transcript protein tagging technologies in cell …...molecular biology of the cell, and traffic....

32
1 Protein Tagging Technologies in Cell Imaging and Analysis [0:00:00] Sean Sanders: Hello and welcome to the Science/AAAS live webinar. My name is Sean Sanders and I’m the commercial editor at Science. Slide 1 The subject of today’s webinar is, “Protein Tagging Technologies in Cell Imaging and Analysis”. There currently exist a number of approaches to indirectly monitor the expression, localization, and degradation of cellular proteins in fixed cells and cell lysates. However, tools to study these events in living cells in real time are more limited. In this presentation, we will examine the current ‐‐ the application of current fluorescent protein tagging technologies as well as a variety of complementary cell imaging approaches including several chemical labeling techniques. In the studio today, I’m joined by three exceptional scientists to discuss this subject. Sitting next to me is Dr. Jennifer LippincottSchwartz from the NIH, just up the road from us in Bethesda, Maryland. Next, we have Professor Kai Johnsson from the Swiss Federal Institute for Technology in Switzerland. And finally, we have Dr. Klaus Hahn from the University of North Carolina in Chapel Hill. Welcome to all of you. Before we begin, I’d like to remind everyone watching: If you wish to see an enlarged version of any of the slides, you can click on the enlarge slides button located just underneath the slide window of your web console. You can also download a PDF copy of all of the slides by using the download slides button. If you’re joining us live, you can submit a question to the panel at any time simply by typing it into the askaquestion box on the bottom left of your viewing console below the video screen and clicking the submit button. I’ll do my best to get to as many of the questions as possible. Keeping them short and to the point will give you the best chance of them being put to the panel. We frequently receive over a hundred questions during these webinars so please do not take it personally if we don’t manage to answer your specific query. Finally, I’d like to thank New England BioLabs for their sponsorship of today’s webinar. Slide 2

Upload: others

Post on 11-Jul-2020

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

1  

Protein Tagging Technologies in Cell Imaging and Analysis 

[0:00:00] Sean Sanders:  Hello and welcome  to  the Science/AAAS  live webinar. My name  is 

Sean Sanders and I’m the commercial editor at Science. Slide 1   The subject of today’s webinar  is, “Protein Tagging Technologies  in 

Cell  Imaging  and  Analysis”.  There  currently  exist  a  number  of approaches  to  indirectly monitor  the  expression,  localization,  and degradation  of  cellular  proteins  in  fixed  cells  and  cell  lysates. However, tools to study these events  in  living cells  in real time are more  limited.  In  this presentation, we will examine  the  current  ‐‐ the application of current  fluorescent protein  tagging  technologies as  well  as  a  variety  of  complementary  cell  imaging  approaches including several chemical labeling techniques. 

   In  the  studio  today,  I’m  joined  by  three  exceptional  scientists  to 

discuss  this  subject.  Sitting  next  to me  is  Dr.  Jennifer  Lippincott‐Schwartz  from  the  NIH,  just  up  the  road  from  us  in  Bethesda, Maryland.  Next, we  have  Professor  Kai  Johnsson  from  the  Swiss Federal Institute for Technology in Switzerland. And finally, we have Dr. Klaus Hahn from the University of North Carolina in Chapel Hill. 

   Welcome to all of you.    Before we begin,  I’d  like to remind everyone watching:  If you wish 

to see an enlarged version of any of the slides, you can click on the enlarge slides button  located  just underneath  the slide window of your web console. You can also download a PDF copy of all of the slides by using the download slides button. If you’re joining us live, you can submit a question to the panel at any time simply by typing it  into  the  ask‐a‐question box on  the bottom  left of  your  viewing console below the video screen and clicking the submit button.  I’ll do my best to get to as many of the questions as possible. Keeping them short and to the point will give you the best chance of them being  put  to  the  panel.  We  frequently  receive  over  a  hundred questions during these webinars so please do not take it personally if we don’t manage to answer your specific query. 

   Finally,  I’d  like to thank New England BioLabs for their sponsorship 

of today’s webinar. Slide 2 

Page 2: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

2  

  It now gives me great pleasure to introduce our first speaker today. Dr.  Jennifer  Lippincott‐Schwartz  received  her Master's  in  biology from  Stanford  University  and  her  Ph.D.  from  Johns  Hopkins University.  After  doing  postdoctoral  work  in  the  laboratory  of Richard Klausner  at  the National  Institutes of Health  in Bethesda, she established her own  lab on  the  same  campus. Dr.  Lippincott‐Schwartz  is  currently Chief of  the  Section on Organelle Biology  in the Cell Biology and Metabolism Branch at the NIH where she uses live cell imaging approaches to analyze the spatiotemporal behavior and  dynamic  interactions  of  molecules  in  cells.  Dr.  Lippincott‐Schwartz serves as editor  for Current Protocols  in Cell Biology and The  Journal of Cell Science, and  is on  the editorial boards of Cell, Molecular Biology of  the Cell,  and Traffic.  She was elected  to  the National Academy of Sciences in 2008. 

   Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Thank you very much, Sean. Slide 3   So, today, I’m going to be talking about the development and use of 

fluorescent  proteins  as  imaging  tools.  And  these  fluorescent proteins  including  GFP  have  really  revolutionized  biomedical sciences since they can be expressed within cells or organisms  like this mouse simply by adding small quantities of DNA, and they still are fluorescent under those conditions. This has revolutionized the biomedical  sciences  because  it  allows  proteins  to  be  tracked  and imaged in various physiological contexts. 

Slide 4   Now,  this  next  slide  shows  the  advantages  of  the  fluorescent 

proteins. Because  the  cDNA  for  these  fluorescent proteins  can be tagged to different proteins of interest, you can directly insert them into the cells or organisms. And this allows for non‐invasive imaging in the absence of photodynamic toxicity because the GFP really has minimal  toxicity when  it’s expressed  in  cells. And  the GFP  and  its variants can be also used  to monitor biological events and  signals based on their interaction with each other. 

Slide 5   Now, as you might  imagine given the significance of these types of 

probes, they’ve undergone significant development over the last 15 years as shown  in this timeline for the development of fluorescent proteins. This  includes the development of different color variants, brighter  versions  of  these  fluorescent  proteins,  as  well  as photoactivatable fluorescent proteins. 

Slide 6 

Page 3: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

3  

  Now, this is just a diagram showing the different color variants that are available now among these fluorescent proteins. And this allows researchers to be able to perform multicolor simultaneous imaging within  their  specimens, which allows  for  really  characterization of different ‐‐ how different proteins behave under different contexts. 

 [0:05:02] Slide 7   This  is a  list of some of the brightest versions of these  fluorescent 

proteins  in each spectral class,  in case you’re  interested  in  finding out what the latest and greatest for each of these proteins are. And that  allows  for  specific  double  labeling  as  well  as  FRET  based interactions. 

Slide 8 Slide 9   What  I want to focus now on for the rest of this  little talk  is these 

photoactivatable green  fluorescent proteins, which are  invisible at the  imaging  wavelength,  in  this  case  48  nanometer  light,  until they’ve been activated by a UV pulse of 400 nanometer light. After which, they become brightly fluorescent.  

   Now,  this  has  allowed  for  many  new  applications  by  these 

photoactivatable fluorescent proteins because you can switch them on. You can highlight them. 

Slide 10   Now,  there  are  many  variants  of  these  photoactivatable  or 

photoconvertible proteins and some of them are listed in this slide. Of  these,  the  two  most  useful  for  double  labeling  are  the photoactivatable  GFP  and  the  PAmCherry.  And  the  reason  is because  these  two different photoactivatable  fluorescent proteins can  be  switched  on  simultaneously  by UV  activation  as  shown  in this sequence here where both molecules have been expressed  in the same cell. And with one pulse of 405 nanometer  light, you can switch on these molecules. In this case, they’re being switched on in the nucleus. And you can  see  those molecules  then diffuse out of the nucleus into the rest of the cell. 

Slide 11   There  are  many  applications  that  one  can  use  for  these 

photoactivatable fluorescent proteins, including studies of dynamics where you switch on a population and watch how molecules move out of a particular area of the cell. You can look at protein turnover with  these probes because  after  you photoactivate  an  image,  the photoactivated molecules, any newly synthesized molecules will not be  fluorescent unless you photoactivate them. So, you can  look at 

Page 4: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

4  

protein  turnover. You can also  look at  fate mapping,  the  temporal and developmental expression patterns in different organisms. 

