• No results found

Single molecule tracking of Tom40p in liveyeast mitochondria reveals firm anchoring ofthe protein transport machineryStoyan Tankov

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Single molecule tracking of Tom40p in liveyeast mitochondria reveals firm anchoring ofthe protein transport machineryStoyan Tankov"

Copied!
28
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Single molecule tracking of Tom40p in live yeast mitochondria reveals firm anchoring of the protein transport machinery

Stoyan Tankov

(2)

   

Single molecule tracking of Tom40p in live yeast  mitochondria reveals firm anchoring of the protein 

transport machinery 

 

StoyanTankov 

 

Sammanfattning 

Tom40 är ett integralt protein i det mitokondriella yttermembranet som fungerar  som en kanal för proteinimport in i mitokondrier. Här studerar  vi dynamiken av  jäst‐Tom40 fuserat med det fotoomvandlingsbara fluorescenta proteinet Dendra2b  genom  att  använda  en  kombination  av  stroboskopisk  laserexcitation  med  stokastisk fotoaktivering och superupplösningsfluorescensavbildning. 

Vi visar att Tom40 uppvisar ett extremfall av instängd diffusion, att det är hårt fäst  i membranet och ”gungar” med en amplitud av ~0.3 µm på submillisekundtidskala. 

Det  här  uppförandet  antyder  att  proteintransportmaskineriet  i  mitokondrier  är  årt fäst i membranet, snarare än fritt diffunderande som tidigare antagits. 

h  

Examensarbete 30 hp   Biologi B programmet  Uppsala University July 2010   

(3)

Abbreviations 

AOM  Acousto‐optical modulator  DPSS  Diode‐pumped solid‐state 

  nce contrast 

DIC Differential interfere

EMCCD  Electron‐multiplying charge‐coupled device 

  roscopy 

FP  Fluorescent protein 

M ed localization mic

   photobleaching 

FPAL Fluorescence photoactivat FRAP Fluorescence recovery after

  otein 

GFP Green fluorescent pr

MSD  Mean square displacement 

NA  Numerical aperture 

PALM  Photoactivated localization microscopy 

SPT  Single particle tracking 

STOR Stochastic optical reconstruction microscopy  TOM  Translocase of the outer membrane 

IM  Translocase of the inner membrane    IRF  Total internal reflection fluorescence  T

T  

(4)

C

 

ontents:   

1 Abstract... 3   

2  In oduction ... 4tr   2.1  Mitochondria: function and structure... 4 

2.2  Mitochondrial protein transport system ... 5 

2.3  Dynamics of the mitochondrial membrane proteins... 6 

2.4  Optical microscopy ... 6 

2.5  Labels for SPT investigations... 8 

2.6  Single Particle Tracking ... 9 

3 Aims of the project...11   

4  Materials and Methods...12 

4.1  The optical setup...12 

4.2  Construction of the Tom40_Dendra2b fusion...13 

4.3  Sample preparation and data collection ...14 

4.4  Single‐molecule tracking and analysis of experimental trajectories ...15 

5  Results...16 

5.1  SPT of Tom40_Dendra2b...16 

5.2  SPT of immobilized Dendra2b ...17 

6 Discussion and outlook...19   

7 Conclusions...20   

8  Acknowledgments...21 

(5)

9  References ...22   

 

(6)

 

1  Abstract 

Tom40 is integral protein of the mitochondrial outer membrane that functions as a  channel for protein import into the mitochondria. Here, we study the dynamics of  yeast Tom40 fused with the photo‐convertible fluorescent protein Dendra2b using  a combination of stroboscopic laser excitation with stochastic photoactivation and  super‐resolution fluorescence imaging.  

We demonstrate that Tom40 exhibits an extreme case of confined diffusion, being  anchored in the membrane firmly and “wobbling” with amplitude of ~0.3 µm on  the  sub‐millisecond  timescale.  This  behavior  suggests  that  the  protein  transport  machinery  in  the  mitochondria  is  firmly  anchored  in  the  membrane,  rather  than  diffusing freely as was postulated before. 

(7)

 

n

2  I troduction 

2.1  Mitochondria: function and structure 

Mitochondria are essential organelles of almost all eukaryotic cells and take part in  many  cellular  processes  such  as  energy  production,  apoptosis  and  fatty  acid  metabolism to name a few. They contain a functional genome, which is considered  to be a relic from the times when their ancestors were free‐living organisms.  

Mitochondria have two membranes (inner and outer), which divide them into two  compartments: intermembrane space and matrix (Figure 1).The Inner membrane  contains the power plant of the mitochondia – the ATP synthase particles. The ATP  synthase  machinery  converts  the  H+  gradient  between  the  matrix  and  the  intermembrane  space  into  ATP.  The  Inner  membrane  has  a  complex  geometry,  folding  into  cristae,  which  increases  its  area  considerably.  The  matrix  contains  mitochondrial  DNA  and  ribosomes,  as  well  as  so‐called  granules,  which  are  a  storage form of metal ions, and play a role in the regulation of ionic balance in the  organelle.  

 

 Figure  1.  Schematic  structure  of  a  mitochondria (figure courtesy of wikipedia. 

rg).  

o

         

The mitochondrial genome codes for only 8 proteins (Foury et al., 1998) whereas  proteomic  studies  have  revealed  that  the  total  number  of  yeast  mitochondrial  proteins  is  about  800  (Reinders  et  al.,  2006).    Thus,  the  majority  of  the  mitochondrial proteins have to be imported from the cytosol, passing through the  two  membranes.  This  constitutes  a  non‐trivial  engineering  problem,  and  a  specialized system of transport was developed to that end. 

