Name: a simple, robust, and high throughput single molecule flow stretching assay implementation for studying transport of molecules along dna
Uploaded: 2017-10-01T12:30:00.000+00:00
Duration: 12 min 5 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Simple, Robust, and High Throughput Single Molecule Flow Stretching Assay Implementation for Studying Transport of Molecules Along DNA at JoVE.com

初期計測セットアップとテスト支援、トニー Kulesa、ロビン カークパ トリックとエバンゲロス Gatzogiannis に感謝します。我々 はさらに重要な助けを書くとトラッキング ソフトウェア カスタマイズされた単一粒子を評価いただきトニー Kulesa をありがちましょう。この作品は、スタートアップ資金とバローズ Wellcome 財団から (PCB) に科学的なインターフェイスでキャリア賞を受賞によって支持されました。

1 ビオチン λ DNA の準備 注: ビオチン λ DNA の分子はビオチン標識オリゴヌクレオチド、5 を縛ることにより作製した &#39;-AGGTCGCCGCCC(A) 20 - ビオチン - 3 &#39; に。Λ DNA 分子 20。
<ol><li>準備 0.1 mM ビオチン標識オリゴ TE バッファーで</li>。
	<li>60 65 ° C で熱 0.5 mg/mL λ DNA 株式 s およびすぐに濡れた氷に突入 。
	注: 高速急冷 λ DNA concatemerization を低減します</li>。
	<li>微量遠心チューブに λ DNA の解決のピペット 100 μ L.</li>
	<li>TE バッファーの 9 μ L に 0.1 mM oligo の追加 1 μ L.</li>
	<li>Λ DNA を含む遠心チューブにオリゴ ソリューションの追加 2 μ L。ミックス徹底的 。
	注: オリゴが相補的な λ DNA の端に約 12-fold モル過剰に存在します</li>。
	<li>60 65 ° C で λ DNA/オリゴの混合物を熱 s.</li>
	<li>はゆっくりと部屋の温度に混合物を冷却します 。
	注: この手順により、相補的な λ DNA の端にアニールするオリゴ</li>。
	<li>は、氷の上の混合物を配置します。T4 DNA リガーゼ反応バッファーの 11 μ L を追加 (最後のバッファー濃度 1 x)。優しく混ぜます。T4 DNA リガーゼの酵素の 2 μ L (800 台) を追加します。優しく混ぜる</li>。
	<li>2 h、16 ° C または一晩 4 の混合物をインキュベート ° C</li>
	<li>は、遠心フィルター チューブを用いた 100 kDa の分子の公称重量制限製品を浄化します。具体的には、遠心フィルター チューブおよび 14,000 x g で 5 分間遠心にステップ 1.9 混合物を転送、400 μ L TE バッファーで 2 回洗浄、精製された製品を収集します 。
	注: として精製ビオチン-λ-Dna TE バッファーで、1 年間、-20 ° C で安定した</li>。
</ol> 2。Coverslip 機能化 注: ガラス coverslips はシラン-ペグ-ビオチンとの反応による官能基化します。このワンステップ反応プロトコルは、単純な標準の 2 段階反応プロトコル 20 我々 の経験でより信頼性の高いです。Coverslip 機能化シラン-ペグ-ビオチンとストレプトアビジン結合部位を作成し、非特異的な DNA と coverslip 表面へのタンパク質の吸着を最小限に抑えます。
<ol><li>Sonicate 5 号 1 coverslips 汚損の内 95% エタノールに 10 分間 jar し、3 回純水で洗い流しします 。
	注: 5 番目の coverslip 破損の場合スペアを提供します</li>。
	<li>1 M コで染色の瓶を埋める、10 分間超音波し、3 回純水で洗い流しします</li>。
	<li>2.1 2.2 サイクルを 2 回繰り返します</li>。
	<li>乾燥きれいな乾いた N 2 ガス流 coverslips</li>。
	<li>さらにきれいにし 5 分間 900 mTorr 圧空気プラズマ処理を適用することによって coverslips を乾燥</li>
	<li>25 mg/mL シラン-ペグ-ビオチン具体的には 2 のため室温で 95% エタノールに溶解と coverslips を孵化、2 つのきれいな乾いた coverslips 間 50 μ L シラン-ペグ-ビオチン ソリューションをサンドイッチ、インキュベート、coverslip &#34; サンドイッチ &#34;(coverslips) 接触していない下部に水の約 10 mL の閉じたピペット チップ ボックスの内側溶媒蒸発を最小限にします</li>。
	<li>洗い流す純水とペグ コーティング下 coverslips きれいなドライ余分な PEG 分子乾燥 N 2 ガス流れ 。
	注: 官能 coverslips に格納できる周囲条件下で 3 日間にします</li>。
</ol> 3。細胞構築の流れ 注: フローセル、カット済みのチャンネル間でダブル粘着テープを挟むによって構築され、PEG 修飾 coverslip と入口と出口の穴を含む PDMS スラブ。フローセルあたり複数のチャネルを統合します。
<ol><li>CAD ソフトウェアで流路を設計し、ダブル粘着テープのテープ カッターを使用して (幅、深さおよび各チャネルの長さが 12 mm、0.13 1 それぞれ) チャンネルをカット (通常 8 つのチャンネルをフローセルあたり統合します)。テープ残差流路を形成するを削除します</li>。
	PDMS スラブにする <li>は徹底的に PDMS (12 5 mm 厚 PMDS スラブ周囲条件下で無期限に格納できるを作る十分な) 架橋結合の試薬の 5 g と 45 g を混ぜるミキサーを使用して、2 つの 10 cm のシャーレに混合物を注ぐし、を残して、本質的にすべての気泡まで真空チャンバ内の料理がなくなっている (手動で空気の泡を削除する真空チャンバーから削除されると、料理が残っている場合)。PDMS 凝固 (約 2 h) まで 80 ° C のオーブンに料理を転送します</li>。
	<li>は、カット済みのチャンネルを持つダブル粘着テープのサイズに一致する PDMS スラブをカットしました。皮 1 つ保護フィルム両面テープをオフし、PDMS スラブの平らな面にフィルムを付着します。23 g 針生検の穴パンチャーを使用して PDMS スラブの出口と入口の穴をパンチします</li>。
	<li>ダブル粘着テープを 2 番目の保護フィルムをはがし、付着、coverslip の機能面に PDMS テープ アセンブリ (、coverslip がフラットであることを確認してください。 図 1 a に完全に組み立てられた流体セルの図を参照).</li>
</ol> 4。全反射イメージング 注: ビオチン λ Dna を流れチャネル表面に繋留し、流を適用して流ストレッチ DNA 分子 ( 図 1 b)。&#62; 80% が蛍光に分類された分子の結合と輸送活性を観察するための空間拡張テンプレートとして DNA 分子サーブを伸縮します。単一分子の軌道を追跡タイムラプス全反射蛍光イメージング法を用いた ( 図 1 c &#38; e).
