Dit protocol beschrijft hoe actinekometen op de oppervlakken van kralen kunnen worden geproduceerd met behulp van in de handel verkrijgbare eiwitingrediënten. Dergelijke systemen bootsen de uitstekende structuren in cellen na en kunnen worden gebruikt om fysiologische mechanismen van krachtproductie op een vereenvoudigde manier te onderzoeken.
Veel celbewegingen en vormveranderingen en bepaalde soorten intracellulaire bacteriële en organelmotiliteit worden aangedreven door het biopolymeer actine dat een dynamisch netwerk vormt aan het oppervlak van de cel, organel of bacterie. De biochemische en mechanische basis van krachtproductie tijdens dit proces kan worden bestudeerd door op actine gebaseerde beweging op een acellulaire manier te reproduceren op inerte oppervlakken zoals kralen die zijn gefunctionaliseerd en geïncubeerd met een gecontroleerde set componenten. Onder de juiste omstandigheden verzamelt zich een elastisch actinenetwerk aan het kraaloppervlak en breekt open als gevolg van de stress die wordt gegenereerd door netwerkgroei, waardoor een “actine-komeet” wordt gevormd die de kraal voortbeweegt. Dergelijke experimenten vereisen echter de zuivering van een groot aantal verschillende actinebindende eiwitten, waardoor ze vaak buiten het bereik van niet-specialisten komen. Dit artikel beschrijft een protocol voor het reproduceerbaar verkrijgen van actinekometen en beweeglijkheid van kralen met behulp van in de handel verkrijgbare reagentia. Kraalcoating, kraalgrootte en motiliteitsmengsel kunnen worden gewijzigd om het effect op de kraalsnelheid, trajecten en andere parameters te observeren. Deze test kan worden gebruikt voor het testen van de biochemische activiteiten van verschillende actinebindende eiwitten en voor het uitvoeren van kwantitatieve fysieke metingen die licht werpen op de eigenschappen van actieve materie van actinenetwerken. Dit zal een nuttig hulpmiddel zijn voor de gemeenschap, waardoor de studie van in vitro actine-gebaseerde motiliteit mogelijk wordt zonder deskundige kennis in actinebindende eiwitzuivering.
Actinepolymerisatie in cellen wordt ruimtelijk en temporeel gecontroleerd door een strakke regulatie van actinefilamentnucleatie stroomafwaarts van celsignalering1. Nucleatie vindt plaats via de vorming van een actinetrimmer, en dan polymeriseren beide uiteinden van het ontluikende filament spontaan, hoewel het ene uiteinde dynamischer is (het prikkeldraadeinde) dan het andere (het puntige uiteinde)2. Wanneer nucleatie en prikkeldraad-end polymerisatie naar een oppervlak worden gericht, produceren ze voldoende kracht (in het pico-naar-nano Newton-bereik) om het celmembraan uit te duwen voor beweging en om microngrote objecten in de cel te verplaatsen met ATP-hydrolyse als energiebron3. Enkele voorbeelden zijn Listeria monocytogenes-bacteriën die actinekometen gebruiken om zich van cel naar cel te verspreiden, en mitochondriën, waarbij op actine-komeet gebaseerde beweging belangrijk is voor gerandomiseerde overerving tijdens mitose 4,5. Actinekometen op endosomen en andere intracellulaire blaasjes zijn betrokken bij onthechting van donormembranen 6,7,8.
Met de hier gepresenteerde methode worden de signaleringsaspecten van cellulaire actinepolymerisatie omzeild en wordt actinepolymerisatie geproduceerd op micrometrische polystyreenparels door ze te coaten met activatoren van vertakte actine-nucleatie, met name het actieve domein van het menselijke WASP-eiwit, VCA (ook wel WA of WCA genoemd)1. De gecoate kralen worden vervolgens geïncubeerd in een mengsel met de ingrediënten die nodig zijn voor actinepolymerisatie, waaronder de belangrijkste actinepolymerisatienucleator in cellen, het Arp2/3-complex, dat door VCA aan het kraaloppervlak wordt geactiveerd om nieuwe filamenten te vormen als takken van de zijkanten van dochterfilamenten1. Actine polymeriseert aanvankelijk uniform rond de kraal, maar breekt dan spontaan de symmetrie om een actinekomeet te creëren die de kraal naar voren duwt, waardoor celachtige uitstekende netwerken en kometen op een gecontroleerde manier worden gerecreëerd. Vergelijkbare benaderingen met kralen en andere gecoate oppervlakken zijn in het verleden door ons en anderen gebruikt om de biochemie en biofysica van actinepolymerisatiete bestuderen 9,10,11,12, maar uitgebreide expertise in actinebindende eiwitten was vereist voor deze experimenten. Het hier gepresenteerde protocol beschrijft hoe actinekometen en beweeglijkheid volledig kunnen worden gemaakt met commercieel beschikbare (of binnenkort beschikbare) reagentia, waardoor deze aanpak voor iedereen toegankelijk wordt, ook in een educatieve omgeving voor het onderwijzen van biofysische concepten. Belangrijke kenmerken zijn het belang van zacht en betrouwbaar pipetteren, het gebruik van profiline-gecomplexeerd monomeer als actinebron en de essentie van het gebruik van een zeer actieve Apr2/3 complexe activator als een kraalcoatingreagens.