(8)

2.2  Mitochondrial protein transport system 

The  process  of  protein  import  into  mitochondria  from  the  cytosol  is  driven  by  a  multi‐component  system  (for  review,  see  (Chacinska  et  al.,  2009)).  These  components  are  located  in  the  cytosol,  in  both  mitochondrial  membranes,  in  the  intermembrane  space  and  in  the  mitochondrial  matrix.  The  process  occurs  in  everal steps and protein components of both the outer and inner membranes are  nvolved (Fig. 2).  

s i  

   

Figure 2. Schematic structure of  mitochondrial  protein  transport  ystem (adopted from Rehling at  s

al., 2004). 

 

First, cytosolic proteins are  recognized  by  the  receptors  of  the  TOM‐

complex  (Translocase  of  the  Outer  Membrane)  and  are  then  transported  through  the  outer  membrane  via  the  channel  protein Tom40 (for review,  see  (Perry  et  al.,  2008)). 

The integral proteins of the  outer  membrane  are  inserted  into  it  by  another  outer  membrane  complex,  SAM  (Sorting  and  Assembly  Machinery)  (for  review,  see  (Walther  & 

Rapaport,  2009)).  Proteins  targeted  to  the  other  mitochondrial  sub‐

compartments undergo further transport through the inner membrane. Depending  on  their final  destination,  transported  proteins  are recognized  by  one  of  the  two  ifferent inner membrane translocases: TIM22 and TIM23 (for review, see (Bauer  d

et al., 2000) and (Jensen & Dunn, 2002)).  

 

Tom40  is  the  integral  protein  of  the  outer  mitochondrial  membrane  and  it  is  a  central  component  of  the  TOM‐complex.  It  belongs  to  the  class  of  β‐barrel  membrane proteins and forms pores with a diameter of about 22 – 25 Å (Hill et al., 

(9)

1998,  Schwartz  &  Matouschek,  1999).  Due  to  the  oligomerization  of  several  individual  Tom40  molecules  (Ahting  et  al.,  2001)  and  interactions  with  other  omponents the architecture of the pore formed in organello can be very intricate  for review, see (Perry et al., 2008)). 

c (    

.3  Dynamics of the mitochondrial membrane proteins  2

 

Little is known about the dynamics of membrane proteins in the mitochondria, and  most of the data has been produced using the FRAP (Fluorescence Recovery After  Photobleaching) technique applied to mitoplasts, rather than on live mitochondria. 

FRAP  is  almost  exclusively  done  on  cytochrome  c,  a  central  component  of  the  electron  transfer  chain  (Vanderkooi  et  al.,  1985,  Hochman  et  al.,  1982),  and  information  regarding  the  dynamics  of  the  components  of  the  outer  membrane  such as Tom40 is lacking altogether. Electron microscopy data (van der Klei et al.,  1994, Schulke et al., 1997) show no obvious patterns in Tim and Tom distribution,  which  was  interpreted  as  an  evidence  of  their  free  diffusion,  as  no  direct  observations of this diffusion were ever made.  

 

O

2.4  ptical microscopy 

2.4.1  Principles of optic microscopy 

In  order  to  determine  the  distribution  and  dynamics  of  the  TOM  complex,  one  needs to use an appropriate technique, which would produce data with temporal  and spatial resolution comparable with the scale on which TOM complexes exert  their functions (nms and µs). Also, techniques should preferably be non‐invasive,  since interference with the dynamic nature of the TOM complex could result in un‐

natural structures. 

Light  microscopy  is  a  non‐invasive  technique  allowing  investigations  of  the  structures  using  light  diffraction  on  the  sample,  and  it  can  (at  least  in  certain  variants)  fit  to  the  temporal  and  spatial  resolution  criteria  outlined  above.  The  main components of the light (or optical) microscope are: 

1) Light  source.  In  the  simplest  set  ups  light  from  the  sun  is  used,  but  in  the  modern  scientific  microscopes  dedicated  light  sources  such  as  halogen  lamps  or  lasers  are  used.  The  main  advantage  of  these  is  more 

(10)

homogeneous illumination, both in terms of intensity and (especially in the  case of lasers) in terms of  pectral  haracteristics.   s c

2) Condensor.The  condensor  focuses  the  light  from  the  light  source  on  the  sample, where it diffracts. 

3) Objective.  The  objective  collects  the  light  diffracted  from  the  sample.  The  higher  is  the  ability  of  the  objective  to  collect  light,  the  higher  is  the  potential  of  the  microscope  to  resolve  the  structure  of  the  sample. 

Numerical Aperture (NA) is used as a measure of this resolving power. NA  equals index of refraction of the media in which the light travels multiplied  on the sine of the half‐ angle of the maximum cone of light the objective can  collect (NA = n·sinθ).  

NA  is  directly  linked  to  maximum  resolution  of  the  setup  (d):  d  =  λ/2NA,  where λ is the wavelength of the imaging light. 

4) Ocular or eyepiece.The eye pieces serves to produce the image on the retina  of  the  eye  from  the  light  passed  on  by  the  objective.  The  magnification  powers  of  the  eye  piece  and  the  objective  multiply,  thus  giving  the  final  magnification of the microscope. 

5) Frame.  Usually  all  the  abovementioned  components  are  assembled  on  the  frame  which  ensures  the  proper  relative  orientation  and  protects  the  microscope  from  stray  light  which  does  not  come  from  the  illuminated  sample.  

