JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioquímica

Kapak Bağımlı Çeviri Kinetiğinin Analizi için Bir In Vitro Tek Moleküllü Görüntüleme Tahlili

Published: September 15, 2020
doi:
10.3791/61648
, ,
1Molecular Biology Program,Memorial Sloan Kettering Cancer Center

Summary

Bireysel çeviri olaylarını izlemek, kap bağımlı çeviri mekanizmalarının yüksek çözünürlüklü kinetik çalışmalarına izin verir. Burada floresan etiketli antikorlar ve epitop etiketli nascent peptitler arasındaki görüntüleme etkileşimlerine dayanan bir in vitro tek moleküllü test gösteriyoruz. Bu yöntem, aktif in vitro kap bağımlı çeviri sırasında başlatma ve peptit uzama kinetiğinin tek moleküllü karakterizasyonunu sağlar.

Abstract

Kap bağımlı protein sentezi ökaryotik hücrelerde baskın çeviri yoludur. Çeşitli biyokimyasal ve genetik yaklaşımlar, kap bağımlı çeviri ve düzenlemesinin kapsamlı çalışmalarına izin vermiş olsa da, bu çeviri yolunun yüksek çözünürlüklü kinetik karakterizasyonu hala eksiktir. Son zamanlarda, kap bağımlı çeviri kinetiğini tek molekül çözünürlüğü ile ölçmek için bir in vitro test geliştirdik. Test, floresan etiketli antikorun nascent epitop etiketli polipeptide bağlanmasına dayanmaktadır. Antikorların nascent peptid–ribozom-mRNA komplekslerine bağlanması ve ayrışması görüntülenerek, bireysel mRNA’lardaki çeviri ilerlemesi izlenebilir. Burada, mRNA ve PEGylated slayt preparatları, çevirinin gerçek zamanlı görüntülenmesi ve tek molekül yörüngelerinin analizi de dahil olmak üzere bu tahlilin oluşturulması için bir protokol sunuyoruz. Bu tahlil, kapak bağımlı çeviri olaylarının izlenmesini sağlar ve başlatma ve uzama oranları gibi anahtar çeviri kinetiğini çözümler. Test, farklı çeviri sistemlerine yaygın olarak uygulanabilir ve kap bağımlı çeviri kinetiği ve çeviri kontrol mekanizmalarının in vitro çalışmalarına geniş ölçüde fayda sağlamalıdır.

Introduction

Ökaryotik sistemlerde çeviri ağırlıklı olarak 7-metilguanosin (m7G) kap bağımlı yollar1yoluyla gerçekleşir. Çalışmalar, ökaryotik çevirinin başlangıç adımının hız sınırlayıcı ve yönetmelik2, 3,4için ortak bir hedef olduğunu göstermektedir. Kapak bağımlı çeviri mekanizmaları genetik5, biyokimyasal6, 7 ,8,yapısal9ve genomik10 toplu yaklaşımlar kullanılarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu yöntemler kap bağımlı başlatmayı düzenleyen çeşitli mekanizmalar tanımlamış olsa da, çözünürlükleri onları heterojen ve zaman uyumsuz başlatma olaylarından gelen sinyallerin ortalamasıyla sınırlar. Daha yakın zamanda, bireysel in vivo çeviri olayları, nascent polipeptidleri 11 , 12 , 13,14üzerindeki epitoplara floresan antikor bağlanmasını ölçen yöntemlerle görselleştirilmiştir. Bununla birlikte, bu yeni yaklaşımların bireysel başlatma olaylarını çözme yetenekleri de sınırlıdır, çünkü çoklu floresan antikorların, tek çeviri olaylarının yüksek hücre içi floresan arka plandan çözülmesine izin vermek için bir nascent peptid bağlaması gerekir. Birçok biyolojik etkileşimde, çözülen bireysel kinetik olaylar, moleküler düzeyde senkronize olması mümkün olmayan karmaşık çok noktalı ve tekrarlayan biyolojik süreçleri anlamak için kritik içgörüler sağlamıştır. Kap’a bağımlı başlatma ve düzenlemenin daha iyi anlaşılması için bireysel çeviri olaylarının dinamiklerini izleyebilecek yeni yöntemlere ihtiyaç vardır.

