This article was supported by Award Number R01GM087227 from the National Institute of General Medical Sciences, the Norman Ackerman Advanced Research Program, and the Robert A. Welch foundation (Grant A-1769).

1. SPPS: CK (TMR) TATG (fTAT) Sintesi Nota: dfTAT viene prodotta in due fasi: sintesi del monomero da fTAT solida sintesi del peptide fase seguita da disolfuro dimerizzazione legame per formare dfTAT. <ol><li> Swell 500 mg di pista di ammide resina MBHA in dimetilformammide (DMF) in una da 50 ml SPPS nave standard per 1 ora. </li><li> Eseguire Fmoc deprotezione incubando resina protetto Fmoc in una soluzione di piperidina 20% (20% piperidina in DMF, 10 ml (0.30 mmoli). Eseguire i punti deprotezione doppio (1 x 5 min e 1 x 15 min) con una fase di lavaggio usando DMF (la fase di lavaggio comprende risciacquo resina più volte con un volume totale di circa 150 ml di DMF e allontanando il solvente per filtrazione sotto vuoto) in tra le reazioni. </li><li> Sintetizzare CK (TMR) RKKRRQRRRG (fTAT) sulla pista di ammide di resina MBHA. Utilizzare il seguente Fmoc protetta aminoacidi: Fmoc-Lys (MTT) -OH (solo su N-terminale), Fmoc-Lys (Boc) -OH, Fmoc-Gly-OH, Fmoc-Arg (Pbf) -OH, Fmoc- solln (Trt) -OH, e Fmoc-Cys (Trt) -OH. Effettuare la reazione con N 2 (20 PSI) per agitare la reazione. Eseguire tutte le reazioni a temperatura ambiente. <ol><li> Eseguire ogni aminoacido reazione di accoppiamento per 4 ore. Per ogni accoppiamento, utilizzare il Fmoc protetta aminoacido (1,2 mmol), N, N, N &#39;, N&#39; -Tetramethyl- O- (1 H -benzotriazol-1-il) uronium esafluorofosfato (HBTU) (0,44 g, 1,1 mmol ) e diisopropiletilammina (DIEA) (0,51 ml, 3,0 mmoli) sciolto in DMF. Dopo l&#39;accoppiamento 4 ore, lavare la resina con DMF e eseguire la fase di deprotezione Fmoc come descritto al punto 1.2. </li><li> Ripetere fino a quando la catena peptide lineare di fTAT: è stato sintetizzato (catena peptidica lineare CKRKKRRQRRRG senza TMR). </li><li> Lavare quindi accuratamente utilizzando resina primo DMF e dopo che con diclorometano (DCM). Risciacquare la resina più volte con un volume totale di circa 150 ml di DMF o DCM e rimuovere il solvente sotto vuoto per filtrazione. </li><li> Use MALDI-TOF per confermare che il peptide ottenuta ha il peso molecolare corretto. <ol><li> Fare un mix matrice aggiungendo 1 mg di matrice per una soluzione composta da 50 ml di 0,01% TFA in soluzione acqua e 50 ml di acetonitrile. </li><li> Per confermare massa catena peptide lineare, utilizzare l&#39;acido α-ciano-4-idrossicinnamico. Eseguire un HPLC analitica del peptide grezzo e raccogliere 50 microlitri dalla sommità del picco puro. </li><li> Per preparare il campione per placcare sulla piastra MALDI: Aggiungere 8 ml di peptide 2 microlitri della soluzione di matrice e posto sulla piastra MALDI asciugare all&#39;aria o su una piastra di calore 37 ° C. Nota: Arginina è noto per essere un acido difficile coppia SPPS amino. Accoppiamento di successo è stabilita eseguendo un test Kaiser 14 (test ad esempio, ninidrina). Questo test consente la rilevazione di ammine libere che potrebbero rimanere sganciato sulla resina. Nel caso venga rilevato un colore blu (indicativo della presenza di ammine libere), accoppiamento steps si ripetono. </li></ol></li></ol></li><li> Per CK (-NH-TMR) TATG (fTAT), unirà il gruppo protettore Mtt il gruppo ammino di Lys su CK (-NH-MTT) TATG con una soluzione composta di acido 1% trifluoroacetico (TFA) e il 2% triisopropylsilane (TIS) in DCM. <ol><li> Poiché la rimozione del gruppo protettivo MTT determinerebbe la comparsa di un colore giallo, incubare la resina con 20 ml della soluzione di cui sopra per 5 min, ripetere questo fino è osservato nessun colore giallo. Lavare la resina con DCM e DMF in mezzo. Inoltre poiché TIS è uno scavenger che pulire la MTT, una volta nessun colore giallo appare nella soluzione in presenza di MTT. </li><li> Aggiungere una soluzione supplementare con 1% TFA in DCM (senza TIS) alla resina per assicurare più MTT viene rimosso e la soluzione rimane chiaro. </li></ol></li><li> Sciogliere i tre componenti: Carboxytetramethylrhodamine (TMR), HBTU, e DIEA (4, 3,9 e 10 equivalenza rispetto alla quantità di resina (in mg)) in DMF e aggiungere questa miscelaalla resina ed effettuare la reazione O / N con N 2 a secco per fornire agitazione. </li><li> A seguito di Fmoc-deprotezione e aminoacidi coniugazione, lavare la resina con DCM e lasciarlo asciugare. Per una completa scissione del peptide dalla resina, aggiungere una soluzione contenente 92,5% TFA, 2,5% H 2 O, 2,5%, TIS, e 2,5% etanditiolo (EDT) (volume totale = 4 ml) alla peptidil-resina per 3 ora a RT per ottenere deprotezione globale e clivaggio dalla resina. <ol><li> Precipitare il prodotto grezzo mediante peptide fredda etere etilico anidro (Et 2 O) drenando la soluzione dal punto 1.6 in 40 ml di Et 2 O, girare questo giù a 4 ° C e 4.000 xg per 20 - 25 min. Ripetere questo passaggio per permettere il lavaggio del precipitato con anidro freddo Et 2 O. </li><li> Risospendere i precipitati in acqua (5 ml o fino a quando precipitato è completamente disciolto) e liofilizzato. Poi risospendere i prodotti ottenuti in 0.1% acquoso TFA / acetonitrile. </li></ol></li> &lt;li&gt; Effettuare analisi HPLC con una colonna analitica C18 (5 micron, 4 x 150 mm) per analizzare ogni peptide. Utilizzare una portata di 1 ml / min, e la rilevazione a 214 nm e 550 nm. </li><li> Eseguire HPLC semi-preparativa su una C18 10 x 250 mm di colonna per la purificazione dei peptidi. Utilizzare una velocità di flusso di 4 ml / min, e la rilevazione a 214 nm e 550 nm. Per tutte le corse, utilizzare gradienti lineari di 0,1% TFA acquoso (solvente A) e 90% acetonitrile, 9,9% di acqua, e 0,1% TFA (solvente B). </li><li> Confermare la corretta identità dei peptidi mediante MALDI-TOF secondo il protocollo del produttore: fTAT, di massa previsto: 2,041.17, massa osservato: 2.040,66. DEAC-K9, di massa previsto: 1,412.97, ha osservato di massa: 1,415.59. Utilizzare una matrice di acido ciano-4-idrossicinnamico α- per la MALDI-TOF. </li></ol> 2. Ossidazione Reazione: dfTAT Generation <ol><li> Aerare tampone fosfato salino (PBS) pH 7,4 per 1 ora (almeno 5 ml per la reazione di seguito). </li><li> Sciogliere