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여기에서는 살아있는 HepG2 세포에서 Akt 활성화 및 인산화의 시공간 역학을 정량화하기 위한 프로토콜을 제시합니다. Förster 공명 에너지 전달(FRET) 이미징은 암세포의 인슐린 신호 전달 경로 및 대사 조절에 대한 귀중한 통찰력을 제공하는 강력한 도구입니다.
대사적으로 조절되는 Akt 활성화는 인슐린 신호 전달 캐스케이드의 중요한 노드이며 당뇨병과 암의 관계에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. HepG2 세포에서 Akt 활성을 정확하게 정량화하기 위해 유전적으로 암호화된 Akt 특이적 바이오센서와 함께 Förster Resonance Energy Transfer(FRET)를 활용하여 강력하고 재현 가능한 프로토콜을 개발했습니다. 이 프로토콜은 FRET 기반 바이오센서를 발현하기 위한 HepG2 세포의 세포 배양, 이미징 접시 준비 및 transfection에 대한 자세한 단계를 설명하고 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경 하드웨어 및 소프트웨어 구성에 대한 구체적인 지침을 제공합니다. 그 결과, HepG2 세포에서 인슐린 신호전달의 독특한 패턴을 보여주었으며, 이는 정의된 스위치 온 임계값을 가지고 있지만 스위치 오프 임계값은 없는 구성적 Akt 활성화를 특징으로 하는 비가역적 스위치를 나타냅니다. 대조적으로, myotubes는 가역 스위치를 표시합니다. HepG2 세포의 지속적인 Akt 활성화는 간 세포의 인슐린 저항성 및 대사 조절 장애의 기저에 있는 메커니즘을 시사하며, 대사 장애 및 암의 진행을 이해하는 데 더 넓은 의미를 갖습니다. 이 프로토콜은 다양한 질병 맥락에서 Akt 관련 신호 전달 경로 및 세포 행동을 탐색하기 위한 귀중한 프레임워크를 제공합니다.
진성 당뇨병은 인슐린 저항성과 포도당 항상성 손상1을 특징으로 하는 전 세계적으로 주요 건강 문제를 제기합니다. 인슐린은 포도당 대사, 세포 성장 및 생존에 중추적인 역할을 하기 때문에 인슐린 신호 경로에 대한 포괄적인 이해는 이 질병의 병태 생리학을 밝히는 데 매우 중요합니다2. 수많은 연구에서 인슐린 신호전달이 다양한 암에 상당한 영향을 미치며, 인슐린 저항성이 종양 진행 및 환자의 나쁜 예후와 관련이 있음을 입증했습니다 3,4,5,6. 일반적으로 사용되는 간세포암 세포주인 HepG2 세포는 인슐린 저항성 및 대사 조절 장애와 암 발병 간의 상호 작용을 연구하는 데 유용한 모델 역할을 합니다7. 전통적으로 연구자들은 인슐린 반응을 등급이 매겨진 것으로 간주해 왔습니다. 그러나 최근 연구에 따르면 개별 세포는 쌍안정 반응을 보일 수 있으며, 특정 인슐린 농도 역치에서 발생하는 무반응과 완전 반응 사이의 두드러진 전이를 보일 수 있습니다 8,9.
Förster 공명 에너지 전달(FRET) 이미징은 살아있는 세포에서 생체 분자의 시공간 분포를 연구하기 위한 강력한 도구입니다10. FRET는 분자 역학에서 정보를 추출하여 Akt 활성화와 같은 과정에 대한 통찰력을 실시간으로 제공하여 살아있는 세포를 연구하는 데 매우 유용한 기술입니다11,12. 이 이미징 방법은 세포 역학을 연구하는 데 필수적인 것으로 입증되었으며, 특히 정확한 분자 상호 작용이 중요한 대사 질환 및 암에서 필수적입니다13. FRET는 또한 분자 상호 작용의 실시간 모니터링을 가능하게 하여 인슐린 저항성 및 종양 진행과 같은 메커니즘을 밝힐 수 있습니다14,15. FRET 바이오센서는 종양 미세환경, 약물 내성 및 대사 장애를 연구하기 위한 암 연구에서 매우 중요하다16. 민감 방출(SE), 수용체 표백(AB), 형광 수명 이미징 현미경(FLIM) 및 분광학과 같은 FRET 검출 방법은 각각 분자 상호 작용을 정량화하는 데 뚜렷한 이점을 제공합니다17. SE는 공여체와 수용체 형광단 사이의 에너지 전달을 측정하여 상호 작용하는 생체 분자의 근접성과 상관관계가 있는 방출 스펙트럼의 측정 가능한 변화를 초래합니다18. AB는 수용체 형광단의 선택적 광표백을 사용하고 공여체 형광의 변화를 추적하여 연구자들이 상호 작용 역학 및 거리를 평가할 수 있도록 합니다19. FLIM은 FRET 효율의 직접적인 영향을 받는 공여 형광단의 형광 감쇠율을 평가하여 분자 상호 작용의 정확한 나노 단위 측정을 제공합니다20.
