Summary

Biokemiska analyser för att analysera aktiviteter av ATP-beroende Chromatin Remodeling Enzymer

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 familjen kromatin remodeling komplex innefattar en central SnF2 liknande ATPas subenhet 1,2. Vissa SnF2 liknande ATPaser funktion som enskilda subenheten enzymer, medan andra fungerar som den katalytiska subenheten av större multi subenhet komplex. Belysa de molekylära mekanismer genom vilka var och en av subenheterna av kromatin remodeling komplex bidrar till deras verksamhet kräver förmågan att utföra biokemiska analyser som dissekera remodelleringsprocessen.

ATP-beroende nukleosomen remodellering av den mänskliga INO80 komplex och andra kromatin remodeling enzymer kan förutses som en flerstegsprocess som börjar med bindning av remodeling enzym till nukleosomer, följt av aktivering av dess DNA- och / eller nukleosom-beroende ATPas, translokation av ombyggnad enzym på nucleosomal DNA, och eventuell omplacering av nukleosomer 1,2. Förstå de molekylära detaljerna i ATP-beroende kromatin remodelleringsprocessen requires dissektion av ombyggnad reaktion till dess enskilda åtgärder och fastställande av bidragen från enskilda subenheter av kromatin remodeling komplex för varje steg i reaktionen. Sådana analyser kräver förmåga att analysera nukleosomen ombyggnad och andra aktiviteter med hjälp av definierade molekylära substrat in vitro.

I en tidigare JOVE protokoll, beskrev vi metoder som används för att generera INO80 kromatin remodeling komplex och subcomplexes med definierade subenheten kompositioner 3. Här presenterar vi tre biokemiska analyser som möjliggör kvantitativ analys av nukleosomen bindande, DNA- och nukleosom-aktiverade ATPas och nukleosomen remodeling verksamhet i samband med sådana komplex.

Protocol

1 ATP-beroende nukleosom Remodeling Analyser För att mäta ATP-beroende nukleosomen remodeling aktiviteter, immunrenat INO80 eller INO80 subcomplexes inkuberas med ATP och en mononucleosomal substrat, som innehåller en enda nukleosomen positionerad vid en ände av en 216-bp, 32 P-märkta DNA-fragmentet. Reaktionsprodukterna utsattes därefter för elektrofores i nativa poly-akrylamid-geler. För att generera 32 P-märkta, "601" DNA-fragment, förs…

Representative Results

Siffrorna visar representativa resultat av biokemiska analyser används för att karakterisera INO80 aktiviteter, inklusive nukleosomen glid (figur 1) och bindning (figur 2) analyser och DNA- eller nukleosomen beroende ATPas-analyser (Figur 3). Experimentet som visas i figur 1 jämför förmågan hos intakta INO80 komplexen renades genom FLAG-Ies2 eller FLAG-INO80E och av INO80 subcomplexes renades genom antingen FLAG-Ino80?…

Discussion

För att säkerställa att nukleosomen ombyggnad och ATPas aktiviteter vi observerar i analyser är beroende av den katalytiska aktiviteten av INO80 komplex, och inte på kontamine remodeling och / eller ATPas enzymer, vi rutinmässigt analys nukleosomen ombyggnad och ATPas aktivitet katalytiskt inaktiva versioner av INO80 komplex, renas i parallellt med vildtyp INO80 enligt samma förfarande. En negativ kontrollreaktion som saknar ATP bör också göras vid analys nukleosomen remodeling aktivitet för att undersöka f?…

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/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