fTAT (0,3 mg, 1,5 x 10 -4 mmol) in aerated PBS pH 7,4 (5 ml). Assicurarsi che il pH è compreso tra 7.0 - 7.5 dopo l&#39;aggiunta del peptide. Se non aggiungere idrossido di sodio (1 M, in piccoli incrementi 1 - 5 ml) per portare il pH a 7,4 backup. </li><li> Nota: ossigeno disciolto in PBS agisce per ossidare i gruppi tiolo su fTAT e formare un legame disolfuro. </li><li> Nutate la reazione O / N per lasciare agire fino al completamento (100% resa sulla base dell&#39;analisi HPLC). Purificare il prodotto mediante HPLC in fase inversa e analizzare mediante spettrometria di massa (MALDI-TOF) come al punto 1.9. Massa prevista: 4,080.34, ha osservato di massa: 4,084.21. </li><li> Lyophilize puro dfTAT (0,71 mmol x10 -4) e risospendere in 200 ml di acqua (concentrazione puro dfTAT = 356,3 micron). </li></ol> 3. Misurare dfTAT Concentrazione <ol><li> Risospendere una aliquota della purificato dfTAT (tipicamente 1 ml a seconda della quantità di peptide purificato) in 149 ml di 50 mM soluzione TCEP. </li><li> Nota: In questo passaggio dfTAT è ridotto alla sua monomer controparte fTAT per eliminare la tempra assorbanza che si verifica a causa della vicinanza del fluoroforo TMR in dfTAT (il ε coefficiente di estinzione del TMR in dfTAT è ridotto rispetto al ε di TMR in riduzione fTAT). </li><li> Lasciare il campione reagire per circa 20 min (HPLC analitica può essere utilizzato per confermare la formazione di fTAT). </li><li> Aggiungere tutta la soluzione nella cuvetta di quarzo e misurare l&#39;assorbanza a 556 nm. </li><li> Utilizzando la legge di Beer (A = εcl: ε = 91.500 M -1 cm -1) per calcolare la concentrazione di fTAT, determinare la concentrazione di dfTAT, e dividere [fTAT] per due. </li></ol> 4. cellulari Esperimenti di consegna <ol><li> Seme le cellule (HeLa, HDF, ecc.) In un piatto in un confluenza di 80-90% (ad esempio, ben 8 o 24 pozzetti piatto). Crescere le cellule in un mezzo appropriato (ad esempio, DMEM supplementato con 10% FBS e Pen / Strep) sino a 80 - 90% di confluenza in un 37 ° Catmosfera umidificata contenente il 5% di CO 2. </li><li> Lavare le cellule tre volte (3x) con PBS (aggiungendo 200 ml di PBS e quindi rimuovendo tre volte). </li><li> Fare un 5 micron concentrazione di lavoro di dfTAT diluendo uno stock di dfTAT (in acqua) in NRL-15 supporti (per un 8 pozzo piatto il volume totale dovrebbe essere di 200 ml). Una concentrazione di 5 mM dfTAT conduce consegna efficiente (elevato livello di consegna citosolico in più del 90% di cellule presenti in un piatto) nella maggior parte dei tipi cellulari testate finora (figura 3). Tuttavia, concentrazioni inferiori o superiori possono essere più adeguato per tipi di cellule con una propensione alto o basso per la penetrazione. NOTA SULLA MEDIA: NRL-15 viene utilizzato per la consegna di dfTAT in quanto non contiene cisteina, che potrebbe ridurre il legame disolfuro di dfTAT. Tuttavia, i nostri dati indicano che sia regolare L-15 (con cisteina) e DMEM può essere utilizzato come dispositivo di consegna. L-15 contiene la riduzione cisteina ma presumab cisteinaly ossida nei media per formare cistina (DMEM è formulato con cistina). dfTAT rimane quindi intatto in questi mezzi e consegna lavora la stessa efficienza di quella ottenuta con nrL15. </li><li> Incubare le cellule con dfTAT (5 mM) con o senza carico (ad es., EGFP (10 pM)) e mantenerlo a 37 ° C per 1 ora (tempo di incubazione può essere ridotto ma dfTAT genere richiede circa 30 a 45 minuti per indurre perdite endosomiale ). </li><li> Lavare le cellule con eparina (1 mg / ml) in L-15 (3 lavaggi sono raccomandati) per rimuovere dfTAT legato alla membrana plasmatica delle cellule. </li><li> Incubare le cellule con macchia di nuclei di cellule-impermeabili, ad es., Sytox Blu, Sytox Verde (2 micron di NRL-15), per determinare se la membrana plasmatica delle cellule è compromessa (cellule morte saranno colorate mentre le cellule vive non) secondo protocollo del produttore. </li><li> Celle di immagine usando un microscopio a fluorescenza (100X immersione in olio o obiettivo 20X). Immagine dfTAT utilizzando un filtro RFP (Ex =560 ± 20 nm / Em = 630 ± 35 nm). Nota: Il raggiungimento conduce ad una fluorescenza diffusa dfTAT tutta la cella (valutare la fornitura di proteina o peptide di interesse dipenderà dall&#39;applicazione). La colorazione dei nucleoli da fTAT (il prodotto ridotto dfTAT all&#39;entrata citosolico) può essere usato come indicazione che la fluorescenza intracellulare è rilevato. fTAT si degrada entro poche ore. A questo punto, la fluorescenza dei frammenti di degradazione apparirà come puntata. Questo non deve essere confuso per la distribuzione puntiforme che si vede anche se dfTAT rimane senza successo, intrappolato dentro endosomi (questo può accadere se dfTAT è presente troppo bassa di una concentrazione). </li></ol> 5. Controling Concentrazione di MOI Consegnato <ol><li> Identificare la concentrazione &quot;consegna ottimale&quot; necessaria per ottenere efficiente rilascio citosolico della dfTAT nel tipo cellulare utilizzato. Eseguire microscopia a fluorescenza su cellule incubate con increasing concentrazioni di dfTAT. La concentrazione ottimale dfTAT è definita come la concentrazione minima che porta a respingere citosolico &quot;diffuse&quot; TMR fluorescence in circa il 100% delle cellule in una coltura. </li><li> Variare la concentrazione di MOI utilizzato in co-incubazione protocollo mantenendo costante la concentrazione di dfTAT (ad esempio, utilizzando la concentrazione ottimale di consegna dfTAT). Modifica del tempo di incubazione a meno di 1 ora può essere anche una possibilità di variare la quantità di MOI consegnato. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Le cellule utilizzate per la consegna dfTAT non dovrebbe essere eccessivamente confluenti (&gt; 90% di confluenza), poiché questo potrebbe influenzare l&#39;efficienza di consegna. Le cellule dovrebbero anche essere in buona salute: le cellule morte nella cultura possono rilasciare frammenti apoptotici con cui dfTAT può interagire (ad esempio, il DNA dai nuclei degradate). Questo a sua volta può interferire con efficienza di consegna e la qualità delle immagini. Le cellule devono essere lavati accuratamente...

