Visualisatie van Surface aangebonden grote DNA moleculen met een Fluorescent Protein DNA Binding Peptide

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

Visualisatie van grote DNA-moleculen gebonden op glas of kraal oppervlakken is gebruikt voor het onderzoeken van DNA-eiwit interacties, eiwit dynamica van DNA-substraat, ^1,2 en polymeerfysica. ^3,4 Een platform voor single-tethered grote DNA-moleculen heeft een paar verschillende voordelen ten opzichte van andere DNA immobilisatie werkwijzen. ⁵ Ten eerste, een groot DNA-molecuul gebonden aan het oppervlak een natuurlijke willekeurige coil conformatie zonder shear flow die cruciaal voor een DNA bindend eiwit aan zijn bindingsplaats herkennen. Ten tweede is het zeer gemakkelijk om de chemische omgeving rond DNA moleculen veranderen van een reeks enzymatische reacties in een stromingskamer. Ten derde, een microfluïde afschuifstroming induceert DNA moleculaire uitstrekt tot 100% van de volledige contour lengte, die zeer moeilijk te bereiken alternatieve DNA elongatie zal zoals oppervlakte immobilisatie ⁶ en nanokanaal opsluiting. ⁷ Een volledig stretched DNA molecuul ook positie-informatie voor de controle enzymatische bewegingen op de genomische kaart kan zijn.

Toch is de DNA-tethering aanpak heeft een kritische tekortkoming in de intercalerende kleurstof zoals YOYO-1 in het algemeen veroorzaakt tethered DNA-moleculen gemakkelijk om gebroken te worden door middel van fluorescentie excitatie licht. In het algemeen grote DNA moleculen te worden gemerkt met een fluorescente kleurstof voor visualisatie onder een fluorescentiemicroscoop. Daartoe YOYO-1 of andere TOTO series kleurstoffen worden vooral omdat deze kleurstoffen alleen fluoresceren wanneer ze dubbelstrengs DNA intercaleren. ⁸ is echter bekend dat bis-intercalerende kleurstof veroorzaakt licht geïnduceerde DNA foto-splitsing omdat intercalatie van de fluoroforen. ⁹ verder fluorescerend gekleurd DNA-moleculen gebonden aan het oppervlak zijn kwetsbaarder omdat shear flows uitoefenen brekende krachten op vrij bewegen DNA moleculen. Daarom hebben wij FP-DBP als nieuw DNA-eiwit kleuring kleurstof voor het afbeelden van grote DNA-moleculen gebonden aan het oppervlak. Het voordeel van FP-DBP is dat het geen foto-splitsing van de DNA-moleculen waaraan het bindt veroorzaakt. ¹⁰ Bovendien FP-DBP niet de contour lengte van DNA verhogen, terwijl bis-intercalerende kleurstoffen verhogen de contourlengte ongeveer 33%.

Deze video methode introduceert de experimentele aanpak voor tethering grote DNA-moleculen aan een PEG-biotine oppervlak. Figuur 1 toont verschillende benaderingen van aanbinden DNA met stompe uiteinden en sticky ends. Aldus kan deze kleuring worden toegepast op elk soort DNA-molecuul. Figuur 2 toont een schematische weergave van de stromingskamer samenstelling die kan worden gecontroleerd door een spuitpomp om dwarskracht stromen DNA-moleculen strekken en chemische en enzym plaatsen genereren oplossingen. Figuur 3 toont microfoto van volledig gestrekt DNA-moleculen gebonden aan het PEGylated oppervlak ¹¹ en gekleurd met FP-DBP.

Protocol

1. DNA Biotinylatie Biotinylering van stompe uiteinden DNA met behulp van Terminal transferase (TdT) Opmerking: Gebruik T4 DNA (166 kbp), dat een stomp eindigende DNA. Voeg 5 ul van 2,5 mM CoCl2, 5 pi 10 x reactiebuffer, 0,5 pi 10 mM biotine-11-dUTP, 0,5 gl terminale transferase (10 eenheden) en 0,5 pl T4 DNA (0,5 ug / ul) aan het reactiemengsel. Maak een eindvolume van 50 ul door toevoegen van 38,5 pl water. Incubeer het reactiemengsel bij 37 ° C geduren…

Representative Results

Figuur 1 toont twee verschillende DNA tethering methoden afhankelijk terminale structuur van het DNA-molecuul. Figuur 1a toont hoe de kleverige eindigende DNA moleculen worden gehybridiseerd met complementaire gebiotinyleerde oligonucleotiden, die worden geïmmobiliseerd op de met avidine beklede PEG oppervlak. Figuur 1b toont de toevoeging van gebiotinyleerd ddNTP en dNTP om de 3-hydroxylgroep van een stomp eindigende DNA door terminale…

Discussion

Hier presenteren we een platform voor het visualiseren van lange DNA-moleculen gebiotinyleerd voor het verankeren op oppervlakken. We hebben een aanpak voor het DNA-moleculen gebonden aan een avidine eiwit gecoate oppervlak met gebiotinyleerd runderserumalbumine. ⁶ In de eerdere benadering gemeld, vonden we een cruciale kwestie van DNA foto-splitsing veroorzaakt door bis-intercalatie kleurstoffen die DNA-moleculen vlekken vastgebonden op de oppervlak. Aangezien deze voortdurend opgewonden fluoroforen hebben e…

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.