Summary

तीन रंग एकल अणु झल्लाहट का उपयोग प्रोटीन बातचीत के सहसंबंध का अध्ययन करने के लिए

Published: January 30, 2018
doi:

Summary

यहां, हम एक 3 डी पहनावा छिपा मार्कोव मॉडल के साथ तीन रंग smFRET डेटा और उसके विश्लेषण प्राप्त करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । इस दृष्टिकोण के साथ, वैज्ञानिकों जटिल प्रोटीन सिस्टम से काइनेटिक जानकारी cooperativity या संबद्ध बातचीत सहित, निकाल सकते हैं ।

Abstract

एकल अणु Förster अनुनाद ऊर्जा अंतरण (smFRET) एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया गया है के लिए गैर-अणुओं की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए भौतिक तकनीक है । एक कोशिका प्रोटीन में कई आणविक मशीनों के लिए अपने कार्य को पूरा करने के लिए एक कार्यात्मक चक्र में बातचीत भागीदारों के साथ मिलकर कार्य करने के लिए है । दो रंग बहु रंग smFRET के विस्तार के लिए यह एक साथ एक से अधिक बातचीत या गठन परिवर्तन से जांच संभव बनाता है । यह न केवल smFRET प्रयोगों के लिए एक नया आयाम जोड़ता है, लेकिन यह भी सीधे घटनाओं के अनुक्रम का अध्ययन करने के लिए और एक मैटीरियल नमूना और एक कुल आंतरिक प्रतिबिंब का उपयोग करते समय संबंधित बातचीत का पता लगाने के लिए अद्वितीय संभावना प्रदान करता है प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप (TIRFM). इसलिए, बहु रंग smFRET एक मात्रात्मक तरीके से और एक पहले से ही प्राप्त विस्तार में गैर आणविक परिसरों का अध्ययन करने के लिए एक बहुमुखी उपकरण है ।

यहां, हम प्रदर्शन प्रोटीन पर बहु रंग smFRET प्रयोगों की विशेष चुनौतियों को दूर करने के लिए कैसे. हम डेटा प्राप्त करने के लिए और काइनेटिक जानकारी निकालने के लिए विस्तृत प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । यह पता लगाने के चयन मानदंड, राज्य जुदाई, और एक 3 डी पहनावा छिपा मार्कोव मॉडल (हंम) का उपयोग कर शोर डेटा से राज्य पथ की वसूली शामिल हैं । अंय तरीकों की तुलना में, काइनेटिक जानकारी आवास समय हिस्टोग्राम लेकिन सीधे हम्म से बरामद नहीं है । अधिकतम संभावना फ्रेमवर्क हमें गंभीर काइनेटिक मॉडल का मूल्यांकन करने के लिए और दरों के लिए सार्थक अनिश्चितताओं प्रदान करने के लिए अनुमति देता है ।

गर्मी सदमे प्रोटीन ९० (Hsp90) के लिए हमारे विधि लागू करके, हम न्यूक्लियोटाइड बाध्यकारी और प्रोटीन के वैश्विक गठन परिवर्तन को फंसाए रखने में सक्षम हैं । यह हम सीधे Hsp90 डिमर के दो न्यूक्लियोटाइड बंधन जेब के बीच cooperativity का निरीक्षण करने के लिए अनुमति देता है ।

Introduction

कई प्रोटीन्स अन्य अणुओं के साथ गतिशील परिसरों में अपने कार्य को पूरा करते हैं, timescales1,2,3की एक विस्तृत श्रृंखला पर संरचना परिवर्तन और परिवर्तनीय संघों द्वारा मध्यस्थता । एक बाहरी ऊर्जा स्रोत (जैसे, एटीपी) के लिए युग्मित इन गतिशील बातचीत एक कार्यात्मक चक्र में दिशात्मकता के लिए नेतृत्व और अंततः एक कोशिका में गैर संतुलन स्थिर-राज्य बनाए रखने के लिए, जीवन के लिए शर्त कर सकते हैं ।

