We thank Ge Yang, Gaudenz Danuser, Khuloud Jaqaman, and Daniel Whisler for assistance with the adaptation and development of the software to quantitate cargo mapping analyses, and Emily Niederst for help in making the microfluidic devices. This work was supported in part by NIH-NIA grant AG032180 to L.S.B.G., and the Howard Hughes Medical Institute. L.S. was supported in part by a NIH Bioinformatics Training Grant T32 GM008806, S.E.E. was supported by a Damon Runyon Cancer Research Foundation Fellowship, NIH Neuroplasticity Training Grant AG000216, and by a grant from The Ellison Medical Foundation New Scholar in Aging Award, G.E.C was supported by an NIH/NCATS&#160;1 TL1 award TR001114 and by the Achievement Rewards for College Scientists foundation.

모든 실험은 승인 된 프로토콜을 다음과 연구 동물의 인도적인 관리를위한 제도적 지침에 따라 수행되었다. 신생아 마우스는 잘린 안락사되었다. 세포 배양을위한 미세 유체 장치 1. 준비 <ol><li> 해리스와 동료 17 ~ 19에 의해 설명 된 해마 신경 세포의 성장을 위해 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 마이크로 유체 장치를 준비합니다. 이하화물 매핑 프로토콜에 적응 된 몇 가지 변형이있다. 참고 : 미세 유체 디바이스는 (자료 목록) 상업적으로 사용할 수 있으며, 제조 설비에 따라서 액세스가 필요하지 않습니다. </li><li> 그들에게 100 % 에탄올로 세 세척과 물 세 세척 한 다음, 아세톤으로 3 회를 세척하여 제 1.5 커버 유리 (24 × 40 mm)를 준비합니다. 사용할 때까지 4 ° C에서 물에 보관 된 커버. 이 치료 된 커버가 CEL의 도금 방해 할 수 파편 깨끗한 지 보장LS, 오염, 생존. 참고 : 아세톤과 에탄올은 흡입, 섭취의, 가연성 및 눈 접촉의 (자극물)의 피부 접촉 (자극물), 다음 경우 유해 있습니다. 규정에 따라 폐기 할 것. </li><li> 때 사용하는 미세 유체 디바이스 당 60mm 세포 배양 접시에 한 커버 유리를 배치하고, 건조 공기 오염을 방지하기 위해 생물 안전 캐비닛 내부에 45 분 동안 발견 할 준비가. </li><li> 장치가 마스터에서 잘라 펀치가 저수지 만들기 위해 절단 한 후 (그림 1A를, B), 살균 45 분 동안 UV 램프가 장착 된 생물 안전 캐비닛 내부의 미세 유체 채널 사이드 업으로 배치합니다. 참고 : 이상 2 시간 동안 UV 처리에서 장치를 그대로두면 PDMS의 무결성에 영향을 줄 수 있습니다. </li><li> 미세 유체 채널이 아래를 향하도록 60mm 플라스틱 세포 배양 접시에 각각 내측 커버 글래스 상에 하나의 장치를 배치하여 디바이스를 조립한다. 상단 O에 약간 힘을 주어장치 F를 커버 유리로 장치의 비 영구적 인 밀봉을 제공하기 위해 (마이크로 닿지 않도록). 뚜껑이 각 60mm 세포 배양 접시를 커버. </li><li> 마이크로 피펫을 사용하여, 물이 흐를 수 있도록, 상위 두 마이크로 유체 저장조 (도 1A 1, 2)을 세포 배양 등급의 물을 첨가하여 수화 장치. 마이크로 피펫으로 물을 제거하고 미세 유체 저수지 1 (200 μL) 및 2 (100 μL)에 1 ㎎ / ㎖ 폴리 -L- 라이신을 추가합니다. 볼륨 차동 마이크로 채널 (도 1A, B)를 통과하는 폴리 L 리신을 허용한다. </li><li> 60mm 세포 배양 접시 내부 장치가 37 ° C의 배양기 안에 위에 넘어지지 않도록하기 위해, 150mm 플라스틱 세포 배양 접시에 디바이스를 포함하는 세 가지 60mm 세포 배양 접시를 배치하고 뚜껑 덮으. 5 % CO 2와 37 ° C 배양기에서 O / N을 품어. 일반적으로 채널의 90 % 이상은 디바이스 당 가능하고 수행기포 또는 물리적 방해물을 포함하지. </li><li> 다음 날, 물에 폴리 -L- 라이신를 교체하고 적어도 1 시간 동안 인큐베이터에서 장치를 둡니다. 이 세탁을 세 번 반복합니다. 물을 제거하고 각 장치 (2 %에게 B-27 보충 및 500 μM 루타를 포함)로 Neurobasal-A 성장 매체를 추가합니다. 5 % CO 2와 37 ° C 배양기에서 O / N을 남겨주세요. </li><li> 후술하는 바와 같이, 다음 날, 해마 세포를 플레이트. </li></ol> 미세 유체 장치에서 마우스 해마 차 뉴런 2. 도금 주 : 신생아 쥐에서 배양 된 해마 신경 세포의 준비는 이전에 조브 (25)에 발표되었다. 다음은 마이크로 유체 장치에서 판 마우스 해마 신경 세포에 적응 된 일부 수정이 있고, 그 형질에 대한 최적이었다. <ol><li> 마우스 뇌 절개 전에 미리 따뜻한 둘 베코 변형 이글 중간 (DMEM)를 함유하는 10 % 태아 소 혈청(FBS; 항생제없이), 혼합물 A (125 mg을 DL 시스테인 125 mg을 소 혈청 알부민 (BSA)와 인산염 완충 생리 식염수 (PBS) 500 ㎖ 중의 D 글루코오스 3.125 g, 필터 0.22 μm의 필터를 통해 살균) 37 ° C의 물을 욕조에 : 그리고 내가 솔루션 ((50)의 DNase I의 MG 100 mL로 행크의 균형 소금 솔루션 (HBSS) 필터에 1.2 M 황산 용액 0.5 ml의 0.22 μm의 필터를 통해 살균 내가 DNase의를) 데 옥시 리보 뉴 클레아. <ol><li> 5 % CO 2로 37 ° C의 배양기 안에 사전 따뜻한로 Neurobasal-A 성장 배지는 pH를 평형화. </li></ol></li><li> 설립 프로토콜 (26)에 따라 1-3 일 된 신생아 쥐에서 해마를 해부하다. 얼음 (10 mM의 HEPES pH 7.4의 50 mM의 포도당, 100 U / ㎖ 페니실린 및 / ml의 스트렙토 마이신 100 μg의를 포함 HBSS) 10 ml의 해부 버퍼를 포함하는 15 ML 원뿔 튜브에 해마를 유지합니다. 15 ML 원뿔 튜브 당 4 개의 해마에 넣었습니다. </li><li> 나머지 프로토콜을 수행하는 것은 멸균 상태에있는바이오 안전성 캐비닛 내부의. </li><li> 혼합물 A, 소용돌이 5ml에 파파인 45 단위를 희석하고, 파파인 분말이 용해 될 때까지 37 ° C에서 5 분 동안 배양한다. DNase의 I 솔루션 1 ML을 추가합니다. 0.22 μm의 주사기 필터 부를 통해 믹스 필터. </li><li> 15 ML 원뿔 튜브를 포함하는 해마에서 조심스럽게 기음 HBSS &#39;. 추가 10 ml의 감기 (4 ° C) HBSS 해마에 그들을 튜브의 바닥에 정착하자. 조심스럽게 15 ML 원뿔 튜브에서 HBSS를 대기음. </li><li> 나는 최대 4 개의 해마에 혼합하고 37 ℃에서 20 ~ 30 분 동안 품어 1 ml의 파파인 / DNase를 추가합니다. 원뿔 튜브를 혼합하여 해마 목욕을 할 때마다 5 분을 기울입니다. 또한 부드러운 흔들림 (~ 100 RPM)와 37 ° C의 물을 욕조 통에서 해마를 배치합니다. </li><li> 기음 파파인 / I 믹스와 10 % FBS를 포함하는 미리 예열 DMEM (37 ° C)와 해마 두 번 씻어 DNase의. </li><li> 두 번째 세척 후에,이 해마, 10 % FBS를 함유하는 미리 가온 된 DMEM ml의 피펫에 의해 수동으로 분쇄시켜, 해마를 추가최대 및 신경 세포를 떼어 놓다 1 ml를 피펫 팁을 사용하여 10 ~ 12 배 ~ 다운. </li><li> 이 비 해리 신경 세포가 원뿔 튜브의 바닥에 정착 할 수 있도록으로 씹다가 ~ 1 분 동안 정착하자. 튜브의 바닥에 정착 한 더 큰 조직의 전송을 피하는 새로운 15 ML 원뿔 튜브에 해리 신경 세포를 포함하는 상층 액을 전송합니다. </li><li> 2 분 동안 1,000 XG에서 세포를 스핀 조심스럽게 세포 펠렛을 방해하지 않고 뜨는을 제거. 부드럽게 피펫 팅하여 80 μL로 Neurobasal-A 성장 배지에서 세포를 재현 탁. </li><li> 미세 유체 저수지 1, 1 &#39;에서 매체를 제거합니다. 미세 유체 저수지 1 세포의 20 μL (~ 275,000)를 적용하고,이를 통해 흐를 수 있도록. 20 분 동안 5 % CO 2와 37 ° C 배양기에서 장치를 놓습니다. </li><li> 세포는 커버 유리에 부착했는지 확인하기 위해 현미경으로 봐. 모든 저수지를 맨 위로로 Neurobasal-A 성장 매체를 추가합니다. 5 % CO와 37 ° C 배양기에 세포와 장치를 반환 <sub&gt; 2. </li><li> 장치마다 ~ (루타 제외)로 Neurobasal-A 포함 2 % B-27 보충 2-3 일 총수입 저수지 피하기 위해 증발을 확인합니다. 뉴런은 도금 후 ~ 미세 유체 채널을 통해 2~3일을 자신의 축삭을 확장하기 시작. 주제 뉴런은 도금 후 일반적으로 7-10일 형질 전환합니다. </li></ol> 미세 유동 장치에 재배 해마 뉴런 3. 