Sequentie-specifieke Labeling van nucleïnezuren en eiwitten met methyltransferases en Cofactor Analogues
Summary
DNA en eiwitten sequentie-specifiek gemerkt met affiniteit of fluorescente reporter groepen met DNA of eiwit methyltransferases en synthetische analogen cofactor. Afhankelijk van de cofactor specificiteit van de enzymen, aziridine of dubbel geactiveerde cofactor analogen worden gebruikt voor één of twee stappen labeling.
Abstract
S -Adenosyl-L-methionine (AdoMet of SAM) -afhankelijke methyltransferase (MTase) katalyseren de overdracht van de geactiveerde methylgroep van AdoMet specifieke posities in DNA, RNA, eiwitten en kleine biomoleculen. Deze natuurlijke methylering reactie kan worden uitgebreid naar diverse alkyleringsreacties met synthetische analoga cofactor. Vervanging van het reactieve sulfonium centrum van AdoMet een aziridinering leidt tot cofactoren die kunnen worden gekoppeld met DNA van verschillende DNA MTases. Deze aziridine cofactoren kunnen worden uitgerust met reportergroepen op verschillende posities van de adenine eenheid en voor S equence specifieke M ethyltransferase- I nduced L abel ing van DNA (lachend DNA). Als voorbeeld geven we een protocol voor biotinylering van pBR322 plasmide DNA bij de 5'-ATCG A T-3 'sequentie van het DNA MTase M.BseCI en aziridine cofactor 6BAz ineen stap. Verlenging van de geactiveerde methylgroep met onverzadigde alkylgroepen resultaten in andere klasse van AdoMet analogen die gebruikt worden voor m-ethyltransferase gerichte T ransfer van A ctivated G de andere groepen (mTAG). Aangezien de uitgebreide zijketens worden geactiveerd door het sulfonium- midden en de onverzadigde binding, worden deze cofactoren genoemd dubbel geactiveerde AdoMet analogen. Deze analogen niet slechts als cofactoren voor DNA MTases, zoals aziridine cofactoren, maar ook voor RNA, eiwitten en kleine moleculen MTases. Ze worden doorgaans gebruikt voor enzymatische modificatie van MTase substraten met unieke functionele groepen die zijn gemerkt met reportergroepen in een tweede chemische stap. Dit wordt geïllustreerd in een protocol voor fluorescentie etikettering van histon H3 eiwit. Een kleine propargylgroep wordt overgebracht van de cofactor analoge SeAdoYn aan het eiwit door de histon H3 lysine 4 (H3K4) MTase Set7 / 9 gevolgd door klik etikettering van dealkynylated histon H3 met TAMRA azide. MTase-gemedieerde labeling met cofactor analogen is een enabling technology voor veel spannende toepassingen, waaronder de identificatie en functionele studie van MTase ondergrond, alsmede DNA genotypering en methylatie-detectie.
Introduction
Specifieke kenmerken van nucleïnezuren 1,2 en eiwitten 3,4 is van groot belang voor de functionele karakteriseringen, medische diagnose en (nano) biotechnologie. Hier presenteren we een enzymatische labeling methode die biopolymeren die is gebaseerd op S -adenosyl-l-methionine (AdoMet of SAM) -afhankelijke methyltransferase (MTases). Deze klasse van enzymen (EC 2.1.1.) Richt afzonderlijke nucleofiele posities (stikstof, zuurstof, zwavel en koolstofatomen) binnen bepaalde residuen van nucleïnezuren en eiwitten en natuurlijk brengt de geactiveerde methylgroep van de cofactor AdoMet (figuur 1A) 5. Bovendien kunnen MTases gebruik cofactor synthetische analogen voor specifieke labeling met affiniteit tags fluoroforen of andere labels (Figuur 1B) 6. Twee klassen AdoMet analogen ontwikkeld: Aziridine cofactoren voor S equence specifieke M ethyltransferase- I </strong> Nduced L abel ing (glimlachend) 7 en dubbele geactiveerd AdoMet analogen voor m-ethyltransferase geregisseerd T ransfer van A ctivated G de andere groepen (mTAG) 8.
