Canlı Hücrelerde Protein Aggregation 4D Görüntüleme
Summary
Hücresel canlılığı proteinin hatalı katlanması zamanında ve etkin yönetimine bağlıdır. Inklüzyonlarınca refolding, bozulması veya sekestrasyon: Burada bir katlanan proteinin farklı potansiyel kaderi görselleştirmek için bir yöntem açıklanmaktadır. Biz Ubc9, katlanabilir sensör kullanımını göstermek<sup> Ts</sup>, Izleme proteostasis ve 4D mikroskopi kullanılarak canlı hücrelerde toplama kalite kontrol için.
Abstract
Herhangi bir canlı hücrenin önemli görevlerinden biri sürekli değişen çevre koşulları ve intraselüler ortamda sıkışık olduğunu, yapışkan ve protein stabilitesinin 1 için tehlikeli karşısında yeni sentezlenen proteinlerin doğru katlanır sürdürmektedir. Dinamik protein üretimi, katlama ve yıkımı denge yeteneği olan mutlak bir zorunluluk zaman arızalar iyi görülmektedir yüksek uzman kalite kontrol amaçlı, ister. Böyle ALS, Alzheimer, Parkinson ve Kistik Fibrozis bazı şekilleri gibi hastalıklar protein katlanması kalite kontrol bileşenleri 2 doğrudan bir bağlantı vardır ve bu nedenle gelecekteki terapötik gelişme temel süreçlerin temel bir anlayış gerektirir. Bizim deneysel meydan hücreleri hasara sinyalleri entegre ve farklı koşullara uyarlanmış tepkileri monte nasıl anlamaktır.
Protein misfolding varoluşsal thre temsil neden birincil sebebihücreye de agrega için yanlış katlanmış proteinlerin eğilimi böylece kalabalık ve hassas intraselüler Katlama ortamının 1 küresel bir pertürbasyon neden olduğunu. Katlama sağlık veya hücresel proteomun "proteostasis," ayrıntılı bir kalite kontrol sistemi 3,4 farklı mekanistik birimlerin koordineli eylemi tarafından, hatta yaşlanma, stres ve oksidatif hasarın baskı altında tutulur. Moleküler chaperones bir uzman makine yerli olmayan polipeptitler bağlamak ve yerel devlet 1 içine katlanabilir teşvik edebilir, ubikuitin-proteazom sistemi 5 tarafından bozulması için onları hedef, ya da koruyucu toplama kapanımlar 6-9 yönlendirmek.
Juxtanuclear kalite kontrol bölmesi (JUNQ) ve çözünmeyen protein yatağı (IPOD) (- modeli Şekil 1): Ökaryotlarda sitosolik toplama kalite kontrol yük iki bölme 8-10 arasında bölüştürüldü.Protein katlanması kalite kontrol makine tarafından Ubikitine proteinler onlar proteozom tarafından yıkımı için işlenir JUNQ, teslim edilir. Ubikitine değildir katlanan proteinleri, aktif bir koruyucu bölmeye toplanır IPOD, yönlendirilir.
Bu noktaya kadar, canlı hücre floresan mikroskop metodolojik paradigması büyük ölçüde etiket proteinlere olmuştur ve iki boyutta zaman noktalarında ve genellikle belirli bir noktadaki hücre içindeki konumları izlemek. Yeni teknolojiler canlı hücrelerde deneyciler Mikronaltı ölçeğine görülmemiş erişim izni başladı gibi, sitoplazmada dinamik mimarisi deneysel karakterizasyonu için zorlu bir yeni sınır olarak görünümü haline gelmiştir. Hızla saat boyunca maya sitozol içinde birden fazla fluoresan etiketli proteinlerin 3D mekansal dağılımları izlenmesi için bir yöntem sunmaktır. 3D timelapse (4D görüntüleme) değil, sadece teknik bir sorundur; sıçanOnu, o da hücresel yapısının incelenmesinde kullanılan kavramsal çerçeve içinde dramatik bir değişim kolaylaştırır.
