ניצול שיפור פלואורסצנטיות הנגרמת על-ידי חלבון בזמן כדי לזהות קונפורמציות מקומיות יציבות אחת α-Synuclein Monomer בכל פעם
Summary
שיפור פלואורסצנטיות המושרה בחלבון המושרה בחלבון בזמן הוא חיישן קרבה פלואורסצנטי שימושי רגיש לשינויים מבניים מקומיים בחלבונים. כאן אנו מראים שניתן להשתמש בו כדי לחשוף קונפורמציות מקומיות יציבות α-Synuclein, אשר ידוע גם בשם globulared ולא יציב כאשר נמדד באמצעות סרגל FRET לטווח ארוך יותר.
Abstract
שימוש בסרגלים ספקטרוסקופיים כדי לעקוב אחר קונפורמציות מרובות של ביומולקולות בודדות והדינמיקה שלהם חוללה מהפכה בהבנת הדינמיקה המבנית ותרומתה לביולוגיה. בעוד שהסרגל מבוסס FRET מדווח על מרחקים בין צבעים בטווח של 3-10 ננומטר, טכניקות ספקטרוסקופיות אחרות, כגון שיפור פלואורסצנטיות הנגרמת על-ידי חלבון (PIFE), מדווחות על הקרבה בין צבע למשטח חלבון בטווח הקצר יותר של 0-3 ננומטר. ללא קשר לשיטת הבחירה, השימוש בו במדידת ביו-מולוקולים המפזרים בחופשיות בזה אחר זה מאחזר היסטוגרמה של הפרמטר הניסיוני המניב אוכלוסיות תת-אוכלוסיות נפרדות בחלוקה מרכזית של ביו-מוקולות, כאשר כל תת-אוכלוסייה מייצגת התאמה אחת שנותרה ללא שינוי בתוך אלפיות השניה, או קונפורמציות מרובות המתחברות הרבה יותר מהר מאלפיות שניה, ומכאן תת-אוכלוסייה ממוצעת. במולקולה אחת FRET, שבו הפרמטר המדווח בהיסטוגרמה הוא יעילות FRET בין צבעים, חלבון הפרעה מהותית, כגון מונומר α-Synuclein במאגר, דווח בעבר כמפגין תת-אוכלוסייה ממוצעת אחת של קונפורמציות מרובות המתחברות במהירות. בעוד שממצאי העבר האלה תלויים בטווח של 3-10 ננומטר של השליט מבוסס FRET, ביקשנו לשים את החלבון הזה במבחן באמצעות PIFE של מולקולה אחת, שם אנו עוקבים אחר חיי הפלואורסצנטיות של חלבוני α-Synuclein ספציפיים לאתר. מעניין, באמצעות חיישן קרבה ספקטרוסקופי לטווח קצר זה, sCy3-תווית α-Synuclein מציג מספר אוכלוסיות משנה לכל החיים עם תקופות חיים ממוצעות שונות במובהק כי interconvert ב 10-100 ms. תוצאות אלה מראות כי בעוד α-Synuclein עלול להיות מופרע ברחבי העולם, הוא בכל זאת משיג מבנים מקומיים יציבים. לסיכום, בעבודה זו אנו מדגישים את היתרון של שימוש בחיישני קרבה ספקטרוסקופיים שונים העוקבים אחר שינויים מבניים מקומיים או גלובליים ביומולקול אחד בכל פעם.