Figuur 1: gekatalyseerd door methyltransferase (MTases) A. Methyl groepstransfer van de natuurlijke cofactor AdoMet (SAM) op diverse substraten, waaronder DNA, RNA, eiwitten en kleine biomoleculen B. Labeling / functionalisering van nucleïnezuren en eiwitten (NNNNN =.. basenparen van DNA nucleotiden voor RNA en aminozuren voor eiwitten; XXXXX = herkenningssequentie van de MTase met doel residuen in groen) met synthetische analoga cofactor. Aziridine- co-factoren die een reporter groep (blauwe bol)aan de adenine ring zijn sequentie specifiek gekoppeld aan het doel residu (links) en dubbel-geactiveerde AdoMet analogen leiden tot de overdracht van uitgebreide alkylketens die een chemische reporter Y (rechts) die aan bioorthogonal click reactie in een tweede stap kan worden gelabeld. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Aziridine- cofactoren het beste werken met DNA MTases. Ze bevatten een drieledige ring met een stikstofatoom 9 (of een N -mustard 10,11) in plaats van het sulfonium centrum als reactieve groep. Protonering van het stikstofatoom activeert de aziridine ring voor nucleofiele aanval van de doelwitnucleotidesequentie die leidt tot het koppelen van de gehele cofactor met DNA covalente. Door het aanbrengen reportergroepen de adenine ring de aziridine cofactoren kunnen worden gebruikt in combinatie met DNA MTases DNA label in één stap ( <stron g> Figuur 1B, links) 7,12. Dit blijkt in detail de biotinylering van DNA met 6BAz 13-15 (aziridine cofactor met biotine gehecht aan de 6 positie van de adenine ring) en adenine-specifieke DNA MTase uit Bacillus stearothermophilus (M.BseCI) 16 (figuur 2, zie protocol sectie 2: Eén-stap etikettering van DNA via aziridine- co-factoren). Naast M.BseCI (5'-ATCG A T-3 'herkenningssequentie), het DNA MTases uit Thermus aquaticus (M.TaqI, 5'-TCG A -3') van Haemophilus heamolyticus (M.HhaI, 5 '-G C GC-3') en van Spiroplasma (M.SssI, 5'-CG-3 ') zijn met succes gebruikt om DNA biotinyleren met 6BAz 17. Bovendien kan aziridine cofactoren worden voor één stap fluorescentie DNA labeling 18,19.
NHOUD "fo: keep-together.within-page =" always ">
Figuur 2:. Sequentiespecifieke één stap biotinylering DNA met M.BseCI en 6BAz De DNA MTase M.BseCI herkent de dubbelstrengige DNA-sequentie 5'-ATCG A T-3 'en natuurlijk methyleert de aminogroep van het tweede adenine residu (groen) met behulp van AdoMet. Met de aziridine- cofactor 6BAz het verloop van de reactie wordt veranderd en M.BseCI leidt tot specifieke DNA biotinilatie sequencen door het koppelen van de hele cofactor waaronder biotine (blauw) met het doel adenine. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Dubbele geactiveerd AdoMet analogen bevatten verlengd onverzadigde zijketens in plaats van een methylgroep op de sulfonium centrum (Figuur 1B </strong>, rechts) 20. De onverzadigde dubbele of drievoudige binding in β-positie om de sulfonium- centrum compenseert elektronisch ongunstige sterische effecten binnen de transitie staat via conjugatie stabilisatie. Aangezien zowel de sulfonium- centrum en het onverzadigde binding activeert de zijketen voor enzymatische overdracht, werden deze co-factoren genoemd dubbel-geactiveerde AdoMet analogen. Meestal worden ze gebruikt om zijketens dragen met unieke chemische groepen (chemische reporters), zoals aminozuren, alkyne en azide groepen, voor chemo-selectieve etikettering in een tweede stap 8,21. In het algemeen, dubbel-geactiveerde AdoMet analogen niet alleen kan functioneren als co-factoren voor DNA MTases 8,20,21, maar ook voor RNA MTases 22,23 en eiwit MTases 24-28 waardoor aanvullende etikettering van RNA en eiwitten. Echter, de uitgebreide zijketens zijn sterisch veeleisender dan een methylgroep en het vergroten van de MTase actieve sites door het eiwit engineering is often die nodig is om efficiënt overdrachtsnelheden te verkrijgen. Een andere oplossing voor dit probleem is een AdoMet analoge gebruiken met een kleine propargyl groep (drie koolstofatomen) wanneer de terminal alkyn heeft twee functies: 1. Stabilisatie van de overgangstoestand tijdens enzymatische overdracht en 2. reactief handvat volgende chemische modificaties van koper- gekatalyseerde azide-alkyn cycloadditie (CuAAC) click chemie. Het bleek dat de resulterende propargyl AdoMet analoog 29 is vrij onstabiel onder neutrale of enigszins basische omstandigheden en slechts van beperkt nut. Dit nadeel kan worden verholpen door het vervangen van het zwavelatoom met selenium. De resulterende cofactor 5 '- [(Se) [(3S) -3-amino-3- carboxypropyl] prop-2-ynylselenonio] 5'-deoxyadenosine (SeAdoYn, figuur 3) wordt door wild-type DNA aanvaard, RNA en eiwit MTases 30-32 waarin de behoefte aan eiwit-engineering in veel gevallen af te schaffen. Dit wordt geïllustreerd door fluorescentie pro Tein etikettering met de histon H3 lysine 4 (H3K4) MTase Set7 / 9 33 (Figuur 3, zie protocol hoofdstuk 3: Two-step eiwitmarkerend via dubbele geactiveerde co-factoren).
Figuur 3:. Sequentie-specifieke tweestaps fluorescentie labeling van histon H3 met Set7 / 9 SeAdoYn en TAMRA azide Het eiwit MTase Set7 / 9 nature methyleert de aminogroep van lysine 4 van histon H3 (H3K4, groen) met AdoMet. Met de dubbel-geactiveerde cofactor SeAdoYn de MTase overdraagt een kleine propargylgroep (rood) aan de lysineresidu. De bijgevoegde terminal drievoudige binding wordt vervolgens selectief gewijzigd in een bioorthogonal klik reactie (koper-gekatalyseerde azide-alkyn cycloadditie, CuAAC) met azide gederivatiseerde TAMRA (tetramethylrhodamine, blauw) fluorofoor.belasting / 52014 / 52014fig3highres.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
One-step etikettering van DNA met DNA MTases en aziridine- cofactoren (Glimlachend DNA) is een robuuste methode, maar sommige aspecten moeten worden overwogen bij de planning van het experiment.