Het protocol dat hier wordt beschreven, beschrijft hoe actinenetwerkgroei op kraaloppervlakken, komeetvorming en kraalmotiliteit kan worden verkregen met behulp van commercieel beschikbare eiwitten. Soms worden kometen echter niet reproduceerbaar waargenomen of zijn ze inhomogeen tussen de dia en de coverslip. De volgende discussie benadrukt enkele belangrijke punten in het protocol en suggereert enkele parameters die kunnen worden aangepast. Een factor om in gedachten te houden is dat komeetvorming en kraalsnelheid worden beïnvloed door temperatuur, met temperaturen ver boven 25 ° C of veel minder dan 23 ° C die de komeetvorming negatief beïnvloeden en onherleidbare gegevens opleveren. Het gebruik van een temperatuurgestuurde microscoop of een microscoop in een klimaatgestuurde ruimte wordt sterk aanbevolen. Hoewel fluorescerend gelabeld actine vaak wordt opgenomen in de motiliteitsmix om kometen te observeren door fluorescentiemicroscopie, zodra kometen meer dan een kraaldiameter in lengte hebben, zijn ze ook zichtbaar door fasecontrastmicroscopie als een donker uitstrijkje naast de kraal. Fasecontrastvisualisatie is meer geschikt voor time-lapse-beeldvorming, omdat enige fototoxiciteit wordt geassocieerd met fluorescentiebeeldvorming, zelfs via een draaiende schijf. Omdat kralen na verloop van tijd bezinken, produceert een omgekeerde microscoop minder horizontale kraaldrift dan een rechtopstaande en is het meer geschikt voor films. Het gebruik van gesmolten VALAP om dia’s af te dichten is belangrijk omdat stoffen zoals nagellak de vorming van komeet verstoren. Grote hoeveelheden VALAP kunnen in een bekerglas worden gemaakt en vervolgens worden geschept om kleinere bekers bij te vullen die vatbaarder zijn voor snel smelten. VALAP is jarenlang goed bij kamertemperatuur.
Een ander belangrijk technisch aspect is een zorgvuldige buffer- en motiliteitsmixvoorbereiding. Voorzichtigheid is geboden bij het bereiden van MB13, met name bij de pH-aanpassingsstap. De pH van MB13 moet snel worden aangepast naar neutraal met NaOH om ATP-hydrolyse te voorkomen, maar niet te snel als de EGTA solubilizeert naarmate de pH neutraal nadert. EGTA is een belangrijk ingrediënt omdat het het calcium complexeert dat gebonden is aan actine, waardoor in de motiliteitsmix de actievere magnesiumvorm16 ontstaat. MB13 te snel of te langzaam voorbereid geeft suboptimale komeetvorming of zelfs helemaal geen. Een bijkomend belangrijk punt is om de KCl-concentratie in de motiliteitsmix zorgvuldig bij te houden bij het spelen met omstandigheden. Bijvoorbeeld, bij gebruik van 1x MB13 in de reactiemix en verdunning van profiline, capping eiwit en het Arp2/3-complex in MB13, is de uiteindelijke KCl-concentratie in de motiliteitsreactie ongeveer 40-50 mM als gevolg van verdunning door G-buffer. Deze concentratie geeft de beste resultaten in de komeettest, en meer dan 60 mM KCl vermindert de Arp2/3 complexe nucleating activiteit.
Aan de eiwitkant van de dingen is een cruciaal technisch aspect van het verkrijgen van actinekometen een goede behandeling van commerciële actinebindende eiwitten, in het bijzonder nauwkeurige pipettering van microliterhoeveelheden. De lineariteit van de Bradford-standaardcurve is een goede test van pipetteren en de curve kan vervolgens worden gebruikt voor routinematige metingen van eiwitconcentraties. Bij het gebruik van geresuspendeerde commerciële eiwitten voor de komeetprocedure is het inderdaad belangrijk om altijd de eiwitconcentraties te verifiëren, omdat batchvariabiliteit en gebruikersfouten tijdens resuspensie kunnen leiden tot verschillen tussen reële en verwachte concentraties. Soms kunnen kleine verschillen in eiwitconcentraties leiden tot de volledige afwezigheid van kometen.
