Summary

Visualisering af Surface-tøjret store DNA-molekyler med et fluorescerende protein DNA-bindende peptid

Published: June 23, 2016
doi:

Summary

We present an approach for visualizing fluorescent protein DNA binding peptide (FP-DBP)-stained large DNA molecules tethered on the polyethylene glycol (PEG) and avidin-coated glass surface and stretched with microfluidic shear flows.

Abstract

Large DNA molecules tethered on the functionalized glass surface have been utilized in polymer physics and biochemistry particularly for investigating interactions between DNA and its binding proteins. Here, we report a method that uses fluorescent microscopy for visualizing large DNA molecules tethered on the surface. First, glass coverslips are biotinylated and passivated by coating with biotinylated polyethylene glycol, which specifically binds biotinylated DNA via avidin protein linkers and significantly reduces undesirable binding from non-specific interactions of proteins or DNA molecules on the surface. Second, the DNA molecules are biotinylated by two different methods depending on their terminals. The blunt ended DNA is tagged with biotinylated dUTP at its 3′ hydroxyl terminus, by terminal transferase, while the sticky ended DNA is hybridized with biotinylated complimentary oligonucleotides by DNA ligase. Finally, a microfluidic shear flow makes single DNA molecules stretch to their full contour lengths after being stained with fluorescent protein-DNA binding peptide (FP-DBP).

Introduction

Visualisering af store DNA-molekyler forankret på glas eller perle overflader er blevet udnyttet til undersøgelse DNA-protein interaktioner, protein dynamik på DNA substrat, 1,2 og polymer fysik. 3,4 En platform for enkelt-tøjrede store DNA-molekyler har et par særskilt fordele i forhold til andre DNA immobiliseringsmetoder. 5 Første, et stort DNA-molekyle bindes på overfladen har en naturlig random-coil konformation uden en forskydningshastighed flow, hvilket er kritisk vigtigt for et DNA-bindende protein til at genkende dets bindingssted. For det andet er det meget nemt at ændre det kemiske miljø omkring DNA-molekyler for en serie af enzymatiske reaktioner i et flow kammer. Tredje, en mikrofluid forskydningsstrømning inducerer DNA molekylær strækker sig op til 100% af fuld kontur længde, som er meget vanskelig at opnå ved anvendelse af alternative DNA-forlængelse tilgange såsom overfladen immobilisering 6 og nanochannel indespærring. 7 En fuldt stretched DNA-molekyle indeholder også positionsinformation, som kan være nyttig til overvågning enzymatiske bevægelser på det genomiske kort.

Alligevel DNA tethering tilgang har en kritisk mangel i at interkalerende farvestof, såsom YOYO-1 generelt forårsager tøjrede DNA-molekyler let kan brydes ved hjælp af fluorescens excitationslys. Generelt store DNA molekyler skal farves med et fluorescerende farvestof til visualisering under et fluorescensmikroskop. Til dette formål YOYO-1 eller andre TOTO serie farvestoffer anvendes primært fordi disse farvestoffer fluorescerer, når de interkalerer dobbeltstrenget DNA. 8. Det er imidlertid velkendt, at bis-interkalerende farvestof forårsager lysinduceret DNA foto-spaltning, fordi af interkalationselektroden af fluoroforer. 9 yderligere, fluorescerende farvede DNA-molekyler forankret på overfladen er mere skrøbelige, idet shear strømme kan udøve rev kræfter på frit bevægelige DNA-molekyler. Derfor har vi udviklet FP-DBP som en ny DNA-farvning protein farvestof til afbildning store DNA-molekyler forankret på overfladen. Fordelen ved at anvende FP-DBP er, at det ikke forårsager foto-spaltning af DNA-molekylerne, som det binder. 10. Hertil kommer, at FP-DBP ikke øge kontur længde af DNA, mens bis-interkalerende farvestoffer forøge konturlængde med omkring 33%.