Aziridine cofactor: De 6BAz concentratie DNA labeling met M.BseCI was 60 uM. Wanneer andere DNA MTases de cofactor concentratie worden geoptimaliseerd, bijvoorbeeld concentraties van slechts 20 pM werden toegepast bij de DNA MTase M.TaqI 19. Lage 6BAz concentraties hebben…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Kerstin Glensk for preparing the MTases M.BseCI and Set7/9 and gratefully acknowledge funding by the Excellence Initiative of the German Federal and State Governments and RWTH Aachen University. The authors are happy to provide 6BAz and SeAdoYn or other cofactor analogues for collaborative research.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 6BAz | Synthesized according to Weinhold et al., Patent number US 8,129,106, published March 6, 2012. | ||
| β-Mercaptoethanol | Serva | 28625 | |
| Acetic acid | Fisher Scientific | 10304980 | |
| Acrylamide/Bis Solution, 37.5:1 | Serva | 10688 | |
| UltraPure Agarose | Invitrogen | 16500100 | |
| Ammonium persulfate (APS) | Serva | 13375 | |
| Bis-Tris | Gerbu | 1304 | |
| Boric acid | Gerbu | 1115 | |
| Bromophenol blue Na salt | Serva | 15375 | |
| Copper(II) sulfate | Aldrich | C1297 | |
| Chloroform | Fisher Scientific | 10020090 | |
| Coomassie Brilliant Blue | Serva | 17525 | |
| EDTA disodium salt | Gerbu | 1034 | |
| Ethanol | Merck | 100983 | |
| GelRed (10000x in water) | Biotium | 41003 | |
| Glycerol (99.5%) | Gerbu | 2006 | |
| FastRuler Low Range DNA Ladder | Thermo Scientific | SM1103 | |
| Histone H3 | Expressionplasmid obtained from Dr. Philipp Voigt and Prof. Danny Reinberg; expression and isolation according to T. J. Richmond et al., J. Mol. Biol. 1997, 272, 301-311. | ||
| M.BseCI | Expressionplasmid obtained from Dr. Michael Kokkinidis; expression and isolation according to Kapetaniou et al., Acta Cryst. 2006, F63, 12-14. | ||
| Methanol | Fisher Scientific | 10675112 | |
| Magnesiumchloride hexahydrate | J.T. Baker | 4003 | |
| MOPS | Gerbu | 1081 | |
| Sodium chloride | Gerbu | 1112 | |
| pH strip (Neutralit) | Merck | 1,095,330,001 | |
| pBR322 | Thermo Scientific | SD0041 | |
| R.TaqI (10u/µl) | Thermo Scientific | ER0671 | |
| SeAdoYn | Synthesized according to Willnow et al., ChemBioChem 2012, 13, 1167-1173. | ||
| Set7/9 | Expressionplasmid obtained from Prof. Danny Reinberg, expression and isolation according to D. Reinberg et al., Genes Dev.2002, 16, 479-489. | ||
| Streptavidin | Gerbu | 3058 | |
| (+)-Sodium L-ascorbate | Sigma Life Science | A7631 | |
| SDS Granular | Gerbu | 1833 | |
| di-Sodiumhydrogenphosphat | Merck | 106,586 | |
| TAMRA-azide | |||
| TaqI buffer (10x) | Thermo Scientific | B28 | |
| N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Acros Organics | 42058 | |
| Tris-HCl | Gerbu | 1028 | |
| Tris-X (TRIS-base) | Gerbu | 1018 | |
| Tris(3-hydroxypropyltriazolyl-methyl)amine (THPTA) | Sigma-Aldrich | 762342 |
Riferimenti
- Gottfried, A., Weinhold, E. Sequence-specific covalent labelling of DNA. Biochem. Soc. Trans. 39, 623-628 (2011).
- Zohar, H., Muller, S. J. Labeling DNA for single-molecule experiments: methods of labeling internal specific sequences on double-stranded DNA. Nanoscale. 3, 3027-3039 (2011).
- Hinner, M. J., Johnsson, K. How to obtain labeled proteins and what to do with them. Curr. Opin. Biotechnol. 21, 766-776 (2010).
- Wua, Y. -. W., Goody, R. S. Probing protein function by chemical modification. J. Pept. Sci. 16, 514-523 (2010).
- Struck, A. -. W., Thompson, M. L., Wong, L. S., Micklefield, J. S-Adenosyl-methionine-dependent methyltransferases: Highly versatile enzymes in biocatalysis, biosynthesis and other biotechnological applications. ChemBioChem. 13, 2642-2655 (2012).
- Klimasauskas, S., Weinhold, E. A new tool for biotechnology: AdoMet-dependent methyltransferases. Trends Biotechnol. 25, 99-104 (2007).
- Pljevaljcic, G., Schmidt, F., Weinhold, E. Sequence-specific Methyltransferase-Induced Labeling of DNA (SMILing DNA). ChemBioChem. 5, 265-269 (2004).