FRET 기술을 사용하여 최근 C2C12 유래 근관에서 쌍안정 인슐린 반응을 입증했습니다 8,9,21,22,23,24. 우리가 발견한 바와 같이 Akt 활성화에 대한 뚜렷한 스위치 켜기 및 끄기 임계값은 등급이 매겨진 전신 인슐린 용량 반응이 인슐린 자극에서 시작하는 세포 내 신호 캐스케이드의 복잡성을 무시하는 것으로 시사하며, 이는 단일 세포 수준에서 전부 또는 전무 반응으로 절정에 이릅니다 21,22,23,24. 다른 세포 유형에서 쌍안정성의 존재를 테스트하기 위해 인슐린으로 HepG2 세포를 자극하고 단일 세포 FRET 이미징을 사용하여 반응을 기록했습니다. 다양한 인슐린 농도로 HepG2 세포를 자극하고 Akt 바이오센서를 사용하여 단일 세포 수준에서 Akt 활성을 모니터링했습니다. Akt 바이오센서는 공여 형광단으로 강화된 청록색 형광 단백질(ECFP)25과 수용체 형광단으로 황색 형광 단백질(YPet)26의 가장 밝은 변종으로 구성되며, 펩타이드 서열 SGRPRTTFADSCKP를 포함하는 Eevee 링커로 연결됩니다. 이 펩타이드는 인간 글리코겐 합성효소 키나아제 3β(GSK3β)에서 최적화된 인산화된 Akt(pAkt)의 기질로 작용합니다. 인산화되지 않은 상태에서 공여체와 수용체 형광단 사이의 공간적 분리는 Förster 반경을 초과하여 에너지 전달을 억제합니다. 인슐린 자극 시, Akt 인산화가 일어나 SGRPRTTTFADSCKP의 인산화로 이어집니다. 이 과정은 공여체와 수용체를 푀르스터 반경 내로 가져오는 구조적 변화를 유도하여 FRET27을 가능하게 한다. 결과적으로, FRET 신호 강도는 인산화된 Akt 분자의 양과 상관관계가 있으며 인슐린 매개 세포 반응의 실시간 정량화를 가능하게 합니다.
C2C12 유래 근관에서 인슐린 신호전달을 연구하기 위해 처음 개발된 이 프로토콜은 HepG2 세포에 성공적으로 적용되었으며 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼에서 활용되어 적용 가능성, 적응성 및 다양성을 입증했습니다. HepG2 세포는 구성적 Akt 활성을 나타내므로 간 특이적 인슐린 신호 전달 및 대사 과정을 연구하기 위한 이상적인 체외 모델입니다. 프로토콜의 주요 기능은 프로토콜 섹션에서 단계별로 설명합니다.
단일 HepG2 세포에서 Akt 인산화를 모니터링하기 위한 FRET 라이브 셀 이미징과 관련된 실험 단계의 개요가 그림 1에 나와 있습니다.
1. 플라스미드 획득, 증식 및 정제
참고: 이 섹션에서는 단일 세포 FRET 분석에 필요한 플라스미드를 획득, 증폭 및 정제하기 위한 필수 단계를 간략하게 설명합니다.
2. 세포 배양 절차
참고: 멸균 환경을 유지하고 오염을 방지하기 위해 층류 후드 내에서 모든 세포 배양 절차를 수행하십시오. HepG2 세포 배양 워크플로우는 그림 4에 나와 있습니다. HepG2 세포를 위한 완전한 배지는 최소 필수 배지(MEM), 10% 소 태아 혈청(FBS), 1% 비필수 아미노산(NEAA), 1mM 피루브산나트륨, 2mM L-글루타민 보충제, 100U/mL 페니실린-스트렙토마이신 및 2.5μg/mL 항생제-항진균 용액으로 구성됩니다( 표 1 재료 표 참조).