Biz hızlı 4D floresan görüntüleme kullanarak, hücresel agregasyon kalite kontrol katlanan proteinleri için ayrı kaderi görselleştirmek için canlı maya sitozolik bir katlama sensörü proteini kullanır. Ubc9 protein 10-12 (Ubc9 TS) ısı duyarlı mutant hücresel proteostasis bir sensörü, ve izleme toplama kalite kontrolü için bir fizyolojik örnek olarak her ikisi son derece etkilidir. Çoğu ts proteinlerde olduğu gibi, Ubc9 ts aktif hücresel şaperonlar nedeniyle ılımlı sıcaklıklarda tamamen katlanmış ve işlevseldir. 30 ° C üzerinde ya da hücre misfolding stres, Ubc9 ts misfolds yüzler ve mutasyon, ısı denatürasyon, ya da oksidatif hasara bağlı olarak katlanan olan bir yerli proteinin küresel kader izlediğinde. O Stres Foci oluşturur, ya da olduğu gibi fırınlarında bu GFP veya diğer floroforlar için, 3D izlenebilir diJUNQ veya IPOD için düzeltilmelidir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biyokimyasal süreçler hakkında sezgilerimiz tepken ve ürünlerinin iyi karma çözüm bir behere dengeye ulaşmak için izin verilen masa üstü deneyler türetmek. Böyle bir ortamda, verilen bir kimyasal türlerin konsantrasyonunun bir makroskopik hacim moleküllerin bir molar miktar oranı olan bir tek sayı olarak ifade edilebilir. Hücrelerin bütün nüfusun homojenatlarında özler yürütülen batı blot, centrifugations ve spektrofotometrik ölçümler: Much biz protein yapısı ve işlevi hakkında bildiklerimizin klasik, toplu reaksiyon resmi yansıtacak yöntemler kullanılarak türetilmiştir.
Biz büyütme altında hücrelerde bakmak için kullanabilirsiniz teknolojisi çarçabuk geliştirir, çoğu biyokimyasal reaksiyonları in vivo yer aldığı koşullarda klasik masa üstü senaryo bu sadece ufak bir benzerlik olmadığı kadar açık hale gelir. Sadece cel iç kısmıdırla yoğun kalabalık etkileri büyük ölçüde çeşitli reaktifler faaliyetlerini değiştirmek hangi, aynı zamanda iyi karıştırılmış oldukça tersidir, çevre dolu. In vitro olarak ve kompleks makromoleküler reaksiyon geniş bir aralık içinde in vivo etkinlikleri arasında sık eşitsizlik için hesaplar.
Nowhere in vivo katlama, misfolding ve proteinlerin agregasyonu ile ilgili sorular gibi yanıltmak için daha eğilimli vitro biyokimyasal deneyler klasik kaynaklanan sezgileri vardır. Toplu reaksiyonlarda protein kimyası çalışmaları basit bir evet ya da hayır sorusu olarak verilen bir proteinin katlanma sorunu davranabilirsiniz Oysa bir canlı hücresinde makromoleküllerin bütün nüfus dinamiklerini izlemek için herhangi bir girişimde olası bütün dağıtım duyarlı olmalıdır bir polipeptid zincirini için müsait konformasyonel sonuçlarını ve misfolding ve toplama riski, özellikle de. Örneğin, bir toplu hücre ly incelemek olabilirWestern blotting ile bir araya protein doyurmak ve çoğunlukla protein çözünmeyen ve Ubikitine olmadığını belirler. Bununla birlikte, canlı hücre içinde birçok hücre üzerinde ortalama zaman tespit etmek zordur, protein alt-nüfusu bir ayrık, çözünür ve türlerin lokal konsantrasyonu çok yüksek ise, belirli bir bölme içinde Ubikitine olabilir. İkinci senaryoda büyük toplu alt-nüfusa oranla hücre canlılığı için önemli sonuçlar doğurabilir. Şaperonlar pleiotropik davranışları ve in vitro çeşitli fonksiyonları görüntüler ise Dahası, o hücreye kendi kesikli fonksiyonların mekansal ve zamansal olarak sınırlı olduğu açık hale geliyor.
Biyokimya anlamak için yeni ortaya çıkan paradigma, konsantrasyon hücre nano-çevre her belirli bir değişken özelliği olur ve biyolojik süreçlerin altında yatan moleküler olaylar değil sadece zaman test edilmelidir, ama aynı zamanda spac içindee. Burada sunulan 4D görüntüleme yaklaşımı, diğer biyolojik süreçlerin herhangi bir sayı incelemek için kullanılabilir ve nasıl zaman, mekan düzenlenmiştir olsa, canlı hücrelerde protein misfolding hassas modelleme sağlayan ve çevre koşullarında değişiklikler sonrasında. Bu yazıda etkili sitoplazmada protein agregasyonunu başlangıcı ile başa çıkmak için aşamaları ve seçenekleri gösterir Ubc9 ts katlama sensörü kullanın. Toplama kalite kontrol hücre biyolojisi gösteren ek olarak, bu yaklaşım, proteostasis (örneğin Ubc9 ts oksidasyon cevap olarak protein katlanması stres ölçmek için kullanılabilir üzerinde belirli düzensizliklerin veya genetik mutasyonların etki şifresini çözmek için bir güçlü bir araç olarak hizmet edebilir kalite kontrol yolu üzerinde toksik bir agrega veya mutasyonlar) ifadesi.
