Tijd-opgeloste single-molecule eiwit-geïnduceerde fluorescentieverbetering is een nuttige fluorescentiespectroscopische nabijheidssensor die gevoelig is voor lokale structurele veranderingen in eiwitten. Hier laten we zien dat het kan worden gebruikt om stabiele lokale conformaties in α-Synuclein te ontdekken, dat ook wel bekend staat als bolvormig ongestructureerd en onstabiel wanneer het wordt gemeten met behulp van de FRET-liniaal met een groter bereik.
Het gebruik van spectroscopische linialen om meerdere conformaties van enkele biomoleculen en hun dynamiek te volgen, heeft een revolutie teweeggebracht in het begrip van structurele dynamica en de bijdragen ervan aan de biologie. Terwijl de fret-gebaseerde liniaal rapporteert over inter-dye afstanden in het 3-10 nm bereik, rapporteren andere spectroscopische technieken, zoals eiwit-geïnduceerde fluorescentieverbetering (PIFE), over de nabijheid tussen een kleurstof en een eiwitoppervlak in het kortere 0-3 nm bereik. Ongeacht de methode van keuze, haalt het gebruik ervan bij het meten van vrij verspreidende biomoleculen één voor één histogrammen van de experimentele parameter op die afzonderlijke centraal verdeelde subpopulaties van biomoleculen opleveren, waarbij elke subpopulatie ofwel een enkele conformatie vertegenwoordigt die onveranderd bleef binnen milliseconden, of meerdere conformaties die veel sneller interconverteren dan milliseconden, en dus een gemiddelde subpopulatie. In single-molecule FRET, waar de gerapporteerde parameter in histogrammen de inter-dye FRET-efficiëntie is, werd eerder gemeld dat een intrinsiek ongeordend eiwit, zoals het α-Synucleïne-monomeer in buffer, een enkele gemiddelde subpopulatie van meerdere conformaties vertoonde die snel interconverteerde. Hoewel deze eerdere bevindingen afhankelijk zijn van het 3-10 nm-bereik van de FRET-gebaseerde liniaal, probeerden we dit eiwit op de proef te stellen met behulp van PIFE met één molecuul, waarbij we de fluorescentielevensduur van site-specifieke sCy3-gelabelde α-Synucleïne-eiwitten één voor één volgen. Interessant is dat met behulp van deze spectroscopische nabijheidssensor met een korter bereik, sCy3-gelabelde α-Synuclein verschillende levenslange subpopulaties vertoont met duidelijk verschillende gemiddelde levens die interconverteren in 10-100 ms. Deze resultaten tonen aan dat hoewel α-Synuclein wereldwijd ongeordende organismen kan zijn, het toch stabiele lokale structuren bereikt. Samenvattend benadrukken we in dit werk het voordeel van het gebruik van verschillende spectroscopische nabijheidssensoren die lokale of wereldwijde structurele veranderingen één biomolecuul per keer volgen.
In de afgelopen twee decennia zijn op fluorescentie gebaseerde methoden met één molecuul een krachtig hulpmiddel geworden voor het meten van biomoleculen1,2, waarbij wordt geprofiteerd hoe verschillende biomoleculaire parameters zich verdelen en hoe ze dynamisch interconverteren tussen verschillende subpopulaties van deze parameters met een resolutie van minder dan een milliseconde3,4,5. De parameters in deze technieken omvatten de energie-overdrachtsefficiëntie in FRET-metingen 6,7,fluorescentie-anisotropie8,9,fluorescentie-kwantumopbrengsten en levensduur10,11,als functie van verschillende fluorescentie-quenching12 of verbetering13-mechanismen. Een van deze mechanismen, beter bekend als eiwit-geïnduceerde fluorescentieverbetering (PIFE)14 introduceert de verbetering van de kwantumopbrengst en levensduur van fluorescentie als een functie van sterische obstructie van de vrije isomerisatie van de fluorofoor in aangeslagen toestand, veroorzaakt door eiwitoppervlakken in de buurt van de kleurstof14,15,16,17,18,19 . Zowel FRET als PIFE worden beschouwd als spectroscopische linialen of nabijheidssensoren, omdat hun gemeten parameter direct is gekoppeld aan een ruimtelijke maat binnen het gelabelde biomolecuul dat wordt gemeten. Terwijl de FRET-efficiëntie gerelateerd is aan de afstand tussen een paar kleurstoffen binnen een bereik van 3-10 nm20,volgt PIFE toenames in fluorescentie kwantumopbrengsten of levensduur gerelateerd aan de afstand tussen de kleurstof en een oppervlak van een nabijgelegen eiwit in het bereik van 0-3 nm19.
