형광 상관 분광법을 사용하여 단백질 응집 감지
Summary
우리는 여기에서 형광 상관 분광학을 사용하여 세포 용해 및 살아있는 세포에 있는 단백질 올리고머 및 응집을 측정하는 절차를 소개합니다.
Abstract
단백질 집계는 근위축성 측삭 경화증(ALS), 알츠하이머병(AD), 파킨슨병(PD), 헌팅턴병(HD) 등과 같은 신경퇴행성 질환의 특징이다. 용해성 또는 확산 단백질 올리고머 또는 골재를 검출하고 분석하기 위해 단일 분자 감도를 가진 단일 입자의 확산 속도와 밝기를 감지할 수 있는 형광 상관 분광법(FCS)이 사용되었습니다. 그러나, 단백질 응집 검출을 위한 적당한 절차 그리고 노하우는 널리 공유되지 않았습니다. 여기서, 우리는 세포 용해 및 살아있는 세포에서 응집되기 쉬운 단백질의 확산 특성에 대한 FCS 측정의 표준 절차를 보여줍니다 : ALS 관련 25 kDa 카복실 – 말단 단편타르 DNA /RNA 결합 단백질 43 kDa (TDP25) 및 초옥화물 디뮤타제 1 (SOD1). 대표적인 결과는 녹색 형광 단백질 (GFP)-태그TDP25의 골재의 일부가 뮤린 신경 모세포종 Neuro2a 세포 용액의 수용성 분획에 약간 포함되었다는 것을 보여줍니다. 더욱이, ALS 관련 돌연변이를 운반하는 GFP 태그SOD1은 살아있는 세포에서 느린 확산을 나타낸다. 이에 따라 FCS를 이용한 확산 특성을 통해 단백질 응집을 검출하는 절차를 소개합니다.
Introduction
근위축성 측삭 경화증(ALS), 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병 등과 같은 신경퇴행성 질환을 수반하는 단백질응집은 1세포와 장기에서 독성이 있는 것으로 알려져 있으며 세포및 장기에서 단백질 항상성(proteostasis)을 교란시킬 수 있으며, 그 후노화2로이어질 수 있다. 단백질 응집의 정리는 치료 전략으로 예상된다; 그러나, 단백질 응집 형성을 방지 하 고 단백질 집계를 저하 하는 화학 물질 (예를 들어, 작은 분자 또는 약물) 아직 설립 되지 않은. 또한, 단백질 집계가 독성을 어떻게 발휘하는지는 여전히 애매합니다. 따라서 단백질 응집과 관련된 연구 프로젝트를 촉진하기 위해 단백질 응집을 감지하기 위해 높은 처리량 절차를 도입하는 것이 중요합니다. 단백질 응집 및 응집 특이적 형광염의 형성을 인식하는 항체를 이용한 단백질 응집 검출은 널리 사용되고 있다3. 그러나, 특히 그러한 고전적인 절차를 사용하여 살아있는 세포에서 집계를 감지하는 것은 어렵다.
