Summary

In vitro Rekonstitution af Actin Cytoskelettet Inde i Giant Unilamellar Vesikler

Published: August 25, 2022
doi:

Summary

I dette manuskript demonstrerer vi de eksperimentelle teknikker til at indkapsle F-actincytoskelettet i gigantiske unilamellare lipidvesikler (også kaldet liposomer) og metoden til at danne et cortex-biomimicking F-actinlag ved den indre folder af liposommembranen.

Abstract

Actincytoskelettet, det vigtigste mekaniske maskineri i cellen, formidler adskillige væsentlige fysiske cellulære aktiviteter, herunder celledeformation, opdeling, migration og vedhæftning. Imidlertid kompliceres studiet af dynamikken og strukturen i actinnetværket in vivo af den biokemiske og genetiske regulering i levende celler. For at opbygge en minimal model uden intracellulær biokemisk regulering er actin indkapslet inde i gigantiske unilamellare vesikler (GUV’er, også kaldet liposomer). De biomimetiske liposomer er cellestørrelse og letter en kvantitativ indsigt i cytoskeletnetværkets mekaniske og dynamiske egenskaber, hvilket åbner en levedygtig rute for bottom-up syntetisk biologi. For at generere liposomer til indkapsling anvendes den omvendte emulsionsmetode (også kaldet emulsionsoverførselsmetoden), hvilket er en af de mest succesrige teknikker til indkapsling af komplekse opløsninger i liposomer til fremstilling af forskellige celleefterlignende systemer. Med denne metode tilsættes en blanding af proteiner af interesse til den indre buffer, som senere emulgeres i en phospholipidholdig mineralolieopløsning til dannelse af monolags lipiddråber. De ønskede liposomer genereres fra monolags lipiddråber, der krydser en lipid / olie-vand-grænseflade. Denne metode muliggør indkapsling af koncentrerede actinpolymerer i liposomerne med ønskede lipidkomponenter, hvilket baner vejen for in vitro-rekonstitution af et biomimicking cytoskeletnetværk.

Introduction

Actincytoskelettet spiller en grundlæggende rolle i konstruktionen af cellens intracellulære arkitektur ved at koordinere kontraktilitet på molekylært niveau og kraftgenerering 1,2,3. Som et resultat formidler det adskillige væsentlige cellulære aktiviteter, herunder celledeformation 4,5, division6, migration 7,8 og adhæsion9. In vitro-rekonstitutionen af actin-netværk har fået enorm opmærksomhed i de senere år 10,11,12,13,14,15,16,17. Målet med rekonstitution er at opbygge en minimal model af cellen blottet for den komplekse biokemiske regulering, der findes i levende celler. Dette giver et kontrollerbart miljø til at undersøge specifikke intracellulære aktiviteter og letter identifikation og analyse af forskellige komponenter i actincytoskelettet18,19. Endvidere giver indkapslingen af in vitro actinnetværk inde i phospholipid gigantiske unilamellare vesikler (GUV’er, liposomer) et begrænset, men deformerbart rum med en semipermeabel grænse. Det efterligner det fysiologiske og mekaniske mikromiljø af actinmaskineriet i cellen 9,20,21,22.