Introduction
במהלך שני העשורים האחרונים, שיטות מבוססות פלואורסצנטיות של מולקולה אחת הפכו לכלי רב עוצמה למדידת ביומולקולות1,2, בודקים כיצד פרמטרים ביומולקולריים שונים מפיצים, כמו גם כיצד הם מתחברים באופן דינמי בין אוכלוסיות משנה שונות שלפרמטריםאלה ברזולוציה תת-אלפית השנייה 3,4,5. הפרמטרים בטכניקות אלה כוללים את יעילות העברת האנרגיה במדידות FRET 6,7, פלואורסצנטיות אניזוטרופיה8,9, פלואורסצנטיות תשואות קוונטיות ואורך חיים10,11, כפונקציה של פלואורסצנטיות שונה מרווה12 או שיפור13 מנגנונים. אחד ממנגנונים אלה, הידוע יותר בשם שיפור פלואורסצנטיות הנגרמת על ידי חלבון (PIFE)14 מציג את השיפור של תשואה קוונטית פלואורסצנטית ואורך חיים כפונקציה של חסימה סטרית לאיזומריזציה חופשית של הפלואורופור כאשר במצב נרגש, הנגרמת על ידי משטחי חלבון בקרבת הצבע14,15,16,17,18,19 . הן FRET והן PIFE נחשבים לשליטים ספקטרוסקופיים או חיישני קרבה מכיוון שהפרמטר הנמדד שלהם מקושר ישירות למדידה מרחבית בתוך הביומולקול המסומן תחת מדידה. בעוד יעילות FRET קשורה למרחק בין זוג צבעים בטווח של 3-10 ננומטר20, PIFE עוקב אחר עלייה בתפוקות קוונטיות פלואורסצנטיות או תקופות חיים הקשורות למרחק בין הצבע לבין משטח של חלבון סמוך בטווח של 0-3 ננומטר19.
FRET מולקולה אחת שימשה באופן נרחב למתן תובנות מבניות למערכות חלבון רבות ושונות, כולל חלבונים עם הפרעה מהותית (עקורים)21, כגון α-סינוקלאין (α-Syn)22. α-Syn יכול ליצור מבנים מסודרים בעקבות קשירה ביומולקולים שונים ובתנאים שונים23,24,25,26,27,28,29,30. עם זאת, כאשר לא מאוגד, מונומר α-Syn מאופיין בהטרוגניות קונפורמציה גבוהה עם קונפורמציות הדדיות במהירות31,32.
הקונפורמציות של α-Syn נחקרו בעבר באמצעות טכניקות שונות ושונות המסייעות בזיהוי דינמיקה קונפורמיאלית של מערכות חלבון הטרוגניות ודינמיות כאלה33,34,35,36,37,38,39. מעניין, מדידות FRET מולקולה אחת (smFRET) של α-Syn במאגר דיווחו על אוכלוסיית FRET יחיד39,40 כי הוא תוצאה של זמן ממוצע של קונפורמציות באופן דינמי interconverting לפעמים הרבה יותר מהר מאשר זמן דיפוזיה טיפוסי של α-Syn דרך נקודת הקונפוקציה (פעמים מהר כמו מיקרו שניות מעטות ואפילו מהר יותר מזה, יחסית זמני דיפוזיה אלפיות השנייה טיפוסית)40, 41. עם זאת, באמצעות סרגל ספקטרוסקופי FRET עם רגישות למרחק של 3-10 ננומטר מדווח לפעמים רק על שינויים מבניים כוללים בחלבון קטן כגון α-Syn. למדידות של מולקולה אחת המשתמשות בחיישני קרבה ספקטרוסקופיים עם רגישויות מרחק קצרות יותר יש פוטנציאל לדווח על דינמיקה של מבנים מקומיים. בזאת אנו מבצעים מדידות PIFE של α-Syn ומזהים תת-אוכלוסיות שונות של מיפוי אורך חיים פלואורסצנטי למבנים מקומיים שונים עם מעברים ביניהם איטיים כמו 100 אלפיות שני. עבודה זו מסכמת מדידות smPIFE שנפתרו בזמן של מולקולות α-Syn המתפזרות בחופשיות אחת בכל פעם, במאגר וכאשר היא מאוגדת לממברנות מבוססות SDS כחיישן קרבה ספקטרוסקופי לטווח קצר.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקרים ביוכימיים וביופיזיים נרחבים בוצעו כדי לחקור את המאפיינים המבניים של α-Syn וטבעו המופרע33,34,35,36,37,38. מספר עבודות כבר השתמשו ב- smFRET המתפזר בחופשיות כדי לחקור את הדינמיקה התוך-מול?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ה-pT-t7 קידוד A56C α-Syn ניתנה לנו במתנה מד”ר אסף גרופי, ד”ר דן אמיר וד”ר אלישע האס. מאמר זה נתמך על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NIH, מענק R01 GM130942 לא”ל כסובה), הקרן הישראלית למדע (מענק 3565/20 במסגרת תוכנית קילקורונה – בלימת נגיף הקורונה), קרן מילנר והאוניברסיטה העברית בירושלים (קרנות הזנק).
