לימוד ה-DNA Looping ידי סריג Single-מולקולה
Summary
מחקר זה מציג הליך ניסיון מפורט כדי למדוד דינמיקת לולאות של גדילי הדנ"א כפול באמצעות פלואורסצנטי התהודה העברת אנרגיה מולקולה בודדת (סריג). הפרוטוקול מתאר גם כיצד לחלץ את צפיפות הסתברות הלולאה נקראת גורם J.
Abstract
כיפוף של גדילי הדנ"א כפול (dsDNA) קשור עם הרבה תהליכים ביולוגיים חשובים כגון זיהוי חלבון דנ"א ואריזת ה-DNA לתוך nucleosomes. תרמודינמיקה של כיפוף dsDNA נחקרה על ידי cyclization שיטה הנקראת אשר מסתמך על האנזים DNA להצטרף קוולנטית קצוות דביקים קצרים של dsDNA. עם זאת, יעילות קשירה יכולה להיות מושפעת מגורמים רבים שאינם קשורים לdsDNA לולאה כגון מבנה ה-DNA המקיף את הקצוות הדביקים הצטרפו, ואנזים יכול להשפיע גם על שיעור לולאות לכאורה באמצעות מנגנונים כגון ספציפי מחייב. כאן, אנו מראים כיצד למדוד קינטיקה לולאות dsDNA ללא האנזים על ידי איתור היווצרות ה-DNA לולאה חולפת ידי סריג (פלואורסצנטי התהודה העברת אנרגיה). מולקולות dsDNA נבנות באמצעות פרוטוקול המבוסס על ה-PCR פשוט עם זוג סריג ומקשר ביוטין. צפיפות הסתברות הלולאה הידועה כגורם J מופק שיעור לולאות ושיעור חישול בין שתי disconnecקצוות דביקים טד. על ידי בדיקת שתי dsDNAs עם עקמומיות פנימית שונה, אנו מראים כי גורם J הוא רגיש לצורה הפנימית של dsDNA.
Introduction
הבנת התכונות מכאניות של dsDNA היא בעל חשיבות עליונה במדעים בסיסיים ויישומים הנדסיים. המבנה של dsDNA הוא מסובך יותר מאשר סולם סליל ישר בגלל זוויות גלגול, הטיה ופיתול בין זוגות בסיסים רצופים יכולות להשתנות עם רצף. תנודות תרמיות יכולות לגרום dsDNA לעבור מצבים שונים של תנודות קונפורמציה כגון כיפוף, פיתול ומתיחות. מעברים כגון היתוך ומסתלסל יכולים להתרחש גם בתנאים קיצוניים.
בין תנועות אלה, יש כיפוף dsDNA ההשפעה הביולוגית הבולטת ביותר 1. כיפוף dsDNA קשור לדיכוי גן או הפעלה על ידי הבאת שני אתרים מרוחקים קרובים אחד לשני. זה גם משחק תפקיד חשוב באריזת ה-DNA בתוך גרעין התא או הקופסית נגיפית. עיוות כיפוף של dsDNA ניתן דמיינו באופן ניסיוני על ידי מיקרוסקופ ברזולוציה גבוהה (AFM 2 וTEM 3), וthermodynamics וקינטיקה ניתן ללמוד על ידי מבחני לולאות, אשר כימי קישור אתרים זה לצד זה של dsDNA.
assay אחד כזה הוא cyclization האנזים תלוי 4. ב assay זה, מולקולות dsDNA עם קצוות "דביקים" (מגובש) הן circularized או dimerized ידי האנזים ה-DNA. על ידי השוואת המחירים של המעגל והיווצרות דימר, ניתן לקבל ריכוז טוחנת יעיל של קצה אחד של ה-DNA בקרבת הקצה השני, אשר ידוע כגורם J. גורם J זה ממדי שווה לצפיפות הסתברות למציאת קצה אחד של ה-DNA במרחק קצר מהקצה השני, ובכך משקף את הגמישות של ה-DNA. מדידת גורם J כפונקציה של אורך ה-DNA מגלה מאפיינים רבים על מכניקת DNA כולל 4,5 אורך ההתמדה.