La consegna di proteine, peptidi o piccole molecole cellulari impermeabili in cellule vive è spesso desiderabile in molte applicazioni biologiche o biotecnologiche (di imaging cellulare, test funzionali, riprogrammazione cellulare, ecc.) 1-4. Molti approcci di consegna sono già stati segnalati, tra cui la microiniezione, elettroporazione, o l&#39;uso di agenti portanti (ad es., Peptidi cellule penetrante, come TAT, lipidi) 5-7. Ogni tecnica ha tipicamente pro e contro specifici che potrebbero rendere questi approcci adeguati per determinate applicazioni, ma non per gli altri. Problemi comuni riguardano l&#39;efficienza di consegna poveri e / o la mancanza di controllo di quanto materiale viene consegnato 8,9, tossicità o impatto fisiologico deleterio 10,11, la mancanza di controllo temporale, consegna in poche cellule, ma non in un intero popolo (ad es., microiniezione) 12, e complessi coniugazione chimica o formulazione regimi 11. s = &quot;jove_content&quot;&gt; Di recente, abbiamo sviluppato una strategia di consegna romanzo che elude queste limitazioni. Questa strategia si basa su un peptide chiamato dfTAT (dimero TAT fluorescente) 13. dfTAT deriva dal peptide ben sanno cellule penetrante (CPP) TAT. dfTAT contiene due copie disolfuro incollato di TAT etichettati con il tetrametilrodamina fluoroforo. Nonostante le loro somiglianze, TAT e dfTAT differiscono in modo significativo in attività. TAT è tipicamente internalizzato nelle cellule per endocitosi. Questo CPP rimane tuttavia per lo più intrappolato dentro endosomi (questo di solito porta ad una distribuzione puntiformi del peptide all&#39;interno delle cellule, se esaminato al microscopio a fluorescenza). Come TAT, dfTAT è efficacemente endocitato dalle cellule. Tuttavia, dfTAT non rimane intrappolato all&#39;interno endosomi. Invece, essa media perdite endosomal in un modo che è estremamente efficiente. L&#39;attività di endosomolytic dfTAT può essere sfruttata per fornire macromolecole da un semplice saggio di incubazione. S copi &quot;&gt; L&#39;attuale comprensione del processo di consegna è il seguente. dfTAT induce macropinocitosi. Di conseguenza, le cellule incubate con dfTAT occupano proteine ​​solubili, peptidi, o piccole molecole (molecole di interesse, MOI) presenti in media da parte di fase fluida endocitosi (vedi Figura 1). Interazioni tra dfTAT e MOI non sono necessari fino a quando sia il traffico entità insieme all&#39;interno del percorso endocitico. Come dfTAT raggiunge una determinata soglia all&#39;interno del lume di organelli endocitiche, esprime la sua attività perdite endosomal (i dettagli molecolari restano essere pienamente caratterizzato). Il contenuto del lume di organelli dispersioni, e quindi il MOI, viene poi rilasciato nelle cellule. Questo approccio è quindi molto conveniente come non sono richieste coniugazione o formulazione regimi con MOI. Inoltre, perché dfTAT è Non modificare direttamente una MOI, non dovrebbe interferire con la funzione MOI volta consegna intracellulare è raggiunto. Inoltre, la concentrazione didfTAT utilizzato consegna è indipendente da quello del MOI in media. Ad esempio, la concentrazione dfTAT può essere mantenuta costante tra i diversi esperimenti per garantire l&#39;efficienza riproducibili in perdite endosomal. Al contrario, la concentrazione di MOI nei media può essere gradualmente modificata per raggiungere livelli desiderati di MOI consegnato nel citoplasma. L&#39;alta efficienza di dispersione endosomal realizzato con dfTAT è notevolmente innocuo a molte delle cellule esaminate fino ad oggi. Si tratta di una sorpresa perché organelli endocytic sono componente importante delle cellule e ci si aspetterebbe che la perdita drammatica mediata da dfTAT sarebbe stato accompagnato da risposte cellulari deleteri. Eppure, cellule trattate proliferano alla stessa velocità come cellule non trattate e non visualizzano i cambiamenti significativi nella loro trascrittoma. Inoltre, la consegna può essere ripetuto in pochi minuti con l&#39;efficienza di consegna riproducibili, indicando che le cellule possono sia tollerare o recuperare dal processo di consegna, senza perderela loro capacità di endocitosi o perdite endosomal. Risposte cellulari sottili potrebbero aver luogo durante la consegna dfTAT e i dettagli molecolari di ciò che queste risposte potrebbero essere ancora essere esplorate. Tuttavia, combinando ad alta efficienza, la convenienza di protocolli, e la mancanza di tossicità, questo approccio consegna risulti immediatamente utili in molte applicazioni basati su celle. I protocolli qui presentati hanno lo scopo di rendere questa tecnologia accessibile alla comunità di ricerca.