<ol><li>顕微鏡ステージと負荷前脱空バッファー (10 mM リン酸ナトリウム、2 mM の NaCl、50 μ M EDTA、20 mM のエタノール、グリセリン 5% (v/v)、0.01% Tween 20、1% (v/v) β-メルカプトエタノール、pH 7.4) のフロー ・ セルの修正 0.2 mg/mL のストレプトアビジン溶液、1 mg/mL ウシ血清アルブミン (BSA) ソリューションおよび各ソレノイド値接続タイゴン チューブ、PEEK チューブ上小さい PEEK チューブ (タイゴン チューブをスリーブで接続別のタイゴン チューブ 4 つの貯水池に 100 pM ビオチン λ DNA ソリューション試薬の逆流を防止します)。真空に一晩露出または (泡が表示されなく) まで攪拌真空への短い露出によってバッファーの小さいボリュームをドガします</li>。
	<li>は、フロー ・ セルの 1 つの入口の穴に空白バッファー貯水池の PEEK チューブを挿入します。空のバッファーに流れることによってチャネルを首相し、各試薬の流れを駆動空気圧を電磁弁で制御し、を介してコンピューターのスクリプトを完全に自動化の入口の穴に他の 3 つの PEEK チューブを挿入します。チャネルの空気泡の形成を誘導するように注意してください</li>。
	<li>は、廃棄物コンテナーにコンセントの穴から短い PEEK チューブ タイゴン チューブを接続します。コンセントで短い PEEK チューブによりチャネル内の肯定的な圧力を維持することによって液注入時に気泡の空気を抑制します</li>。
	<li>フロー チャネル表面にビオチン λ DNA 分子をテザリングします。
	<ol><li>フロー 0.2 mg/mL ストレプトアビジン溶液で 5 分間インキュベートし、非連結ストレプトアビジンを洗浄する空のバッファーで、フローします</li>。
		<li>フロー 1 Mg/ml BSA 解決で 1 分間インキュベートし、非連結の BSA を洗浄する空のバッファーで、フローします 。
		注: さらに BSA を抑制する DNA サンプル表面への吸着と</li>。
		<li>フロー 100 pM ビオチン λ DNA ソリューションで 10 分間インキュベートし、非連結の Dna を洗浄するための空のバッファーで、フローします 。
		注: 表面に DNA をバインドすると、テザーの DNA の分子への損傷を防ぐために速い流れを避ける</li>。
	</ol>
	</li>官能 coverslip の品質をチェックする <li>DNA アッセイ条件下でオレンジ Sytox などの色素を染色するため (読み取り 4.6)、流れし、蛍光下で 532 nm レーザー照射を開始します 。
	注: 官能 coverslip の品質が良好であり、伸ばして流れ DNA 分子の密度が高くなります。DNA 結合およびスライド/1 D 拡散イベントを検出できるので、伸ばして流れ DNA 分子の十分に高い密度を持つことが不可欠です</li>。
	<li>最高の信号対雑音比の伸ばされた DNA の分子 ( 図 1 d) の画像を達成するために全反射角度の微調整をします</li>。
	単一分子、DNA の方向移動の軌跡を記録する <li>(DNA 染色色素)、なし 4.2 4.4 新しいチャネル内の手順を繰り返し、シリンジ ポンプを使用して十分に高い流量で分子を標識済み脱サブ ナノモル fluorophore を吹き込むと100 Hz のフレーム レートとタイムラプス蛍光画像を収集します 。
	注: 流量ワイゼンベルグ数に相当 (Wi: 約 0.2 最長高分子緩和時間 - の無次元の製品 - λ DNA のせん断速度 - coverslip の表面からの距離と流速の変化 s) 500 の中のフレーム レート 100 Hz 21 の 1 分子イメージングにはチャンネルをお勧めします。
	<ol><li>収集 10,000 フレーム、映画を制作し、サンプルあたり複数 (通常は 10) FOVs から似たような映画を収集に、1 つの視野 (FOV) で 。
		注: 1 つの視野の単一粒子の密度する必要がありますどちらも高すぎる - DNA の単一分子イベントの発生率は低いにつながる可能性がありますあいまいでも低すぎる - フレーム間でオブジェクトを代入することによってデータの分析が複雑になりますが</li>。
		<li>が照度を最適化 coverslip 表面にバインドされている分子はすぐに抑制する長時間の軌跡を検出する分子 DNA の拡散が余りにすぐに無漂白、背景に写真漂白します 。
		注: 我々 は通常、FOV で 200-800 W/cm 2 の出力密度を使用しています</li>。
	</ol></li> <li>4.6 のステップの最後に、DNA は DNA 分子が流ストレッチをすることができますまだ確認する色素を染色を吹き込む</li>。
	<li>は、両方の正と負のコントロールのサンプルを実行します 。
	注: 良い肯定的な制御は、tetrapeptide、TetraMethylRhodamine (TMR)-KRRR (TMR は N ターミナル アミンと結合) 10.5 ± 0.7 (標準エラー出力) M 平均 1 次元拡散定数を持っている (bp 2/s) 中性 pH 11 時。良いネガティブ コントロール アッセイバッファー テザー、DNA に普及活動を検出するない DNA を持たないチャネルの興味のラベル付きのサンプルを測定することです</li>。
</ol> 5。データ分析: 注: カスタム単一粒子追跡ソフトウェアは DNA に沿って拡散する分子の軌道を識別し、拡散定数を推定するために使用します。このソフトウェアは、高い精度で単一粒子の重心位置 coverslip 表面に立ち往生している粒子を識別し、コマ撮りの軌道を形成するための別のフレームでパーティクルとリンクにまず決定します。1 次元拡散定数の推定これらの軌跡から。
<ol><li>スクリプト ソフトウェアを開き、データの分析を開始 (材料の表を参照)、単一粒子追跡ソフトウェアのディレクトリに移動します。という名前のスクリプトを開いて &#34; largedataprocess3.m &#34;。定義する 1 つの重要なパラメーターは単一の粒子の検出のしきい値値</li>。
	最適なしきい値を決定するための <li>を実行、&#34; Determine_threshold_value.m &#34; スクリプト。このスクリプトは、単一粒子の検出に影響を与える値がしきい値を示します。最適なしきい値を決定した後を実行、&#34; largedataprocess3.m &#34; スクリプト</li>
	<li>単一粒子の完了後追跡の分析、実行して、生の軌跡をフィルター、&#34; Trajectory_filtering.m &#34; スクリプト。グラフィック ユーザー インターフェイス (GUI) がフィルタ リングの手順を視覚化に組み込まれています</li>。
	<li>上の GUI パネル、DNA、MinXDisp、に沿って最小限の変位を 2 ピクセルに設定最大変位を 2 ピクセルに dna、MaxYDisp、横設定フレーム、minFrames の最小数を 10 に設定; minTriplets、三重項状態の最小数を設定10;DNA、D_par、に沿って最小限の拡散定数を 0 に設定します。10 M (bp 2) S -1 に、dna、D_trans、横最大推定拡散定数を設定します。最小限の統計パラメーター集 2 _stat-5; に設定します。2 dna、ミンクス/Y、その横に DNA に沿って変位の最小限の比率を設定します 。
	注: これらのパラメーターをフィルター処理を渡すすべての生の軌跡が表 1 に記載されて、かどうかは、表 3 に記載されています</li>。
	軌道上の <li>をクリックして番号を表 1 に、グラフィック 1 の軌道が避難されます &#38; 2。クリックして、&#34; プレイ &#34; 生蛍光画像を再生します。クリックして、&#34; Add_to_Table2 &#34; 単一分子軌道をスライドとして軌道を識別します。最終的には、GUI を閉じるとき表 2 に追加されますすべての軌道は保存されます</li>。
	平均拡散定数を計算する <li>スクリプトを実行 &#34; Calculate_mean_diffusion_constant.m &#34;。軌道がすべてフィルタ リング手順を渡され、表 2 に追加されたセットから平均拡散係数を推定します</li>。
</ol>