3. poly-l-lysine를 가진 코팅 화상 진찰 접시
4. HepG2 세포의 형질주입(Transfection)
참고: HepG2 transfection 방법은 그림 5에 설명되어 있습니다.
5. HepG2 세포의 결핍
참고: transfection 단계를 완료한 후 인슐린 자극 및 FRET 이미징 전에 세포를 혈청 결핍시킵니다. 이는 FBS에 존재하는 인슐린으로 인한 Akt 경로 활성화를 최소화하고 Akt 활동의 일관된 기준선 수준을 보장합니다. 본 실험에 사용된 기아 매체의 조성은 (표 3)에 기재되어 있다. BSA는 분말 형태로 제공됩니다. 0.1%(w/v) 용액을 준비하려면 0.1g의 BSA를 DMEM 3mL에 재구성하고 완전히 혼합합니다. 0.45μm 필터를 사용하여 용액을 멸균하고 DMEM을 추가하여 최종 부피를 100mL로 조정합니다.
6. HepG2 세포에 대한 FRET 라이브 셀 이미징
참고: 이 섹션에서는 단일 HepG2 세포에서 Akt 인산화의 시공간 역학을 모니터링하기 위한 FRET 라이브 셀 이미징에 대한 지침을 제공합니다. 아래에 자세히 설명된 바와 같이 살아있는 HepG2 세포에 대한 현미경 설정, 취급 절차 및 이미징 조건을 최적화하는 것이 필수적입니다. 현미경 설정은 FRET 이미징을 위한 이미징 조건을 최적화하는 데 매우 중요합니다. 안정적인 작동을 위해 제조업체의 지침에 따라 PC/컨포칼 레이저 스캐닝 현미경(CLSM) 설정을 단계적으로 따르십시오. FRET 이미징을 위한 맞춤형 CLSM 구성은 (그림 6)에 나와 있습니다.
7. 데이터 분석
8. FRET 효율 계산
9. 이미지 획득
10. 배경 보정
11. FRET bleed-through(누화) 제거
참고: 도너 방출과 수용체 여기 사이의 스펙트럼 중첩은 그림 3B에 나와 있으며, 이는 FRET 효율 및 에너지 전달 프로세스에 매우 중요합니다. 타임 랩스 FRET 이미징의 블리드 스루(bleed-through)는 공여체와 수용체 형광단의 스펙트럼 중복으로 인해 발생하는 중요한 문제이며, 이로 인해 부정확한 측정으로 이어집니다. 누화는 공여체 형광단과 수용체 형광단의 스펙트럼이 어느 정도 겹치기 때문에 내재되어 있습니다(그림 3C, D). 이 문제는 높은 형광단 농도 및 부적절한 필터 구성과 같은 요인으로 인해 악화됩니다. 블리드 스루(bleed-through) 문제는 FRET 측정의 신뢰성을 보장하는 데 매우 중요합니다.
12. 정량화 및 통계 분석
HepG2 세포의 Akt 활성화를 조사하기 위해 세포를 사전 코팅된 이미징 접시에 파종하고 Akt 인산화를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 설계된 FRET 기반 바이오센서 pEevee-iAkt-NES(그림 2A)로 형질 주입했습니다. 형질주입 후, 세포는 대사 상태를 동기화하고 기저 인슐린 신호 전달을 최소화하기 위해 무혈청 배지에서 4시간 동안 혈청 결핍을 겪었습니다.
그 후 세포를 다양한 인슐린 농도(0 pM, 300 pM, 400 pM, 500 pM, 400 pM, 100 pM 및 0 pM)에 노출시켜 인슐린 신호 전달 경로를 체계적으로 활성화했습니다. 그림 10A에서 볼 수 있듯이, Akt 인산화의 용량 의존적 증가가 관찰되었습니다. 특히, 300 pM 인슐린에서 인산화의 급격한 증가가 발생하여 최대 Akt 활성화의 임계값을 표시했습니다. 이 농도를 넘어서면 인산화 수준이 안정되었으며 최대 500pM까지 점진적으로 증가하는 것이 관찰되었습니다.
