Summary

Nanomanipulation من واحدة RNA الجزيئات بواسطة الملقط البصرية

Published: August 20, 2014
doi:

Summary

Optical tweezers have been used to study RNA folding by stretching individual molecules from their 5’ and 3’ ends. Here common procedures are described to synthesize RNA molecules for tweezing, calibration of the instrument, and methods to manipulate single molecules.

Abstract

هو كتب جزء كبير من الجينوم البشري ولكن لم تترجم. في هذا العصر الجينومي آخر، وقد تبين أن المهام التنظيمية من الحمض النووي الريبي لتكون ذات أهمية متزايدة. وظيفة RNA غالبا ما يعتمد على قدرته على اعتماد هياكل بديلة، فمن الصعب التنبؤ RNA الهياكل ثلاثية الأبعاد مباشرة من التسلسل. يقترب احد جزيء تظهر إمكانات لحل مشكلة RNA تعدد الأشكال الهيكلي من خلال مراقبة الهياكل الجزيئية جزيء واحد في كل مرة. يقدم هذا العمل وسيلة للتلاعب على وجه التحديد للطي وبنية جزيئات الحمض النووي الريبي واحدة باستخدام ملاقط بصرية. أولا، طرق لتجميع وصفها جزيئات مناسبة للجزيء واحد العمل الميكانيكي. وتناقش المقبلة، مختلف الإجراءات المعايرة لضمان عمليات السليم للملاقط بصرية. المقبل، وأوضح تجارب مختلفة. للتدليل على فائدة هذه التقنية، نتائج تتكشف ميكانيكيا دبابيس الشعر RNA و RNA واحد كيسينوتستخدم ز مجمع كدليل. في هذه الأمثلة، تم استخدام تقنية nanomanipulation لدراسة لطي من كل مجال الهيكلي، بما في ذلك الثانوية والثالثية، بشكل مستقل. وأخيرا، وتناقش القيود والتطبيقات المستقبلية لهذه الطريقة.

Introduction

منذ فترة طويلة رافقت تطور تقنية ملاقط بصرية مع تطبيقه في الأبحاث البيولوجية. عندما اكتشفت لأول مرة تأثير محاصرة البصرية، لاحظ آرثر Ashkin أن البكتيريا في المياه الملوثة يمكن محاصرين في التركيز الليزر 1. منذ ذلك الحين، أصبحت محاصرة البكتيريا وغير مقصود، تجربة ممتعة لأجيال من طلاب الفيزياء الحيوية وكذلك أداة بحثية جادة لدراسة علم وظائف الأعضاء الميكروبية 2،3. تستخدم تقنية محاصرة البصرية شعاع الليزر مركزة لشل حركة كائن مجهري 1. عمليا، فخ الليزر وظائف باعتباره الربيع البصري، الذي يقيس أيضا القوة (F) على الكائن المحاصرين من النزوح لها من مركز فخ (ΔX). ضمن نطاق قصير، F = κ س ΔX، في κ هو ثابت ربيع الفخ. فخ البصرية يمكن أن تستخدم لممارسة القوة في picoNewton (PN) الدقة إلى صغار جداالكائن copic وقياس موقفها مع نانومتر الدقة. في العقدين الماضيين، أصبحت ملاقط بصرية واحدة من التقنيات جزيء واحد الأكثر استخداما في الفيزياء الحيوية. واستخدمت هذه التقنية لدراسة لطي واليات 4-6 DNA، RNA 7-9، والبروتينات 10،11. كما تم استخدام ملاقط بصرية لمراقبة تكرار الحمض النووي 12، RNA النسخ 13، وتخليق البروتين 14،15، فضلا عن العديد من الأحداث الجزيئية البيولوجية الأخرى 16-18.