Blandt forskellige metoder til fremstilling af liposomer er lipidfilmhydreringsmetoden (også kendt som hævelsesmetoden) en af de tidligste teknikker23. Den tørre lipidfilm hydrerer med tilsætning af buffere og danner membranøse bobler, der til sidst bliver vesikler24. For at producere større vesikler med et højere udbytte anvender en forbedret metode, der går videre fra filmhydreringsmetoden, kendt som elektroformationsmetoden25, et AC-elektrisk felt til effektivt at fremme hydreringsprocessen26. De største begrænsninger ved disse hydreringsbaserede metoder til actinindkapsling er, at den har lav indkapslingseffektivitet af stærkt koncentrerede proteiner, og den er kun kompatibel med specifikke lipidsammensætninger24. Den omvendte emulsionsteknik har til sammenligning færre begrænsninger for lipidkomponenter og proteinkoncentrationer 20,27,28,29. I denne metode tilsættes en blanding af proteiner til indkapsling til den indre vandige buffer, som senere emulgeres i en lipidholdig mineralolieopløsning, der danner lipid-monolagsdråber. Monolags lipiddråber krydser derefter gennem en anden lipid / olie-vand-grænseflade gennem centrifugering for at danne dobbeltlags lipidvesikler (liposomer). Denne teknik har vist sig at være en af de mest succesrige strategier til actinindkapsling24,30. Separat er der nogle mikrofluidiske enhedsmetoder, herunder pulserende jetting31,32, forbigående membranudstødning33 og cDICE-metoden34. Lighederne mellem den omvendte emulsionsmetode og den mikrofluidiske metode er lipidopløsningsmiddelet (olie), der anvendes, og indførelsen af lipid / olie-vand-grænseflade til dannelse af den ydre folder af liposomer. I modsætning hertil kræver dannelsen af liposomer ved den mikrofluidiske metode en opsætning af mikrofluidiske anordninger og ledsages af olie fanget mellem dobbeltlagets to foldere, hvilket kræver et ekstra trin til fjernelse af olie35.

I dette manuskript brugte vi den omvendte emulsionsteknik til at fremstille liposomer, der indkapslede et polymeriseret F-actin-netværk som tidligere anvendt22. Proteinblandingen til indkapsling blev først anbragt i en buffer med ikke-polymeriserende betingelser for at opretholde actin i sin kugleformede (G) form. Hele processen blev udført ved 4 °C for at forhindre tidlig actinpolymerisation, som senere blev udløst ved at lade prøven varme op til stuetemperatur. En gang ved stuetemperatur polymeriserer actinet i sin filamentøse (F) form. En række actinbindende proteiner kan tilsættes til den indre vandige bufferopløsning for at studere proteinfunktionaliteter og egenskaber og dermed yderligere give indsigt i dets interaktion med actinnetværket og membranoverfladen. Denne metode kan også anvendes til indkapsling af forskellige proteiner af interesse36 og store genstande (mikropartikler, selvkørende mikrosvømmere osv.) tæt på størrelsen af de endelige liposomer28,37.

Protocol

1. Fremstilling af buffere og proteinopløsninger Den vandige indre ikke-polymerisationsbuffer (INP) fremstilles i et samlet volumen på 5 ml ved at blande 0,1 mM CaCl2, 10 mM HEPES (pH 7,5), 1 mM DTT, 0,5 mM Dabco, 320 mM saccharose og 0,2 mM ATP. Forbered proteinblandingen (PM) ved at tilsætte proteiner til INP-bufferen ved 4 °C med følgende koncentrationer: 11,2 μM ikke-fluorescerende G-actin, 2,8 μM fluorescerende mærket actin og 0,24 μM Arp2/3 (materiale…

Representative Results

Fremstillingen af liposomer baseret på den omvendte emulsionsteknik er illustreret grafisk og skematisk i figur 1. Først blev tomme (bare) liposomer (~ 5-50 μm i diameter), der var sammensat af phospholipid (EPC) og fluorescerende lipid (DHPE) fremstillet. Et lyst, langt rødt fluorescerende farvestof blev indkapslet i bare liposomer som et kontroleksperiment. Hvorvidt et lipidmonolag med succes er dannet i dråbens perifere enhed, kunne bestemmes ved at observ…

Discussion

Flere nøgletrin bestemmer succesen med et højt udbytte af liposomer under forberedelsesprocessen. For helt at opløse lipidfilmen i olien skal prøven sonikeres, indtil lipidfilmen i bunden af hætteglasset forsvinder helt. Efter sonikeringen skal lipid-olieblandingen opbevares natten over ved stuetemperatur under mørke forhold for at lipidmolekylerne kan sprede sig yderligere29. Blandingen kan opbevares ved 4 °C i op til en uge. Ved fremstilling af en FB/olieemulsion med monolags lipiddråber…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi anerkender finansiering af ARO MURI W911NF-14-1-0403 til MPM, National Institutes of Health (NIH) R01 1R01GM126256 til MPM, National Institutes of Health (NIH) U54 CA209992, NIH RO1 GM126256, NIH U54 CA209992, University of Michigan / Genentech, SUBK00016255 og Human Frontiers Science Program (HFSP) tilskudsnummer RGY0073/2018 til M.P.M. Enhver mening, resultater, konklusioner eller anbefalinger, der udtrykkes i dette materiale, er forfatternes og afspejler ikke nødvendigvis synspunkterne fra ARO, NIH eller HFSP. S.C. anerkender frugtbare diskussioner med V. Yadav, C. Muresan og S. Amiri.

