DOI: https://doi.org/10.18524/2304-0947.2020.3(75).212477

ЗАСТОСУВАННЯ СТИРИЛОВОГО ТА СКВАРАЇНОВОГО БАРВНИКІВ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ КОНФОРМАЦІЙНИХ ЗМІН У МОЛЕКУЛАХ ПРОТЕЇНІВ

I. V. Hovor, I. A. Fedyunyayeva, O. M. Obukhova, O. S. Kolosova, A. L. Tatarets

Анотація


Досліджено спектральні властивості та FRET між двома барвниками, що мають поглинання у різних областях спектру, та оцінено можливість використання такої FRET-пари для визначення конформаційних змін у протеїнах. У якості донора використовували стириловий барвник (St), який поглинає в блакитній області спектру, а в якості акцептору ― довгохвильовий сквараїн (Sq). Властивості St та Sq досліджено в полярному (фосфатний буфер), неполярному (хлороформ) середовищах та при нековалентному зв'язуванні з альбумінами BSA та HSA, а також вивчено вплив змін конформації цих протеїнів на спектральні властивості барвників та ефективність переносу енергії. Виявлено, що полярність середовища по-різному впливає на флуоресцентні властивості досліджених барвників: стириловий барвник має позитивний сольватофлуорохромізм, а сквараїн – негативний, але обидва барвника проявляють негативний сольватохромізм, а їх квантові виходи флуоресценції різко зростають у менш полярному оточенні. Незважаючи на спектральні відмінності комплексів St з різними альбумінами, їх квантові виходи співпадають, а у випадку сквараїну квантовий вихід для Sq-HSA майже у 2 рази вищій за Sq-BSA. При зміні конформації протеїнів барвники переходять до водної фази, внаслідок чого інтенсивність їх флуоресценції знижується майже до рівня флуоресценції вільного барвника у фосфатному буфері. В спектрах флуоресценції комплексів альбумінів з обома барвниками одночасно присутні дві смуги, що відповідають донору та акцептору. Встановлено, що ефективність переносу енергії між барвниками для HSA змінюється в 11.5 рази, а для BSA лише в 2.1 рази, тобто, за допомогою пари барвників StSq можлива реєстрація зміни конформації протеїнів, однак ефективність FRET між барвниками залежить від властивостей протеїну, що досліджується.


Ключові слова


FRET, стириловий барвник, сквараїновий барвник, альбуміни, зміни конформації

Повний текст:

PDF

Посилання


Sanchez-Rico C., Voith von Voithenberg L., Warner L., Lamb C.D., Sattler M. Effects of fluorophore attachment on protein conformation and dynamics studied by spFRET and NMR. Chemistry, 2017, vol. 23, no 57, pp. 14267–14277. https://doi.org/10.1002/chem.201702423

Komatsu N., Terai K., Imanishi A., Kamioka Y., Sumiyama K., Jin T., Okada Y., Nagai T., Matsuda M. A platform of BRET-FRET hybrid biosensors for optogenetics, chemical screening, and in vivo imaging. Sci. Rep., 2018, vol. 8, 8984. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27174-x

Govor I.V., Tatarets A.L., Obukhova O.M., Terpetschnig E.A., Gellerman G., Patsenker L.D. Tracing the conformational changes in BSA using FRET with environmentally-sensitive squaraine probes. Methods Appl. Fluoresc., 2016, vol. 4, no 2, 024007. https://doi.org/10.1088/2050-6120/4/2/024007

Hovor I.V., Obukhova O.M., Tatarets A.L., Kolosova O. S., Patsenker L.D. Vplyv konformacijnyh zmin u molekuli albuminu (bsa) na spektralni vlastyvosti skvarainovogo ta dycianometylen-skvarainovogo barvnykiv [The impact of conformational changes in albumin molecule (BSA) on the spectral properties of squaraine and dicyanomethylene squaraine dyes]. Visn. Odes. nac. univ. Him., vol. 23, no. 3, pp. 67-79. https://doi.org/10.18524/2304-0947.2018.3(67).140802 (in Ukrainian)

Sanderson M. J., Smith I., Parker I., Bootman M. D. Fluorescence Microscopy. Cold Spring Harbor Protocols, 2014, vol. 10, pp. 1042-1065. https://doi.org/10.1101/pdb.top071795

Brennan J.M., Hollingshead S.E., Wilker J.J., Liu J.C. Critical factors for the bulk adhesion of engineered elastomeric proteins. R. Soc. Open. Sci., 2018, vol. 5, 171225. https://doi.org/10.6084/m9. figshare.c.4079948

Das A., Mukhopadhyay Ch. Urea-Mediated Protein Denaturation: A Consensus View. J. Phys. Chem. B, 2009, vol. 113, pp. 12816–12824. https://doi.org/10.1021/jp906350s

Dubur G. Y., Dobretsov G. E., Deme A. K., Dubure R. R., Lapshin E. N., Spirin M. M. Fluorescent probes based on styrylpyridinium derivatives: optical properties and membrane binding. J. Biochem. Biophys. Methods., 1984, vol. 10, pp. 123-134. https://doi.org/10.1016/0165-022x(84)90032-0

Volkova K.D., Kovalska V.B., Tatarets A.L., Patsenker L.D., Kryvorotenko D.V., Yarmoluk S.M. Spectroscopic study of squaraines as protein-sensitive fluorescent dyes. Dyes and Pigments, 2007, vol.72, Iss. 3, pp. 285–292. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2005.09.007

Lakowicz J.R. Principles of Fluorescence Spectroscopy. – 3rd ed., Springer, 2006, 960 p.