Slide 12   But perhaps the most exciting application of these photoactivatable 

fluorescent proteins now is in super resolution imaging. Slide 13   Well,  what  is  super  resolution  imaging?  It’s  imaging  beyond  the 

diffraction limit, which is illustrated in this next slide here. Where if one’s  looking  at  a  single  molecule  of  GFP,  which  is  about  2.5 nanometers in size through a typical light microscope, you wouldn’t see the GFP, but you’d see a blurry spot about a hundred times the size  of  that  GFP.  And  that’s  due  to  the  diffraction  limit  of  light, which makes any fluorescent probe a blurry object if you’re looking at a single molecule. 

Slide 14   It turns out that that point‐spread function or blurry spot can be fit 

to a 2D Gaussian least squares fit to find the center or the centroid of  this  point‐spread‐function. And  that  then  allows  you  to  define with much more accuracy where the molecule is. 

Slide 15   And  that’s  been  the  basis  for  a  new  super  resolution  imaging 

technique that is we call Photoactivated Localization Microscopy or PALM. And in this technique, one takes a sample, in this case a fixed sample  that’s  expressing  a  photoactivatable  fluorescent  protein. And  you  expose  it  to  very  low  photoactivated  light  so  that  you switch  on  only  a  small  subset  of  the  molecules  in  a  dense population as shown in this top slide here. 

Slide 16 Slide 17   And  after  highlighting  just  a  few  of  the molecules  in  your  dense 

specimen by switching them on, you fit them. You can fit the point‐spread  functions  and  then  you  can  bleach  those  molecules  and switch  on  another  subset  in  this  dense  population.  Capture  the distribution  of  those molecules,  fit  them,  and  then  do  this  over again  and  over  again  until  you’ve  essentially  acquired  the distribution of all the molecules in this dense population. 

Slide 18   And by summing up  the position probability Gaussian  fits  for each 

of  the  individual photoactivation events, you can  then get a super resolution image. 

Slide 19   And  this  is  just  an  resolution  of  that.  This  is  an  aggregate  of  50‐

nanometer  polystyrene  beads  coated  with  the  photoactivatable 

Page 5: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

5  

fluorescent  protein  Kaede.  To  the  left  is  the  conventional  TIRF image of this aggregate. To the right is the PALM image. 

Slide 20   And  if  we  zoom  up,  you  can  see  we  can  identify  the  individual 

distribution of these 50‐nanometer elements in this aggregate. Slide 21 Slide 22   Now,  you  can do PALM  in  living  cells  simply by  fixing  these  cells, 

putting them on a cover slip. We’re TIRF imaging the very bottom of this cell an when we do that ‐‐  in this case we’re  looking at a focal adhesion  tag  that’s  been  labeled  with  vinculin  tagged  with  this tandem‐dimer Eos ‐‐ you can see a really beautiful resolution. 

[0:10:15] Slide 23   If we  zoom  up  on  one  of  those  focal  adhesions  as  shown  in  this 

slide,  you  can  see  the  distribution  of  the  individual  vinculin molecules. 

Slide 24   Now, you can do two‐color PALM with the photoactivatable Cherry 

in combination with a photoactivatable GFP. And an  illustration of that  is  shown  here where we’re  looking  to  the  left  a  transferrin receptor  tagged with  a  PAmCherry,  to  the  right with  the Clathrin light chain, which  labels Clathrin coded pits. We can see the super resolution co‐distribution of those molecules. 

Slide 25 – Slide 28   Now, to look at intracellular components using PALM, one only has 

to  essentially  thin  section  through  your  fixed  specimen.  Put  that thin  section,  in  this  case a 70‐nanometer  thin  section, on a  cover slip and then image. 

Slide 29   And here  is an example where we’re  looking at an Eos tagged to a 

mitochondrial targeting marker where you can see the distribution of the molecules within mitochondria. 

Slide 30   Now,  it  turns  out  that  you  can  do  PALM  in  3D  using  an 

interferometric  approach  developed  by  Harald  Hess  recently  at Janelia  Farm.  And  in  this  approach,  you  can  look  at  the  Z distribution over a depth of about 250 nanometers. 

Slide 31   Here, we’re  looking  in Z at the distribution of a plasma membrane 

marker. And if you ‐‐ each of the molecules are color coded so that you can look at their Z dimension. 

 

Page 6: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

6  

  If you rotate that plasma membrane image to the left, and look at it at the bottom, you can now see the top and the bottom of the cell membrane and the distribution of those molecules in them. 

Slide 32   And this is just another example of an iPALM image of this ‐‐ a beta 

integrin, which  labels  focal  adhesions.  And what’s  exciting  about this  image  is  that  we  can  see  the  distribution  of  this  integrin throughout  the whole  secretory  pathway. And  how  that  pathway including its final distribution and focal adhesions are distributed in the three dimensions. 

Slide 33   So,  there  are many  exciting  directions  available  to  us  now  with 

these  photoactivatable  fluorescent  proteins.  I  mentioned  the possibility of doing correlative EM analysis. I didn’t have time to talk about live cell analysis, but you can ‐‐ PALM is now live. You can use this technique  in  living cells. And this 3D approach, I think,  is going to be very powerful. 

Slide 34   And I just want to end by thanking the collaborative group that has 

been  involved  in all of this technology. Eric Betzig and Harald Hess were the physicists that really came up with the idea for PALM. The biologists  have  helped  implement  it.  And  I  want  to  thank  my colleagues George Patterson and Suliana Manley at NIH as well as Mike Davidson and Vlad Verkhusha at Florida State and Einstein for their help in the development of these probes. 

 Sean Sanders:  Great.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Thank you.  Slide 35 Sean Sanders:  Thank  you  so  much,  Dr.  Lippincott‐Schwartz.  It’s  a  great 

introduction. I know there’s a lot more than you had time to cover so I appreciate it. 

   We  do  have  a  lot  to  get  to  today,  but  I’m  going  to  throw  out  a 

question to you very quickly that came  in about GFP. Basically,  it’s clear now  the GFP molecules are  fairly  large. Could  there possibly be  steric hindrance  issues? And what  examples  are  you  aware of where  the  size has  interfered with  the use of  the  tags,  and what would you recommend be done in that case? 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yeah,  that’s a great question.  So,  the GFP  is a 27  kD protein. But 

because it folds up into a very compact beta‐barrel like structure, it 

Page 7: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

7  

has been  remarkably useful  for  tagging  to  the N‐ or C‐terminus of proteins without  really  fundamentally  interfering with  the  activity of  many  of  these  proteins.  But,  as  you  know,  many  proteins assemble  into  polymers  and  those  polymers  are  tightly  organized where  the  proteins  are  fitting  very  closely with  each  other.  And under these conditions, we’ve found that  if GFP has been  inserted into  the  individual  subunits of  this polymer  at  too high  a density, essentially the polymer it won’t assemble correctly. 

   And so, the way one can deal with this is to essentially just sprinkle 

in at small levels the GFP tagged polymer subunits. So, that it’s not fully integrated into the polymer and thereby disruptive. 

 Sean Sanders:  Great. Thank you very much. Slide 36   So, on to our second speaker today, Professor Kai Johnsson. Dr. Kai 

Johnsson received his undergraduate diploma  in chemistry and his Ph.D.  from  ETH  in  Zürich,  Switzerland.  Following  his  postdoctoral training  at  the  University  of  California,  Berkeley,  Dr  Johnsson worked  as  a  research  assistant  at  the  Ruhr‐University‐Bochum  in Germany  before  returning  to  Switzerland  to  take  an  assistant professorship  position  at  the  Institute  of  Chemical  Sciences  and Engineering  with  EPFL.  He  is  currently  an  Associate  Professor  at EPFL, researching the development and application of tools to study protein  function  in  vivo  and  in  vitro,  as  well  as  the  directed evolution of protein function. Dr Johnsson is associate editor of ACS Chemical Biology and a member of the Faculty of 1000. 