2.4.2  Fluorescent microcopy 

Optical  microscopes  can  operate  in  a  variety  of  modes,  but  the  one  which  is  of  special  interest  for  us,  is  fluorescence  microscopy.  In  this  technique  fluorescent  labels  are  used,  and  these  emit  light  with  a  specific  wavelength.  In  combination  with  the  appropriate  spectral  filters  (so  called  dichroic  filters),  which  allow  only  light of a particular wavelength to pass, these labels provide us with the ability to  observe only the fluorescent molecules. 

This  approach  is  especially  powerful  when  fluorescent  molecules  are  sparse  enough  and  the  optical  system  is  powerful  enough  so  that  single  fluorescent  molecules can be detected and their evolution in time can be analyzed. This way  we  can  observe  a  whole  array  of  transport  phenomena,  such  as  diffusion,  active  transport,  etc,  as  well  as  reconstruct  the  structures  with  a  sub‐difractional  resolution.  This  approach  when  single  molecules  are  observed  and  their  movements are recorded, is dubbed Single Particle Tracking (SPT).  

(11)

Some  fluorescent  molecules  can  be  turned  on  and  off  upon  illumination  with  a  photo‐activating  beam.  These  fluorofors  are  called  photoconvertible  (when  the  switch from one fluorescent state to another is irreversible) or photoswitchable (if  fluorescent  can  be  turned  on  and  off  with  light  of  specific  wavelengths).  The  positions of spawned individual molecules can be determined by Gaussian fit, and  then all individual positions are used to piece together a super‐resolution structure  of  the  object  studied.  This  approach  allows  breaking  the  diffraction  limit,  since 

i u   e

there is no need to resolve ind vid al molecules from each oth r. 

Several  different  variants  of  this  approache  are  in  used;  fluorescence  photoactivated localization microscopy (FPALM)(Hess et al., 2006), photoactivated  localization  microscopy  (PALM)(Betzig  et  al.,  2006)  and  stochastic  optical 

n st et al., 2006). 

reco struction microscopy (STORM)(Ru 2.5  Labels for SPT investigations 

SPT  allows  tracking  with  high  precision  the  diffusion  of  individual  microscopic  particles  attached  to  relevant  molecules.  The  information  garnered  from  measurement  of  particle  trajectories  provides  useful  information  about  the  mechanisms and forces that drive and constrain the motion of particles.

This approach requires specialized labels to be attached to the biological molecules  of interest. These probes should have certain characteristics(Fernandez‐Suarez & 

Ting, 2008) as described below.  

First, they should have narrow emission spectra, so that their signal can be easily  separated  from  the  signal  coming  from  other  parts  of  the  sample.  Second,  they  should be bright ‐ they should emit a lot of photons with a well‐defined wavelength  when illuminated with the imaging light. Third, they should be stable under in vivo  conditions. Forth, they should be easily and specifically linked to the molecule of 

  ld not alter the behavior of the target considerably. 

choice and they shou 2.5.1  Organic dyes 

Organic  dyes  are  small  and  bright,  and  they  have  a  very  good  spectral  characteristics  (Fernandez‐Suarez  &  Ting,  2008).  However,  they  have  a  major  drawback: attaching them to the molecule of choice is a very tricky problem. If the  molecule of interest is produced inside the cell (e.g. a protein) than attaching the  dye  co‐translationally  is  almost  impossible.  A  modified  protein  has  to  be  micro‐

(12)

injected in the cell, which makes in vivo investigations very challenging and almost 

s uch as bacteria or mitochondria.  

impos ible in small objects s 2.5.2  Fluorescent proteins 

Fluorescent  proteins  (FP),  such  as  GFP  variants,  are  rather  poor  fluorophores. 

They  are  bulky,  not  very  bright  and  are  very  much  affected  by  the  environment  (Bogdanov  et  al.,  2009a,  Bogdanov  et  al.,  2009b).  However,  using  recombinant  DNA  technology  it  is  relatively  easy  to  create  fusion  proteins  consisting  of  the  protein of interest and the FP. 

One such protein is Dendra2b(Gurskaya et al., 2006), which was used in our study. 

ch can be converted by the UV light.  

This is a photoconvertable FP whi

S  

2.6  ingle Particle Tracking 2.6.1  General principles of SPT 

SPT  basically  allows  observation  of  single  molecules.  However,  single  molecules  are  subject  to  diffusion.  In  so‐called  normal  diffusion,  which  is  random,  and  unbiased Brownian motion, Mean Square Displacement   (MSD) is proportional to  the diffusion constant (D) and time (t): MSD = 2·d·D·t (here d is dimensionality of  the system, which is 2 for plane dimension and 3 for three dimensional systems).  

However,  in  biological  systems  particles  usually  cannot  diffuse  freely.  First,  they  are limited in space by the cell dimensions (Deich et al., 2004), thus MSD curves  have  a  plateau.  Second,  they  can  be  actively  transported,  such  as  MreB  bacterial  tubulin(Kim et al., 2006). Numerous other deviations from the Brownian diffusion  are also possible. 

Precision in single molecule localization is proportional to the square root of the  amount  of  the  photons  collected  from  the  fluorophore  (Thompson  et  al.,  2002):<(Δx2)>=  s2  /  N,  where  Δx  is  precision  of  the  particle  localization,  s  is  the  standard  error  of  the  fitting  function  (usually  Gaussian)  and  N  is  the  number  of  photons collected. 

2.6.2  Use of SPT for investigations of membrane proteins   

SPT  techniques  have  revolutionized  investigations  of  protein  diffusion  in  membranes.  However,  SPT  is  almost  exclusively  applied  to  eukaryotic  cell  membrane  proteins,  demonstrating  that  they  exhibit  confined  diffusion:  proteins 

(13)

freely diffuse in microdomains (corrals) of the membrane (Douglass & Vale, 2005,  Vrljic  et  al.,  2002).  These  corrals  are  produced  by  the  underlying  cytoskeleton  Douglass & Vale, 2005) and are relatively big, with a characteristic size of 2 µm,  (

which is comparable with the size of whole bacterial cell or mitochondria.  