Materials

1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-{[n(5-amino-1-carboxypentyl)iminodiacetic acid]succinyl} nickel salt (DOGS-NTA-Ni)  Avanti Polar Lipids Inc. 231615773 Nickel Lipid
1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane Sigma D27802-25G DABCO
Actin protein (>99% pure): rabbit skeletal muscle Cytoskeleton, Inc AKL99-D non-fluorescent G-actin
Actin protein (rhodamine): rabbit skeletal muscle Cytoskeleton, Inc AR05 fluorescently labeled actin
Adenosine 5′-triphosphate disodium salt hydrate Sigma A2383-10G ATP
Alexa Fluor 647 dye ThermoFisher fluorescent dye
Andor iQ3 Andor Technologies control and acquisition software for confocal microscope
Arp2/3 Protein Complex: Porcine Brain Cytoskeleton, Inc RP01P-A Arp 2/3
Calcium chloride dihydrate Sigma 10035048 CaCl2
Chamlide Chambers (4-well for 12 mm round coverslip) Quorum Technologies incubation chamber
Cofilin protein: human recombinant Cytoskeleton, Inc CF01-C cofilin
Confocal Microscope (63× oil-immersion objective) Andor Technologies LEICA DMi8
D-(+)-GLUCOSE BIOXTRA Sigma G7528 glucose
Dithiothreitol DOT Scientific  DSD11000-10 DTT
Gelsolin Protein: Homo Sapiens Recombinant Cytoskeleton, Inc HPG6 gelsolin
Hamilton 1750 Gastight Syringe, 500 µL, cemented needle, 22 G, 2" conical tip Cole-Parmer UX-07940-53 glass syringe
HEPES AmericanBio 7365-45-9
ImageJ/Fiji https://imagej.net/tutorials/
L-alpha-Phosphatidylcholine Avanti Polar Lipids Inc. 97281442 EPC
Magnesium chloride Sigma 7786303 MgCl2
Mineral oil, BioReagent, for molecular biology, light oil Sigma 8042475 mineral oil
N-WASP fragment WWA (aa400–501, VCA-His) VCA-His is purified using lab protocol. The protocol can be provided upon reasonable requests
Oregon Green 488 1,2-Dihexadecanoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine (Oregon Green 488 DHPE) Thermo Fisher O12650 DHPE
Potassium chloride Sigma 7447407 KCl
Sucrose Sigma 57-50-1 sucrose
β-Casein from bovine milk Sigma C6905-250MG