[0:15:24]   Welcome, Dr. Johnsson. Thank you.  Slide 37 Dr. Kai Johnsson:  Thank you very much.    What  I would  like to talk about today  is also an approach to study 

protein  function  and  lysates,  but  that  is  actually  not  based  on autofluorescent proteins. And so, what we are  interested on doing in my lab is using the following approach if we would like to study a protein of  interest  in a cell. We also express  it as a  fusion protein with a polypeptide. But now the role of this polypeptide is not to be fluorescent by itself, but rather to react with a synthetic probe in a way that this probe becomes covalently and irreversibly attached to your fusion protein, and thereby giving it a unique property such as fluorescence. 

 

Page 8: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

8  

  And  so,  if  you  do  something  like  this,  what  are  the  principal advantages of  this approach? First of all, you can provide proteins with  properties  that  cannot  be  genetically  encoded,  that  is, unnatural  properties.  Second,  you  as  a  user,  have  temporal  and spatial  control  over when  you  do  the  labeling.  And  thirdly,  since these  tags can be  labeled with a  lot of different  synthetic probes, you can use a single construct for a lot of different applications. 

Slide 38   Now  on  the  next  slide,  I’ll  show  you  two  of  the  commonly most 

popular  approaches  for  protein  labeling.  The  first  one  is  the  so‐called  tetracysteine  tag, which was developed by  the  lab of Roger Tsien  ‐‐ which  is a peptide  that  in  the presence of  simple dithiols chelates to biarsenical derivatives such as this fluorescein derivative called  FlAsH  forming  a  stable  fluorescent  complex.  The  unique features of this approach are the relatively smallest mass size of the peptide that you attach to your protein of interest. 

   And another tech that my laboratory developed for protein labeling 

is  the so called SNAP‐tag, which  is a small protein  that specifically reacts with benzylguanine derivatives carrying a synthetic probe or here  described  as  a  label.  Thereby  transferring  the  label  to  the fusion protein  and  covalently  attaching  it.  The unique  features of this approach are  its explicit specificity and also the  large varieties of labels or synthetic probes that you can attach to it. My laboratory alone has synthesized over 100 benzylguanine derivatives. 

   So,  what  I  would  like  to  do  in  the  following  is  to  give  you  an 

overview  about  the  things  that  you  can  do  with  this  labeling approaches that complement more traditional approaches to study protein function. 

   If you’re  interested  in  the  field  in general,  I also at  the end of my 

presentation listed a couple of general reviews on this field.    I should also disclose, at this point, that I’m co‐founder of a biotech 

company  that  licensed  these protein‐labeling  technologies  to New England BioLabs. 

Slide 39   So, a few more words on the SNAP‐tag. The SNAP‐tag is a protein of 

about 20 kD. It’s a small monomeric protein that, as I already said, reacts  very  rapidly  with  benzylguanine  derivatives  in  a  way  that then  the  synthetic probes attach  to your protein. The  rate  is very fast  of  this  labeling,  but  what  is  most  important  for  labeling applications  is  that  independent  of  the  sort  of  benzylguanine 

Page 9: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

9  

derivatives that you synthesize, the SNAP‐tag still can react with  it. So,  you  can  attach  fluorophores,  probes  for  affinity,  purification, even beads for pull‐down assays. 

Slide 40   So, how do  you do  such  an experiment?  Let’s  assume  you would 

like  to do a  fluorescence  labeling such as SNAP‐tag  fusion protein. The first step, of course, is that you need to transfect the cells that they express the protein of  interest. And then you  just pipe  it  in a benzylguanine  derivative  into  the  cell  medium  that  carries  an appropriate  fluorophore. And  then after some  incubation  time, 10 minutes or so, you need to, through a washing step, remove excess molecule that hasn’t reacted. And then, on the third step, you go to the x‐ray imaging for example. 

Slide 41   And  here  on  this  slide,  I’ve  shown  two  applications  of  such 

fluorescence  live  cell  imaging of SNAP‐tag  fusions;  to  the  left,  the SNAP‐actin and  to  the  right  the  SNAP‐β‐tubulin both  labeled with tetramethylrhodamine. 

   What  I would  like  to  do  now  is  not  sort  of  show  you  examples 

where  in principle we  imitate autofluorescent proteins. But  I’d  like to  discuss  some  of  the  things  that  you  can  do where  you  really complement autofluorescent proteins and can do things that would not be possible otherwise. 

   So,  for  these applications, what  is  important again  is  that we  can 

label a single construct with multiple  fluorophores  that we, as  the user,  control  when  and  where  we  label.  And  that  you  can  use fluorophores  that  have  properties  that  cannot  be  found  in autofluorescent proteins. 

Slide 42   So, the first application that is what we call pulse‐chase labeling. It’s 

where  you  label  a  protein  at  different  time  points with  different fluorophores.  And  this  is  important  because  it  allows  you  to differentiate between different generations of this protein. 

Slide 43   To make this more clear, I’d like to work you through an experiment 

that  came  out  of  a  collaboration  with  Nils  Johnsson  at  the University of Ulm where we pulse‐chased a cell wall protein to the study  the  formation  of  a  cell wall  in  budding  yeasts. And  so,  the result of this experiment is already shown here on this slide. And so, the question is, how did we get this wonderful image. 

 

Page 10: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

10  

  And  so,  the experiment  is  in  the  following where  that  if you have the  yeast  cell  wall,  which  is  a  glucan  with  proteins  covalently attached  to  it,  that  one  of  these  proteins  is  attached  and fluorescent  labeled.  Now,  if  after  this  labeling  you  let  the  yeast continue  to grow,  in part what will happen  is  that a new cell wall will be made and also new proteins attach to it and this growth will be localized to the tip of the bud. 

   Now, if you come with a second fluorophore and then do a labeling, 

that you will only label in the second the step the fluorophore that was  synthesized  after  the  first  labeling  step.  And  so,  just  by  the colors, you differentiate old  from new protein and you  follow  the formation of the structure. 

[0:20:32] Slide 44   You can continue  this pulse‐chase  labeling experiments as  long as 

you  have  fluorophores  that  can  be  differentiated  in  your fluorescence microscope, then again leading here to this nice image that you can see. And it captures in essence the essence of all these pulse‐chase experiments. Different colors  for different generations of a fusion protein and then just looking at the pattern of the colors tells us something about the  formation of this biological structure. This  is  an  approach  that  is  quite  popular  with  SNAP‐tag  fusion proteins. 

   Another work that I would like to mention was a really nice work by 

Lars  Jansen  and  the  group  of Don  Cleveland  in  San Diego where they  looked at when  in  the cell cycle of a mammalian centromere protein A is actually inserted into the centromere. Reference to this work as well as other pulse‐chase labeling applications you can find at the end of my presentation. 

Slide 45   What I would like to do now is to also discuss an example, which is 

important,  that  the  fluorophores  has  properties  that  cannot  be genetically encoded. And I would like to discuss a little bit with you work  with  that  was  done  by  the  group  of  Jean‐Philippe  Pin  in Montpellier where  they  looked at  the oligomerization of  the of G‐protein  coupled  receptors. And  they expressed G‐protein  coupled receptors as SNAP‐tag fusions and  labeled them with an europium cryptate coupled to benzylguanine. 

   Europium cryptates are particular  fluorophores because  they have 

much  longer  lifetimes  than  normal  fluorophore.  So,  if  you  excite such a fluorophore and then wait with coding of the emission some 

Page 11: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

11  

time, the fluorescence that come out from ‐‐ outer fluorescence of the cells has already decayed. And that significantly increases signal to noise. You can use  these  fluorophores  then  to build  really nice FRET  pairs,  and,  for  example,  look  at  protein‐protein  interactions through  FRET  experiment.  And  this  is  what  the  group  of  Jean‐Philippe Pin did where they  just  looked at the oligomer extensions of a variety of different GPCRs. 

   Another interesting feature of this experiment actually is that in this 

experiment,  they  only  labeled  the  GPCRs  that  were  functionally expressed  on  the  cell’s  surface.  Whereas  all  those  GPCRs  that misfolded are stuck  in the secretory pathway, they’re not visible  in the  experiment.  And  that’s  also  a  feature  that  distinguishes  this labeling  approach  from  traditional  approaches  based  on autofluorescent proteins. 

Slide 46   And  so,  finally,  you might  ask what  the  future holds  for us, what 

kind of things can we do in the future. And one of the things that I think will become very  important  is that you cannot only  label one protein, but then you can label multiple proteins at the same time. 