흥미롭게도, 인슐린 농도가 500 pM에서 0 pM으로 순차적으로 감소했을 때, 인산화 수치는 높은 상태로 유지되고 기준선으로 돌아가지 못하는 Akt 활성화가 지속되었습니다. 이러한 현상은 구성적 Akt 활성화를 나타내며, 300pM 인슐린에서 활성화 임계값을 초과하면 인슐린 농도의 후속 감소에 관계없이 Akt 인산화가 활성 상태를 유지한다는 것을 시사합니다.
그림 10B,C에 제시된 정규화된 데이터는 세 가지 독립적인 실험에서 얻은 것입니다. 이 실험에서는 인슐린 농도를 순차적으로 증가(0 pM, 100 pM, 200 pM, 300 pM, 400 pM, 500 pM)하여 세포를 자극한 후 단계적으로 감소(500 pM, 400 pM, 300 pM, 200 pM, 100 pM, 0 pM)를 실시하였다. 이 실험은 Akt 활성화의 유사한 패턴을 보여주었으며, 용량 의존적 반응과 활성화 임계값을 넘어서는 지속적인 Akt 활성을 확인했습니다.
그림 1: HepG2 세포의 FRET 이미징 워크플로우 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: Akt 모니터링을 위한 FRET 바이오센서의 플라스미드 맵. (A) pEevee-iAkt. (B) pEevee-iAkt-NES-ECFP (기증자). (C) pEevee-iAkt-NES-YPet (수용체). 이 수치는 Akhtar et al.9의 허가를 받아 채택되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : 분자 내 FRET 바이오 센서의 구성 및 메커니즘.(A) Phospho-Akt는 PBD 결합을 촉진하고 구조적 변화를 유도하는 기질 펩타이드 (SGRPRTTTFADSCKP)를 인산화하여 공여체 형광단에서 수용체 형광단으로의 에너지 전달을 허용합니다27,31. (B) 공여체 방출과 수용체 여기 사이의 스펙트럼 중첩. (C) 여기 누화는 ECFP와 YPet의 여기 스펙트럼 간의 중복으로 인해 발생합니다. (D) 방출 누화는 ECFP와 YPet의 방출 스펙트럼 간의 중복으로 인해 발생합니다. 이 수치는 Akhtar et al.9의 허가를 받아 채택되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: HepG2 세포 배양 워크플로우. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: HepG2 형질주입. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: FRET 이미징을 위한 맞춤형 CLSM 구성. (A) 원하는 채널을 선택하고 광학 경로 패널에서 설정을 구성합니다. (B) Aplus 설정 패널에서 적절한 채널을 선택하고 레이저 출력 및 강도, 픽셀 체류 시간, 핀홀 및 기타 관련 매개변수를 설정합니다. 오프셋을 기본값으로 "0"으로 설정합니다. 이 수치는 Akhtar et al.9의 허가를 받아 채택되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: Live-Cell Imaging을 위한 현미경 설정 및 시료 준비. (A) 온도와 CO2 수준을 조절하기 위해 TOKAI HIT Stage Top Incubator를 설치합니다. (B) 40× 오일 이멀젼 렌즈에 이멀젼 오일을 바릅니다. (C) 바닥이 유리인 35mm 이미징 접시를 온도 조절 스테이지에 장착합니다. (D) 환경 조건과 평형을 이루기 위해 살아있는 세포 챔버에서 샘플을 사전 배양합니다. (E) 정확한 연동 펌프를 사용하여 매체를 제거합니다. (F) 미세한 피펫 팁을 사용하여 인슐린이 보충된 배지를 접시에 추가합니다. 이 수치는 Akhtar et al.9의 허가를 받아 채택되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 타임랩스 이미징을 위한 ND 획득 설정. (A) ND 획득 창에서 시간 옵션을 활성화하여 타임랩스 실험의 간격, 지속 시간 및 루프 수를 설정합니다. (B) XY 옵션을 클릭하여 이미징을 위한 개별 세포를 선택하거나 선택 취소합니다. (C) Z 옵션을 활성화하여 Z 위치를 잠그고 "실행"을 클릭하여 실험을 재개합니다. (D) ND 진행 창이 나타나 실험의 실시간 상태를 표시합니다. 이 수치는 Akhtar et al.9의 허가를 받아 채택되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: FRET 데이터 분석을 위한 워크플로우. 