 

Much  less  SPT  data  is  available  for  bacterial  membrane  proteins.  One  relatively  well studied protein is the maltoporin LamB, which was shown to exhibit confined  diffusion (Gibbs et al.,  2004), though the temporal resolution of the study (1 per  second frame rate) provided little information on the fast dynamics of the system. 

These  results  are  consistent  with  LamB  data  obtained  using  optical  tweezers,  which  also  suggested  confinement,  attributed  to  LamB  attachment  to  the  ptoreoglican  between  the  2  membranes  (Oddershede  et  al.,  2002).  Another  bacterial membrane protein which was studied by SPT, PelC, was  tracked with a  imilar  temporal  resolution  (0.9  s),  and  it  exhibited  very  slow  normal  Brownian  s

diffusion (D = 12±2 10‐3 µm2/s) (Deich et al., 2004). 

 

Mitochondrial  membrane  proteins  have  never  been  investigated  using  SPT,  thus  we  can  only  guess  about  their  diffusion  properties.  Mitochondria  do  not  have  a  cytoskeleton, or proteoglycan layer between the outer and inner membranes, thus  one could expect Tom40 to undergo free diffusion in the outer membrane, as has  previously been suggested (van der Klei et al., 1994, Schulke et al., 1997).  

 

(14)

3  Aims of the project 

Yeast mitochondria are a very promising model system for in vivo single molecule  investigations since yeast is highly genetically amenable, readily producible, and,  as we established during this study, yeast mitochondria have a low background of  fluorescence. Therefore we set to investigate the mitochondrial protein transport  machinery using SPT in live mitochondria. 

The  primary  aim  of  the  project  was  to  develop  a  proof‐of‐principle  using  a  Dendra2b‐Tom40  fusion.  Investigation  of  Tom40  dynamics  will  lay  the  groundwork for later investigations of the protein transport machinery. Labeling  of other components of the mitochondrial membrane would also pave the way to  multicolour  studies  of  mitochondrial  dynamics,  complemented  with  single  molecule in vivo FRET investigations of protein and tRNA transport.  

(15)

 

thods  4  Materials and Me

4.1  The optical setup 

A  schematic  diagram  of  the  optical  setup  is  shown  in  Figure  3.  Below  is  given  a  brief overview. 

An  acousto‐optical  modulator  (AOM,  IntraAction,  40  MHz)  shutters  a  wide‐field  yellow  excitation  laser  beam  into  an  Olympus  IX81  inverted  microscope.  The  excitation  laser  light  from  the  555‐nm  diode‐pumped  solid‐state  (DPSS)  laser  (CrystaLaser)  is  first  filtered  (Z550/20x,  Chroma  Technology)  and  then  focused  onto the back aperture of an Olympus total internal reflection fluorescence (TIRF)  objective ( ). The objective collimates the light and excites a 4‐µm wide  area at the sample plane with a laser power of 50 to 200 

Motorized stage

Long-pass dichroic

Long-pass dichroic AOM

Flip- lens T132 shutter

NA 1.45 objective

EMCCD camera

Band-pass filter Photo-

conversion

Fluorescence- excitation

 

Figure 3. Schematic diagram of the optical setup.(based on English et al,2010) 

The AOM is synchronized with a PhotonMAX electron‐multiplying charge‐coupled  device  (EMCCD)  camera  (Princeton  Instruments)  by  a  NI‐DAQ  M‐series  data  acquisition card (PCI‐6259, National Instruments), and is controlled via LabVIEW 

(16)

8.5  (National  Instruments)  to  pass  short  0.4‐  or  1‐ms  excitation  pulses  in  the 

id n

m dle of each imagi g frame. 

A  photoconversion  laser  beam  at  405  nm  (Radius,  Coherent)  is  spatially  overlapped using a long‐pass dichroic filter (Z405RDC, Chroma Technology) and is  focused  at  the  sample  plane.  An  anamorphic  prism  pair  (GPA‐3X‐8.0‐405,  CVI  MellesGriot) and a 50‐µm pinhole (Thorlabs) correct the asymmetry of this laser  beam  to  produce  a  TEM00  mode.  The  laser  is  independently  shuttered  using  a  UNIBLITZ  T132  shutter  controller  that  delivers  3‐ms  photoconversion  pulses  at  regular time intervals at powers ranging from 0.1 to   

A  long‐pass  dichroic  filter  (Z555RDC,  Chroma  Technology)  is  used  to  separate  excitation  and  photoconversion  laser  light  from  the  fluorescence  emission  of  Dendra2.  The  emission  light  is  further  filtered  using  a  band‐pass  emission  filter  (HQ605/75m, Chroma Technology). 

4.2  Construction of the Tom40_Dendra2b fusion 

Construction and validation of theTom40_Dendra2b fusion were performed in the  aboratory of Dr. PiotrKamenski, Moscow State University by Anton Kuzmenko,and  l

thus are not discussed in great detail. 

 

For  the  construction  of  the  Tom40_Dendra2b  fusion,  we  used  the  yeast  strain  YKB14–1a  [tom40::HIS4,  his4­519,  leu2­3  112,  Δura3,  ade2,  YEplac42R  (TOM40::URA3)]  (Gabriel  et  al.,  2003),  kindly  provided  by  Trevor  Lithgow  (University  of  Melbourne,  Australia).  The  Tom40  C‐terminus  was  chosen  for  attachment  of  Dendra2b  because  the  N‐terminus  contains  signals  for  itochondrial  transport.  Addition  of  Dendra2b  to  the  N‐terminus  would  be  xpecte

m

e d to disrupt Tom40 integration into the membrane. 