<ol>
	<li>Berg, O. G., Winter, R. B., von Hippel, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffusion-driven+mechanisms+of+protein+translocation+on+nucleic+acids.+1.+Models+and+theory.">Diffusion-driven mechanisms of protein translocation on nucleic acids. 1. Models and theory.</a> Biochemistry. 20, 6929-6948 (1981).</li><li>Blainey, P. C., van Oijen, A. M., Banerjee, A., Verdine, G. L., Xie, X. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+base-excision+DNA-repair+protein+finds+intrahelical+lesion+bases+by+fast+sliding+in+contact+with+DNA.">A base-excision DNA-repair protein finds intrahelical lesion bases by fast sliding in contact with DNA.</a> P Natl Acad Sci USA. 103, 5752-5757 (2006).</li><li>Leith, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sequence-dependent+sliding+kinetics+of+p53.">Sequence-dependent sliding kinetics of p53.</a> P Natl Acad Sci USA. 109, 16552-16557 (2012).</li><li>Blainey, P. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+a+Viral+Proteinase+by+a+Peptide+and+DNA+in+One-dimensional+Space+IV.+Viral+proteinase+slides+along+DNA+to+locate+and+process+its+substrates.">Regulation of a Viral Proteinase by a Peptide and DNA in One-dimensional Space IV. Viral proteinase slides along DNA to locate and process its substrates.</a> J Biol Chem. 288, 2092-2102 (2013).</li><li>Graziano, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+a+Viral+Proteinase+by+a+Peptide+and+DNA+in+One-dimensional+Space+II.+Adenovirus+proteinase+is+activated+in+an+unusual+one-dimensional+biochemical+reaction.">Regulation of a Viral Proteinase by a Peptide and DNA in One-dimensional Space II. Adenovirus proteinase is activated in an unusual one-dimensional biochemical reaction.</a> J Biol Chem. 288, 2068-2080 (2013).</li><li>Graziano, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+a+viral+proteinase+by+a+peptide+and+DNA+in+one-dimensional+space:+I.+binding+to+DNA+and+to+hexon+of+the+precursor+to+protein+VI,+pVI,+of+human+adenovirus.">Regulation of a viral proteinase by a peptide and DNA in one-dimensional space: I. binding to DNA and to hexon of the precursor to protein VI, pVI, of human adenovirus.</a> J Biol Chem. 288, 2059-2067 (2013).</li><li>Baniecki, M. L., McGrath, W. J., Mangel, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+a+viral+proteinase+by+a+peptide+and+DNA+in+one-dimensional+space:+III.+atomic+resolution+structure+of+the+nascent+form+of+the+adenovirus+proteinase.">Regulation of a viral proteinase by a peptide and DNA in one-dimensional space: III. atomic resolution structure of the nascent form of the adenovirus proteinase.</a> J Biol Chem. 288, 2081-2091 (2013).</li><li>Kabata, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization+of+single+molecules+of+RNA+polymerase+sliding+along+DNA.">Visualization of single molecules of RNA polymerase sliding along DNA.</a> Science. 262, 1561-1563 (1993).</li><li>Harada, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+imaging+of+RNA+polymerase-DNA+interactions+in+real+time.">Single-molecule imaging of RNA polymerase-DNA interactions in real time.</a> Biophysical journal. 76, 709-715 (1999).</li><li>Mangel, W. F., McGrath, W. J., Xiong, K., Graziano, V., Blainey, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=&amp;#34;Molecular+sled&amp;#34;-+vehicle+of+11-amino+acids+that+facilitates+biochemical+interactions+via+sliding+components+along+DNA.">&amp;#34;Molecular sled&amp;#34;- vehicle of 11-amino acids that facilitates biochemical interactions via sliding components along DNA.</a> Nature Communications. , (2016).</li><li>Xiong, K., Blainey, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+sled+sequences+are+common+in+mammalian+proteins.">Molecular sled sequences are common in mammalian proteins.</a> Nucleic Acids Res. 44, 2266-2273 (2016).</li><li>Xiong, K., Erwin, G. S., Ansari, A. Z., Blainey, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sliding+on+DNA:+from+peptides+to+small+molecules.">Sliding on DNA: from peptides to small molecules.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 55, 15110-15114 (2016).</li><li>Turkin, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Speeding+up+biomolecular+interactions+by+molecular+sledding.">Speeding up biomolecular interactions by molecular sledding.</a> Chem Sci. 7, 916-920 (2016).</li><li>Zhang, L., Zheng, L., Meng, Z., Balinin, K., Loznik, M., Herrmann, ,. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accelerating+chemical+reactions+by+molecular+sledding.">Accelerating chemical reactions by molecular sledding.</a> Chem Commun (Camb). 47, 6331-6334 (2017).</li><li>van Oijen, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+kinetics+of+lambda+exonuclease+reveal+base+dependence+and+dynamic+disorder.">Single-molecule kinetics of lambda exonuclease reveal base dependence and dynamic disorder.</a> Science. 301, 1235-1238 (2003).</li><li>Fazio, T., Visnapuu, M. L., Wind, S., Greene, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DNA+curtains+and+nanoscale+curtain+rods:+high-throughput+tools+for+single+molecule+imaging.">DNA curtains and nanoscale curtain rods: high-throughput tools for single molecule imaging.</a> Langmuir. 24, 10524-10531 (2008).</li><li>Kulczyk, A. W., Tanner, N. A., Loparo, J. J., Richardson, C. C., Oijen, A. M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Observation+of+Enzymes+Replicating+DNA+Using+a+Single-molecule+DNA+Stretching+Assay.">Direct Observation of Enzymes Replicating DNA Using a Single-molecule DNA Stretching Assay.</a> J Vis. Expt. , e1689 (2010).</li><li>Parthasarathy, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid,+accurate+particle+tracking+by+calculation+of+radial+symmetry+centers.">Rapid, accurate particle tracking by calculation of radial symmetry centers.</a> Nat Methods. 9, 724 (2012).</li><li>Vestergaard, C. L., Blainey, P. C., Flyvbjerg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+estimation+of+diffusion+coefficients+from+single-particle+trajectories.">Optimal estimation of diffusion coefficients from single-particle trajectories.</a> Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics. 89, 022726 (2014).</li><li>Schroeder, C. M., Blainey, P. C., Kim, S., Xie, X. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Hydrodynamic Flow-stretching Assay for Single-Molecule Studies of Nucleic Acid-Protein Interactions. , (2008).</li><li>Blainey, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Single-Molecule Studies of Protein-DNA Interaction: Diffusive Search and Sequence-Dependent Motors. , (2007).</li><li>Gorman, J., Greene, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+one-dimensional+diffusion+of+proteins+along+DNA.">Visualizing one-dimensional diffusion of proteins along DNA.</a> Nat Struct Mol Biol. 15, 768-774 (2008).</li><li>Lin, Y. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+the+Bias+from+Flow+to+Elucidate+Single+DNA+Repair+Protein+Sliding+and+Interactions+with+DNA.">Using the Bias from Flow to Elucidate Single DNA Repair Protein Sliding and Interactions with DNA.</a> Biophysical journal. 96, 1911-1917 (2009).</li><li>Blainey, P. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonspecifically+bound+proteins+spin+while+diffusing+along+DNA.">Nonspecifically bound proteins spin while diffusing along DNA.</a> Nat Struct Mol Biol. 16, 1224-1234 (2009).</li><li>Cuculis, L., Abil, Z., Zhao, H., Schroeder, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+observation+of+TALE+protein+dynamics+reveals+a+two-state+search+mechanism.">Direct observation of TALE protein dynamics reveals a two-state search mechanism.</a> Nat Commun. 6, 7277 (2015).</li><li>Cuculis, L., Abil, Z., Zhao, H. M., Schroeder, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TALE+proteins+search+DNA+using+a+rotationally+decoupled+mechanism.">TALE proteins search DNA using a rotationally decoupled mechanism.</a> Nat Chem Biol. 12, 831-837 (2016).</li><li>Yardimci, H., Loveland, A. B., van Oijen, A. M., Walter, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+analysis+of+DNA+replication+in+Xenopus+egg+extracts.">Single-molecule analysis of DNA replication in Xenopus egg extracts.</a> Methods. 57, 179-186 (2012).</li><li>Greene, E. C., Wind, S., Fazio, T., Gorman, J., Visnapuu, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DNA+Curtains+for+High-Throughput+Single-Molecule+Optical+Imaging.">DNA Curtains for High-Throughput Single-Molecule Optical Imaging.</a> Method Enzymol. 472, 293-315 (2010).</li></ol>