이 수치는 Akhtar et al.9의 허가를 받아 채택되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10: 단일 HepG2 세포에서 Akt 인산화의 대표적인 타임 랩스 이미지 및 평균 정규화된 FRET 신호 비율. (A) HepG2 세포는 300pM 인슐린으로 자극될 때 최대 FRET 효율을 나타냈으며, 이는 최대 Akt 활성화를 위한 임계값을 표시했습니다. 인슐린 농도가 500pM으로 증가함에 따라 FRET 효율의 점진적인 증가가 관찰되었습니다. 다양한 간격으로 인슐린 농도가 500pM에서 0pM으로 단계적으로 감소하더라도 지속적인 Akt 활성화가 지속되어 구성적 Akt 인산화를 나타냅니다. (B) 인슐린 농도에 대해 표시된 FRET 신호는 비가역적 스위치와 같은 반응을 보여줍니다. (C) 경과 시간에 대해 표시된 FRET 신호, 표준 편차를 나타내는 오류 막대. 이 수치는 Akhtar et al.8의 허가를 받아 채택되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
시약 | 양(mL) | 최종 집중 |
MEM(최소 필수 매체) | 85.9 | 해당 사항 없음 |
소 태아 세럼(FBS) | 10 | 10%(수/V) |
비필수 아미노산(NEAA)(100x) | 1 | 1배 |
글루타맥스 보충제 | 1 | 2 밀리엠 |
피루브산 나트륨 (100 mM) | 1 | 1 밀리엠 |
페니실린-스트렙토마이신(10,000 U/mL) | 1 | 100 U/mL |
플라즈모신 예방제(2.5mg/mL) | 0.1 | 2.5 μg/mL |
합계 | 100 | 해당 사항 없음 |
표 1: MEM 전체 매체 조성.
시약 | 양(mL) | 최종 집중 |
MEM(최소 필수 매체) | 6 | 60%(수/V) |
소 태아 세럼(FBS) | 3 | 30%(V/V) |
디엠소 | 1 | 10%(수/V) |
합계 | 10 | 해당 사항 없음 |
표 2: 동결 매체의 조성.
시약 | 양(mL) | 최종 집중 |
MEM(최소 필수 매체) | 95.9 | 해당 사항 없음 |
소 혈청 알부민(BSA) | 0.1 지 | 0.1% (승/v) |
비필수 아미노산(NEAA)(100x) | 1 | 1배 |
글루타맥스 보충제 | 1 | 2 밀리엠 |
피루브산 나트륨 (100 mM) | 1 | 1 밀리엠 |
페니실린-스트렙토마이신(10,000 U/mL) | 1 | 100 U/mL |
플라즈모신 예방제(2.5mg/mL) | 0.1 | 2.5 μg/mL |
합계 | 100 | 해당 사항 없음 |
표 3: 기아 매체의 조성.
HepG2 세포에서 Akt 인산화를 모니터링하기 위한 라이브 셀 FRET 이미징 프로토콜에는 신뢰할 수 있고 재현성 있는 결과를 보장하기 위한 몇 가지 주요 단계가 포함됩니다. 첫 번째 중요한 단계는 세포 배양이며, 여기에는 일상적인 세포 유지 관리, 이미징 접시 코팅 및 세포 파종이 포함됩니다. 타임 랩스 이미징 실험 중 세포 부착을 위해서는 적절한 코팅이 필수적인데, 이는 안정적인 세포 부착을 보장하고, 분리를 방지하며, 일관되지 않은 데이터로 이어질 수 있는 드리프트를 최소화하기 때문입니다 9,32. 세포 두께 또는 세포 내 구조의 변화로 인해 세포의 일부가 초점을 잃게 되어 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 온도, pH 및 이온 농도는 FRET 신호에 영향을 미치고 변동성을 추가합니다 33,34,35. 적절한 세포 부착은 세포 건강을 지원하고 신호 무결성을 유지하며 정확한 FRET 측정을 보장합니다. FRET 기반 Akt 바이오센서를 사용한 HepG2 세포의 transfection은 transfection 효율이 FRET 신호 강도 및 일관성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요한 단계입니다31. 그러나 일시적인 transfection은 본질적으로 바이오센서 발현의 이질성을 유발합니다. 이러한 변동성은 transfection 조건을 최적화하고, 엄격한 제어를 구현하고, 균일한 형광 강도를 가진 세포를 선택함으로써 최소화할 수 있습니다. 세포 집단 전반에 걸쳐 균일한 발현을 보장하는 것은 일관되고 신뢰할 수 있는 결과를 얻는 데 필수적입니다. 공여체 단일, 수용체 단독, 공여체-수용체 구조와 같은 대조 시료를 사용한 SE(Sensitized Emission) 보정은 FRET 효율의 정확한 정량화에 매우 중요합니다. 이 보정은 스펙트럼 누화를 보정하고 일관된 기준선 측정을 설정하여 정확한 데이터 해석 28,36,37,38을 가능하게 합니다.
