メチルトランスフェラーゼと補因子類似体核酸およびタンパク質の配列特異的標識化
Summary
DNA及びタンパク質は、配列特異的親和性またはDNAまたはタンパク質トランスフェラーゼおよび合成補因子類似体を用いた蛍光レポーター基で標識される。酵素の補因子特異性に応じて、アジリジンまたは二活性化補助因子アナログは、一次元または二段階標識のために用いられる。
Abstract
S -Adenosyl -1-メチオニンメチオニン（AdoMetまたはSAM）依存性メチルトランスフェラーゼ（MTアーゼ）、DNA、RNA、タンパク質および小生体分子の特定の位置にあるAdoMetから活性化メチル基の転移を触媒する。この天然のメチル化反応は、補因子の合成類似体を用いてアルキル化反応の多種多様に拡張することができる。アジリジン環とのAdoMetの反応性のスルホニウム中心の交換は、様々なDNAメチルトランスフェラーゼによって、DNAと結合することができる補因子につながる。これらのアジリジン補助因子は、アデニン部分の異なる位置にレポーター基を搭載し、 私は DNA（笑顔DNA） のLアベルのINGを nduced ethyltransferase- のS equence固有のMのために使用することができる。典型的な例として、我々は、DNA MTアーゼM.BseCIとアジリジン補助因子6BAzのある5'-ATCG A T-3 '配列でpBR322プラスミドDNAのビオチン化のためのプロトコルを与える1ステップ。 ctivated Gの roups（MTAG） のm個のethyltransferase指向Tの ransferのために使用されるのAdoMet類似体の別のクラスの不飽和アルキル基の結果と活性化されたメチル基の拡張。拡張された側鎖はスルホニウム中心と不飽和結合によって活性化されるので、これらの補因子は、二重活性化のAdoMet類似体と呼ばれる。これらの類似体アジリジン補因子のようなDNAメチルトランスフェラーゼのための補因子としての機能だけでなく、RNA、タンパク質および小分子MTアーゼのみならず。これらは、典型的には、第2の化学工程でレポーター基で標識されているユニークな官能基を有するMTアーゼ基質の酵素的修飾に使用される。これは、ヒストンH3タンパク質の蛍光標識のためのプロトコルに例示されている。小さなプロパルギル基はのクリックラベルに続いてヒストンH3リジン4（H3K4）MTアーゼSET7 / 9によってタンパク質に補因子アナログSeAdoYnから転送されるTAMRAアジドとアルキニル化ヒストンH3。補因子類縁体とMTアーゼ媒介ラベリングは、識別とMTアーゼ基質の機能的研究ならびにDNAジェノタイピングとメチル化検出を含む多くのエキサイティングなアプリケーションを可能にする技術である。
Introduction
核酸、1,2およびタンパク質3,4の特異的な標識は、機能の特徴付け、医療診断及び（ナノ）バイオテクノロジーのための主要な関心事である。ここでは、S -adenosyl-L-メチオニン（AdoMetをまたはSAM）依存性メチルトランスフェラーゼ（MTアーゼ）に基づいており、これらの生体高分子のための酵素標識法を提示する。このクラスの酵素（EC 2.1.1。）は、核酸およびタンパク質の特定の残基の中の個々の求核位置（窒素、酸素、硫黄および炭素原子）を標的と自然補因子のAdoMet（ 図1A）5の活性化メチル基を転移する。また、MTアーゼは、親和性タグ、蛍光団又は他の標識（ 図1B）6との特異的標識のための合成補因子類縁体を利用することができます。のAdoMet類似体の2つのクラスが開発されてきた：Sの equence固有のM ethyltransferase-ためのアジリジン補助因子を私が </strong> nduced Lのアベルる （笑顔）7とctivated のG roups のM ethyltransferase指向性T ransferのための二重活性化したのAdoMet類縁体（MTAG）8。
図1：メチルトランスフェラーゼ（MTアーゼ）によって触媒される反応は 、DNA、RNA、タンパク質および小生体分子を含む様々な基材への天然の補因子のAdoMet（SAM）からA.メチル基転移B.標識核酸およびタンパク質の/官能化（NNNNN =。 DNAのための塩基対、タンパク質についてのRNAおよびアミノ酸に対するヌクレオチド;緑色対象残基とMTアーゼのXXXXX =認識配列）合成補因子類似体。レポーター基を含むアジリジン補助因子（青球）特に標的残基に結合された配列は、（左）アデニン環にある取り付け及び二活性化のAdoMet類似体は、第二段階でバイオ直交クリック反応により標識することができる化学レポーターY（右）を担持する拡張アルキル鎖の転送につながる。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
アジリジン補助因子は、DNAメチルトランスフェラーゼで最適に動作する。それらは窒素原子9（またはNが 10,11 -mustard）の代わりに、スルホニウム中心の反応性基を有する3員環を含む。この窒素原子のプロトン化は、DNAと全体の補因子の共有結合につながる標的ヌクレオチドによる求核攻撃のためのアジリジン環を活性化させる。アデニン環にレポーター基を結合することにより、アジリジン補因子は、（一段階でDNAを標識するためにDNAメチルトランスフェラーゼと組み合わせて使用することができる<stron G>左図1B）7,12。 、 バチルス·ステアロサーモフィラス （M.BseCI）16（ 図2から図15（アデニン環の6位に結合したビオチンとアジリジン補助因子）およびアデニン特異的DNA MTアーゼ–これは6BAz 13によるDNAのビオチン化のために詳細に示されているアジリジン補助因子を介した DNAのワンステップのラベリング）：プロトコルセクション2を参照してください。 ヘモフィルスheamolyticus（M.HhaI、5からM.BseCI（5'-ATCG A T-3 '認識配列）、 サーマス·アクアティクス （M.TaqI、5'-TCG A -3からDNA MTアーゼ'）に加えて、 「-G C GC-3 '）およびスピロ （M.SssI、5'- C G-3'）から正常に6BAz 17とのDNAをビオチン化するために使用されている。さらに、アジリジン補因子は、1ステップの蛍光DNA標識18,19のために使用することができる。
