دراسة الحمض النووي عن طريق حلقات جزيء واحد الحنق
Summary
تقدم هذه الدراسة إجراء التجارب مفصلة لقياس ديناميكية حلقات من الحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل باستخدام جزيء واحد نقل الإسفار الرنين الطاقة (الحنق). يصف البروتوكول أيضا كيفية استخراج كثافة الاحتمال حلقات يسمى عامل J.
Abstract
الانحناء من الحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل (dsDNA و) ويرتبط مع العديد من العمليات البيولوجية الهامة مثل التعرف على الحمض النووي والبروتينات والحمض النووي في التعبئة والتغليف Nucleosomes لل. وقد تمت دراسة الديناميكا الحرارية من dsDNA والانحناء بطريقة تسمى سيكليزيشن التي تعتمد على الحمض النووي يغاز للانضمام تساهميا نهايات لزجة قصيرة من dsDNA و. ومع ذلك، يمكن أن تتأثر كفاءة ربط العديد من العوامل التي لا ترتبط dsDNA وحلقات مثل بنية الحمض النووي المحيطة نهايات لزجة انضم، ويغاز يمكن أن يؤثر أيضا على معدل حلقات اضحا من خلال آليات مثل الربط غير محددة. هنا، وتبين لنا كيفية قياس حركية dsDNA وحلقات من دون يغاز عن طريق الكشف عابرة تشكيل حلقة الحمض النووي عن طريق الحنق (الإسفار الرنين نقل الطاقة). هي التي شيدت جزيئات dsDNA وباستخدام بروتوكول بسيطة PCR القائم مع زوج الحنق ورابط البيوتين. يتم استخراج كثافة الاحتمال حلقات المعروفة باسم عامل J من معدل حلقات ومعدل الصلب بين اثنين disconnecتيد نهايات لزجة. عن طريق اختبار اثنين dsDNAs مع الانحرافات الجوهرية المختلفة، وتبين لنا أن العامل J حساسة لشكل جوهري من dsDNA و.
Introduction
فهم الخواص الميكانيكية للdsDNA وغير ذات أهمية أساسية في العلوم الأساسية والتطبيقات الهندسية. هيكل dsDNA وأكثر تعقيدا من سلم حلزوني على التوالي بسبب زوايا لفة، والميل، وتطور بين أزواج قاعدة المتعاقبة يمكن أن تختلف مع التسلسل. يمكن أن تسبب التقلبات الحرارية dsDNA والخضوع وسائط متنوعة من تقلبات بتكوين مثل الانحناء، واللف والتمدد. التحولات مثل ذوبان ومجعد يمكن أن يحدث أيضا في الظروف القاسية.
من بين هذه الاقتراحات، dsDNA والانحناء له الأثر البيولوجي أكثر ما يلفت الانتباه 1. ويرتبط dsDNA والانحناء مع القمع الجينات أو التنشيط من خلال جلب اثنين من مواقع بعيدة قريبة من بعضها البعض. كما أنها تلعب دورا هاما في التعبئة و التغليف الحمض النووي داخل نواة الخلية أو قفيصة الفيروسية. الانحناء تشوه dsDNA ويمكن تصور تجريبيا بواسطة عالية الدقة المجهر (AFM 2 و 3 TEM)، وthermodynamics وحركية يمكن دراستها بواسطة حلقات المقايسات، التي تربط كيميائيا المواقع جنبا إلى جنب من dsDNA و.
واحدة من هذه الاختبار هو تعتمد على يغاز سيكليزيشن 4. في هذا الاختبار، يتم circularized جزيئات dsDNA ومع "لزجة" (متماسكة) أو نهايات dimerized بواسطة يغاز الحمض النووي. من خلال مقارنة معدلات دائرة وتشكيل ديمر، يمكن للمرء الحصول على التركيز المولي الفعلي لنهاية واحدة من الحمض النووي في محيط الطرف الآخر، والذي يعرف باسم عامل J. هذا العامل J ما يعادل الأبعاد لكثافة احتمال العثور على واحدة نهاية من الحمض النووي على مسافة قصيرة من الطرف الآخر، وبالتالي يعكس المرونة من الحمض النووي. قياس عامل J بوصفها وظيفة من طول الحمض النووي يكشف خصائص كثيرة عن ميكانيكا الحمض النووي بما في ذلك طول استمرار 4،5.
