사용 축삭화물을 이동하는 분자 모터의 구성을 특성화 "화물 매핑"분석
Summary
Intracellular transport of cargoes, such as vesicles or organelles, is carried out by molecular motor proteins that track on polarized microtubules. This protocol describes the correlation of the directionality of transport of individual cargo particles moving inside neurons, to the relative amount and type of associated motor proteins.
Abstract
분자 모터 신경 세포 내 소낭화물을 수송하는 그들의 활동을 조정하는 메커니즘을 이해하는 것은 하나의 소포 수준에서 모터 /화물 협회의 정량 분석이 필요합니다. 이 프로토콜의 목적은 동일한화물과 관련된 모터의 조성 및 상 대량으로 ( "지도") 상관 라이브화물의 이동 위치와 방향성을 정량적 형광 현미경을 사용하는 것이다. "화물 매핑은"생방송 운동의 기록에서 화학적 고정 다음 미세 유체 장치에서 배양 축삭 이동 형광 표지 된화물의 이미징, 및 모터에 대한 항체와 동일한 축삭 지역의 후속 면역 (IF) 염색으로 구성되어 있습니다. 화물 및 연관된 모터 사이 colocalization을 서브 – 픽셀 위치를 할당함으로써 평가된다 회절에 리 피팅 가우스 함수에 의해, 모터 및화물 채널 좌표개별 형광 포인트 소스를 나타내는 mited 포인트 확산 기능. 고정화물 및 모터 이미지는 이후 자신의 추적 궤도로 "맵",화물 이동의 플롯에 중첩된다. 데이터가 살아있는 세포에 기공을화물의 수송을 모두 기록하고이 동일한 소포에 연결된 모터를 결정하는 경우,이 프로토콜의 강도는 라이브의 조합입니다. 이 기술은 이러한 방법은 단일 이동화물에 조성물을 공개하지 않는 한, 정제 된 벌크 소포 이종 집단의 평균 모터 조성을 결정하는 생화학 적 방법을 사용하여 이전의 어려움을 극복한다. 더욱이,이 프로토콜은 단백질 조성물의 개별 세포 구조의 이동을 상관시키는 다른 세포 유형에서 다른 전송 및 / 또는 매매 경로의 분석을 위해 적응 될 수있다. 이 프로토콜의 한계로 인해 배양의 낮은 형질 전환 효율에 상대적으로 낮은 처리량이다차 뉴런 고해상도 영상화 가능한 뷰 제한된 필드. 미래의 애플리케이션은 형광 표지 된화물을 발현하는 신경 세포의 수를 증가시키는 방법을들 수있다.
Introduction
세포 내 수송은 다양한 세포 도메인 1 단백질, 세포막, 세포 기관, 및 신호 분자의 전달을위한 모든 종류의 세포에 중요하다. 뉴런은 매우 비판적으로 여러 축삭 마이크로 도메인에 자신의 장거리 전송에 필수적인화물의 세포 내 수송에 의존 한, 편광 돌기 세포를 전문으로하고 있습니다. 두 개의 큰 분자 모터 단백질의 가족 – -이 교통 키네신과 dyneins에 의해 매개되는화물에 결합하는 각각 선행 성과 역행하는 방향으로 편광 미세 소관을 따라 추적 할 수 있습니다. 역행 이동은 주로 네인에 의해 매개되는 동안, 선행 성 방향의 움직임은 키네신 모터 크고 다양한 기능적 가족에 의해 촉진된다. 결과적으로, 축삭화물의 선행 성 전송은 키네신 상과 1-5의 다양한 가족에 의해 중재 될 수있다. 일부화물은 어느 방향으로, m에서 지속적으로 이동하지만OST화물은 양방향으로 이동하고 최종 목적지 1,5-13에가는 길에 자주 역. 또한, 도시 한 것,화물에 동시에 방향성 연관 대향화물의 이동이 규제 된 반대 극성의 모터 5-7에 의해 조정되는 방법에 대한 의문을 제기 모터. 함께, 축삭화물의 수송은 모터와 차례로 다양한 어댑터와 규제 바인딩 파트너 (14)에 의존하는 특정 생화학 적 활동의 구성에 의해 조절되는 공동의 프로세스입니다.
충실 특정화물 축삭 수송 메커니즘을 설명하기 위해, 그 전송의 기본 규정을 밝히기 위해서, 그들의 라이브 운송 중에 개별화물과 연관된 모터 단백질과 그 규제 결합 파트너의 조성을 결정하기 위해 가장 중요하다. 다른 방법은, 예를 생화학 적 접근법에 대해, 평균 경구의 추정치를 제공또는 정제 이기종 소포 인구에 조성하지만, 이러한 추정은 유형 또는 단일 이동 소포에 관련된 모터의 금액을 공개하지 않습니다. 또한, 시험관 내에서 미리 조립 된 미세 소관을 따라 소포 수송 재구성 단일 소포 레벨 (15) 상 모터의 한 형식의 양을 측정 가능. 그러나, 이들 실험은 직접 그 소포 수송 특성을 갖는 모터의 양의 상관 관계, 및 세포 조절 인자의 부재하에 수송을 측정하지 않았다.