<table><tbody><tr><td>Heparin&amp;nbsp;</td><td>Sigma</td><td>CAS 9041-08-1</td><td></td></tr><tr><td>SYTOX Blue</td><td>Invitrogen</td><td>S11348</td><td></td></tr><tr><td>SYTOX Green</td><td>Invitrogen</td><td>S7020</td><td></td></tr><tr><td>nrL15 L-15 (&amp;ndash;) cysteine</td><td>Hyclone</td><td></td><td>Special order</td></tr><tr><td>Fmoc-protected Amino acids</td><td>Novabiochem</td><td></td><td></td></tr><tr><td>dfTAT</td><td></td><td></td><td>Samples will be provided upon request (contact: pellois@tamu.edu)</td></tr><tr><td>Biosafety Cabinet</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Inverted epifluorescence microscope</td><td>Olympus</td><td>model IXB1</td><td>equipped with a heating stage maintained at 37 &amp;deg;C and with a Rolera-MGI Plus back-illuminated electron-multiplying charge-coupled device (EMCCD) camera (Qimaging).&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>37 &amp;deg;C humidified, 5% CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; incubator</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Peptide synthesizer or vessel to preform manual peptide synthesis</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

delivery of proteins, peptides or cell-impermeable small molecules into live cells by incubation with the endosomolytic reagent dftat