- Lukinavicius, G., Lapiene, V., Stasevskij, Z., Dalhoff, C., Weinhold, E., Klimasauskas, S. Targeted labeling of DNA by methyltransferase-directed Transfer of Activated Groups (mTAG). J. Am. Chem. Soc. 129, 2758-2759 (1021).
- Pignot, M., Siethoff, C., Linscheid, M., Weinhold, E. Coupling of a nucleoside with DNA by a methyltransferase. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 2888-2891 (1998).
- Weller, R. L., Rajski, S. R. Design, synthesis, and preliminary biological evaluation of a DNA methyltransferase-directed alkylating agent. ChemBioChem. 7, 243-245 (2006).
- Du, Y., Hendrick, C. E., Frye, K. S., Comstock, L. R. Fluorescent DNA Labeling by N-Mustard Analogues of S-adenosyl-l-methionine. ChemBioChem. 13, 2225-2233 (2012).
- Pljevaljcic, G., Schmidt, F., Scheidig, A. J., Lurz, R., Weinhold, E. Quantitative labeling of long plasmid DNA with nanometer precision. ChemBioChem. 8, 1516-1519 (1002).
- Wilkinson, S., et al. Molecular scale architecture: engineered three- and four-way junctions. Bioconjugate Chem. 19, 470-475 (2008).
- Braun, G., et al. Enzyme-directed positioning of nanoparticles on large DNA templates. Bioconjugate Chem. 19, 476-479 (2008).
- Kim, S., et al. Enzymatically incorporated genomic tags for optical mapping of DNA binding proteins. Chem. Int. Ed. 51, 3578-3581 (2012).
- Rina, M., Bouriotis, V. Cloning purification and characterization of the BseCI DNA methyltransferase from Bacillus stearothermophilus. Gene. 133, 91-94 (1993).
- Weinhold, E., Meier, T., Düfel, H., Markert-Hahn, C., Schmuck, R. Sequence-specific detection of methylation in biomolecules. US Patent. , (2012).
- Pljevaljcic, G., Pignot, M., Weinhold, E. Design of a new fluorescent cofactor for DNA methyltransferases and sequence-specific labeling of DNA. J. Am. Chem. Soc. 125, 3492-3410 (2003).
- Schmidt, F. H. -. G., Hüben, M., Gider, B., Renault, F., Teulade-Fichou, M. -. P., Weinhold, E. Sequence-specific Methyltransferase-Induced Labelling (SMILing) of plasmid DNA for studying cell transfection. Bioorg. Med. Chem. 16, 40-48 (2008).
- Dalhoff, C., Lukinavicius, G., Klimasauskas, S., Weinhold, E. Direct transfer of extended groups from synthetic cofactors by DNA methyltransferases. Nat. Chem. Biol. 2, 31-32 (2006).
- Lukinavicius, G., Tomkuviene, M., Masevicius, V., Klimasauskas, S. Enhanced chemical stability of AdoMet analogues for improved methyltransferase-directed labeling of DNA. ACS Chem. Biol. 8, 1134-1139 (2013).
- Motorin, Y., et al. Expanding the chemical scope of RNA:methyltransferases to site-specific alkynylation of RNA for click labeling. Nucleic Acids Res. 39, 1943-1952 (1943).
- Schulz, D., Holstein, J. M., Rentmeister, A. A chemo-enzymatic approach for site-specific modification of the RNA cap. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 7874-7878 (2013).
- Peters, W., et al. Enzymatic site-specific functionalization of protein methyltransferase substrates with alkynes for click labeling. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 5170-5173 (2010).
- Islam, K., Zheng, W., Yu, H., Deng, H., Luo, M. Expanding cofactor repertoire of protein lysine methyltransferase for substrate labeling. ACS Chem. Biol. 6, 679-684 (2011).
- Wang, R., Zheng, W., Yu, H., Deng, H., Luo, M. Labeling substrates of protein arginine methyltransferase with engineered enzymes and matched S-adenosyl-l-methionine analogues. J. Am. Chem. Soc. 133, 7648-7651 (2011).