Materials
| 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 |
Referências
- Gust, A., et al. A starting point for fluorescence-based single-molecule measurements in biomolecular research. Molecules. 19 (10), 15824-15865 (2014).
- Weiss, S. Fluorescence spectroscopy of single biomolecules. Science. 283 (5408), 1676-1683 (1999).
- Haran, G. Single-molecule fluorescence spectroscopy of biomolecular folding. Journal of Physics Condensed Matter. 15 (32), R1291 (2003).
- Schuler, B., Lipman, E. A., Eaton, W. A. Probing the free-energy surface for protein folding with single-molecule fluorescence spectroscopy. Nature. 419 (6908), 743-747 (2002).
- Michalet, X., Weiss, S., Jäger, M. Single-molecule fluorescence studies of protein folding and conformational dynamics. Chemical Reviews. 106 (5), 1785-1813 (2006).
- Ha, T., Enderle, T., Ogletree, D. F., Chemla, D. S., Selvin, P. R., Weiss, S. Probing the interaction between two single molecules: Fluorescence resonance energy transfer between a single donor and a single acceptor. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (13), 6264-6268 (1996).
- Deniz, A. A., et al. Single-molecule protein folding: Diffusion fluorescence resonance energy transfer studies of the denaturation of chymotrypsin inhibitor 2. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (10), 5179-5184 (2000).
- Bialik, C. N., Wolf, B., Rachofsky, E. L., Ross, J. B. A., Laws, W. R. Dynamics of biomolecules: Assignment of local motions by fluorescence anisotropy decay. Biophysical Journal. 75 (5), 2564-2573 (1998).
- Jameson, D. M., Sawyer, W. H. Fluorescence anisotropy applied to biomolecular interactions. Methods in Enzymology. 246, 283-300 (1995).
- Kempe, D., Schöne, A., Fitter, J., Gabba, M. Accurate Fluorescence Quantum Yield Determination by Fluorescence Correlation Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry B. 119 (13), 4668-4672 (2015).
- Callis, P. R., Liu, T. Quantitative Prediction of Fluorescence Quantum Yields for Tryptophan in Proteins. Journal of Physical Chemistry B. 108, 4248-4259 (2004).
- Lehrer, S. S. Solute Perturbation of Protein Fluorescence. The Quenching of the Tryptophyl Fluorescence of Model Compounds and of Lysozyme by Iodide Ion. Bioquímica. 10 (17), 3254-3263 (1971).
- Xie, K. X., Liu, Q., Jia, S. S., Xiao, X. X. Fluorescence enhancement by hollow plasmonic assembly and its biosensing application. Analytica Chimica Acta. 1144, 96-101 (2021).
- Stennett, E. M. S., Ciuba, M. A., Lin, S., Levitus, M. Demystifying PIFE: The Photophysics behind the Protein-Induced Fluorescence Enhancement Phenomenon in Cy3. Journal of Physical Chemistry Letters. 6 (10), 1819-1823 (2015).
- Nguyen, B., Ciuba, M. A., Kozlov, A. G., Levitus, M., Lohman, T. M. Protein Environment and DNA Orientation Affect Protein-Induced Cy3 Fluorescence Enhancement. Biophysical Journal. 117 (1), 66-73 (2019).
- Song, D., Graham, T. G. W., Loparo, J. J. A general approach to visualize protein binding and DNA conformation without protein labelling. Nature Communications. 7, 10976 (2016).
- Ploetz, E., et al. Förster resonance energy transfer and protein-induced fluorescence enhancement as synergetic multi-scale molecular rulers. Scientific Reports. 6, 33257 (2016).
- Hwang, H., Myong, S. Protein induced fluorescence enhancement (PIFE) for probing protein-nucleic acid interactions. Chemical Society Reviews. 43 (4), 1221-1229 (2014).
- Hwang, H., Kim, H., Myong, S. Protein induced fluorescence enhancement as a single molecule assay with short distance sensitivity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (18), 7414-7418 (2011).
- Ray, P. C., Fan, Z., Crouch, R. A., Sinha, S. S., Pramanik, A. Nanoscopic optical rulers beyond the FRET distance limit: Fundamentals and applications. Chemical Society Reviews. 43, 6370-6404 (2014).