ويعمل نهج واحد جزيء RNA في البحوث الهيكلي أساسا لاستكشاف المناظر الطبيعية الوعرة الطاقة للطي من الحمض النووي الريبي. تسلسل RNA يمكن طيها عادة في هياكل متعددة مستقرة ويستبعد بعضها بعضا، وذلك بسبب قواعد التركيب الكيميائي والتقشير قاعدة بسيطة من الحمض النووي الريبي. منذ فترة طويلة كان من المعروف أن RNA تعدد الأشكال الهيكلية، مثل أن يحدث في riboswitches 19،20، يلعب دورا هاما في تنظيم الجينات. وrecenوقد كشف مسح ر الجينوم على نطاق أن تغيرات درجة الحرارة صغيرة مثل بضع درجات تؤثر بشكل كبير هيكل والبروتين من جزء كبير من Transcriptome على الخلوي 21. تلميحات هذا المثال أن الدور البيولوجي للRNA البديل للطي هو ربما أكثر أهمية وانتشارا مما كان يفترض سابقا. تعدد الأشكال الهيكلي، ومع ذلك، يشكل تحديا للنهج البيوكيميائية والفيزيائية الحيوية التقليدية، التي تدرس متوسط ​​خصائص العديد من الجزيئات. على سبيل المثال، "على" والتشكل "OFF" لriboswitch حصرية بشكل متبادل. هيكل المتوسط ​​المستمدة من الهياكل غير متجانسة من غير المحتمل أن تشبه أي من المتشاكلات ذات الصلة من الناحية البيولوجية. وعلاوة على ذلك، RNA الأهرام ومرنا عادة ما تشكل الهياكل. تفاعلها مع البروتينات والرنا التنظيمية يتطلب عادة تتكشف من الهيكل الحالي كجزء من التفاعل. لذلك، ودراسة RNA تتكشف / refolding يصبح وثيقة الصلةقضية البيولوجيا RNA. لمواجهة مثل هذا التحدي، فقد تم توظيف نهج واحد جزيء RNA لكشف تعدد الأشكال الهيكلي من خلال دراسة جزيء في وقت واحد 22-27.

بالمقارنة مع شعبية واحدة جزيء طريقة مضان، ملاقط استنادا الميكانيكية تتكشف تقدم ميزة أن التشكل من الجزيئات الفردية يمكن التلاعب بالقوة التطبيقية وقياسها بدقة نانومتر. ويمكن استخدام هذه القدرة nanomanipulation لمراقبة تتكشف / للطي من المجالات البنيوية الفردية بحيث للطي الهرمي من RNA كبير يمكن تشريح 28. بدلا من ذلك، ضفيرة واحدة يمكن أن توجه إلى أضعاف في واحدة من عدة المتشاكلات. أو هيكل قائم يمكن أن يتسبب ميكانيكيا لrefold إلى التشكل مختلفة 29. تحت الظروف البيولوجية، بنية RNA يمكن تغييرها بناء على التغير في درجة الحرارة أو يجند ملزمة. القدرة على التلاعب مباشرة ق الجزيئيةtructure يفتح مكان جديد من الحمض النووي الريبي دراسة الهيكلية. من حيث المبدأ، والتقنيات الميكانيكية الأخرى، مثل مجهر القوة الذرية وملاقط المغناطيسية، يمكن أن تستخدم أيضا لدراسة لطي من جزيئات الحمض النووي الريبي واحدة. ومع ذلك، هذه الطلبات تقتصر إلى حد كبير نظرا لدقة المكاني منخفض نسبيا 30.

توظيف ملاقط بصرية يسمح الهياكل RNA أن تكشفت بالقوة الميكانيكية.

ميزة الميكانيكية التي تتكشف هي عدة أضعاف. ويمكن استخدام القوة لتتكشف الهياكل كلا الثانوية والثالثية، في حين ايونات المعادن ويجند الناجم لطي تقتصر أساسا إلى هياكل التعليم العالي. درجة الحرارة وممسخ يمكن أن تؤثر تأثيرا كبيرا على أنشطة المياه والمواد المذابة. في المقابل، يتم تطبيق قوة محليا إلى التشويش على الهياكل الجزيئية. تأثير القوة على البيئة المحيطة لا يكاد يذكر. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام أفضل ذوبان الحراري لدراسة ديناميكا الحرارية للطي الهياكل RNA الصغيرة،في حين تم استخدام ملاقط بصرية لدراسة الهياكل RNA مع أحجام مختلفة، تتراوح بين سبعة tetraloop دبوس قاعدة الزوج 28 إلى ribozyme 400 النوكليوتيدات 31. وعلاوة على ذلك، والهياكل RNA يمكن تكشفت ميكانيكيا في درجات حرارة متوسطة الحرارة. في المقابل، تتكشف الرنا في تجربة ذوبان الحرارية، ودرجة الحرارة وعادة ما المثارة أعلاه جيدا درجات الحرارة الفسيولوجية، مما يزيد بشكل كبير RNA المائي، خاصة في وجود أيونات المغنيسيوم 2+.

