Summary

Ved at kombinere Single-molekyle manipulation og Imaging for Studiet af protein-DNA interaktioner

Published: August 27, 2014
doi:

Summary

Her beskriver vi instrumentering og metoder til påvisning af en enkelt fluorescens-mærkede proteinmolekyler, der interagerer med en enkelt DNA-molekyle udspændt mellem to optisk indespærrede mikrosfærer.

Abstract

The paper describes the combination of optical tweezers and single molecule fluorescence detection for the study of protein-DNA interaction. The method offers the opportunity of investigating interactions occurring in solution (thus avoiding problems due to closeby surfaces as in other single molecule methods), controlling the DNA extension and tracking interaction dynamics as a function of both mechanical parameters and DNA sequence. The methods for establishing successful optical trapping and nanometer localization of single molecules are illustrated. We illustrate the experimental conditions allowing the study of interaction of lactose repressor (lacI), labeled with Atto532, with a DNA molecule containing specific target sequences (operators) for LacI binding. The method allows the observation of specific interactions at the operators, as well as one-dimensional diffusion of the protein during the process of target search. The method is broadly applicable to the study of protein-DNA interactions but also to molecular motors, where control of the tension applied to the partner track polymer (for example actin or microtubules) is desirable.

Introduction

Enkelt molekyle (SM) teknikker i høj grad har udviklet sig over de sidste tredive år for at imødekomme behovet for at overvinde nogle af de begrænsninger af traditionelle, bulkopløsning målinger 1-3. Manipulation af enkelte biologiske molekyler er skabt mulighed for at måle mekaniske egenskaber af biopolymerer 4 og styre de mekaniske parametre for protein-protein-5 og protein-DNA-interaktioner 6,7. SM fluorescenspåvisning, på den anden side udgør et utroligt alsidigt værktøj til at studere protein-aktivitet in vitro og in vivo, hvilket fører til muligheden for at lokalisere og spore enkelte molekyler med nanometer præcision. Ved montering af instrumentet point-spread funktion SM billedet, i virkeligheden, kan man udføre lokalisering med en præcision hovedsageligt afhængigt signal-støj-forhold (SNR) og nå en grænse på omkring en nanometer 8,9. Disse metoder finder magtfuldeanvendelser i studiet af dynamikken i motordrevne proteiner, såvel som af de diffusionsprocesser underliggende søgemål i DNA-bindende proteiner. Evnen til at bestemme diffusionskonstanter som en funktion af DNA-sekvensen, opholdstid på målet og nøjagtig måling af DNA længde undersøgt i endimensionale diffusion begivenheder udgør et effektivt værktøj til undersøgelse af protein-DNA-vekselvirkninger dynamik og for undersøgelsen af mekanismerne i specifikke mål søgning.

For nylig er kombination af disse to teknikker fremstilles en ny generation af forsøgsopstillinger 10-14 muliggør samtidig manipulation af et biologisk substrat (for eksempel en actin filament eller et DNA-molekyle) og påvisning / lokalisering af et interagerende partner enzym (for eksempel myosin eller et DNA-bindende protein). Fordelene ved disse teknikker primært hviler på muligheden for at udøve mekanisk kontrol over de fangne ​​polymer således enabling studiet af interaktion dynamik versus kræfter eller momenter. Også den metode tillader måling af biokemiske reaktioner langt fra overfladen, så man undgår en af de vigtigste begrænsninger klassiske SM metoder, nemlig behovet for immobilisering af molekyler under undersøgelse på en overflade (glas slide eller mikrosfærer).

