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Jared Hennen
Author with expertise in Structure and Function of the Nuclear Pore Complex
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Identifying hetero-protein complexes in the nuclear envelope

Jared Hennen et al.Jul 19, 2019
The nucleus is delineated by the nuclear envelope (NE), which is a double membrane barrier composed of the inner and outer nuclear membranes as well as a ~40 nm wide lumen. In addition to its barrier function, the NE acts as a critical signaling node for a variety of cellular processes which are mediated by protein complexes within this subcellular compartment. While fluorescence fluctuation spectroscopy (FFS) is a powerful tool for characterizing protein complexes in living cells, it was recently demonstrated that conventional FFS methods are not suitable for applications in the NE because of the presence of slow nuclear membrane undulations. We previously addressed this challenge by developing time-shifted mean-segmented Q (tsMSQ) analysis and applied it to successfully characterize protein homo-oligomerization in the NE. However, many NE complexes, such as the linker of the nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex, are formed by heterotypic interactions, which single-color tsMSQ is unable to characterize. Here, we describe the development of dual-color (DC) tsMSQ to analyze NE hetero-protein complexes built from proteins that carry two spectrally distinct fluorescent labels. Experiments performed on model systems demonstrate that DC tsMSQ properly identifies hetero-protein complexes and their stoichiometry in the NE by accounting for spectral crosstalk and local volume fluctuations. Finally, we applied DC tsMSQ to study the assembly of the LINC complex, a hetero-protein complex composed of Klarsicht/ANC-1/SYNE homology (KASH) and Sad1/UNC-84 (SUN) proteins, in the NE of living cells. Using DC tsMSQ, we demonstrate the ability of the SUN protein SUN2 and the KASH protein nesprin-2 to form a hetero-complex in vivo. Our results are consistent with previously published in vitro studies and demonstrate the utility of the DC tsMSQ technique for characterizing NE hetero-protein complexes.
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Sensitive Detection of Protein Binding to the Plasma Membrane with Dual-Color Z-Scan Fluorescence

Isaac Angert et al.Sep 13, 2019
Delicate and transitory protein engagement at the plasma membrane (PM) is crucial to a broad range of cellular functions including cell motility, signal transduction, and virus replication. Here we describe a dual color (DC) extension of the fluorescence z-scan technique which has proven successful for quantification of peripheral membrane protein binding to the PM in living cells. We demonstrate that the co-expression of a second distinctly colored fluorescent protein provides a soluble reference species, which delineates the extent of the cell cytoplasm and lowers the detection threshold of z-scan PM binding measurements by an order of magnitude. DC z-scan generates an intensity profile for each detection channel that contains information on the axial distribution of the peripheral membrane and reference protein. Fit models for DC z-scan are developed and verified using simple model systems. Next, we apply the quantitative DC z-scan technique to investigate the binding of two peripheral membrane protein systems for which previous z-scan studies failed to detect binding: human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) matrix (MA) protein and lipidation-deficient mutants of the fibroblast growth factor receptor substrate 2α. Our findings show that these mutations severely disrupt PM association of fibroblast growth factor receptor substrate 2α but do not eliminate it. We further detected binding of HIV-1 MA to the PM using DC z-scan. Interestingly, our data indicate that HIV-1 MA binds cooperatively to the PM with a dissociation coefficient of ~16 µM and Hill coefficient of n ~2.
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The luminal AAA+ ATPase torsinA mediates distinct mechanisms of nuclear-cytoplasmic communication by adopting different functional assembly states

Kwang-Ho Hur et al.Dec 10, 2021
ABSTRACT Chemical and mechanical nuclear-cytoplasmic communication across the nuclear envelope (NE) is largely mediated by the nuclear pore complex (NPC) and the linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex, respectively. While NPC and LINC complex assembly are functionally related, the mechanisms responsible for this relationship remain poorly understood. Here, we investigated how the luminal ATPases associated with various cellular activities (AAA+) protein torsinA promotes NPC and LINC complex assembly using fluorescence fluctuation spectroscopy (FFS), quantitative photobleaching analyses, and functional cellular assays. We report that torsinA controls LINC complex-dependent nuclear-cytoskeletal coupling as a soluble hexameric AAA+ protein and interphase NPC biogenesis as a membrane-associated helical polymer. These findings help resolve the conflicting models of torsinA function that were recently proposed based on in vitro structural studies. Our results will enable future studies of the role of defective nuclear-cytoplasmic communication in DYT1 dystonia and other diseases caused by mutations in torsinA.