형질 <ol><li> 장치 당 30 μL로 Neurobasal-A 1.2 μL의 리포 펙 타민 2000의 혼합, 30 μL로 Neurobasal-A 0.5 μg의 형광화물 융합 플라스미드의 혼합을 준비하고 RT에서 5 분을 품어. DNA 믹스에 리포 펙 타민 믹스를 추가하고 실온에서 20 분 동안 품어. DNA에 4 % B-27 보충을 포함로 Neurobasal-A의 60 μl를 추가 / 리포 펙 타민은 혼합 튜브를 쓸어 넘겨 섞는다. </li><li> &#39;미세 유체 저수지 2, 2에서 모든 미디어를 제거하고 조심스럽게 매체 INT 위에 흘리없이 2 % B-27 보충을 포함로 Neurobasal-A와 우물을 채우기다른 구획 오. </li><li> 미세 유체 저수지 1, 1 &#39;에서 미디어를 꺼내십시오. DNA의 120 μl를 추가 / 리포 펙 타민은 미세 유체 저수지 1로 혼합하고 흐름을 보자. 3 ~ 4 시간 동안 5 % CO 2와 37 ° C 배양기에 장치를 돌려줍니다. </li><li> &#39;미세 유체 저수지 1 일에서 모든 미디어를 제거하고 24 시간 동안로 Neurobasal-A 포함 2 % B-27 보충제로 교체 (또는 전까지 이미지). 일반적으로, 마이크로 채널을 통해 성장 5-7 축삭은 약 해마 배양 세포 (26)에 대한 게시 효율성과 일치 1~3% 형질 전환 효율을 대표하는 조건에서 형질 전환된다. </li></ol> 4. &quot;화물 매핑&quot;분석 <ol><li> 화물 운동의 라이브 영상 <ol><li> 37 ° C 배양기 및 CO 2 제어 챔버가 장착 된 거꾸로 표면 형광 광학 현미경의 이미징을 수행합니다. </li><li> MICR에서 재배 해마 신경 세포와 커버 슬립을 탑재현미경 스테이지로 ofluidic 장치. 신경 세포 사멸을 방지하기 위해 더 이상보다 1 시간 현미경의 샘플을 유지하기 위해 신속하게 작동한다. </li><li> 고해상도 대물 (100X)를 사용하여 미세 유체 채널을 통해 챔버의 연장 형질 축삭가 발견 된 채널의 수를 기록 형질 세포의 축삭을 발견한다. 손 탈리 계수기를 사용하여 채널의 수를 계산. <ol><li> 라이브 운동 이후 colocalization을 분석 최적의 녹화를 들어, 대부분의 소포의 영상이 초점을 수행 할 수 있도록 채널을 통해 비교적 평탄한 성장 축삭을 선택합니다. </li></ol></li><li> 1 ml의 플라스틱 전송 피펫과 저수지 2와 2 &#39;에서 매체의 대부분을 제거합니다. kymographs에 이동 궤적과 고정 된 이미지의 다음과 같은 작업을 용이하게하기 위해, 영상 (그림 1B, C) ​​중 시야와 마이크로의 오른쪽 가장자리를 맞 춥니 다. </li><li> 손만을 용이하게하기 위해이미징 동안 샘플의 G는 두 사람과 라이브 영상을 수행합니다. 라이브 화상이 하나의 사용자에 의해 수행되는 경우 또는, 드리프트 보정 구비 현미경 시스템을 사용한다. </li><li> (그림 2 및 재료 목록의 전설에 지정된 YFP-PRP C를 이미징 현미경 사양 및 설정) 시간 경과 분석되는화물의 수송 역학에 특정 사양의 영상 라이브화물 이동을 시작합니다. </li><li> 충분한 라이브 이동 데이터를 수집 한 후, 한 사람이 PBS에서 미리 예열 4 % 파라 포름 알데히드는 세포를 해결하기 위해 0.04 g / ㎖ 자당을 포함하여 &#39;저수지 2와 2를 채울 수 있습니다. 이것은 라이브 영상의 초점을 방해하므로, 미세 유체 소자를 만지지 마십시오. 고정액을 첨가하면서 상대방이 초점을 조정하게한다. 운동의 즉시 정지가 관찰 될 때 고정이 성공한 것입니다. 이후 1, 1 &#39;리저버 정착액을 추가합니다. 참고 : 임시 photoblea화물 형광 칭 또한 관찰 될 수 있지만, 모터 단백질 IF 염색 (다음 단계) 완료 후 형광 지속. 참고 : 파라 포름 알데히드는 피부 접촉, 흡입시 유해, 삼키면. 눈, 호흡계 및 피부를 자극 함. 규정에 따라 폐기 할 것. </li></ol></li><li> IF colocalization을 분석 모터 단백질의 염색 참고 : 개별 이동화물에 관련된 모터 단백질의 상대적 수준 (항체 염색으로 결정)의 정량, 확인하고 항체 - 항원 결합이 포화되어 있는지 확인하기 위해 항체를 적정한다. 이것은 관심있는 단백질 중 뜨렸다 아웃 된 뉴런 또는 노크 - 다운을 사용하여 항체의 특이성을 결정하는 단계에 의해 수행되고, 수행함으로써 IF 항체 농도의 증가와 함께 분석. 음성 대조군의 경우, 신경 세포 1 차 항체가없는 상태에서 이차 항체로 염색된다. 더 자세한항체 검증의 설명은 Encalada 등. (16), 및 Szpankowski 등. (20)에서 찾을 수 있습니다. <ol><li> 현미경 단계에서 미세 유체 장치에서 재배 해마 신경 세포와 커버 슬립을 제거합니다. 마이크로 라이브와 고정 이미지를 중첩하기 위해 그대로 유지해야하므로, 커버 슬립에서 미세 유체 장치를 분리하지 마십시오. 습도 챔버에서 다음 단계를 수행한다. </li><li> 마이크로 채널 내로 용액의 흐름을 보장하기 위해, 적어도 30 μL의 &#39;2, 2&#39;저수지 1, 1 사이의 버퍼 용적 차를 유지한다. 이후의 모든 단계에서. 예를 들어, &#39;미세 유체 저장조 (1) (1), 70 μl의 매체 볼륨&#39;미세 유체 저장조 (2), (2)에 100 μL 매체 볼륨을 추가한다. </li><li> 미세 유체 장치의 챔버에서 고정액을 제거하고 PBS는 세척 사이에 10 분을 기다리고 세포를 세 번 씻는다. </li><li> 0.1 % 트리톤 X-100를 거치도록 희석되지 않았어요 첨가하여 세포를 Permeabilize 하시려면모든 저수지에 5 분 동안 PBS에서 테드. </li><li> 모든 저수지에서 솔루션을 제거하고 PBS로 세척. 세탁을 세척 사이에 10 분을 기다리는 세 번 반복합니다. </li><li> 모든 저수지에서 솔루션을 제거하고 PBS 10 % 정상 당나귀 혈청 3 % 프로테아제 무료 및 면역 글로불린 G (IgG를) - 무료 BSA를 포함하는 버퍼를 차단 적용하고 실온에서 적어도 30 분 동안 품어. </li><li> 5 분 침전물을 제거하기 위해 20,000 XG에서 차 항체 원액을 스핀. 버퍼를 차단에 적절한 농도로 항체를 희석. 항체 용액과 미세 유체 장치에서 차단 버퍼를 교체합니다. 4 ° C에서 RT 또는 O / N에서 2 시간 동안 샘플을 품어. </li><li> 모든 저수지에서 솔루션을 제거하고 세척 사이에 10 분을 기다리고, PBS로 3 회 씻는다. </li><li> 5 분 침전물을 제거하기 위해 20,000 XG에서 이차 항체 원액을 스핀. 버퍼를 차단에 적절한 농도로 항체를 희석. 차 항체 용액을 PBS를 교체합니다. 품다실온에서 1 시간 동안 샘플. </li><li> 모든 저수지에서 솔루션을 제거하고 세척 사이에 10 분을 기다리고, PBS로 3 회 씻는다. </li><li> 직접 저수지를 연결하는 채널의 구멍에 장착 매체를 피펫 팅에 의해 10 ~ 20 μL 설치 매체 ~와 PBS를 교체합니다. 실온에서 1 시간 - ~ 20 분 동안 미디어 건조를 장착 할 수 있습니다. </li><li> 염색 이틀 (최대 일주) 내에서 photobleaching에 방지하기 위해 빛으로부터 보호 4 ° C에서 저장 장치, 이미지 축삭. </li><li> 염색 종료 후, 현미경 스테이지 상에 미세 유체 소자에서 배양 된 해마 뉴런과 커버 슬립을 장착. 단계 4.1.1-4.1.7에 이미징되는 형질 전환 된 축삭의 영역을 찾습니다. </li><li> 고해상도 목적 (예를 들어, 높은 개구 수 대물 오일 또는 물)를 사용하여,화물, 모터 (1), 모터 (2) : 세 개의 채널 각각에 대해 Z 스택 이미지 (300 nm의 단계)를 획득. 참고 : 축색 돌기는 종종 완전 평면 성장하지 않는 한 Z-스택의 획득이 중요하다모든 형광 눈물 점 마이크로에 따라서 동일하지 초점면에 있습니다. </li></ol></li><li> 화물 매핑 <ol><li> 이미지 분석 소프트웨어를 이용하여화물 이동 kymograph 생성. Rietdorf과 사이 츠 (BillSeitz) (EMBL)에 의해 개발 된 ImageJ에 플러그인이 kymographs를 생성하는 것이 좋습니다 (다운로드 참조 재료 목록). 참고 : ImageJ에 건강 (27, 28)의 국립 연구소에서 개발 된 공개, 자바 기반의 이미지 처리 프로그램 (다운로드 자료 목록 참조). </li><li> (재료, 고정 지점 (도 2A, B)에서 kymograph의 궤적의 위치에 그들을 중첩 시판 그래프 소프트웨어 프로그램을 사용하여 수동으로 (단계 4.2.14에서 생성) 형광화물의 고정 된 이미지를 정렬 목록). 수동 제 kymograph 상에 고정화물 화상을 중첩 수동에 특정 궤적에 대응화물 눈물 점을 선택하여 정렬kymograph. 가장 좋은 정렬 결과를 매핑 된화물에 가장 초점이 Z 슬라이스를 사용합니다. 몇몇 Z 슬라이스가 사용될 수있다. </li><li> XY 좌표 및 설정 알고리즘을 이용하여 각각의 형광 눈물 점에 대한 강도 진폭이 나타내는 점 분포 함수에 2 차원 가우시안 맞게 결정하고; 각각의 Z-스택 화상 (단계 4.2.14에서 생성화물, 모터 (1) 및 모터 (2))를 들면 세 개의 채널 16,20,21 (그림 2D)의 각각의 각 포인트에 원. 참고 : Jaqaman, Danuser와 동료 21 ~ 23에 의해 개발 된 가우시안 피팅 알고리즘을 통합 XY 좌표, 16, 20를 개발 한 &quot;자동차 colocalization을&quot;라는 사용자 지정 내장 된 MATLAB 소프트웨어 패키지를 구하십시오. 그것의 사용에 대한 소프트웨어 패키지 및 자세한 설명은 요청에 따라 얻을 수 있습니다. </li><li> kymograph에 이동 또는 정지 궤도에 매핑 된 개별화물 눈물 점의 각각에 대해, T 선택그는 &quot;자동차 colocalization을&quot;프로그램의 결과에서 좌표와 강도의 진폭 (이화물 개별적 그림 (b)에 표시되어 있습니다)를 XY. 다른 초점면에서 찾을 수있는 더 많은화물을 매핑하는 단계 4.2.14에서 획득 한 여러 Z 스택 이미지)를 사용합니다. </li><li> 개별 XY가 대응 Z 슬라이스 (도 2D)에 모터 채널들 각각에 대해 얻어진 것과 매핑화물 좌표 비교. 결정하고화물의 300 나노 미터 반경 내에있는 XY 모터 좌표를 선택합니다. 화물 및 같은 초점면 내에 신호가 모터를 들어, 300 나노 미터 반경 내에있는 눈물 점을 확인하기 위해 &quot;모터 colocalization을&quot;소프트웨어 패키지를 사용합니다. </li></ol></li></ol>