आदेश में पूरी तरह से इन आणविक मशीनों को समझने के लिए, एक स्थिर संरचनात्मक अध्ययन द्वारा निर्देशित विवरण पर्याप्त नहीं है । इसके अलावा, यह अंतर्निहित काइनेटिक मॉडल का ज्ञान है और काइनेटिक दर स्थिरांक निर्धारित करने के लिए आवश्यक है । कई मौजूदा तरीकों शोधकर्ताओं के हित के दो अणुओं के बीच द्विआधारी बातचीत की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए अनुमति देते हैं, जैसे, सतह plasmon अनुनाद, एक स्पेक्ट्रोस्कोपी readout के साथ छूट तरीकों (जैसे, कूद या बंद कर दिया-प्रवाह तकनीक), और परमाणु चुंबकीय अनुनाद । हालांकि, उनकी प्रयोज्यता ज्यादातर मामलों में साधारण दो राज्य प्रणालियों तक सीमित है (जैसे, एक ही और एक असीम राज्य) औसत थोक प्रयोगों के लिए निहित के कारण । मामलों में जहां अधिक राज्यों या मध्यवर्ती शामिल हैं, वे दर स्थिरांक का केवल एक जटिल मिश्रण उपज । एकल-अणु विधियों जैसे ऑप्टिकल या चुंबकीय चिमटी या दो रंग smFRET, यानी, एक दाता और एक स्वीकारकर्ता fluorophore, एक सतह के साथ एक मैटीरियल नमूना सभी स्वीकार्य परिवर्तन के लिए दर स्थिरांकों को पुनर्प्राप्त कर सकते हैं । हालांकि, जब यह एक से अधिक बाध्यकारी साइट को प्रभावित करने के लिए बातचीत की बात आती है, इन तरीकों सीमित रहने और दो (या अधिक) बातचीत केवल प्रयोगों का एक सेट से अप्रत्यक्ष निष्कर्ष के माध्यम से सुलभ हो जाएगा के संभावित सहसंबंध पर जानकारी ।

बहु रंग smFRET4,5,6,7,8,9 के लिए इन घटकों के बीच बातचीत का अध्ययन करने का अवसर प्रदान करता है सीधे, वास्तविक समय में और के तहत निकट शारीरिक शर्तों10। यह एक उदाहरण के लिए जांच करने के लिए अनुमति देता है, एक ligand या किसी अंय प्रोटीन की रचना-निर्भर बाध्यकारी8,9,11। समग्र दृष्टिकोण यहां प्रस्तुत करने के लिए विशिष्ट पदों पर ब्याज की प्रोटीन (ओं) लेबल है, माप चैंबर की सतह के लिए एक प्रोटीन संलग्न करने के लिए, और एक चश्मे पर समय के साथ प्रतिदीप्ति तीव्रता ट्रैक-प्रकार TIRFM (विवरण के लिए 9 देखें , 12). विभिंन रंगों की स्थानिक निकटता तो उन दोनों के बीच ऊर्जा हस्तांतरण से निर्धारित किया जा सकता है । लेबलिंग रणनीतियों प्रोटीन से प्रोटीन के लिए भिन्न हो सकते हैं ( 13में समीक्षा की) और दिशा निर्देशों smFRET माप में कलाकृतियों से बचने के लिए14मौजूद.

के बाद से एक दाता डाई एक बहु रंग smFRET प्रयोग में अलग स्वीकार करने के लिए ऊर्जा हस्तांतरण कर सकते हैं, सभी रंगों के सापेक्ष स्थिति एक अकेले डाई के उत्तेजना से नहीं पहुंच रहा है15,16। लेकिन बारी लेजर उत्तेजना (एलेक्स17के साथ संयोजन में, और 18में समीक्षा की) इस विधि सब spatio-दूसरा और उप नैनोमीटर संकल्प में लौकिक जानकारी प्रदान करता है ।

प्रिंसिपल में, उच्च संकल्प संरचनात्मक जानकारी एक बहु-रंग एलेक्स के साथ smFRET प्रयोग में सभी प्रतिदीप्ति तीव्रता के संयोजन से गणना अंतर डाई दूरी का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है । हालांकि, यहां हम राज्य की पहचान और जुदाई के रूप में के रूप में अच्छी तरह से काइनेटिक मॉडल, जहां बहु रंग smFRET अपरिहार्य है की निकासी पर ध्यान केंद्रित । जब “केवल” triangulation द्वारा संरचना दृढ़ संकल्प वांछित है, उच्च सिग्नल के लिए शोर अनुपात के साथ सरल दो रंग smFRET प्रयोगों का एक सेट12,19प्रदर्शन किया जा सकता है ।