ブロード研究所は、ここで提示された作業の側面を含む特許出願のファイルに選ぶかもしれません。

伝統的な 2 段階 coverslip 官能基化反応プロトコルからワンステップ反作用のプロトコルへの切り替え、我々 は coverslip の機能化の信頼性が大幅に向上することに気づいた。Coverslip の準備のための合計の体験時間は 30 分以内、計画は新鮮な coverslips に各日 1 分子イメージングを準備をお勧めします。シラン-ペグ-ビオチンの劣化を最小限に抑えるため、試薬を避けようと受領-20 ° C で乾燥 N2ガスで必要があります。ここで生成 -COO- PEG 分子または過去20で使用されている CH3端末グループを使いません。-COO-グループおよび疎水性の CH3基の負電荷はそれぞれ表面に DNA 分子の特定の蛋白質のサンプルの無指定の吸着を防ぐために利用されました。シラン-ペグ-COOH やシラン-ペグ-CH3特定蛋白質のサンプルのアッセイに有用である可能性がありますまたはアッセイ条件のとき完全にビオチン終了 PEG 表面上小ペプチドのサンプルで非常に低い表面吸着遵守 (pH など &#60; 7.5)DNA ・表面相互作用を促進します。
ガラス スライド フロー セルから PDMS 流への移行細胞流れ細胞構築を高速化、複数チャンネルの簡単な統合を可能に。私たちはしばしば官能 coverslip あたり 8 つの独立した実験を有効にフローセルあたり 8 つのチャンネルをエンジニア リングします。Coverslip あたりのスループットを増やす、微細加工したチャンネルのさらに大きな数を使用できます。
任意の時点でチャンネル内初期充填後空気泡の形成を防止することをお勧めします。通常、空気の泡を引き起こさないテザー Dna の損失 (が可能です)、しかし、むしろ流れが中断され、coverslip に固執する Dna を引き起こす可能性。バッファーが脱ガスと小さな界面活性剤量の添加は、通常チューブとフロー チャネル内の泡の形成を防止するに効果的。チューブに気泡を導入する場所の場合、低速流の下で泡を洗い流すし、Dna を繋留領域を通じて彼らフローしないことを確認しなさい。
合理的および効率的なデータ解析ソフトウェアは、生成されたデータの巨大な量のため重要です。我々 は通常カスタム シングル パーティクルをクアッドコアのプロセッサと 32 Gb のメモリを持つデスクトップ コンピューターで 1 日以内のトラッキング ソフトウェアを使用して処理することができます 1 つのフローセルの測定から 700,000 の高解像度画像を収集します。ソフトウェア (ステップ 5.5) による 1 次元拡散軌道の検出の偽陽性率はサンプル依存、つまり非常に低くすることができます: 1) フレーム (間で粒子のリンク少し曖昧さがあるよう、FOV で単一の粒子の密度が十分に低い一般に蛋白質のサンプル、ペプチドのサンプルより、coverslip への非特異的な吸着が発生しやすく、したがって、バッファーおよび蛋白質ごとの電力密度のサンプルを最適化する必要があります)。2) 信号対ノイズ比単一粒子は、粒子の false を識別可能性が低いために、十分に高いです。それでも、時折誤りをおかし、ソフトウェアとソフトウェアのパフォーマンスを評価する提供される GUI を使用して、データの手動の検査をお勧めします。軌道の誤検出に特に敏感なアプリケーションでプロセスしきい値、minFrames、minTriplets、カイ2_stat など設定できますより厳密 true バインドの低感度を犠牲にしてイベントは、軌道の同定における統計的なバイアス増える可能性があります。ここでは共有し、希望のデータ分析手法を標準化し、ベスト ・ プラクティスについての議論を刺激するための支援ソフトウェアを追跡私達の単一粒子を記述します。
ホッピングにより拡散する場合、またはテンプレートの DNA 分子の伸ばされた状態を維持するために、イメージング中に連続的な流れを必要とする我々 のプロトコルで流体の流れが DNA テンプレートに沿っていくつかの蛋白質の輸送を偏らせうる流体ラベル付きの fluorophore の半径は大きい22,23です。このようなバイアスを測定およびほとんどのデータセットで修正できる、蛋白質の輸送の付いた小さな fluorophore とスライド機構による拡散はバイアスされていません通常検出可能な程度に流れ2,4、 24。特に、dna 結合蛋白質の輸送の流速の影響は蛋白質 DNA23に沿って拡散のメカニズムの研究に使用されています。密接に関連の流れのない状態で測定を可能にする別の方法を利用して一過性流れで伸ばしている両方のテルミニでビオチンと DNA テンプレートとの DNA 分子である coverslip のように両端でつながれた、25,26,27,28オフに流れのある拡張構成。ダブル テザー アプローチ フロー無料輸送実験をできるという利点を持って、テザリングとつなぎ縄でつながれた 2 つのサイト間の距離を評価中に慎重なフロー制御テンプレート dna の両端を変更することが必要です。さらに、異種の張力および DNA 一分子アッセイ上の DNA 分子間での構造変化ダイナミクスの影響が評価されなければなりません。
完全に、DNA 分子の 1 次元拡散を検討するほか、報告として単一分子アッセイの寄与できる多くの in vitro生化学的そして DNA を含む単一分子レベルでの生物物理学的研究対象によって検索プロセス蛋白質、dna、酵素など。
トラブルシューティング
問題 1: 流路をリークします。
解決方法: まず、流路の設計では、シールの周りとチャンネル間の少なくとも 1.5 mm の余白を確認します。その後、フロー ・ セルの組み立ての際に、coverslip、ダブル粘着テープと PDMS スラブとの間の接触面が平らな、乾燥した破片のシールを形成するための加圧が均一、無料と封止の操作があることを確認してくださいと部屋の温度で行います。
問題 2: 連結 DNAs の密度が低すぎます。
解決方法: この問題が発生 PEG 化効率が低いまたは DNA 分子がビオチンと機能しないとき。私たちの経験からテザー DNA の密度が高にする必要があります &#62;、coverslips の 90% 新鮮な準備やシラン-ペグ-ビオチン試薬を正しく保存します。場合つなぎ縄でつながれた DNA の密度がビオチン λ DNA の実績のあるバッチが低いときは、PEG 化とストレプトアビジンとビオチン λ DNA の濃度の間に DNA のテザリング中にシラン-ペグ-ビオチンの濃度を高めるみてください。これが失敗した場合は、PEG ストレプトアビジン試薬を交換してください。
問題 3: Dna、coverslip に固執します。d は、流れによってはストレッチできません。
解決方法: PEG 化効率が低い、低アッセイ pH によって深刻化と、この問題が発生もことができます。試してみて流れるより BSA または (ステップ 4.3.2) 表面への DNA の吸着を抑制するため (例えば、8.0) pH を上げます。DNA の吸着が特定のアッセイ条件の下で永続的な問題なら、PEG 化中 90% シラン-ペグ-COOH を含みます。
データ分析に関する注意事項:
我々 はから DNA に沿って拡散する分子の軌道を識別するためにカスタムの単一粒子追跡ソフトウェアを使用して 1 次元拡散定数、D1 が見積もられています。データ分析を高めるためには、粒子および劇的に損なうことがなくデータ分析を高速化 1 次元拡散定数の推定共分散に基づく推定19ローカライズの放射状対称アルゴリズム18を実施精度。以前、模擬データ11を分析することによって、カスタム ソフトウェアを検証しました。主な手順は次のとおりです。
粒子識別:
この手順は、検出と粒子の回折限界のスポット - 背景からの分割です。まず、空間的帯域通過フィルター 3 5 (私たちのシステム点広がり関数のサイズにあたる) のピクセル範囲とし、しきい値の強度に基づいて粒子の信号を向上させるイメージ (スクリプトを参照してください: spt2_SD_sandbox.m)。
重心の割り当て
ピクセル レベルの空間解像度に分子をローカライズのみイメージを分割します。はるかに高い精度に分子をローカライズするのには上記の画像を超解像アルゴリズム18フィルター放射状対称を採用してください。(このメソッドは解析的計算に基づいており、したがって 2次元ガウシアンフィッティングなど他の人気のある高精度の方法と比較して計算の負担を大幅に軽減 (スクリプトを参照してください: spt2_SD_sandbox.m) です)。
粒子追跡:
時間によって粒子の軌道を追跡するためやフレーム間を移動再同じ粒子を識別する必要があります我々。軌道のコンポーネントの開始、点滅、および終了の段階と考えています。我々 は、フレームごとに許可される最大変位によって以前のフレームで表示される現在のフレームでパーティクルのリンケージを制限します。複数の連携が可能な場合、ヨンカー Volgenant アルゴリズムを使用グローバル最適リンケージ セットを生成して (スクリプトを参照してください: traceTraj4_kx.3.m)。
D1 の推定:
軌道から D1 の値を推定、推定量の共分散に基づく (CVE)19を使用します。分析の計算に基づいて、このメソッドはより計算上効率的で、他のより厳密な統計的によく使われる平均二乗変位の回帰などの方法 (スクリプトを参照してください: runspt5_SD.m)。
軌道がフィルタ リング:
いくつかの軌道表面結合分子へのリンクなどのアイテムを含む、削除する必要があります。我々 は DNA、DNA、軌道、最小限のトリプレット連続検出位置、最小の確率のスコア (熊ら11 を参照してくださいの最小限の長さに横最大変位最小変位などいくつかの機能を実装定義の) 最小バイアス セット分子 DNA の拡散を表す可能性が高い軌道を分離するフィルター処理できます (スクリプトを参照してください: sptViewFig2_update3x.m)。