Kombinationen af to enkelte molekyler teknikker kræver overvindelse flere tekniske vanskeligheder, hovedsagelig som følge af kravene i mekanisk stabilitet og tilstrækkelig SNR (især når de kræver lokalisering med nm præcision) 15. Især når kobling SM fluorescensdetektering med optiske pincet, reduktion af støj og fotoblegning fra fældefangst infrarøde lasere 16 og kontrol af biokemiske buffere til samling af de biologiske komplekser og udførelsen af de eksperimentelle målinger 11 er af allerstørste betydning. Her beskriver vi de metoder for succesfuldmålinger i en dobbelt fældefangst / SM Fluorescens lokalisering setup. Metodikken er illustreret med eksempel laktose repressorprotein (LacI) fluorescensmærket (med Atto532) og påvist, da det binder sig til et DNA-molekyle (fanget mellem to optiske pincet), der indeholder specifikke Laci bindende sekvenser (dvs. operatører). Vi demonstrere effektiviteten af ​​metoden til påvisning af binding af LacI til DNA og udbredelse langs dens kontur i målet søgeprocessen. Metoden er anvendelig for enhver kombination af DNA-sekvensen og DNA-bindende protein, samt til andre systemer (mikrotubuli eller actinfilamenter og motoren proteiner, der interagerer med dem).

Protocol

1. Optisk Pincet Opsætning med nanometer Stabilitet Forsøgsopstillingen skal give to optiske pincet med pege stabilitet ved udsving nanometer niveau og intensitet trapping laser under 1%. Kombination af disse betingelser vil sikre nanometer stabilitet håndvægt under typiske spænding (1 pn – par snese PN), fælde stivhed (0,1 pN / nm) og målebåndbredde (billedet erhvervelse sats 20 sek -1). En ordning af forsøgsopstillingen er afbildet i figur 1. …

Representative Results

I et vellykket eksperiment, undergår en (eller flere) mærkede proteiner bindende / uforpligtende og / eller monodimensional diffusion langs DNA-molekylet (figur 3A). Lokalisering af proteiner langs DNA-molekylet tillader kvantificering af kinetiske parametre som en funktion af DNA-sekvensen. Når pufferbetingelser forårsager 1D diffusion anvendes, er det muligt at følge protein baner, og bestemme, for eksempel, diffusionskoefficienten D 1D. Den præcise placer…