हम दो fluorophoresEquation 17के बीच ऊर्जा हस्तांतरण के लिए एक प्रॉक्सी के रूप में आंशिक प्रतिदीप्ति () का उपयोग करें । पीएफ एक दो रंग प्रयोग की झल्लाहट दक्षता के अनुरूप प्रतिदीप्ति तीव्रता से गणना की है:

Equation 2

जहां, Equation 3 उंहें रंग पूर्वके साथ उत्तेजना के बाद उत्सर्जन चैनल में तीव्रता है, और सी सबसे लंबी तरंग दैर्ध्य के साथ स्वीकारकर्ता है । पता लगाने चैनल नमूना कक्ष में एक ही स्थिति का प्रतिनिधित्व करते हैं, लेकिन प्रतिदीप्ति प्रकाश के विभिन्न वर्णक्रम पर्वतमाला रिकॉर्ड. उत्तेजना और उत्सर्जन के लिए एक ही पहचानकर्ता इस प्रोटोकॉल (यानी, “नीला,” “हरे,” और “लाल”) में उपयोग किया जाता है ।

क्योंकि प्रयोगात्मक कमियों मापा प्रतिदीप्ति तीव्रता न केवल ऊर्जा हस्तांतरण पर लेकिन यह भी fluorophore और सेटअप संपत्तियों पर निर्भर करते हैं । आदेश में दो fluorophores के बीच सच ऊर्जा हस्तांतरण दक्षता प्राप्त करने के लिए, मापा तीव्रता को सही किया जाना है । निंन कार्यविधि संदर्भ9पर आधारित है । स्पष्ट रिसाव के लिए सुधार कारकों (लालकृष्ण, यानी, एक और डाई के लिए नामित चैनल में एक fluorophore से फोटॉनों का पता लगाने) और स्पष्ट गामा (एजी, यानी, डाई की प्रतिदीप्ति क्वांटम उपज और चैनल का पता लगाने की क्षमता) एकल अणु निशान है कि एक स्वीकार्य ब्लीचिंग घटना दिखाने से प्राप्त कर रहे हैं ।

हर संभव स्वीकारकर्ता चैनल में दाता डाई के रिसाव दर्ज प्रतिदीप्ति निशान में सभी डेटा बिंदुओं से गणना की है, जहां स्वीकार करने वाले डाई प्रक्षालित लेकिन दाता अभी भी फ्लोरोसेंट है ():Equation 4

Equation 5

रिसाव हिस्टोग्राम का औसत स्पष्ट रिसाव कारक के रूप में प्रयोग किया जाता है । रिसाव के लिए सुधार के बाद, स्पष्ट गामा कारक निशान के एक ही सेट से निर्धारित होता है । इसे स्वीकारर चैनल में प्रतिदीप्ति के परिवर्तन को दाता चैनल में प्रतिदीप्ति के परिवर्तन द्वारा विभाजित द्वारा गणना की है स्वीकारकर्ता डाई के ब्लीचिंग पर:

Equation 6

जहां c फिर से स्वीकारकर्ता के लिए सबसे लंबी तरंग दैर्ध्य के साथ खोज चैनल है । परिणामी वितरण का माध्य स्पष्ट सुधार कारक के रूप में उपयोग किया जाता है ।

प्रत्येक चैनल में सही तीव्रता द्वारा प्राप्त कर रहे हैं:

Equation 7

इसके अनुसार पीएफ की गणना तब की जाती है:

Equation 8

विभिन्न आबादियों को पीएफएस के द्वारा फैले बहु-आयामी अंतरिक्ष में अलग किया जा सकता है । स्थिति और प्रत्येक राज्य की चौड़ाई बहु आयामी गाऊसी कार्यों के साथ डेटा फिटिंग द्वारा निर्धारित होता है । एक वैश्विक सभी पीएफ निशान के आधार पर हम्म के बाद अनुकूलन मनाया कैनेटीक्स का एक मात्रात्मक विवरण प्रदान करता है । दरों में भी छोटे बदलाव का पता लगा रहे हैं ।