生物学における長年の問題は特定の行為どの内因性のタンパク質のゲノムのサイトは存続し、その環境に効果的に対応する有機体のために十分にすぐに彼らの DNA ターゲットを見つけることができます。過去 40 年間の研究により、DNA 論ターゲット蛋白質によって検索をする仮説によって加速できるサポート主促進された拡散するタンパク質と交互に、一括で 3 D 拡散 (を含む 1 次元拡散スライディング ウィンドウとプロセスをホッピング) DNA1に沿って。遺伝子調節、核酸代謝、および他のプロセスに関与する多くのタンパク質が DNA2,3,4,5,6,7 スライドを今知られています。 ,8,9。さらに、最近の研究報告も、小さなペプチドにバインドし、貨物を運ぶ能力を持つ dna、スライド、たとえば、蛋白質分子または PCR のプライマー、DNA10、11,12,13,14に沿って。
最後の 15 年間、単一分子流ストレッチ アッセイをバインディングと DNA2,,1516に沿って分子の拡散に広く使用されています。このタイプのアッセイでは、ビオチン化二本鎖 DNA 分子が表面に固定化し、層流を適用して流ストレッチ DNA。&#62; 80% はタイムラプス蛍光イメージングによる単一 DNA 分子の軌道を追跡する、分子 fluorophores が付いている分類のバインディングと輸送活性を研究するための空間拡張テンプレートとして DNAs サーブを伸縮します。再現性と使いやすさのために最適化された、我々 の実装でこの試金から成っている 5 つの手順: データ解析、蛍光イメージング フロー セル建設 coverslip 機能化ビオチン λ DNA の準備。最初反応 (3-アミノプロピル) とプタデカフルオロテトラヒドロデシルトリエトキシシラン (APTES) し、試薬を用いるアミン反応性ポリエチレング リコール (PEG) (例えば、NHS-ペグ-ビオチン) 抵抗ペグ層を形成する以前のプロトコル17、ガラス coverslips された官能基化coverslip 表面分析コンポーネントの無指定の吸着。官能 coverslips の品質は主ペグ試薬および各ステップで反応条件の品質に依存していた。我々 のプロトコルでは、簡略化された機能化プロトコルない液体接着剤や養生時間が日流セルを組み立てを必要とする多重フロー セル構造をについて説明します。重心ローカリゼーション18と共分散に基づく拡散放射対称法を適用することで計算量の多い回帰手順を排除する合理的で堅牢なデータ解析の手順11についても述べる定数推定19。
ここでは、シンプルで堅牢な報告し、ハイスループット分子流ストレッチ アッセイ実装で coverslip の機能化、フロー電池を構築、データ分析の重要な改善。特に、我々 はきれいな乾いた coverslips がシラン-ペグ-ビオチンと直接反応するワンステップ coverslip の機能化プロトコルを開発しました。このプロトコルは、coverslip の準備を簡素化し、標準の 2 段階反応プロトコルと比較して機能性表面の品質の信頼性を向上させます。接着剤なしに堅牢なチューブ接続を有効にするマルチ チャネル PDMS 流セルを持つので、官能基化 coverslips の使用について述べる。さらにこれらのフローの細胞、複数コンピューター制御の入り江各流れ区域セットアップおよび増加の測定スループット ハンズオン時間を削減する自動試薬の流れを可能にするがあります。