השרשרת דמוית תולעת המודל (WLC) כבר נחשב למודל הפולימר הקנונית למכניקת dsDNA מבוססת על הצלחתה בexplaining עקומות כוח ההארכה שהושגו ב-DNA מושך ניסויי 6, ובצורה נכונה לניבוי גורמי J של dsDNAs זמן רב יותר מאשר 200 נ"ב 7. עם זאת, באמצעות assay cyclization על מולקולות dsDNA קצרות ככל 100 נ"ב, קלוטייה וWidom מדדו את גורמי J להיות בכמה סדרי גודל גבוהים יותר מהתחזית של מודל WLC 8. שנה לאחר מכן, דו et al. מיוצר גורמי J בהסכם עם מודל WLC באמצעות assay cyclization עם ריכוזים נמוכים יותר של האנזים וייחס את התוצאה החריגה מקבוצת Widom לריכוזי האנזים גבוהים בשימוש 9. מחלוקת זו מדגימה את ההשפעה הבלתי נמנעת של האנזים ה-DNA על קינטיקה cyclization בעת שימוש assay הקונבנציונלי 9. יתר על כן, האנזים DNA יכול להשפיע גם על מבנה ה-DNA ונוקשות דרך 10,11 מחייב ספציפי.
כדי למנוע חששות הטכניים של מבחני לולאות חלבון תלוי, לאחרונה הפגינו protassay לולאות עין בחינם מבוסס על פלואורסצנטי התהודה העברת אנרגיה (סריג) 12. בשיטה זו, תצורות כרך מזוהות על ידי סריג בין תורם acceptor המצורף ליד הקצוות הדביקים של מולקולת ה-DNA. מיקרוסקופ אובייקטיבי מסוג הקרינה השתקפות הכל הפנימית (TIRFM) משמש להקלטת מסלולים של לולאות הפיכים ואירועי unlooping ממולקולות דנ"א חד משותק פני השטח לתקופה ממושכת של זמן. שיטה זו כוללת הרכבה של מולקולות ה-DNA המבוססת על ה-PCR לייצור מולקולות ה-DNA ללא חוסר התאמה, שהוא שיפור מכריע על שיטה דומה על ידי Vafabakhsh ו13 הא. היבט המולקולה בודדת של פרוטוקול זה מאפשר מדידה של הפצות בנוסף לאנסמבל ממוצע ואילו היבט סריג מאפשר למדוד דינמיקת לולאות DNA שוב ושוב מאותה המולקולה, גם במצבים שעלולים לפגוע בפעילות האנזים.
התקנת TIRFM מוצגת באיור 1. מותאמת אישיתשלב דגימה מעוצבת ממוקם מעל גוף מיקרוסקופ אולימפוס IX61. 532 ננומטר ו640 לייזרי ננומטר הם הציגו מהצד ובאים לידי הביטוי במראות סגלגלות זעירות 14 למטרת NA הגבוהה כדי להשיג זווית קריטית של שכיחות בממשק coverslip המים. נציין כי נפוץ יותר TIR דרך אובייקטיבי באמצעות מראות dichroic או setups TIR מבוסס פריזמה יכול לשמש גם עבור יישום סריג הזה. תמונת הקרינה שהוקמה על ידי מיקרוסקופ מחולקת לתמונות תורם acceptor ידי מראה dichroic. הם לאחר מכן מחדש הדמיה על שני חצאים של EMCCD. מסנני פליטה ארוך לעבור נוספים נמצאים בשימוש כדי להפחית את אות רקע.
בקרת טמפרטורה היא חיונית לרכישת נתונים הקינטית לשחזור. לבקרת טמפרטורה, המטרה היא להפריד את מזנקים של גוף מיקרוסקופ כדי למזער העברת חום, ומים מנשלט ילר / תנור בטמפרטורה מופצת דרך צווארון פליז שחוזקה התקפיםסביב מתכת הפנים מתחת למעייל האובייקטיבי. התקנה זו היא מסוגלת להשיג שליטה בטמפרטורה יציבה על פני השטח coverslip בין 15 50 ° C (איור 2). בעבודה זו, מדגם הטמפרטורה נשמרה ב24 ° C.
הפרוטוקול שלהלן מציג את הליך צעד אחר צעד לבניית ה-DNA, הערכה של צורת ה-DNA, ניסוי מולקולה בודדת, ונחישות גורם J.
Protocol
Representative Results
Discussion
Assay מולקולה בודדת פשוט המבוסס על סריג שימש ללמוד קינטיקה לולאות של DNAs של צורות פנימיות שונות. ניתן להכין DNAs מעוקל על ידי חזרה על רצף 10-mer בשלב עם תקופת הסליל של 10.5 נ"ב, וניתן להעריך עקמומיות שלהם באמצעות עמוד. dsDNAs אלה נועדו עם קצוות דביקים על מנת לאפשר ייצוב לולאה חולף…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לג'יימס ווטרס, גייבל Wadsworth ובי Broadwater לקריאה ביקורתי של כתב היד. אנו מודים גם לארבעה מבקרים האנונימיים על מתן הערות מועילות. אנו מכירים תמיכה כספית מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה, פרס הקריירה בורוז Wellcome הקרן בממשק המדעי, ומענק רשת מחקר הסטודנט מNSF הפיזיקה של מערכות חיים.
