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使用 FCS 定量表征膜蛋白的可逆缔合。

Quantitative characterization of membrane-protein reversible association using FCS.

机构信息

Centro Nacional de Biotecnología (CNB), CSIC, 28049 Madrid, Spain; Unidad de Nanobiotecnología, CNB-CSIC-IMDEA Nanociencia Associated Unit, 28049 Madrid, Spain.

Centro Nacional de Biotecnología (CNB), CSIC, 28049 Madrid, Spain.

出版信息

Biophys J. 2023 Jun 6;122(11):2285-2300. doi: 10.1016/j.bpj.2023.01.026. Epub 2023 Jan 25.

Abstract

Functionally meaningful reversible protein-membrane interactions mediate many biological events. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is increasingly used to quantitatively study the non-reversible binding of proteins to membranes using lipid vesicles in solution. However, the lack of a complete description of the phase and statistical equilibria in the case of reversible protein-membrane partitioning has hampered the application of FCS to quantify the partition coefficient (K). In this work, we further extend the theory that describes membrane-protein partitioning to account for spontaneous protein-membrane dissociation and reassociation to the same or a different lipid vesicle. We derive the probability distribution of proteins on lipid vesicles for reversible binding and demonstrate that FCS is a suitable technique for accurate K quantification of membrane-protein reversible association. We also establish the limits to K determination by FCS studying the Cramer-Rao bound on the variance of the retrieved parameters. We validate the mathematical formulation against reaction-diffusion simulations to study phase and statistical equilibria and compare the K obtained from a computational FCS titration experiment with the experimental ground truth. Finally, we demonstrate the application of our methodology studying the association of anti-HIV broadly neutralizing antibody (10E8-3R) to the membrane.

摘要

功能相关的蛋白质-膜相互作用介导了许多生物学事件。荧光相关光谱(FCS)技术越来越多地被用于定量研究蛋白质与膜的非可逆结合,方法是使用溶液中的脂质体。然而,由于缺乏对蛋白质-膜分配中可逆相和统计平衡的完整描述,阻碍了将 FCS 应用于量化分配系数(K)的进程。在这项工作中,我们进一步扩展了描述膜蛋白分配的理论,以解释自发的蛋白质-膜解离和再结合到相同或不同的脂质体的情况。我们推导出了用于可逆结合的蛋白质在脂质体上的概率分布,并证明了 FCS 是一种用于准确量化膜蛋白可逆结合的 K 的合适技术。我们还通过研究方差的克拉默-劳不等式(Cramer-Rao bound)来确定 FCS 对 K 测定的限制,该方差是从检索到的参数中获得的。我们根据反应扩散模拟验证了数学公式,以研究相和统计平衡,并将从计算 FCS 滴定实验中获得的 K 与实验的真实情况进行比较。最后,我们通过研究抗 HIV 广泛中和抗体(10E8-3R)与膜的结合来展示我们方法的应用。

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引用本文的文献

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Membranes in focus.聚焦膜。
Biophys J. 2023 Jun 6;122(11):E1-E4. doi: 10.1016/j.bpj.2023.05.005. Epub 2023 May 19.

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