A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
מאמר זה מתאר פרוטוקול לחקר אינטראקציות דנ"א-חלבון באמצעות מערכת אינטרפרומטריה ביו-שכבתית מבוססת סטרפטווידין (BLI). הוא מתאר את השלבים והשיקולים החיוניים לשימוש בקינטיקה מחייבת בסיסית או מתקדמת כדי לקבוע את זיקת קשירת שיווי המשקל (KD) של האינטראקציה.
אינטראקציות חלבון-דנ"א עומדות בבסיס תהליכים תאיים חיוניים. הבנת אינטראקציות אלה היא קריטית להבהרת המנגנונים המולקולריים של מסלולים שונים. גורמי מפתח כגון מבנה, רצף ואורך של מולקולת דנ"א יכולים להשפיע באופן משמעותי על קשירת חלבונים. אינטרפרומטריה ביו-שכבתית (BLI) היא טכניקה נטולת תוויות המודדת קינטיקה של קשירה בין מולקולות, ומציעה גישה פשוטה ומדויקת למחקר כמותי של אינטראקציות חלבון-דנ"א. יתרון מרכזי של BLI על פני שיטות מסורתיות מבוססות ג'ל הוא יכולתו לספק נתונים בזמן אמת על קינטיקה קשירה, המאפשרת מדידה מדויקת של קבוע דיסוציאציה שיווי משקל (KD) עבור אינטראקציות חלבון-DNA דינמיות. מאמר זה מציג פרוטוקול בסיסי לקביעת ערך KD של האינטראקציה בין חלבון שכפול DNA, חלבון שכפול A (RPA) ומצע DNA חד-גדילי (ssDNA). RPA קושר ssDNA עם זיקה גבוהה, אך יש גם לעקור אותו בקלות כדי להקל על אינטראקציות חלבונים עוקבות בתוך מסלולים ביולוגיים. בבדיקת BLI המתוארת, ssDNA ביוטינילציה משותק על ביוסנסור מצופה סטרפטווידין. לאחר מכן נמדדת הקינטיקה הקושרת (אסוציאציה ודיסוציאציה) של RPA לדנ"א הקשור לביוסנסורים. הנתונים המתקבלים מנותחים כדי לגזור ערכים מדויקים עבור קבוע קצב האסוציאציה (ka), קבוע קצב הדיסוציאציה (kd) וקבוע קשירת שיווי משקל (KD) באמצעות תוכנת מערכת.
חלבונים תאיים ממלאים תפקיד מרכזי בתזמור התהליכים הביולוגיים המורכבים המתרחשים בתוך אורגניזמים חיים. התפקוד המיטבי של מסלולים אלה תלוי ביחסי הגומלין בין חלבונים לבין ביומולקולות אחרות בתוך התא, כולל אינטראקציות עם חלבונים שותפים וחומצות גרעין1. לפיכך, הבנת המורכבות של תהליכים תאיים מחייבת הבנה עמוקה של הדינמיקה של אינטראקציות חלבון-חומצות גרעין.
באופן מסורתי, אינטראקציות חלבון-חומצות גרעין נחקרו באמצעות מבחני שינוי ג'ל ניידות אלקטרופורטית (EMSAs)2. בבדיקה זו, חלבונים מודגרים עם אוליגונוקלאוטידים סינתטיים (DNA/RNA, המכילים אורכים או רצפים ספציפיים) לתקופה קצרה, ולאחר מכן התגובה עוברת אלקטרופורזה על ג'ל פוליאקרילאמיד מקורי (PAGE) 3,4,5. כדי לאפשר הדמיה של האינטראקציה חלבון-אוליגונוקלאוטידים, האוליגונוקלאוטידים בדרך כלל מסומנים רדיואקטיבית עם 32P או מתויגים במולקולות פלואורסצנטיות. אם החלבון מקיים אינטראקציה וקושר את האוליגונוקלאוטיד אז הקישור של החלבון מאט את הניידות של חומצת הגרעין בתוך הג'ל 6,7. לכן, שיטה זו נקראת גם שינוי ג'ל או בדיקת פיגור ג'ל. למרות ששיטה זו נמצאת בשימוש נרחב, ישנן מספר מגבלות שיש לקחת בחשבון בעת השימוש בשיטה זו כדי לקבל ערכי KD, כולל רזולוציה נמוכה מקשירה חלשה או דינמית, הדרישה לריכוז גבוה משמעותית של חלבונים ומאמץ רב יותר. בנוסף, EMSAs אינם בדיקות בזמן אמת, ולכן אינם יכולים למדוד במדויק קינטיקה מחייבת 7,8.
