Studiare Looping DNA a singola molecola FRET
Summary
Questo studio presenta una procedura sperimentale dettagliato per misurare le dinamiche di loop di DNA a doppio filamento con singola molecola Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET). Il protocollo descrive inoltre come estrarre il ciclo di densità di probabilità chiamato il fattore J.
Abstract
Curvatura del DNA a doppia elica (dsDNA) è associato con molti importanti processi biologici quali il riconoscimento DNA-proteine e confezionamento DNA in nucleosomi. Termodinamica di dsDNA curvatura è stata studiata da un metodo chiamato ciclizzazione che si basa sul DNA ligasi di unirsi covalentemente brevi estremità coesive di un dsDNA. Tuttavia, l'efficienza legatura può essere influenzata da molti fattori che non sono legati a dsDNA loop come la struttura del DNA che circonda le estremità appiccicose uniti, e ligasi può anche influenzare il tasso looping apparente attraverso meccanismi quali il legame non specifico. Qui mostriamo come misurare dsDNA cinetica looping senza ligasi rilevando formazione transitoria ciclo DNA mediante FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). molecole di dsDNA sono costruiti utilizzando un protocollo basato su PCR semplice con un paio FRET e un linker biotina. La densità di probabilità loop noto come fattore J viene estratto dal prezzo loop e il tasso di ricottura tra due sezionatoreTed estremità appiccicose. Testando due dsDNAs con curvature diverse intrinseche, mostriamo che il fattore J è sensibile alla forma intrinseca del dsDNA.
Introduction
Comprendere le proprietà meccaniche di dsDNA è di fondamentale importanza nelle scienze di base e applicazioni di ingegneria. La struttura di dsDNA è più complicato di una scala elicoidale dritto, perché angoli di rollio, inclinazione e torsione tra coppie di basi successive possono variare con la sequenza. Fluttuazioni termiche possono causare dsDNA di sottoporsi a diversi modi di fluttuazioni conformazionali come la flessione, torsione e stretching. Transizioni come fusione e attorcigliamenti possono verificarsi anche in condizioni estreme.
Tra questi movimenti, dsDNA flessione ha l'impatto biologico più evidente 1. dsDNA piegatura è associato repressione genica o attivazione portando due siti distanti vicini tra loro. Esso gioca un ruolo importante nella confezione DNA all'interno del nucleo cellulare o un capside virale. Deformazione piegatura di dsDNA possono essere visualizzati sperimentalmente microscopia ad alta risoluzione (AFM 2 e 3 TEM), e il Thermodynamics e cinetiche possono essere studiati mediante saggi di looping, che legano chimicamente siti giustapposte del dsDNA.
Un tale saggio è ligasi-dipendente ciclizzazione 4. In questo saggio, le molecole di dsDNA con (coesivi) estremita 'adesive' sono circolarizzato o dimerizzate da DNA ligasi. Confrontando i tassi di cerchio e la formazione di dimeri, si può ottenere una concentrazione molare efficace di una delle estremità del DNA in prossimità dell'altra estremità, che è conosciuto come il fattore J. Questo fattore J è dimensionalmente equivalente alla densità di probabilità di trovare una estremità del DNA a breve distanza dall'altra estremità, e riflette quindi la flessibilità del DNA. Misurare il fattore J in funzione della lunghezza del DNA rivela molte caratteristiche di meccanica DNA compresa la lunghezza di persistenza 4,5.
La catena vermiforme (WLC) modello è stato ampiamente considerato come il modello di polimero canonico per la meccanica dsDNA in base al suo successo nel spiegazioneining le curve forza-estensione ottenuti in DNA tirare esperimenti 6, e correttamente predire i fattori di J dsDNAs più di 200 bp 7. Tuttavia, utilizzando il test ciclizzazione su molecole dsDNA più brevi 100 bp, Cloutier e Widom misurato i fattori J di essere diversi ordini di grandezza superiori rispetto al modello WLC previsione 8. Un anno dopo, Du et al. prodotta fattori J in accordo con il modello WLC utilizzando il test ciclizzazione con concentrazioni più basse di ligasi e attribuito il risultato anomalo dal gruppo Widom ad alte concentrazioni ligasi utilizzati 9. Questa controversia esemplifica l'influenza inevitabile di DNA ligasi sulla cinetica di ciclizzazione quando si utilizza il test convenzionali 9. Inoltre, DNA ligasi può anche influenzare la struttura del DNA e la rigidità attraverso legame non specifico 10,11.