HMMs शोर समय निशान का एक संग्रह से एक राज्य मॉडल को उपलब्ध कराने का एक तरीका प्रदान करते हैं । प्रणाली को किसी भी समय और वास्तविक प्रेक्षण (यानी, उत्सर्जन) इस हिडन राज्य20के एक संभाव्य समारोह है पर असतत, छिपा राज्यों का एक सेट में से एक में माना जाता है । TIRFM smFRET डेटा के मामले में, उत्सर्जन संभावनाओं बीमैं राज्य के प्रति मैं सतत गाऊसी संभावना घनत्व कार्यों द्वारा मॉडलिंग की जा सकती है । नियमित रूप से स्थान पर असतत समय अंक, एक से दूसरे राज्य में संक्रमण संक्रमण संभावना है कि समय-अपरिवर्तनीय है और केवल वर्तमान स्थिति पर निर्भर करता है के अनुसार हो सकता है । संक्रमण मैट्रिक्स एक इन संक्रमण संभावनाओं सभी छिपा राज्यों के बीच एकij शामिल हैं । प्रारंभिक स्थिति वितरण एक समय ट्रेस के पहली बार बिंदु के लिए राज्य-विशिष्ट संभावनाओं देता है । Equation 9 Equation 10 एक अधिकतम संभावना दृष्टिकोण का उपयोग करना, इन मापदंडों को सबसे अच्छा आगे-पिछड़े और Baum-वेल्च एल्गोरिदम20,21के साथ डेटा का वर्णन करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है । यह अधिकतम संभावना अनुमान (MLE) पैदावार । अंतत:, Viterbi एल्गोरिथ्म के साथ अवलोकन की गति का उत्पादन किया है जो स्थिति अनुक्रम अनुमानित कर सकते हैं । smFRET डेटा24,25,26 के अंय हंम विश्लेषण के विपरीत में हम हंम डेटा का एक मात्र “चिकनी” के रूप में उपयोग नहीं करते हैं, लेकिन फिटिंग के लिए समय की आवश्यकता के बिना सेट डेटा से काइनेटिक राज्य मॉडल निकालें 27हिस्टोग्राम । हंम विश्लेषण के साथ किया जाता है घर में लिपियों इगोर समर्थक का उपयोग कर । कोड का कार्यांवयन संदर्भ21पर आधारित है । हम इस प्रोटोकॉल (https://www.singlemolecule.uni-freiburg.de/software/3d-fret) के वर्गों 5 और 6 का पालन करने के क्रम में हमारे वेबपेज पर एक सॉफ्टवेयर किट और अनुकरणीय डेटा प्रदान करते हैं । पूर्ण सॉफ्टवेयर अनुरोध पर उपलब्ध है ।

किसी भी डिटेक्शन चैनल में पीएफ <-1 या pf > 2 के साथ डेटा में समय बिंदुओं को सभी राज्यों (10-२००) के लिए ंयूनतम उत्सर्जन संभाव्यता असाइन की जाती है । यह इन डेटा बिंदुओं पर कृत्रिम संक्रमण को रोकता है ।

उत्सर्जन संभावनाओं के लिए पैरामीटर्स 3d पीएफ हिस्टोग्राम के फ़िट से प्राप्त किए जाते है जैसा कि चरण ५.७ में वर्णित गाऊसी फ़ंक्शन के साथ होता है । इन मापदंडों हम्म के अनुकूलन के दौरान तय रखा जाता है ।

प्रस्तुत दृष्टिकोण में, प्रारंभिक राज्य वितरण वेक्टर और संक्रमण मैट्रिक्स दुनिया भर में उपयोग किया जाता है निशान के पूरे पहनावा वर्णन । वे संदर्भ के अनुसार27डेटा सेट से सभी N अणुओं के आधार पर अद्यतन किया जाता है ।

प्रारंभिक स्थिति वितरण के लिए पैरामीटर्स प्रारंभ करें पीएफ हिस्टोग्राम (चरण ५.३) के 2d अनुमानों से निर्धारित होते है और संक्रमण संभावनाओं को ०.०५ पर उसी अवस्था में रहने के लिए संभावनाओं के अपवाद के साथ सेट किया जाता है, जिसे ऐसे चुना जाता है कि एक निश्चित राज्य छोड़ने की संभावना एकता को सामान्यीकृत है ।