<table><tbody><tr><td>Biotin labeled oligo, 5&amp;rsquo;-AGGTCGCCGCCC(A)&lt;sub&gt;20&lt;/sub&gt;-biotin-3&amp;rsquo;</td><td>IDT</td><td>Custom oligo synthesis</td><td>Standard desalting purification is sufficient</td></tr><tr><td>&amp;lambda;-DNA</td><td>New England Biolabs Inc.</td><td>N3011S</td><td>Make aliquots and minimize freeze-thaw cycle number</td></tr><tr><td>T4 DNA ligase and ligation reaction buffer</td><td>New England Biolabs Inc.</td><td>M0202S</td><td></td></tr><tr><td>Amicon centrifugal filter tubes with NMWL of 100k Dalton</td><td>EMD Millipore</td><td>UFC510008</td><td></td></tr><tr><td>No. 1 glass coverslips</td><td>VWR</td><td>48393-106</td><td></td></tr><tr><td>Pure ethanol</td><td>VWR</td><td>89125-186</td><td></td></tr><tr><td>Potassium hydroxide pellets</td><td>Fisher Scientific</td><td>P250-500</td><td></td></tr><tr><td>Plasma cleaner, model No. PDC-32G</td><td>Harrick Plasma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Silane-peg-biotin</td><td>Nanocs</td><td>PG2-BNSL-5k</td><td>Store at -20&lt;sup&gt;o&lt;/sup&gt;C in dry nitrogen gas</td></tr><tr><td>A CAD software</td><td>Autodesk</td><td>AutoCAD</td><td></td></tr><tr><td>Double-adhesive tape</td><td>Adhesive Applications</td><td>8512-2-DP/DL</td><td></td></tr><tr><td>Tape cutter, model No. CE5000-40-CRP</td><td>Graphtec America</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PDMS and crosslink reagent kit</td><td>R.S. Hughes</td><td>RTV615 CLEAR 010</td><td></td></tr><tr><td>Degassing chamber, model No. F42010-0000</td><td>BEL-ART Products</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mixer, model No. ARV-310</td><td>Thinky</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hole puncher, Harris Uni-Cores, Size 0.5 mm</td><td>Harris Uni-Cores</td><td></td><td>This can be substituted with a manual biopsy punch with a similar needle size</td></tr><tr><td>Tygon tubing</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06420-02</td><td>0.020&quot; ID, 0.060&quot;OD</td></tr><tr><td>Peek tubing</td><td>Western Analytical</td><td>PK007-031-Y</td><td>0.007&quot; ID, 0.031&quot;OD</td></tr><tr><td>Streptavidin</td><td>New England Biolabs Inc.</td><td>N7021S</td><td></td></tr><tr><td>Bovine serum albumin (BSA)</td><td>New England Biolabs Inc.</td><td>B9000S</td><td></td></tr><tr><td>Sytox orange nucleic acid stain</td><td>Invitrogen</td><td>S11368</td><td></td></tr><tr><td>Ti-E Microscope</td><td>Nikon</td><td></td><td>Microscope, camera, objective, dichroic mirror and bandpass filter can be substituted for similar equipment</td></tr><tr><td>100x Objective, NA/1.49, CFI Apo TIRF</td><td>Nikon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CMOS camera</td><td>Hammamatsu</td><td>Orca Flash 4.0</td><td></td></tr><tr><td>Dichroic mirror</td><td>Semrock</td><td>FF560/659-Di01-25x36</td><td></td></tr><tr><td>Bandpass filter</td><td>Semrock</td><td>FF01-577/690-25</td><td></td></tr><tr><td>532 nm laser</td><td>Rayscience Innovation Limited, Shanghai</td><td>OEMLL-FN-532nm-C</td><td>Select wavelength to correspond to stain of choice</td></tr><tr><td>Syringe pump</td><td>Chemxy</td><td>Fusion 200</td><td></td></tr><tr><td>TMR-KRRR, &gt;=85% purity</td><td>MIT Biopolymer lab</td><td></td><td></td></tr><tr><td>pVIc-Cy3B, HPLC purified</td><td>A gift from Dr. Walter Mangel at Brookhaven National lab</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Script programming software</td><td>MathWorks</td><td>Matlab</td><td></td></tr><tr><td>* see parts list for solenoid valves, computer interface, and assembly instructions at: https://sites.google.com/site/rafaelsmicrofluidicspage/valve-controllers</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

a simple, robust, and high throughput single molecule flow stretching assay implementation for studying transport of molecules along dna

DNA 分子の 1 次元拡散を勉強するためシンプルで堅牢かつ高スループット分子流ストレッチ試金を記述します。このアッセイでガラス coverslips はシラン-ペグ-ビオチンとワンステップ反応の機能化します。フローセルを構築するには、官能 coverslip と入口と出口の穴を含む PDMS スラブ間カット済みチャネルに粘着テープを挟みます。フローは 1 つのセルに複数のチャネルを統合し、各チャネル毎に試薬の流れ完全に自動化できる、大幅測定スループットが向上し、アッセイあたりの実践時間を短縮します。各チャンネル内部表面に固定されているビオチン λ Dna と層流、流ストレッチ Dna に適用されます。DNA 分子に引き伸ばされます &#62; 80% 輪郭線長のサーブとして空間的拡張蛍光に分類された分子の結合と輸送活性を研究するためのテンプレート。単一分子の軌道を追跡時間経過の全内部反射蛍光 (TIRF) イメージングによる。Raw 画像は、合理化されたカスタム単一粒子追跡ソフトウェアを使用して自動的に DNA に沿って拡散する分子の軌道を識別し、1 次元拡散定数を推定する分析されます。

図 2 aは、pVIc Cy3B の検出された軌跡を示しています (pVIc: GVQSLKRRRCF;Cy3B はシステイン残基に共役) 2 mM の NaCl の DNA を拡散分子バッファー ph 6.5。PVIc の拡散は双方向、周囲の熱エネルギーで駆動です。これらの軌跡から 1 次元拡散定数 (D1 の値) が各軌道の推定される (図 2 bにヒストグラムを参照してください)。この pVIc 共役の D1 の値の平均は軌道各軌道に含まれるトリプレット連続位置呼び出しの数によって加重する 22.2 ± 0.9 (標準誤差) M (bp2/s) 各 D1 の値を平均することによって計算されます。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55923/55923fig1.jpg"> 
図 1: DNA の方向の単一の分子の動きを追跡するための装置。 ) 8 ch PDMS マイクロ流体チップ付着する DNA は、(スケールのアメリカ クォーター コイン) とつながれることができます; 官能 coverslipb) 流れ流れ伸ばして λ DNA の分子の細胞ズーム図c) DNA を伸ばすため全反射顕微鏡とフロー システムの概略図d) 全反射像流れ伸ばして λ-DNA;e) 全反射像 pVIc Cy3B (pVIc: GVQSLKRRRCF;Cy3B はシステイン残基に共役) 分子は流れ伸ばして λ DNA にバインドします。この図は、アクセス許可2,12と変更されています。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55923/55923fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55923/55923fig2.jpg"> 
図 2: PVIc (GVQSLKRRRCF) DNA の方向の一次元拡散します。 ). 流れに沿って pVIc の拡散が 2 mM NaCl バッファー ph 6.5 の λ Dna (137 軌道) を伸ばして。x(t) と y(t) に沿ってと λ DNA に横方向の変位は、それぞれ。水平の点線は、染料の点滅から生じる不足しているポイントを示します。b). 拡散係数のヒストグラム、pVIc λ Dna に沿って拡散の D1。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55923/55923fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