Förster 공명 에너지 전달 (FRET)은 단백질 응집 및 구조적 변화를 검출하는 절차입니다. 그러나, FRET는 단백질 역학(예를 들어, 살아있는 세포에서 단백질의 확산 및 올리고머화)을 분석할 수 없다3. 따라서, 여기서 는 단일 분자 민감도4를가진 형광 분자의 확산 특성 및 밝기를 측정하는 형광 상관 분광법(FCS)을 사용하여 용액(예를 들어, 세포 용액) 및 살아있는 세포에서 단백질 응집을 검출하는 간단한 프로토콜을 소개한다. FCS는 레이저 스캔 공초점 현미경(LSM)을 이용하여 광자 계수 방법입니다. 광자 도착 시간의 매우 민감한 광자 검출기 및 자기 상관 기능(ACF)의 계산을 사용하여 검출 부피에서 형광 분자의 시간과 밝기를 통과합니다. 확산은 분자량의 증가로 느려집니다. 따라서, 분자 간 상호 작용은 FCS를 사용하여 추정될 수 있다. 더욱 강력하게, 형광 분자의 밝기의 증가는 분자의 호모 올리고머화를 나타냅니다. 따라서 FCS는 이러한 단백질 응집을 검출하는 강력한 도구입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
측정 전에 시스템 교정에 관해서는, 샘플을 측정하는 데 사용되는 것과 동일한 유리 제품이 사용되어야한다 (예를 들어, 8 웰은 셀 용해및 살아있는 세포를위한 35mm 유리 베이스 디쉬에 대한 유리 챔버를 커버)를 사용해야합니다. 유리에 Rh6G의 흡착 때문에, 그것의 효과적인 농도 때때로 감소할 수 있습니다. 그렇다면 1 μM과 같은 고농축 Rh6G 용액은 핀홀 조정에만 사용해야 합니다. 검출기(예: 1000kHz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A.K.는 일본 과학진흥협회(JSPS) 과학연구부(C)(c)(#18K06201)의 지원을 받아 나카타니 재단의 새로운 코로나바이러스 감염 대책 에 대한 보조금 지원, 홋카이도 대학 사무소의 미래 연구 리더 개발 보조금(L-스테이션) 및 호샤재단의 보조금 지원으로 지원받았다. M. K.는 혁신적인 분야 “다분자 혼잡 생물 시스템을 위한 화학”(#20H04686)에 대한 과학 연구를 위한 JSPS 그랜트-인-에이드(JSPS Grant-in-aid)와 혁신적인 분야 “생활 문제의 정보 물리학”(#20H05522)에 대한 과학 연구를 위한 JSPS 그랜트-인-에 의해 부분적으로 지원되었다.
Materials
| 0.25% (w/v) Trypsin-1 mmol/L EDTA·4Na Solution with Phenol Red (Trypsin-EDTA) | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 201-16945 | |
| 100-mm plastic dishes | CORNING | 430167 | |
| 35-mm glass base dish | IWAKI | 3910-035 | For live cell measurement |
| 35-mm plastic dishes | Thermo Fisher Scientific | 150460 | |
| Aluminum plate | Bio-Bik | AB-TC1 | |
| C-Apochromat 40x/1.2NA Korr. UV-VIS-IR M27 | Carl Zeiss | Objective | |
| Cell scraper | Sumitomo Bakelite Co., Ltd. | MS-93100 | |
| Cellulose acetate filter membrane (0.22 mm) | Advantech Toyo | 25CS020AS | |
| Cover glass chamber 8-wells | IWAKI | 5232-008 | For solution measurement |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | Sigma-Aldrich | D5796 | basal medium |
| Fetal bovine serum (FBS) | biosera | Lot check required | |
| Lipofectamine 2000 | Thermo Fisher Scientific | 11668019 | |
| LSM510 META + ConfoCor3 | Carl Zeiss | FCS system | |
| Murine neuroblastoma Neuro2a cells | ATCC | CCL-131 | Cell line |
| Opti-MEM I | Thermo Fisher Scientific | 31985070 | |
| pCAGGS | RIKEN | RDB08938 | Plasmid DNA for the transfection carrier |
| Penicillin-Streptomycin Solution (×100 ) | Fujifilm Wako Pure Chemical Corp. | 168-23191 | |
| pmeGFP-C1-TDP25 | Plasmid DNA for TDP25 tagged with monomeric eGFP | ||
| pmeGFP-N1 | Plasmid DNA for eGFP monomer expression | ||
| pmeGFP-N1-SOD1-G85R | Plasmid DNA for ALS-linked G85R mutant of SOD1 tagged with monomeric eGFP | ||
| Protease inhibitor cocktail | Sigma-Aldrich | P8304 |
References
- Ross, C. A., Poirier, M. A. Protein aggregation and neurodegenerative disease. Nature Medicine. 10, 10-17 (2004).