एक संभावना profiling विधि सभी संक्रमण दर21,22है, जो अपने अनिश्चितता के लिए सार्थक अनुमान के रूप में सेवा के लिए विश्वास अंतराल (सीआईएस) देने के लिए प्रयोग किया जाता है । एक विशिष्ट दर के लिए CI की सीमा की गणना करने के लिए, ब्याज की संक्रमण प्रायिकता MLE के अलावा किसी अन्य मान के लिए ठीक किया गया है । इस पैदावार को टेस्ट मॉडल λ ‘. डेटा सेट Equation 16 0 दिए जाने की संभावना का एक संभावना अनुपात (LR) परीक्षण के अनुसार किया जाता है:

Equation 11

९५% पैरामीटर के लिए बाध्य विश्वास तक पहुंच जाता है जब LR ३.८४१ से अधिक है, ९५% quantile एक x2-वितरण की स्वतंत्रता22,23के एक डिग्री के साथ ।

विधि की शक्ति Hsp90 का उपयोग कर प्रदर्शित किया जाता है । यह प्रचुर मात्रा में प्रोटीन बैक्टीरिया और eukaryotes में पाया जाता है और सेलुलर तनाव प्रतिक्रिया28का हिस्सा है । यह एक आशाजनक दवा है कैंसर के इलाज में लक्ष्य29। Hsp90 प्रत्येक उपइकाई30के एन टर्मिनल डोमेन में एक न्यूक्लियोटाइड बंधन जेब के साथ एक homodimer है । यह संक्रमण के बीच कम से दो वैश्विक रूप से अलग अनुरूपता, एक बंद कर सकते है और एक N-टर्मिनल खुला, वी के आकार के अनुरूप19,31,३२। dimeric प्रकृति सीधे Hsp90 में दो न्यूक्लियोटाइड बाइंडिंग साइटों के बीच एक नाटक का सवाल उठाती है ।

निंन में, हम डेटा प्राप्ति और तीन-रंग smFRET प्रयोग के खमीर Hsp90 और न्यूक्लियोटाइड पर विश्लेषण के लिए एक कदम दर कदम प्रोटोकॉल प्रदान करते हैं । अनुरूप-फ्लोरोसेंट लेबल amp-pnp (amp-pnp *, एक गैर एटीपी के अनुरूप hydrolyzable) का विरूपण पर निर्भर बाध्यकारी विश्लेषण किया है । वर्णित प्रक्रिया के आवेदन न्यूक्लियोटाइड बाध्यकारी का अध्ययन परमिट और एक ही समय में Hsp90 के गठन के परिवर्तन और इस तरह Hsp90 के दो न्यूक्लियोटाइड बंधन जेब के बीच cooperativity पता चलता है ।

Protocol

1. सेटअप और आवश्यकताएँ एक चश्मे पर बहु रंग smFRET माप-प्रकार TIRFM प्रदर्शन करते हैं । जौव प्रकाशन के रूप में दो-रंग सेटअप का वर्णन संदर्भ12में दिया गया है । एक बहु रंग TIRFM का निर्माण । एक सामांय लेआउ…

Representative Results

बहु रंग smFRET माप दो या अधिक अलग संपर्क साइटों के बीच सहसंबंध का प्रत्यक्ष पता लगाने की अनुमति देते हैं । यह बहु-घटक सिस्टम, जैसे प्रोटीन परिसरों की जांच करने के लिए अद्वितीय तकनीक रेंडर करता ह?…

Discussion

हम एक जटिल प्रोटीन प्रणाली और इन माप के विश्लेषण का एक कदम दर कदम विवरण के लिए तीन रंग smFRET डेटा प्राप्त करने के लिए प्रयोगात्मक प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं । इस दृष्टिकोण के लिए अद्वितीय संभावना को सीधे …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

यह काम जर्मन रिसर्च फाउंडेशन (39/969-1) और यूरोपीय अनुसंधान परिषद द्वारा वित्त पोषित है ईआरसी अनुदान समझौते n. ६८१८९१ के माध्यम से ।