References

  1. Murrell, M., Oakes, P. W., Lenz, M., Gardel, M. L. Forcing cells into shape: the mechanics of actomyosin contractility. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (8), 486-498 (2015).
  2. Stricker, J., Falzone, T., Gardel, M. L. Mechanics of the F-actin cytoskeleton. Journal of Biomechanics. 43 (1), 9-14 (2010).
  3. Linsmeier, I., et al. Disordered actomyosin networks are sufficient to produce cooperative and telescopic contractility. Nature Communications. 7 (1), 1-9 (2016).
  4. Yousafzai, M., Yadav, V., Amiri, S., Errami, Y., Murrell, M. Active regulation of pressure and volume defines an energetic constraint on the size of cell aggregates. Physical Review Letters. 128 (4), 048103 (2022).
  5. Simon, C., et al. Actin dynamics drive cell-like membrane deformation. Nature Physics. 15 (6), 602-609 (2019).
  6. Munro, E., Nance, J., Priess, J. R. Cortical flows powered by asymmetrical contraction transport PAR proteins to establish and maintain anterior-posterior polarity in the early C. elegans embryo. Developmental Cell. 7 (3), 413-424 (2004).
  7. Bray, D., White, J. Cortical flow in animal cells. Science. 239 (4842), 883-888 (1988).
  8. Beaune, G., et al. Spontaneous migration of cellular aggregates from giant keratocytes to running spheroids. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (51), 12926-12931 (2018).
  9. Murrell, M. P., et al. Liposome adhesion generates traction stress. Nature Physics. 10 (2), 163-169 (2014).
  10. Lee, G., et al. Myosin-driven actin-microtubule networks exhibit self-organized contractile dynamics. Science Advances. 7 (6), (2021).
  11. Anderson, S., Garamella, J., Adalbert, S., McGorty, R., Robertson-Anderson, R. Subtle changes in crosslinking drive diverse anomalous transport characteristics in actin-microtubule networks. Soft Matter. 17 (16), 4375-4385 (2021).
  12. Janson, M. E., et al. Crosslinkers and motors organize dynamic microtubules to form stable bipolar arrays in fission yeast. Cell. 128 (2), 357-368 (2007).
  13. McCall, P. M., MacKintosh, F. C., Kovar, D. R., Gardel, M. L. Cofilin drives rapid turnover and fluidization of entangled F-actin. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (26), 12629-12637 (2019).
  14. Köhler, S., Schaller, V., Bausch, A. R. Structure formation in active networks. Nature Materials. 10 (6), 462-468 (2011).
  15. Koenderink, G. H., et al. An active biopolymer network controlled by molecular motors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (36), 15192-15197 (2009).
  16. Seara, D. S., et al. Entropy production rate is maximized in non-contractile actomyosin. Nature Communications. 9 (1), 1-10 (2018).
  17. Tabatabai, A. P., et al. Detailed balance broken by catch bond kinetics enables mechanical-adaptation in active materials. Advanced Functional Materials. 31 (10), 2006745 (2021).
  18. Murrell, M. P., Gardel, M. L. F-actin buckling coordinates contractility and severing in a biomimetic actomyosin cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (51), 20820-20825 (2012).
  19. Murrell, M., Gardel, M. L. Actomyosin sliding is attenuated in contractile biomimetic cortices. Molecular Biology of the Cell. 25 (12), 1845-1853 (2014).
  20. Murrell, M., et al. Spreading dynamics of biomimetic actin cortices. Biophysical Journal. 100 (6), 1400-1409 (2011).
  21. Liu, A. P., et al. Membrane-induced bundling of actin filaments. Nature Physics. 4 (10), 789-793 (2008).
  22. Pontani, L. -. L., et al. Reconstitution of an actin cortex inside a liposome. Biophysical Journal. 96 (1), 192-198 (2009).
  23. Reeves, J. P., Dowben, R. M. Formation and properties of thin-walled phospholipid vesicles. Journal of Cellular Physiology. 73 (1), 49-60 (1969).
  24. Litschel, T., Schwille, P. Protein reconstitution inside giant unilamellar vesicles. Annual Review of Biophysics. 50, 525-548 (2021).
