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experiment
Assa Sittner
To cite this version:
Assa Sittner. Toward a single molecule study of asymmetric experiment. Biological Physics [physics.bio-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. English. �NNT : 2010PA066095�.
�tel-00815355�
TH ´ ESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
Specialit´ e Biophysique
Ecole doctorale de physique de la r´ ´ egion Parisienne
Pres´ ent´ ee par
M. Assa Sittner Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSIT´ E PIERRE ET MARIE CURIE
Sujet de la th´ ese :
Vers une ´ etude de la division asym´ etrique des cellules ` a l’´ echelle de la mol´ ecule unique
Soutenue le 08.01.2010 devant le jury compos´ e de :
Directeur de th´ ese : Dr. Maxime Dahan Rapporteurs : Dr. Laurent Cognet
Pr. Thomas Schmidt Examinateurs : Dr. Yohanns Bella¨ıche
Pr. Denis Cote
2
R´ esum´ e
Contents
Vers une ´ etude de la division asym´ etrique des cellules ` a l’´ echelle de la
mol´ ecule unique - R´ esum´ e en Fran¸ cais 8
I Introduction 23
1 Single quantum dot tracking 27
1.1 An overview of imaging methods in cellular biology . . . . 27
1.1.1 Historical perspective . . . . 27
1.1.2 Modern imaging techniques . . . . 27
1.2 Using quantum dots (QDs) as a single molecule probe . . . . 34
1.2.1 Fluorescent proteins (FPs) . . . . 34
1.2.2 Organic dyes . . . . 34
1.2.3 Semiconductor quantum dots . . . . 34
1.3 Quantum dot internalization into live cells . . . . 40
1.3.1 An overview of internalization methods . . . . 40
1.3.2 Additional technical issues regarding QD internalization . . . . 41
1.4 The analysis of Mean Square Displacement (MSD) . . . . 42
1.4.1 Theoretical background . . . . 42
2 Polarity and asymmetric cell division 45 2.1 Background and definitions . . . . 45
2.1.1 The two types of ACD . . . . 47
2.2 Examples for asymmetric cell division . . . . 48
2.2.1 Caulobacter crescentus . . . . 48
2.2.2 Saccharomyces cerevisiae . . . . 48
2.2.3 Caenorhabditis elegans . . . . 50
2.2.4 Drosophila melanogaster . . . . 51
2.2.5 Mammalian . . . . 53
2.3 Asymmetric cell division of Drosophila melanogaster . . . . 53
2.3.1 Asymmetric localization of cell fate determinants - a detailed description 54 2.3.2 Spindle positioning in Drosophila melanogaster . . . . 55
2.3.3 Neuroblasts as a model for cancer research . . . . 57
2.3.4 Conserved features and principles in asymmetric cell division . . . . 57
2.3.5 Questions arising from the observation of asymmetric cell division . . . . 58
2.3.6 Advantages of SQDT in the context of polarization . . . . 58
II Methods 61
3 Experimental layout - asymmetric cell division 63
4 Experimental setup 65
5
5 Fly work 67
5.1 Drosophila melanogaster as a model system in biology . . . . 67
5.1.1 Husbandry . . . . 67
5.1.2 Basic genetics and notation . . . . 67
5.1.3 Genetic tools in Drosophila . . . . 67
5.2 Genetic crosses . . . . 69
5.3 Larvae dissection and neuroblast culture . . . . 71
6 Protein expression and purification 73 6.1 Cloning and design . . . . 73
6.1.1 PON . . . . 74
6.1.2 Pins . . . . 77
6.1.3 Miranda . . . . 79
6.1.4 Anti-GFP single chain variable fragment . . . . 80
6.1.5 GFP . . . . 81
6.2 Protein expression . . . . 81
6.2.1 Baculovirus/SF9 expression and purification . . . . 81
6.2.2 E. coli expression and purification . . . . 81
6.3 Biotinylation . . . . 83
6.3.1 In vitro Biotinylation . . . . 83
6.3.2 in vivo Biotinylation . . . . 83
6.3.3 Tests for biotinylation . . . . 84
7 Single chain binding measurements 85 8 QD coupling and characterization 87 8.1 Coupling of QDs to proteins . . . . 87
8.1.1 Coupling of rabbit anti-GFP antibodies to commercial anti-rabbit QDs . 87 8.1.2 Coupling of NH
2-PEG QDs to proteins using the crosslinker BS
3. . . . . 87
8.2 Gel electrophoresis . . . . 88
8.3 Electro-transfer(western blotting) . . . . 90
8.4 Coupling on a solid support . . . . 93
9 QD internalization 95 9.1 Micro-injection . . . . 95
9.2 Pinocytic influx . . . . 95
10 Analysis of movies 97 10.1 Trajectory analysis . . . . 97
10.1.1 Detection and reconnection of trajectories . . . . 97
10.2 Transport regimes . . . 102
10.3 Colocalization analysis . . . 105
10.3.1 Colocalization of dye-labeled anti-GFP ScFv and CFP . . . 105
10.3.2 Colocalization of GFP-labeled PON and sparse QDs . . . 106
III Results 109 11 Introducing probes into the cells 111 11.1 Micro-injection . . . 111