Watch this Scientific Journal Video about A Simple, Robust, and High Throughput Single Molecule Flow Stretching Assay Implementation for Studying Transport of Molecules Along DNA at JoVE.com

A Simple, Robust, and High Throughput Single Molecule Flow Stretching Assay Implementation for Studying Transport of Molecules Along DNA

シンプルで堅牢、かつ高スループットの単一分子 DNA 分子の輸送を研究するためのストレッチ法の実装を流れ

このプロトコルは、DNA 分子の一次元 (1 D) 拡散を勉強するためシンプルで堅牢かつ高スループット分子流ストレッチ試金を示しています。

We describe a simple, robust and high throughput single molecule flow-stretching assay for studying 1D diffusion of molecules along DNA. In this assay, ...

a-simple-robust-high-throughput-single-molecule-flow-stretching-assay

Research

JoVE Journal

Biochemistry

8.1K ビュー.  Massachusetts Institute of Technology and Harvard Medical School. このプロトコルは、DNA 分子の一次元 (1 D) 拡散を勉強するためシンプルで堅牢かつ高スループット分子流ストレッチ試金を示しています。

ビデオ: A Simple, Robust, and High Throughput Single Molecule Flow Stretching Assay Implementation for Studying Transport of Molecules Along DNA

Stretching Short Sequences of DNA with Constant Force Axial Optical Tweezers

Single-molecule techniques for stretching DNA of contour lengths less than a kilobase are fraught with experimental difficulties. However, many interesting biological events such as histone binding and protein-mediated looping of DNA1,2, occur on this length scale. In recent years, the mechanical properties of DNA have been shown to play a significant role in fundamental cellular processes like the packaging of DNA into compact nucleosomes and chromatin fibers3,4. Clearly, it is then important to understand the mechanical properties of short stretches of DNA. In this paper, we provide a practical guide to a single-molecule optical tweezing technique that we have developed to study the mechanical behavior of DNA with contour lengths as short as a few hundred basepairs.
The major hurdle in stretching short segments of DNA is that conventional optical tweezers are generally designed to apply force in a direction lateral to the stage5,6, (see Fig. 1). In this geometry, the angle between the bead and the coverslip, to which the DNA is tethered, becomes very steep for submicron length DNA. The axial position must now be accounted for, which can be a challenge, and, since the extension drags the microsphere closer to the coverslip, steric effects are enhanced. Furthermore, as a result of the asymmetry of the microspheres, lateral extensions will generate varying levels of torque due to rotation of the microsphere within the optical trap since the direction of the reactive force changes during the extension.
Alternate methods for stretching submicron DNA run up against their own unique hurdles. For instance, a dual-beam optical trap is limited to stretching DNA of around a wavelength, at which point interference effects between the two traps and from light scattering between the microspheres begin to pose a significant problem. Replacing one of the traps with a micropipette would most likely suffer from similar challenges. While one could directly use the axial potential to stretch the DNA, an active feedback scheme would be needed to apply a constant force and the bandwidth of this will be quite limited, especially at low forces.
We circumvent these fundamental problems by directly pulling the DNA away from the coverslip by using a constant force axial optical tweezers7,8. This is achieved by trapping the bead in a linear region of the optical potential, where the optical force is constant-the strength of which can be tuned by adjusting the laser power. Trapping within the linear region also serves as an all optical force-clamp on the DNA that extends for nearly 350 nm in the axial direction. We simultaneously compensate for thermal and mechanical drift by finely adjusting the position of the stage so that a reference microsphere stuck to the coverslip remains at the same position and focus, allowing for a virtually limitless observation period.

We illustrate the use of a constant force axial optical tweezers to explore the mechanical properties of short DNA molecules. By stretching DNA axially, we minimize steric hindrances and artifacts arising in conventional lateral manipulation, allowing us to study DNA molecules as short as ~100 nm.

コンスタント·フォース軸光ピンセットを用いたDNAの短い配列を伸ばす

Single-molecule techniques for stretching DNA of contour lengths  less than a kilobase are fraught with experimental difficulties. However, many ...

生物工学

Single-molecule Manipulation of G-quadruplexes by Magnetic Tweezers

Non-canonical nucleic acid secondary structure G-quadruplexes (G4) are involved in diverse cellular processes, such as DNA replication, transcription, RNA processing, and telomere elongation. During these processes, various proteins bind and resolve G4 structures to perform their function. As the function of G4 often depends on the stability of its folded structure, it is important to investigate how G4 binding proteins regulate the stability of G4. This work presents a method to manipulate single G4 molecules using magnetic tweezers, which enables studies of the regulation of G4 binding proteins on a single G4 molecule in real time. In general, this method is suitable for a wide scope of applications in studies for proteins/ligands interactions and regulations on various DNA or RNA secondary structures.

A single-molecule magnetic tweezers platform to manipulate G-quadruplexes is reported, which allows for the study of G4 stability and regulation by various proteins.

磁気ピンセットで G quadruplexes の単一分子マニピュレーション

Non-canonical nucleic acid secondary structure G-quadruplexes (G4) are involved in diverse cellular processes, such as DNA replication, transcription, RNA ...

生化学

Visualizing Single-molecule DNA Replication with Fluorescence Microscopy

We describe a simple fluorescence microscopy-based real-time method for observing DNA replication at the single-molecule level. A circular, forked DNA template is attached to a functionalized glass coverslip and replicated extensively after introduction of replication proteins and nucleotides (Figure 1). The growing product double-strand DNA (dsDNA) is extended with laminar flow and visualized by using an intercalating dye. Measuring the position of the growing DNA end in real time allows precise determination of replication rate (Figure 2). Furthermore, the length of completed DNA products reports on the processivity of replication. This experiment can be performed very easily and rapidly and requires only a fluorescence microscope with a reasonably sensitive camera.


This protocol demonstrates a simple single-molecule fluorescence microscopy technique for visualizing DNA replication by individual replisomes in real time.

蛍光顕微鏡による可視化単分子のDNAの複製

We describe a simple fluorescence microscopy-based real-time method for observing DNA replication at the single-molecule level. A circular, forked DNA ...

生物学

Direct Observation of Enzymes Replicating DNA Using a Single-molecule DNA Stretching Assay

We describe a method for observing real time replication of individual DNA molecules mediated by proteins of the bacteriophage replication system. Linearized &lambda; DNA is modified to have a biotin on the end of one strand, and a digoxigenin moiety on the other end of the same strand. The biotinylated end is attached to a functionalized glass coverslip and the digoxigeninated end to a small bead. The assembly of these DNA-bead tethers on the surface of a flow cell allows a laminar flow to be applied to exert a drag force on the bead. As a result, the DNA is stretched close to and parallel to the surface of the coverslip at a force that is determined by the flow rate (Figure 1). The length of the DNA is measured by monitoring the position of the bead. Length differences between single- and double-stranded DNA are utilized to obtain real-time information on the activity of the replication proteins at the fork. Measuring the position of the bead allows precise determination of the rates and processivities of DNA unwinding and polymerization (Figure 2).

We describe a method for observing real time replication of individual DNA molecules mediated by proteins of the bacteriophage replication system.

