الوقت حل واحد جزيء البروتين الناجم عن تعزيز الفلورية هو مفيد مضان مطيافية القرب الاستشعار حساسة للتغيرات الهيكلية المحلية في البروتينات. هنا نظهر أنه يمكن استخدامه للكشف عن تشكيلات محلية مستقرة في α-Synuclein ، والتي تعرف باسم غير منظم وغير مستقر كروي عند قياسه باستخدام مسطرة FRET طويلة المدى.
استخدام المساطر الطيفية لتتبع تشكيلات متعددة من الجزيئات الحيوية واحدة ودينامياتها قد أحدثت ثورة في فهم الديناميات الهيكلية ومساهماتها في علم الأحياء. في حين أن المسطرة المستندة إلى FRET تقارير عن المسافات بين الصبغة في نطاق 3-10 نانومتر، تقنيات الطيفية الأخرى، مثل تعزيز الفلورية الناجمة عن البروتين (PIFE)، تقرير عن القرب بين صبغة وسطح البروتين في أقصر 0-3 نانومتر المدى. وبغض النظر عن الطريقة المفضلة، فإن استخدامها في قياس الجزيئات الحيوية المنتشرة بحرية واحدة تلو الثانية يسترجع المدرجات التكرارية للمعلمة التجريبية التي تسفر عن مجموعات فرعية منفصلة موزعة مركزيا من الجزيئات الحيوية، حيث يمثل كل مجموعة فرعية إما تشكيلا واحدا بقي دون تغيير داخل ميلي ثانية، أو تشكيلات متعددة تتقاطع أسرع بكثير من ميلي ثانية، وبالتالي مجموعة فرعية متوسطة. في FRET أحادي الجزيء ، حيث المعلمة المبلغ عنها في المدرجات التكرارية هي كفاءة FRET بين الصبغات ، تم الإبلاغ سابقا عن α بروتين فرعي متوسط واحد من التركيبات المتعددة التي تتشابك بسرعة. في حين أن هذه النتائج السابقة تعتمد على نطاق 3-10 نانومتر من المسطرة القائمة على FRET ، سعينا إلى وضع هذا البروتين على المحك باستخدام PIFE أحادي الجزيء ، حيث نتتبع عمر الفلورية لبروتينات sCy3 المحددة لموقع معين α-Synuclein واحدة في كل مرة. ومن المثير للاهتمام ، وذلك باستخدام هذا أقصر مدى مستشعر القرب الطيفي ، sCy3 المسمى α – Synuclein معارض عدة مجموعات فرعية مدى الحياة مع مختلفة بوضوح متوسط العمر التي تتقاطع في 10-100 مللي ثانية. وتبين هذه النتائج أنه على الرغم من أن α سينوكلين قد يكون مضطربا على الصعيد العالمي، فإنه يحقق مع ذلك هياكل محلية مستقرة. باختصار، في هذا العمل نسلط الضوء على ميزة استخدام أجهزة استشعار القرب الطيفية المختلفة التي تتبع التغيرات الهيكلية المحلية أو العالمية الجزيئات الحيوية واحد في وقت واحد.
على مدى العقدين الماضيين، أصبحت الأساليب القائمة على مضان جزيء واحد أداة قوية لقياس الجزيئات الحيوية1،2، والتحقيق في كيفية توزيع المعلمات الجزيئية الحيوية المختلفة وكذلك كيف أنها تتقاطع ديناميكيا بين المجموعات الفرعية المختلفة من هذه المعلمات في قرار sub-millisecond3،4،5. المعلمات في هذه التقنيات تشمل كفاءة نقل الطاقة في قياسات FRET 6,7, مضان anisotropy8,9, مضان غلة الكم والعمر10,11, كدالة من مختلف مضان إخماد12 أو تعزيز13 آليات. واحدة من هذه الآليات، والمعروفة باسم تحسين الفلورية الناجمة عن البروتين (PIFE)14 يقدم تعزيز العائد الكم الفلوري والعمر كدالة لعرقلة steric إلى إيزوميريس الحرة من الفلوروفور عندما تكون في حالة متحمس، الناجمة عن أسطح البروتين في محيط الصبغة14،15،16،17،18،19 . وتعتبر كل من FRET وPIFE مساطر طيفية أو مستشعرات القرب لأن معلمتهما المقاسة ترتبط مباشرة بمقياس مكاني داخل الجزيئات الحيوية المسماة تحت القياس. في حين أن كفاءة FRET ترتبط بالمسافة بين زوج من الأصباغ ضمن نطاق 3-10 نانومتر20، فإن مسارات PIFE تزيد في غلة الكم الفلوري أو العمر المرتبط بالمسافة بين الصبغة وسطح بروتين قريب في نطاق 0-3 نانومتر19.