טכניקות חדשניות כגון תהודה פלסמונית פני השטח (SPR) ואינטרפרומטריה biolayer (BLI) התפתחו כדי להתגבר על מגבלות אלה 9,10,11,12. שתי השיטות מודדות קבועי קצב אסוציאציה/דיסוציאציה וקבועי זיקה בין מולקולות באופן נטול תוויות. מכיוון שהחלבון אינו נדרש להיות מתויג, טכניקות אלה מבטלות את הסיכון לשנות את תכונות החלבון או לחסום את אתר הקשירה. ב- SPR, אור מקוטב מתקשר עם חיישן (סרט מוליך מתכת, בדרך כלל זהב), ויוצר גל צפיפות מטען אלקטרונים הנקרא פלסמון. אינטראקציה זו מפחיתה את עוצמת הקרן המוחזרת וגלאי מודד את השינוי בזווית הספציפית, המכונה זווית תהודה13. כדי לחקור אינטראקציות ליגנד (חומצת גרעין) - אנליט (חלבון), הליגנד משותק בתא זרימה אחד על שבב החיישן, והאנליט מוזרק לתא הזרימה המכיל את הליגנד המשותק. בעת קשירת האנליט לליגנד, יש שינוי ניתן לזיהוי במקדם השבירה ליד פני החיישן, ובכך מאפשר מדידה של אינטראקציות מולקולריות 14,15,16.
אינטרפרומטריה ביו-שכבתית (BLI) מודדת את דפוס התאבכות האור כאשר האור עובר דרך סיב אופטי עם שכבה ביולוגית, המורכבת מליגנד (פיתיון) ושותפו הקושר (אנליט), במשטח התחתון של קצה הביו-סנסור. האור מועבר דרך הקצה ומוחזר בשני הקצוות של השכבה הביולוגית בשל תכונות השכבה הביולוגית. עובי השכבה הביולוגית פרופורציונלי למספר המולקולות הכבולות המשפיעות על תבנית האור המוחזר. על ידי השוואת השינוי של העקומה של עוצמה יחסית לעומת . אורך גל הנגרם על ידי התאבכות בין האור המוחזר מממשק הייחוס לבין ממשק השכבה הביולוגית/חיץ, ניתן לקבוע את שינוי העובי של השכבה הביולוגית. כאשר יותר מולקולות נקשרות, מתרחש שינוי גדול יותר, מה שהופך את BLI לכלי רב עוצמה לחקר אינטראקציות ביומולקולריות בזמן אמת. השינוי בתבנית ההתאבכות נמדד ומיוצג על גבי חיישן כשינוי ספקטרלי17,18 (איור 1A). ניתן לקבוע במדויק את אופי האינטראקציה הקושרת באמצעות בקרות מתאימות, כגון מערך חסר את ריכוזי הליגנד המשתנים של השותף הקושר 19,20,21. בהשוואה ל- SPR, BLI הוא חסכוני וידידותי למשתמש, מה שהופך אותו לנגיש למגוון רחב של חוקרים. בנוסף, דגימות המשמשות ב- BLI נשארות שלמות אם אין השפלה או צבירה. זה מאפשר לשחזר אותם ולעשות בהם שימוש חוזר, ובכך למזער את הפסולת. מכשיר BLI פועל ללא שימוש במיקרופלואידיקה, ובכך מבטל את החסרונות של מערכת הפלואידיקה, כגון הצורך בתחזוקה/טיפול, סתימה או שימוש במאגרים נטולי גזים. זה גם ממזער את הסיכון לזיהום המכשיר עקב דגימות חלבון לא מסוננות או גולמיות.