Denne video metode introducerer den eksperimentelle tilgang til tethering store DNA-molekyler til en PEG-biotin overflade. Figur 1 illustrerer forskellige tilgange af tethering DNA med stumpe ender og klæbrige ender. Således kan denne farvningsmetode anvendes på enhver type af DNA-molekylet. Figur 2 afbilder en skematisk repræsentation af strømningskammeret samling, der kan styres af en sprøjtepumpe at generere forskydningskræfter strømme til at strække DNA-molekyler såvel som at indlæse kemiske og enzym løsninger. Figur 3 viser mikrografier af fuldt strakte DNA-molekyler forankret på PEGylated overflade 11 og farvet med FP-DBP.

Protocol

1. DNA Biotinylering Biotinylering af stumpendede DNA under anvendelse terminal transferase (TdT) Bemærk: Brug T4 DNA (166 kbp), som er en stumpendede DNA. Tilsæt 5 pi af 2,5 mM CoCl2, 5 pi 10 x reaktionsbuffer, 0,5 pi 10 mM biotin-11-dUTP, 0,5 pi terminal transferase (10 enheder), og 0,5 pi T4 DNA (0,5 ug / pl) til reaktionsblandingen. Yde til et endeligt volumen på 50 pi ved tilsætning 38,5 pi vand. Inkuber reaktionsblandingen ved 37 ° C i 1 time. <…

Representative Results

Figur 1 viser to forskellige DNA tøjring metoder afhængigt terminale strukturer af DNA-molekylet. Figur 1a illustrerer, hvordan de klæbrige ender DNA-molekyler hybridiseres med komplementære biotinylerede oligonukleotider, der er immobiliseret på avidin-belagte PEG overflade. Figur 1B viser tilsætningen af biotinyleret ddNTP eller dNTP til 3'hydroxylgruppen i en stumpendede DNA ved terminal transferase. Vi har tilføjet fleksib…

Discussion

Her præsenterer vi en platform til at visualisere lange DNA-molekyler biotinyleret til forankring på overflader. Vi har rapporteret en fremgangsmåde til DNA-molekyler forankret på et avidin protein overflade med biotinyleret bovint serumalbumin. 6 I den tidligere fremgangsmåde, fandt vi et afgørende spørgsmål om DNA foto-spaltning forårsaget af bis-interkalationstoppe farvestoffer pletten DNA-molekyler bindes på overflade. Da disse løbende exciterede fluoroforer har en høj sandsynlighed for at ang…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Sogang University Research Grant of 201410036.

Materials

1. DNA Biotinylation
1.1) Biotinylation of blunt-end DNA using Terminal Transferase (TdT)
Terminal Transferase New England Biolabs M0315S Provided with 10x reaction buffer, 2.5 mM Cobalt chloride
Biotin-11-dUTP Invitrogen R0081 Biotin-ddNTP is also available
T4GT7 Phage DNA Nippon Gene 318-03971
Ethylenediaminetetraacetic acid Sigma-Aldrich E6758 EDTA
1.2) Biotinylation of sticky end DNA Using DNA Ligase
T4 DNA Ligase New England Biolabs M0202S Provided with 10x reaction buffer
Lambda Phage DNA Bioneer D-2510 Also available at New England Biolabs
2. Functionalized Surface Derivatization
2.1) Piranha Cleaning
Coverslip Marienfeld-Superior 0101050 22×22 mm, No. 1 Thickness
Teflon rack Custom Fabrication
PTFE Thread Seal Tape Han Yang Chemical Co. Ltd. 3032292 Teflon™ tape
Sulferic acid Jin Chemical Co. Ltd. S280823 H2SO4, 95 % Purity
Hydrogen peroxide Jin Chemical Co. Ltd. H290423 H2O2, 35 % in water
Sonicator Daihan Scientific Co. Ltd. WUC-A02H Table-top Ultrasonic Cleaner
2.2) Aminosilanization on Glass Surface
N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]
ethylenediamine
Sigma-Aldrich 104884
Glacial Acetic Acid Duksan Chemicals 414 99 % Purity
Methyl Alcohol Jin Chemical Co. Ltd. M300318 99.9 % Purity
Polypropylene Container Qorpak PLC-04907
Ethyl Alcohol Jin Chemical Co. Ltd. A300202 99.9 % Purity
2.3) PEGylation of the coverslip
Sodium Bicarbonate Sigma-Aldrich S5761
Syringe Filter Sartorius 16534———-K
Biotin-PEG-SC Laysan Bio Biotin-PEG-SC-5000
mPEG-SVG Laysan Bio MPEG-SVA-5000
Acetone Jin Chemical Co. Ltd. A300129 99 % Purity
Microscope Slides Marienfeld-Superior 1000612 ~76x26x1 mm
3. Assembling a Flow Chamber
Acrylic Support Custom Fabrication
Double-sided Tape 3M Transparent type
Quick-dry Epoxy 3M
Polyethylene Tubing Cole-Parmer 06417-11, 06417-21
Gas Tight 250 µl Syringe Hamilton 81165
Syringe Pump New Era Pump Systems Inc. NE-1000
4. Sample Loading into Flow Chamber
Neutravidin Thermo Scientific 31000
Tris base Sigma-Aldrich T1503-5KG Trizma base
Microscope Olympus IX70
EMCCD Camera Q Imaging Rolera EM-C2
Solid-state Laser (488 nm) Oxxius LBX488
Alconox Alconox Inc.