4D görüntüleme doğru iki farklı protein arasındaki protein yerelleştirme veya kolokalizasyon belirlemek için de önemlidirs, ve belki geçici ama önemli olması olayları algılamak için. Örneğin, özellikle bira mayası gibi küçük bir küresel organizmada, o 4D görüntüleme bu sadece muayene açısı bir dışlayıcı olduğunu ortaya çıkarabilir, oysa bir yapı veya agrega, juxtanuclear lokalizasyonu olduğu durumda görünebilir.
Burada mevcut örnekte deneyde, bir modelin kullanımı sitoplazmada zaman ve mekan içindeki agregasyonu kalite kontrol takip etmek için protein, Ubc9 ts, katlanan göstermektedir. Müsamahakâr sıcaklıkta, Ubc9 ts katlandığında ve çekirdek ve sitoplazmada dağınık. Isı kaynaklı misfolding üzerine, başlangıçta hızla proteozomal bozulması için işlenir difüzyon küçük agrega Stres Foci oluşturur. Proteazom kısmen inhibe edildiğinde, bu Stres Foci yaklaşık 2 saat boyunca JUNQ ve IPOD kapanımları dönüştürülür. Ubikuitin-aracılı yıkımı bir kalite kontrol seçeneği, Ub olarak mevcut değilsec9 ts hemen koruyucu toplama için IPOD dahil yeniden yönlendirilir. Bu araçlar agregasyon kalite kontrol dahil yeni genetik faktörler keşfetmek ve hücre kendi zamansal ve mekansal düzenleme keşfetmek için inanılmaz fırsatlar sunuyor.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | |
| MG132 | Mercury | mbs474790 | |
| con A | Sigma | C2010 | |
| Glass bottom plates | ibidi | ibd81158 | |
| 4D Fluorescence Imaging of Protein Aggregation Confocal 3D movies were acquired using a Nikon A1R-si microscope equipped with a PInano Piezo stage (MCL), using a 60X water objective NA 1.27, 0.3 micron slices, 0.5% laser power (from 65 mW 488 laser and 50 mW 561 laser). z-stacks were acquired every 5 min for 90 min. Each z-series was acquired with 0.5 micron step size and 30 total steps. Image processing was performed using NIS-Elements software. |
References
- Gershenson, A., Gierasch, L. M. Protein folding in the cell: challenges and progress. Current opinion in structural biology. 21, 32-41 (2011).
- Aguzzi, A., Calella, A. M. Prions: protein aggregation and infectious diseases. Physiological reviews. 89, 1105-1152 (2009).
- Morimoto, R. I. Proteotoxic stress and inducible chaperone networks in neurodegenerative disease and aging. Genes & development. 22, 1427-14 (2008).
- Cohen, E., Dillin, A. The insulin paradox: aging, proteotoxicity and neurodegeneration. Nature reviews. Neuroscience. , (2008).
- Hershko, A., Ciechanover, A. The ubiquitin system. Annual review of biochemistry. 67, (1998).
- Tyedmers, J., Mogk, A., Bukau, B. Cellular strategies for controlling protein aggregation. Nature reviews. Molecular cell biology. 11, 777-788 (2010).
- Treusch, S., Cyr, D. M., Lindquist, S. Amyloid deposits: Protection against toxic protein species?. Cell cycle (Georgetown, Tex.). 8, 1668-1674 (2009).
- Spokoini, R., et al. Confinement to Organelle-Associated Inclusion Structures Mediates Asymmetric Inheritance of Aggregated Protein in Budding Yeast. Cell Rep. , (2012).
- Weisberg, S. J., et al. Compartmentalization of superoxide dismutase 1 (SOD1G93A) aggregates determines their toxicity. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 15811-15816 (2012).
- Kaganovich, D., Kopito, R., Frydman, J. Misfolded proteins partition between two distinct quality control compartments. Nature. 454, 1088 (2008).
- Betting, J., Seufert, W. A yeast Ubc9 mutant protein with temperature-sensitive in vivo function is subject to conditional proteolysis by a ubiquitin- and proteasome-dependent pathway. The Journal of biological chemistry. 271, 25790 (1996).
- Tongaonkar, P., Beck, K., Shinde, U. P., Madura, K. Characterization of a temperature-sensitive mutant of a ubiquitin-conjugating enzyme and its use as a heat-inducible degradation signal. Analytical biochemistry. 272, 263 (1999).