Materials
| Small DNA FRAG Extract Kit-100PR | VWR | 97060-558 | |
| Acrylamide 40% solution 500 mL | VWR | 97064-522 | |
| Bis-acrylamide 2% (w/v) solution 500 mL | VWR | 97063-948 | |
| GeneRuler 100 bp DNA Ladder, 100-1000 bp | Fermentas | SM0241 | |
| Mini Vertical PAGE System | VWR | 89032-300 | |
| Syringe filter 0.2um CS50 | VWR | A2666 | |
| Trolox | Sigma-Aldrich | 238813-1G | triplet state quencher |
| Protocatechuic acid (PCA) | Sigma-Aldrich | 08992-50MG | oxygen scavenging system |
| Protocatechuate 3,4-Dioxygenase (PCD) | Sigma-Aldrich | P8279-25UN | oxygen scavenging system |
| mPEG-silane, MW 2000 1g | Laysan Bio | MPEG-SIL-2000-1g | |
| Biotin-PEG-Silane, MW 3400 | Laysan Bio | Biotin-PEG-SIL-3400-1g | |
| Avidin, NeutrAvidin Biotin-binding Protein | Invitrogen | A2666 | |
| Phusion Hot Start High-Fidelity DNA Polymerase | New England Biolabs | F-540L | |
| Gel/PCR DNA Fragments Extraction Kit | IBI Scientific | IB47020 | |
| Premium plain glass microscope slides | Fisher Scientific | 12-544-1 | |
| VWR micro cover glass, rectangular, no. 1 | VWR | 48404-456 | |
| Fisher Scientific Isotemp 1006s Recirculating Chiller/Heater | Fisher Scientific | temperature control | |
| Objective Cooling Collar | Bioptechs | 150303 | temperature control |
| KMI53 Biological Micrometer Measuring Stage | Semprex | KMI53 | |
| High Performance DPSS Laser 532nm 50mW | Edmund optics | NT66-968 | Cy3 excitation |
| CUBE Fiber Pigtailed 640 nm, 30mW, Fiber, FC/APC Connector | Coherent | 1139604 | Cy5 excitation |
| 650 nm BrightLine Dichroic Beamsplitter | Semrock | FF650-Di01-25×36 | splitting dichroic |
| LaserMUX Beam Combiner, reflects 514.5, 532, & 543.5 nm lasers, 25 mm | Semrock | LM01-552-25 | combining dichroic |
| Brightline Fluorescence Filter 593/40 | Semrock | FF01-593/40-25 | Cy3 emission filter |
| 635 nm EdgeBasic LWP longpass Filter, 25 mm | Semrock | BLP01-635R-25 | Cy5 emission filter |
| EMCCD iXon+ | Andor Technology | DU-897E-CS0-#BV | |
| IX51 inverted microscope frame | Olympus | ||
| Objective UApo N 100x/1.49 Oil TIRF | Olympus | ||
| Immersion oil type-F for fluorescence microscopy | Olympus | IMMOIL-F30CC | |
| 2mm Diameter 45° Rod Lens Aluminum Coated | Edmund optics | 54-092 | miniature mirror |
| 1/4" Travel Single-Axis Translation Stage | Thorlabs | MS-1 | translation of miniature mirror |
| Ø1" Achromatic Doublet, ARC: 400-700 nm, f=200 mm | Thorlabs | AC254-200-A | focusing lens |
| Adjustable Mechanical Slit | Thorlabs | VA100 | |
| Dielectric Mirror | Thorlabs | BB1-E02 | |
| Ø1" Achromatic Doublet, f = 100 mm | Thorlabs | AC254-100-A | relay lens |
| Lens Mount for Ø1" Optics | Thorlabs | LMR1 | |
| Dichroic Filter Mount | Thorlabs | FFM1 | |
| Fixed Cage Cube Platform | Thorlabs | B3C | |
| Kinematic Mount for Ø1" Optics | Thorlabs | KM100 | |
| N-BK7 Plano-Convex Lens, Ø1", f = 40 mm | Thorlabs | LA1422-A | collimating lens |
| N-BK7 Plano-Convex Lense, Ø6.0 mm, f = 15 mm | Thorlabs | LA1222-A | telescope lens |
| N-BK7 Plano-Convex Lense, Ø6.0 mm, f = 150 mm | Thorlabs | LA1433-A | telescope lens |
Riferimenti
- Garcia, H. G., et al. Biological consequences of tightly bent DNA: The other life of a macromolecular celebrity. Biopolymers. 85, 115-130 (2007).