Een ander belangrijk aspect van de hier gepresenteerde methode is het gebruik van profiline-gecomplexeerde G-actine als brandstof voor polymerisatie. Historisch gezien gebruikten in vitro systemen pre-gepolymeriseerde filamenteuze actine (F-actine) als actinebron: depolymerisatie in de bulk gevoede polymerisatie op het oppervlak10,17. Dit had het voordeel dat het G-actineniveaus controleerde, maar voegde een laag complexiteit toe die extra componenten nodig had om depolymerisatie te katalyseren. Aangezien de omzet van het actinenetwerk niet noodzakelijk is voor de productie van kracht en motiliteit, die worden gevoed door nucleatie en polymerisatie aan het oppervlak van de kraal, terwijl actine-depolymerisatiefactoren zoals ADF / cofilin werken op de verouderde netwerken ver van het oppervlak18, wordt de meeste in vitro reconstitutie van actine-gebaseerde motiliteit nu gedaan zonder omzet voor eenvoud. Er zijn echter enkele nadelen aan het gebruik van G-actine. Ten eerste, bij het gebruik van commerciële actine, dat is gelyofiliseerd, zijn oligomeren aanwezig. De hier beschreven depolymerisatiestappen zijn erg belangrijk voor het verkrijgen van reproduceerbare resultaten. In het bijzonder, hoewel G-buffer traditioneel wordt aangepast aan pH 8, lijkt een lagere pH (bijvoorbeeld pH 7) beter te werken in de in dit artikel beschreven testen, mogelijk omdat een lage pH depolymerisatie verbetert19. Een ander nadeel van het gebruik van G-actine is dat eenmaal geplaatst in zoutomstandigheden die tolerant zijn voor polymerisatie, spontane nucleatie optreedt en F-actine zich vormt in de bulk en op het kraaloppervlak. Het complexeren van G-actine met profiline onderdrukt spontane nucleatie in de bulk en puntige eindpolymerisatie, waardoor zowel nucleatie als prikkeldraad-endpolymerisatie aan het oppervlak wordt gericht20. Profilin-G-actine is fysiologisch relevant, omdat veel van het actine in de cel in deze vorm aanwezig is21. Hier wordt een 1:1 verhouding van profilin:actine gebruikt; hogere verhoudingen (bijvoorbeeld 3:1) remmen echter de polymerisatie in de bulk grondiger, hoewel hogere verhoudingen ook het Arp2/3-complex en de prikkeldraadeindverlenging tot op zekere hoogte remmen22,23.
Aftoppingsactiviteit is ook de sleutel voor komeetvorming, omdat het zorgt voor het inbrengen van nieuwe actine aan het oppervlak via cycli van nucleatie door oppervlakte-geactiveerd Arp2/3-complex24,25. Zonder afdekken breken actinewolken de symmetrie om kometen te vormen niet, omdat polymerisatie aan het oppervlak niet genoeg spanning opbouwt om de wolk open te breken26. In het verleden hebben we zelfgezuiverd recombinant muisafdekeiwit13 gebruikt, maar tests die voor dit artikel zijn uitgevoerd, geven aan dat commercieel verkrijgbaar recombinant humaan capping-eiwit even effectief is, net als commercieel verkrijgbaar gelsolin, hoewel 10x meer gelsolin moet worden gebruikt, en voor bepaalde toepassingen is het misschien niet geschikt omdat het actine-scheidende activiteit heeft en27.
Ten slotte ligt de robuustheid van deze methode in het gebruik van een zeer actieve Arp2/3 complexe activator, streptavidin-pVCA (SpVCA)28. SpVCA omvat het profiline-G-actine bindingsdomein van WASP (het p-domein) naast het Arp2/3 complexe bindingsdomein, omdat dit het meest efficiënt blijkt te zijn in profiline-G-actine condities29. Wat nog belangrijker is, het gebruik van de streptavidin-tag, oorspronkelijk geïntroduceerd om oppervlaktefunctionalisatie via de biotine-streptavidin-link mogelijk te maken, heeft het extra effect van het verhogen van de Arp2/3-complexactivering, vermoedelijk vanwege het feit dat streptavidin een tetrameer is en dus de activator clustert, waarvan bekend is dat deze de Arp2/3-complexe activiteit verhoogt30 . Commercieel geproduceerde SpVCA is momenteel in ontwikkeling en zal binnenkort beschikbaar zijn voor aankoop. Verder moet worden opgemerkt dat, hoewel 40 μL van 2 μM SpVCA routinematig wordt gebruikt om 3 cm2 van het kraaloppervlak te coaten, andere coatingconcentraties (hoger en lager) ook werken, en spelen met deze omstandigheden geeft verschillende komeetgroeisnelheden en morfologieën. Inderdaad, wanneer kometen zich niet vormen of de komeetgrootte niet homogeen is op de dia, moeten verschillende coatingomstandigheden worden getest, evenals verschillende KCl- en profilineconcentraties in de motiliteitsmix. De concentraties van actine, Arp2/3-complex en capping-eiwit in de motiliteitsmix kunnen ook worden gewijzigd om de vorming van komeet te optimaliseren, maar in onze handen geeft het veranderen van deze verhoudingen vaak verwarrende resultaten.