Discussion

I det sidste årti, har enkelt molekyle manipulation og billedbehandling teknikker set store fremskridt i form af rumlige og tidsmæssige opløsning. Kombinationen af ​​manipulering og billeddannende teknikker er ved foden af ​​stærke instrumenter, der nu tillader kontrol af de mekaniske betingelser i en enkelt biologisk polymer, såsom DNA, RNA eller cytoskeletale filamenter, og den samtidige lokalisering af enkelte proteiner interagerer med den samme polymer . Styring de mekaniske fanget polymer er af særlig…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Gijs wuite Erwin JG Peterman, og Peter Gross efter hjælp til mikrofluidik og Alessia Tempestini hjælp til prøveforberedelse. Denne forskning blev finansieret af Den Europæiske Union syvende rammeprogram (FP7 / 2007-2013) under tilskudsaftale n ° 284464 og fra det italienske ministerium for uddannelse, universiteter og forskning FIRB 2011 RBAP11X42L006, Futuro i Ricerca 2013 RBFR13V4M2, og inden for rammerne af flagskibsprojekt Nanomax.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description Web Address
elastomeric isolators Newport Newdamp Choose the appropriate Newdamp elastomer depending on the microscope weight and resonance frequencies http://www.newport.com
optical isolator Optics for Research IO-3-YAG-VHP http://www.ofr.com
Nd:YAG laser, 1064 nm wavelength Spectra-Physics Millennia IR http://www.newport.com/
acousto-optic deflectors (AODs) A&A optoelectronic DTS-XY 250 http://www.aaoptoelectronic.com/
Direct Digital Synthesizers Analog Devices http://www.analog.com/
quadrant detector photodiodes OSI optoelectronics SPOT-15-YAG http://www.osioptoelectronics.com
DIO and FPGA board National Instruments NI-PCI-7830R http://www.ni.com
Halogen lamp Schott KL 1500 LCD http://www.schott.com
Condenser Olympus U-AAC 1.4NA Aplanat Apchromat http://www.olympus-global.com/en/
Objective Nikon CFI Plan Apochromat 60x 1.2NA water immersion http://www.nikoninstruments.com
532 nm laser Coherent Sapphire http://www.coherent.com
CCD 200X and 2000X Hamamatsu  XC-ST70 CE http://www.hamamatsu.com
electron-multiplied CCD Hamamatsu  C9100-13 http://www.hamamatsu.com/
piezo stage with nm-accuracy Physik Instrumente P-527.2CL  http://www.physikinstrumente.com/
Emission Filter Chroma Technologies 600/100m http://www.chroma.com
silica beads (1.54 mm) Bangs Laboratories SS04N/5303 http://www.bangslabs.com/
Albumin from bovine serum (BSA) Sigma Aldrich B4287 http://www.sigmaaldrich.com/
pentyl acetate  Sigma Aldrich 46022 Flammable liquid and vapour (No 1272/2008) http://www.sigmaaldrich.com/
nitrocellulose Sigma Aldrich N8267-5EA Flammable solid  (No 1272/2008) http://www.sigmaaldrich.com/
heat block MPM Instruments Srl M502-HBD with 2 removable blocks; preheated at 120° C http://www.mpminstruments.com
NanoPort assemblies Upchurch Scientific Inc. N-333 http://www.upchurch.com/
polyetheretherketone tubing  Upchurch Scientific Inc. 1535 http://www.upchurch.com/
home-made metallic holder for the assembly of the flow-chamber pressure reservoir made of Plexiglass
luer lock-tip syringes 2.5 mL Terumo SS 02LZ1 http://www.terumomedical.com
shut-off valves  Upchurch Scientific, Inc. P-732 http://www.upchurch.com/
flangeless fittings  Upchurch Scientific, Inc. LT-111 http://www.upchurch.com/
fluorinated ethylene propylene tubing  Upchurch Scientific, Inc. 1549 http://www.upchurch.com/
two computer-controlled solenoid valves Clippard, Cincinnati, USA ET-2-H-M5 http://www.clippard.com
pressure transducer Druck LTD PTX 1400
biotin-14-dCTP  Life Technologies 19518-018 http://www.lifetechnologies.com/
Terminal deoxynucleotidyl Transferase (TdT) Thermoscientific EP0161 http://www.thermoscientificbio.com/
ATTO532 maleimide Sigma Aldrich 68499 http://www.sigmaaldrich.com/
N,N-dimethylformamide (DMF)  Sigma Aldrich 227056 Combustible Liquid, Harmful by skin absorption., Irritant, Teratogen. H226; H303; H312; H316; H319; H331; H360; P201; P261; P280;P305; P351; P338; P311 http://www.sigmaaldrich.com/
Tris-(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP)  Sigma Aldrich C4706 http://www.sigmaaldrich.com/
L-Glutathione reduced (GSH) Sigma Aldrich G4251 Acute toxicity, Oral (Category 5), H303 http://www.sigmaaldrich.com/
Amicon Ultra-15, PLQK Ultracel-PL Membrane, 10 kDa cutoff spin concentrators Merck Millipore UFC901024 http://www.merckmillipore.it/
streptavidin-coated polystyrene beads 1,87 µm Spherotech, Inc. SVP-15-5 http://www.spherotech.com/

References

  1. Monico, C., Capitanio, M., Belcastro, G., Vanzi, F., Pavone, F. S. Optical Methods to Study Protein-DNA Interactions in Vitro and in Living Cells at the Single-Molecule Level. International journal of molecular sciences. 14, 3961-3992 (2013).
  2. Tinoco, I., Gonzalez, R. L. Biological mechanisms, one molecule at a time. Genes & development. 25, 1205-1231 (2011).
  3. Capitanio, M., et al. Exploring molecular motors and switches at the single-molecule level. Micr. Res. Tech. 65, 194-204 (2004).
  4. Smith, S. B., Finzi, L., Bustamante, C. Direct mechanical measurements of the elasticity of single DNA molecules by using magnetic beads. Science. 258, 1122-1126 (1992).
  5. Block, S. M., Goldstein, L. S., Schnapp, B. J. Bead movement by single kinesin molecules studied with optical tweezers. Nature. 348, 348-352 (1990).
  6. Wang, M. D., et al. Force and velocity measured for single molecules of RNA polymerase. Science. 282, 902-907 (1998).
  7. Capitanio, M., et al. Ultrafast force-clamp spectroscopy of single molecules reveals load dependence of myosin working stroke. Nat Methods. 9, 1013-1019 (2012).
  8. Thompson, R. E., Larson, D. R., Webb, W. W. Precise nanometer localization analysis for individual fluorescent probes. Biophys J. 82, 2775-2783 (2002).
  9. Yildiz, A., et al. Myosin V walks hand-over-hand: single fluorophore imaging with 1.5-nm localization. Science. 300, 2061-2065 (2003).
  10. Biebricher, A., Wende, W., Escude, C., Pingoud, A., Desbiolles, P. Tracking of single quantum dot labeled EcoRV sliding along DNA manipulated by double optical tweezers. Biophys J. 96, 50-52 (2009).
  11. Candelli, A., Wuite, G. J., Peterman, E. J. Combining optical trapping, fluorescence microscopy and micro-fluidics for single molecule studies of DNA-protein interactions. Physical chemistry chemical physics : PCCP. 13, 7263-7272 (2011).
  12. Capitanio, M., Cicchi, R., Pavone, F. S. Continuous and time-shared multiple optical tweezers for the study of single motor proteins. Optics and Lasers in Engineering. 45, 450-457 (2007).
  13. Harada, Y., et al. Single-molecule imaging of RNA polymerase-DNA interactions in real time. Biophys J. 76, 709-715 (1999).
  14. van Mameren, J., et al. Counting RAD51 proteins disassembling from nucleoprotein filaments under tension. Nature. 457, 745-748 (2009).
  15. Capitanio, M., Maggi, D., Vanzi, F., Pavone, F. Fiona in the trap: the advantages of combining optical tweezers and fluorescence. J Opt A: Pure Appl Opt. 9, s157 (2007).
  16. Dijk, M. A., Kapitein, L. C., Mameren, J., Schmidt, C. F., Peterman, E. J. Combining optical trapping and single-molecule fluorescence spectroscopy: enhanced photobleaching of fluorophores. J Phys Chem B. 108, 6479-6484 (2004).
  17. Capitanio, M., Cicchi, R., Pavone, F. S. Position control and optical manipulation for nanotechnology applications. European Physical Journal B. 46, 1-8 (2005).
  18. Capitanio, M., et al. Calibration of optical tweezers with differential interference contrast signals. Review of Scientific Instruments. 73, 1687-1696 (2002).
  19. Elangovan, R., et al. An integrated in vitro and in situ study of kinetics of myosin II from frog skeletal muscle. J Physiol. 590, 1227-1242 (2012).
  20. Wuite, G. J. L., Davenport, R. J., Rappaport, A., Bustamante, C. An integrated laser trap/flow control video microscope for the study of single biomolecules. Biophysical Journal. 79, 1155-1167 (2000).
  21. Brewer, L. R., Bianco, P. R. Laminar flow cells for single-molecule studies of DNA-protein interactions. Nat Methods. 5, 517-525 (2008).
  22. Rutkauskas, D., Zhan, H. L., Matthews, K. S., Pavone, F. S., Vanzi, F. Tetramer opening in LacI-mediated DNA looping. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 16627-16632 (2009).
  23. Marko, J. F., Siggia, E. D. Stretching DNA. Macromolecules. 28, 8759-8770 (1995).
  24. van Mameren, J., et al. Unraveling the structure of DNA during overstretching by using multicolor, single-molecule fluorescence imaging. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 18231-18236 (2009).
  25. Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. Stretching DNA with optical tweezers. Biophys J. 72, 1335-1346 (1997).
  26. Ma, H., Long, F., Zeng, S., Huang, Z. L. Fast and precise algorithm based on maximum radial symmetry for single molecule localization. Opt Lett. 37, 2481-2483 (2012).
  27. Parthasarathy, R. Rapid, accurate particle tracking by calculation of radial symmetry centers. Nat Methods. 9, 724-726 (2012).
check_url/kr/51446?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Monico, C., Belcastro, G., Vanzi, F., Pavone, F. S., Capitanio, M. Combining Single-molecule Manipulation and Imaging for the Study of Protein-DNA Interactions. J. Vis. Exp. (90), e51446, doi:10.3791/51446 (2014).

View Video