Mishra A., Behera R.K., Behera P.K., Mishra B.K., Behera G.B. Cyanines during the 1990s: A Review. Chem. Rev, 2000, vol. 100, no. 6, pp. 1973–2012. https://doi.org/10.1021/cr990402t

Chang-Ying Y., Yi L., Dan Zh., Jun-Cheng Z., Jie D. Luminescence of aniline blue in hydrophobic cavity of BSA. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2007, vol. 188, pp. 51–55. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2006.11.017

Xing P., Niu Y., Mu R., Wang Z., Xie D., Li H., Dong L., Wang C. A pocket-escaping design to prevent the common interference with near-infrared fluorescent probes in vivo. Nature Communications, 2020, vol. 10, 1573. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15323-8

Gelamo E.L., Tabak M. Spectroscopic studies on the interaction of bovine (BSA) and human (HSA) serum albumins with ionic surfactants. Spectrochimica Acta Part A, 2000, vol. 56, pp. 2255–2271. https://doi.org/10.1016/S1386-1425(00)00313-9

Akdogan Y., Reichenwallner J., Hinderberger D. Evidence for Water-Tuned Structural Differences in Proteins: An Approach Emphasizing Variations in Local Hydrophilicity. PLoS ONE, 2012, vol. 7, iss. 9, e45681. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0045681

Mukherjee S. K., Gautam S., Biswas S., Kundu J., and Chowdhury P. K. Do Macromolecular Crowding Agents Exert Only an Excluded Volume Effect? A Protein Solvation Study. J. Phys. Chem. B, 2015, vol. 119, pp. 14145−14156. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b09446

Kumaran R., Ramamurthy P. Denaturation Mechanism of BSA by Urea Derivatives: Evidence for Hydrogen-Bonding Mode from Fluorescence Tools. J. Fluoresc., 2011, vol. 217, pp. 1499–1508. https://doi.org/10.1007/s10895-011-0836-0

Bennion B.J., Daggett V. The molecular basis for the chemical denaturation of proteins by urea. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2003, vol. 100, no. 9, pp. 5142–5147. https://doi.org/10.1073/pnas.0930122100

Boeris V., Farruggia B., Romanini D., Picó G. How flexible polymers interact with proteins and its relationship with the protein separation method by protein–polymer complex formation. The Protein Journal, 2009, vol. 28, iss. 5, pp. 233–239. https://doi.org/10.1007/s10930-009-9188-x

Itri R., Caetano W., Barbosa L.R.S., Baptista M.S. Effect of Urea on Bovine Serum Albumin in Aqueous and Reverse Micelle Environments Investigated by Small Angle X-Ray Scattering, Fluorescence and Circular Dichroism. Brazilian Journal of Physics, 2004, v. 34, no. 1, pp. 58–63. https://doi.org/10.1590/S0103-97332004000100009.

Zhang T., Li D. Influences of urea and pH on the interaction of cinchonidine with bovine serum albumin by steady state fluorescence spectroscopy. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2013, vol. 112, pp. 15–20. https://doi.org/10.1016/j.saa.2013.04.032


