Zaman çözümlenmiş tek moleküllü protein kaynaklı floresan geliştirme, proteinlerdeki yerel yapısal değişikliklere duyarlı yararlı bir floresan spektroskopik yakınlık sensörüdür. Burada, daha uzun menzilli FRET cetveli kullanılarak ölçüldüğünde küresel olarak yapılandırılmamış ve kararsız olarak bilinen α-Synuclein’deki kararlı yerel konformasyonları ortaya çıkarmak için kullanılabileceğini gösteriyoruz.
Tek biyomoleküllerin ve dinamiklerinin birden fazla konformasyonunu izlemek için spektroskopik cetvellerin kullanılması, yapısal dinamiklerin anlaşılmasında ve biyolojiye katkılarında devrim yaratmasına neden oldu. FRET tabanlı cetvel 3-10 nm aralığındaki boyalar arası mesafeleri raporlarken, protein kaynaklı floresan geliştirme (PIFE) gibi diğer spektroskopik teknikler, daha kısa 0-3 nm aralığında bir boya ile protein yüzeyi arasındaki yakınlığı rapor eder. Tercih yöntemi ne olursa olsun, serbestçe dağılan biyomolekülleri teker teker ölçmedeki kullanımı, deneysel parametrenin histogramlarını alarak, her alt popülasyonun milisaniyeler içinde değişmeden kalan tek bir uyumu veya milisaniyeden çok daha hızlı bir şekilde kesişen birden fazla uyumu ve dolayısıyla ortalama bir alt popülasyonu temsil ettiği ayrı merkezi olarak dağıtılmış biyomolekül alt popülasyonlarını verir. Histogramlarda bildirilen parametrenin inter-boya FRET verimliliği olduğu tek moleküllü FRET’te, tampondaki α-Synuclein monomer gibi özünde düzensiz bir proteinin, daha önce hızla birbirine keneşen birden fazla konfektörden oluşan tek bir ortalama alt popülasyon sergilediği bildirilmiştir. Bu geçmiş bulgular FRET tabanlı cetvelin 3-10 nm aralığına bağlı olsa da, bu proteini, mekâna özgü sCy3 etiketli α-Synuclein proteinlerinin floresan ömrünü tek tek izlediğimiz tek moleküllü PIFE kullanarak test etmeye çalıştık. İlginçtir ki, bu daha kısa menzilli spektroskopik yakınlık sensörunu kullanarak, sCy3 etiketli α-Synuclein, 10-100 ms’de kesişen belirgin şekilde farklı ortalama ömürlere sahip birkaç ömür boyu alt popülasyon sergiler. Bu sonuçlar, α-Synuclein’in küresel olarak düzensiz olabileceğini, ancak yine de istikrarlı yerel yapılara sahip olduğunu göstermektedir. Özetle, bu çalışmada, yerel veya küresel yapısal değişiklikleri aynı anda bir biyomolekülden izleyen farklı spektroskopik yakınlık sensörleri kullanmanın avantajını vurguluyoruz.
Son yirmi yılda, tek moleküllü floresan bazlı yöntemler biyomolekülleri ölçmek için güçlü bir araçhalinegelmiştir 1,2, farklı biyomoleküler parametrelerin nasıl dağılacağını ve bu parametrelerin farklı alt popülasyonları arasında milisaniyenin altında çözünürlük 3 , 4,5arasında dinamik olarak nasıl bir araya geldiklerini yoklar. Bu tekniklerdeki parametreler, FRET ölçümlerinde enerji transfer verimliliğini içerir 6,7, floresan anizotropi8,9, floresan kuantum verimleri ve ömürleri10,11, farklı floresan söndürme bir fonksiyon olarak12 veya geliştirme13 mekanizmaları. Protein kaynaklı floresan geliştirme (PIFE) 14 olarak bilinen bu mekanizmalardan biri,14, 15 , 16 ,17,18,19 boyasının çevresindeki protein yüzeylerinin neden olduğu, heyecan verici durumdayken floroforun serbest izomerizasyonunasteriktıkanıklığın bir işlevi olarak floresan kuantum veriminin ve ömrünün artırılmasınıtanıtır. . Hem FRET hem de PIFE spektroskopik cetveller veya yakınlık sensörleri olarak kabul edilir, çünkü ölçülen parametreleri ölçüm altında etiketli biyomolekül içindeki uzamsal bir ölçüye doğrudan bağlıdır. FRET verimliliği 3-10 nm20aralığındaki bir çift boya arasındaki mesafe ile ilgili olsa da, PIFE izleri floresan kuantum veriminde veya 0-3 nm19aralığındaki yakındaki bir proteinin yüzeyi arasındaki mesafe ile ilgili yaşam sürelerinde artar.
