Ein Protokoll für die Verwendung von Förster Resonance Energy Transfer (FRET) -force Biosensoren mechanische Kräfte über den Kern LINC-Komplex zu messen
Summary
A number of FRET-based force biosensors have recently been developed, enabling the protein-specific resolution of intracellular force. In this protocol, we demonstrate how one of these sensors, designed for the linker of the nucleoskeleton-cytoskeleton (LINC) complex protein Nesprin-2G can be used to measure actomyosin forces on the nuclear LINC complex.
Abstract
The LINC complex has been hypothesized to be the critical structure that mediates the transfer of mechanical forces from the cytoskeleton to the nucleus. Nesprin-2G is a key component of the LINC complex that connects the actin cytoskeleton to membrane proteins (SUN domain proteins) in the perinuclear space. These membrane proteins connect to lamins inside the nucleus. Recently, a Förster Resonance Energy Transfer (FRET)-force probe was cloned into mini-Nesprin-2G (Nesprin-TS (tension sensor)) and used to measure tension across Nesprin-2G in live NIH3T3 fibroblasts. This paper describes the process of using Nesprin-TS to measure LINC complex forces in NIH3T3 fibroblasts. To extract FRET information from Nesprin-TS, an outline of how to spectrally unmix raw spectral images into acceptor and donor fluorescent channels is also presented. Using open-source software (ImageJ), images are pre-processed and transformed into ratiometric images. Finally, FRET data of Nesprin-TS is presented, along with strategies for how to compare data across different experimental groups.
Introduction
Kraftempfindliche, genetisch kodierte FRET Sensoren sich in letzter Zeit als ein wichtiges Werkzeug für die in lebenden Zellen dehnbare basierenden Kräfte zu messen, einen Einblick in wie mechanischen Kräften über 1 Proteine angewandt werden, 2, 3, 4. Mit diesen Werkzeugen können die Forscher nicht-invasiv Bild intrazellulären Kräfte in lebenden Zellen konventionelle Fluoreszenzmikroskope. Diese Sensoren bestehen aus einem FRET-Paar (Donor und Akzeptor – Fluoreszenzproteinen, am häufigsten ein blauen und gelben Donator – Akzeptor) , getrennt durch ein elastisches Peptid 3. Im Gegensatz zu dem C- oder N-terminalen Tagging, ist dieser Sensor in eine interne Stelle eines Proteins eingeführt, um die mechanische Kraft auf das Protein übertragen zu messen, als Molekular Dehnmessstreifen verhält. Erhöhte mechanische Spannung über den Sensor führt zu einem erhöhten Abstand zwischen dem FRET-pLuft, was zu einer verminderten FRET 3. Als Ergebnis wird der FRET umgekehrt proportional zur Zugkraft bezogen.
Diese fluoreszenzbasierten Sensoren haben für Focal Adhäsionsproteine (Vinculin 3 und Talin 4), Cytoskelett – Proteine (α-Actinin 5) und Zell-Zell – junction – Proteine (E-Cadherin 6, 7, VE-Cadherin 8 und PECAM entwickelt 8). Das am häufigsten verwendete und gut charakterisierte elastischen Linkers in diesen Biosensoren als TSmod bekannt und besteht aus einer sich wiederholenden Sequenz von 40 Aminosäuren, (GPGGA) 8, die aus dem Spinnenseidenprotein flagelliform abgeleitet wurde. TSmod wurde als lineare elastische Nanofeder mit FRET Ansprechbarkeit auf 1 bis 5 der Zugkraft pN 3 verhalten gezeigt. Verschiedene Längen von flagelliform können verwendet werden, um die dynamische r zu verändernange von TSmod FRET-Kraftempfindlichkeit 9. Zusätzlich zu flagelliform wiederholt Spektrin 5 und Villin Kopfstück Peptid (als HP35 bezeichnet) 4 haben wie die elastischen Peptide zwischen FRET-Paare in ähnlicher Kraft Biosensoren 4 verwendet. Schließlich ist ein kürzlich veröffentlichter Bericht zeigte , dass TSmod können auch Druckkräfte 10 zu detektieren.
Kürzlich entwickelten wir einen Kraftsensor für den Linker des Nucleo-Zytoskeletts (LINC) -Komplex Protein Nesprin2G durch Verwendung TSmod in eine zuvor entwickelte verkürztes Protein als Mini-Nesprin2G (2C) bekannt Nesprin2G eingesetzt, die endogene ähnlich verhält Nesprin-2G 11. Das LINC-Komplex enthält mehrere Proteine, die von außen in das Innere des Zellkerns führt, die Verknüpfung der zytoplasmatischen Zytoskelett zum Kernlamina. Nesprin-2G ist ein Strukturprotein-Bindung an sowohl derAktin-Zytoskelett im Zytoplasma und SUN-Proteine in dem perinukleären Raum. Mit unserem Biosensor, konnten wir zeigen , dass Nesprin-2G bis 2 Aktomyosin abhängige Spannung in NIH3T3 Fibroblasten unterliegt. Dies war das erste Mal, dass Kraft direkt über ein Protein, das in der Kern LINC-Komplex gemessen wurde, und es ist wahrscheinlich ein wichtiges Instrument worden, die Rolle der Kraft auf dem Kern in Mechanobiologie zu verstehen.
Das Protokoll unten ein detailliertes Methodik, wie der Sensor Nesprin-2G Kraft zu verwenden, einschließlich der Expression des Nesprin Spannungssensors (Nesprin-TS) in Säugetierzellen, sowie die Erfassung und Analyse von Bildern von FRET-exprimierenden Zellen Nesprin- TS. Unter Verwendung eines invertierten konfokalen Mikroskop mit einem spektralen Detektor ausgestattet ist, eine Beschreibung, wie sensibilisierten Emission messen FRET unter Verwendung Entmischung und ratiometrisch FRET-Bildgebung bereitgestellt. Die Ausgangsratiometrisches Bilder können verwendet werden, relativ qua machenntitative Kraft Vergleiche. Während dieses Protokoll auf der Expression von Nesprin-TS in Fibroblasten fokussiert wird, ist es auf andere Säugetierzellen leicht anpassbar, einschließlich Zelllinien und Primärzellen. Außerdem ist dieses Protokoll, wie es auf die Bildaufnahme und FRET-Analyse bezieht sich ohne weiteres auf andere FRET-basierten Biosensoren Kraft angepasst werden, die für andere Proteine entwickelt wurden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ein Verfahren und eine Demonstration der Abbildung lebender Zellen der mechanischen Spannung über Nesprin-2G, ein Protein in der Kern LINC-Komplex, wurden oben beschrieben. Vor dieser Arbeit wird verschiedene Techniken, wie zum Beispiel Mikropipette Bestrebung, Cytometry Magneten Wulst und mikroskopische Laserablation, verwendet worden , um Druck auf dem Zellkern zu übernehmen und seine Eigenschaften Schüttguts 16, 17, 18 zu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Thomas F. und Kate Miller Jeffress Memoria Trust (DEC) und NIH gewähren R35GM119617 unterstützt (DEC). Die konfokale Mikroskop Bildgebung wurde an der VCU Nano Characterization Core (NCC) Facility durchgeführt.
Materials
| Nesprin-TS DNA | Addgene | 68127 | Retrieve from https://www.addgene.org/68127/ |
| Nesprin-HL DNA | Addgene | 68128 | Retrieve from https://www.addgene.org/68128/ |
| mTFP1 DNA | Addgene | 54613 | Retrieve from https://www.addgene.org/54613/ |
| mVenus DNA | Addgene | 27793 | Retrieve from https://www.addgene.org/27793/ |
| TSmod DNA | Addgene | 26021 | Retrieve from https://www.addgene.org/26021/ |
| Competent Cells | Bioline | BIO-85026 | |
| Liquid LB Media | ThermoFisher | 10855001 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10855001 |
| Solid LB Bacterial Culture Plates | Sigma-Aldrich | L5667 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/l5667?lang=en®ion=US |
| Ampicillin | Sigma | A9518 | |
| Spectrophotometer | Biorad | 273 BR 07335 | SmartSpec Plus |
| quartz cuvette | Biorad | 1702504 | Cuvette for SmartSpec Plus |
| DNA isolation kit | Macherey-Nagel | 740412.5 | NucleoBond Xtra Midi Plus |
| 6-well cell culture dish | Falcon-Corning | 353046 | Multiwell 6-well Polystrene Culture Dish |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium, (DMEM) cell media | Gibco | 11995-065 | DMEM(1x) |
| Bovine Serum | Life Technologies | 16170-078 | |
| reduced serum cell media | Gibco | 31985-070 | Reduced Serum Medium, "optimem" |
| Lipid Carrier Solution | invitrogen | 11668-019 | Lipid Reagent, "Lipofectamine 2000" |
| 1.5mL sterile plastic tube | Denville | c2170 | |
| Trypsin | Gibco | 25200-056 | 0.25% Trypsin-EDTA (1x) |
| glass-bottom microscope viewing dish | In Vitro Scientific | D35-20-1.5-N | 35mm Dish with 20mm Bottom Well #1.5 glass |
| Fibronectin | ThermoFisher | 33016015 | fibronectin human protein,plasma |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Gibco | 14190-144 | Dulbecco's Phosphate Buffered Saline |
| 15mL sterile centrifuge tube | Greiner bio-one | 188261 | |
| swinging rotor centrifuge | Thermo electron | Centra CL2 | Swinging rotor thermo electron 236 |
| cell culture biosafety hood | Forma Scientific | 1284 | |
| climate controlled cell culture incubator | ThermoFisher | 3596 | |
| inverted LED widefield fluorescent microscope | Life technologies | EVOS FL | |
| Clear HEPES buffered imaging media | Molecular Probes | A14291DJ | |
| Fetal bovine Serum | Life technologies | 10437-028 | |
| Temperature Controlled-Inverted confocal w/458 and 515nm laser sources | Zeiss | LSM 710-w/spectral META detector | |
| Outgrowth Media | Newengland Biolabs | B9020s | |
| NIH 3T3 Fibroblasts | ATCC | CRL-1658 |
References
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