アッセイをストレッチ単一分子のDNAを用いて酵素の複製DNAの直接観察

We describe a method for observing real time replication of individual DNA molecules mediated by proteins of the bacteriophage replication system. ...

Use of Dual Optical Tweezers and Microfluidics for Single-Molecule Studies

Visual biochemistry is a powerful technique for observing the stochastic properties of single enzymes or enzyme complexes that are obscured in the averaging that takes place in bulk-phase studies. To achieve visualization, dual optical tweezers, where one trap is fixed and the other is mobile, are focused into one channel of a multi-stream microfluidic chamber positioned on the stage of an inverted fluorescence microscope. The optical tweezers trap single molecules of fluorescently labeled DNA and fluid flow through the chamber and past the trapped beads, stretches the DNA to B-form (under minimal force, i.e., 0 pN) with the nucleic acid being observed as a white string against a black background. DNA molecules are moved from one stream to the next, by translating the stage perpendicular to the flow to enable the initiation of reactions in a controlled manner. To achieve success, microfluidic devices with optically clear channels are mated to glass syringes held in place in a syringe pump. Optimal results use connectors permanently bonded to the flow cell, tubing that is mechanically rigid and chemically resistant, and which is connected to switching valves that eliminate bubbles that prohibit laminar flow.

Visual, single-molecule biochemistry studied through microfluidic chambers is greatly facilitated using glass barrel, gas-tight syringes, stable connections of tubing to flow cells, and elimination of bubbles by placing switching valves between the syringes and tubing. The protocol describes dual optical traps that enable visualization of DNA transactions and intermolecular interactions.

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

Visual biochemistry is a powerful technique for observing the stochastic properties of single enzymes or enzyme complexes that are obscured in the ...

<meta charset="utf8"></head><body>ssDNA-RPAトラクト成長によるCMG媒介DNA巻き戻しの観察

Single-Molecule Real-Time Visualization of DNA Unwinding by CMG Helicase

Faithful genome duplication is essential for preserving the genetic stability of dividing cells. DNA replication is carried out during the S phase by a dynamic complex of proteins termed the replisome. At the heart of the replisome is the&#160;CDC45-MCM2-7-GINS (CMG) helicase, which separates the two strands of the DNA double helix such that DNA polymerases can copy each strand. During genome duplication, replisomes must overcome a plethora of obstacles and challenges. Each of these threatens genome stability, as failure to replicate DNA completely and accurately can lead to mutations, diseases, or cell death. Therefore, it is of great interest to understand how CMG functions in the replisome during both normal replication and replication stress. Here, we describe a total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy assay using recombinant purified proteins, which allows for real-time visualization of surface-tethered stretched DNA molecules by individual CMG complexes. This assay provides a powerful platform to investigate CMG behavior at the single-molecule level, allowing helicase dynamics to be directly observed with real-time control over reaction conditions.

<meta charset="utf8"></head><body>著者スポットライト:真核生物のDNA複製のダイナミクスを解明する:単一分子の可視化による

This protocol demonstrates performing a single-molecule assay for live visualization of DNA unwinding by CMG helicase. It describes (1) preparing a DNA substrate, (2) purifying fluorescently labeled Drosophila melanogaster CMG helicase, (3) preparing a microfluidic flow cell for total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy, and (4) the single-molecule DNA unwinding assay.

CMGヘリカーゼによるDNA巻き戻しの1分子リアルタイム可視化

Faithful genome duplication is essential for preserving the genetic stability of dividing cells. DNA replication is carried out during the S phase by a ...

Characterizing Single-Molecule Conformational Changes Under Shear Flow with Fluorescence Microscopy

Single-molecule behavior under mechanical perturbation has been characterized widely to understand many biological processes. However, methods such as atomic force microscopy have limited temporal resolution, while F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) only allow conformations to be inferred. Fluorescence microscopy, on the other hand, allows real-time in situ visualization of single molecules in various flow conditions. Our protocol describes the steps to capture conformational changes of single biomolecules under different shear flow environments using fluorescence microscopy. The shear flow is created inside microfluidic channels and controlled by a syringe pump. As demonstrations of the method, von Willebrand factor (VWF) and lambda DNA are labeled with biotin and fluorophore and then immobilized on the channel surface. Their conformations are continuously monitored under variable shear flow using total internal reflection (TIRF) and confocal fluorescence microscopy. The reversible unraveling dynamics of VWF are useful for understanding how its function is regulated in human blood, while the conformation of lambda DNA offers insights into the biophysics of macromolecules. The protocol can also be widely applied to study the behavior of polymers, especially biopolymers, in varying flow conditions and to investigate the rheology of complex fluids.

We present a protocol for immobilizing single macromolecules in microfluidic devices and quantifying changes in their conformations under shear flow. This protocol is useful for characterizing the biomechanical and functional properties of biomolecules such as proteins and DNA in a flow environment.

蛍光顕微鏡によるせん断流下の単分子の立体構造変化の特徴

Single-molecule behavior under mechanical perturbation has been characterized widely to understand many biological processes. However, methods such as ...

Combining Single-molecule Manipulation and Imaging for the Study of Protein-DNA Interactions

The paper describes the combination of optical tweezers and single molecule fluorescence detection for the study of protein-DNA interaction. The method offers the opportunity of investigating interactions occurring in solution (thus avoiding problems due to closeby surfaces as in other single molecule methods), controlling the DNA extension and tracking interaction dynamics as a function of both mechanical parameters and DNA sequence. The methods for establishing successful optical trapping and nanometer localization of single molecules are illustrated. We illustrate the experimental conditions allowing the study of interaction of lactose repressor (lacI), labeled with Atto532, with a DNA molecule containing specific target sequences (operators) for LacI binding. The method allows the observation of specific interactions at the operators, as well as one-dimensional diffusion of the protein during the process of target search. The method is broadly applicable to the study of protein-DNA interactions but also to molecular motors, where control of the tension applied to the partner track polymer (for example actin or microtubules) is desirable.

Here we describe the instrumentation and methods for detecting single fluorescently-labeled protein molecules interacting with a single DNA molecule suspended between two optically trapped microspheres.

タンパク質-DNA相互作用の研究のための単一分子マニピュレーションとイメージングを組み合わせる

The paper describes the combination of optical tweezers and single molecule fluorescence detection for the study of protein-DNA interaction. The method ...

シンプルで堅牢、かつ高スループットの単一分子 DNA 分子の輸送を研究するためのストレッチ法の実装を流れ

要約

さらに動画を探す

この動画の章

コンスタント·フォース軸光ピンセットを用いたDNAの短い配列を伸ばす

磁気ピンセットで G quadruplexes の単一分子マニピュレーション

蛍光顕微鏡による可視化単分子のDNAの複製

アッセイをストレッチ単一分子のDNAを用いて酵素の複製DNAの直接観察

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

CMGヘリカーゼによるDNA巻き戻しの1分子リアルタイム可視化

CMGヘリカーゼによるDNA巻き戻しの1分子リアルタイム可視化

CMGヘリカーゼによるDNA巻き戻しの1分子リアルタイム可視化

蛍光顕微鏡によるせん断流下の単分子の立体構造変化の特徴

タンパク質-DNA相互作用の研究のための単一分子マニピュレーションとイメージングを組み合わせる