   And the first step in this direction was already taken by a very clever 

post doc in my lab, Arnaud Gautier, who came up with the CLIP‐tag that can be labeled in the presence of a SNAP‐tag. And so, what you can  do  now  is  that  you  have  two  different  proteins  and simultaneously you can label them with different fluorophores. And that is very interesting for FRET experiments, but also simultaneous pulse‐chase experiments of different proteins at the same time. 

Slide 47   And  then,  finally,  one  feature  of  these  labeling  approaches  that  I 

would  like  to mention  is  that  if  you  already have  like  a  SNAP‐tag fusion protein  and  then  in  the  future,  someone  comes up with  a nice  interesting  probe.  That  you  can  profit  from  this  future invention by simply using your old construct and label it with a new probe.  For  example, we  try  now,  in my  laboratory,  to  synthesize interesting  fluorophores  for  caging  of  photoswitchable fluorophores.  I mean,  for obvious applications. And  if  this work  is successful then you can also profit from this in the future. 

   So, what  I was  trying  to  tell  you  in  the  last minutes  is  that  these 

protein  labeling approaches are a really nice complement to study protein  function  in  live  cells. And  the main  features are you have properties that cannot be found in genetically encoded tags as well as you can use one tag for a lot of different applications. 

Page 12: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

12  

 Sean Sanders:  Great. Thank you very much, Dr. Johnsson. Slide 48 ‐ Slide 51   And you have some additional slides here with some references ‐‐  Dr. Kai Johnsson:  Yes.  Sean Sanders:  ‐‐ that people can download if they’re interested in looking ‐‐  Dr. Kai Johnsson:  Yes, yes.  Sean Sanders:  ‐‐at some reviews. Slide 52   So, I’m going to throw a question over to you as well that has come 

in both by email and online asking whether these technologies can be used to visualize fixed as well as live cells. And the other part of that question is can they be used in bacteria? 

 Dr. Kai Johnsson:  Oh, okay, yes. So, I mean, the question first of fixed or live cells, and 

that’s  a  very  good  question.  The  nice  thing  is  if  you  label with  a synthetic fluorophores, the emission or excitation properties of this fluorophore do not depend on  the  falling of  the protein anymore. So,  if  you  label  a  SNAP‐tag  fusion  protein  and  fix  it,  it  remains fluorescent. And so, you can  label  ‐‐ you can  image  fixed cells and you can actually also  ‐‐  since  the SNAP‐tag  is hard  to kill, you can label after the fixation. 

   And that  is  interesting because then you can also  look  in [0:25:02] 

by  fluorescent  scanning  for  like expression  levels of proteins  very conveniently. 

[0:25:08]   And the second question, can we label in bacteria? To keep it short, 

the answer is yes.  Sean Sanders:  Okay. Great.    Maybe I can throw it to Dr. Lippincott‐Schwartz, the techniques that 

you’ve looked at that can be used in fixed and live cells?  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Oh, absolutely. And in bacteria.  Sean Sanders:  And in bacteria. Excellent. Slide 53 

Page 13: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

13  

  Great, well,  our  final  speaker  today  is  Dr.  Klaus  Hahn.  Dr.  Hahn earned  his  Ph.D.  in  chemistry  from  the  University  of  Virginia, followed  by  postdoctoral  work  in  the  Center  for  Fluorescence Research  at  Carnegie  Mellon  University.  He  was  an  assistant professor and associate professor at the Scripps Research  Institute before becoming a professor of pharmacology at  the University of North Carolina, Chapel Hill  in 2005. His work  currently  focuses on developing new  tools  to address  the  spatiotemporal  regulation of signaling networks. 

   Welcome, Dr. Hahn. Thank you for being here.  Dr. Klaus Hahn:  Thanks a lot for the opportunity to show up here. Slide 54   I  thought  today  it  might  be  most  helpful  to  give  you  a  broad 

overview  of  some  of  the  elements  of  biosensor  design  assuming that you’re going  to  try  to be making some of  these yourself. And then  at  the  end,  highlight more  recent  applications  and  unusual applications in a number of areas. 

Slide 55   So,  let me  leap  right  in with  this sort of an early example  that we 

can  use  as  a  prototype.  So,  this  is  a  sensor  for  a  protein conformational  change.  It  could  also  be  for  posttranslational modification.  And  you  see  here  Rac,  in  gray,  has  two  different conformations. But I’ve highlighted there in blue a very key portion of any biosensor of this type, that’s the recognition element. 

   So, you need  to  find out of a naturally occurring protein or  some 

other  source,  a  molecule  that  binds  specifically  to  the  active conformation of  your  target.  You  can  link  it  to  the  target  via  this dotted  line here,  the optional  linker or not and we’ll discuss  that. And  then,  you  would  employ  a  variety  of  different  available readouts  in by  far  the great majority of  the case  is FRET, but now there are a lot of other alternatives open to you. 

Slide 56   So,  here’s  a more  generic  version.  I’m  going  to  hit  each  of  these 

elements  and  then  talk  a  little  bit  the  linker,  the  recognition element itself and not so much about these readouts primarily FRET and  FLIM.  But  more  recently  now,  bimolecular  fluorescence complementation has become extremely useful. 

Slide 57   So,  if  you  look  at  the  linker  itself  first,  the  single  molecule 

biosensors are by far the most popular now. But this slide highlights 

Page 14: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

14  

the fact that I believe that bimolecular versions are going to make a comeback. 

   And I’ve done a little contrast here between the two. So, if you look 

at  the  single  gene  types,  for  example  this  Rho  A  sensor,  they’re obviously  going  to  be  the  easiest  to  use  for  animal  studies.  You want to have multiple genes that have to be expressed in the right relative proportions. They’re far easier to  image because you don’t have  differences  in  the  distribution  of  the  components  that  you have  to  correct  for. But  the main Achilles  heel  is  that  they’re  far harder to make because of this all‐important linker. 

   You’ll  find  often  that  if  you  try  to  take  an  affinity  reagent  that 

you’ve found, harness it to your target protein, that you have to do a great deal of engineering to move into the range of FRET changes that are useful to you. And that’s highlighted by this dynamic range column. Because in the single gene, you have your affinity reagents attached to the target so it’s never fully separated. And even in the off  state,  they’re  a  significant  threat.  So,  you may  have  a  bright signal,  but  the  extent  of  change will  never  be  as  great  as  in  the bottom  case  where  the  affinity  reagent  is  separated  from  the target. 

   And you can  see  that  in  this particular example of  the Rac  sensor 

that gives actually a much greater  than 18:1 difference. These are much easier to make because you have flexibility  in where you put the  fluorescent proteins so you don’t have to deal with the  linker. But  again,  they’re  harder  to  image.  It  requires  a more  in‐depth knowledge of  image processing and more caution  in  interpretation of your results. 

Slide 58   What I wanted to highlight now are some of the aspects of this that 

are involved in multiplexing. So, if you want to put multiple probes in the same cell. And it’s also true if you’re just trying to not look at protein  activity,  but  look  at  simple  markers  and  watch  the movements of proteins. 

   On the left, you see the FRET type of sensor I’ve shown you before. 

On  the  right  is  a  recent one  that we’ve been employing a  lot,  an example  of  another  technology  that  is  far  less  perturbing. Notice that  the  protein  itself  now  is  not  tagged  with  any  sort  of fluorophore.  Instead, you  take  the affinity  reagent and you attach on  to  it a dye  that’s  very bright,  long wavelength  for  cells, and  is sensitive to environment. So, now, when that affinity reagent binds 

Page 15: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

15  

the endogenous protein target, you see a big color change, a shift in wavelength and intensity. 

   So, these types of probes are  less perturbing not only because you 

don’t  tag  the  target,  but  because  you’re  directly  exciting  a  dye instead of indirectly via FRET. 

Slide 59   So, we’ve found and here are some specific examples. I really don’t 

have  that much  time. But  I  just wanted  to point out  some of  the challenges and interesting aspects. So, this is one of the examples of the dyes, which are bright for  live cells; quantum yield 0.8, epsilon greater  than  200,000.  And  there’s  an  interesting  engineering challenge  in each probe as you decide where to place this dye and how to orient it so that changes in exposure to water or interactions with the target protein affect its spectrum. 