Yakın zamanda tek moleküllü çözünürlük15ile kap bağımlı başlatma kinetiğini ölçen bir in vitro test geliştirdik. Bu başlangıç yolu3,16‘da yer alan çok sayıda bilinen ve bilinmeyen protein faktörü göz önünealındığında,tek moleküllü test, hücresel faktörlerin korunmasından ve sağlam çeviri aktivitesinden yararlanmak için mevcut in vitro hücresiz çeviri sistemleriyle uyumlu olacak şekilde geliştirilmiştir17,18,19,20,21,22,23,24,25. Ayrıca, hücresiz çeviri sistemlerinin kullanımı, tek moleküllü gözlemler ve önceki toplu sonuçlar arasında daha uyumlu karşılaştırmalar sağlar. Bu yaklaşım, yeni tek moleküllü kinetik içgörülerin, kap bağımlı başlatmanın mevcut mekanistik çerçevesine doğrudan entegrasyonunu sağlar. Tek moleküllü tahlil oluşturmak için, geleneksel hücresiz çeviri sistemi üç şekilde değiştirilir: bir muhabir mRNA’nın açık okuma çerçevesinin (ORF) başına bir epitop kodlama dizisi eklenir; muhabir mRNA’nın 3′ ucu, mRNA’nın tek moleküllü algılama yüzeyine uç bağlamasını kolaylaştırmak için biyotinillenmiştir; ve floresan etiketli antikorlar çeviri özüne desteklenir. Bu değişiklikler sadece temel moleküler biyoloji tekniklerini ve yaygın olarak bulunan reaktifleri gerektirir. Ayrıca, bu değişiklikler ve tek moleküllü görüntüleme koşulları, toplu hücre içermeyen çeviri reaksiyonlarının çeviri kinetiğini korur15.

Bu tahlilde (Şekil 1), 5′-end kapaklı ve 3′-uç biyotiniled muhabir mRNA bir akış odasında streptavidin kaplı bir algılama yüzeyine hareketsiz hale getirilir. Akış odası daha sonra floresan etiketli antikorlarla desteklenmiş hücresiz bir çeviri karışımı ile doldurulur. MRNA çevirisi epitop dizisi 26 , 27’nin aşağı akışında yaklaşık30-40kodon meydana geldiktensonra,epitop ribozom çıkış tünelinden çıkar ve floresan etiketli antikorla etkileşime girmek için erişilebilir hale gelir. Bu etkileşim hızlıdır ve tek moleküllü floresan görüntüleme teknikleri ile algılanmasını, aktif hücresiz çeviri sırasında tek moleküllü çözünürlükle çeviri kinetiğinin izlenmesini sağlar. Bu tahlil, özellikle çalışan toplu in vitro teste sahip sistemler için, kap bağımlı çeviri kinetiğinin in vitro çalışmalarına ve düzenlenmesine geniş ölçüde fayda sağlamalıdır.

Bu tek moleküllü tahlilin kurulmasının bir ön koşulu, ticari olarak mevcut olan veya daha önce açıklanan yöntemleri izleyerek hazırlanan çeviri özü kullanılarak elde edilebilen çalışan bir toplu hücre içermeyen çeviri tahlilidir28. Ökaryotik çeviri özü mantar, memeli ve bitki28dahil olmak üzere çeşitli hücrelerden elde edilebilir. Görüntüleme için, bu test ayarlanabilir lazer yoğunluğu ve olay açısı ile donatılmış bir TIRF mikroskobu, motorlu bir numune aşaması, motorlu akışkanlar sistemi ve numune sıcaklık kontrol cihazı gerektirir. Bu gereksinimler modern in vitro tek moleküllü TIRF deneyleri için geneldir ve farklı şekilde elde edilebilir. Burada sunulan deney, malzeme tablosundalistelenen ticari olarak kullanılabilen mikroskop, yazılım ve aksesuarlardan oluşan objektif tip bir TIRF sistemi kullanır.