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図2：M.BseCIと6BAzとDNAの配列特異的一工程ビオチン化 DNA MTアーゼM.BseCIは、二本鎖DNA配列5'-ATCG A T-3 'を認識し、自然に二アデニンのアミノ基をメチル化のAdoMetを使用して残留物（緑色）。アジリジン補助因子6BAzとの反応のコースが変更され、M.BseCIは、ターゲットアデニンとビオチン（青）を含めた全体の補因子を結合することによって、特定のDNAビオチン化を配列決定するためにつながる。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
二重活性化のAdoMet類似体は、不飽和側鎖の代わりに、スルホニウム中心におけるメチル基（ 図1B拡張含む</stronG>、右）20。スルホニウム中心部へのβ位に不飽和二重または三重結合は、電子的に接合安定化により遷移状態の中不利な立体効果を補償します。スルホニウム中心と不飽和結合の両方が酵素転送のための側鎖を活性化するので、これらの補因子は、二重活性化のAdoMet類似体と命名した。典型的には、それらは、第二工程8,21において化学選択的標識のために、アミノ、アルキンとアジド基のようなユニークな化学基（化学レポーター）で側鎖を転送するために使用される。 RNAおよびタンパク質の追加のラベル付けを可能28 –一般的には、二重の活性化のAdoMet類似体は、RNA MTアーゼ22,23 DNA MTアーゼ8,20,21のためだけでなく、ための補因子およびタンパク質のMTアーゼ24としてだけではなく機能することができます。しかし、拡張された側鎖が立体的にメチル基より厳しいであり、タンパク質工学によってMTアーゼ活性部位を拡大することはしばしばある効率的な転送速度を得るために必要なEN。銅による化学的修飾を、以下のための酵素の転写時の遷移状態の1安定化および2反応性ハンドル：この問題に対する別の解決策は、小さなプロパルギル末端アルキンは、2つの機能を果たす基（3個の炭素）とのAdoMet類似体を使用することである触媒によるアジド – アルキン環（CuAAC）ケミストリーをクリックします。それは、結果のプロパルギルのAdoMet類縁体29は 、中性またはわずかに塩基性条件下でのみ限定された使用の非常に不安定であることが判明した。この欠点は、セレンと硫黄原子を置換することによって固定することができる。得られた補因子5 ' – [（ セレン ）[（3 S）-3-アミノ-3-カルボキシプロピル]プロプ-2- ynylselenonio] -5'-デオキシアデノシン（SeAdoYn、 図3）は、野生型DNAによって受け入れられ、RNA多くの場合、タンパク質工学の必要性を排除32 –とタンパク質MTアーゼ30。これは、蛍光プロ例示されるヒストンH3リジン4（H3K4）MTアーゼSET7 / 9 33（：二重に活性化補助因子を介して 2つの段階のタンパク質標識、図3、プロトコルセクション3を参照）での標識をTEIN。
図3：SET7 / 9、SeAdoYnとTAMRAアジドとヒストンH3の配列特異的二段階蛍光標識タンパク質MTアーゼSET7 / 9が自然のAdoMetを使用して、ヒストンH3のリジン4のアミノ基（H3K4、緑）をメチル化する。。二重活性化補助因子でSeAdoYn MTアーゼは、リジン残基に小さなプロパルギル基（赤）を転送する。接続された端末三重結合は、その後選択的にアジド誘導体化TAMRA（テトラメチルローダミン、青）フルオロフォアでバイオ直交クリック反応（銅触媒アジド – アルキン付加環、CuAAC）に変更されます。ロード/ 52014 / 52014fig3highres.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
Protocol
Representative Results
Discussion
のDNA MTアーゼおよびアジリジン補助因子（笑顔DNA）を用いたDNAのワンステップ標識は堅牢な方法であるが、実験を計画する際にいくつかの側面を考慮すべきである。
アジリジン補助因子：M.BseCIとDNA標識用6BAz濃度は60であった。他のDNAメチルトランスフェラーゼを使用する場合は補因子の濃度は、20μMのがDNA MTアーゼM.TaqI 19で採用されていると低い例え?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Kerstin Glensk for preparing the MTases M.BseCI and Set7/9 and gratefully acknowledge funding by the Excellence Initiative of the German Federal and State Governments and RWTH Aachen University. The authors are happy to provide 6BAz and SeAdoYn or other cofactor analogues for collaborative research.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 6BAz | Synthesized according to Weinhold et al., Patent number US 8,129,106, published March 6, 2012. | ||