 

TOM40 gene was first cloned into the pRS415 shuttle vector containing LEU3 as a  marker  gene  using  NotI  and  XhoI  sites.  Then  the  site  for  NcoI  restriction  endonuclease was created in the resulting plasmid directly after the stopcodon of  TOM40  gene  using  the  QuikChange  mutagenesis  kit  (Stratagene).  Finally,  the  Dendra2b  coding  sequence  was  inserted  into  this  plasmid  using  yeast  recombination in vivo. For this, the plasmid containing the NcoI site was linearized  with  NcoI  enzyme.  In  parallel,  Dendra2b  coding  sequence  was  amplified  by  PCR  from  the  pDendra2  plasmid  (a  gift  from  D.  Chudakov,  Institute  of  Bioorganic  Chemistry,  Moscow,  Russia).  The  primers  for  this  PCR  contained  40‐nt  long  3’‐

proximal  parts  homologous  to  the  corresponding  ends  of  the  linearized  plasmid. 

Then, the W303 yeast strain was transformed simultaneously by these two DNAs  using  the  lithium  acetate  /  PEG  method  (Gietz  &  Woods,  2006).  Yeast  cells  containing  the  product  of  homologous  recombination  between  two  linear  DNA 

(17)

fragments were selected on medium without leucine. The resulting plasmid coding  for  the  Tom40_Dendra2b  fusion  protein  was  isolated  using  the  QiaPrep  plasmid  purification  kit  (Qiagen)  (Singh  &  Weil,  2002)  and,  using  the  plasmid  shuffling  approach (Rose, 1990) used to replace YEplac42R plasmid in the YKB14–1a strain  esulting  in  a  yeast  strain  expressing  the  fusion  protein  instead  of  the  wild‐type  r

Tom40p. 

 

The  mitochondrial  respiration  of  the  mutant  yeast  strain  was  assayed  in  vivo  by  direct  measurement  of  the  oxygen  uptake  using  the  Clark  electrode  and  polarographOxygraph  (Hansatech  Instruments)  at  30°C.  W303  and  YKB14–1a  strains  were  used  as  the  controls.  Growth  of  the  yeast  cells  on  the  medium  containing  non‐fermentable  carbon  source  (glycerol)  served  as  an  alternative  method  for  assaying  mitochondrial  function.  Serial  10X  dilutions  of  the  mutant  yeast strain culture with initial OD600 = 0.1 were plated on this medium, together  with the same dilutions of the control strains W303 and YKB14–1a. 

In both experiments strains contacting Tom40_Dendra2b and wt Tom40 showed  o significant difference, thus validating the Tom40_Dendra2b fusion construct. 

n  

4.3  Sample preparation and data collection 

The yeast mitochondria were isolated according to (Entelis et al., 2002) with minor  modifications.  Yeast  cells  were  cultivated  in  200  mL  of  selective  media  (Bio101  Inc) to OD600 of 2‐3 at 30°C, harvested by centrifugation and disrupted with glass  beads (Sigma, d = 0.5 mm). After two rounds of differential centrifugation (4000 g  nd 15000 g), mitochondria were loaded on a two‐step sucrose gradient (0.6 M /  a

1.85 M).  

 

Thereafter,  obtained  mitochondria  were  immediately  subjected  to  microscopy.  

Mitochondria  were  immobilized  in  coverslips  coated  with  poly‐L‐lysine  and  detected using the Differential Interference Contrast (DIC) mode of the microscope  (Figure 4). Coating was formed by repetitive washing of the coverslips with 0.02% 

poly‐L‐lysine and deionized w ter. A series of dilutions were prepared in order to  determine mitochondrial concentration optimal for imaging.  a

     

Figure  4.  DIC  image  of  mitochondria  with  an  overlay  of  the  fluorescence signal from Tom40_Dendra2b (in red). 

Immobilized mitochondria were imaged for 20 000 

(18)

The  time‐lapse  movies  were  manually  curated  and  frames  with  photoconversion  pulses or with no single molecule traces were removed. Example frames are shown  in Figure 5. 

 

e

Figur  5. Example frames of the Tom40_Dendra2b fluorescent trace at 10 Hz frame rate. 

4.4  Single‐molecule tracking and analysis of experimental trajectories  racking  procedures  were  performed  as  described  elsewhere  (English  et  al.,  T

2010).  

 

Single Tom40 fluorophores were tracked in hand‐edited movies using the particle  tracking  software  Diatrack  (v3.03,  Semasopht),  which  identifies  and  fits  the  intensity spots of our fluorescent particles with symmetric 2D Gaussian functions. 

All  routines  for  trajectory  analyses  are  written  in  IGOR  Pro  6.12A  by  ArashSanamard and Dr. Brian English (Dr. J. Elf’s laboratory, Uppsala University). 

The single‐molecule diffusion trajectories are analyzed by calculating MSDs(Deich  et al., 2004, Niu & Yu, 2008) for all possible time intervals in the sample (x‐y) plane. 