- Wiggins, P. A., et al. High flexibility of DNA on short length scales probed by atomic force microscopy. Nature Nanotechnology. 1, (2006).
- Lionberger, T. A., et al. Cooperative kinking at distant sites in mechanically stressed DNA. Nucleic Acids Research. 41, 6785-6792 (2011).
- Shore, D., et al. DNA flexibility studied by covalent closure of short fragments into circles. Proc Natl Acad Sci U S A. 78, 4833-4837 (1981).
- Geggier, S., Vologodskii, A. Sequence dependence of DNA bending rigidity. Proc Nat Acad Sci U S A. 107, 15421-15426 (1992).
- Smith, S. B., et al. Direct mechanical measurements of the elasticity of single DNA molecules by using magnetic beads. Science. 258, 1122-1126 (1992).
- Peters, J. P., Maher, L. J. DNA curvature and flexibility in vitro and in vivo. Quarterly Reviews of Biophysics. 43, 23-63 (2010).
- Cloutier, T. E., Widom, J. Spontaneous sharp bending of double-stranded DNA. Molecular Cell. 14, 355-362 (2004).
- Du, Q., et al. Cyclization of short DNA fragments and bending fluctuations of the double helix. Proc Natl Acad Sci U S A. 102, 5397-5402 (2005).
- Yuan, C., et al. T4 DNA ligase is more than an effective trap of cyclized dsDNA. Nucl. Acids Res. 35, 5294-5302 (2007).
- Manzo, C., et al. The effect of nonspecific binding of lambda repressor on DNA looping dynamics. Biophysical Journal. 103, 1753-1761 (2012).
- Le, T. T., Kim, H. D. Measuring shape-dependent looping probability of DNA. Biophys. J. 104, 2068-2076 (2013).
- Vafabakhsh, R., Ha, T. Extreme bendability of DNA less than 100 base pairs long revealed by single-molecule cyclization. Science. 337, 1097-1101 (2012).
- Friedman, L., et al. Viewing dynamic assembly of molecular complexes by multi-wavelength single-molecule fluorescence. Biophysical Journal. 91, 1023-1031 (2006).
- Kaplan, N., et al. The DNA-encoded nucleosome organization of a eukaryotic genome. Nature. 458, 362-366 (2009).
- Koo, H. S., Crothers, D. M. Calibration of DNA curvature and a unified description of sequence-directed bending. Proc Nat Acad Sci U S A. 85, 1763-1767 (1988).
- Prosseda, G., et al. A temperature-induced narrow DNA curvature range sustains the maximum activity of a bacterial promoter in vitro. Biochimica. 49, 2778-2785 (2010).
- Rasnik, I., et al. Nonblinking and long-lasting single-molecule fluorescence imaging. Nature Methods. 3, 891-893 (2006).
- Cordes, T., et al. On the mechanism of Trolox as antiblinking and antibleaching reagent. J. Am. Chem. Soc. 131, 5018-5019 (2009).
- Aitken, C. E., et al. An oxygen scavenging system for improvement of dye stability in single-molecule fluorescence experiments. Biophys J. 94, 1826-1835 (2008).
- Taylor, W. H., Hagerman, P. J. Application of the method of phage T4 DNA ligase-catalyzed ring-closure to the study of DNA structure: II. NaCl-dependence of DNA flexibility and helical repeat. Journal of Molecular Biology. 212, 363-376 (1990).
- Bolshoy, A., et al. Curved DNA without A-A: experimental estimation of all 16 DNA wedge angles. Proc Natl Acad Sci U S A. 88, 2312-2316 (1991).
- Gibson, D. G. Synthesis of DNA fragments in yeast by one-step assembly of overlapping oligonucleotides. Nucl. Acids Res. 37, 6984-6990 (2009).
- Vologodskii, A., et al. Bending of short DNA helices. Artif DNA PNA XNA. 4, (2013).
- Hoover, D. M., Lubkowski, J. DNAWorks: an automated method for designing oligonucleotides for PCR-based gene synthesis. Nucl. Acids Res. 30, (2002).
- Waters, J. T., Kim, H. D. Equilibrium Statistics of a Surface-Pinned Semiflexible Polymer. Macromolecules. 46, 6659-6666 (2013).
- Mills, J. B., et al. Electrophoretic evidence that single-stranded regions of 1 or more nucleotides dramatically increase the flexibility of DNA. Biochimica. 33, 1797-1803 (1994).