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B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stable+kinesin+and+dynein+assemblies+drive+the+axonal+transport+of+mammalian+prion+protein+vesicles.">Stable kinesin and dynein assemblies drive the axonal transport of mammalian prion protein vesicles.</a> Cell. 144, 551-565 (2011).</li><li>Harris, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-plasma+Bonding+of+PDMS+for+Inexpensive+Fabrication+of+Microfluidic+Devices.">Non-plasma Bonding of PDMS for Inexpensive Fabrication of Microfluidic Devices.</a> J. Vis. Exp. 9 (410), (2007).</li><li>Harris, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+a+Microfluidic+Device+for+the+Compartmentalization+of+Neuron+Soma+and+Axons.">Fabrication of a Microfluidic Device for the Compartmentalization of Neuron Soma and Axons.</a> J Vis. Exp. 7 (261), (2007).</li><li>Taylor, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfluidic+culture+platform+for+CNS+axonal+injury,+regeneration+and+transport.">A microfluidic culture platform for CNS axonal injury, regeneration and transport.</a> Nat. Methods. 2, 599-605 (2005).</li><li>Szpankowski, L., Encalada, S. E., Goldstein, L. S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subpixel+colocalization+reveals+amyloid+precursor+protein-dependent+kinesin-1+and+dynein+association+with+axonal+vesicles.">Subpixel colocalization reveals amyloid precursor protein-dependent kinesin-1 and dynein association with axonal vesicles.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 8582-8587 (2012).</li><li>Jaqaman, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+single-particle+tracking+in+live-cell+time-lapse+sequences.">Robust single-particle tracking in live-cell time-lapse sequences.</a> Nat. Methods. 5, 695-702 (2008).</li><li>Thomann, D., Dorn, J., Sorger, P. K., Danuser, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+fluorescent+tag+localization+II:+Improvement+in+super-resolution+by+relative+tracking.">Automatic fluorescent tag localization II: Improvement in super-resolution by relative tracking.</a> J. Microsc. 211, 230-248 (2003).</li><li>Thomann, D., Rines, D. R., Sorger, P. K., Danuser, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+fluorescent+tag+detection+in+3D+with+super-resolution:+application+to+the+analysis+of+chromosome+movement.">Automatic fluorescent tag detection in 3D with super-resolution: application to the analysis of chromosome movement.</a> J. Microsc. 208, 49-64 (2002).</li><li>Bolte, S., Cordelieres, F. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+guided+tour+into+subcellular+colocalization+analysis+in+light+microscopy.">A guided tour into subcellular colocalization analysis in light microscopy.</a> J. Microsc. 224, 213-232 (2006).</li><li>Nunez, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Primary+Culture+of+Hippocampal+Neurons+from+P0+Newborn+Rats.">Primary Culture of Hippocampal Neurons from P0 Newborn Rats.</a> J. Vis. Exp. 29 (19), (2008).</li><li>Kaech, S., Banker, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Culturing+hippocampal+neurons.">Culturing hippocampal neurons.</a> Nat. Protoc. 1, 2406-2415 (2006).</li><li>Collins, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ImageJ+for+microscopy.">ImageJ for microscopy.</a> Biotechniques. 43, 25-30 (2007).</li><li>Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NIH+Image+to+ImageJ:+25+years+of+image+analysis.">NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis.</a> Nat. Methods. 9, 671-675 (2012).</li><li>Moore, D. S., McCabe, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to the Practice of Statistics. , (2005).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