Per eliminare le preoccupazioni tecniche di analisi looping proteina-dipendente, abbiamo recentemente dimostrato una prottest looping ein-libero basato sul Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) 12. In questo metodo, conformazioni loop vengono rilevati dal FRET tra donatore e accettore divisoria in prossimità delle estremità appiccicose di una molecola di DNA. Un microscopio a fluorescenza a riflessione interna totale obiettivo di tipo (TIRFM) viene utilizzato per registrare traiettorie di ciclaggio reversibile e eventi unlooping di molecole di DNA a singola superficie immobilizzato per un periodo prolungato di tempo. Questo metodo offre assemblaggio basato su PCR di molecole di DNA per generare molecole di DNA senza disadattamento, che è un miglioramento fondamentale per un metodo simile per Vafabakhsh e Ha 13. L'aspetto unico molecola di questo protocollo permette misura delle distribuzioni oltre Ensemble medie mentre l'aspetto FRET permette di misurare la dinamica di ciclica DNA ripetutamente dalla stessa molecola, anche in condizioni che possono alterare ligasi attività.
La configurazione TIRFM è mostrato in Figura 1. A personalizzatoPortaoggetti progettato è posto sopra un corpo del microscopio Olympus IX61. 532 nm e 640 nm laser vengono introdotti dal lato e sono riflessi da specchi ellittici minuscoli 14 nella alta obiettivo NA per ottenere l'angolo di incidenza critico all'interfaccia coprioggetto-acqua. Notiamo che più diffusa passante obiettivo TIR utilizzando specchi dicroici o configurazioni TIR basato prisma può essere utilizzato anche per questa applicazione FRET. L'immagine di fluorescenza formata dal microscopio è suddiviso in immagini donatore e accettore da uno specchio dicroico. Vengono poi ri-masterizzata su due metà di un EMCCD. Ulteriori filtri di emissione passa-lungo sono utilizzati per ridurre segnale di fondo.
Il controllo della temperatura è essenziale per acquisire dati cinetici riproducibili. Per il controllo della temperatura, l'obiettivo è separato dal boccaglio del corpo del microscopio per ridurre al minimo il trasferimento di calore, e l'acqua da un raffreddatore / riscaldatore di temperatura controllata è distribuito attraverso un collare di ottone che si adatta strettamenteattorno al metallo interno sotto la giacca obiettivo. Questa configurazione è in grado di ottenere il controllo della temperatura solido a superficie coprioggetto tra 15 e 50 ° C (Figura 2). In questo lavoro, la temperatura del campione è stata mantenuta a 24 ° C.
Il protocollo seguente presenta la procedura step-by-step per la costruzione del DNA, la stima di forma del DNA, esperimento di singola molecola, e J determinazione fattore.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un semplice test single-molecule basato su FRET è stato usato per studiare la cinetica di loop di DNA di diverse forme intrinseche. DNA curve possono essere preparati ripetendo una sequenza di 10-mer in fase con il periodo elicoidale di 10,5 bp, e le curvature possono essere stimati usando PAGE. Questi dsDNAs sono progettati con le estremità adesive per permettere la stabilizzazione ciclo transitorio. Abbiamo estratto il tasso loop dalla crescita esponenziale del numero di molecole in loop nel tempo. La costante di ve…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo James Waters, Gable Wadsworth e Bo Broadwater per criticamente la lettura del manoscritto. Ringraziamo anche quattro revisori anonimi per fornire commenti utili. Noi riconosciamo il sostegno finanziario Georgia Institute of Technology, il Burroughs Wellcome Fund Award Career l'interfaccia scientifico, e la borsa di rete di ricerca studente dalla NSF Fisica dei sistemi viventi.
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
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