  25. Angelova, M. I., Dimitrov, D. S. Liposome electroformation. Faraday Discussions of the Chemical Society. 81, 303-311 (1986).
  26. Limozin, L., Sackmann, E. Polymorphism of cross-linked actin networks in giant vesicles. Physical Review Letters. 89 (16), 168103 (2002).
  27. Pautot, S., Frisken, B. J., Weitz, D. Production of unilamellar vesicles using an inverted emulsion. Langmuir. 19 (7), 2870-2879 (2003).
  28. Natsume, Y., et al. Preparation of giant vesicles encapsulating microspheres by centrifugation of a water-in-oil emulsion. Journal of Visualized Experiments. (119), e55282 (2017).
  29. Chiba, M., Miyazaki, M., Ishiwata, I. s. Quantitative analysis of the lamellarity of giant liposomes prepared by the inverted emulsion method. Biophysical Journal. 107 (2), 346-354 (2014).
  30. Fujii, S., et al. Liposome display for in vitro selection and evolution of membrane proteins. Nature Protocols. 9 (7), 1578-1591 (2014).
  31. Funakoshi, K., Suzuki, H., Takeuchi, S. Formation of giant lipid vesiclelike compartments from a planar lipid membrane by a pulsed jet flow. Journal of the American Chemical Society. 129 (42), 12608-12609 (2007).
  32. Okushima, S., Nisisako, T., Torii, T., Higuchi, T. Controlled production of monodisperse double emulsions by two-step droplet breakup in microfluidic devices. Langmuir. 20 (23), 9905-9908 (2004).
  33. Ota, S., Yoshizawa, S., Takeuchi, S. Microfluidic formation of monodisperse, cell-sized, and unilamellar vesicles. Angewandte Chemie International Edition. 48 (35), 6533-6537 (2009).
  34. Bashirzadeh, Y., Wubshet, N., Litschel, T., Schwille, P., Liu, A. P. Rapid encapsulation of reconstituted cytoskeleton inside giant unilamellar vesicles. Journal of Visualized Experiments. (177), (2021).
  35. Deshpande, S., Caspi, Y., Meijering, A. E., Dekker, C. Octanol-assisted liposome assembly on chip. Nature Communications. 7 (1), 1-9 (2016).
  36. Bashirzadeh, Y., Liu, A. P. Encapsulation of the cytoskeleton: towards mimicking the mechanics of a cell. Soft Matter. 15 (42), 8425-8436 (2019).
  37. Vutukuri, H. R., et al. Active particles induce large shape deformations in giant lipid vesicles. Nature. 586 (7827), 52-56 (2020).
  38. Lemière, J., Carvalho, K., Sykes, C. . Methods in Cell Biology. 128, 271-285 (2015).
  39. Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  40. Liman, J., et al. The role of the Arp2/3 complex in shaping the dynamics and structures of branched actomyosin networks. Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America. 117 (20), 10825-10831 (2020).
  41. Sun, Y., Leong, N. T., Wong, T., Drubin, D. G. A Pan1/End3/Sla1 complex links Arp2/3-mediated actin assembly to sites of clathrin-mediated endocytosis. Molecular Biology of the Cell. 26 (21), 3841-3856 (2015).
  42. Bretschneider, T., et al. Dynamic actin patterns and Arp2/3 assembly at the substrate-attached surface of motile cells. Current Biology. 14 (1), 1-10 (2004).
  43. Goley, E. D., et al. An actin-filament-binding interface on the Arp2/3 complex is critical for nucleation and branch stability. Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America. 107 (18), 8159-8164 (2010).
  44. Svitkina, T. M., Borisy, G. G. Arp2/3 complex and actin depolymerizing factor/cofilin in dendritic organization and treadmilling of actin filament array in lamellipodia. The Journal of Cell Biology. 145 (5), 1009-1026 (1999).
  45. Kelleher, J. F., Atkinson, S. J., Pollard, T. D. Sequences, structural models, and cellular localization of the actin-related proteins Arp2 and Arp3 from Acanthamoeba. The Journal of Cell Biology. 131 (2), 385-397 (1995).
  46. Prehoda, K. E., Scott, J. A., Mullins, R. D., Lim, W. A. Integration of multiple signals through cooperative regulation of the N-WASP-Arp2/3 complex. Science. 290 (5492), 801-806 (2000).
  47. Delatour, V., et al. Arp2/3 controls the motile behavior of N-WASP-functionalized GUVs and modulates N-WASP surface distribution by mediating transient links with actin filaments. Biophysical Journal. 94 (12), 4890-4905 (2008).