[0:30:08] Slide 60   Here are some of the new directions that,  I think, will really widen 

the number of biosensors that are available to people. There are a lot of molecules that people would  like to study, but relatively few biosensors as is illustrated in the upper left‐hand corner. And that’s primarily  because  it’s  very  difficult  often  to  find  one  of  these recognition elements for your particular target. Even if you’ve found it,  it  may  be  difficult  to  engineer  it  such  that  it  will  reflect conformation  ‐‐  you  can  put  the  fluorescent  protein  in  the  right place or attach the dye. 

   So, we and other groups are now working on an area  that  I hope 

will soon have a lot of impact where you use artificial scaffolds, for example,  peptides,  where  you  can  find  the  one  that  binds  your target  via  peptide  screening,  or  proteinaceous  scaffolds  that  are designed  to bind your  targets where most of  the  scaffold  remains constant. But there’s a small variable region shown here in red and blue. And you can do Phage display or other screening technologies to pull out the one scaffold version that binds your target. And then all the other steps are taken care of because the structure remains constant.  You  can  immediately  add  your  fluorescent  proteins  or dyes and turn it into a sensor. 

Slide 61   Let me conclude then with an example of an application that’s dear 

to our heart. We’re trying to understand these very rapid changes in these three Rho GTPases at the edges of moving cells. Those three work  together  to  coordinate  actin  dynamics,  each  affecting  actin. 

Page 16: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

16  

But  moving  in  their  position,  in  their  site  of  localization  with  a timescale of seconds and a localization scale of microns. 

   So, if you try to do separate experiments investigating each GTPase 

in a different  study,  there’s  simply  too much  cell‐to‐cell variation. That’s a huge factor in live cell imaging of biosensors. And also, too little resolution in timescale to compare one experiment to another. 

Slide 62   So now, there are fluorescent proteins that are available that allow 

you  to do  FRET of  two biosensors  in  the  same  cell.  This  and  also technologies  like  I  just showed you using dyes or the ones that Kai talked  about  where  you  can  now  label  your  probes  in  many different  colors  mean  that,  I  think,  soon  we’ll  all  be  looking  at multiple activities simultaneously. 

   And  I  just wanted  to  point  two  things  that  I  think  are  especially 

important  in that area. Number one  is the sensitivity of the probe. Because  as  you  add  more  and  more  probes  to  the  cells  the perturbation of the cells becomes a serious issue. 

   So,  look  then  in  the  lower  left‐hand  corner  and  you’ll  see  an 

example of one of our probes for Cdc42 when you have acceptable expression levels or an excess where the cells begin to round up and change morphology. 

   But there are much more subtle things that you might want to be 

aware of. When we first used the RhoA biosensor for example, we thought it wasn’t working. There was no response. Until we noticed in the lower right‐hand panel there that this biosensor was all in the membrane. And that  indicated to us that  it was overwhelming the upstream regulators that maintain it in cytoplasm until it’s activated and moves  in the membrane. So, by reducing the concentration  in both these cases, we were able to find successful experiments. 

   On the left‐hand side, I’m basically trying to highlight what, I think, 

is  going  to  be  a  really  important  future  direction.  Those  are  the computational tools that are used to extract information from these images.  I  think  that’s  going  to  be  absolutely  essential  to  really understand biology here. 

   I mean including the beautiful image analysis that you just saw from 

Dr. Lippincott‐Schwartz. That’s one aspect, which  is understanding the image. The other is fitting it to biological models. 

 

Page 17: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

17  

  So,  the  top example  there  shows multiplexing of  two proteins,  in the case macropinocytosis, where there are very clear localizations. If  you  compare  the  two  proteins,  you’ll  have  a  flash  of  one  as  a vesicle  closes,  a  flash  of  another  as  a  ruffle  forms,  very  easy  to differentiate them. 

   But if you look in the bottom right‐hand corner at our studies of the 

edge of a cell, you  see extremely  subtle,  fine variations  in activity moving  throughout  the  cell  in  a  seconds  timescale.  And  only through  new  image  analysis  tools  can  we  extract  information. Definitely, not enough  time  in eight minutes  to go  into  that. But  I wanted to highlight it. 

Slide 63   The last thing I wanted to say is the blurb about the webinar at least 

stated that we should discuss other things you put on proteins. So, I wanted  to mention  that  our  group  and  others  are working  on,  I think,  an  exciting  area  where  you  can  not  only  visualize  these proteins but manipulate their activity. So, with genetically encoded versions of proteins, you can irradiate your cells, turn your proteins, turn your proteins off in very precise locations and times. And that’s it. 

   Thanks.  Sean Sanders:  Great.  Thank  you  Dr.  Hahn,  and  to  the  other  speakers  for  the 

excellent presentations.    So, I’m going to jump in with a question that we got in by email, to 

you  Dr.  Hahn.  How  could  tagging  affect  protein  localization  and behavior and what controls are used to determine this? 

Slide 64 Dr. Klaus Hahn:  You know, you’ve mentioned to me beforehand that that question 

had come in and I had this slide so I put it up.  Sean Sanders:  Great.  [0:34:57] Dr. Klaus Hahn:  I  think  it’s  an  important  question.  In  a  nutshell,  this  is  again 

something that’ll be very different for each protein. I think you want to try to engineer your biosensor to be very careful with upstream signals because  that’s what  you’re  trying  to  study;  to not perturb the way your biosensor reflects upstream regulation. You can more easily damage,  if you will, the downstream  interactions  if you have a  sensitive  sensor.  So,  you’re  using  just  a  tracer  amount  and  not 

Page 18: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

18  

actually perturbing  the bulk of your  signaling protein and  thereby altering  downstream  behavior.  But  you  don’t  want  to  alter  the limited  set  of  downstream  interactions  that  actually  produce localization. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum. Great. Thank you.  Dr. Klaus Hahn:  That’s it in a nutshell.  Slide 65 Sean Sanders:  Okay. Well, we’re going to essentially jump into the Q&A now. And I 

appreciate everyone keeping  to  time so we have as much  time as possible to get to some of the questions that have come in. 

   The first one I’m going to address to maybe you, Dr. Hahn, and Dr. 

Lippincott‐Schwartz  as  well.  Are  there  technologies  that  allow determination  of  the  subcellular  localization  of  activated GTPases or,  I guess, any proteins  in  the cell? So, Dr. Hahn, maybe you can start off. 

 Dr. Klaus Hahn:  Well, actually, you know, that’s been the focus of our  lab from the 

beginning, and we’ve tried to develop new sensors for each GTPase using a different technology. So, if you look at our papers, you’ll see several examples. This person  is,  I guess, particularly  interested  in that protein family. 

   There’s  also  the work of Dr. Matsuda  in  Japan who’s made  some 

really  interesting  sensors  of  different  types  and  a  person,  Tim Gomez at  the University of Wisconsin. So,  just  throwing out  those three names there are a lot of interesting sensors for that family. 

 Sean Sanders:  Okay.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  So, my  lab  in collaboration with other people have  looked at many 

different GTPases  tagged with GFP  including,  you  know,  Ras,  Sar, Arf, and even dynamin. And what we’ve been able to do using  live cell  imaging approaches combined with photo bleaching  is  to  look at  the  dynamics  of  these  GTPases.  For  instance,  their  cycle  of membrane binding and release, how rapid it is, what’s controlling it, how  are  affectors  impacting  that.  And  that’s  something  that  you can  easily  do  with  these  GFP  chimeras.  Because  they’re  being expressed  in  live  cells  and  you  can monitor  their membrane  and cytoplasmic associations and the timeframe of that. 

 

Page 19: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

19  

Dr. Klaus Hahn:  I, perhaps, should add one thing. You know,  if you’re talking about all  these different versions of  these sensors,  there are sort of  two broad classes. The ones that are based simply on localization where you take a downstream protein that binds to the active GTPase and watch it all accumulate in one place. And that’s very easy to do and useful  when  your  target  protein  does  that.  These  other  more complex sensors are for gradients and things that are subtle where you don’t have this kind of an obvious localization. 

 Sean Sanders:  Great.    Okay, a question for Dr. Johnsson, specifically about the SNAP‐tags 

and about SNAP‐tag specificity, and also diffusion of  the SNAP‐tag and the CLIP‐tags. Can you talk a little bit about that? 

 Dr. Kai Johnsson:  You mean the relative specificity of the two proteins to each other? 