Protocol

1. Muhabir mRNA’nın nesli “Etiketli” bir muhabir mRNA için DNA transkripsiyon şablonu oluşturmak için bir N-terminus epitope etiket kodlama dizisi ekleyerek toplu test “etiketsiz” muhabir mRNA’yı kodlayan bir DNA transkripsiyon şablonunu değiştirin (Şekil 2A).NOT: Üstün hassasiyeti ve kısa 3xFLAG etiket uzunluğu nedeniyle bu test için 3xFLAG/bayrak karşıtı etkileşim önerilir. Bununla birlikte, test diğer epitop /antikor çiftleri ile uyumludur. Do…

Representative Results

Açıklanan protokolün ardından, 3′ son bağlı muhabir mRNA’nın aktif hücresiz çevirisi sırasında tek molekül çözünürlüğü ile nascent N-terminal etiketli polipeptitlerle bireysel antikor etkileşimlerinin görüntülenmesini sağlar (Şekil 1). Üç sentetik mRNA’nın kullanımıyla minimum bir gösteri deneyi rapor edilir: LUC (etiketlenmemiş lucifeaz kodlama), LUCFLAG (3xFLAG etiketli lucifease kodlaması) ve hp-LUC<s…

Discussion

Tipik in vitro TIRF tek moleküllü deneylere kıyasla, burada açıklanan test ile tek moleküllü görüntüleme, hücre ekstresi ve floresan etiketli antikorun yüksek konsantrasyonu nedeniyle ek olarak karmaşıktır. Bir tur yüzey PEGylation’ın daha yaygın uygulaması ile karşılaştırıldığında, ikinci bir PEGylation turu (adım 2), algılama yüzeyine spesifik olmayan antikor bağlanmasını büyük ölçüde azaltır15. Difüzör floresan antikorların yüksek konsantrasyo…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri [R01GM121847] tarafından desteklendi; Memorial Sloan Kettering Kanser Merkezi (MSKCC) Destek Hibesi/Çekirdek Hibesi (P30 CA008748); ve MSKCC Fonksiyonel Genomik İnisiyatifi.