من المهم أن نلاحظ أن التأثير الميكانيكي للقوة يعتمد على كيفية تطبيقه على هيكل. قوة التطبيقية يميل المشهد الطاقة للطي. على سبيل المثال، عندما يتم تطبيق قوة إلى منعطف حاد، يتم تقسيم أزواج قاعدة بالتتابع، في وقت واحد (الشكل 1A). شوكة تمزيق تقدم على طول محور حلزونية، وهو عمودي على القوة المستخدمة. في المقابل، عندما مجمع التقبيل الحد الأدنى هو تحت التوتر، وهما التقبيلأزواج قاعدة، هي موازية للقوة التطبيقية، تبادل الحمل القوة (الشكل 1B). هندستها مختلفة من دبوس الشعر والتقبيل قريب معقدة إلى نتيجة القوة المطبقة في استجابتها الميكانيكية المختلفة، والتي يمكن استخدامها للتمييز بين الثانوي والعالي للطي 28،32. تم استعراض الجانب النظري من الميكانيكية التي تتكشف في وقت سابق 8،9،30. ويعرض هذا العمل النهج الأساسية لإعداد وتنفيذ واحد جزيء الميكانيكية فحص تتكشف.

الإعداد التجريبية. في تجربة سحب الميكانيكية لدينا، وتتكون عينة الحمض النووي الريبي لنتف الريش من الحمض النووي الريبي التي تهم يحيط بها اثنان مقابض DNA / RNA المزدوج تقطعت بهم السبل (الشكل 2) 7. يمكن المربوطة الجزيء بأكمله لاثنين من الخرز ميكرون حجم المغلفة سطح (Spherotech) عبر streptavidin البيوتين وتفاعلات الأجسام المضادة digoxigenin-مكافحة digoxigenin، على التوالي. يقام حبة واحدة من قبل آر البصرية قياس القوةا ف ب، في حين أن الآخر هو عقد على غيض من micropipette. المسافة النسبية بين حبات يمكن تغيير إما عن طريق توجيه فخ أو نقل micropipette. باستخدام هذا النهج، جزيء RNA وحيد يربطون حبات يمكن أن تمتد والاسترخاء.

إعداد العينات. تجميع عينات الحمض النووي الريبي لنتف الريش يتضمن خطوات قليلة (الشكل 3). أولا، يتم استنساخ تسلسل الحمض النووي RNA المقابلة لمن الفائدة لأول مرة في ناقلات البلازميد. بعد ذلك، يتم تنفيذ ثلاثة تفاعلات PCR لتوليد اثنين من مقابض وقالب لالنسخ. القالب النسخ يشمل المناطق المقبض وتسلسل المدرجة. يتم تصنيعه طول RNA كاملا في المختبر النسخ. أخيرا، ويلدن الحمض النووي الريبي ومقابض معدلة كيميائيا معا لتوليد جزيئات لنتف الريش.

معايرة وتشغيل الملقط. التصميم الأساسي لاستخدام Minitweezersد في هذا العمل يتبع ذلك من ملاقط بصرية مزدوجة شعاع 33. مع العديد من التحسينات، عرض Minitweezers الاستقرار الاستثنائي بالمقارنة مع ملاقط بصرية الجيل الأول. وهناك عدد من المجموعات البحثية في العديد من البلدان استخدام Minitweezers في مجال البحوث جزيء واحد من 14،15،34-37. تفاصيل البناء، والمعايرة، وتشغيل الجهاز، بما في ذلك أشرطة الفيديو التعليمية، وتتوفر في "الملقط لاب" على الانترنت (http://tweezerslab.unipr.it). هنا، يتم وصف التحسينات وإجراءات المعايرة التي تحتاج إلى أن يقوم على أسس اليومية بالتفصيل.