I mean…  Sean Sanders:  I think about the specificity of the tag for the protein that is ‐‐  Dr. Kai Johnsson:  Oh, the substrate?  Sean Sanders:  The substrate.  Dr. Kai Johnsson:  Okay. So, yeah, I mean that’s an important question. The specificity 

of the type of the substrate  is very high.  I mean,  if you take these benzylguanine  derivatives  and  incubate  them  with  any  other proteins,  I mean, you can wait as  long as you want. There will not be  any  other  reaction.  These molecules  are  essentially  rocks  and you’ll even need the active site of the SNAP‐tag too to activate and then convert and  then  to react  to species and do  the  labeling. So, the  specificity  that’s  ‐‐  as  I  tried  to  say  in my  presentation,  this reaction  is one of  the  key  features or  the unique  features of  this approach. And that makes it so useful, in my opinion. 

 Sean Sanders:  Okay. And diffusion of the tags?  Dr. Kai Johnsson:  I guess, the question probably refers to diffusion of the substrate.  Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. Kai Johnsson:  I mean, if you want to do a labeling experiment, you need to get the 

substrate  into  the  cell.  And  that  then  depends  on  ‐‐  in  a way,  it depends  on  the molecule  that  you  attach  to  the  benzylguanine. 

Page 20: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

20  

There  are  fluorophores,  for  example,  that  have  very  nice permeability  and  then  other  fluorophores  that  are  impermeable. And  this  is  actually  an  advantage  also  of  the  approach.  That  for example  imagine  you would  like  to  label  the  subpopulation  of  a protein that’s only on the cell’s surface, but not already internalized or not yet secreted. If you take an impermeable dye, you only label what’s on the surface. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. Kai Johnsson:  And  then  you  can  also  label  coming  in  the  second  step  and  label 

them, what’s  still  inside  or  already has  been  internalized.  So,  the permeability of the dye  is something you have  to think about, but you can also use it as an advantage depending on the question that you’re interested in. 

 Sean Sanders:  Okay. Excellent.    Next  question,  do  you  normally  introduce  linker  sequences 

between  fluorescent  protein  and  your  protein  of  interest  so  that the large tag doesn’t interfere with protein function? This seems to be a common question. And what kind of  length would be best for that and  the question  is also about  the  stability and  the potential loss  of  the  tags.  So,  who  would  like  to  start?  Dr.  Lippincott‐Schwartz? 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  So,  the way  that  you  typically  attach  the  GFP  is  to  the  N‐  or  C‐

terminus of your protein of interest. And the beta‐barrel of the GFP, the two ‐‐  its N‐ and C‐terminus are really only sticking out a small amount from the beta‐barrel. 

 [0:40:10] Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  So,  usually  it makes  a  lot  of  sense  if  you’re  going  to make  your 

protein really function  independently or keep  its full function,  is to put  a  linker.  And  typically,  when  we’re  constructing  our  fusion proteins,  put  in  a  ten  amino  acid  linker  between  typically,  the C‐terminus of the protein of interest and GFP. 

 Sean Sanders:  Okay.  Dr. Klaus Hahn:  I  could  add  two notes  to  that.  I mean, basically, we do  the  same 

thing, try to keep the fluorescent protein away from your target. 

Page 21: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

21  

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yeah.  Dr. Klaus Hahn:  There was one occasion where we made the linker long and it was a 

problem because  there was a nonspecific  interaction between  the fluorescent protein and the target. So, sometimes, you might want to try a shorter one if nothing is working. 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yeah.  Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. Klaus Hahn:  And  the  other  cautionary  note  is  I went  to  a meeting  once with 

biosensors  and  they  showed  a  graph  of  linker  space where  they showed  all  the  possible  variations  in  the  linker.  And  it  was absolutely remarkable what a tiny little region actually worked. So, it’s probably the most critical element  in biosensor design,  I would say. 

 Sean Sanders:  Okay. To come back  to  something you mentioned about  fusing  to 

the N‐ or C‐terminus ‐‐  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yes.  Sean Sanders:  Is  there a preference? There are  some questions  that are coming, 

which ones do I use, which one’s better?  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yeah. You pretty much have  to  look at  individual proteins one by 

one. If a protein has a key signaling element at the N‐ or C‐terminus or a key sorting element at the N‐ or C‐terminus, you definitely do not want to put the GFP at that end or else you’re likely to interfere with that. 

   So,  just based on your protein, you put  it on  the N‐ or C‐terminus 

where  there’s  least  likely  to  be  interference  with  a  potential function. Now, if worst ‐‐ you know, worst case scenario, if you have a multi‐spanning  transmembrane protein, you could put  it  into an intraloop  region  or  in  the  case  of  a  soluble  protein,  a  region between specific domains, sometimes that works as well. 

   Again, it’s an area that you have to really just explore yourself.  Sean Sanders:  Okay.  

Page 22: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

22  

Dr. Kai Johnsson:   Trial and error.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yeah, trial and error. I mean, one thing is just that you could look in 

the  literature  and  see whether  there’s  been  GFP  constructs  that have been made of comparable type proteins, and where have they successfully done it. 

 Sean Sanders:  Okay.    A  question  for  you  Dr.  Johnsson,  can  SNAP  tags  be  used  to 

differentiate monomeric protein from oligomeric protein?  Dr. Kai Johnsson:  Well, that depends on how you do the experiment. If you go back to 

this  work  by  Jean‐Philippe  Pin,  where  they  looked  at  the oligomerization of SNAP‐tag  fusion proteins, what  they did  is  they labeled  the  same proteins with  a mixture of  fluorophores  so  that they can do FRET experiments between sort of the same protein  if you  want.  And  thereby,  you  can  actually  assess  the  oligomeric status of the protein. 

   So, in principle, you can do this. And there advantage is again that if 

you have such a self‐labeling protein tag that you can label multiple fluorophores that for example  it can do FRET with  itself. And so,  in principle, yes, you can do that. Yeah. 

 Sean Sander:  Okay.    It’s ‐‐ sort of a related question has come in asking whether there is 

a size limit to the target protein for any of ‐‐ that can be labeled by any of the techniques that you’ve described? Maybe, we’ll start at the end with Dr. Hahn. 

 Dr. Klaus Hahn:  For  the  target protein? You know, we’ve used peptides as affinity 

reagents  with much  larger  fluorescent  proteins  on  there.  And,  I think, you  just have to think about the steric environment and the kD of the things that you’re trying to bring together. 

   In  focal  adhesions,  for  example,  we’ve  seen  black  holes  in  the 

image,  just dark  spots where  the biosensor  can’t get  in  there. So, there  a  small  affinity  reagent maybe  really useful.  I  think  that’s  a question that’s very protein specific and there’s no absolute limit. 

 Sean Sanders:  Okay.  

Page 23: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

23  

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  And we’ve  tagged ubiquitin with GFP and gotten  the GFP  to  then 

target  to  the  proteasome  so…  I mean,  ubiquitin  is  a  pretty  small molecule  and  the  consequence  was  targeting  of  the  GFP  to  the proteasome and degradation. So, it was very useful. 

 Sean Sanders:  Okay. Dr. Johnsson?  Dr. Kai Johnsson:  Well, yeah. No,  I don’t  ‐‐  I mean,  in principle  I  think what we also 

should  pay  attention  to  is  not  the  only  if we  tag  a  protein with another  protein  that  it  affects  the  function.  But we  also  have  to keep the expression  level  into mind. I think that’s something that’s often not considered too much in these experiments. 

   Of  course,  when  you  express  your  protein  interest  as  a  fusion 

protein,  it will  change  the properties, but  you  also have  to worry about  the  concentration  at  which  you  express  this  protein.  In particular,  if  you’re  looking  at  somewhat  of  a  protein  that  is involved in signaling, there the concentration is very crucial. And so that’s maybe, as a note also, the user has to keep this in mind. 

 Sean Sanders:  Okay.    A  question  has  come  in  for  Dr.  Lippincott‐Schwartz  asking  your 

opinion on FlAsH.  [0:45:03] Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Oh…  Sean Sanders:  [Laughs]  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  So, we haven’t really used it extensively in my lab. But from what I 

hear, you know, it’s been used in many different applications. Klaus, you may have some more ‐‐ a better? 

 Dr. Klaus Hahn:  We haven’t used it ourselves either, but a lot of people I know have 

used  it successfully. And, you know, there are some good and bad things with  all  of  these  techniques  and  you  hear  rumors.  I  think, basically,  you  look  at  the  literature.  There  are  a  lot  of  successful applications. To some extent, there was an initial issue with toxicity, I believe. 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  With the arsenic.  