Materials

100X oil objective, N.A. 1.49 Olympus UAPON 100XOTIRF
Acryamide/bis (40%, 19:1) Bio-Rad 161-0144
Alkaline liquid detergent Decon 5332
Aminosilane (N-(2-Aminoethyl)-3-Aminopropyltrimethoxysilane) UCT Specialties, LLC A0700
Andor ixon Ultra DU 897V EMCCD Andor DU-897U-CSO-#BV
Andor Solis software Andor For controlling the Andor EMCCD
Band-pass filter Chroma 532/640/25
Band-pass filter Chroma NF03-405/488/532/635E-25
Biotin-PEG-SVA Laysan Bio Inc Biotin-PEG-SVA
Coenzyme A free acid Prolume 309-250
Coolterm software For controlling the syringe pump
Desktop computer Dell For controlling the microscope, camera, stage, and pump.
Dichroic mirror Semrock R405/488/532/635
Direct-zol RNA microprep 50RNX Fisher Scientific NC1139450
Dual-Luciferase Reporter Assay System Promega E1910
Epoxy Devcon 14250
Firefly luciferin D-Luciferin free acid Prolume 306-250
Glacial acetic acid Fisher Scientific BP1185500
Hydrogen perioxide Sigma-Aldrich 216763-500ML
Immersion oil Olympus Z-81226A Low auto-fluorescence
Luciferase Assay System Promega E1500
MEGASCRIPT T7 Transcription Kit Thermo fisher AM1334
Methanol Fisher Scientific MMX04751
Microscope Olympus IX83
Microscope slide Thermo Scientific 3048
Monoclonal anti-FLAG M2-Cy3 Sigma-Aldrich A9594
mPEG-SVA Laysan Bio Inc mPEG-SVA-5000
MS(PEG)4 Thermo Scientific 22341
NaCl (5M) Thermo Scientific AM9760G
No 1.5 microscope Cover glass Fisherband 12-544-C
Olympus Laser, 532nm 100mM Olympus digital Laser system CMR-LAS 532nm 100mW
Olympus TirfCtrl software Olympus For controlling the laser intensity and incident angle
Optical table TMC vibration control 63-563 With vibration isolation
Phenol chloroform isoamyl alcohol mix Sigma-Aldrich 77617-100ml
Pierce RNA 3' End Biotinylation Kit Thermo Scientific 20160
Potassium hydroxide pellets Sigma-Aldrich P1767-500G
Prior motorized XY translation stage Prior PS3J100
Prior PriorTest software Prior For controlling the Prior motorized stage
Recombinant RNasin RNase Inhibitor Promega N2515
Stage top Incubator In vivo scientific (world precision Instruments) 98710-1 With a custom built acrylic cage
Staining jar Fisher Scientific 08-817
Streptavidin Thermo Scientific 43-4301
Sulfuric acid Fisher Scientific A300212
SYBR green II Fisher Scientific S7564
Syringe Hamilton 1725RN
Syringe pump Harvard apparatus 55-3333
Tris (1M), pH = 7.0 Thermo Scientific AM9850G
Ultrasonic Bath Branson CPX1800H
Urea Sigma-Aldrich U5378-500G
Vaccinia Capping system New England Biolabs M2080S
Zymo-Spin IC Columns Zymo Research C1004
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Hinnebusch, A. G. The scanning mechanism of eukaryotic translation initiation. Annual Review of Biochemistry. 83, 779-812 (2014).
  2. Gebauer, F., Hentze, M. W. Molecular mechanisms of translational control. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 5, 827-835 (2004).
  3. Jackson, R. J., Hellen, C. U., Pestova, T. V. The mechanism of eukaryotic translation initiation and principles of its regulation. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 11, 113-127 (2010).
  4. Silvera, D., Formenti, S. C., Schneider, R. J. Translational control in cancer. Nature Reviews Cancer. 10, 254-266 (2010).
  5. Saini, A. K., Nanda, J. S., Lorsch, J. R., Hinnebusch, A. G. Regulatory elements in eIF1A control the fidelity of start codon selection by modulating tRNA(i)(Met) binding to the ribosome. Genes and Development. 24, 97-110 (2010).
  6. Algire, M. A., et al. Development and characterization of a reconstituted yeast translation initiation system. RNA. 8, 382-397 (2002).
  7. Amrani, N., Ghosh, S., Mangus, D. A., Jacobson, A. Translation factors promote the formation of two states of the closed-loop mRNP. Nature. 453, 1276-1280 (2008).