Tek moleküllü FRET, α-Synuclein (α-Syn) 22 gibi özünde düzensiz proteinler (IDP’ler)21de dahil olmak üzere birçokfarklı protein sistemine yapısal içgörüler sağlamak için yaygın olarak kullanılmıştır. α-Syn, farklı biyomoleküllere ve farklı koşullar altında 23 , 24 , 25 ,26,27,28,29,30’abağlanarak sıralı yapılar oluşturabilir. Bununla birlikte, ilişkisiz olduğunda, α-Syn monomer, hızla birbirine keneşen konformasyonlarla yüksek konformasyonlu heterojenlik ile karakterize edilir31,32.
α-Syn’nin konformasyonları daha önce, bu tür yüksek heterojen ve dinamik protein sistemlerinin konformasyonsal dinamiklerinin belirlenmesine yardımcı olan çeşitli farklı teknikler kullanılarak çalışılmıştır33,34,35,36,37,38,39. İlginçtir ki, tampondaki α-Syn’nin tek moleküllü FRET (smFRET)ölçümleri,konfokal nokta aracılığıyla α-Syn’nin tipik difüzyon zamanından çok daha hızlı zaman zaman dinamik olarak kesişen konfeksiyonların zaman ortalamasının bir sonucu olan tek bir FRET popülasyonu39,40 bildirdi (birkaç mikrosaniye kadar hızlı ve hatta bundan daha hızlı, tipik milisaniye difüzyon sürelerine göre)40, 41. Bununla birlikte, 3-10 nm mesafe hassasiyetine sahip bir FRET spektroskopik cetveli kullanmak bazen sadece α-Syn gibi küçük bir proteindeki genel yapısal değişiklikleri raporlar. Daha kısa mesafe hassasiyetlerine sahip spektroskopik yakınlık sensörlerini kullanan tek moleküllü ölçümler, yerel yapıların dinamiklerini raporlama potansiyeline sahiptir. Burada α-Syn’nin tek moleküllü PIFE ölçümlerini gerçekleştiriyor ve floresan ömürlerinin farklı alt popülasyonlarını, aralarında 100 ms kadar yavaş geçişlerle farklı yerel yapılara eşleşiyor. Bu çalışma, serbestçe dağılan α-Syn moleküllerinin zaman çözümlenmiş smPIFE ölçümlerini birer birer, tamponda ve SDS tabanlı membranlara kısa menzilli tek moleküllü spektroskopik yakınlık sensörü olarak bağlandığında özetlemektedir.
α-Syn’nin yapısal özelliklerini ve düzensiz doğasını incelemek için kapsamlı biyokimyasal ve biyofiziksel çalışmalar yapıldı33,34,35,36,37,38. Α-Syn monomerinin bağdan arındırılmış moleküler içi dinamiklerini araştırmak için birçok çalışma serbestçe dağıtıcı smFRET’i kullanmıştır. Bu çal…
The authors have nothing to disclose.
PT-t7 plazmid kodlu A56C α-Syn mutant bize Dr. Asaf Grupi, Dr. Dan Amir ve Dr. Elisha Haas tarafından hediye edildi. Bu makale Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH, R01 GM130942’yi E.L.’ye subaward olarak vermek), İsrail Bilim Vakfı (KillCorona – Curbing Coronavirus Araştırma Programı dahilinde 3565/20 hibe), Milner Fonu ve Kudüs İbrani Üniversitesi (başlangıç fonları) tarafından desteklendi.
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 |