Page 24: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

24  

Dr. Klaus Hahn:  But it certainly is being used.  Sean Sanders:  Uh‐hum.    Talking  about  toxicity,  I  know  you mentioned  about GFP  toxicity. 

There  have been  some  very  specific  questions  that  have  come  in saying, you know, I label my protein with GFP and then the cells die. You know, what’s going on? Is there known toxicity using this tag? 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Well,  not  I  think  ‐‐  at  the  expression  levels  that we’ve  used, we 

don’t see cell toxicity. And part of the reason  is at  least people are thinking is that the fluorophore is embedded within this beta‐barrel structure.  And  when  it’s  fluorescing,  any  free  radicals  that  are generated as a consequence of the electrons being shuttled back in these different orbitals,  is essentially quenched or shielded by  the polypeptide of the protein itself. And that’s very different than, you know, fluorescein, you know, rhodamine where you don’t have that type of shielding and so you get free radicals that are spewed out all over the place. 

 Sean Sanders:  Right.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  And they’re much more damaging.  Dr. Klaus Hahn:  I mean,  that  gets  back  to  the  earlier  question. When  somebody 

asked why  the  biosensor  isn’t working, my  first  thought  is  it’s  so over  expressed  that  it’s  either  hurting  the  cells  or  altering  the physiology. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. Klaus Hahn:  Or that the termini are affecting the physiological ‐‐ the behavior of 

the protein. You can switch your  fluorescent proteins to the other terminus as we said. A  lot of times too, the biosensors are built so that you have the two fluorescent proteins on the outer ends to get the maximum  distance  change,  and  that’s  often  a  problem.  And there’s nothing wrong with putting them in the middle and looking at  orientation  changes  because  the  orientation  as  well  as  the distance affects the fluorescence. 

 Sean Sanders:  Okay.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  But one point related to this. I think, there are different fluorescent 

proteins that  ‐‐ you know, that are different, they’re color shifted. 

Page 25: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

25  

And  so,  originally,  the  blue  fluorescent  protein  actually  had  a toxicity  issue  not  necessarily  related  to  anything  about  the fluorescent protein per se, but the fact that you had to image it with UV light. 

 Sean Sanders:  Okay.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  And  it’s the UV exposure to these cells, which ultimately  is making 

them  unhappy.  And  so,  under  those  conditions,  the recommendation would be to use the more red shifted fluorescent protein GFP, you know, YFP or RFP. 

 Sean Sanders:  Okay.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Where  you  can  ‐‐  you’re  imaging with  red  shifted  light, which  is 

much less damaging to the cell.  Sean Sanders:  Okay.    Are  you  aware  of  any  effects  on  protein  folding?  That  the 

application of the tag causes the protein not to fold properly or to fold at different kinetics? 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  So,  we,  as  well  as  Roger  Tsien,  made  an  observation  with  the 

original  EGFP  and  other  green  fluorescent  protein  variants where they can dimerize with very low affinity. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  And that, in fact, can have an effect in particular on the membrane 

proteins causing them to become cross‐linked with each other. And you’ll  get  large  aberrations  in  the  way  that  the membranes  are folding with these dimeric forms of these fluorescent proteins. And this is a particular problem with the red fluorescent proteins, which are tetramers. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  So, there’s been a big effort among the chemists who are modifying 

these  fluorescent  proteins  to  monomerize  them.  And  so,  the monomeric variants have been gotten around this problem because they really have very little affinity performing dimmers. 

 Dr. Klaus Hahn:  Another sort of ‐‐ 

Page 26: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

26  

 Dr. Kai Johnsson:  I think ‐‐  Dr. Klaus Hahn:  I’m sorry. Go ahead.  Dr. Kai Johnsson:  You can actually also  ‐‐  I mean,  that’s not  in  the mammalian cells. 

But use  this  tag  to solubilize proteins  that by  themselves often do not  fold  so well when you express  them  in E.  coli. That’s actually also a nice application. Not necessarily GFP, but then there are also tags  that  keep  your protein  in  solution  and  simplify,  for example, the purification. 

 Sean Sanders:  Great.  Dr. Klaus Hahn:  As long as ‐‐ there’s been an issue for years even before there was 

GFP  tagging  is  that  certain  probes  for  unknown  reasons  are autophagocytosed  and  you  see  a  large  accumulation  of  not  tiny vesicles,  which  are  trafficking  vesicles  but  large  ones  that  are fluorescent. And that is again very influenced by the linker. 

   So,  a  lot  of  times  when  we  build  probes,  we’ll  find  that  subtle 

differences  there  will make  that  go  away  or  appear.  And  that’s probably  a  function  of  protein  degradation.  A  very  important practical point that we run into all the time. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum. Right. Okay.    There  was  a  question  that  we  received  on  drug  discovery  and 

whether  any  of  these  technologies  have  been  applied  to  drug discovery. Are you aware of that, any applications? 

 [0:50:06] Dr. Kai Johnsson:  I  guess,  all  experiments with GPCR  very  often  are  linked  to  drug 

discovery. I mean, this is like the class of one of the drug targets. So, in principle, these tools are also related to drug discovery or assays based on them. 

 Dr. Klaus Hahn:  High content screening is an important area. It’s been around for a 

while now. Companies automating image analysis and even looking at  signaling  pathways where  they  trigger  a  signaling  change  you could never see to induce movement of a GFP tag material into the nucleus. And then, they read that out so… 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  And will get ‐‐ certainly, affecting various drugs on that process. 

Page 27: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

27  

 Dr. Klaus Hahn:  That’s right.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:   Yeah.  Dr. Klaus Hahn:  As a drug screen. Yeah.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:   Yeah. There are many different  large high throughput assays being 

doing done with GFPs that have been put into various places within the cell. And then you look at how drugs impact that. 

 Sean Sanders:  Okay.    A  question  for  Dr.  Johnsson  about  the  application  of  these 

techniques  for visualizing  surface proteins, and  I know you briefly mentioned that. Maybe you could ‐‐ 

 Dr. Kai Johnsson:  Yeah, I briefly mentioned it already. I mean, the point there is that if 

you would  like  to  visualize  only  a  subpopulation  of  your  protein, and  that  being  like  the  protein  that  is  expressed  on  the  surface, what you can do  is  take  in chemicals  for  the  labeling  that are not membrane permeable. And  so,  in  the  labeling  step,  you  only  can touch what’s  present  on  the  cell’s  surface,  but  not what’s  inside, either internalized or not yet secreted. 

   So, through taking advantage of the  labeling step, you can actually 

address  only  the  subpopulation  of  a  certain  protein  that’s  just present on the cell surface. 

 Sean Sanders:  Great.    So, a  couple of questions about  the PALM  technology  for  you Dr. 

Lippincott‐Schwartz.  PALM  has  its  shortcomings  according  to  the viewer,  including  the  requirement  of  a  sparse  distribution  of photoactivatable species for unambiguous  imaging and difficulty  in examining  interactions  deeper  in  cells.  Could  you  talk  a  little  bit about how these can be overcome? 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Sure. So,  the  first point about  sparse distribution of molecules.  In 

fact,  the whole  goal  of  PALM  is  to  get  at  the  distribution  of  the individual  molecules  in  a  dense  population.  And  perhaps  the questioner doesn’t  really understand  the  technology because  you are  taking  a  dense  population  of  photoactivatable  fluorescent proteins. But if you switch them on all at the same time, you could 

Page 28: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

28  

not  distinguish what molecule  is what.  Because  the  fluorescence would all overlap. 

   But  because  you  have  the  ability  with  these  photoactivatable 

fluorescent proteins to use small amounts of photoactivatable light to  switch  on  in  a  stochastic  manner  subgroups  of  a  dense population, you then have the ability to spatially  isolate  into these individual  molecules  in  a  sequential  photoactivation  bleaching scheme  that  I mentioned. That  can  then be used  to  sort of  stitch together  the pattern of  all of  these molecules. And we’re  talking, you know, hundreds of thousands of molecules that you can define at  20‐nanometer  resolution  how  they’re  positioned  in  your specimen. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Now, the second part of that question, remind me again is…?  Sean Sanders:  How the ‐‐ examining the interactions deeper in cells.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yeah. So, that ‐‐ we’re hoping that variations of this interferometric 

PALM  approach  can  be  helpful.  The  other  methods  that  other people  have  developed,  in  terms  of  using  defocusing  to  get  at deeper  penetration.  And  it’s  ‐‐  you  know,  we’re  hoping  that sometime down the road, that we could do something to photon to get deep into tissue to use this approach. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum. So, that actually brings me to another question about this. 