여기에 제시된 프로토콜은 실시간 뉴런 상대적인 유형 및 연관된 모터 단백질의 양 개별 형광 미세 소관 기반 이동화물 입자의 이동 방향성의 상관을 가능하게한다. 이전 축삭 기공화물의 총 모터 조성물은 생화학 적 정제 소포와 세포 기관 9,15의 이기종 인구에 측정 하였다. 그러나, 전지 내부의화물 단일 유형 특성화 모터 조성물 때문에 균질 소포 개체군을 정제에 ?...

세포 내 수송은 다양한 세포 도메인 1 단백질, 세포막, 세포 기관, 및 신호 분자의 전달을위한 모든 종류의 세포에 중요하다. 뉴런은 매우 비판적으로 여러 축삭 마이크로 도메인에 자신의 장거리 전송에 필수적인화물의 세포 내 수송에 의존 한, 편광 돌기 세포를 전문으로하고 있습니다. 두 개의 큰 분자 모터 단백질의 가족 - -이 교통 키네신과 dyneins에 의해 매개되는화물에 결합하는 각각 선행 성과 역행하는 방향으로 편광 미세 소관을 따라 추적 할 수 있습니다. 역행 이동은 주로 네인에 의해 매개되는 동안, 선행 성 방향의 움직임은 키네신 모터 크고 다양한 기능적 가족에 의해 촉진된다. 결과적으로, 축삭화물의 선행 성 전송은 키네신 상과 1-5의 다양한 가족에 의해 중재 될 수있다. 일부화물은 어느 방향으로, m에서 지속적으로 이동하지만OST화물은 양방향으로 이동하고 최종 목적지 1,5-13에가는 길에 자주 역. 또한, 도시 한 것,화물에 동시에 방향성 연관 대향화물의 이동이 규제 된 반대 극성의 모터 5-7에 의해 조정되는 방법에 대한 의문을 제기 모터. 함께, 축삭화물의 수송은 모터와 차례로 다양한 어댑터와 규제 바인딩 파트너 (14)에 의존하는 특정 생화학 적 활동의 구성에 의해 조절되는 공동의 프로세스입니다. 충실 특정화물 축삭 수송 메커니즘을 설명하기 위해, 그 전송의 기본 규정을 밝히기 위해서, 그들의 라이브 운송 중에 개별화물과 연관된 모터 단백질과 그 규제 결합 파트너의 조성을 결정하기 위해 가장 중요하다. 다른 방법은, 예를 생화학 적 접근법에 대해, 평균 경구의 추정치를 제공또는 정제 이기종 소포 인구에 조성하지만, 이러한 추정은 유형 또는 단일 이동 소포에 관련된 모터의 금액을 공개하지 않습니다. 또한, 시험관 내에서 미리 조립 된 미세 소관을 따라 소포 수송 재구성 단일 소포 레벨 (15) 상 모터의 한 형식의 양을 측정 가능. 그러나, 이들 실험은 직접 그 소포 수송 특성을 갖는 모터의 양의 상관 관계, 및 세포 조절 인자의 부재하에 수송을 측정하지 않았다. 내생 적 측정 (IF) 데이터가 모터 단백질을 발현 면역 개별 이동 소포의 모터 구성 (유형과 모터의 상대적인 양을) 결정하고, 신경 세포의 동일한 소포의 실시간 전송에 이러한 매개 변수의 상관 관계를 여기에 제시되는 프로토콜, 16. 이 방법은 IF 투 라이브화물 이동 데이터의 정확한 매핑을 수반한다. 이 기르고하여 수행됩니다마이크로 유체 장치에서 g 해마 마우스 뉴런 프로토콜 17-19 설립 다음. 이 장치는 고정 및 라이브 광학 현미경의 양식에 축삭과 하나의 이동화물의 식별 및 상관 관계 ( &quot;매핑&quot;) (그림 1)에 대한 수 있습니다. 배양 된 신경 세포는 그 전송 kymographs 플롯되는 상세한 움직임 정보를 얻기 위해 높은 공간 및 시간 해상도에 결상된다 형광 표지화물 단백질로 형질 감염된다. 이미징 과정에서 뉴런은 파라 포름 알데히드로 고정되고,이어서 모터 내인성 단백질에 대한 항체로 염색. 고정화물 및 모터 이미지는 운동이 16 탄도 라이브화물로 &quot;지도&quot;(colocalize) 라이브 이동 kymographs에 중첩된다. 모터 단백질의 연관으로화물의 실시간 움직임을 연관하기 colocalization을 &quot;은 모라는 주문품 MATLAB 소프트웨어 패키지를 사용하여 분석된다토르 colocalization을 &quot;16, 20. 형광 표지 된화물 및 모터 부분이 부분적으로 겹칠 수 회절 제한 반점 기능을 생성합니다. 눈물 점 겹치는 위치를 해결하기 위해, 소프트웨어는 제 자동으로 정확한 XY 서브 픽셀 위치를 결정하기 위해, 각각의 형광 눈물 점을 나타내는 각 점 분포 함수에 가우스 함수 맞는 좌표와 세기는 21-23 진폭이. 모터 및화물의 위치는 이어서 colocalization을 16, 20를 결정하는 서로 비교했다. 따라서,이 방법은 다른 방법들보다 정확하게는 24에 비해 형광 눈물 점 사이 colocalization을 할당한다. 이 방법의 장점은 실시간 이동 궤적 (예를 들면, 방향이되는들은 정착시 이동 하였다) 녹화왔다있는 고정 셀의 개별화물 모터 colocalization을 평가하는 기능이다orded. 이 방법 키네신과 dyneins은 (PRP C의 -cellular) 양방향으로 이동하거나 축색 돌기 (16)에 고정되어 neuronally 풍부한화물을 정상 프리온 단백질을 운반 소포에 동시에 연결할 발견되었다. 이 분석은화물 연관된하면서 선행 성 (키네신)와 역행 (네인) 모터가 어느 한 방향으로 소포를 이동 또는 고정 유지하기 위해 그들의 활동을 조정하는 PRP C 소포 운동 규제 작업 모델의 수립을 허용 . 이 방법의 또 다른 장점은 관심의 다른 단백질 (들)과, 거의 모든 세포 유형에서 이동 많은 형광 표지 된화물의 colocalization을 / 협회의 특성에 대한 잠재적 인 광범위한 적용이다. 따라서, 라이브 / 정 상관 잠재적 과도화물 단백질 상호 작용의 검출을 허용 할 수있는 입자를 이동 표지 많은 개별 형광는 원하는 페이지를 통해 분석 될 수있다시간의 eriod. 폭 넓은 적용이 방법은 처리 할 수​​ 질문의 유형을 감안할 때,이 프로토콜은 신경 세포에서 다른 세포 유형에서 그 공부 인신 매매 및 수송 등 세포 생물학의 다양한 관객들에게 관심이 될 것입니다.