References

  1. Smith, S. B., Finzi, L., Bustamante, C. Direct Mechanical Measurements of the Elasticity of Single DNA-Molecules by Using Magnetic Beads. Science. 258 (5085), 1122-1126 (1992).
  2. Finkelstein, I. J., Visnapuu, M. -. L., Greene, E. C. Single-molecule imaging reveals mechanisms of protein disruption by a DNA translocase. Nature. 468 (7326), 983-987 (2010).
  3. Doyle, P. S., Ladoux, B., Viovy, J. L. Dynamics of a tethered polymer in shear flow. Phys. Rev. Lett. 84 (20), 4769-4772 (2000).
  4. Perkins, T. T., Quake, S. R., Smith, D. E., Chu, S. Relaxation of a Single DNA Molecule Observed by Optical Microscopy. Science. 264 (5160), 822-826 (1994).
  5. Cai, W., et al. Ordered restriction endonuclease maps of yeast artificial chromosomes created by optical mapping on surfaces. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 92 (11), 5164-5168 (1995).
  6. Kim, Y., Jo, K. Neutravidin coated surfaces for single DNA molecule analysis. Chem. Comm. 47 (22), 6248-6250 (2011).
  7. Kim, Y., et al. Nanochannel confinement: DNA stretch approaching full contour length. Lab on a Chip. 11 (10), 1721-1729 (2011).
  8. Glazer, A. N., Rye, H. S. Stable dye-DNA intercalation complexes as reagents for high-sensitivity fluorescence detection. Nature. 359 (6398), 859-861 (1992).
  9. Graneli, A., Yeykal, C. C., Prasad, T. K., Greene, E. C. Organized arrays of individual DNA molecules tethered to supported lipid bilayers. Langmuir. 22 (1), 292-299 (2006).
  10. Lee, S., et al. DNA binding fluorescent proteins for the direct visualization of large DNA molecules. Nucleic Acids Res. , (2015).
  11. Roy, R., Hohng, S., Ha, T. A practical guide to single-molecule FRET. Nat Methods. 5 (6), 507-516 (2008).
  12. Chandradoss, S. D., et al. Surface passivation for single-molecule protein studies. J. Vis. Exp. (86), e50549 (2014).
check_url/fr/54141?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Lee, S., Jo, K. Visualization of Surface-tethered Large DNA Molecules with a Fluorescent Protein DNA Binding Peptide. J. Vis. Exp. (112), e54141, doi:10.3791/54141 (2016).

View Video