11.1.1 Tests . . . 111
11.2 Influx (osmotic shock) . . . 114
11.2.1 Tests . . . 114
6
CONTENTS
R´ esum´ e
11.2.2 Introduction of QDs into HeLa, 3T3 and S2 cells . . . 116
11.2.3 Introduction of QDs into neuroblasts . . . 119
11.2.4 A comparison between Micro-injection and the Influx methods . . . 120
11.2.5 The variation of diffusion coefficients inside the cytoplasm of living cells . 121 11.2.6 The significance of QD surface chemistry . . . 122
12 Protein preparation and biotinylation 123 12.1 PON constructs . . . 123
12.1.1 Baculovirus constructs . . . 123
12.1.2 Bacterial construct . . . 123
12.2 PINS construct . . . 123
12.2.1 Baculovirus construct . . . 123
12.2.2 Bacterial expression . . . 124
12.3 Miranda construct . . . 126
12.4 Anti-GFP single chain variable fragment (ScFv) . . . 128
12.5 Proteins for control and modification . . . 128
12.5.1 Biotinylated GFPuv . . . 128
12.5.2 BirA . . . 129
12.5.3 Nucleoplasmin . . . 130
13 QD-protein complexes: coupling and characterization 131 13.1 Coupling of proteins and QDs using the biotin-streptavidin pair . . . 131
13.1.1 Pins coupling to QD-SAV . . . 131
13.1.2 Miranda . . . 132
13.1.3 GFP . . . 133
13.2 Electro-transfer characterization of QDs . . . 133
13.3 Coupling on a solid support . . . 135
14 Intracellular targeting and tracking 143 14.1 Preliminary tests . . . 143
14.1.1 Localization of dye-labeled nucleoplasmin in the nuclei of cells. . . 143
14.1.2 Localization Anti-GFP QDs in Fly brain cells expressing GFP/YFP la- beled centrosomes . . . 144
14.2 Targeting PON-GFP with anti-GFP QDs (QD::AntiGFPIgG) . . . 145
14.3 Localization of Miranda in mitotic neuroblast cells . . . 149
14.4 Localization of Pins in neuroblast cells . . . 152
14.4.1 Localization of Pins in dividing neuroblast cells . . . 152
14.4.2 Polarized vs. unpolarized cells . . . 154
15 ScFv functionalized QDs 155 15.1 Introduction . . . 155
15.2 Preliminary in-vitro tests . . . 158
15.3 Quantification and binding kinetics . . . 158
15.4 Agarose gel electrophoresis . . . 159
15.5 Experiments on live cells and tracking of single GFPs . . . 159
15.6 Polyvalent ScFv QD . . . 161
15.6.1 655nm NH
2-PEG-QD::polyScFv . . . 161
15.6.2 EO6D-QD::polyScFv . . . 163
15.7 Monovalent ScFv QDs . . . 164
15.7.1 Single-QD tracking . . . 164
15.7.2 A comparison of diffusion coefficients between monovalent and polyvalent ScFv QDs . . . 165
7
IV Discussion and perspectives 167
16 Discussion 171
16.1 Intracellular targeting . . . 171
16.2 The development of monovalent ScFv-based probes . . . 172
16.3 QD size and Bio-compatibility - Is smaller necessarily better? . . . 173
16.4 QD internalization methods and intracellular diffusion . . . 173
16.4.1 Internalization: microinjection vs. pinocytic influx . . . 173
16.4.2 Intracellular diffusion . . . 174
16.5 Coupling and characterization methods . . . 174
16.5.1 Conjugation . . . 174
16.5.2 Electrotransfer of QDs . . . 174
16.5.3 Coupling on a solid support . . . 175
16.6 Limitations of the system . . . 176
16.6.1 Tracking in thick samples . . . 176
16.6.2 Internalization . . . 177
17 Future prospects in the study of neuroblast ACD 179 17.1 The study of neuroblast asymmetric cell division using QDs . . . 179
17.2 Applications for protein constructs . . . 179
17.3 Emerging techniques . . . 179
V Appendices 181 A Cloning steps for baculovirus constructs 183 A.1 PON . . . 183
A.2 Pins . . . 183
A.3 Miranda . . . 183
B Special media and buffers for fly work 187 C Primers 189 C.1 AviTag and adaptor . . . 189
D Constructs 193 D.1 Proteins related to asymmetric cell division . . . 193
D.1.1 Pins . . . 193
D.1.2 Miranda . . . 194
D.1.3 PON . . . 195
D.1.4 Numb . . . 196
D.2 monobiotinylated GFP . . . 197
D.3 Single-chain variable fragments (ScFv) . . . 197
VI Bibliography 199
8
R´ esum´ e
Introduction
Le but de ce projet est de d´ evelopper de nouveaux outils pour explorer des processus d’organ- isation intracellulaire dynamique dans les cellules vivantes, avec une sensibilit´ e sans pr´ ec´ edent.
Ce travail se concentre sur deux aspects principaux : le d´ eveloppement d’outils pour l’´ etude en mol´ ecule unique de la division cellulaire asym´ etrique, et la mise au point de sondes monovalentes qui permettent le suivi d’une prot´ eine individuelle utilisant un nanocristal semiconducteur (ou quantum dot, QD).