Protocol

1. إعداد RNA الجزيئات لجزيء واحدة نتف الريش استنساخ تسلسل الفائدة. استنساخ تسلسل الحمض النووي المقابلة لبنية الحمض النووي الريبي في ناقلات. التوليف وتنقية من القالب النسخ. تجميع قالب النسخ بو…

Representative Results

محدودة من الفضاء، ويتجلى nanomanipulation من جزيئات الحمض النووي الريبي واحدة من خلال عرض أمثلة الميكانيكية الوحيدة التي تتكشف من دبابيس الشعر وRNA RNA مع هيكل العالي. التلاعب الجزيئات واحدة دبوس الشعر <p class="jove_content" style=";text-align:rig…

Discussion

تعديل واستكشاف الأخطاء وإصلاحها في إعداد العينات نتف الريش

اختيار الاستنساخ المتجهات. على الرغم من أن المخطط العام الموصوفة هنا (الشكل 3) لا يتطلب ناقلات الاستنساخ خاص، ويفضل متجه ليس لديهم T7 جوهري أو T3 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by an NSF grant (MCB-1054449) and a collaborative interdisciplinary Pilot Research Program award from The RNA Institute at University at Albany to PTXL.

Materials

Minitweezers Steven B. Smith Engineering http://tweezerslab.unipr.it
Data acquisition card National Instruments USB-6351
Video card National Instruments PCI-1407
Labview programming software National Instruments
NI Vision Builder National Instruments
Laser engraver Epilogue laser systems Zing-16
PCR purification kit Qiagen 28104
MEGAscript T7 kit Life Technologies AM1334
MEGAclear kit Life Technologies AM1908
Biotin-11-UTP Thermo Fisher FERR0081
T4 DNA polymerase New England Labs M0203
Streptavidin coated microsphere Spherotech SVP-20-5
Antidigoxigenin coated microsphere Spherotech DIGP-20-2
Size standard microspheres Spherotech PPS-6K
Kapton tape Kaptontape.com KPPTDE-1
No. 2 cover glass Thermo Fisher 12-543D