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Sanchez-Rico C., Voith von Voithenberg L., Warner L., Lamb C.D. and Sattler M. Effects of fluorophore attachment on protein conformation and dynamics studied by spFRET and NMR // Chemistry. – 2017. – Vol. 23, N 57. – P. 14267–14277. https://doi.org/10.1002/chem.201702423
  2. Komatsu N., Terai K., Imanishi A., Kamioka Y., Sumiyama K., Jin T., Okada Y., Nagai T., Matsuda M. A platform of BRET-FRET hybrid biosensors for optogenetics, chemical screening, and in vivo imaging // Sci. Rep. – 2018. – Vol. 8. – 8984. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27174-x
  3. Govor I.V., Tatarets A.L., Obukhova O.M., Terpetschnig E.A., Gellerman G., Patsenker L.D. Tracing the conformational changes in BSA using FRET  with environmentally-sensitive squaraine probes // Methods Appl. Fluoresc. – 2016. – Vol. 4, N 2. – 024007. https://doi.org/10.1088/2050-6120/4/2/024007
  4. Говор И.В., Обухова Е.Н., Татарец А.Л., Колосова O.С., Паценкер Л.Д. Влияние конформационных изменений в молекуле альбумина (BSA) на спектральные свойства сквараинового и дицианометилен-сквараинового красителей // Вісник ОНУ. Хімія. – Том 23, № 3. – С. 67-79. https://doi.org/10.18524/2304-0947.2018.3(67).140802
  5. Sanderson M.J., Smith I., Parker I., Bootman M.D. Fluorescence Microscopy // Cold Spring Harbor Protocols. – 2014. – Vol. 10. – P. 1042-1065. https://doi.org/10.1101/pdb.top071795
  6. Brennan J.M., Hollingshead S.E., Wilker J.J., Liu J.C. Critical factors for the bulk adhesion of engineered elastomeric proteins // R. Soc. Open. Sci. – 2018. – Vol. 5. – 171225. https://doi.org/10.6084/m9. figshare.c.4079948
  7. Das A., Mukhopadhyay Ch. Urea-Mediated Protein Denaturation: A Consensus View // J. Phys. Chem. B – 2009. – Vol. 113. – P. 12816–12824. https://doi.org/10.1021/jp906350s
  8. Dubur G.Y., Dobretsov G.E., Deme A.K., Dubure R.R., Lapshin E.N., Spirin M.M. Fluorescent probes based on styrylpyridinium derivatives: optical properties and membrane binding // J. Biochem. Biophys. Methods. – 1984. – Vol. 10. – P. 123-134. https://doi.org/10.1016/0165-022x(84)90032-0
  9. Volkova K.D., Kovalska V.B., Tatarets A.L., Patsenker L.D., Kryvorotenko D.V., Yarmoluk S.M. Spectroscopic study of squaraines as protein-sensitive fluorescent dyes // Dyes and Pigments. – 2007. – Vol. 72, Iss. 3. – P. 285–292. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2005.09.007
  10. Lakowicz J.R. Principles of Fluorescence Spectroscopy. – 3rd ed., Springer, 2006, 960 p.
  11. Mishra A., Behera R.K., Behera P.K., Mishra B.K., Behera G.B. Cyanines during the 1990s: A Review // Chem. Rev. – 2000. – Vol. 100, N. 6. – P. 1973–2012. https://doi.org/10.1021/cr990402t
  12. Chang-Ying Y., Yi L., Dan Zh., Jun-Cheng Z., Jie D. Luminescence of aniline blue in hydrophobic cavity of BSA // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. – 2007. – Vol. 188 – P. 51–55. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2006.11.017
  13. Xing P., Niu Y., Mu R., Wang Z., Xie D., Li H., Dong L., Wang C. A pocket-escaping design to prevent the common interference with near-infrared fluorescent probes in vivo // Nature Communications. – 2020. – Vol. 10. – 1573.  https://doi.org/10.1038/s41467-020-15323-8
  14. Gelamo E.L., Tabak M. Spectroscopic studies on the interaction of bovine (BSA) and human (HSA) serum albumins with ionic surfactants // Spectrochimica Acta Part A. – 2000. – Vol. 56. – P. 2255–2271. https://doi.org/10.1016/S1386-1425(00)00313-9
  15. Akdogan Y., Reichenwallner J., Hinderberger D. Evidence for Water-Tuned Structural Differences in Proteins: An Approach Emphasizing Variations in Local Hydrophilicity // PLoS ONE. – 2012. – Vol. 7, Iss. 9. – e45681. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0045681
  16. Mukherjee S.K., Gautam S., Biswas S., Kundu J., Chowdhury P.K. Do Macromolecular Crowding Agents Exert Only an Excluded Volume Effect? A Protein Solvation Study // J. Phys. Chem. B. – 2015. – Vol. 119. – P. 14145−14156. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b09446
  17. Kumaran R., Ramamurthy P. Denaturation Mechanism of BSA by Urea Derivatives: Evidence for Hydrogen-Bonding Mode from Fluorescence Tools // J. Fluoresc. – 2011. – Vol. 217. – P. 1499–1508. https://doi.org/10.1007/s10895-011-0836-0
  18. Bennion B.J., Daggett V. The molecular basis for the chemical denaturation of proteins by urea // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2003. – Vol. 100, No. 9. – 5142–5147. https://doi.org/10.1073/pnas.0930122100
  19. Boeris V., Farruggia B., Romanini D., Picó G. How flexible polymers interact with proteins and its relationship with the protein separation method by protein–polymer complex formation // The Protein Journal. – 2009. – Vol. 28, Iss. 5. – P. 233–239. https://doi.org/10.1007/s10930-009-9188-x
  20. Itri R., Caetano W., Barbosa L.R.S., Baptista M.S. Effect of Urea on Bovine Serum Albumin in Aqueous and Reverse Micelle Environments Investigated by Small Angle X-Ray Scattering, Fluorescence and Circular Dichroism // Brazilian Journal of Physics. – 2004. – Vol. 34, No. 1. – P. 58–63. https://doi.org/10.1590/S0103-97332004000100009.
  21. Zhang T., Li D. Influences of urea and pH on the interaction of cinchonidine with bovine serum albumin by steady state fluorescence spectroscopy // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2013. – Vol. 112. – P. 15–20. https://doi.org/10.1016/j.saa.2013.04.032




Creative Commons License
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.