בניסוי BLI, השכבה הביולוגית נוצרת על ידי השתקת מולקולת הפיתיון על הביו-סנסור. השכבה הביולוגית של חיישנים ביולוגיים יכולה לתקשר עם תגים שונים, מה שמאפשר לחקור את האינטראקציות בין מולקולות (כולל חומצות גרעין, חלבונים, נוגדנים, וירוסים, מולקולות קטנות וכו ')22. ניתן להשתמש באסטרטגיות לכידה שונות, כולל ביוטין/סטרפטווידין, 6X-His-tag/Ni-NTA, FLAG/anti-FLAG, GST/anti-GST, ונוגדנים/אנטי-Fc, כדי לבסס אימוביליזציה זו. שמירה על המבנה והפעילות של הליגנד המשותק היא חיונית בעת בחירת הביוסנסורה. השינויים בתבנית ההתאבכות מושפעים מכמות המולקולה הקשורה וכן מהמטריצה23. אינטראקציות חלבון-חומצת גרעין נחקרות באמצעות בדיקות אוליגונוקלאוטיד ביוטינילציה שניתן לשתק על ביו-חיישנים מצופים סטרפטווידין. דגימות חלבון הצפויות לקיים אינטראקציה עם הפיתיון המשותק (אוליגונוקלאוטיד ) נמצאות במגע עם האוליגונוקלאוטיד לתקופה מסוימת במאגר קשירה למדידת אסוציאציה, ולאחר מכן עברו למאגר קשירה ריק כדי למדוד דיסוציאציה. ייצוג סכמטי של קשירה אנליטית ושינויים מתאימים בעקומת הקשירה מוצג באיור 1B. בנוסף, אינטראקציות חלבון-גרעין יכולות להיחקר גם על ידי מסלול אימוביליזציה הפוך, שבו החלבון (פיתיון) נלכד על הביוסנסור ומקיים אינטראקציה עם חומצת הגרעין (אנליטית).
נכון לעכשיו, מכשירים מרובים זמינים באופן מסחרי הפועלים על העיקרון של אינטרפרומטריה biolayer. מכשיר פשוט וחסכוני ידוע בשם מערכת Octet N1, הכוללת ערוץ יחיד להעברת נתונים. הוא דורש פעולה ידנית, צורך נפח דגימה מינימלי (4 μL), ומבצע ניתוח דגימות בטמפרטורות סביבה 9,23. מכשיר חד-ערוצי זה יכול לזהות יעילות קשירה של חלבונים הגדולים מ-10 kDa ומודד זיקות בתחום המיקרומולרי (μM) לננו-מולארי (nM)11,12. מכשירים מסוימים עם 2, 8, 16 ו- 96 ערוצים לקריאת נתונים אוטומטית זמינים גם הם ותואמים לפורמטים של 96 או 384 באר19,20. חלק ממכשירים אלה יכולים גם לפעול בין 4 ° C ל 40 ° C, לזהות ביומולקולות עם משקל מולקולרי נמוך כמו 150 Da, ולמדוד זיקות בטווח מילימולרי עד פיקומולרי19,21. בעוד המערכת המתוארת היא חסכונית, המכשירים היקרים יותר עם ערוצים מרובים מציעים עיבוד אוטומטי בתפוקה גבוהה. מערכות מתקדמות אלה משמשות בדרך כלל באפיון ופיתוח מולקולות תרופה ביולוגיות 9,23.