References

  1. Ashkin, A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94, 4853-4860 (1997).
  2. Maier, B. Using laser tweezers to measure twitching motility in Neisseria. Current opinion in microbiology. 8, 344-349 (2005).
  3. Wang, S., Arellano-Santoyo, H., Combs, P. A., Shaevitz, J. W. Measuring the bending stiffness of bacterial cells using an optical trap. Journal of visualized experiments JoVE. , (2010).
  4. Smith, S. B., Cui, Y., Bustamante, C. . Overstretching B-DNA the elastic response of individual double-stranded and single-stranded DNA molecules. 271, 795-799 (1996).
  5. Strick, T. R., Allemand, J. F., Bensimon, D., Bensimon, A., Croquette, V. . The elasticity of a single supercoiled DNA molecule. 271, 1835-1837 (1996).
  6. Bryant, Z., et al. Structural transitions and elasticity from torque measurements on DNA. Nature. 424, 338-341 (2003).
  7. Liphardt, J., Onoa, B., Smith, S. B., Tinoco, I., J, C., Bustamante, . Reversible unfolding of single RNA molecules by mechanical force. 292, 733-737 (2001).
  8. Li, P. T. X., Vieregg, J., Tinoco, I. How RNA unfolds and refolds. Annu Rev Biochem. 77 (27), 21-24 (2008).
  9. Woodside, M. T., Garcia-Garcia, C., Block, S. M. Folding and unfolding single RNA molecules under tension. Current opinion in chemical biology. 12, 640-646 (2008).
  10. Cecconi, C., Shank, E. A., Bustamante, C., Marqusee, S. . Direct observation of the three-state folding of a single protein molecule. 309, 2057-2060 (2005).
  11. Shank, E. A., Cecconi, C., Dill, J. W., Marqusee, S., Bustamante, C. The folding cooperativity of a protein is controlled by its chain topology. Nature. 465, 637-640 (2010).
  12. Morin, J. A., et al. Active DNA unwinding dynamics during processive DNA replication. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 8115-8120 (2012).
  13. Larson, M. H., Landick, R., Block, S. M. Single-molecule studies of RNA polymerase one singular sensation every little step it takes. Molecular cell. 41, 249-262 (2011).
  14. Wen, J. D., et al. Following translation by single ribosomes one codon at a time. Nature. 452, 598-603 (2008).
  15. Qu, X., et al. The ribosome uses two active mechanisms to unwind messenger RNA during translation. Nature. 475, 118-121 (2011).
  16. Pease, P. J., et al. . Sequence-directed DNA translocation by purified FtsK. 307, 586-590 (2005).
  17. Dumont, S., et al. RNA translocation and unwinding mechanism of HCV NS3 helicase and its coordination by ATP. Nature. 439, 105-108 (2006).
  18. Greenleaf, W. J., Woodside, M. T., Block, S. M. High-resolution, single-molecule measurements of biomolecular motion. Annual review of biophysics and biomolecular structure. 36, 171-190 (2007).
  19. Serganov, A., Nudler, E. A decade of riboswitches. Cell. 152, 17-24 (2013).
  20. Breaker, R. R. Prospects for riboswitch discovery and analysis. Molecular cell. 43, 867-879 (2011).
  21. Wan, Y., et al. Genome-wide measurement of RNA folding energies. Molecular cell. 48, 169-181 (1016).
  22. Dalgarno, P. A., et al. Single-molecule chemical denaturation of riboswitches. Nucleic acids research. 41, 4253-4265 (2013).
  23. Wood, S., Ferre-D’Amare, A. R., Rueda, D. Allosteric tertiary interactions preorganize the c-di-GMP riboswitch and accelerate ligand binding. ACS chemical biology. 7, 920-927 (2012).
  24. Brenner, M. D., Scanlan, M. S., Nahas, M. K., Ha, T., Silverman, S. K. Multivector fluorescence analysis of the xpt guanine riboswitch aptamer domain and the conformational role of guanine. 生物化学. 49, 1596-1605 (2010).
  25. Greenleaf, W. J., Frieda, K. L., Foster, D. A., Woodside, M. T., Block, S. M. . Direct observation of hierarchical folding in single riboswitch aptamers. 319, 630-633 (2008).
  26. Frieda, K. L., Block, S. M. . Direct observation of cotranscriptional folding in an adenine riboswitch. 338, 397-400 (2012).
  27. Neupane, K., Yu, H., Foster, D. A., Wang, F., Woodside, M. T. Single-molecule force spectroscopy of the add adenine riboswitch relates folding to regulatory mechanism. Nucleic acids research. 39, 7677-7687 (2011).
  28. Li, P. T. X., Bustamante, C., Tinoco Jr, I. Unusual Mechanical Stability of A Minimal RNA Kissing Complex. Proc Natl Acad Sci USA. 103, 15847-15852 (2006).
