-532 (2006).
- Cook, R. K., Sheff, D. R., Rubenstein, P. A. Unusual metabolism of the yeast actin amino terminus. J Biol Chem. 266, 16825-16833 (1991).
- Feng, L., et al. Fluorescence probing of yeast actin subdomain 3/4 hydrophobic loop 262-274. Actin-actin and actin-myosin interactions in actin filaments. J Biol Chem. 272, 16829-16837 (1997).
- Lin, M. C., Galletta, B. J., Sept, D., Cooper, J. A. Overlapping and distinct functions for cofilin, coronin and Aip1 in actin dynamics in vivo. J Cell Sci. 123, 1329-1342 (2010).
- Malloy, L. E., et al. Thoracic Aortic Aneurysm (TAAD)-causing Mutation in Actin Affects Formin Regulation of Polymerization. J Biol Chem. 287, 28398-28408 (2012).
- Smyth, J. W., Shaw, R. M. Visualizing ion channel dynamics at the plasma membrane. Heart Rhythm. 5, S7-S11 (2008).
- Bhattacharya, R., et al. Recruitment of vimentin to the cell surface by beta3 integrin and plectin mediates adhesion strength. J Cell Sci. 122, 1390-1400 (2009).
- Hetheridge, C., et al. The formin FMNL3 is a cytoskeletal regulator of angiogenesis. J Cell Sci. 125, 1420-1428 (2012).
- Bergeron, S. E., et al. Allele-specific effects of thoracic aortic aneurysm and dissection alpha-smooth muscle actin mutations on actin function. J Biol Chem. 286, 11356-11369 (2011).