내생 적 측정 (IF) 데이터가 모터 단백질을 발현 면역 개별 이동 소포의 모터 구성 (유형과 모터의 상대적인 양을) 결정하고, 신경 세포의 동일한 소포의 실시간 전송에 이러한 매개 변수의 상관 관계를 여기에 제시되는 프로토콜, 16. 이 방법은 IF 투 라이브화물 이동 데이터의 정확한 매핑을 수반한다. 이 기르고하여 수행됩니다마이크로 유체 장치에서 g 해마 마우스 뉴런 프로토콜 17-19 설립 다음. 이 장치는 고정 및 라이브 광학 현미경의 양식에 축삭과 하나의 이동화물의 식별 및 상관 관계 ( "매핑") (그림 1)에 대한 수 있습니다. 배양 된 신경 세포는 그 전송 kymographs 플롯되는 상세한 움직임 정보를 얻기 위해 높은 공간 및 시간 해상도에 결상된다 형광 표지화물 단백질로 형질 감염된다. 이미징 과정에서 뉴런은 파라 포름 알데히드로 고정되고,이어서 모터 내인성 단백질에 대한 항체로 염색. 고정화물 및 모터 이미지는 운동이 16 탄도 라이브화물로 "지도"(colocalize) 라이브 이동 kymographs에 중첩된다. 모터 단백질의 연관으로화물의 실시간 움직임을 연관하기 colocalization을 "은 모라는 주문품 MATLAB 소프트웨어 패키지를 사용하여 분석된다토르 colocalization을 "16, 20. 형광 표지 된화물 및 모터 부분이 부분적으로 겹칠 수 회절 제한 반점 기능을 생성합니다. 눈물 점 겹치는 위치를 해결하기 위해, 소프트웨어는 제 자동으로 정확한 XY 서브 픽셀 위치를 결정하기 위해, 각각의 형광 눈물 점을 나타내는 각 점 분포 함수에 가우스 함수 맞는 좌표와 세기는 21-23 진폭이. 모터 및화물의 위치는 이어서 colocalization을 16, 20를 결정하는 서로 비교했다. 따라서,이 방법은 다른 방법들보다 정확하게는 24에 비해 형광 눈물 점 사이 colocalization을 할당한다.
이 방법의 장점은 실시간 이동 궤적 (예를 들면, 방향이되는들은 정착시 이동 하였다) 녹화왔다있는 고정 셀의 개별화물 모터 colocalization을 평가하는 기능이다orded. 이 방법 키네신과 dyneins은 (PRP C의 -cellular) 양방향으로 이동하거나 축색 돌기 (16)에 고정되어 neuronally 풍부한화물을 정상 프리온 단백질을 운반 소포에 동시에 연결할 발견되었다. 이 분석은화물 연관된하면서 선행 성 (키네신)와 역행 (네인) 모터가 어느 한 방향으로 소포를 이동 또는 고정 유지하기 위해 그들의 활동을 조정하는 PRP C 소포 운동 규제 작업 모델의 수립을 허용 . 이 방법의 또 다른 장점은 관심의 다른 단백질 (들)과, 거의 모든 세포 유형에서 이동 많은 형광 표지 된화물의 colocalization을 / 협회의 특성에 대한 잠재적 인 광범위한 적용이다. 따라서, 라이브 / 정 상관 잠재적 과도화물 단백질 상호 작용의 검출을 허용 할 수있는 입자를 이동 표지 많은 개별 형광는 원하는 페이지를 통해 분석 될 수있다시간의 eriod. 폭 넓은 적용이 방법은 처리 할 수 질문의 유형을 감안할 때,이 프로토콜은 신경 세포에서 다른 세포 유형에서 그 공부 인신 매매 및 수송 등 세포 생물학의 다양한 관객들에게 관심이 될 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 제시된 프로토콜은 실시간 뉴런 상대적인 유형 및 연관된 모터 단백질의 양 개별 형광 미세 소관 기반 이동화물 입자의 이동 방향성의 상관을 가능하게한다. 이전 축삭 기공화물의 총 모터 조성물은 생화학 적 정제 소포와 세포 기관 9,15의 이기종 인구에 측정 하였다. 그러나, 전지 내부의화물 단일 유형 특성화 모터 조성물 때문에 균질 소포 개체군을 정제에 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Ge Yang, Gaudenz Danuser, Khuloud Jaqaman, and Daniel Whisler for assistance with the adaptation and development of the software to quantitate cargo mapping analyses, and Emily Niederst for help in making the microfluidic devices. This work was supported in part by NIH-NIA grant AG032180 to L.S.B.G., and the Howard Hughes Medical Institute. L.S. was supported in part by a NIH Bioinformatics Training Grant T32 GM008806, S.E.E. was supported by a Damon Runyon Cancer Research Foundation Fellowship, NIH Neuroplasticity Training Grant AG000216, and by a grant from The Ellison Medical Foundation New Scholar in Aging Award, G.E.C was supported by an NIH/NCATS 1 TL1 award TR001114 and by the Achievement Rewards for College Scientists foundation.