<table><tbody><tr><td>poly-L-lysine</td><td>Sigma</td><td>P5899-20mg</td><td></td></tr><tr><td>D-MEM (Dulbecco&amp;rsquo;s Modified Eagle Medium) High Glucose, w/ L-Glutamine, w/o Sodium Pyruvate (1x)</td><td>Life Technologies</td><td>11965092</td><td></td></tr><tr><td>FBS (Fetal Bovine Serum)</td><td>Life Technologies</td><td>10082147</td><td></td></tr><tr><td>Neurobasal-A Medium (1x)</td><td>Life Technologies</td><td>10888022</td><td></td></tr><tr><td>B-27 Serum Free Supplement</td><td>Life Technologies</td><td>10888022</td><td></td></tr><tr><td>GlutaMAX I Supplement (100x)</td><td>Life Technologies</td><td>35050061</td><td></td></tr><tr><td>HBSS (1x) (Hank&amp;rsquo;s Balanced Salt Solution)</td><td>Life Technologies</td><td>24020117</td><td></td></tr><tr><td>DPBS (Dulbecco&amp;rsquo;s Phosphate Buffered Saline, no Magnesium, no Calcium (1x)</td><td>Life Technologies</td><td>14190250</td><td></td></tr><tr><td>Penicillin/Streptomycin (100x)</td><td>Life Technologies</td><td>15140122</td><td></td></tr><tr><td>Corning cellgro Water for Cell Culture&amp;nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>MT46000CM</td><td></td></tr><tr><td>Papain</td><td>USB Corporation</td><td>19925</td><td></td></tr><tr><td>DL-cysteine HCl</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C9768</td><td></td></tr><tr><td>BSA (bovine serum albumin)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A7906</td><td></td></tr><tr><td>D-glucose</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G6152</td><td></td></tr><tr><td>DNAse I grade II</td><td>Roche Applied Sciences</td><td>10104159001</td><td></td></tr><tr><td>Lipofectamine 2000</td><td>Life Technologies</td><td>&amp;nbsp;11668027</td><td></td></tr><tr><td>Formaldehyde Solution 16% EM Grade</td><td>Fisher Scientific</td><td>50980487</td><td>Caution: Harmful by inhalation, in contact with skin and if swallowed. Irritating to eyes, respiratory system and skin. Dispose according to official regulations.</td></tr><tr><td>Sucrose</td><td>Fisher Scientific</td><td>S5-500</td><td></td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma</td><td>H-3375</td><td></td></tr><tr><td>Normal Donkey Serum</td><td>Jackson Immuno Research</td><td>017-000-0121</td><td></td></tr><tr><td>BSA fatty acid and IgG free</td><td>Jackson Immuno Research</td><td>001-000-162</td><td></td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Fisher Scientific</td><td>BP2403-4</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>BP2818-100</td><td></td></tr><tr><td>ProLong Gold antifade reagent</td><td>Life Technologies</td><td>P36934</td><td></td></tr><tr><td>Cover Glass 1 1/2. 24 x 40 mm</td><td>Corning</td><td>2980-244</td><td></td></tr><tr><td>Axis microfluidic device, 450 &amp;micro;m</td><td>Millipore</td><td>AX450</td><td></td></tr><tr><td>Adobe Photoshop</td><td>Adobe</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Nikon Eclipse TE2000-U&amp;nbsp;</td><td>Nikon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Coolsnap HQ camera&amp;nbsp;</td><td>Roper Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>60 mm cell culture dish</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-565-95</td><td></td></tr><tr><td>150 mm cell culture dish</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-565-100</td><td></td></tr><tr><td>Antibodies Used:</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Anti-Kinesin light chain, V-17</td><td>Santa Cruz&amp;nbsp;</td><td>sc-13362</td><td>specificity verified using KLC1-/- neurons (Ref. 16), recommended dilution 1:100.</td></tr><tr><td>Anti Dynein Heavy Chain 1, R-325</td><td>Santa Cruz&amp;nbsp;</td><td>sc-9115</td><td>specificity verified using shRNA against DYN1HC1 (Ref. 16), recommended dilution 1:100</td></tr><tr><td>Alexa Fluor 568 Donkey Anti-Rabbit IgG Antibody</td><td>Life Technologies</td><td>A10042</td><td>&amp;nbsp;recommended dilution 1:200.</td></tr><tr><td>Alexa Fluor 647 Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) Antibody</td><td>Life Technologies</td><td>A31573</td><td>&amp;nbsp;recommended dilution 1:200.</td></tr><tr><td>Alexa Fluor 568 Donkey Anti-Goat IgG (H+L) Antibody IgG Antibody</td><td>Life Technologies</td><td>A11057</td><td>&amp;nbsp;recommended dilution 1:200.</td></tr><tr><td>Alexa Fluor 647 Donkey Anti-Goat IgG (H+L) Antibody</td><td>Life Technologies</td><td>A21447</td><td>&amp;nbsp;recommended dilution 1:200.</td></tr><tr><td colspan="4">Plugins and Macros</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td></td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://imagej.nih.gov/ij/index.html&quot;&gt;&amp;nbsp;http://imagej.nih.gov/ij/index.html.&amp;nbsp;&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>ImageJ Kymograph Plugin</td><td></td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.embl.de/eamnet/html/body_kymograph.html&quot;&gt;http://www.embl.de/eamnet/html/body_kymograph.html.&lt;/a&gt;</td></tr></tbody></table>

characterizing the composition of molecular motors on moving axonal cargo using "cargo mapping" analysis

