Summary

Gebruik van time-resolved eiwit-geïnduceerde fluorescentieverbetering om stabiele lokale conformaties één α-synucleïnemonomeer tegelijk te identificeren

Published: May 30, 2021
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Plasmide transformatie Bereiding van 0,5 L SOC-medium Weeg 10 g trypton, 2,5 g gistextract, 0,25 g natriumchloride (NaCl), 0,1 g kaliumchloride (KCl) af. Voeg dubbel gedestilleerd water (DDW) toe tot een totaal volume van 0,5 l. Stel in op pH 7 door natriumhydroxide (NaOH) toe te voegen. Bereid bouillon aliquots van 100 ml en autoclaaf. Voeg voor gebruik 0,5 ml steriel magnesiumchloride (MgCl2) en 1,8 ml steriele glucose toe aan 100 ml SOC. …

Representative Results

Als een IDP, wanneer het niet gebonden is aan een ander biomolecuul, vertoont α-Syn structurele dynamiek tussen meerdere conformaties, met overgangen op enkele microseconden40 en zelfs op honderden nanoseconden41. Wanneer α-Syn de confocale plek kruist, kan het duizenden overgangen tussen conformaties ondergaan. Inderdaad, dit was het geval toen smFRET werd gebruikt39,40. Hier voeren we smPIFE-metingen uit om de l…

Discussion

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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).

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

References

  1. Gust, A., et al. A starting point for fluorescence-based single-molecule measurements in biomolecular research. Molecules. 19 (10), 15824-15865 (2014).
  2. Weiss, S. Fluorescence spectroscopy of single biomolecules. Science. 283 (5408), 1676-1683 (1999).
  3. Haran, G. Single-molecule fluorescence spectroscopy of biomolecular folding. Journal of Physics Condensed Matter. 15 (32), R1291 (2003).
  4. 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).
  5. Michalet, X., Weiss, S., Jäger, M. Single-molecule fluorescence studies of protein folding and conformational dynamics. Chemical Reviews. 106 (5), 1785-1813 (2006).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Jameson, D. M., Sawyer, W. H. Fluorescence anisotropy applied to biomolecular interactions. Methods in Enzymology. 246, 283-300 (1995).
  10. 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).
  11. Callis, P. R., Liu, T. Quantitative Prediction of Fluorescence Quantum Yields for Tryptophan in Proteins. Journal of Physical Chemistry B. 108, 4248-4259 (2004).
  12. Lehrer, S. S. Solute Perturbation of Protein Fluorescence. The Quenching of the Tryptophyl Fluorescence of Model Compounds and of Lysozyme by Iodide Ion. Biochemistry. 10 (17), 3254-3263 (1971).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Ploetz, E., et al. Förster resonance energy transfer and protein-induced fluorescence enhancement as synergetic multi-scale molecular rulers. Scientific Reports. 6, 33257 (2016).
  18. Hwang, H., Myong, S. Protein induced fluorescence enhancement (PIFE) for probing protein-nucleic acid interactions. Chemical Society Reviews. 43 (4), 1221-1229 (2014).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Chen, H., Rhoades, E. Fluorescence characterization of denatured proteins. Current Opinion in Structural Biology. 18 (4), 516-524 (2008).
  22. Alderson, T. R., Markley, J. L. Biophysical characterization of α-synuclein and its controversial structure. Intrinsically Disordered Proteins. 1 (1), 18-39 (2013).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Trexler, A. J., Rhoades, E. α-Synuclein binds large unilamellar vesicles as an extended helix. Biochemistry. 48 (11), 2304-2306 (2009).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Sandal, M., et al. Conformational equilibria in monomeric α-synuclein at the single-molecule level. PLoS Biology. 6 (1), e6 (2008).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. Trexler, A. J., Rhoades, E. Single molecule characterization of α-synuclein in aggregation-prone states. Biophysical Journal. 99 (9), 3048-3055 (2010).
  40. 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).
  41. Rezaei-Ghaleh, N., et al. Local and Global Dynamics in Intrinsically Disordered Synuclein. Angewandte Chemie – International Edition. 57 (46), 15262-15266 (2018).
  42. 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).
  43. 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).
  44. Ingargiola, A., et al. Multispot single-molecule FRET: Highthroughput analysis of freely diffusing molecules. PLoS ONE. 12 (4), e0175766 (2017).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).
  49. 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).
  50. Chen, D., et al. Tau local structure shields an amyloid-forming motif and controls aggregation propensity. Nature Communications. 10 (1), 2493 (2019).
  51. 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).
  52. 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).
  53. Qiu, Y., Myong, S. Single-Molecule Imaging With One Color Fluorescence. Methods in Enzymology. 581, 33-51 (2016).
  54. Lerner, E., et al. Toward dynamic structural biology: Two decades of single-molecule Förster resonance energy transfer. Science. 359 (6373), eaan1133 (2018).
  55. Lerner, E., et al. FRET-based dynamic structural biology: Challenges, perspectives and an appeal for open-science practices. Elife. 10, e60416 (2021).
  56. 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).
  57. 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).
  58. 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).
  59. 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).
  60. 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).

Play Video

Cite This Article
Zaer, S., Lerner, E. Utilizing Time-Resolved Protein-Induced Fluorescence Enhancement to Identify Stable Local Conformations One α-Synuclein Monomer at a Time. J. Vis. Exp. (171), e62655, doi:10.3791/62655 (2021).

View Video