Materials
| Reagent and Equipment Name | Company | Catalogue Number | Comments |
| poly-L-lysine | Sigma | P5899-20mg | |
| D-MEM (Dulbecco’s Modified Eagle Medium) High Glucose, w/ L-Glutamine, w/o Sodium Pyruvate (1X) | Life Technologies | 11965092 | |
| FBS (Fetal Bovine Serum) | Life Technologies | 10082147 | |
| Neurobasal-A Medium (1X) | Life Technologies | 10888022 | |
| B-27 Serum Free Supplement | Life Technologies | 10888022 | |
| GlutaMAX I Supplement (100X) | Life Technologies | 35050061 | |
| HBSS (1X) (Hank’s Balanced Salt Solution) | Life Technologies | 24020117 | |
| DPBS (Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline, no Magnesium, no Calcium (1X) | Life Technologies | 14190250 | |
| Penicillin/Streptomycin (100X) | Life Technologies | 15140122 | |
| Corning cellgro Water for Cell Culture | Fisher Scientific | MT46000CM | |
| Papain | USB Corporation | 19925 | |
| DL-cysteine HCl | Sigma-Aldrich | C9768 | |
| BSA (bovine serum albumin) | Sigma-Aldrich | A7906 | |
| D-glucose | Sigma-Aldrich | G6152 | |
| DNAse I grade II | Roche Applied Sciences | 10104159001 | |
| Lipofectamine 2000 | Life Technologies | 11668027 | |
| Formaldehyde Solution 16% EM Grade | Fisher Scientific | 50980487 | Caution: Harmful by inhalation, in contact with skin and if swallowed. Irritating to eyes, respiratory system and skin. Dispose according to official regulations. |
| Sucrose | Fisher Scientific | S5-500 | |
| HEPES | Sigma | H-3375 | |
| Normal Donkey Serum | Jackson Immuno Research | 017-000-0121 | |
| BSA fatty acid and IgG free | Jackson Immuno Research | 001-000-162 | |
| Acetone | Fisher Scientific | BP2403-4 | |
| Ethanol | Fisher Scientific | BP2818-100 | |
| ProLong Gold antifade reagent | Life Technologies | P36934 | |
| Cover Glass 1 1/2. 24X40mm | Corning | 2980-244 | |
| Axis microfluidic device, 450 µm | Millipore | AX450 | |
| Adobe Photoshop | Adobe | N/A | |
| Nikon Eclipse TE2000-U | Nikon | N/A | |
| Coolsnap HQ camera | Roper Scientific | N/A | |
| 60 mm cell culture dish | Fisher Scientific | 12-565-95 | |
| 150 mm cell culture dish | Fisher Scientific | 12-565-100 | |
| Antibodies Used: | |||
| Anti-Kinesin light chain, V-17 | Santa Cruz | sc-13362 | specificity verified using KLC1-/- neurons (Ref. 16 ), recommended dilution 1:100. |
| Anti Dynein Heavy Chain 1, R-325 | Santa Cruz | sc-9115 | specificity verified using shRNA against DYN1HC1 (Ref. 16), recommended dilution 1:100 |
| Alexa Fluor 568 Donkey Anti-Rabbit IgG Antibody | Life Technologies | A10042 | recommended dilution 1:200. |
| Alexa Fluor 647 Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) Antibody | Life Technologies | A31573 | recommended dilution 1:200. |
| Alexa Fluor 568 Donkey Anti-Goat IgG (H+L) Antibody IgG Antibody | Life Technologies | A11057 | recommended dilution 1:200. |
| Alexa Fluor 647 Donkey Anti-Goat IgG (H+L) Antibody | Life Technologies | A21447 | recommended dilution 1:200. |
| Plugins and Macros | |||
| ImageJ | http://imagej.nih.gov/ij/index.html. | ||
| ImageJ Kymoraph Plugin | http://www.embl.de/eamnet/html/body_kymograph.html. |
Referências
- Goldstein, A. Y. N., Wang, X., Schwarz, T. L. Axonal transport and the delivery of pre-synaptic components. Curr. Opin. Neurobiol. 18, 495-503 (2008).