- Chen, H., Rhoades, E. Fluorescence characterization of denatured proteins. Current Opinion in Structural Biology. 18 (4), 516-524 (2008).
- Alderson, T. R., Markley, J. L. Biophysical characterization of α-synuclein and its controversial structure. Intrinsically Disordered Proteins. 1 (1), 18-39 (2013).
- Mane, J. Y., Stepanova, M. Understanding the dynamics of monomeric, dimeric, and tetrameric α-synuclein structures in water. FEBS Open Bio. 6 (7), 666-686 (2016).
- Wang, W., et al. A soluble α-synuclein construct forms a dynamic tetramer. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (43), 17797-17802 (2011).
- Bartels, T., Choi, J. G., Selkoe, D. J. α-Synuclein occurs physiologically as a helically folded tetramer that resists aggregation. Nature. 477 (7362), 107-110 (2011).
- Ulmer, T. S., Bax, A., Cole, N. B., Nussbaum, R. L. Structure and dynamics of micelle-bound human α-synuclein. Journal of Biological Chemistry. 280 (10), 9595-9603 (2005).
- Georgieva, E. R., Ramlall, T. F., Borbat, P. P., Freed, J. H., Eliezer, D. Membrane-bound α-synuclein forms an extended helix: Long-distance pulsed ESR measurements using vesicles, bicelles, and rodlike micelles. Journal of the American Chemical Society. 130 (39), 12856-12857 (2008).
- Trexler, A. J., Rhoades, E. α-Synuclein binds large unilamellar vesicles as an extended helix. Bioquímica. 48 (11), 2304-2306 (2009).
- Stephens, A. D., Zacharopoulou, M., Kaminski Schierle, G. S. The Cellular Environment Affects Monomeric α-Synuclein Structure. Trends in Biochemical Sciences. 44 (5), 453-466 (2019).
- Illes-Toth, E., Dalton, C. F., Smith, D. P. Binding of dopamine to alpha-synuclein is mediated by specific conformational states. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 24 (9), 1346-1354 (2013).
- Frimpong, A. K., Abzalimov, R. R., Uversky, V. N., Kaltashov, I. A. Characterization of intrinsically disordered proteins with electrospray inization mass spectrometry: Conformationl heterogeneity of α-synuciein. Proteins: Structure, Function and Bioinformatics. 78 (3), 714-722 (2010).
- Sandal, M., et al. Conformational equilibria in monomeric α-synuclein at the single-molecule level. PLoS Biology. 6 (1), e6 (2008).
- Brodie, N. I., Popov, K. I., Petrotchenko, E. V., Dokholyan, N. V., Borchers, C. H. Conformational ensemble of native α-synuclein in solution as determined by short-distance crosslinking constraint-guided discrete molecular dynamics simulations. PLoS Computational Biology. 15 (3), e1006859 (2019).
- Ullman, O., Fisher, C. K., Stultz, C. M. Explaining the structural plasticity of α-synuclein. Journal of the American Chemical Society. 133 (48), 19536-19546 (2011).
- Binolfi, A., Theillet, F. X., Selenko, P. Bacterial in-cell NMR of human α-synuclein: A disordered monomer by nature?. Biochemical Society Transactions. 40 (5), 950-954 (2012).
- Waudby, C. A., et al. In-Cell NMR Characterization of the Secondary Structure Populations of a Disordered Conformation of α-Synuclein within E. coli Cells. PLoS ONE. 8 (8), e72286 (2013).
- Yu, J., Malkova, S., Lyubchenko, Y. L. α-Synuclein Misfolding: Single Molecule AFM Force Spectroscopy Study. Journal of Molecular Biology. 384 (4), 992-1001 (2008).
- Guerrero-Ferreira, R., Kovacik, L., Ni, D., Stahlberg, H. New insights on the structure of alpha-synuclein fibrils using cryo-electron microscopy. Current Opinion in Neurobiology. 61, 89-95 (2020).
- Trexler, A. J., Rhoades, E. Single molecule characterization of α-synuclein in aggregation-prone states. Biophysical Journal. 99 (9), 3048-3055 (2010).
- Ferreon, A. C. M., Gambin, Y., Lemke, E. A., Deniz, A. A. Interplay of α-synuclein binding and conformational switching probed by single-molecule fluorescence. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (14), 5645-5650 (2009).