- Hipp, M. S., Kasturi, P., Hartl, F. U. The proteostasis network and its decline in ageing. Nature Review Molecular Cell Biology. 20 (7), 421-435 (2019).
- Kitamura, A., Nagata, K., Kinjo, M. Conformational analysis of misfolded protein aggregation by FRET and live-cell imaging techniques. International Journal of Molecular Science. 16 (3), 6076-6092 (2015).
- Rigler, R., Mets, U., Widengren, J., Kask, P. Fluorescence Correlation Spectroscopy with High Count Rate and Low-Background – Analysis of Translational Diffusion. European Biophysics Journal with Biophysics Letters. 22 (3), 169-175 (1993).
- Zacharias, D. A., Violin, J. D., Newton, A. C., Tsien, R. Y. Partitioning of lipid-modified monomeric GFPs into membrane microdomains of live cells. Science. 296 (5569), 913-916 (2002).
- Kitamura, A., et al. Interaction of RNA with a C-terminal fragment of the amyotrophic lateral sclerosis-associated TDP43 reduces cytotoxicity. Scientific Reports. 6, 19230 (2016).
- Kitamura, A., et al. Dysregulation of the proteasome increases the toxicity of ALS-linked mutant SOD1. Genes to Cells. 19 (3), 209-224 (2014).
- Niwa, H., Yamamura, K., Miyazaki, J. Efficient selection for high-expression transfectants with a novel eukaryotic vector. Gene. 108 (2), 193-199 (1991).
- Kitamura, A., et al. Cytosolic chaperonin prevents polyglutamine toxicity with altering the aggregation state. Nature Cell Biology. 8 (10), 1163-1170 (2006).
- Kitamura, A., Shibasaki, A., Takeda, K., Suno, R., Kinjo, M. Analysis of the substrate recognition state of TDP-43 to single-stranded DNA using fluorescence correlation spectroscopy. Biochemistry and Biophysics Reports. 14, 58-63 (2018).
- Kinjo, M., Sakata, H., Mikuni, S. First steps for fluorescence correlation spectroscopy of living cells. Cold Spring Harbor Protocols. 2011 (10), 1185-1189 (2011).
- Kinjo, M., Sakata, H., Mikuni, S. Fluorescence correlation spectroscopy example: shift of autocorrelation curve. Cold Spring Harbor Protocols. 2011 (10), 1267-1269 (2011).
- Kinjo, M., Sakata, H., Mikuni, S. Basic fluorescence correlation spectroscopy setup and measurement. Cold Spring Harbor Protocols. 2011 (10), 1262-1266 (2011).
- Jazani, S., et al. An alternative framework for fluorescence correlation spectroscopy. Nature Communication. 10 (1), 3662 (2019).
- Pack, C., Saito, K., Tamura, M., Kinjo, M. Microenvironment and effect of energy depletion in the nucleus analyzed by mobility of multiple oligomeric EGFPs. Biophysical Journal. 91 (10), 3921-3936 (2006).
- Ries, J., Chiantia, S., Schwille, P. Accurate determination of membrane dynamics with line-scan FCS. Biophysical Journal. 96 (5), 1999-2008 (2009).
- Fujioka, Y., et al. Phase separation organizes the site of autophagosome formation. Nature. 578 (7794), 301-305 (2020).
- Sadaie, W., Harada, Y., Matsuda, M., Aoki, K. Quantitative in vivo fluorescence cross-correlation analyses highlight the importance of competitive effects in the regulation of protein-protein interactions. Molecular and Cellular Biology. 34 (17), 3272-3290 (2014).
- Cohen, L. D., Boulos, A., Ziv, N. E. A non-fluorescent HaloTag blocker for improved measurement and visualization of protein synthesis in living cells. F1000Research. 9, (2020).