הפרוטוקול הנוכחי מתאר את השלבים הכרוכים במדידת פרמטרי הקישור של חלבון שכפול A (RPA) לדנ"א חד-גדילי (ss-DNA) באמצעות מערכת אינטרפרומטריה חד-ערוצית ידנית של שכבה ביולוגית. RPA הוא קומפלקס חלבונים הטרוטרימרי, קושר ssDNA הממלא תפקיד קריטי כמעט בכל ההיבטים של חילוף החומרים של DNA, כולל שכפול, תיקון ורקומבינציה של DNA24. בשל זיקתו הגבוהה ל-ssDNA (הנמדד בטווח התת-ננו-מולרי), הוא יכול להיקשר במהירות ל-ssDNA שנוצר במהלך עסקאות דנ"א שונות, להגן עליו מפני פירוק נוקלאוליטי ולמנוע קשירה מאולתרת של חלבונים אחרים במורד הזרם. RPA גם משחק תפקיד קריטי במניעת היווצרות של מבנים משניים ושלישוניים שאינם קנוניים, כגון G-quadruplexes25. RPA אנושי מורכב משלוש יחידות משנה: RPA70 (70 kDa), RPA32 (32 kDa) ו-RPA14 (14 kDa), הנקראות גם RPA 1, RPA 2 ו-RPA 3, בהתאמה 24,26,27. תת-יחידות אלה מכילות שישה קיפולי קישור אוליגונוקלאוטידים/אוליגוסכרידים (OB-folds) המסומנים A עד F. בין אלה, תחומי קשירת הדנ"א (DBD) נמצאים בתת-יחידות RPA1 (DBD-A, DBD-B, DBD-C) ו-RPA2 (DBD-D)28. תחילה חשבו כי בהתאם לאורך הדנ"א, RPA מציג מצבי קישור שונים שבהם DBD שונים היו מעורבים באורכי דנ"א ספציפיים29. נתונים ממחקרים מבניים ומחקרי מולקולות בודדות שנערכו לאחרונה סייעו לחדד מודלים אלה כדי להציע כי הקישור של DBD שונים של RPA הוא דינמי יותר ממה שהוצע בתחילה 30,31,32,33,34,35,36. תכונה זו של תכונת הקשירה הדינמית חיונית לתפקוד של RPA מכיוון ש- RPA אמור להיות מסוגל להיקשר בחוזקה למצע ה- DNA במהלך עסקאות דנ"א מסוימות; עם זאת, הוא צריך גם להיות מסוגל לעקור מהמצע כדי למסור את המצע לחלבון הבא במהלך התהליך הביולוגי. תוך שימוש בטכניקות ביוכימיות שונות, נקבע כי KD עבור RPA הוא כ-0.4 ננומטר עבור מצע ss-(polydT)30, ו-80 ננומטר ו-200 ננומטר עבור מצעי ss-(polydA)257 ו-dG-(polydG)602 בהתאמה, כפי שנמדד על ידי אנאיזוטרופיה של קיטוב פלואורסצנטי (FPA)37,38. RPA מראה גם העדפה גבוהה פי 50 לקשירה לרצפים עשירים בפירימידין בהשוואה לפורינים. אף על פי שטכניקות ביוכימיות שונות קבעו מדידות KD שונות עבור RPA, כל המדידות היו בתחום הננו-מולרי, מה שמרמז על זיקת הקישור הגבוהה של RPA ל-ssDNA. באמצעות שימוש במיקרוסקופ פלואורסצנטי של השתקפות פנימית כוללת (TIRFM), התגלה כי בהתבסס על אורך הדנ"א, RPA קשור לשני מצבי קישור לפחות: אחד שהוגדר בניתוק מהיר (Kd, 680 pM) וקומפלקס ניתוק איטי (Kd, 60 pM)33,39. בהתחשב במעורבותו המרכזית כמעט בכל המסלולים המטבוליים של הדנ"א, היה עניין רב ביצירת מעכבים שיכולים לעכב את האינטראקציה בין RPA לדנ"א חד-גדילי (ssDNA). מעכבים כימיים אלה חיוניים בשיבוש תגובת הנזק לדנ"א, מה שהופך תאים סרטניים לרגישים יותר לחומרים מזיקים לדנ"א המשמשים בטיפולים קליניים. שימוש בבדיקת BLI מאפשר הערכה כמותית מדויקת של יעילות המעכבים בוויסות פונקציית הקישור של RPA40,41.