Tot slot produceren de hier beschreven methoden actineassemblage op kraaloppervlakken en beweeglijkheid, maar elk oppervlak dat met SpVCA kan worden gefunctionaliseerd, kan worden gebruikt. In gevallen waarin adsorptie zoals hier beschreven niet werkt, kan het streptavidin-deel worden gebruikt om SpVCA na biotinylering aan het interesseoppervlak te bevestigen. De aldus gevormde actinestructuren, kometen of anderszins, kunnen worden gebruikt voor het testen van verschillende biochemische en biofysische aspecten van actinenetwerken en zijn vooral geschikt voor fysieke manipulaties met micropipettes, optische pincetten en laserablaties 15,26,31,32. Naast het gebruik ervan voor de onderzoeksgemeenschap, is de hier beschreven aanpak geschikt als een leermiddel voor niet-gegradueerde biofysicastudenten om actieve materieconcepten zoals symmetriebreuk en zelforganisatie te bestuderen.
The authors have nothing to disclose.
We danken de leden van ons nieuwe huis bij LPENS oprecht voor hun warme welkom, en in het bijzonder het ABCDJ-team voor al hun hulp en steun. J.P. erkent financiële steun van de Stichting ARC (Grant PJA 20191209604) en C.S. erkent financiële steun van de Human Frontiers Science Program Organization (Grant RGP0026/2020).
Actin, rabbit muscle, Alexa Fluor 488 conjugate | Invitrogen (ThermoFisher Scientific) | A12373 (recently discontinued) | This product can be replaced with ATTO-488 actin from Hypermol. |
Actin, rabbit muscle, ATTO-488 | Hypermol | 8153 | |
Actin, rabbit skeletal muscle | Cytoskeleton | AKL99 | |
Arp2/3 complex | Cytoskeleton | RP01P | |
ATP | Sigma | A7699 | |
BioSpectrometer, basic | Eppendorf | 035739 | |
Bradford Reagent | Bio-Rad | 500-0006 | |
BSA, high quality | Sigma | A3059 | |
BSA standard 2 mg/mL (Pierce) | Thermo Scientific | 23209 | |
Capping protein (a1b2, mouse recombinant) | Home-purified (Reference 13) | This product will soon be commercially available from Cytoskeleton. | |
Capping protein (a1b2, human recombinant) | Hypermol | 8322 | |
Cube, GFP: U-MNIBA3 or U-MWB2 | Olympus | discontinued | Any GFP cube, adapted to the microscope being used, can be used. |
Dry block, agitating: ThermoMixer C (refrigerated) | Eppendorf | 035963 | |
** with SmartBlock, 24 microtubes 2 mL | Eppendorf | 035969 | |
Gelsolin (human recombinant, His-tagged) | Cytoskeleton | HPG6 | |
Lanolin | Sigma | 49909 | |
Microcentrifuge 5427R + rotor | Eppendorf | 934126 | |
Microscope, upright: BX51 | Olympus | discontinued | Any epifluorescence upright microscope equipped with phase contrast optics can be used. |
Microscope, inverted: IX70 | Olympus | discontinued | Any epifluorescence inverted microscope equipped with phase contrast optics can be used. |
Paraffin | Sigma | 76244 | |
Petroleum jelly: Vaseline | Sigma | 16415 | |
Pipettes Research Plus | Eppendorf | Gilson pipettes don't work as well for delivery of very small volumes (0.5 µL for example). | |
**10 µL | 933954 | ||
**2.5 µL | 933953 | These two sizes are essential, but the use of high-quality pipettes (a full Research Plus set for example) is recommended. | |
Polystyrene carboxylate beads | Polysciences | ||
**approx. 1 µm diameter | 08226 | ||
**approx. 4.5 µm diameter | 17140-5 | ||
Profilin 1 (human recombinant, untagged) | Cytoskeleton | PR02 | |
SpVCA (human WASP pVCA domain, N-ter His-tag, C-ter Streptavidin tag) | Home-purified (Reference 14) | This product will soon be commercially available from Cytoskeleton. | |
VCA (human WASP VCA domain, GST-tagged) | Cytoskeleton | VCG03 |