  8. Pisarev, A. V., Unbehaun, A., Hellen, C. U., Pestova, T. V. Assembly and analysis of eukaryotic translation initiation complexes. Methods in Enzymology. 430, 147-177 (2007).
  9. Hinnebusch, A. G. Structural insights into the mechanism of scanning and start codon recognition in eukaryotic translation initiation. Trends in Biochemical Sciences. 42, 589-611 (2017).
  10. Iwasaki, S., Ingolia, N. T. The growing toolbox for protein synthesis studies. Trends in Biochemical Sciences. 42, 612-624 (2017).
  11. Morisaki, T., et al. Real-time quantification of single RNA translation dynamics in living cells. Science. 352, 1425-1429 (2016).
  12. Wang, C., Han, B., Zhou, R., Zhuang, X. Real-time imaging of translation on single mRNA transcripts in live cells. Cell. 165, 990-1001 (2016).
  13. Wu, B., Eliscovich, C., Yoon, Y. J., Singer, R. H. Translation dynamics of single mRNAs in live cells and neurons. Science. 352, 1430-1435 (2016).
  14. Yan, X., Hoek, T. A., Vale, R. D., Tanenbaum, M. E. Dynamics of translation of single mRNA molecules in vivo. Cell. 165, 976-989 (2016).
  15. Wang, H., Sun, L., Gaba, A., Qu, X. An in vitro single-molecule assay for eukaryotic cap-dependent translation initiation kinetics. Nucleic Acids Research. 48, 6 (2020).
  16. Aitken, C. E., Lorsch, J. R. A mechanistic overview of translation initiation in eukaryotes. Nature Structural & Molecular Biology. 19, 568-576 (2012).
  17. Anderson, C. W., Straus, J. W., Dudock, B. S. Preparation of a cell-free protein-synthesizing system from wheat germ. Methods in Enzymology. 101, 635-644 (1983).
  18. Erickson, A. H., Blobel, G. Cell-free translation of messenger RNA in a wheat germ system. Methods in Enzymology. 96, 38-50 (1983).
  19. Iizuka, N., Najita, L., Franzusoff, A., Sarnow, P. Cap-dependent and cap-independent translation by internal initiation of mRNAs in cell extracts prepared from Saccharomyces cerevisiae. Molecular and Cellular Biology. 14, 7322-7330 (1994).
  20. Iizuka, N., Sarnow, P. Translation-competent extracts from Saccharomyces cerevisiae: effects of L-A RNA, 5′ cap, and 3′ poly(A) tail on translational efficiency of mRNAs. Methods. 11, 353-360 (1997).
  21. Jackson, R. J., Hunt, T. Preparation and use of nuclease-treated rabbit reticulocyte lysates for the translation of eukaryotic messenger RNA. Methods in Enzymology. 96, 50-74 (1983).
  22. Sachs, M. S., et al. Toeprint analysis of the positioning of translation apparatus components at initiation and termination codons of fungal mRNAs. Methods. 26, 105-114 (2002).
  23. Tarun, S. Z., Sachs, A. B. A common function for mRNA 5′ and 3′ ends in translation initiation in yeast. Genes and Development. 9, 2997-3007 (1995).
  24. Wang, Z., Sachs, M. S. Ribosome stalling is responsible for arginine-specific translational attenuation in Neurospora crassa. Molecular and Cellular Biology. 17, 4904-4913 (1997).
  25. Wang, Z., Sachs, M. S. Arginine-specific regulation mediated by the Neurospora crassa arg-2 upstream open reading frame in a homologous, cell-free in vitro translation system. Journal of Biological Chemistry. 272, 255-261 (1997).
  26. Fedyukina, D. V., Cavagnero, S. Protein folding at the exit tunnel. Annual Review of Biophysics. 40, 337-359 (2011).
  27. Jha, S., Komar, A. A. Birth, life and death of nascent polypeptide chains. Biotechnology Journal. 6, 623-640 (2011).
  28. Gregorio, N. E., Levine, M. Z., Oza, J. P. A user’s guide to cell-free protein synthesis. Methods and Protocols. 2, 24 (2019).
  29. Zhovmer, A., Qu, X. Proximal disruptor aided ligation (ProDAL) of kilobase-long RNAs. RNA Biology. 13, 613-621 (2016).
  30. Wu, C., Sachs, M. S. Preparation of a Saccharomyces cerevisiae cell-free extract for in vitro translation. Methods in Enzymology. 539, 17-28 (2014).
  31. Zhao, R., Rueda, D. RNA folding dynamics by single-molecule fluorescence resonance energy transfer. Methods. 49, 112-117 (2009).