Strategie di consegna macromolecolari in genere utilizzano il percorso endocitica come una via di ingresso cellulare. Tuttavia, endosomal intrappolamento limita fortemente l&#39;efficienza con cui macromolecole penetrare il locale citosolico di cellule. Recentemente, abbiamo aggirato il problema individuando il reagente dfTAT, un dimero legame disolfuro della TAT peptide marcato con il fluoroforo tetrametilrodamina. Abbiamo generato un dimero fluorescente della cellula-penetrante peptide (CPP) TAT prototipo, dfTAT, che penetra cellule vive e raggiunge lo spazio citosolico di cellule con una particolarmente alta efficienza. Consegna citosolico di dfTAT è raggiunto in linee cellulari multiple, comprese le cellule primarie. Inoltre, la consegna non influisce notevolmente la vitalità cellulare, la proliferazione e l&#39;espressione genica. dfTAT in grado di fornire piccole molecole, peptidi, anticorpi, enzimi biologicamente attivi e un fattore di trascrizione. In questo rapporto, si descrivono i protocolli coinvolti nella DFTASintesi T e consegna cellulare. Il manoscritto descrive come controllare la quantità di proteine ​​consegnato allo spazio citosolico di cellule variando la quantità di proteina somministrata extracellulare. Infine, gli attuali limiti di questa nuova tecnologia e passaggi necessari per la validazione di consegna sono discussi. I protocolli descritti devono essere estremamente utili per saggi cellulari e per la manipolazione ex vivo e riprogrammazione delle cellule.

Per valutare la differenza tra fTAT e dfTAT, cellule HeLa sono incubate per 1 ora con ogni peptide per determinare la differenza nella loro localizzazione cellulare. L&#39;internalizzazione dei due CPP del è stata valutata utilizzando la microscopia a fluorescenza. La figura 2 mostra che fTAT (20 micron) localizza in una distribuzione puntata. Questa distribuzione è coerente con il peptide rimanendo intrappolata all&#39;interno endosomi. Al contrario, il segnale di fluorescenza di dfTAT (5 mM) mostra ...

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Delivery of Proteins, Peptides or Cell-impermeable Small Molecules into Live Cells by Incubation with the Endosomolytic Reagent dfTAT

We describe how to deliver proteins and cell-impermeable small molecules into cultured mammalian cells by a simple co-incubation protocol with a reagent that causes endocytic organelles to become leaky.

Consegna di proteine, peptidi o cella-impermeabile piccole molecole in cellule vive mediante incubazione con il reagente Endosomolytic dfTAT

Macromolecular delivery strategies typically utilize the endocytic pathway as a route of cellular entry. However, endosomal entrapment severely limits the ...

delivery-proteins-peptides-or-cell-impermeable-small-molecules-into

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.2K Views.  Texas A&M University. We describe how to deliver proteins and cell-impermeable small molecules into cultured mammalian cells by a simple co-incubation protocol with a reagent that causes endocytic organelles to become leaky. 

Video: Delivery of Proteins, Peptides or Cell-impermeable Small Molecules into Live Cells by Incubation with the Endosomolytic Reagent dfTAT

Production of Disulfide-stabilized Transmembrane Peptide Complexes for Structural Studies

Physical interactions among the lipid-embedded alpha-helical domains of membrane proteins play a crucial role in folding and assembly of membrane protein complexes and in dynamic processes such as transmembrane (TM) signaling and regulation of cell-surface protein levels. Understanding the structural features driving the association of particular sequences requires sophisticated biophysical and biochemical analyses of TM peptide complexes. However, the extreme hydrophobicity of TM domains makes them very difficult to manipulate using standard peptide chemistry techniques, and production of suitable study material often proves prohibitively challenging. Identifying conditions under which peptides can adopt stable helical conformations and form complexes spontaneously adds a further level of difficulty. Here we present a procedure for the production of homo- or hetero-dimeric TM peptide complexes from materials that are expressed in E. coli, thus allowing incorporation of stable isotope labels for nuclear magnetic resonance (NMR) or non-natural amino acids for other applications relatively inexpensively. The key innovation in this method is that TM complexes are produced and purified as covalently associated (disulfide-crosslinked) assemblies that can form stable, stoichiometric and homogeneous structures when reconstituted into detergent, lipid or other membrane-mimetic materials. We also present carefully optimized procedures for expression and purification that are equally applicable whether producing single TM domains or crosslinked complexes and provide advice for adapting these methods to new TM sequences.

Biophysical and biochemical studies of interactions among membrane-embedded protein domains face many technical challenges, the first of which is obtaining appropriate study material. This article describes a protocol for producing and purifying disulfide-stabilized transmembrane peptide complexes that are suitable for structural analysis by solution nuclear magnetic resonance (NMR) and other analytical applications.

Produzione di disolfuro-stabilizzati peptide transmembrana per gli studi strutturali

Physical  interactions among the lipid-embedded alpha-helical domains of membrane  proteins play a crucial role in folding and assembly of membrane ...

Ricerca

Chimica

Cell Squeezing as a Robust, Microfluidic Intracellular Delivery Platform

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This technology has shown potential in addressing previously challenging applications; including, delivery to primary immune cells, cell reprogramming, carbon nanotube, and quantum dot delivery. This vector-free microfluidic platform relies on mechanical disruption of the cell membrane to facilitate cytosolic delivery of the target material. Herein, we describe the detailed method of use for these microfluidic devices including, device assembly, cell preparation, and system operation. This delivery approach requires a brief optimization of device type and operating conditions for previously unreported applications. The provided instructions are generalizable to most cell types and delivery materials as this system does not require specialized buffers or chemical modification/conjugation steps. This work also provides recommendations on how to improve device performance and trouble-shoot potential issues related to clogging, low delivery efficiencies, and cell viability.