Materials

Setup
vibration-damped optical table   Newport, Irvine, CA, USA RS2000
OBIS 473nm LX 75mW LASER Coherent Inc, Santa Clara, CA, USA 1185052
OBIS 532nm LS 50mW LASER Coherent Inc, Santa Clara, CA, USA 1261779
OBIS 594nm LS 60mW LASER Coherent Inc, Santa Clara, CA, USA 1233470
OBIS 637nm LX 140mW LASER Coherent Inc, Santa Clara, CA, USA 1196625
laser control unit Coherent Inc, Santa Clara, CA, USA 1234465 Scientific Remote
aspheric telescope lenses Thorlabs Inc, Newton, New Jersey, USA d=25.4mm, f=50mm and f=100mm
CF ex1 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany ZET 473/10 cleanup filter excitation
CF ex2 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany ZET 532/10 cleanup filter excitation
CF ex3 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany ZET 594/10 cleanup filter excitation
CF ex4 Thorlabs Inc, Newton, New Jersey, USA FL635-10 cleanup filter excitation
DM ex1 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany ZQ594RDC dichroic mirror excitation
DM ex2 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany 570DCXR dichroic mirror excitation
DM ex3 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany ZQ491RDC dichroic mirror excitation
AOTFnC-Vis AA Opto-Electronic, Orsay, France
λ/4 plate Thorlabs Inc, Newton, New Jersey, USA AQWP05M-600
CFI Apo TIRF 100x Nikon Instruments Inc, Melville, NY, USA high-NA objective
piezo focus positioner MIPOS 250 CAP piezosystem jena GmbH, Jena, Germany Piezo Controller NV 40/1 CLE
piezo stepper Newport, Irvine, CA, USA PZA12 PZC200-KT NanoPZ Actuator Kit
achromatic aspheric lenses Qioptiq Photonics GmbH & Co. KG, Göttingen, Germany G322-304-000 d=50mm, f=200mm
adjustable optical slit Owis GmbH, Staufen i. Br., Germany 27.160.1212 max. aperture 12 x 12 mm
DM det1 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany T 600 LPXR dichroic mirror detection
DM det2 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany H 560 LPXR superflat dichroic mirror detection
DM det3 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany HC BS R635 dichroic mirror detection
BP det1 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany 525/40 BrightLine HC bandpass filter detection
BP det2 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany 586/20 BrightLine HC bandpass filter detection
BP det3 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany 631/36 BrightLine HC bandpass filter detection
BP det4 AHF analysentechnik AG, Tübingen, Germany 700/75 ET Bandpass bandpass filter detection
optical shutters detection Vincent Associates, Rochester, NY, USA Uniblitz VS25S2T0 
EMCCD iXon Ultra 897 Andor Technology Ltd, Belfast, Northern Ireland
digital I/O card, PCIe-6535 National Instruments, Austin, Texas, USA
syringe pump Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA PHD22/2000
Name Company Catalog Number Comments
Flow chamber
quartz slides G. Finkenbeiner Inc, Waltham, MA, USA Spectrosil2000, h=3mm
TEGADERM film 3M Deutschland GmbH, Neuss, Germany 1626W 10 x 12cm
spray adhesive 3M Deutschland GmbH, Neuss, Germany Photo Mount 050777
glycerol Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany Immersol G
immersion oil OLYMPUS EUROPA SE & CO. KG, Hamburg, Germany IMMOIL-F30CC
prism Vogelsberger Quarzglastechnik GmbH, Hauzenberg, Germany Suprasil1
aluminium prism holder custom built
hollow setscrews Thorlabs Inc, Newton, New Jersey, USA with custom drilling
Tygon S3 E-3603 tubing neoLab Migge GmbH, Heidelberg, Germany 2-4450 ACF00001
PTFE tubing Bohlender GmbH, Grünsfeld, Germany S1810-08
Name Company Catalog Number Comments
Sample
yeast Hsp90 D61C, Q385C_biotin UniProt ID P02829
Maleimide derivatives of Atto488, Atto550 ATTO-TEC GmbH, Siegen, Germany
AMP-PNP* Jena Bioscience, Jena, Germany γ-[(6-Aminohexyl)-imido]-AMP-PNP-Atto647N
Fluospheres Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA F8764 amine-modified, 0.2 μm, yellow-green fluorescent
Name Company Catalog Number Comments
Software
Andor Solis Andor Technology Ltd, Belfast, Northern Ireland version 4.30
LabVIEW National Instruments, Austin, Texas, USA version 2012, 32bit; misc. hardware control
MDS control software AA Opto-Electronic, Orsay, France version 2.03a
Coherent Connection Coherent Inc, Santa Clara, CA, USA version 3
Igor Pro WaveMetrics Inc, Portland, OR, USA version 6.37