  29. Li, P. T. X., Bustamante, C., Tinoco Jr, I. Real-time control of the energy landscape by force directs the folding of RNA molecules. Proc Natl Acad Sci USA. 104, 7039-7044 (2007).
  30. Tinoco Jr, I., Li, P. T. X., Bustamante, C. Determination of ther modynamics and kinetics of RNA reactions by force. Q Rev Biophys. 39, 325-360 (2006).
  31. Onoa, B., et al. . Identifying kinetic barriers to mechanical unfolding of the T thermophila ribozyme. 299, 1892-1895 (2003).
  32. Li, P. T., Tinoco Jr, I. Mechanical unfolding of two DIS RNA kissing complexes from HIV-1. J Mol Biol. 386, 1343-1356 (2009).
  33. Smith, S., Cui, Y., Bustamante, C. Optical-trap force transducer that operates by direct measurement of light momentum. Methods Enzymol. 361, 134-162 (2003).
  34. Stephenson, W., et al. The essential role of stacking adenines in a two-base-pair RNA kissing complex. J Am Chem Soc. 135, 5602-5611 (2013).
  35. Kaiser, C. M., Goldman, D. H., Chodera, J. D., Tinoco Jr, I., Bustamante, C. . The ribosome modulates nascent protein folding. 334, 1723-1727 (2011).
  36. Bizarro, C. V., Alemany, A., Ritort, F. Non-specific binding of Na+ and Mg2+ to RNA determined by force spectroscopy methods. Nucleic acids research. 40, 6922-6935 (2012).
  37. Bosaeus, N., et al. Tension induces a base-paired overstretched DNA conformation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 15179-15184 (2012).
  38. Berg-Sørensen, K., Power Flyvbjerg, H. spectrum analysis for optical tweezers. Rev Sci Instrum. 75, 594-612 (2004).
  39. Stephenson, W., et al. Combining temperature and force to study folding of an RNA hairpin. Phys Chem Chem Phys. 16, 906-917 (2014).
  40. Evans, E., Ritchie, K. Dynamic strength of molecular adhesion bonds. Biophys J. 72, 1541-1555 (1997).
  41. Dudko, O. K., Hummer, G., Szabo, A. Intrinsic rates and activation free energies from single-molecule pulling experiments. Phys Rev Lett. 96, 108101 (2006).
  42. Dudko, O. K., Hummer, G., Szabo, A. Theory analysis, and interpretation of single-molecule force spectroscopy experiments. Proc. Natl Acad Sci USA. 105, 15755-15760 (2008).
  43. Li, P. T. X., Collin, D., Smith, S. B., Bustamante, C., Tinoco Jr, I. Probing the Mechanical Folding Kinetics of TAR RNA by Hopping, Force-Jump and Force-Ramp Methods. Biophys J. 90, 250-260 (2006).
  44. Elms, P. J., Chodera, J. D., Bustamante, C. J., Marqusee, S. Limitations of constant-force-feedback experiments. Biophysical journal. 103, 1490-1499 (2012).
  45. Li, P. T. X. Analysis of Diffuse K+ and Mg2+ Ion Binding to a Two-Base-Pair Kissing Complex by Single-Molecule Mechanical Unfolding. 生物化学. 52, 4991-5001 (2013).
  46. Wen, J. D., et al. Force unfolding kinetics of RNA using optical tweezers. I. Effects of experimental variables on measured results. Biophys J. 92, 2996-3009 (2007).
  47. Manosas, M., et al. Force Unfolding Kinetics of RNA using Optical Tweezers II. Modeling Experiments Biophys J. 92, 3010-3021 (2007).
  48. Vilfan, I. D., et al. An RNA toolbox for single-molecule force spectroscopy studies. Nucleic acids research. 35, 6625-6639 (2007).
  49. Li, P. T. X. Formation of a metastable intramolecular RNA kissing complex by nanomanipulation. Soft Matter. 9, 3246-3254 (2013).
  50. Chen, G., Chang, K. Y., Chou, M. Y., Bustamante, C., Tinoco Jr, I. Triplex structures in an RNA pseudoknot enhance mechanical stability and increase efficiency of -1 ribosomal frameshifting. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 12706-12711 (2009).
  51. Chen, G., Wen, J. D., Tinoco Jr, I. . Single-molecule mechanical unfolding and folding of a pseudoknot in human telomerase RNA. 13, 2175-2188 (2007).
  52. Tinoco, I., Chen, G., Qu, X. RNA reactions one molecule at a time. Cold Spring Harbor perspectives in biology. 2, a003624 (2010).
  53. Dudko, O. K., Graham, T. G., Best, R. B. Locating the barrier for folding of single molecules under an external force. Physical review letters. , 107-208301 (2011).
  54. Djebali, S., et al. Landscape of transcription in human cells. Nature. 489, 101-108 (2012).
check_url/cn/51542?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Stephenson, W., Wan, G., Tenenbaum, S. A., Li, P. T. X. Nanomanipulation of Single RNA Molecules by Optical Tweezers. J. Vis. Exp. (90), e51542, doi:10.3791/51542 (2014).

View Video