Suivi de mol´ ecules individuelles avec des nanocristaux semicon- ducteurs
Nous employons des m´ ethodes de mol´ ecule unique, qui nous permettent de suivre le mou- vement de chaque mol´ ecule s´ epar´ ement. En observant des processus ` a l’´ echelle de la mol´ ecule individuelle, il est possible d’obtenir des informations sur des processus biologiques qui sont in- accessibles par des mesures sur toute la population. Ainsi, les mesures ` a l’echelle de la mol´ ecule unique peuvent apporter des renseignements sur l’h´ et´ erog´ en´ eit´ e de l’´ echantillon [1] et l’existence d’ ´ ev´ enements al´ eatoires non-sychronys´ es dans l’´ echantillon [2], qui sont habituellement cach´ es par les effets de moyennage. Ceci est obtenu, en utilisant des fluorophores nouveaux, appel´ es nanocristaux semiconducteurs ou quantum dots (QDs), qui permettent de d´ etecter et suivre une seule mol´ ecule unique en milieu vivant. Les QDs sont des nanoparticules ayant un diam` etre de quelques nanom` etres et des propri´ et´ es physiques uniques. Ils surpassent les prot´ eines fluo- rescentes [3, 4] et les colorants organiques [5] dans plusieurs aspects de photophysique. Leur coefficient d’extinction exceptionnellement ´ elev´ e, plus de 10 fois celui des meilleurs colorants organiques, conduit ` a une ´ emission de fluorescence intense. Cette propri´ et´ e permet la d´ etection et l’imagerie des QDs avec un rapport signal sur bruit ´ elev´ e, mˆ eme en utilisant des configura- tions standard de microscopie de fluorescence. Le rapport signal sur bruit ´ elev´ e permet aussi la localisation des QDs avec une pr´ ecision de quelques nanom` etres, bien en de¸ c` a de la limite de diffraction (∼ 250nm). Un autre avantage important des QDs est leur photo-stabilit´ e re- marquable. Leur capacit´ e de r´ esister une exposition constante ` a la lumi` ere d’excitation pour de longues p´ eriodes de temps (minutes ou quelques heures), sans ˆ etre photod´ etruit, est de loin sup´ erieure ` a celle des prot´ eines fluorescentes ou des colorants organiques (0,1 ` a 10 secondes).
Cette propri´ et´ e permet l’observation des processus cellulaires dans une ´ echelle de temps phys- iologique. Une exp´ erience typique de suivi d’un QD unique (Single Quantum Dot Tracking, SQDT) est r´ ealis´ ee en prenant des s´ equences d’images de QDs mobiles ` a ` a la membrane ou ` a l’int´ erieur des cellules. Les trajectoires de ces QDs sont analys´ ees en ajustant leurs d´ eplacement quadratique moyen (MSD) pour extraire des param` etres de transport tels que le coefficient de diffusion.
Mˆ eme si les QDs inertes (´ egalement d´ enomm´ es « QDs libres ») peuvent ˆ etre utilis´ es pour observer une vari´ et´ e de ph´ enom` enes cellulaires, comme les changements en micro-rh´ eologie [6]
dans l’espace et le temps, et la compartimentation cellulaire [7], ces applications ne profitent pas pleinement des propri´ et´ es des QDs. En conjuguant les QDs ` a des mol´ ecules d’int´ erˆ et, nous pouvons pr´ ecis´ ement sonder le comportement dynamique de ces mol´ ecules dans la cellule. Ceci
9
peut ˆ etre r´ ealis´ e, en utilisant des m´ ethodes de conjugaison bas´ ees sur l’affinit´ e (utilisant des paires telles que des anticorps et de leurs ´ epitopes, ou le syst` eme avidine-biotine [8]), ou une liaison non sp´ ecifique covalente bas´ ees sur la r´ eticulation [9].
Les QDs sont d’abord fonctionnalis´ es in-vitro, soit directement avec la mol´ ecule d’int´ erˆ et (dans la plupart des cas, une prot´ eine), soit avec une mol´ ecule de « ciblage », c’est ` a dire une mol´ ecule r´ eactive qui peut se lier sp´ ecifiquement une prot´ eine endog` ene d’int´ erˆ et. Dans le premier cas, si la conjugaison est fait correctement, le comportement intracellulaire des QDs devrait refl´ eter le comportement de la prot´ eine d’int´ erˆ et. Dans le dernier cas, le comportement intracellulaire du QD d´ epend aussi de la capacit´ e de la QD pour trouver sa cible, la prot´ eine d’int´ erˆ et, et ` a s’y attacher. Ceci nous am` ene ` a une autre question importante dans le domaine du SQDT : le probl` eme de valence [10]. Lorsque les QDs sont conjugu´ es ` a une prot´ eine d’in- terˆ et, ou une mol´ ecule de ciblage, le r´ esultat est un m´ elange de stoechiom´ etries diff´ erentes des complexes QD :prot´ eine (ou QD :mol´ ecule de ciblage), en raison de la stochasticit´ e de r´ eactions de conjugaison chimiques. L’utilisation d’un tel m´ elange des QDs pour le suivi pourrait donner des r´ esultats difficiles ou impossibles ` a interpr´ eter, car un QD donn´ e peut se fixer ` a un nom- bre inconnu de mol´ ecules d’int´ erˆ et, et mˆ eme pire, chaque mol´ ecule li´ ee au QD peut avoir des propri´ et´ es de transports totalement diff´ erentes. Afin de faire face ` a ce probl` eme, nous avons d´ evelopp´ e : (i) une strat´ egie de ciblage, fond´ ee sur un fragment de chaˆıne variable d’anticorps (ScFv) [11], une version minimal et monovalente de l’anticorps couramment utilis´ e, (ii) une methode de couplage qui permet de contrˆ oler le valence des complexes QD-prot´ eines.
10
CONTENTS
R´ esum´ e
La polarit´ e cellulaire et la division cellulaire asym´ etrique
La division cellulaire asym´ etrique (DCA) est d´ efinie comme une division cellulaire dans laquelle une cellule m` ere donne naissance ` a deux cellules filles avec des destins diff´ erents (ce qui se manifeste ` a travers par exemple la taille, le contenu ou le profil d’expression). Au cours de la division, le contenu de la cellule m` ere est in´ egalement s´ epar´ e entre les cellules filles. Afin d’atteindre cet objectif, la distribution de certaines mol´ ecules doit maintenir une asym´ etrie stable et robuste pendant toute la division. La g´ en´ eration d’une r´ epartition asym´ etrique de certains ´ el´ ements de la composition ou la structure de la cellule est appel´ ee la polarisation [12].