(19)

5  Results 

5.1  SPT of Tom40_Dendra2b 

Mitochondria  were  isolated  according  to  a  published  procedure  (Entelis  et  al.,  2002)  with  minor  modifications,  attached  to  poly‐L‐lysine  coated  coverslips  and  imaged (see Materials and Methods). We used a strobing approach, i.e. using the  same exposition time (5 ms) we varied the frame time (5, 20, 100, 500 and 1000  ms)(English  et  al.,  2010).  This  approach  allowed  us  to  track  Tom40  in  the  same  photophysical  conditions  in  a  wide  time  range,  spanning  from  ms  to  seconds,  observing both fast and slow processes.  

 

Figure 6.Single‐molecule Tom40_Dendra2b tracking in live S. cerevisiae mitochondria. A. Overlay of  7 single‐molecule Tom40_Dendra2b trajectories in S. cerevisiaelive mitochondria with a frame time  of 5 ms and an exposure time of 5 ms. B. Mean Square Displacements (MSDs) analysis for a frame  time of 5 ms and an exposure time of 5 ms. C. MSDs analysis for a frame time of 100 ms and an  exposure time of 5 ms. D. MSDs analysis for a frame time of 1000 ms and an exposure time of 5 ms.  

(20)

The  results  were  quite  surprising.  Already  at  5  ms  time  intervals  Mean  Square  Displacement  (MSD)  plots  reached  the  plateau,  suggesting  that  Tom40  was  confined  in  a  ~0.3  µm  micro‐corral  (Figure,6A,B).  Importantly,  Tom40  was  effectively  sampling  this  space  within  the  time  below  5  ms.  Imagine  at  different  frame rates, spanning from 5 ms to 1 sec (Figure 6, BCD) the MSD did not change  its  character,  suggesting  that  even  at  the  1  second  time  scale  Tom40  was  firmly  anchored in the mitochondrial membrane. 

Tom40  showed  confinement  within  a  ~0.3  µm  micro‐corral  and  yet  its  fast  dynamics within that space could have an alternative explanation: Tom40 could be  absolutely immobile, and the observed MSD plateau could be the result of the short 

ignal itself).  

noise (noise associated with the photon s 5.2  SPT of immobilized Dendra2b 

As a control for instrument drift we first imaged Tom40 with a coverslip glued to  the optical stage, which did not change the results (results not shown). Secondly  we  imaged  Dendra2b  molecules  immobilized  on  the  poly‐L‐lysine  slides  (Figure  7A‐D).  Here  we  also  observed  MSD,  which  did  not  increase  with  time,  but  the  plateau was much lower.  

(21)

  Figure 7.Dendra2b tracking. A. Single‐molecule Dendra2b trajectory with a frame time of 5 ms and  an exposure time of 5 ms. B. Mean Square Displacements (MSDs) analysis for a frame time of 5 ms  and an exposure time of 5 ms. C. MSDs analysis for a frame time of 20 ms and an exposure time of 5 

s. D. MSDs analysis for a frame time of 100 ms and an exposure time of 5 ms.  

m

 

The  efficiency  of  GFP‐based  fluorophores  is  greatly  affected  by  the  environment  (Bogdanov  et  al.,  2009b),  thus  this  could  be  a  concern  for  comparison  of  Tom40  which is localized in the mitochondrial intermembrane space and free Dendra2b in  the buffer solution. Precision in localization is proportional  to the square root of  the amount of the photons collected from the fluorophore(Thompson et al., 2002),  thus  differences  in  the  MSD  plateaus  could  simply  reflect  the  differences  in  the  short noise.  Therefore photon count analysis was needed in order to conclusively  demonstrate the nature of the differences in the MSD plateaus of stuck Dendra2b  and Tom40_Dendra2b. 

(22)

  

6  Discussion and outlook 

Our  results  suggest  that  Tom40  diffusion  is  profoundly  different  from  that  observed  with  eukaryotic  membrane  proteins,  it  diffuses  relatively  freely  but  within  domains  (Douglass  &  Vale,  2005),  similarly  to  the  diffusion  pattern  of  bacterial  membrane  protein  PelC(Deich  et  al.,  2004).  The  closest  example  is  bacterial  protein  maltoporinLamB,  which  showed  a  similar  extreme confinement  (Oddershede  et  al.,  2002,  Gibbs  et  al.,  2004).  However,  there  is  a  profound  difference  between  our  SPT  tracking  data  and  that  presented  in  (Gibbs  et  al.,  2004): our analysis has much greater time resolution, milliseconds vs seconds. 

It  is  tempting  to  hypothesize  on  the  nature  of  this  extraordinary  behavior  of  Tom40.  In  the  case  of  LamB,  confinement  was  attributed  to  interactions  with  intermembane proteoglycans(Oddershede et al., 2002).  In the case of Tom40 no  intermembrane  proteoglycan  matrix  is  present:  thus  it  has  to  interact  with  something  else.  One  possible  culprit  could  be  a  rivet‐like  interaction  formed  by  TIM  and  TOM  connecting  smooth  outer  membrane  and  highly  creased  inner  membrane (Schulke et al., 1999, Schulke et al., 1997), connecting outer and inner  membranes.  

Yeast mitochondria are a very promising model system for in vivo single molecule  investigations since yeast are highly genetically amenable, readily produced, their  mitochondria  have  low  background  fluorescence,  and  they  are  devoid  of  efflux  pumps present in bacteria. Thus the delivery of small molecules to the inside is not  experimentally  challenging.  Labeling  of  other  components  of  the  mitochondrial  membrane would pave the way to multicolour studies of mitochondrial membrane  dynamics,  complimented  with  single  molecule  in  vivo  FRET  investigations  of  protein and tRNA transport.  