Single-molecule FRET is op grote schaal gebruikt voor het verstrekken van structurele inzichten in veel verschillende eiwitsystemen, waaronder intrinsiek ongeordende eiwitten (IDP’s)21, zoals α-Synuclein (α-Syn)22. α-Syn kan geordende structuren vormen na binding aan verschillende biomoleculen en onder verschillende omstandigheden23,24,25,26,27,28,29,30. Wanneer echter niet gebonden, wordt het α-Syn-monomeer gekenmerkt door een hoge conformatie heterogeniteit met snel interconverterende conformaties31,32.
De conformaties van α-Syn zijn eerder bestudeerd met behulp van verschillende technieken die helpen bij het identificeren van conformatiedynamiek van dergelijke zeer heterogene en dynamische eiwitsystemen33,34,35,36,37,38,39. Interessant is dat single-molecule FRET (smFRET) metingen van α-Syn in buffer een enkele FRET-populatie rapporteerden39,40 die een uitkomst is van tijdgemiddelde van conformaties die dynamisch interconverteren op momenten veel sneller dan de typische diffusietijd van α-Syn door de confocale vlek (keer zo snel als enkele microseconden en zelfs sneller dan dat, ten opzichte van typische millisecondediffusietijden)40, 41. Het gebruik van een FRET-spectroscopische liniaal met de afstandsgevoeligheid van 3-10 nm rapporteert soms alleen over algemene structurele veranderingen in een klein eiwit zoals α-Syn. Metingen met één molecuul met behulp van spectroscopische nabijheidssensoren met kortere afstandsgevoeligheden hebben het potentieel om te rapporteren over de dynamiek van lokale structuren. Hierin voeren we single-molecule PIFE-metingen uit van α-Syn en identificeren we verschillende subpopulaties van fluorescentielevens die in kaart worden gebracht met verschillende lokale structuren met overgangen tussen hen zo langzaam als 100 ms. Dit werk vat tijd-opgeloste smPIFE-metingen samen van vrij diffuserende α-Syn-moleculen één voor één, in buffer en wanneer gebonden aan SDS-gebaseerde membranen als een spectroscopische nabijheidssensor met één molecuul op korte afstand.
Uitgebreide biochemische en biofysische studies werden uitgevoerd om de structurele kenmerken van α-Syn en zijn ongeordende aard te bestuderen33,34,35,36,37,38. Verschillende werken hebben al vrij diffuus smFRET gebruikt om de intramoleculaire dynamica van het α-Syn-monomeer vrij van binding te onderzoeken. Deze werken rapp…
The authors have nothing to disclose.
De pT-t7 plasmide coderend voor A56C α-Syn mutant werd ons cadeau gedaan door Dr. Asaf Grupi, Dr. Dan Amir en Dr. Elisha Haas. Dit artikel werd ondersteund door de National Institutes of Health (NIH, subsidie R01 GM130942 aan E.L. als subaward), de Israel Science Foundation (subsidie 3565/20 binnen het KillCorona – Curbing Coronavirus Research Program), het Milner Fund en de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem (start-upfondsen).
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 |