Ces ´ el´ ements sont appel´ es d´ eterminants cellulaires. Une question importante est de comprendre les processus de transport qui g´ en` erent cette polarit´ e et assurent la localisation dynamique des d´ eterminants cellulaires.
(a) La division cellulaire sym´ etrique.
(b) La division cellulaire asym´ etrique, dans la taille et le contenu.
Fig. 1 – La division cellulaire sym´ etrique et la division cellulaire asym´ etrique. Les petites sph` eres violets repr´ esentent un composant de la cellule qui devient asym´ etriquement distribue au cours de l’ACD.
11
La DCA peut ˆ etre trouv´ ee dans des organismes de tous les niveaux, des bact´ eries (comme la bact´ erie bien ´ etudi´ e Caulobacter crescentus [13]) aux cellules souches humaines [14]. D’un point de vue de physique, la division cellulaire asym´ etrique est int´ eressante dans le contexte de l’auto- organization. Une des d´ efinitions de l’auto-organisation [15] stipule qu’elle est un processus dans lequel un motif au niveau macroscopique ´ emerge uniquement ` a partir de nombreuses interactions entre des composants de niveau inf´ erieur du syst` eme. En outre, les interactions qui donnent naissance ` a la structure macroscopique sont dict´ ees par des « r` egles » microscopiques, fond´ ees uniquement sur des informations locales. A la lumi` ere de cette d´ efinition, les m´ ethodes de mol´ ecules uniques sont tr` es prometteuses pour ´ elucider les ph´ enom` enes d’auto-organisation, en raison de leur sensibilit´ e et leur grand contenu d’information, en ´ evitant les effets de moyennage sur l’´ echantillon. En outre, le processus de DCA, dans lequel la cellule travaille contre l’entropie de m´ elange afin de « trier » son contenu interne, n’a jamais ´ et´ e ´ etudi´ e en d´ etail, de fa¸ con quantitative. L’´ etude de la DCA est ´ egalement pertinente pour la recherche sur le cancer, car il a ´ et´ e constat´ e que la suppression de certains d´ eterminants cellulaires augmente la prolif´ eration des cellules et que certaines de ces prot´ eines agissent comme des suppresseurs de tumeurs.
Notre ´ etude se concentre sur la division cellulaire asym´ etrique dans les cellules souches neurales de Drosophila melanogaster, appel´ es neuroblastes. Au cours de la division asym´ etrique des neuroblasts, avant la s´ eparation de la cellule-m` ere en deux cellules-filles, certaines mol´ ecules dans le cytoplasme se redistribuent de fa¸ con asym´ etrique (polaris´ ee). L’axe de polarisation dans ces cellules est appel´ e l’axe apico-basal, qui est l’un des axes morphologiques du corps de la drosophile.
Au cours de la division, quelques ´ el´ ements au sein du contenu de la cellule-m` ere sont tri´ es : soit ` a la partie basale, soit ` a la partie apicale. Nous avons choisi d’´ etudier trois de ces mol´ ecules : PON [16], Miranda [17] and Pins [18]. Les deux premi` eres se localisent dans la partie basale de la cellule, tandis que la derni` ere, Pins, se localise dans la partie apicale de la cellule.
12
CONTENTS
R´ esum´ e
(a) Un sch´ ema de la division cellulaire asym´ etrique dans les neuroblastes de la drosophile. Un neuroblaste se polarise (g´ en` ere une asym´ etrie importante dans la distribution de sa contenu) et ensuite, se divise selon l’axe de polarisation en deux cellules filles diff´ erentes. Une des cellules filles est une cellule m` ere gan- glion (GMC), qui est un pr´ ecurseur du syst` eme nerveux central de la mouche.
L’autre cellule est encore un neuroblaste qui peut alors r´ ep´ eter le processus de nombreuses fois (ce ph´ enom` ene, appell´ e l’auto-renouvellement ou ”self renewal”, est caract´ eristique aux cellules souches.).
Diff´ erentes prot´ eines dans le cytoplasme sont tri´ ees entre la partie apicale et la par- tie basale se la cellule et, plus tard, en- tre les deux cellules filles (neuroblaste et GMC, respectivement).
(b) Une division asym´ etrique dans les neu- roblastes exprimantes PON-GFP , vu par l’imagerie en fluorescence. Au d´ ebut (image 1), un croissant fluorescent est vu, qui est la proteine PON-GFP polaris´ ee (dans la partie basale de la cellule). Tant que la division se poursuit, le sillon de division apparaˆıt sur la fronti` ere du croissant PON-GFP. Le sillon de division se r´ etr´ ecit, jusqu’` a ce qu’il ferme d´ efinitivement, en donnant lieu ` a la cellule m` ere Ganglion (GMC), qui contient PON- GFP.
Fig. 2 – La division asym´ etrique cellulaire chez des neuroblastes de Drosophila melanogaster
13
14
R´ esum´ e
R´ esultats
Internalisation de sondes dans les cellules
Sachant que l’internalisation des QDs est l’une des limites techniques les plus importantes pour le SQDT, [19], la premi` ere ´ etape du projet ´ etait de comprendre et de d´ ecrire le mouvement de QDs non-conjugu´ es ` a l’int´ erieur des cellules. Par cons´ equent, nous avons optimis´ e l’internal- isation des QDs dans des cellules vivantes, et caract´ et´ eris´ e le mouvement de QDs inertes dans le cytoplasme. Nous avons ´ egalement compar´ e les les deux m´ ethodes les plus courantes pour l’internalisation de QDs : la micro-injection [20] et l’influx pinocytique [21] en analysant la diffusion de QDs individuels. Puis, nous avons ´ etudi´ e la diffusion des QDs non-conjugu´ es dans diverses lign´ ees de cellules. Nous avons trouv´ e des diff´ erences significatives dans les coefficients de diffusion intracellulaires entre les cellules d’insectes et des cellules des mammif` eres (voir Fig- ure 11.12). Nous avons ´ egalement constat´ e que les QDs les plus lents sont concentr´ es autour de noyaux de cellules.