References

  1. Nooren, I. M. A., Thornton, J. M. Diversity of protein-protein interactions. EMBO J. 22 (14), 3486-3492 (2003).
  2. Marsh, J. A., Teichmann, S. A. Structure, dynamics, assembly, and evolution of protein complexes. Annu Rev Biochem. 84, 551-575 (2015).
  3. Henzler-Wildman, K., Kern, D. Dynamic personalities of proteins. Nature. 450 (7172), 964-972 (2007).
  4. Hohng, S., Joo, C., Ha, T. Single-Molecule Three-Color FRET. Biophys J. 87 (2), 1328-1337 (2004).
  5. Person, B., Stein, I. H., Steinhauer, C., Vogelsang, J., Tinnefeld, P. Correlated movement and bending of nucleic acid structures visualized by multicolor single-molecule spectroscopy. ChemPhysChem. 10 (9-10), 1455-1460 (2009).
  6. Lee, J., Lee, S., Ragunathan, K., Joo, C., Ha, T., Hohng, S. Single-molecule four-color FRET. Angew Chem Int Ed. 49 (51), 9922-9925 (2010).
  7. Ratzke, C., Berkemeier, F., Hugel, T. Heat shock protein 90’s mechanochemical cycle is dominated by thermal fluctuations. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (1), 161-166 (2012).
  8. Ratzke, C., Hellenkamp, B., Hugel, T. Four-colour FRET reveals directionality in the Hsp90 multicomponent machinery. Nat Commun. 5, 4192 (2014).
  9. Götz, M., Wortmann, P., Schmid, S., Hugel, T. A Multicolor Single-Molecule FRET Approach to Study Protein Dynamics and Interactions Simultaneously. Methods Enzymol. 581, 487-516 (2016).
  10. Yengo, C. M., Berger, C. L. Fluorescence anisotropy and resonance energy transfer: Powerful tools for measuring real time protein dynamics in a physiological environment. Curr Opin Pharmacol. 10 (6), 731-737 (2010).
  11. Wortmann,P , ., Götz M, ., Hugel T , . Cooperative Nucleotide Binding in Hsp90 and Its Regulation by Aha1. Biophys J. 113, 1711-1718 (2017).
  12. Dörfler, T., Eilert, T., Röcker, C., Nagy, J., Michaelis, J. Structural Information from Single-molecule FRET Experiments Using the Fast Nano-positioning System. J Vis Exp. (120), e54782 (2017).
  13. Stephanopoulos, N., Francis, M. B. Choosing an effective protein bioconjugation strategy. Nature chemical biology. 7 (12), 876-884 (2011).
  14. Sánchez-Rico, C., Voith von Voithenberg, L., Warner, L., Lamb, D. C., Sattler, M. Effects of Fluorophore Attachment on Protein Conformation and Dynamics Studied by spFRET and NMR Spectroscopy. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany). , (2017).
  15. Roy, R., Hohng, S., Ha, T. A practical guide to single-molecule FRET. Nat Methods. 5 (6), 507-516 (2008).
  16. Lee, N. K., et al. Three-color alternating-laser excitation of single molecules: monitoring multiple interactions and distances. Biophys J. 92 (1), 303-312 (2007).
  17. Kapanidis, A. N., Lee, N. K., Laurence, T. A., Doose, S., Margeat, E., Weiss, S. Fluorescence-aided molecule sorting: analysis of structure and interactions by alternating-laser excitation of single molecules. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (24), 8936-8941 (2004).
  18. Hohlbein, J., Craggs, T. D., Cordes, T. Alternating-laser excitation: single-molecule FRET and beyond. Chem Soc Rev. 43 (4), 1156-1171 (2014).
  19. Hellenkamp, B., Wortmann, P., Kandzia, F., Zacharias, M., Hugel, T. Multidomain structure and correlated dynamics determined by self-consistent FRET networks. Nat Methods. 14, 174-180 (2017).
  20. Rabiner, L. R. A tutorial on hidden Markov models and selected applications in speech recognition. Proc IEEE. 77 (2), 257-286 (1989).
  21. Fink, G. A. . Markov Models for Pattern Recognition. , (2014).
  22. Giudici, P., Ryden, T., Vandekerkhove, P. Likelihood-Ratio Tests for Hidden Markov Models. Biometrics. 56 (3), 742-747 (2000).