SE-FRET 방법은 Akt 인산화 역학에 대한 귀중한 실시간 통찰력을 제공하지만 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 보장하기 위해서는 몇 가지 제한 사항을 해결해야 합니다. 공여체와 수용체 형광단 사이의 스펙트럼 누화는 FRET 신호를 왜곡할 수 있으므로 여러 대조 샘플의 사용을 필요로 합니다28. 현미경 검사의 스펙트럼 블리드 스루(SBT) 및 피사계 심도 제한은 다양한 두께 또는 형태를 가진 세포에서 FRET 분석의 정확도에 큰 영향을 미칩니다. 이러한 과제는 측정 신뢰성을 향상시키기 위해 고급 보정 방법을 필요로 합니다27,39. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 donor/acceptor fluorophore 발현을 최적화하고, transfection 절차를 개선하고, 비특이적 신호를 수정하고 정확한 데이터 수집을 보장하기 위해 강력한 대조 실험을 수행해야 합니다28,39. 이러한 요인을 적절하게 제어하지 않으면 잘못된 결론을 초래할 수 있지만, Hoppe et al.40 및 Zal 및 Gascoigne41이 개발한 것과 같은 고급 정규화 기술은 복잡한 세포 환경에서 스펙트럼 간섭을 수정하고 FRET 측정의 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 또한 Hochreiter et al.42에 의해 강조된 바와 같이 고급 FRET 정규화 방법은 살아있는 세포의 화학량론 및 상대적 친화도를 포함한 단백질 상호 작용의 정량적 분석을 가능하게 하여 다양한 조건에서 단백질 역학에 대한 더 깊은 이해를 제공합니다.
이러한 기술적 한계 외에도 신호 경로의 계산 모델을 통합하는 것은 SE-FRET 결과의 해석을 향상시키는 데 중요합니다. 이러한 모델은 복잡한 생물학적 데이터를 해석하기 위한 구조화된 프레임워크를 제공합니다. 신호 전달 네트워크를 시뮬레이션함으로써 연구자들은 분자 상호 작용의 역학과 섭동의 영향을 더 잘 이해할 수 있으며, 이를 통해 보다 정확한 예측과 통찰력을 얻을 수 있습니다 43,44,45,46. 예를 들어, mTOR 경로에 대한 연구에서는 세포 증식 및 생존과 같은 과정을 조절하는 데 중요한 별개의 안정 상태 사이를 신호로 전환하는 Akt 활성화에서 쌍안정 스위치가 확인되었습니다47,48. 이러한 모델은 특히 지속적인 활성화가 질병 진행을 주도하는 암세포에서 Akt 신호전달의 복잡성을 강조합니다. 실시간 SE-FRET 이미징을 계산 모델과 통합함으로써 연구자들은 Akt 활동의 피드백 루프와 시간적 변화가 세포 반응에 미치는 영향에 대한 더 깊은 통찰력을 얻을 수 있으며, 이는 대사 질환 및 암에 대한 보다 포괄적인 이해에 기여할 수 있습니다 13,48,49,50.