15
(a) Une image d’une cellule HeLa en lumi` ere blanche.
(b) Une projection d’in- tensit´ e maximale d’un film pris dans le canal QD excitant les QDs lecte le signal fluores- cent. Les QDs diffuse
`
a l’int´ erieur de la cel- lule, mais sont exclus du noyau.
(c) Un exemple de la d´ ependance du coefficient de diffusion sur la lo- calisation dans le cytoplasme de la cellule : les coefficients de diffusion plus faible sont concentr´ ees autour du noyau. Les points repr´ esentent le coefficient de diffusion d’une trajectoire et sont situ´ es dans le centre de la trajectoire. Les couleurs sont selon la valeur du coefficient de diffusion en micron carr´ e par seconde, du bleu au brun.
Fig. 3 – Un exemple de la diffusion QD int´ erieur d’une cellule.
16
CONTENTS
R´ esum´ e
Pr´ eparation de prot´ eines et conjugaison ` a des QDs
Apr` es avoir caract´ eris´ e l’internalisation et la diffusion des QDs, nous avons produit plusieurs prot´ eines recombinantes, afin de les conjuguer aux QDs et d’internaliser les complexes. Nous avons r´ eussi ` a produire les prot´ eines Pins et Miranda, un fragment de chaˆıne variable d’anticorp (ScFv) anti-GFP et d’autres prot´ eines n´ ecessaires pour le projet. Ces prot´ eines ont ´ egalement ´ et´ e modifi´ ees pour permettre la conjugaison avec QDs, et les complexes QD-prot´ eines ont ´ et´ e valid´ es et caract´ eris´ es. Nous avons ´ egalement d´ evelopp´ e une nouvelle m´ ethode pour la conjugaison QDs- prot´ eines sur matrice solide, pour ´ eliminer les QDs libres (qui ne sont pas li´ es ` a une prot´ eine) de l’echantillon et pour contrler le valence des complexes QD-prot´ eines. Cette m´ ethode utilise des contraintes spatiales de mani` ere ` a ”forcer” la monovalence des QDs. En outre, nous avons d´ evelopp´ e et d´ emontr´ e une m´ ethode pour la caract´ erisation de complexes de prot´ eines, bas´ e sur l’´ electro-transfert sur membranes.
Ciblage et suivi intracellulaire
Apr` es des ´ etudes de l’internalisation et la diffusion de QDs et la production de nos prot´ eines d’int´ erˆ et, nous avons proc´ ed´ e au ciblage des prot´ eines dans les cellules vivantes. Nous avons d’abord r´ ealis´ e des exp´ eriences de ciblage intracellulaire avec une prot´ eine cible qui est con- centr´ ee dans des domaines ponctuels (tel que le centrosome), afin de clairement d´ emontrer la co-localisation des QDs et de la cible, et de valider ainsi la m´ ethode. Ensuite, nous avons cibl´ e la prot´ eine PON-GFP exprim´ ee de fa¸ con endog` ene, en utilisant des QDs conjugu´ es ` a un an- ticorps antiGFP. L’´ etape suivante a consist´ e ` a conjuguer les prot´ eines Pins et Miranda ` a des QDs in vitro et de quantifier l’efficacit´ e de leur localisation dans les neuroblastes. En termes de localisation, nous avons obtenu des r´ esultats positifs pour toutes les prot´ eines (Pins, PON and Miranda) (voir Figure 5). Toutefois, en raison de l’´ epaisseur des cellules neuroblastes, nous n’avons pu encore obtenir des trajectoires de longueurs suffisantes, qui permettraient une analyse plus approfondie des propri´ et´ es de transport de ces prot´ eines.
(a) Un neuroblaste exprimant PON-GFP, en division, apr` es internalisation QDs conjugu´ es ` a anti-GFP : canal GFP.
(b) Un neuroblaste exprimante PON-GFP, en division, apr` es in- ternalisation QDs conjugu´ es ` a anti-GFP : une projection de l’in- tensit´ e maximale du film pris dans le canal QD.
(c) une superposition de l’image prise dans le canal GFP (en vert) et la projection de l’intensit´ e max- imale du canal QD (en rouge).
Fig. 4 – Un exemple d’une co-localisation de l’anti-GFP QDs et PON GFP.
17
(a) Barycentres des QDs activ´ es contre PON- GFP (avec un anticorps).
Chaque point repr´ esente une moyenne sur une cellule enti` ere.
(b) Temoin-barycentres des QDs conjugu´ e ` a des anti- corps inertes. Chaque point repr´ esente une moyenne sur une cellule enti` ere.
(c) Barycentres des QDs conjugu´ es ` a la prot´ eine Miranda. Chaque point repr´ esente une moyenne sur une cellule enti` ere.
(d) Temoin - barycentres des QDs inertes. Les experiences ont ete realis´ ees dans les mˆ eme conditions que les exp´ eriences avec Miranda ou broches, mais avec des QDs inertes (QD-SAV + biotin).
Chaque point repr´ esente une moyenne sur une cellule enti` ere.
(e) Barycentres des QDs conjugu´ es ´ a Pins. Chaque point repr´ esente une moyen- nesur une cellule enti` ere.