It’s what type of equipment is needed to do this type of work? You know, can you do it with a regular confocal microscope? 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  No,  you  can’t  do  it with  a  ‐‐ well  you  can’t,  at  this  point,  use  a 

confocal. But it’s a very, very simple setup. Essentially, you can use a brightfield microscope. We use a TIRF objective. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  And then you have  lasers for activation and  lasers for  imaging that 

then  feed  the  fluorescent  output  into  a  very  ‐‐  you  know,  an intensified EMCCD camera. And  that’s  really all you need. So, you can purchase  these  things  for probably under $200,000 and put  it together and you’ve got your PALM system. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum. Great. 

Page 29: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

29  

   Another question maybe to all of you about whether this has been 

used or  can be used  in  living animals. We’ve  talked mostly about cells, bacteria. 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yeah.  Sean Sanders:  Maybe, Dr. Hahn, we’ll start with you.  Dr. Klaus Hahn:  Well,  you  know,  certainly  you  can  look  at GFP  tagged proteins  in 

animals. There was a great picture of a mouse in your talk. I thought ‐‐ I liked that one. 

 [0:55:00]   More  recently,  people  have  succeeded  with  FRET  and  that  was 

initially difficult. And with  some of  these biosensor  studies,  it was difficult because of  the  sensitivity, but  improvement  in  the optics has helped a  lot. And now,  they’re doing a  lot of work  in animals like  zebrafish  that  are  transparent where  you  can  do  interesting work without  autofluorescence  background.  So,  certainly,  for  FPs and FRET it is possible to do it in animals. 

 Sean Sanders:  Okay.  Dr. Kai Johnsson:  We have also  tried  to  start with  labeling experiments  in mice  in a 

collaboration with another  colleague. And  then,  there’s  the group of TJ Turner. And the first results look really good, but I mean, that’s a battle. The more complex the sample becomes, the more complex the experiment. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum. Great.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  The  red  fluorescent  proteins,  which  have  a  deeper  penetration 

capability because of the longer wavelength for their imaging, really offer  the  best  in  terms  of  deep  tissue  imaging.  And,  I  think, researchers are beginning to use these particular variants of GFP. 

 Dr. Kai Johnsson:  It might be done also in the area where ‐‐ like the chemical layering 

becomes important because then you can go to near infrared dyes.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Exactly, yes.  Dr. Kai Johnsson:   That have better tissue ‐‐  

Page 30: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

30  

Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Absolutely.  Dr. Kai Johnsson:  ‐‐ penetration and so…  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yeah, right.  Dr. Klaus Hahn:  And there are quantum dots and things that ‐‐  Dr. Kai Johnsson:  Yeah, quantum dots.  Dr. Klaus Hahn:  ‐‐ have spectacular brightness.  Dr. Klaus Hahn:  Yeah.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Uh‐hum.  Sean Sanders:  Okay. So, we’re close to the end, but I’m going to try to squeeze in a 

couple more  questions.  I’m  going  to  give  you  one, Dr.  Johnsson. Someone  was  asking  about  the  type  of  applications  that  would benefit from the use of the blocking agents available for a SNAP‐tag approach. 

 Dr. Kai Johnsson:  Oh, okay. This is in principle ‐‐ that’s in principle also a pulse‐chase 

experiment  where  you  come  with  a  substrate  that  is  not  a fluorophores, and, sort of you block, turn to the dark state a certain population of your SNAP‐tag fusion proteins, and then at then at a later time point come as a fluorophore. And then to highlight in only this population. And that can be  interesting also for  looking at not only  dynamic  process  or  structure  formation  but  also  just  the lifetime  of  single  proteins,  how  fast  they’re  degraded  as  you  see how the fluorescence then is disappearing for example. 

 Sean Sanders:  Okay.  Dr. Kai Johnsson:  That will be an example.  Sean Sanders:  Dr.  Lippincott‐Schwartz,  a  question  about  what  are  the  most 

commonly used  fluors  and  the brightest  versions.  You did have  a slide up, but they were asking about what  ‐‐ are different versions used  for  different  applications  and  are  some better  for  particular applications? 

 Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  Yes. As  I mentioned,  if you’re doing  ‐‐  if you are going to be going 

into  an  organism  or  do  deep  tissue,  the  red  shifted  variants  are 

Page 31: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

31  

definitely preferable. For doing double labeling, I think, the CFP and YFP are probably  ‐‐ the variants are the most widely used because of their spectral separation. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  It’s  very  easy  to  ‐‐  they’re  very  easy  to  separate.  The  enhanced 

version of  these molecules, which have mutations  that  really  shift the  spectrum  to  a  single  absorption  peak,  has  really made  a  big difference in terms of increasing the brightness of these molecules. 

 Sean Sanders:  Uh‐hum.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz:  That’s  the S65T mutation  that Roger Tsien discovered many years 

ago.  That  variation  and  all  of  these  molecules  has  made  a  big difference in terms of their usability. 

 Sean Sanders:  Great.    So, we’re almost out of time, but I’m going to throw out my favorite 

final question and we’ll start with Dr. Hahn, which is, where you see the field going in the next say two to five years? 

 Dr. Klaus Hahn:  Oh, you know,  it depends. There are many  fields we’ve discussed 

here  actually.  One  of  the  things,  I  think  is  most  exciting  is  the spectacular  work  of  following  different  populations  of  cells  in animals where you can see that they behave as groups. But  if you do  a  fixed  immunofluorescence  image  of  an  animal,  you  don’t understand that many of their behaviors are coordinated almost as ‐‐  in each different type of cancer, there are specific differences  in the way they move. I think also the extension to human diagnosis is going to be very exciting. That’s, I guess, enough excitement for one answer. 

 [Laughter]  Sean Sanders:   Dr. Johnsson?  Dr. Kai Johnsson:  Well, what I think is very exciting or can be exciting is ‐‐ that goes in 

the  direction  of what  Klaus Hahn  is  doing,  that’ll  certainly  create sensors for small metabolites that we can actually quantify things in cells,  are  they  gradients,  what  is  the  concentration  of  key metabolites.  I mean,  there’s so much more. And,  I  think,  that’s an invitation for scientists too to look at this in detail. 

Page 32: Transcript Protein Tagging Technologies in Cell …...Molecular Biology of the Cell, and Traffic. She was elected to the National Academy of Sciences in 2008. Welcome, Dr. Lippincott‐Schwartz

32  

 Sean Sanders:  Great.  Dr. J. Lippincott‐Schwartz: So, for us it’s the super‐resolution imaging capabilities that are now 

possible  using  these  photoactivatable  and  photoswitchable proteins.  It’s really allowing us  to get a nanoscopic outline of how various machines within cells are  functioning. You know, you have tomographic  images of these structures, but you really don’t know how proteins are associated with them. And these super‐resolution approaches,  I  think,  for  the  first  time  are  going  to  allow us  to be able detail how different  types of proteins are positioned  in  these nanoscopic machines. 

 [1:00:05] Sean Sanders:  Excellent.    Well,  thank you all very much. Unfortunately, we’re out of  times. 

So,  I would  like  to  thank  our wonderful  speakers  for  being  here today: Dr. Jennifer Lippincott‐Schwartz from NIH, Prof. Kai Johnsson from the Swiss Federal Institute for Technology, and Dr. Klaus Hahn from the University of North Carolina. 

   Thank you all for your fabulous questions. I’m sorry we didn’t get to 

all of them.    Please go to the URL at the bottom of your slide viewer now if you’d 

like  to  learn  a  little  bit more  about  the  products  related  to  this discussion.  And  look  out  for  more  webinars  in  the  future  from Science.  Just  go  to  www.sciencemag.org/webinar. We  encourage you  to  share  your  thoughts  as well with us.  You  can  just use  the email address up in your slide viewer right now, [email protected]

   And  thank  you  again  to  all  our  participants  and  to New  England 

BioLabs  for  their  generous  sponsorship  of  today’s  educational seminar. 

   Thank you very much.  [1:01:15]  End of Audio