| β-Mercaptoethanol | Serva | 28625 | |
| Acetic acid | Fisher Scientific | 10304980 | |
| Acrylamide/Bis Solution, 37.5:1 | Serva | 10688 | |
| UltraPure Agarose | Invitrogen | 16500100 | |
| Ammonium persulfate (APS) | Serva | 13375 | |
| Bis-Tris | Gerbu | 1304 | |
| Boric acid | Gerbu | 1115 | |
| Bromophenol blue Na salt | Serva | 15375 | |
| Copper(II) sulfate | Aldrich | C1297 | |
| Chloroform | Fisher Scientific | 10020090 | |
| Coomassie Brilliant Blue | Serva | 17525 | |
| EDTA disodium salt | Gerbu | 1034 | |
| Ethanol | Merck | 100983 | |
| GelRed (10000x in water) | Biotium | 41003 | |
| Glycerol (99.5%) | Gerbu | 2006 | |
| FastRuler Low Range DNA Ladder | Thermo Scientific | SM1103 | |
| Histone H3 | Expressionplasmid obtained from Dr. Philipp Voigt and Prof. Danny Reinberg; expression and isolation according to T. J. Richmond et al., J. Mol. Biol. 1997, 272, 301-311. | ||
| M.BseCI | Expressionplasmid obtained from Dr. Michael Kokkinidis; expression and isolation according to Kapetaniou et al., Acta Cryst. 2006, F63, 12-14. | ||
| Methanol | Fisher Scientific | 10675112 | |
| Magnesiumchloride hexahydrate | J.T. Baker | 4003 | |
| MOPS | Gerbu | 1081 | |
| Sodium chloride | Gerbu | 1112 | |
| pH strip (Neutralit) | Merck | 1,095,330,001 | |
| pBR322 | Thermo Scientific | SD0041 | |
| R.TaqI (10u/µl) | Thermo Scientific | ER0671 | |
| SeAdoYn | Synthesized according to Willnow et al., ChemBioChem 2012, 13, 1167-1173. | ||
| Set7/9 | Expressionplasmid obtained from Prof. Danny Reinberg, expression and isolation according to D. Reinberg et al., Genes Dev.2002, 16, 479-489. | ||
| Streptavidin | Gerbu | 3058 | |
| (+)-Sodium L-ascorbate | Sigma Life Science | A7631 | |
| SDS Granular | Gerbu | 1833 | |
| di-Sodiumhydrogenphosphat | Merck | 106,586 | |
| TAMRA-azide | |||
| TaqI buffer (10x) | Thermo Scientific | B28 | |
| N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Acros Organics | 42058 | |
| Tris-HCl | Gerbu | 1028 | |
| Tris-X (TRIS-base) | Gerbu | 1018 | |
| Tris(3-hydroxypropyltriazolyl-methyl)amine (THPTA) | Sigma-Aldrich | 762342 |
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