Fig. 5 – Des r´ esultats obtenus pour le ciblage des prot´ eines localis´ es de fa¸ con asym´ etrique (polaris´ ees) dans les cellules neuroblaste en division. PON et Miranda sont localis´ es dans la partie basale de la cellule en division, alors que Pins est localis´ ee dans la partie apicale. Comme on peut le voir sur ces graphiques, la localisation des QDs refl` ete la localisation des prot´ eines ` a lesquelles ils sont conjugu´ es.
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CONTENTS
R´ esum´ e
Des sondes monovalentes
Nous avons d´ emontr´ e, pour la premi` ere fois, la r´ ealisation de v´ eritables sondes monovalentes pour le suivi des prot´ eines membranaires, bas´ ees sur l’utilisation de fragments ScFv. D’abord, nous avons mesur´ e la cin´ etique de liaison de la ScFv ` a sa prot´ eine cible, GFP, en utilisant la spectroscopie TIRF sur une surface fonctionnalis´ ee avec le scFv [22]. Ensuite, nous avons conjugu´ e le ScFv ` a des QDs et caract´ eris´ e le resultat en mati´ ere de valence QD :prot´ eines.
Ces r´ esultats nous ont permis de r´ ealiser des exp´ eriences de suivi d’un r´ ecepteur membranaire (PDGF-R [23]) fusionn´ es ` a une prot´ eine fluorescente extracellulaire. Nous avons compar´ e les coefficients de diffusion des QDs monoScFv et des QDs poly-ScFv. Il est inter´ essant de noter qu’on a trouv´ e aucune diff´ erence significative entre les deux cas (voir Figure 15.1).
(a) Un histogramme montrant la distribution des coefficients de diffusion pour les QDs monoScFv.
(b) Un histogramme montrant la distribution des co- efficients de diffusion pour les QDs poly- ScFv.
Fig. 6 – De fa¸ con surprenante, une comparaison entre les distributions de diffusion coefficients (sur une ´ echelle logarithmique naturelle), ne montre aucune diff´ erence significative entre les QDs ScFv monovalentes et polyvalentes.
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R´ esum´ e
Discussion
Ce travail a montr´ e la faisabilit´ e de l’´ etude de la division cellulaire asym´ etrique ` a l’´ echelle de la mol´ ecule unique. Les m´ ethodes ont ´ et´ e con¸ cues et d´ evelopp´ ees pour la conjugaison et la caract´ erisation des complexes QD-prot´ eines. Le m´ ethode de conjugaison sur support solide que nous avons d´ evelopp´ ee est susceptible de devenir une m´ ethode de choix pour produire des QDs monovalent, en raison de sa simplicit´ e et son rendement ´ elev´ e, comparativement ` a la m´ ethode existante, bas´ ee sur l’´ electrophor` ese sur gel [10].
Outils pour l’´ etude de la division cellulaire asym´ etrique
Nous avons r´ eussi ` a cibler les prot´ eines localis´ ees de mani` ere asym´ etrique dans des neurob- lastes en division. Cela ouvre la voie ` a des ´ etudes intracellulaires de ce ph´ enom` ene, en utilisant des QDs individuels Ce travail a ´ egalement mis en ´ evidence la limite principale de ce syst` eme exp´ erimental : la nature tridimensionnelle des mouvements. En raison de l’´ epaisseur de la neu- roblate, les QDs sortent du plan focal tr` es souvent. En cons´ equence, l’obtention des trajectoires suffisamment longues pour le calcul des param` etres de transport, devient tr` es difficile. Afin de faire face ` a ce probl` eme, nous recommandons d’utiliser un laser de puissance plus elev´ ee pour l’excitation de QDs. Cela nous permettra ` a reduire le temps d’exposition et donc, d’acqu´ erir les donn´ ees de fa¸con plus rapide (un temps d’acquisition de quelques millisecondes) et d’obtenir plus de points dans un temps d’observation donn´ e d’un QD. Il est aussi envisageable de mettre en place des techniques de suivi 3D, r´ ecemment mises au point [24].
Toutefois, certaines informations peuvent encore ˆ etre extraites des donn´ ees que nous avons obtenues, en analysant la r´ epartition spatiale de ”courts-d´ eplacements” dans les films obtenus.
Les d´ eplacements des QDs entre deux images cons´ ecutives sont regroup´ es et analys´ es en fonction de leur emplacement par rapport ` a une carte polaire normalis´ ee d’un neuroblaste polaris´ e.
Une telle analyse n’a pas besoin des trajectoires longues mais peut, quand mˆ eme, r´ ev` eler des diff´ erences dans la mobilit´ e des prot´ eines entre les diff´ erents domaines de la cellule. Cette analyse est actuellement en cours.
Sondes monovalentes Nous avons r´ eussi ` a produire des sondes monovalentes pour le suivi des proteines membranaires extracellulaires. Ces sondes sont bas´ ees sur un fragment de chaˆıne variable d’anticorp (ScFv). Ces sondes doivent avoir des nombreuses applications dans le suivi des diverses prot´ eines membranaires, mais doivent ˆ etre am´ elior´ ees afin de r´ epondre aux exigences rigoureuses du suivi intracellulaire.
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Part I
Introduction
Chapter 0
The purpose of the project
The goal of this project is to develop novel tools to explore dynamic organizational processes in living cells, with unprecedented detail and sensitivity. In particular, we are interested in the process of asymmetric cell division (ACD), during which a mother cell divides asymmetrically into two different daughter cells. This process is a key mechanism in the generation of cellular diversity in organisms of all levels. During the course of ACD, prior to the separation of the mother cell into daughter cells, it needs to generate an asymmetric spatial distribution for some of its content. This symmetry-breaking process is called polarization i.e. the generation of a polarized structure. One of the ways to study polarization is to characterize the intracellular transport mechanisms that generate it.
As a means to observe intracellular transport in detail, we employ single-molecule methods, which allow us to separately follow (or track) the movement of single molecules. By observing one event at a time, we can obtain much more information about the process, compared to simultaneous measurements of the entire population [2, 1]. We are using novel and powerful fluorophores, quantum dots (QDs), which allow for single molecule detection and tracking.
On the technical level, we developed methods to cope with technical difficulties associated with intracellular, single-molecule, tracking experiments. These include the delivery of such fluorophores into living cells and the targeting of specific molecules inside it, as well as control over the stoichiometry of QD-protein complexes. The project combines different disciplines, such as single molecule imaging, molecular biology, and primary cell culture, thereby covering almost all aspects of an in-vivo single-molecule experiment.
In this manuscript we will first provide an introduction to single quantum dots tracking, as well as to the biological problem - asymmetric cell division. The introduction will also give an overview of the technical challenges involved in single molecule experiments in general and more specifically, in the study of asymmetric cell division. Then, in the methods section, we will explain how these technical challenges can be addressed by giving a detailed description of the experimental procedures, as well as the concepts behind them. We will then present the results, and finish with a discussion and future perspectives.
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Chapter 1
Chapter 1
Single quantum dot tracking
1.1 An overview of imaging methods in cellular biology
1.1.1 Historical perspective
The interest in living organisms and systematic studies of animals exist since ancient times [25]. Therefore it is interesting to note that the smallest, basic, unit of life-the cell
1, is still far from understood. The primary reason is that cell biology, being a highly experimental domain, is mainly restrained by technical limitations. Consequently, the progress in the field has been strongly correlated with the development of new techniques. The biological cell was first discovered in 1665 (about 60 years after the development of the first microscopes) by Robert Hooke [26, 27], who improved the microscope models available at the time to allow the observation of a dead plant tissue. A few years later, De Leeuwenhoek observed live cells using his own state-of-the-art elaborate devices [28] that already reached magnification on the order of 300X, and a resolution in the range of one micron. The developments slowed down in the following years, due to the rise of the compound microscopes that were, at first, less powerful than De Leeuwenhoek’s instrument.
In 1833, Brown described the cell nucleus in cells from orchids. In 1838 and 1839, respec- tively, Schleiden and Schwann [29, 30, 31] published two separate works in which they stated, based on experimental observations, that the cell is the basic unit of structure, physiology and organization in living organisms and that it plays a dual role: a building block in a multicellular organism, and a distinct entity. During the second half of the nineteenth century, with the advance of imaging techniques, more and more cellular components and features were observed such as mitochondria [32] and the Golgi apparatus [33, 34], as well as functions such as division, growth and endocytosis.
1.1.2 Modern imaging techniques
One of the catalysts for the development of cell biology in the 20th century was the development of powerful imaging techniques. The development of electron microscopy (EM) [35, 36] in the 1930s led to the first electron micrograph of an intact cell in 1945 [37, 38]. The high resolution EM images provided a wealth of information, but were limited to fixed or frozen samples. Optical microscopy has also improved, with the development of differential interference contrast (DIC) in the 1950s [39]. This method could detect different features and textures within the cell, based on differences in refractive index. However, live cell imaging remained limited in terms of resolution and specificity.
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Viruses are considered as replicators rather than life forms.
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Fluorescence imaging
Even though it was described as early as 1852 by Stokes, fluorescence was only applied to bio- logical samples in the 1930s [40]. The first assays involved the staining of tissues and bacteria, and demonstrated the power of fluorescence as a specific contrasting method. The early appli- cations of fluorescence microscopy were descriptive and qualitative, but as the understanding of the physical nature of fluorescence improved, these methods have become more quantitative.
Over the years, many applications of fluorescence imaging have been developed, from spe- cific staining techniques in fixed cells, to live cell imaging. Several novel methods have been introduced, in order to cope with the challenges posed by the latter.
The basic experimental setups for fluorescence imaging are epifluorescent microscopes. These microscopes typically use the microscope’s objective to excite a fluorophore within the sample with UV light, and collect the photons emitted from it. One of the main limitations of this method is the resolution in the dimension perpendicular to the focal plane. These systems suffer from a significant background noise, due to fluorescent emission from fluorophores that are outside the focal plane.
In order to cope with this problem, confocal imaging systems were developed, based on the design of the confocal microscope developed in the 1950s [41, 42]. The basic confocal designs use point illumination for fluorescent excitation and an optically conjugated pinhole, in order to collect fluorescent light only from a thin slice within the sample. This way, the sample can be explored along the direction perpendicular to the focal plane and out-of-focus background can be minimized. In addition, their sectioning ability can also be used to reconstruct 3D images of fluorescently labeled structures within the cell. Due to the point illumination, these systems relied on scanning the sample in order to obtain the desired image. The speed limitation, imposed by the scanning, prompted the development of a new and more advanced generation of confocal systems, called spinning-disc confocal [43], that had better speed and sensitivity.
However, scanning and spinning-disc confocal systems remain significantly expensive, relative to conventional fluorescent imaging methods.
A simpler method that was developed in order to reduce out-of-focus noise and improve the signal-to-noise ratio in general, was total-internal-reflection-fluorescence (TIRF) imaging [44].
This method, originally developed in the early 1980s, uses the electromagnetic field generated when a laser beam reaches the total reflection angle with the surface of the glass slide holding the sample. This field can be seen as a wave that propagates in a direction perpendicular to the sample plane, vanishing quickly within about 100nm of depth inside the sample. The fact that TIRF does not penetrate deep into the sample is both its advantage and limitation: it minimizes out-of-focus noise, but it is limited for the study of cellular elements such as membrane proteins, which are very close to the sample surface.