- Hirokawa, N. Kinesin and dynein superfamily proteins and the mechanism of organelle transport. Science. 279, 519-526 (1998).
- Hirokawa, N., Niwa, S., Tanaka, Y. Molecular motors in neurons: transport mechanisms and roles in brain function, development, and disease. Neuron. 68, 610-638 (2010).
- Hirokawa, N., Noda, Y., Tanaka, Y., Niwa, S. Kinesin superfamily motor proteins and intracellular transport. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 10, 682-696 (2009).
- Welte, M. A. Bidirectional transport along microtubules. Curr. Biol. 14, 525-537 (2004).
- Bryantseva, S. A., Zhapparova, O. N. Bidirectional transport of organelles: unity and struggle of opposing motors. Cell. Biol. Int. 36, 1-6 (2011).
- Gross, S. P. Hither and yon: a review of bi-directional microtubule-based transport. Phys. Biol. 1, 1-11 (2004).
- Gross, S. P., et al. Interactions and regulation of molecular motors in Xenopus melanophores. J. Cell. Biol. 156, 855-865 (2002).
- Gross, S. P., Welte, M. A., Block, S. M., Wieschaus, E. F. Coordination of opposite-polarity microtubule motors. J. Cell. Biol. 156, 715-724 (2002).
- Kural, C., et al. Kinesin and dynein move a peroxisome in vivo: a tug-of-war or coordinated movement. Science. 308, 1469-1472 (2005).
- Pilling, A. D., Horiuchi, D., Lively, C. M., Saxton, W. M. Kinesin-1 and Dynein are the primary motors for fast transport of mitochondria in Drosophila motor axons. Mol. Biol. Cell. 17, 2057-2068 (2006).
- Shubeita, G. T., et al. Consequences of motor copy number on the intracellular transport of kinesin-1-driven lipid droplets. Cell. 135, 1098-1107 (2008).
- Soppina, V., Rai, A. K., Ramaiya, A. J., Barak, P., Mallik, R. Tug-of-war between dissimilar teams of microtubule motors regulates transport and fission of endosomes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 106, 19381-19386 (2009).
- Verhey, K. J., Hammond, J. W. Traffic control: regulation of kinesin motors. Nat Rev. Mol. Cell. Biol. 10, 765-777 (2009).
- Hendricks, A. G., et al. Motor Coordination via a Tug-of-War Mechanism Drives Bidirectional Vesicle Transport. Current Biol. 20, 697-702 (2010).
- Encalada, S. E., Szpankowski, L., Xia, C. -. h., Goldstein, L. S. B. Stable kinesin and dynein assemblies drive the axonal transport of mammalian prion protein vesicles. Cell. 144, 551-565 (2011).
- Harris, J., et al. Non-plasma Bonding of PDMS for Inexpensive Fabrication of Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. 9 (410), (2007).
- Harris, J., et al. Fabrication of a Microfluidic Device for the Compartmentalization of Neuron Soma and Axons. J Vis. Exp. 7 (261), (2007).
- Taylor, A. M., et al. A microfluidic culture platform for CNS axonal injury, regeneration and transport. Nat. Methods. 2, 599-605 (2005).
- Szpankowski, L., Encalada, S. E., Goldstein, L. S. B. Subpixel colocalization reveals amyloid precursor protein-dependent kinesin-1 and dynein association with axonal vesicles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 8582-8587 (2012).
- Jaqaman, K., et al. Robust single-particle tracking in live-cell time-lapse sequences. Nat. Methods. 5, 695-702 (2008).
- Thomann, D., Dorn, J., Sorger, P. K., Danuser, G. Automatic fluorescent tag localization II: Improvement in super-resolution by relative tracking. J. Microsc. 211, 230-248 (2003).
- Thomann, D., Rines, D. R., Sorger, P. K., Danuser, G. Automatic fluorescent tag detection in 3D with super-resolution: application to the analysis of chromosome movement. J. Microsc. 208, 49-64 (2002).
- Bolte, S., Cordelieres, F. P. A guided tour into subcellular colocalization analysis in light microscopy. J. Microsc. 224, 213-232 (2006).
- Nunez, J. Primary Culture of Hippocampal Neurons from P0 Newborn Rats. J. Vis. Exp. 29 (19), (2008).
- Kaech, S., Banker, G. Culturing hippocampal neurons. Nat. Protoc. 1, 2406-2415 (2006).
- Collins, T. J. ImageJ for microscopy. Biotechniques. 43, 25-30 (2007).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nat. Methods. 9, 671-675 (2012).
- Moore, D. S., McCabe, G. P. . Introduction to the Practice of Statistics. , (2005).