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This protocol provides detailed steps on how to use the system for a broad range of applications.

Spremere cellulare come un robusto, Microfluidic intracellulare Delivery Platform

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This ...

Bioingegneria

Detergent-assisted Reconstitution of Recombinant Drosophila Atlastin into Liposomes for Lipid-mixing Assays

Membrane fusion is a crucial process in the eukaryotic cell. Specialized proteins are necessary to catalyze fusion. Atlastins are endoplasmic reticulum (ER) resident proteins implicated in homotypic fusion of the ER. We detail here a method for purifying a glutathione S-transferase (GST) and poly-histidine tagged Drosophila atlastin by two rounds of affinity chromatography. Studying fusion reactions in vitro requires purified fusion proteins to be inserted into a lipid bilayer. Liposomes are ideal model membranes, as lipid composition and size may be adjusted. To this end, we describe a reconstitution method by detergent removal for Drosophila atlastin into preformed liposomes. While several reconstitution methods are available, reconstitution by detergent removal has several advantages that make it suitable for atlastins and other similar proteins. The advantage of this method includes a high reconstitution yield and correct orientation of the reconstituted protein. This method can be extended to other membrane proteins and for other applications that require proteoliposomes. Additionally, we describe a FRET based lipid mixing assay of proteoliposomes used as a measurement of membrane fusion.

Detergent-assisted Reconstitution of Recombinant Drosophila Atlastin into Liposomes for Lipid-mixing Assays

Biological membrane fusion is catalyzed by specialized fusion proteins. Measuring the fusogenic properties of proteins can be achieved by lipid mixing assays. We present a method for purifying recombinant Drosophila atlastin, a protein that mediates homotypic fusion of the ER, reconstituting it to preformed liposomes, and testing for fusion capacity.

Ricostituzione assistita da detergenti della Drosophila ricombinante Atlastin in Liposomi per i saggi che mescolano i lipidi

Membrane fusion is a crucial process in the eukaryotic cell. Specialized proteins are necessary to catalyze fusion. Atlastins are endoplasmic reticulum ...

Biochimica

Electroporation of Functional Bacterial Effectors into Mammalian Cells

The study of protein interactions in the context of living cells can generate critical information about localization, dynamics, and interacting partners. This information is particularly valuable in the context of host-pathogen interactions. Many pathogen proteins function within host cells in a variety of way such as, enabling evasion of the host immune system and survival within the intracellular environment. To study these pathogen-protein host-cell interactions, several approaches are commonly used, including: in vivo infection with a strain expressing a tagged or mutant protein, or introduction of pathogen genes via transfection or transduction. Each of these approaches has advantages and disadvantages. We sought a means to directly introduce exogenous proteins into cells. Electroporation is commonly used to introduce nucleic acids into cells, but has been more rarely applied to proteins although the biophysical basis is exactly the same. A standard electroporator was used to introduce affinity-tagged bacterial effectors into mammalian cells. Human epithelial and mouse macrophage cells were cultured by traditional methods, detached, and placed in 0.4 cm gap electroporation cuvettes with an exogenous bacterial pathogen protein of interest (e.g. Salmonella Typhimurium GtgE). After electroporation (0.3 kV) and a short (4 hr) recovery period, intracellular protein was verified by fluorescently labeling the protein via its affinity tag and examining spatial and temporal distribution by confocal microscopy. The electroporated protein was also shown to be functional inside the cell and capable of correct subcellular trafficking and protein-protein interaction. While the exogenous proteins tended to accumulate on the surface of the cells, the electroporated samples had large increases in intracellular effector concentration relative to incubation alone. The protocol is simple and fast enough to be done in a parallel fashion, allowing for high-throughput characterization of pathogen proteins in host cells including subcellular targeting and function of virulence proteins.

Electroporation was used to insert purified bacterial virulence effector proteins directly into living eukaryotic cells. Protein localization was monitored by confocal immunofluorescence microscopy. This method allows for studies on trafficking, function, and protein-protein interactions using active exogenous proteins, avoiding the need for heterologous expression in eukaryotic cells.

Elettroporazione di effettori batterici funzionali in cellule di mammifero

The study of protein interactions in the context of living cells can generate critical information about localization, dynamics, and interacting partners. ...

Immunologia e infezioni

Engineering Cell-permeable Protein

The protein transduction technique enables the direct delivery of biologically active material into mammalian cells [for review see 1,2]. For this one can make use of the translocating ability of so-called cell penetrating peptides (CPPs), also designated as protein transduction domains (PTDs). The TAT-CPP derived from the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) Tat (trans-activator of transcription) protein has been widely used. The positively charged TAT promotes cell permeability thereby overcoming the barriers of the cellular membrane by endocytosis or/and direct membrane penetration2. In combination with a nuclear localization signal (NLS) fusion proteins are able to enter the nucleus exhibiting functionality. Our video presentation demonstrates, as an exemplification for the engineering of cell-permeable proteins, the construction, production and application of a cell-permeable version of the DNA-modifying enzyme Cre.
Cre is a site-specific recombinase that is able to recognize and recombine 34 base pair loxP sites in mammalian cells in vitro and in vivo. Therefore the Cre/loxP system is widely used to conditionally induce mutations in the genome of living cells3,4. The delivery of active Cre recombinase to cells, however, represents a limitation.
We describe the pSESAME vector system, which allows a direct insertion of the gene-of-interest and provides a platform to rapidly clone different domains and tags used within the vector in a convenient and standardized manner. Rearranging of the different tags has been shown to modify the biochemical properties of the fusion proteins providing a possibility to achieve higher yield and better solubility. We demonstrate how to express and purify recombinant cell-permeant proteins in and from E. coli. The functionality of the recombinant Cre protein is finally validated in cell culture by assessing its intracellular recombinase activity.