분자 모터 신경 세포 내 소낭화물을 수송하는 그들의 활동을 조정하는 메커니즘을 이해하는 것은 하나의 소포 수준에서 모터 /화물 협회의 정량 분석​​이 필요합니다. 이 프로토콜의 목적은 동일한화물과 관련된 모터의 조성 및 상 대량으로 ( &quot;지도&quot;) 상관 라이브화물의 이동 위치와 방향성을 정량적 형광 현미경을 사용하는 것이다. &quot;화물 매핑은&quot;생방송 운동의 기록에서 화학적 고정 다음 미세 유체 장치에서 배양 축삭 이동 형광 표지 된화물의 이미징, 및 모터에 대한 항체와 동일한 축삭 지역의 후속 면역 (IF) 염색으로 구성되어 있습니다. 화물 및 연관된 모터 사이 colocalization을 서브 - 픽셀 위치를 할당함으로써 평가된다 회절에 리 피팅 가우스 함수에 의해, 모터 및화물 채널 좌표개별 형광 포인트 소스를 나타내는 mited 포인트 확산 기능. 고정화물 및 모터 이미지는 이후 자신의 추적 궤도로 &quot;맵&quot;,화물 이동의 플롯에 중첩된다. 데이터가 살아있는 세포에 기공을화물의 수송을 모두 기록하고이 동일한 소포에 연결된 모터를 결정하는 경우,이 프로토콜의 강도는 라이브의 조합입니다. 이 기술은 이러한 방법은 단일 이동화물에 조성물을 공개하지 않는 한, 정제 된 벌크 소포 이종 집단의 평균 모터 조성을 결정하는 생화학 적 방법을 사용하여 이전의 어려움을 극복한다. 더욱이,이 프로토콜은 단백질 조성물의 개별 세포 구조의 이동을 상관시키는 다른 세포 유형에서 다른 전송 및 / 또는 매매 경로의 분석을 위해 적응 될 수있다. 이 프로토콜의 한계로 인해 배양의 낮은 형질 전환 효율에 상대적으로 낮은 처리량이다차 뉴런 고해상도 영상화 가능한 뷰 제한된 필드. 미래의 애플리케이션은 형광 표지 된화물을 발현하는 신경 세포의 수를 증가시키는 방법을들 수있다.

도 1은 해마 신경 세포를 성장하는 데 미세 유동 장치의 개요를 도시한다 (도 1A, B). 뉴런의 채널 길이가 축삭 구획에 줄곧 건너로부터 수지상 돌기를 방지하면서 미세의 크기로 구획 축삭 세포 기관 (소마)의 확산을 방지 저장조 (1)에 도금된다. 문화 ~ 2~3일 후, 신경 세포는 축삭 구획 (그림 1B, C)에 마이크로 채널을 통해 자신의 축삭을 확장하기 시작. 황색 형?...

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Characterizing the Composition of Molecular Motors on Moving Axonal Cargo Using "Cargo Mapping" Analysis

Intracellular transport of cargoes, such as vesicles or organelles, is carried out by molecular motor proteins that track on polarized microtubules. This protocol describes the correlation of the directionality of transport of individual cargo particles moving inside neurons, to the relative amount and type of associated motor proteins.

사용 축삭화물을 이동하는 분자 모터의 구성을 특성화 &quot;화물 매핑&quot;분석

Understanding the mechanisms by which molecular motors coordinate their activities to transport vesicular cargoes within neurons requires the quantitative ...

characterizing-composition-molecular-motors-on-moving-axonal-cargo

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Neuroscience

9.3K 조회수.  The Scripps Research Institute. Intracellular transport of cargoes, such as vesicles or organelles, is carried out by molecular motor proteins that track on polarized microtubules. This protocol describes the correlation of the directionality of transport of individual cargo particles moving inside neurons, to the relative amount and type of associated motor proteins.

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Production of Dynein and Kinesin Motor Ensembles on DNA Origami Nanostructures for Single Molecule Observation

Cytoskeletal motors are responsible for a wide variety of functions in eukaryotic cells, including mitosis, cargo transport, cellular motility, and others. Many of these functions require motors to operate in ensembles. Despite a wealth of knowledge about the mechanisms of individual cytoskeletal motors, comparatively less is known about the mechanisms and emergent behaviors of motor ensembles, examples of which include changes to ensemble processivity and velocity with changing motor number, location, and configuration. Structural DNA nanotechnology, and the specific technique of DNA origami, enables the molecular construction of well-defined architectures of motor ensembles. The shape of cargo structures as well as the type, number and placement of motors on the structure can all be controlled. Here, we provide detailed protocols for producing these ensembles and observing them using total internal reflection fluorescence microscopy. Although these techniques have been specifically applied for cytoskeletal motors, the methods are generalizable to other proteins that assemble in complexes to accomplish their tasks. Overall, the DNA origami method for creating well-defined ensembles of motor proteins provides a powerful tool for dissecting the mechanisms that lead to emergent motile behavior.

The goal of this protocol is to form ensembles of molecular motors on DNA origami nanostructures and observe the ensemble motility using total internal reflection fluorescence microscopy.

단일 분자 관찰을 위한 DNA 종이 접기 나노 구조에 다인 및 키네신 모터 앙상블 생산

Cytoskeletal motors are responsible for a wide variety of functions in eukaryotic cells, including mitosis, cargo transport, cellular motility, and ...

연구

생화학

Motility of Single Molecules and Clusters of Bi-Directional Kinesin-5 Cin8 Purified from S. cerevisiae Cells

The mitotic bipolar kinesin-5 motors perform essential functions in spindle dynamics. These motors exhibit a homo-tetrameric structure with two pairs of catalytic motor domains, located at opposite ends of the active complex. This unique architecture enables kinesin-5 motors to crosslink and slide apart antiparallel spindle microtubules (MTs), thus providing the outwardly-directed force that separates the spindle poles apart. Previously, kinesin-5 motors were believed to be exclusively plus-end directed. However, recent studies revealed that several fungal kinesin-5 motors are minus-end directed at the single-molecule level and can switch directionality under various experimental conditions. The Saccharomyces cerevisiae kinesin-5 Cin8 is an example of such bi-directional motor protein: in high ionic strength conditions single molecules of Cin8 move in the minus-end direction of the MTs. It was also shown that Cin8 forms motile clusters, predominantly at the minus-end of the MTs, and such clustering allows Cin8 to switch directionality and undergo slow, plus-end directed motility. This article provides a detailed protocol for all steps of working with GFP-tagged kinesin-5 Cin8, from protein overexpression in S. cerevisiae cells and its purification to in vitro single-molecule motility assay. A newly developed method described here helps to differentiate between single molecules and clusters of Cin8, based on their fluorescence intensity. This method enables separate analysis of motility of single molecules and clusters of Cin8, thus providing the characterization of the dependence of Cin8 motility on its cluster size.