  23. Visser, I., Raijmakers, M. E. J., Molenaar, P. C. M. Confidence intervals for hidden Markov model parameters. Br J Math Stat Psychol. 53 (2), 317-327 (2000).
  24. McKinney, S. A., Joo, C., Ha, T. Analysis of Single-Molecule FRET Trajectories Using Hidden Markov Modeling. Biophys J. 91 (5), 1941-1951 (2006).
  25. Bronson, J. E., Fei, J., Hofman, J. M., Gonzalez, R. L., Wiggins, C. H. Learning Rates and States from Biophysical Time Series: A Bayesian Approach to Model Selection and Single-Molecule FRET Data. Biophys J. 97 (12), 3196-3205 (2009).
  26. Greenfeld, M., Pavlichin, D. S., Mabuchi, H., Herschlag, D. Single Molecule Analysis Research Tool (SMART): an integrated approach for analyzing single molecule data. PLoS ONE. 7 (2), e30024 (2012).
  27. Schmid, S., Götz, M., Hugel, T. Single-Molecule Analysis beyond Dwell Times: Demonstration and Assessment in and out of Equilibrium. Biophys J. 111 (7), 1375-1384 (2016).
  28. Taipale, M., Jarosz, D. F., Lindquist, S. HSP90 at the hub of protein homeostasis: emerging mechanistic insights. Nat Rev Mol Cell Biol. 11 (7), 515-528 (2010).
  29. Trepel, J., Mollapour, M., Giaccone, G., Neckers, L. Targeting the dynamic HSP90 complex in cancer. Nat Rev Cancer. 10 (8), 537-549 (2010).
  30. Wayne, N., Bolon, D. N. Dimerization of Hsp90 is required for in vivo function. Design and analysis of monomers and dimers. J Biol Chem. 282 (48), 35386-35395 (2007).
  31. Ali, M. M. U., et al. Crystal structure of an Hsp90-nucleotide-p23/Sba1 closed chaperone complex. Nature. 440 (7087), 1013-1017 (2006).
  32. Southworth, D. R., Agard, D. A. Species-dependent ensembles of conserved conformational states define the Hsp90 chaperone ATPase cycle. Mol Cell. 32 (5), 631-640 (2008).
  33. Blanchard, S. C., Kim, H. D., Gonzalez, R. L., Puglisi, J. D., Chu, S. tRNA dynamics on the ribosome during translation. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (35), 12893-12898 (2004).
  34. Aitken, C. E., Marshall, R. A., Puglisi, J. D. An Oxygen Scavenging System for Improvement of Dye Stability in Single-Molecule Fluorescence Experiments. Biophys J. 94 (5), 1826-1835 (2008).
  35. Swoboda, M., et al. Enzymatic oxygen scavenging for photostability without pH drop in single-molecule experiments. ACS Nano. 6 (7), 6364-6369 (2012).
  36. Rognoni, L., Stigler, J., Pelz, B., Ylänne, J., Rief, M. Dynamic force sensing of filamin revealed in single-molecule experiments. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (48), 19679-19684 (2012).
  37. Okumus, B., Wilson, T. J., Lilley, D. M. J., Ha, T. Vesicle encapsulation studies reveal that single molecule ribozyme heterogeneities are intrinsic. Biophys J. 87 (4), 2798-2806 (2004).
  38. Boukobza, E., Sonnenfeld, A., Haran, G. Immobilization in Surface-Tethered Lipid Vesicles as a New Tool for Single Biomolecule Spectroscopy. J Phys Chem B. 105 (48), 12165-12170 (2001).
  39. Levene, M. J., Korlach, J., Turner, S. W., Foquet, M., Craighead, H. G., Webb, W. W. Zero-mode waveguides for single-molecule analysis at high concentrations. Science. 299 (5607), 682-686 (2003).
  40. Panaretou, B., et al. ATP binding and hydrolysis are essential to the function of the Hsp90 molecular chaperone in vivo. EMBO J. 17 (16), 4829-4836 (1998).

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Götz, M., Wortmann, P., Schmid, S., Hugel, T. Using Three-color Single-molecule FRET to Study the Correlation of Protein Interactions. J. Vis. Exp. (131), e56896, doi:10.3791/56896 (2018).

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