(23)

  

7  Conclusions 

1)  We  have  constructed  a  yeast  strain  encoding  a  fusion  of  the  Tom40  mitochondrial transport channel and the GFP variant Dendra2b, and demonstrated  the feasibility of single molecule tracking in live mitochondria. This paves the way  to  constructing  and  tracking  other  similarly  labeled  components  of  the  mitochondrial  protein  transport  machinery,  which  in  the  future  can  produce  a  dynamic  description  of  this  system  with  unprecedented  temporal  and  spatial  resolution. 

2)  The  Tom40  protein  transport  channel  does  not  exhibit  free  diffusion  in  the  mitochondrial membrane. It is virtually immobile on a timescale spanning from ms  to  seconds,  suggesting  that  protein  transport  complexes  are  fixed  in  the  outer  mitochondrial membrane. 

(24)

  

8  Acknowledgments 

I am grateful to all the people who participated in the project. First, I am grateful to  Anton  Kuzmenko  who  constructed  the  Tom40_Dendra2b  fusion  and  taught  me  how  to  purify  and  handle  yeast  mitochondria.  Second,  I  am  grateful  to  Dr.  Brian  English,  who  taught  me  the  basics  of  microscopy  and  introduced  me  to  SPT  techniques. Third, I am grateful to Arash Sanamard, who shared the Igor scripts for  the SPT analysis. And, lastly, I am grateful to my supervisors, Dr Vasili Hauryliuk  and Dr Johan Elf, who participated at all the stages of this project. 

(25)

  

9  References 

Ahting, U., M. Thieffry, H. Engelhardt, R. Hegerl, W. Neupert & S. Nussberger,  (2001) Tom40, the pore‐forming component of the protein‐conducting  TOM channel in the outer membrane of mitochondria. J Cell Biolm; 153: 

1151‐1160. 

Bauer, M. F., S. Hofmann, W. Neupert & M. Brunner, (2000) Protein translocation  into mitochondria: the role of TIM complexes. Trends Cell Biol; 10: 25‐31. 

Betzig, E., G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino,  M. W. Davidson, J. Lippincott‐Schwartz & H. F. Hess, (2006) Imaging 

intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science; 313: 

1642‐1645. 

Bogdanov, A., E. Bogdanova, D. Chudakov, T. Gorodnicheva, S. Lukyanov & K. 

Lukyanov, (2009a) Cell culture medium affects GFP photostability: a  solution. Nat Methods; 6: 859‐860. 

Bogdanov, A. M., A. S. Mishin, I. V. Yampolsky, V. V. Belousov, D. M. Chudakov, F. V. 

Subach, V. V. Verkhusha, S. Lukyanov & K. A. Lukyanov, (2009b) Green  fluorescent proteins are light‐induced electron donors. Nat Chem Biol; 5: 

459‐461. 

Chacinska, A., C. M. Koehler, D. Milenkovic, T. Lithgow & N. Pfanner, (2009) 

Importing mitochondrial proteins: machineries and mechanisms. Cell; 138: 

628‐644. 

Deich, J., E. M. Judd, H. H. McAdams & W. E. Moerner, (2004) Visualization of the  movement of single histidine kinase molecules in live Caulobacter cells.  

Proc Natl Acad Sci USA; 101:15921‐15926. 

Douglass, A. D. & R. D. Vale, (2005) Single‐molecule microscopy reveals plasma  membrane microdomains created by protein‐protein networks that exclude  or trap signaling molecules in T cells. Cell;121: 937‐950. 

English, B., A. Sanamrad, S. Tankov, V. Hauryliuk & J. Elf, (2010) Tracking of  individual freely diffusing fluorescent protein molecules in  the bacterial  cytoplasm. ArXive:1003.2110v1 q­bio.QM. 

(26)

Entelis, N., O. Kolesnikova, H. Kazakova, I. Brandina, P. Kamenski, R. P. Martin & I. 

Tarassov, (2002) Import of nuclear encoded RNAs into yeast and human  mitochondria: experimental approaches and possible biomedical 

applications. Genet Eng (N Y); 24: 191‐213. 

Fernandez‐Suarez, M. & A. Y. Ting, (2008) Fluorescent probes for super‐resolution  imaging in living cells. Nat Rev Mol Cell Biol; 9: 929‐943. 

Foury, F., T. Roganti, N. Lecrenier & B. Purnelle, (1998) The complete sequence of  the mitochondrial genome of Saccharomyces cerevisiae. FEBS Lett; 440: 

325‐331. 

Gabriel, K., B. Egan & T. Lithgow, (2003) Tom40, the import channel of the  mitochondrial outer membrane, plays an active role in sorting imported  proteins. Embo J; 22: 2380‐2386. 

Gibbs, K. A., D. D. Isaac, J. Xu, R. W. Hendrix, T. J. Silhavy & J. A. Theriot, (2004)  Complex spatial distribution and dynamics of an abundant Escherichia coli  outer membrane protein, LamB. Mol Microbiol; 53: 1771‐1783. 

Gietz, R. D. & R. A. Woods, (2006) Yeast transformation by the LiAc/SS Carrier  DNA/PEG method. Methods Mol Biol; 313: 107‐120. 

Gurskaya, N. G., V. V. Verkhusha, A. S. Shcheglov, D. B. Staroverov, T. V. Chepurnykh,  A. F. Fradkov, S. Lukyanov & K. A. Lukyanov, (2006) Engineering of a 

monomeric green‐to‐red photoactivatable fluorescent protein induced by  blue light. Nature Biotechnology;24: 461‐465. 

Hess, S. T., T. P. Girirajan & M. D. Mason, (2006) Ultra‐high resolution imaging by  fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys J; 91: 4258‐

4272. 