  32. Chandradoss, S. D., et al. Surface passivation for single-molecule protein studies. Journal of Visualized Experiments. (86), e50549 (2014).
  33. Deindl, S., Zhuang, X. Monitoring conformational dynamics with single-molecule fluorescence energy transfer: applications in nucleosome remodeling. Methods in Enzymology. 513, 59-86 (2012).
  34. Greene, E. C., Wind, S., Fazio, T., Gorman, J., Visnapuu, M. L. DNA curtains for high-throughput single-molecule optical imaging. Methods in Enzymology. 472, 293-315 (2010).
  35. Gaba, A., Wang, Z., Krishnamoorthy, T., Hinnebusch, A. G., Sachs, M. S. Physical evidence for distinct mechanisms of translational control by upstream open reading frames. The EMBO Journal. 20, 6453-6463 (2001).
  36. Schaffer, B., Grogger, W., Kothleitner, G. Automated spatial drift correction for EFTEM image series. Ultramicroscopy. 102, 27-36 (2004).
  37. Wang, Y., et al. Localization events-based sample drift correction for localization microscopy with redundant cross-correlation algorithm. Optics Express. 22, 15982-15991 (2014).
  38. Sugar, J. D., Cummings, A. W., Jacobs, B. W., Robinson, B. D. A free Matlab script for spacial drift correction. Microscopy Today. 22, 40-47 (2014).
  39. Chenouard, N., et al. Objective comparison of particle tracking methods. Nature Methods. 11, 281-289 (2014).
  40. Meijering, E., Dzyubachyk, O., Smal, I. Methods for cell and particle tracking. Methods in Enzymology. 504, 183-200 (2012).
  41. Chung, S. H., Kennedy, R. A. Forward-backward non-linear filtering technique for extracting small biological signals from noise. Journal of Neuroscience Methods. 40, 71-86 (1991).
  42. Ensign, D. L., Pande, V. S. Bayesian detection of intensity changes in single molecule and molecular dynamics trajectories. Journal of Physical Chemistry B. 114, 280-292 (2010).
  43. Blanco, M., Walter, N. G. Analysis of complex single-molecule FRET time trajectories. Methods in Enzymology. 472, 153-178 (2010).
  44. Shuang, B., et al. Fast step transition and state identification (STaSI) for discrete single-molecule data analysis. The Journal of Physical Chemistry Letters. 5, 3157-3161 (2014).
  45. White, D. S., Goldschen-Ohm, M. P., Goldsmith, R. H., Chanda, B. Top-down machine learning approach for high-throughput single-molecule analysis. Elife. 9, 53357 (2020).
  46. Vassilenko, K. S., Alekhina, O. M., Dmitriev, S. E., Shatsky, I. N., Spirin, A. S. Unidirectional constant rate motion of the ribosomal scanning particle during eukaryotic translation initiation. Nucleic Acids Research. 39, 5555-5567 (2011).
  47. Zheng, Q., et al. Ultra-stable organic fluorophores for single-molecule research. Chemical Society Review. 43, 1044-1056 (2014).
  48. Aitken, C. E., Marshall, R. A., Puglisi, J. D. An oxygen scavenging system for improvement of dye stability in single-molecule fluorescence experiments. Biophysical Journal. 94, 1826-1835 (2008).
  49. Shi, X., Lim, J., Ha, T. Acidification of the oxygen scavenging system in single-molecule fluorescence studies: in situ sensing with a ratiometric dual-emission probe. Analytical Chemistry. 82, 6132-6138 (2010).
  50. Berthelot, K., Muldoon, M., Rajkowitsch, L., Hughes, J., McCarthy, J. E. Dynamics and processivity of 40S ribosome scanning on mRNA in yeast. Molecular Microbiology. 51, 987-1001 (2004).

Tags

Keywords: Single-molecule ImagingCap-dependent TranslationIn Vitro TranslationCell-free TranslationMicroscope SetupLaser ControlCamera SettingsSyringe PumpWash Protocol
check_url/pt/61648?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Gaba, A., Wang, H., Qu, X. An In Vitro Single-Molecule Imaging Assay for the Analysis of Cap-Dependent Translation Kinetics. J. Vis. Exp. (163), e61648, doi:10.3791/61648 (2020).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image