FRET 기반 방법은 특히 대사 조절 경로에서 단백질-단백질 상호 작용 및 신호 역학을 연구하기 위한 기존 접근 방식에 비해 상당한 이점을 제공합니다51. 벌크 생화학 분석과 달리 FRET 이미징은 단일 세포 수준에서 공간 및 시간 해상도를 모두 제공하여 살아있는 세포의 동적 과정을 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 단일 세포 수준에서 분자 이벤트를 추적하는 이 기능은 세포 이질성에 대한 통찰력을 제공하며, 이는 대사 변화(예: 영양소 가용성, 인슐린 신호 전달 또는 대사 스트레스로 인한 변화)가 Akt 신호 전달 역학에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해하는 데 중요합니다. 다른 형광 기반 기술과 비교하여 FRET는 상호 작용하는 단백질 사이의 거리 변화에 유일하게 민감하므로 미묘하거나 일시적인 구조적 변화 및 단백질 상호 작용을 감지하는 데 이상적입니다 8,9,52. 그러나 BRET(Bioluminescence Resonance Energy Transfer) 및 FRIM-FRET(Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy with FRIT-FRET)는 단백질 상호 작용을 연구하기 위한 고급 기술이며, 각각 특정 실험 상황에서 고유한 이점을 제공합니다. BRET는 광표백 및 자가형광과 같은 문제를 최소화하기 위해 루시페라아제의 발광을 활용하며, 이는 막 단백질 발현을 정량화하는 데 특히 효과적입니다53. 반대로, FLIM-FRET는 형광 수명 변화를 측정하여 특히 네이티브 조건에서 단백질 상호 작용에 대한 고해상도 이미징 및 정량 분석을 제공합니다54,55. 이러한 방법에는 한계가 있지만 특정 실험 상황에서 보완적인 통찰력을 제공합니다.
살아있는 HepG2 세포에서 Akt 인산화를 모니터링하기 위한 FRET 기반 프로토콜은 특히 당뇨병 및 암과 같은 대사 질환의 맥락에서 세포 신호에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다. 이 기술은 동적 프로세스의 실시간 시각화를 가능하게 하여 대사 조절 및 질병 발병기전에서 Akt의 역할에 대한 이해를 향상시킵니다 27,31,56. 다양한 세포 유형에 걸친 Akt 활성화를 연구하는 방법의 적응성은 암 연구에서 유용성을 크게 향상시킵니다. 이러한 유연성을 통해 연구자들은 세포 유형별 신호 전달 메커니즘을 조사할 수 있으며, 이를 통해 잠재적인 치료 표적을 식별할 수 있습니다13. 또한 이러한 프로토콜의 견고성으로 인해 다른 신호 경로 및 단백질 상호 작용을 조사할 수 있어 세포 과정에 대한 이해가 향상됩니다. 이러한 방법의 고처리량 적응 가능성은 특히 암 및 대사 질환에서 약물 발견을 위한 새로운 길을 열어줍니다 12,13,56. FLIM(Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy)과 같은 고급 기술과 함께 다양한 형광 단백질(FP)을 사용하는 새로운 바이오센서의 개발은 FRET 기반 분석의 유용성을 향상시킬 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 혁신은 감도를 개선하고, 스펙트럼 누화를 줄이며, 다중화 이미징을 가능하게 하고, 정량적 정밀도를 제공하여 생물 의학 연구에서 FRET의 적용 가능성을 확장합니다. 이러한 발전은 복잡한 신호 전달 네트워크, 고처리량 약물 스크리닝 및 질병 모델링의 조사를 더욱 정확하고 신뢰성 있게 촉진합니다.
결론적으로, SE-FRET에는 몇 가지 제한 사항이 있지만 엄격한 제어 및 고급 이미징 전략은 이러한 문제를 해결합니다. 따라서 SE-FRET는 복잡한 세포 역학을 설명할 수 있는 강력하고 다재다능한 도구입니다. 실시간 단일 세포 역학을 관찰할 수 있는 능력은 벌크 분석에 비해 뚜렷한 이점을 제공하며 그렇지 않으면 감지되지 않을 수 있는 분자 상호 작용에 대한 통찰력을 제공합니다. 이 기능은 인슐린 저항성 및 암과 같은 대사 질환에 대한 표적 치료법을 개발하는 데 중요한 신호 이벤트의 공간적 및 시간적 역학을 이해하는 것이 Akt 인산화를 연구하는 데 특히 중요합니다.
저자는 경쟁 이익이 없음을 선언합니다.