- Rezaei-Ghaleh, N., et al. Local and Global Dynamics in Intrinsically Disordered Synuclein. Angewandte Chemie – International Edition. 57 (46), 15262-15266 (2018).
- Ingargiola, A., Laurence, T., Boutelle, R., Weiss, S., Michalet, X. Photon-HDF5: An Open File Format for Timestamp-Based Single-Molecule Fluorescence Experiments. Biophysical Journal. 110 (1), 26-33 (2016).
- Ingargiola, A., Lerner, E., Chung, S. Y., Weiss, S., Michalet, X. FRETBursts: An open source toolkit for analysis of freely-diffusing Single-molecule FRET. PLoS ONE. 11 (8), e0160716 (2016).
- Ingargiola, A., et al. Multispot single-molecule FRET: Highthroughput analysis of freely diffusing molecules. PLoS ONE. 12 (4), e0175766 (2017).
- Eggeling, C., Fries, J. R., Brand, L., Günther, R., Seidel, C. A. M. Monitoring conformational dynamics of a single molecule by selective fluorescence spectroscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 95 (4), 1556-1561 (1998).
- Fries, J. R., Brand, L., Eggeling, C., Köllner, M., Seidel, C. A. M. Quantitative identification of different single molecules by selective time-resolved confocal fluorescence spectroscopy. Journal of Physical Chemistry A. 102, 6601-6613 (1998).
- Hoffmann, A., et al. Quantifying heterogeneity and conformational dynamics from single molecule FRET of diffusing molecules: Recurrence analysis of single particles (RASP). Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (5), 1857-1871 (2011).
- Eakin, C. M., Berman, A. J., Miranker, A. D. A native to amyloidogenic transition regulated by a backbone trigger. Nature Structural and Molecular Biology. 13 (3), 202-208 (2006).
- Jahn, T. R., Parker, M. J., Homans, S. W., Radford, S. E. Amyloid formation under physiological conditions proceeds via a native-like folding intermediate. Nature Structural and Molecular Biology. 13 (3), 195-201 (2006).
- Chen, D., et al. Tau local structure shields an amyloid-forming motif and controls aggregation propensity. Nature Communications. 10 (1), 2493 (2019).
- Lerner, E., Ploetz, E., Hohlbein, J., Cordes, T., Weiss, S. A Quantitative Theoretical Framework for Protein-Induced Fluorescence Enhancement-Förster-Type Resonance Energy Transfer (PIFE-FRET). Journal of Physical Chemistry. B. 120 (26), 6401-6410 (2016).
- Valuchova, S., Fulnecek, J., Petrov, A. P., Tripsianes, K., Riha, K. A rapid method for detecting protein-nucleic acid interactions by protein induced fluorescence enhancement. Scientific Reports. 6, 39653 (2016).
- Qiu, Y., Myong, S. Single-Molecule Imaging With One Color Fluorescence. Methods in Enzymology. 581, 33-51 (2016).
- Lerner, E., et al. Toward dynamic structural biology: Two decades of single-molecule Förster resonance energy transfer. Science. 359 (6373), eaan1133 (2018).
- Lerner, E., et al. FRET-based dynamic structural biology: Challenges, perspectives and an appeal for open-science practices. Elife. 10, e60416 (2021).
- Wang, W., et al. A soluble α-synuclein construct forms a dynamic tetramer. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (43), 17797-17802 (2011).
- Bartels, T., Choi, J. G., Selkoe, D. J. α-Synuclein occurs physiologically as a helically folded tetramer that resists aggregation. Nature. 477 (7362), 107-110 (2011).
- Ulmer, T. S., Bax, A., Cole, N. B., Nussbaum, R. L. Structure and dynamics of micelle-bound human α-synuclein. Journal of Biological Chemistry. 280 (10), 9595-9603 (2005).
- Georgieva, E. R., Ramlall, T. F., Borbat, P. P., Freed, J. H., Eliezer, D. Membrane-bound α-synuclein forms an extended helix: Long-distance pulsed ESR measurements using vesicles, bicelles, and rodlike micelles. Journal of the American Chemical Society. 130 (39), 12856-12857 (2008).
- Chen, J., et al. The structural heterogeneity of α-synuclein is governed by several distinct subpopulations with interconversion times slower than milliseconds. Structure. 29 (9), (2021).