وقد استخدمت على نطاق واسع FRET جزيء واحد لتوفير رؤى الهيكلية في العديد من أنظمة البروتين المختلفة, بما في ذلك البروتينات المضطربة في جوهرها (النازحين)21, مثل α-سينوكلين (α-سين)22. α-Syn يمكن تشكيل هياكل مرتبة بعد ربط الجزيئات الحيوية المختلفة وتحت ظروف مختلفة23،24،25،26،27،28،29،30. ومع ذلك ، عندما لا تنضم ، يتميز مونومر α سين بعدم التجانس العالي مع التوافق السريع31،32.
وقد درست سابقا تشكيلات α سين باستخدام تقنيات مختلفة مختلفة تساعد في تحديد ديناميات تشكيلية من هذه النظم البروتين غير متجانسة للغاية وديناميكية33،34،35،36،37،38،39. ومن المثير للاهتمام، جزيء واحد FRET (smFRET) قياسات α سين في العازلة ذكرت واحد FRET السكان39،40 التي هي نتيجة لمتوسط الوقت من التوافقات بشكل حيوي في بعض الأحيان أسرع بكثير من وقت الانتشار النموذجي من α سين من خلال بقعة الكونفوار (مرات أسرع من بضع ميكروثانية وأسرع من ذلك ، بالنسبة لأوقات نشر ميلي ثانية نموذجية)40، 41. ومع ذلك ، باستخدام مسطرة مطيافية FRET مع حساسية المسافة 3-10 نانومتر في بعض الأحيان تقارير فقط عن التغيرات الهيكلية الشاملة في بروتين صغير مثل α سين. ويمكن أن تبلغ قياسات جزيء واحد باستخدام أجهزة استشعار القرب الطيفي ذات الحساسيات الأقصر مسافة عن ديناميات الهياكل المحلية. هنا نقوم بإجراء قياسات PIFE جزيء واحد من α-Syn وتحديد مجموعات فرعية مختلفة من العمر الفلوري رسم الخرائط إلى هياكل محلية مختلفة مع التحولات بينهما بطيئة مثل 100 مللي ثانية. يلخص هذا العمل قياسات smPIFE التي تم حلها زمنيا لجزيئات α-Syn التي يتم نشرها بحرية واحدة في كل مرة ، في المخزن المؤقت وعندما تكون مرتبطة بالأغشية المستندة إلى SDS كمستشعر القرب الطيفي أحادي الجزيئات قصير المدى.
أجريت دراسات كيميائية حيوية وبيولوجية واسعة لدراسة الخصائص الهيكلية αسين وطبيعته المضطربة33و34و35و36و37و38. وقد استخدمت العديد من الأعمال بالفعل smFRET نشر بحرية للتحقيق في الديناميات د…
The authors have nothing to disclose.
وpT-t7 البلازميد ترميز A56C α سين متحولة أعطيت لنا كهدية من الدكتور عساف غروبي، الدكتور دان أمير والدكتور إليشا هاس. تم دعم هذه الورقة من قبل المعاهد الوطنية للصحة (NIH، منحة R01 GM130942 إلى E.L. باعتبارها سوباوارد)، ومؤسسة العلوم الإسرائيلية (منحة 3565/20 داخل KillCorona – كبح برنامج أبحاث فيروس كورونا)، وصندوق ميلنر والجامعة العبرية في القدس (أموال بدء التشغيل).
Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units | Merc | C7715 | cutoff: 100 kDa |
ammonium sulfate | Sigma-Aldrich | A4418 | |
BSA | Sigma-Aldrich | A9647 | |
cysteamine | Sigma-Aldrich | 30070 | |
dialysis bags – MEGA GeBaFlex-tube | Gene Bio-Application | MEGA320 | |
dithiothreitol (DTT) | Sigma-Aldrich | 43815 | |
ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | E5134 | |
Fast SeeBand staining solution | Gene Bio-Application | SB050 | |
Glycine | Sigma-Aldrich | 50046 | |
D-Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | 54457 | |
HiTrap Desalting 5 mL | Sigma-Aldrich | GE17-1408 | |
6-hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchroman-2-carboxylic acid (TROLOX) | Sigma-Aldrich | 238813 | |
isopropyl β-d-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Sigma-Aldrich | I5502 | |
LB broth | Sigma-Aldrich | L3152 | |
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | 63068 | |
MonoQ column | Sigma-Aldrich | 54807 | |
protein LoBind tube | Sigma-Aldrich | EP0030108094 | 0.5 mL |
Rinse a µ-slide 18 | Ibidi | 81816 | |
SDS | Sigma-Aldrich | 75746 | |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S8045 | |
Sodium phosphate monobasic monohydrate | Sigma-Aldrich | 71507 | |
Sterile Cell spreaders, Drigalski spatulas | mini-plast | 815-004-05-001 | |
streptomycin sulfate | Sigma-Aldrich | S9137 | |
sulfo-Cy3 maleimide | abcam | ab146493 | |
Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP) | Sigma-Aldrich | 75259 | |
Tris-HCl | Sigma-Aldrich | 93363 | |
Tryptone | Sigma-Aldrich | T7293 | |
Yeast Extract | Sigma-Aldrich | Y1625 |