Motility of Single Molecules and Clusters of Bi-Directional Kinesin-5 Cin8 Purified from S. cerevisiae Cells

The bi-directional mitotic kinesin-5 Cin8 accumulates in clusters that split and merge during their motility. Accumulation in clusters also changes the velocity and directionality of Cin8. Here, a protocol for motility assays with purified Cin8-GFP and analysis of motile properties of single molecules and clusters of Cin8 is described.

S. cerevisiae 세포로부터 정제된 양방향 Kinesin-5 Cin8의 단일 분자 및 클러스터의 이동성

The mitotic bipolar kinesin-5 motors perform essential functions in spindle dynamics. These motors exhibit a homo-tetrameric structure with two pairs of ...

Cargo Loading onto Kinesin Powered Molecular Shuttles

Cells have evolved sophisticated molecular machinery, such as kinesin motor proteins and microtubule filaments, to support active intracellular transport of cargo. While kinesins tail domain binds to a variety of cargoes, kinesins head domains utilize the chemical energy stored in ATP molecules to step along the microtubule lattice. The long, stiff microtubules serve as tracks for long-distance intracellular transport.
These motors and filaments can also be employed in microfabricated synthetic environments as components of molecular shuttles 1. In a frequently used design, kinesin motors are anchored to the track surface through their tails, and functionalized microtubules serve as cargo carrying elements, which are propelled by these motors. These shuttles can be loaded with cargo by utilizing the strong and selective binding between biotin and streptavidin. The key components (biotinylated tubulin, streptavidin, and biotinylated cargo) are commercially available.
Building on the classic inverted motility assay 2, the construction of molecular shuttles is detailed here. Kinesin motor proteins are adsorbed to a surface precoated with casein; microtubules are polymerized from biotinylated tubulin, adhered to the kinesin and subsequently coated with rhodamine-labeled streptavidin. The ATP concentration is maintained at subsaturating concentration to achieve a microtubule gliding velocity optimal for loading cargo 3. Finally, biotinylated fluorescein-labeled nanospheres are added as cargo. Nanospheres attach to microtubules as a result of collisions between gliding microtubules and nanospheres adhering to the surface.
The protocol can be readily modified to load a variety of cargoes such as biotinylated DNA4, quantum dots 5 or a wide variety of antigens via biotinylated antibodies 4-6.

Molecular shuttles consisting of functionalized microtubules gliding on surface-adhered kinesin motor proteins can serve as a nanoscale transport system. Here, the assembly of a typical shuttle system is described.

Kinesin 전원 분자 셔틀로화물 로딩

Cells have evolved sophisticated molecular machinery, such as kinesin motor proteins and microtubule filaments, to support active intracellular transport ...

생물학

Single-Molecule Analysis of Sf9 Purified Superprocessive Kinesin-3 Family Motors

A complex cellular environment poses challenges for single-molecule motility analysis. However, advancement in imaging techniques have improved single-molecule studies and has gained immense popularity in detecting and understanding the dynamic behavior of fluorescent-tagged molecules. Here, we describe a detailed method for&#160;in vitro single-molecule studies of kinesin-3 family motors using Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy. Kinesin-3 is a large family that plays critical roles in cellular and physiological functions ranging from intracellular cargo transport to cell division to development. We have shown previously that constitutively active dimeric kinesin-3 motors exhibit fast and superprocessive motility with high microtubule affinity at the single-molecule level using cell lysates prepared by expressing motor in mammalian cells. Our lab studies kinesin-3 motors and their regulatory mechanisms using cellular, biochemical and biophysical approaches, and such studies demand purified proteins at a large scale. Expression and purification of these motors using mammalian cells would be expensive and time-consuming, whereas expression in a prokaryotic expression system resulted in significantly aggregated and&#160;inactive protein. To overcome the limitations posed by bacterial purification systems and mammalian cell lysate, we have established a robust Sf9-baculovirus expression system to express and purify these motors. The kinesin-3 motors are C-terminally tagged with 3-tandem fluorescent proteins (3xmCitirine or 3xmCit) that provide enhanced signals and decreased photobleaching. In vitro single-molecule and multi-motor gliding analysis of Sf9 purified proteins demonstrate that kinesin-3 motors are fast and superprocessive akin to our previous studies using mammalian cell lysates. Other applications using these assays include detailed knowledge of oligomer conditions of motors, specific binding partners paralleling biochemical studies, and their kinetic state.

This study details purification of KIF1A(1-393LZ), a member of kinesin-3 family, using Sf9-baculovirus expression system. In vitro single-molecule and multi-motor gliding analysis of these purified motors exhibited robust motility properties comparable to motors from mammalian cell lysate. Thus, Sf9-baculovirus system is amenable to express and purify motor protein of interest.

Sf9 정제 초공정 키네신-3 제품군 모터의 단일 분자 분석

A complex cellular environment poses challenges for single-molecule motility analysis. However, advancement in imaging techniques have improved ...

Analyzing Mitochondrial Transport and Morphology in Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Neurons in Hereditary Spastic Paraplegia

Neurons have intense demands for high energy in order to support their functions. Impaired mitochondrial transport along axons has been observed in human neurons, which may contribute to neurodegeneration in various disease states. Although it is challenging to examine mitochondrial dynamics in live human nerves, such paradigms are critical for studying the role of mitochondria in neurodegeneration. Described here is a protocol for analyzing mitochondrial transport and mitochondrial morphology in forebrain neuron axons derived from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). The iPSCs are differentiated into telencephalic glutamatergic neurons using well-established methods. Mitochondria of the neurons are stained with MitoTracker CMXRos, and mitochondrial movement within the axons are captured using a live-cell imaging microscope equipped with an incubator for cell culture. Time-lapse images are analyzed using software with &#34;MultiKymograph&#34;, &#34;Bioformat importer&#34;, and &#34;Macros&#34; plugins. Kymographs of mitochondrial transport are generated, and average mitochondrial velocity in the anterograde and retrograde directions is read from the kymograph. Regarding mitochondrial morphology analysis, mitochondrial length, area, and aspect ratio are obtained using the ImageJ. In summary, this protocol allows characterization of mitochondrial trafficking along axons and analysis of their morphology to facilitate studies of neurodegenerative diseases.

Impaired mitochondrial transport and morphology are involved in various neurodegenerative diseases. The presented protocol uses induced pluripotent stem cell-derived forebrain neurons to assess mitochondrial transport and morphology in hereditary spastic paraplegia. This protocol allows characterization of mitochondrial trafficking along axons and analysis of their morphology, which will facilitate the study of neurodegenerative disease.

유전 경직 성 하반신 마비에서 인간 유도 만능 줄기 세포 유래 뉴런에서 미토콘드리아 수송 및 형태 분석

Neurons have intense demands for high energy in order to support their functions. Impaired mitochondrial transport along axons has been observed in human ...