فقد كان ينظر على نطاق واسع سلسلة مثل دودة (WLC) نموذج كنموذج البوليمر الكنسي للميكانيكيين dsDNA وبناء على نجاحها في تفسيراining منحنيات القوة والإرشاد في الحمض النووي التي تم الحصول عليها سحب تجارب 6، وتوقع بشكل صحيح العوامل J من dsDNAs أطول من 200 سنة مضت 7. ومع ذلك، باستخدام مقايسة سيكليزيشن على جزيئات dsDNA وقصيرة بقدر 100 سنة مضت، ويدوم كلوتير وقياس العوامل J أن تكون عدة أوامر من حجم أعلى من التنبؤ WLC نموذج 8. وبعد ذلك بعام، دو وآخرون. أنتج عوامل J بالاتفاق مع نموذج WLC باستخدام مقايسة سيكليزيشن مع تركيزات أقل من يغاز وعزا نتيجة الشاذة من مجموعة ويدوم لتركيزات عالية تستخدم يغاز 9. هذا الجدل تجسد تأثير لا مفر منه من يغاز الحمض النووي على حركية سيكليزيشن عند استخدام الفحص التقليدية 9. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤثر أيضا على الحمض النووي يغاز بنية الحمض النووي وصلابة عن طريق غير محددة 10،11 ملزمة.
للقضاء على المخاوف من المقايسات الفنية التي تعتمد على البروتين حلقات، أثبتنا مؤخرا البروتوكول الاضافيعين خالية مقايسة حلقات على أساس نقل الإسفار الرنين الطاقة (الحنق) 12. في هذه الطريقة، يتم الكشف عن التشكل يحلق بواسطة الحنق بين المانحين ومتقبل تعلق بالقرب من نهايات لزجة من جزيء الحمض النووي. يستخدم هدفا من نوع مجموع المجهر مضان التأمل الداخلي (TIRFM) لتسجيل مسارات حلقات عكسها والأحداث unlooping من جزيئات الحمض النووي واحد يجمد السطح لفترة طويلة من الزمن. يتميز هذا الأسلوب التجمع PCR القائم من جزيئات الحمض النووي لتوليد جزيئات الحمض النووي خالية من عدم التوافق، وهو تحسن حاسم على أسلوب مماثل من قبل Vafabakhsh وها 13. على جانب واحد جزيء من هذا البروتوكول يسمح قياس توزيعات بالإضافة إلى فرقة المتوسطات في حين أن الجانب الحنق يسمح احد لقياس ديناميكية حلقات الحمض النووي مرارا وتكرارا من نفس الجزيء، حتى في الظروف التي يمكن أن يضعف النشاط يغاز.
يظهر الإعداد TIRFM في الشكل رقم 1. A مخصصةيتم وضع تصميم المرحلة العينة على هيئة المجهر أوليمبوس IX61. يتم إدخال 532 نانومتر و 640 نانومتر ليزر من الجانب والتي تعكسها المرايا بيضاوي الشكل صغيرة 14 من زمن الهدف NA عالية لتحقيق زاوية حرجة من الإصابة في واجهة المياه ساترة. نلاحظ أن أكثر انتشارا النقل البري الدولي من خلال الهدف باستخدام المرايا مزدوج اللون أو الاجهزة النقل البري الدولي القائم على منظور يمكن أن تستخدم أيضا لهذا التطبيق الحنق. يتم تقسيم الصورة التي شكلتها مضان المجهر في الصور المانحة ومتقبل بواسطة مرآة مزدوج اللون. ثم يتم إعادة تصويرها، فهم على نصفين من EMCCD. وتستخدم مرشحات إضافية الانبعاثات تمريرة طويلة للحد من إشارة الخلفية.
التحكم في درجة الحرارة أمر ضروري للحصول على البيانات الحركية استنساخه. لمراقبة درجة الحرارة، ويتم فصل الهدف من الأنفية من الجسم المجهر لتقليل انتقال الحرارة، والماء من درجة الحرارة التي تسيطر عليها المبرد / سخان يعمم من خلال طوق النحاس أن يناسب بإحكامحول المعدنية الداخلية تحت سترة الهدف. هذا الإعداد هو قادرة على تحقيق التحكم في درجة الحرارة قوية على السطح ساترة بين 15 و 50 درجة مئوية (الشكل 2). في هذا العمل، والحفاظ على درجة حرارة العينة في 24 درجة مئوية.
ويقدم البروتوكول باتباع الإجراء خطوة بخطوة لبناء الحمض النووي، وتقدير شكل الحمض النووي، وتجربة واحدة جزيء، وJ تحديد عامل.
Protocol
Representative Results
Discussion
واستخدمت مقايسة بسيطة جزيء واحد يعتمد على الحنق لدراسة حركية حلقات من السلطات الوطنية المعينة من الأشكال الجوهرية المختلفة. يمكن السلطات الوطنية المعينة منحني بتكرار تسلسل 10 مير في مرحلة مع الفترة حلزونية من 10.5 نقطة أساس على استعداد، ويمكن تقدير الانحرافات الخاصة ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر جيمس واترز، وادز ورث غيبل وبو برودواتر لقراءة نقدية للمخطوطة. نشكر أيضا أربعة المراجعين المجهولين لتوفير تعليقات مفيدة. نحن نعترف الدعم المالي من معهد جورجيا للتكنولوجيا، وجائزة صندوق ويلكوم بوروز الوظيفي في واجهة العلمي، ومنحة شبكة البحوث طالب من جبهة الخلاص الوطني الفيزياء نظم المعيشة.
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).