- Islam, K., et al. Bioorthogonal profiling of protein methylation using azido derivative of S-adenosyl-l-methionine. J. Am. Chem. Soc. 134, 5909-5915 (2012).
- Islam, K., et al. Defining efficient enzyme-cofactor pairs for bioorthogonal profiling of protein methylation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 16778-16783 (2013).
- Binda, O., Boyce, M., Rush, J. S., Palaniappan, K. K., Bertozzi, C. R., Gozani, O. A chemical method for labeling lysine methyltransferase substrates. ChemBioChem. 12, 330-334 (2011).
- Willnow, S., Martin, M., Lüscher, B., Weinhold, E. A selenium-based click AdoMet analogue for versatile substrate labeling with wild-type protein methyltransferases. ChemBioChem. 13, 1167-1173 (2012).
- Bothwell, I. R., et al. Se-Adenosyl-l-selenomethionine cofactor analogue as a reporter of protein methylation. J. Am. Chem. Soc. 134, 14905-14912 (2012).
- Tomkuviene, M., Clouet-d’Orval, B., Cerniauskas, I., Weinhold, E., Klimasauskas, S. Programmable sequence-specific click-labeling of RNA using archaeal box C/D RNP methyltransferases. Nucleic Acids Res. 40, 6765-6773 (2012).
- Nishioka, K., et al. Set9, a novel histone H3 methyltransferase that facilitates transcription by precluding histone tail modifications required for heterochromatin formation. Genes Dev. 16, 479-489 (2002).
- Clark, P. M., et al. Direct in-gel fluorescence detection and cellular imaging of O-GlcNAc-modified proteins. J. Am. Chem. Soc. 130, (2008).
- Lukinavicius, G., Lapinaite, A., Urbanaviciute, G., Gerasimaite, R., Klimasauskas, S. Engineering the DNA cytosine-5 methyltransferase reaction for sequence-specific labeling of DNA. Nucleic Acids Res. 40, 11594-11602 (2012).
- Neely, R. K., Dedecker, P., Hotta, J., Urbanaviciute, G., Klimasauskas, S., Hofkens, J. DNA fluorocode: A single molecule, optical map of DNA with nanometre resolution. Chem. Sci. 1, 453-460 (2010).
- Roberts, R. J., Vincze, T., Posfai, J., Macelis, D. REBASE-a database for DNA restriction and modification: enzymes, genes and genomes. Nucleic Acids Res. 38, 234-236 (2010).
- Petrossian, T. C., Clarke, S. G. Uncovering the human methyltransferasome. Mol. Cell. Proteomics. 10, 1-12 (2011).
- Kriukiene, E., et al. DNA unmethylome profiling by covalent capture of CpG sites. Nat. Commun. 4, 2190 (2013).
- Wang, R., et al. Profiling genome-wide chromatin methylation with engineered posttranslation apparatus within living cells. J. Am. Chem. Soc. 135, 1048-1056 (2013).
- Zhang, C., Weller, R. L., Thorson, J. S., Rajski, S. R. Natural product diversification using a non-natural cofactor analogue of S-adenosyl-l-methionine. J. Am. Chem. Soc. 128, 2760-2761 (2006).
- Stecher, H., et al. Biocatalytic Fiedel-Crafts alkylation using non-natural cofactors. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 9546-9548 (2009).
- Lee, B. W. K., Sun, H. G., Zang, T., Kim, B. J., Alfaro, J. F., Zhou, Z. S. Enzyme-catalyzed transfer of a ketone group from an S-adenosylmethionine analogue: A tool for the functional analysis of methyltransferases. J. Am. Chem. Soc. 132, 3642-3643 (2010).
- Winter, J. M., et al. Expanding the structural diversity of polyketides by exploring the cofactor tolerance of an inline methyltransferase domain. Org. Lett. 15, 3774-3777 (2013).