신경과학

Axonal Transport of Organelles in Motor Neuron Cultures using Microfluidic Chambers System

Motor neurons (MNs) are highly polarized cells with very long axons. Axonal transport is a crucial mechanism for MN health, contributing to neuronal growth, development, and survival. We describe a detailed method for the use of microfluidic chambers (MFCs) for tracking axonal transport of fluorescently labeled organelles in MN axons. This method is rapid, relatively inexpensive, and allows for the monitoring of intracellular cues in space and time. We describe a step by step protocol for: 1) Fabrication of polydimethylsiloxane (PDMS) MFCs; 2) Plating of ventral spinal cord explants and MN dissociated culture in MFCs; 3) Labeling of mitochondria and acidic compartments followed by live confocal imagining; 4) Manual and semiautomated axonal transport analysis. Lastly, we demonstrate a difference in the transport of mitochondria and acidic compartments of HB9::GFP ventral spinal cord explant axons as a proof of the system validity. Altogether, this protocol provides an efficient tool for studying the axonal transport of various axonal components, as well as a simplified manual for MFC usage to help discover spatial experimental possibilities.

Axonal transport is a crucial mechanism for motor neuron health. In this protocol we provide a detailed method for tracking the axonal transport of acidic compartments and mitochondria in motor neuron axons using microfluidic chambers.

미세 유체 챔버 시스템을 사용하여 모터 뉴런 배양에서 세포기관의 축축한 수송

Motor neurons (MNs) are highly polarized cells with very long axons. Axonal transport is a crucial mechanism for MN health, contributing to neuronal ...

Imaging and Analysis of Neurofilament Transport in Excised Mouse Tibial Nerve

Neurofilament protein polymers move along axons in the slow component of axonal transport at average speeds of ~0.35-3.5 mm/day. Until recently the study of this movement in situ was only possible using radioisotopic pulse-labeling, which permits analysis of axonal transport in whole nerves with a temporal resolution of days and a spatial resolution of millimeters. To study neurofilament transport in situ with higher temporal and spatial resolution, we developed a hThy1-paGFP-NFM transgenic mouse that expresses neurofilament protein M tagged with photoactivatable GFP in neurons. Here we describe fluorescence photoactivation pulse-escape and pulse-spread methods to analyze neurofilament transport in single myelinated axons of tibial nerves from these mice ex vivo. Isolated nerve segments are maintained on the microscope stage by perfusion with oxygenated saline and imaged by spinning disk confocal fluorescence microscopy. Violet light is used to activate the fluorescence in a short axonal window. The fluorescence in the activated and flanking regions is analyzed over time, permitting the study of neurofilament transport with temporal and spatial resolution on the order of minutes&#160;and microns, respectively. Mathematical modeling can be used to extract kinetic parameters of neurofilament transport including the velocity, directional bias and pausing behavior from the resulting data. The pulse-escape and pulse-spread methods can also be adapted to visualize neurofilament transport in other nerves. With the development of additional transgenic mice, these methods could also be used to image and analyze the axonal transport of other cytoskeletal and cytosolic proteins in axons.

We describe fluorescence photoactivation methods to analyze the axonal transport of neurofilaments in single myelinated axons of peripheral nerves from transgenic mice that express a photoactivatable neurofilament protein.

절제된 마우스 티비알 신경에 있는 신경필라멘트 수송의 화상 진찰 그리고 분석

Neurofilament protein polymers move along axons in the slow component of axonal transport at average speeds of ~0.35-3.5 mm/day. Until recently the study ...

Expanding the Toolkit for In Vivo Imaging of Axonal Transport

Axonal transport maintains neuronal homeostasis by enabling the bidirectional trafficking of diverse organelles and cargoes. Disruptions in axonal transport have devastating consequences for individual neurons and their networks, and contribute to a plethora of neurological disorders. As many of these conditions involve both cell autonomous and non-autonomous mechanisms, and often display a spectrum of pathology across neuronal subtypes, methods to accurately identify and analyze neuronal subsets are imperative.
This paper details protocols to assess in vivo axonal transport of signaling endosomes and mitochondria in sciatic nerves of anesthetized mice. Stepwise instructions are provided to 1) distinguish motor from sensory neurons in vivo, in situ, and ex vivo by using mice that selectively express fluorescent proteins within cholinergic motor neurons; and 2) separately or concurrently assess in vivo axonal transport of signaling endosomes and mitochondria. These complementary intravital approaches facilitate the simultaneous imaging of different cargoes in distinct peripheral nerve axons to quantitatively monitor axonal transport in health and disease.

Expanding the Toolkit for In Vivo Imaging of Axonal Transport

Using transgenic fluorescent mice, detailed protocols are described to assess in vivo axonal transport of signaling endosomes and mitochondria within motor and sensory axons of the intact sciatic nerve in live animals.

축삭 수송의 생체 내 이미징을위한 툴킷 확장

Axonal transport maintains neuronal homeostasis by enabling the bidirectional trafficking of diverse organelles and cargoes. Disruptions in axonal ...

Measuring Axonal Cargo Transport in Mouse Primary Cortical Cultured Neurons

Neuronal cells are highly polarized cells that stereotypically harbor several dendrites and an axon. The length of an axon necessitates efficient bidirectional transport by motor proteins. Various reports have suggested that defects in axonal transport are associated with neurodegenerative diseases. Also, the mechanism of the coordination of multiple motor proteins has been an attractive topic. Since the axon has uni-directional microtubules, it is easier to determine which motor proteins are involved in the movement. Therefore, understanding the mechanisms underlying the transport of axonal cargo is crucial for uncovering the molecular mechanism of neurodegenerative diseases and the regulation of motor proteins. Here, we introduce the entire process of axonal transport analysis, including the culturing of mouse primary cortical neurons, transfection of plasmids encoding cargo proteins, and directional and velocity analyses without the effect of pauses. Furthermore, the open-access software "KYMOMAKER" is introduced, which enables the generation of a kymograph to highlight transport traces according to their direction and allow easier visualization of axonal transport.

The present protocol describes the whole procedure of analysis for axonal transport. In particular, the calculation of transport velocity, not including the pausing, and the visualization method using open-access software "KYMOMAKER" are shown here.

Neuronal cells are highly polarized cells that stereotypically harbor several dendrites and an axon. The length of an axon necessitates efficient ...

Identification of Kinesin-1 Cargos Using Fluorescence Microscopy

Fluorescence microscopy is employed to identify Kinesin-1 cargos. Recently, the heavy chain of Kinesin-1 (KIF5B) was shown to transport the nuclear transcription factor c-MYC for proteosomal degradation in the cytoplasm. The method described here involves the study of a motorless KIF5B mutant for fluorescence microscopy. The wild-type and motorless KIF5B proteins are tagged with the fluorescent protein tdTomato. The wild-type tdTomato-KIF5B appears homogenously in the cytoplasm, while the motorless tdTomato-KIF5B mutant forms aggregates in the cytoplasm. Aggregation of the motorless KIF5B mutant induces aggregation of its cargo c-MYC in the cytoplasm. Hence, this method provides a visual means to identify the cargos of Kinesin-1. A similar strategy can be utilized to identify cargos of other motor proteins.

Here, a protocol is presented to identify Kinesin-1 cargos. A motorless mutant of the Kinesin-1 heavy chain (KIF5B) aggregates in the cytoplasm and induces aggregation of its cargos. Both aggregates are detected under fluorescence microscopy. A similar strategy can be employed to identify cargos of other motor proteins.

형광 현미경을 사용 키네신 -1-화물 식별

Fluorescence microscopy is employed to identify Kinesin-1 cargos. Recently, the heavy chain of Kinesin-1 (KIF5B) was shown to transport the nuclear ...

사용 축삭화물을 이동하는 분자 모터의 구성을 특성화 "화물 매핑"분석

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