הגדרת BLI מאפשרת הגדרות ברורות: קינטיקה בסיסית ומתקדמת. במצב קינטיקה בסיסי, הבדיקה כוללת שלושה שלבים עיקריים: ביסוס בסיסי, אסוציאציה ודיסוציאציה. עם זאת, לפני ביצוע בדיקה זו, biosensors צריך להיות מצופה בנפרד, באמצעות המכשיר או באופן ידני על ספסל המעבדה. לעומת זאת, מצב הקינטיקה המתקדם משתרע מעבר לשלושת השלבים הבסיסיים, ומאפשר שילוב של שלבים נוספים. צעדים משלימים אלה יכולים לשרת מטרות שונות, כגון התניה של הביוסנסור לשינויים במאגר או להקל על זיהוי אינטראקציות חלבונים עוקבות. קינטיקה מתקדמת מאפשרת גם להפשיט את הביוסנסור של האנליט על ידי שיטת התחדשות טובה לשימוש חוזר פוטנציאלי, בתנאי שהפיתיון והביוסנסור נשארים שלמים. בדרך כלל, קינטיקה מתקדמת משמשת על פני קינטיקה בסיסית כאשר שלבים מרובים מעורבים בבדיקה, או שהבדיקה צריכה להתבצע בפורמט מורכב יותר.
פרוטוקול זה מתאר את שתי השיטות באמצעות אותו פיתיון [3'Bio-ss-poly (dT)32] ואנליטי (RPA). ביוסנסור מצופה סטרפטווידין ישמש כדי לשתק את הפיתיון, ויתקבלו מדידות KD עבור האנליט. פרוטוקול זה מתאר גישה מלאה לביצוע בדיקת BLI באמצעות אינטרפרומטריה ביו-שכבתית של מכשיר חד-ערוצי, המכסה הכנת פיתיון ביו-סנסור, שיקולי חיץ ומתווה שלב אחר שלב של ההליך.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
פירוט הריאגנטים והציוד ששימש במחקר מפורטים בטבלת החומרים.
1. הכנת פיתיון, אנליט, חוצצים וניקוי מחזיק טיפות
2. קינטיקה בסיסית
3. הגדרת המכשיר להפעלת קינטיקה מתקדמת
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ב- BLI, אור לבן מוחזר מהממשק של biolayer/buffer ומממשק הייחוס הפנימי לספקטרומטר. תבנית ההתאבכות המתקבלת נרשמת, וההסטה הספקטרלית נמדדת על פני פרק זמן ומתוארת כתגובת עקומות קשירה בננומטר. איור מייצג המראה את קצה הביו-חיישן עם ובלי קישור אנליטי ואת שינוי אורך הגל הספקטרלי המתאים (ננ?...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
היכולת לנתח את קינטיקה הקישור של כל חלבון למצע שלו באמצעות BLI מספקת את האמצעים לבודד ולאפיין את הגורמים הספציפיים (כגון רצף, מבנה או אורך של DNA) השולטים באינטראקציות חלבון-דנ"א בתוך התא19. מערכת Octet N1, המסתמכת על עקרונות האינטרפרומטריה של השכבה הביולוגית, מאפשר?...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
למחברים אין ניגוד עניינים להצהיר.
עבודה זו מומנה על ידי מענקים מהקרן הלאומית למדע (1929346) והאגודה האמריקאית לסרטן (RSG-21-028-01). ברצוננו גם להודות לחברי מעבדת Balakrishnan על דיונים מועילים.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.5 mL Micro Centrifuge Tubes | Globe Scientific | 111554A | |
96 Well Standard Black Microplate | Dot Scientific | 4ti-0223 | |
Biotinylated poly dT Oligonucleotide | IDT | ||
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153-10G | |
Dithiothreitol (DTT) | Dot Scientific | DSD11000-10 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Dot Scientific | DSE57020-500 | |
Hydrochloric Acid | Fisher Scientific | A144-500 | |
Kimtec Science Kimwipes | Kimtech | 34120 | |
Octet N1 Software | Sartorius | 1.4.0.13 | |
Octet SA Biosensor | Sartorius | 18-5019 | |
PBS pH 7.2 (10x) | Gibco | 1666711 | |
Personal Assay Octet N1 System | Sartorius | ||
Phosphoric Acid | Ward's Science | 470302-024 | |
Sodium Chloride (NaCl) | Dot Scientific | DSS23020-5000 | |
Tris Base | Dot Scientific | DST60040-5000 | |
Tween20 | Bio-Rad | 170-6531 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved