Summary

Biochemische assays voor het analyseren van activiteiten van de ATP-afhankelijke chromatine remodeling Enzymen

Published: October 25, 2014
doi:

Summary

Here we describe biochemical assays that can be used to characterize ATP-dependent chromatin remodeling enzymes for their abilities to 1) catalyze ATP-dependent nucleosome sliding, 2) engage with nucleosome substrates, and 3) hydrolyze ATP in a nucleosome- or DNA-dependent manner.

Abstract

Members of the SNF2 family of ATPases often function as components of multi-subunit chromatin remodeling complexes that regulate nucleosome dynamics and DNA accessibility by catalyzing ATP-dependent nucleosome remodeling. Biochemically dissecting the contributions of individual subunits of such complexes to the multi-step ATP-dependent chromatin remodeling reaction requires the use of assays that monitor the production of reaction products and measure the formation of reaction intermediates. This JOVE protocol describes assays that allow one to measure the biochemical activities of chromatin remodeling complexes or subcomplexes containing various combinations of subunits. Chromatin remodeling is measured using an ATP-dependent nucleosome sliding assay, which monitors the movement of a nucleosome on a DNA molecule using an electrophoretic mobility shift assay (EMSA)-based method. Nucleosome binding activity is measured by monitoring the formation of remodeling complex-bound mononucleosomes using a similar EMSA-based method, and DNA- or nucleosome-dependent ATPase activity is assayed using thin layer chromatography (TLC) to measure the rate of conversion of ATP to ADP and phosphate in the presence of either DNA or nucleosomes. Using these assays, one can examine the functions of subunits of a chromatin remodeling complex by comparing the activities of the complete complex to those lacking one or more subunits. The human INO80 chromatin remodeling complex is used as an example; however, the methods described here can be adapted to the study of other chromatin remodeling complexes.

Introduction

SNF2 familie chromatine remodeling complexen zijn voorzien van een centrale SNF2-achtige ATPase subunit 1,2. Sommige SNF2-achtige ATPases functie enkelvoudige subeenheid enzymen, terwijl anderen werken als katalytische subeenheid grotere multi-subunit complexen. Ophelderen van de moleculaire mechanismen die voor elk van de subeenheden van chromatine remodeling complexen bijdragen aan hun activiteiten vereist het vermogen om biochemische testen die de verbouwing proces ontleden voeren.

ATP-afhankelijke nucleosoom remodeling door de menselijke INO80 complex en andere chromatine hermodellering enzymen kunnen worden voorgesteld als een meerstaps proces dat begint met binding van het enzym remodeling nucleosomen, gevolgd door activering van de DNA en / of nucleosoom-afhankelijke ATPase, translocatie van de verbouwing enzym op nucleosomale DNA, en de eventuele herpositionering van nucleosomen 1,2. Inzicht in de moleculaire details van de ATP-afhankelijke chromatine remodeling proces requires dissectie van de verbouwing reactie in zijn individuele stappen en definitie van de bijdragen van de individuele colli van het chromatine remodeling complex om elke stap van de reactie. Dergelijke analyses vereisen het vermogen om nucleosoom remodeling en andere activiteiten geanalyseerd middels gedefinieerde moleculaire substraten in vitro.

In een eerdere JOVE protocol, beschreven we procedures gebruikt om INO80 chromatine remodeling complexen en subes met gedefinieerde subunit composities 3 te genereren. Hier presenteren we drie biochemische assays die kwantitatieve analyse van de nucleosoom binden, DNA en nucleosoom-geactiveerde ATPase en nucleosoom remodeling activiteiten die bij dergelijke complexen mogelijk.

Protocol

1 ATP-afhankelijke Nucleosome Remodeling Testen Meten ATP-afhankelijke nucleosoom remodeling activiteiten, immuungezuiverd INO80 of INO80 subcomplexen geïncubeerd met ATP en mononucleosomal substraat, waarbij een enkele nucleosoom geplaatst aan een uiteinde van een 216-bp 32P-gemerkte DNA-fragment bevat. De reactieproducten worden vervolgens onderworpen aan elektroforese in natieve poly-acrylamide gels. De 32-P gemerkt, '601' DNA fragment genereren a…

Representative Results

De figuren tonen representatieve resultaten van biochemische assays gebruikt INO80 activiteiten te karakteriseren, zoals nucleosoom schuiven (figuur 1) en binding (figuur 2) assays en DNA of nucleosoom-afhankelijke ATPase tests (figuur 3). De in figuur 1 experiment vergelijkt het vermogen van intacte INO80 complexen gezuiverd door FLAG-Ies2 of FLAG-INO80E en INO80 subes gezuiverd door hetzij FLAG-Ino80ΔN of Ino80ΔNΔHSA ve…

Discussion

Om nucleosoom remodeling en ATPase activiteiten we waarnemen in assays afhankelijk van de katalytische activiteit van INO80 complexen, en niet op contaminerende remodeling en / of ATPase enzymen, we routinematig assay nucleosoom remodeling en ATPase activiteit van katalytisch inactieve versies INO80 complexen, gezuiverd parallel met wildtype INO80 volgens dezelfde procedure. Een negatieve controle reactie ontbreekt ATP moet worden uitgevoerd als het testen nucleosoom remodeling activiteit te testen op de aanwezigheid va…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Work in the authors’ laboratory is supported by a grant from the National Institute of General Medical Sciences (GM41628) and by a grant to the Stowers Institute for Medical Research from the Helen Nelson Medical Research Fund at the Greater Kansas City Community Foundation.

Materials

Name of Reagent/Material Company Catalog Number Comments
Protease Inhibitor Cocktail Sigma P8340
10x PCR reaction buffer  Roche Applied Science  11435094001
Roche Taq DNA Polymerase Roche Applied Science  11435094001
NucAway Nuclease-free Spin Columns  Ambion Cat. # AM10070
ultrapure ATP  USB/Affymetrix 77241 25 UM
bovine serum albumin  Sigma A9418 
N,N,N´,N´-tetramethylethylenediamine (TEMED) Thermo Scientific 17919 Fisher Scientific
40% Acrylamide/Bis 37.5:1 Amresco 0254-500ML
Sonicated salmon sperm DNAs  GE Healthcare 27-4565-01
10% ammonium persulfate (APS) Thermo Scientific 17874
benzonase  Novagen Cat. No. 70664
[α-32P] ATP (3000 Ci/mmol) PerkinElmer BLU003H250UC
dCTP, [α-32P]- 6000Ci/mmol PerkinElmer BLU013Z250UC
Equipment Company
PCR thermal cycler PTC 200 MJ Research PTC 200
Hoefer vertical electrophoresis unit Hoefer SE600X-15-1.5
lubricated 1.5ml microcentrifuge tubes  Costar 3207
Storage Phosphor Screen  Molecular Dynamics 63-0034-79
3MM filter paper Whatman  28458-005 VWR
Typhoon PhosphorImager  GE Healthcare 8600
ImageQuant software GE Healthcare ver2003.02
TLC Glass Plates, PEI-Cellulose F Millipore 5725-7
Immobilon-FL Transfer Membrane 7 x 8.4 Millipore IPFL07810
General purpose survey meter with end-window or pancake GM (Geiger-Mueller) probe Biodex Model 14C

References

  1. Clapier, C. R., Cairns, B. R. The biology of chromatin remodeling complexes. Annual Review of Biochemistry. 78, 273-304 (2009).
  2. Narlikar, G. J., Sundaramoorthy, R., Owen-Hughes, T. Mechanisms and functions of ATP-dependent chromatin-remodeling enzymes. Cell. 154 (3), 490-503 (2013).
  3. Chen, L., Ooi, S. K., Conaway, J. W., Conaway, R. C. Generation and purification of human INO80 chromatin remodeling complexes and subcomplexes. , (2013).
  4. Lowary, P. T., Widom, J. New DNA sequence rules for high affinity binding to histone octamer and sequence-directed nucleosome positioning. J. Mol. Biol. 276 (1), (1006).
  5. Owen-Hughes, T., et al. Analysis of nucleosome disruption by ATP-driven chromatin remodeling complexes. Methods Mol. Biol. 119, 319-331 (1999).
  6. Udugama, M., Sabri, A., Bartholomew, B. The INO80 ATP-dependent chromatin remodeling complex is a nucleosome spacing factor. Mol. Cell Biol. 31 (4), 662-673 (2011).
  7. Jin, J., et al. A mammalian chromatin remodeling complex with similarities to the yeast INO80 complex. Journal of Biological Chemistry. 280 (50), 41207-41212 (1074).
  8. Chen, L., et al. Subunit organization of the human INO80 chromatin remodeling complex: an evolutionarily conserved core complex catalyzes ATP-dependent nucleosome remodeling. Journal of Biological Chemistry. 286 (13), 11283-11289 (2011).
  9. Hamiche, A., Sandaltzopoulos, R., Gdula, D. A., Wu, C. ATP-dependent histone octamer sliding mediated by the chromatin remodeling complex NURF. Cell. 97 (7), 833-842 (1999).
  10. Polach, K. J., Widom, J. Restriction enzymes as probes of nucleosome stability and dynamics. Methods Enzymol. 304, 278-298 (1999).
  11. Anderson, J. D., Thastrom, A., Widom, J. Spontaneous access of proteins to buried nucleosomal DNA target sites occurs via a mechanism that is distinct from nucleosome translocation, Mol.Cell Biol. 22 (20), 7147-7157 (2002).
  12. Saha, A., Wittmeyer, J., Cairns, B. R. Chromatin remodeling through directional DNA translocation from an internal nucleosomal site. Nature Structural and Molecular Biology. 12 (9), 747-755 (2005).
  13. Gottschalk, A. J., et al. Poly(ADP-ribosyl)ation directs recruitment and activation of an ATP-dependent chromatin remodeler, Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 106 (33), 13770-13774 (2009).
  14. Clapier, C. R., Cairns, B. R. Regulation of ISWI involves inhibitory modules antagonized by nucleosomal epitopes. Nature. 492 (7428), 280-284 (2012).
  15. Brune, M., Hunter, J. L., Corrie, J. E. T., Direct Webb, M. R. Real-Time Measurement of Rapid Inorganic Phosphate Release Using a Novel Fluorescent Probe and Its Application to Actomyosin Subfragment 1 ATPase, Biochemistry. 33 (27), 8262-8271 (1994).
  16. Luk, E., et al. Stepwise histone replacement by SWR1 requires dual activation with histone H2A.Z and canonical nucleosome. Cell. 143 (5), 725-736 (2010).
check_url/kr/51721?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Chen, L., Ooi, S., Conaway, J. W., Conaway, R. C. Biochemical Assays for Analyzing Activities of ATP-dependent Chromatin Remodeling Enzymes. J. Vis. Exp. (92), e51721, doi:10.3791/51721 (2014).

View Video