Protein transduction enables the direct delivery of biologically active proteins into cells. In contrast to conventional methods such as DNA transfection or viral transduction this non-invasive paradigm allows highly efficient cellular manipulation in a titratable manner circumventing cellular toxicity and the risk of oncogenic transformation by permanent genetic modification.

Ingegneria Cell-permeabile proteine

The protein transduction technique enables the direct delivery of biologically active material into mammalian cells [for review see 1,2]. For this one can ...

Biologia

Measuring Peptide Translocation into Large Unilamellar Vesicles

There is an active interest in peptides that readily cross cell membranes without the assistance of cell membrane receptors1. Many of these are referred to as cell-penetrating peptides, which are frequently noted for their potential as drug delivery vectors1-3. Moreover, there is increasing interest in antimicrobial peptides that operate via non-membrane lytic mechanisms4,5, particularly those that cross bacterial membranes without causing cell lysis and kill cells by interfering with intracellular processes6,7. In fact, authors have increasingly pointed out the relationship between cell-penetrating and antimicrobial peptides1,8. A firm understanding of the process of membrane translocation and the relationship between peptide structure and its ability to translocate requires effective, reproducible assays for translocation. Several groups have proposed methods to measure translocation into large unilamellar lipid vesicles (LUVs)9-13. LUVs serve as useful models for bacterial and eukaryotic cell membranes and are frequently used in peptide fluorescent studies14,15. Here, we describe our application of the method first developed by Matsuzaki and co-workers to consider antimicrobial peptides, such as magainin and buforin II16,17. In addition to providing our protocol for this method, we also present a straightforward approach to data analysis that quantifies translocation ability using this assay. The advantages of this translocation assay compared to others are that it has the potential to provide information about the rate of membrane translocation and does not require the addition of a fluorescent label, which can alter peptide properties18, to tryptophan-containing peptides. Briefly, translocation ability into lipid vesicles is measured as a function of the Foster Resonance Energy Transfer (FRET) between native tryptophan residues and dansyl phosphatidylethanolamine when proteins are associated with the external LUV membrane (Figure 1). Cell-penetrating peptides are cleaved as they encounter uninhibited trypsin encapsulated with the LUVs, leading to disassociation from the LUV membrane and a drop in FRET signal. The drop in FRET signal observed for a translocating peptide is significantly greater than that observed for the same peptide when the LUVs contain both trypsin and trypsin inhibitor, or when a peptide that does not spontaneously cross lipid membranes is exposed to trypsin-containing LUVs. This change in fluorescence provides a direct quantification of peptide translocation over time.

This protocol details a method for the quantitative measure of peptide translocation into large unilamellar lipid vesicles. This method also provides information about the rate of membrane translocation and can be used to identify peptides that efficiently and spontaneously cross lipid bilayers.

Misurazione Traslocazione Peptide in grandi vescicole unilamellari

There is an active interest in peptides that readily cross cell membranes without the assistance of cell membrane receptors1.  Many of these are referred ...

Direct Protein Delivery to Mammalian Cells Using Cell-permeable Cys2-His2 Zinc-finger Domains

Due to their modularity and ability to be reprogrammed to recognize a wide range of DNA sequences, Cys2-His2 zinc-finger DNA-binding domains have emerged as useful tools for targeted genome engineering. Like many other DNA-binding proteins, zinc-fingers also possess the innate ability to cross cell membranes. We recently demonstrated that this intrinsic cell-permeability could be leveraged for intracellular protein delivery. Genetic fusion of zinc-finger motifs leads to efficient transport of protein and enzyme cargo into a broad range of mammalian cell types. Unlike other protein transduction technologies, delivery via zinc-finger domains does not inhibit enzyme activity and leads to high levels of cytosolic delivery. Here a detailed step-by-step protocol is presented for the implementation of zinc-finger technology for protein delivery into mammalian cells. Key steps for achieving high levels of intracellular zinc-finger-mediated delivery are highlighted and strategies for maximizing the performance of this system are discussed.

Direct Protein Delivery to Mammalian Cells Using Cell-permeable Cys2-His2 Zinc-finger Domains

Zinc-finger domains are intrinsically cell-permeable and capable of mediating protein delivery into a broad range of mammalian cell types. Here, a detailed step-by-step protocol for implementing zinc-finger technology for intracellular protein delivery is presented.

Diretto Protein Consegna a cellule di mammifero Utilizzando Cell-permeabile Cys<sub&gt; 2</sub&gt; -Il suo<sub&gt; 2</sub&gt; domini zinc-finger

Due to their modularity and ability to be reprogrammed to recognize a wide range of DNA sequences, Cys2-His2 zinc-finger DNA-binding domains have emerged ...