Hill, K., K. Model, M. T. Ryan, K. Dietmeier, F. Martin, R. Wagner & N. Pfanner,  (1998) Tom40 forms the hydrophilic channel of the mitochondrial import  pore for preproteins [see comment]. Nature; 395: 516‐521. 

Hochman, J. H., M. Schindler, J. G. Lee & S. Ferguson‐Miller, (1982) Lateral mobility  of cytochrome c on intact mitochondrial membranes as determined by  fluorescence redistribution after photobleaching. In: Proc. Natl. Acad. Sci. 

USA;79: 6866‐6870. 

Jensen, R. E. & C. D. Dunn, (2002) Protein import into and across the mitochondrial  inner membrane: role of the TIM23 and TIM22 translocons. Biochim 

Biophys Acta; 1592: 25‐34. 

(27)

Kim, S. Y., Z. Gitai, A. Kinkhabwala, L. Shapiro & W. E. Moerner, (2006) Single  molecules of the bacterial actin MreB undergo directed treadmilling motion  in Caulobacter crescentus. Proc Natl Acad Sci U S A; 103: 10929‐10934. 

Mileykovskaya, E. & W. Dowhan, (2000) Visualization of phospholipid domains in  Escherichia coli by using the cardiolipin‐specific fluorescent dye 10‐N‐nonyl  acridine orange. J Bacteriol; 182: 1172‐1175. 

Niu, L. & J. Yu, (2008) Investigating intracellular dynamics of FtsZ cytoskeleton  with photoactivation single‐molecule tracking. Biophys J; 95: 2009‐2016 Oddershede, L., J. K. Dreyer, S. Grego, S. Brown & K. Berg‐Sorensen, (2002) The  motion of a single molecule, the lambda‐receptor, in the bacterial outer  membrane. Biophys J; 83: 3152‐3161. 

Perry, A. J., K. A. Rimmer, H. D. Mertens, R. F. Waller, T. D. Mulhern, T. Lithgow & P. 

R. Gooley, (2008) Structure, topology and function of the translocase of the  outer membrane of mitochondria. Plant Physiol Biochem; 46: 265‐274. 

Reinders, J., R. P. Zahedi, N. Pfanner, C. Meisinger & A. Sickmann, (2006) Toward  the complete yeast mitochondrial proteome: multidimensional separation 

omics. J Proteome Res; 5: 1543‐1554. 

techniques for mitochondrial prote

Rose, M. D., Winston, F., Hieter, P., (1990) Methods in yeast genetics. A laboratory  course manual. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY. 

Rust, M. J., M. Bates & X. Zhuang, (2006) Sub‐diffraction‐limit imaging by stochastic  optical reconstruction microscopy (STORM). Nat Methods;3: 793‐795. 

Schulke, N., N. B. Sepuri, D. M. Gordon, S. Saxena, A. Dancis & D. Pain, (1999) A  multisubunit complex of outer and inner mitochondrial membrane protein  translocases stabilized in vivo by translocation intermediates. J Biol Chem; 

274: 22847‐22854. 

Schulke, N., N. B. Sepuri & D. Pain, (1997) In vivo zippering of inner and outer  mitochondrial membranes by a stable translocation intermediate. Proc Natl  Acad Sci U S A; 94: 7314‐7319. 

Schwartz, M. P. & A. Matouschek, (1999) The dimensions of the protein import  channels in the outer and inner mitochondrial membranes. Proc Natl Acad  Sci U S A ;96: 13086‐13090. 

Singh, M. V. & P. A. Weil, (2002) A method for plasmid purification directly from 

(28)

Thompson, R. E., D. R. Larson & W. W. Webb, (2002) Precise nanometer 

localization analysis for individual fluorescent probes. Biophys J;82: 2775‐

2783. 

van der Klei, I. J., M. Veenhuis & W. Neupert, (1994) A morphological view on  mitochondrial protein targeting. Microsc Res Tech; 27: 284‐293. 

Vanderkooi, J. M., G. Maniara & M. Erecinska, (1985) Mobility of fluorescent  derivatives of cytochrome c in mitochondria. J Cell Biol;100: 435‐441. 

Vrljic, M., S. Y. Nishimura, S. Brasselet, W. E. Moerner & H. M. McConnell, (2002)  Translational diffusion of individual class II MHC membrane proteins in  cells.Biophys J;83: 2681‐2692. 

Walther, D. M. & D. Rapaport, (2009) Biogenesis of mitochondrial outer membrane  proteins. Biochim Biophys Acta ;1793: 42‐51. 

   

References

Related documents

By using the latest fluorescent microscopy techniques we designed a setup that could give us precise localization of a single protein molecule on the membrane within milliseconds

The ab ility to oxidize glycine via the respiratory chain was present in spinach leaf mitochondria, but absent in mitochondria prepared from roo ts, stalks and leaf

Our comparative genomic analysis of TRP genes in the tuatara genome identified 37 TRP-like sequences, spanning all 7 known subfamilies of TRP genes (Extended Data

Stöden omfattar statliga lån och kreditgarantier; anstånd med skatter och avgifter; tillfälligt sänkta arbetsgivaravgifter under pandemins första fas; ökat statligt ansvar

Däremot är denna studie endast begränsat till direkta effekter av reformen, det vill säga vi tittar exempelvis inte närmare på andra indirekta effekter för de individer som

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

Från den teoretiska modellen vet vi att när det finns två budgivare på marknaden, och marknadsandelen för månadens vara ökar, så leder detta till lägre

40 Så kallad gold- plating, att gå längre än vad EU-lagstiftningen egentligen kräver, förkommer i viss utsträckning enligt underökningen Regelindikator som genomförts