이 연구는 선전시 자연과학재단(JCYJ20240813113606009), 선전-홍콩 기술 및 혁신 협력구(HZQB-KCZYB-2020056), 중국 국립자연과학재단(32070681), 중국 국가 핵심 R&D 프로그램(2019YFA0906002), 선전 공작 계획(KQTD2016053117035204)의 일부 지원을 받았다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.25% trypsin-EDTA | Gibco | Cat#25200-056 | Use ice-cold PBS for cell wash |
15 mm glass bottom cell culture dish | NEST | Cat#801001 | |
2 mL Nalgene cryogenic vials | Thermo Scientific | Cat#5012-0020 | |
5 mL Stripette Serological Pipets | Corning | Cat#4487 | |
95% Ethanol | Kermel | Cat#C028005 | |
A1 HD25/A1R HD25 confocal microscope | Nikon | https://www.nikon.com/ | Magnification: 40×, Numerical Aperture (NA): 1.30, Pixel Dwell Time: 2.4 ms, Pixel Size: 1024 |
Ampicillin | Sigma-Aldrich | Cat#A9393 | |
Bovine serum albumin (BSA) | VWR Life Science | Cat#N208-10g | |
Corning 25 cm2 rectangular culture flasks | Corning | Cat#430639 | |
Countess 3 automated cell counter | Thermo Scientific | http://www.thermofisher.com/#AMQAX2000 | |
Countess cell counting chamber slides | Thermo Scientific | http://www.thermofisher.com/#C10228 | |
Digital vortex mixers | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | Cat#D2650 | |
Eppendorf Safe-Lock Tubes 1.5 mL | Eppendorf | Cat#022363204 | |
EZ-PCR mycoplasma detection kit | Biological Industries | Cat# 20-700-20 | |
Fetal Bovine Serum, qualified, Australia | Gibco | Cat#10099141 | |
GlutaMAX Supplement | Gibco | Cat#35050061 | |
GraphPad Prism 9 | GraphPad Software | https://www.graphpad.com/ | |
HepG2 | National Collection of Authenticated Cell Cultures | #CSTR:19375.09.3101HUMSCSP510 http://www.cellbank.org.cn/ | |
Immersion Oil Type 37 | Cargille Laboratories | Cat #16237 | |
Insulin | Sigma-Aldrich | Cat#I5500-50MG | Warm to 37 °C before use |
LB Broth (1x) | Invitrogen | Cat#10855001 | |
Minimum Essential Medium (MEM) | Gibco | Cat#11095080 | Warm to 37 °C before use |
mySPIN 12 mini centrifuge | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
NanoDrop One | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com | |
Nikon Plan Fluor 40×/1.30 Oil Lens | Nikon | https://www.nikon.com/ | |
NIS-Elements-AR | Nikon | https://www.nikon.com/ | |
Non-Essential Amino Acids (NEAA) (100x) | Gibco | Cat#11140050 | |
One Shot LB Agar Plates | Invitrogen | Cat#A55802 | |
One Shot Stbl3 chemically competent E. coli | Invitrogen | Cat#C737303 | |
Parafilm | PARAFILM | Cat#B8R05606 | |
PBS (phosphate buffered saline) | Gibco | Cat#10010023 | |
pEevee-iAkt-NES (7,033 bp) | Miura et al31 | https://benchling.com/s/seq-q46zFYCfl0swLAun0t28/edit | |
Penicillin-streptomycin | Gibco | Cat#15070063 | |
Plasmocin prophylactic | InvivoGen | Cat#ant-mpp | |
Poly-L-Lysine Hydrobromide | Sigma-Aldrich | Cat#P4832 | |
Precision general purpose baths | Thermo Scientific | https://www.thermofisher.com/ | |
QIAprep spin miniprep kit | QIAGEN | Cat#27106 | |
SnapGene | SnapGene by Dotmatics | https://www.snapgene.com | |
Sodium Pyruvate (100 mM) | Gibco | Cat#11360070 | |
Syringe filter unit, 0.22 μm | Millipore | Cat#SLGP033RS | |
Tokai Hit stage top incubator | TOKAI HIT | https://www.tokaihit-livecell.com/stagetopincubator | |
UltraPure DNase/RNase-free distilled water | Invitrogen | Cat#10977015 | |
Xfect Transfection Reagent | Takara Bio | Cat#631317 |
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