The advances in fluorescence applications for live cells were not limited for imaging per se, but also led to the development of quantitative methods, for probing the inner works of the cell. Two of the most popular quantitative fluorescence techniques that were applied to live cells, were FCS and FPR [45], which were developed in the late 1970s. FCS, or fluorescence correlation spectroscopy [46], uses a small, laser-illuminated, diffraction-limited sample volume to measure the fluorescence intensity of fluorophores that go in and out of this volume. The intensity is then fitted with a normalized intensity autocorrelation function in order to extract transport parameters, such as the diffusion coefficient. FPR or fluorescence photobleaching recovery (later to become FRAP [47] - fluorescence recovery after photobleaching) consists of a brief exposure to a high power laser in a diffraction-limited volume within the sample, which irreversibly bleaches the contained fluorophores. An analysis of the fluorescence recovery (due to fluorophores coming from outside of the bleached spot) can reveal information about the modes of transport of the given fluorophore population, as well as kinetic parameters of binding and interaction inside the cell.
In the early days, these methods used organic dyes as fluorescent probes, which required
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Modern imaging techniques
1.1.2
Chapter 1 an extra labeling step before observing the biological sample. This limited their applicability,
as it was difficult, for example, to reach intracellular domains [48]. The discovery of the green fluorescent protein (GFP) [49] and the consequent developments in the field of fluorescent proteins (FPs) were a major leap forward in the development of live-cell fluorescence imaging and especially intracellular imaging, which was finally acknowledged by a recently awarded Nobel prize [50]. Using a combination of fluorescence imaging and basic genetic engineering, it was possible to probe new domains inside the cell that were before inaccessible, by programming the cell to express the protein of interest fused to a fluorescent protein. The consequent boost in the development of quantitative fluorescence-based methods to explore live-cell dynamics such as FRAP and FCS was very significant [51]. Using these methods, it was possible to probe live cells, and to describe average transport properties in specific cellular compartments.
The methods described thus far could be used to spatially explore the cell’s interior and study intracellular domains.
Single molecule techniques
In the 1990s, technical developments from different fields converged into the new field of bio- logical, single molecule spectroscopy [52]. Various methods were developed that provided new information regarding the heterogeneity in biological samples in in-vitro biological/biomimetic systems. These methods provided a range of possibilities for studying individual molecules, from spectroscopic studies, such as single-molecule FRET [53] to single-particle-tracking (SPT) [54] and even manipulation of single molecules [55, 56].
Gradually, these techniques began to be implemented in-vivo, starting from experiments on membrane dynamics [57, 58] that provided a new insight into membrane organization and signal transduction. However, the next level of complexity, single molecule studies of intracellular dynamics [59, 60] still poses many challenges and not many such works have been reported.
From the pure point of view of live cell imaging, the main advantages of single molecule methods are their sensitivity, which enables the detection of a single probe, and their high resolution, which allows for the localization of the probes with sub-diffraction accuracy. From a broader scientific perspective, these methods also have a higher information content, which allows to reveal the sample’s internal heterogeneity. One of the most popular single-molecule methods is single molecule tracking, which relies on the ability to accurately localize a single probe within the microscope’s field of view, and follow its movement. The probe can be either fluorescent (organic dye, fluorescent protein or quantum dot) or not (typically a gold nanopar- ticle or latex bead) and is attached to the molecule of interest. When applied to living cells, the probe can be attached to extracellular (membrane) or intracellular targets (see Figure 1.1).
Being at the technical cutting-edge of biophysical research, single molecule experiments can be very demanding but even so, they are used more and more due to their added value compared to ensemble methods.
Single-molecule vs. ensemble techniques The difference between single molecule and ensemble techniques is mainly a difference of scientific logic: deductive vs. reductive. The former (analogous to the ensemble approach) uses information of a general level to conclude about the individual case, whereas the latter (analogous to the single-molecule approach) uses information obtained from individual cases to draw a generalized conclusion. Ensemble methods probe the behavior of the entire sample at once and thereby observe a behavior that is averaged over a large number of molecules. Consequently, they have advantages such as high statistical significance and noise reduction.
However, averaging also causes a significant loss of information. Averaging over a sample loses the heterogeneity information arising from the different behaviors of molecules in the ensemble at the time of the measurement. This way, the existence of different sub-populations within the sample may not be detected. Another important aspect of single molecule behavior
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Figure 1.1: A typical single molecule tracking experiment in living cells. Coupling of the protein (or other macromolecule) of interest to a QD allows the analysis of single trajectories. Proteins labeled with QDs diffuse on the cell membrane, or in the cytoplasm, and their positions (detected using the QD signal) are recorded as movies, which finally result in trajectories.
that is lost, is the heterogeneity in the behavior of a given single molecule over time. Such heterogeneity arises from events that a single molecule undergoes during the timecourse of the observation (an example could be a reversible structural transition, or a chemical reaction).
When observing an ensemble of independent molecules, such events are not synchronized or time-correlated, between individual molecules. As a result, at any given moment, the fraction of molecules in the ensemble, undergoing these events of interest is almost constant.
Thus, when one observes the average behavior of the ensemble, the information about the distribution of such events is lost only due to incoherence within the sample [2] (had these events been synchronized throughout the sample, they would have been detected using ensemble methods). It should be noted that some ensemble methods, such as crystallography, are based on sample coherence
2[61] and perform the averaging over a highly correlated sub-population within the sample, thereby reducing the information loss.
Heterogeneity is one of the keystones of biological systems and can be found in different contexts: from heterogeneity in protein folding [62] to genetic heterogeneity as an evolutionary tool to acquire new molecular properties [63]. As such, the importance of heterogeneity on the molecular level cannot be overlooked. Single molecule experiments also offer unmatched sensitivity, which allows for the detection of processes involving a very small number of molecules
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