  48. Izdebska, M., Zielińska, W., Hałas-Wiśniewska, M., Grzanka, A. Involvement of actin and actin-binding proteins in carcinogenesis. Cells. 9 (10), 2245 (2020).
  49. Schäfer, E., Kliesch, T. -. T., Janshoff, A. Mechanical properties of giant liposomes compressed between two parallel plates: impact of artificial actin shells. Langmuir. 29 (33), 10463-10474 (2013).
  50. Whittenton, J., et al. Evaluation of asymmetric liposomal nanoparticles for encapsulation of polynucleotides. Langmuir. 24 (16), 8533-8540 (2008).
  51. Levine, R. M., Pearce, T. R., Adil, M., Kokkoli, E. Preparation and characterization of liposome-encapsulated plasmid DNA for gene delivery. Langmuir. 29 (29), 9208-9215 (2013).
  52. Moga, A., Yandrapalli, N., Dimova, R., Robinson, T. Optimization of the inverted emulsion method for high-yield production of biomimetic giant unilamellar vesicles. ChemBioChem. 20 (20), 2674-2682 (2019).
  53. Vale, R. . Reconstituting the Cytoskeleton. , (2014).
  54. Pardee, J. D., Spudich, J. A. Mechanism of K+-induced actin assembly. The Journal of Cell Biology. 93 (3), 648-654 (1982).
  55. Zimmerle, C. T., Frieden, C. Effect of pH on the mechanism of actin polymerization. Biochemistry. 27 (20), 7766-7772 (1988).
  56. Wegner, A. M., et al. N-wasp and the arp2/3 complex are critical regulators of actin in the development of dendritic spines and synapses. Journal of Biological Chemistry. 283 (23), 15912-15920 (2008).
  57. Blanchoin, L., et al. Direct observation of dendritic actin filament networks nucleated by Arp2/3 complex and WASP/Scar proteins. Nature. 404 (6781), 1007-1011 (2000).
  58. Römer, W., et al. Actin dynamics drive membrane reorganization and scission in clathrin-independent endocytosis. Cell. 140 (4), 540-553 (2010).
  59. Popova, A. V., Hincha, D. K. Effects of flavonol glycosides on liposome stability during freezing and drying. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. 1858 (12), 3050-3060 (2016).
  60. Harrigan, P., Madden, T., Cullis, P. Protection of liposomes during dehydration or freezing. Chemistry and Physics of Lipids. 52 (2), 139-149 (1990).
  61. Szoka, F., Papahadjopoulos, D. Comparative properties and methods of preparation of lipid vesicles (liposomes). Annual Review of Biophysics and Bioengineering. 9 (1), 467-508 (1980).
  62. Campillo, C., et al. Unexpected membrane dynamics unveiled by membrane nanotube extrusion. Biophysical Journal. 104 (6), 1248-1256 (2013).
  63. Deng, N. -. N., Yelleswarapu, M., Huck, W. T. Monodisperse uni-and multicompartment liposomes. Journal of the American Chemical Society. 138 (24), 7584-7591 (2016).
  64. Ricketts, S. N., Ross, J. L., Robertson-Anderson, R. M. Co-entangled actin-microtubule composites exhibit tunable stiffness and power-law stress relaxation. Biophysical journal. 115 (6), 1055-1067 (2018).
  65. Sheung, J. Y., et al. Motor-driven restructuring of cytoskeleton composites leads to tunable time-varying elasticity. ACS Macro Letters. 10 (9), 1151-1158 (2021).
  66. Falzone, T. T., Blair, S., Robertson-Anderson, R. M. Entangled F-actin displays a unique crossover to microscale nonlinearity dominated by entanglement segment dynamics. Soft Matter. 11 (22), 4418-4423 (2015).
  67. Francis, M. L., et al. Non-monotonic dependence of stiffness on actin crosslinking in cytoskeleton composites. Soft Matter. 15 (44), 9056-9065 (2019).
  68. Yadav, V., et al. Filament nucleation tunes mechanical memory in active polymer networks. Advanced Functional Materials. 29 (49), 1905243 (2019).
  69. Murrell, M., Thoresen, T., Gardel, M. . Methods in Enzymology. 540, 265-282 (2014).
check_url/64026?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Chen, S., Sun, Z. G., Murrell, M. P. In Vitro Reconstitution of the Actin Cytoskeleton Inside Giant Unilamellar Vesicles. J. Vis. Exp. (186), e64026, doi:10.3791/64026 (2022).

View Video