Imaging FITC-dextran as a Reporter for Regulated Exocytosis

Regulated exocytosis is a process by which cargo, which is stored in secretory granules (SGs), is released in response to a secretory trigger. Regulated exocytosis is fundamental for intercellular communication and is a key mechanism for the secretion of neurotransmitters, hormones, inflammatory mediators, and other compounds, by a variety of cells. At least three distinct mechanisms are known for regulated exocytosis: full exocytosis, where a single SG fully fuses with the plasma membrane, kiss-and-run exocytosis, where a single SG transiently fuses with the plasma membrane, and compound exocytosis, where several SGs fuse with each other, prior to or after SG fusion with the plasma membrane. The type of regulated exocytosis undertaken by a cell is often dictated by the type of secretory trigger. However, in many cells, a single secretory trigger can activate multiple modes of regulated exocytosis simultaneously. Despite their abundance and importance across cell types and species, the mechanisms that determine the different modes of secretion are largely unresolved. One of the main challenges in investigating the different modes of regulated exocytosis, is the difficulty in distinguishing between them as well as exploring them separately. Here we describe the use of fluorescein isothiocyanate (FITC)-dextran as an exocytosis reporter, and live cell imaging, to differentiate between the different pathways of regulated exocytosis, focusing on compound exocytosis, based on the robustness and duration of the exocytic events.

Here we detail a method for live cell imaging of regulated exocytosis. This method utilizes FITC-dextran, which accumulates in lysosome-related organelles, as a reporter. This simple method also allows distinguishing between different modes of regulated exocytosis in cells that are difficult to manipulate genetically.

FITC-Destrano di imaging come Reporter per esocitosi regolata

Regulated exocytosis is a process by which cargo, which is stored in secretory granules (SGs), is released in response to a secretory trigger. Regulated ...

Bead Loading Proteins and Nucleic Acids into Adherent Human Cells

Many live-cell imaging experiments use exogenous particles (e.g., peptides, antibodies, beads) to label or function within cells. However, introducing proteins into a cell across its membrane is difficult. The limited selection of current methods struggles with low efficiency, requires expensive and technically demanding equipment, or functions within narrow parameters. Here, we describe a relatively simple and cost-effective technique for loading DNA, RNA, and proteins into live human cells. Bead loading induces a temporary mechanical disruption to the cell membrane, allowing macromolecules to enter adherent, live mammalian cells. At less than 0.01 USD per experiment, bead loading is the least expensive cell loading method available. Moreover, bead loading does not substantially stress cells or impact their viability or proliferation. This manuscript describes the steps of the bead loading procedure, adaptations, variations, and technical limitations. This methodology is especially suited for live-cell imaging but provides a practical solution for other applications requiring the introduction of proteins, beads, RNA, or plasmids into living, adherent mammalian cells.

Bead loading introduces proteins, plasmids, and particles into adherent mammalian cells. This cell loading technique is inexpensive, rapid, and does not substantially affect cell health. It is best suited for live-cell imaging.

Perlina che carica proteine e acidi nucleici in cellule umane aderenti

Many live-cell imaging experiments use exogenous particles (e.g., peptides, antibodies, beads) to label or function within cells. However, introducing ...

Live Fluorescence, Inverse Imaging of Cell Ruffling, and Macropinocytosis

Macropinocytosis is a highly conserved but still incompletely understood process that is essential for the uptake and ingestion of fluid, fluid-phase nutrients and other material in cells. The dramatic extension of cell surface ruffles, their closure to form macropinosomes, and the maturation of internalized macropinosomes are key events in this pathway that can be difficult to capture using conventional confocal imaging based on tracking a bolus of fluorescent cargo. Fluorescent dextrans are commonly used experimentally as fluid phase markers for macropinosomes and for other endocytic pathways. A method the lab has adopted to optimize the imaging of dextran uptake involves using live imaging of cells bathed in high concentrations of fluorescent dextran in the medium, with the unlabeled cells appearing in relief (as black). The cell ruffles are highlighted to visualize ruffle closure, and internalized macropinosomes appear as fluorescent vacuoles in the cell interior. This method is optimal for visualizing macropinosome features and allows for easy segmentation and quantification. This paper describes dual-labeling of pathways with different sized dextrans and the co-expression of lipid probes and fluorescent membrane proteins to demark macropinosomes and other endosomes. The detection of internalized dextran at an ultrastructural level using correlative light and electron microscopy (CLEM) is also demonstrated. These cell processes can be imaged using multiple live imaging modalities, including in 3D. Taken together, these approaches optimize macropinosome imaging for many different settings and experimental systems.

<meta charset="utf8"></head><body>Fluorescenza in tempo reale, imaging inverso dell'arruffamento cellulare e macropinocitosi

This protocol demonstrates dextran imaging in live cells using continuous uptake and inverse images to optimize visualization of ruffling, macropinosome maturation, and analysis of dextran and other cell labelings.

Fluorescenza in tempo reale, imaging inverso dell'arruffamento cellulare e macropinocitosi

Macropinocytosis is a highly conserved but still incompletely understood process that is essential for the uptake and ingestion of fluid, fluid-phase ...