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Method Article
우리는 시험관 내 전사 반응을 조절하기 위해 새로운 DNA 테더T7 RNA 폴리머라제의 엔지니어링을 설명합니다. 우리는 단백질 합성 및 특성화를 위한 단계를 논의하고, 개념 증명 전사 적 조절을 검증하며, 분자 컴퓨팅, 진단 및 분자 정보 처리에 대한 응용 분야에 대해 논의합니다.
DNA 나노 기술은 다양한 응용 프로그램에 대한 사용자 처방 모양과 역학으로 핵산의 프로그래밍 가능한 자체 조립을 가능하게합니다. 이 연구는 DNA 나노 기술의 개념이 파지 유래 T7 RNA 폴리머라제(RNAP)의 효소 활성을 프로그래밍하고 확장 가능한 합성 유전자 조절 네트워크를 구축하는 데 사용될 수 있음을 보여줍니다. 첫째, 올리고뉴클레오티드 테더드 T7 RNAP는 N단말 스냅 태그 RNAP의 발현과 SNAP 태그의 후속 화학 결합을 벤질구아닌(BG)-변형 올리고뉴클레오티드와 결합하여 설계된다. 다음으로, 핵산 가닥 변위는 주문형 폴리머라제 전사를 프로그래밍하는 데 사용된다. 또한, 보조 핵산 어셈블리는 DNA 템플릿을 사용하여 DNA 프로그래밍된 T7 RNAP 간의 상호 작용을 조절하기 위해 "인공 전사 인자"로 사용될 수 있다. 이 시험관 내 전사 규제 메커니즘은 디지털 논리, 피드백, 계단식 및 멀티플렉스와 같은 다양한 회로 동작을 구현할 수 있습니다. 이 유전자 규제 아키텍처의 컴포지토리는 설계 추상화, 표준화 및 확장을 용이하게 합니다. 이러한 기능은 생체 감지, 질병 검출 및 데이터 저장과 같은 응용 분야에 대한 시험관 내 유전 장치의 신속한 프로토타이핑을 가능하게 합니다.
DNA 컴퓨팅은 계산을 위한 매체로 디자인된 올리고뉴클레오티드 세트를 사용합니다. 이러한 올리고뉴클레오티드는 사용자 지정 논리에 따라 동적으로 조립하고 특정 핵산 입력에 반응하기 위해 서열로 프로그래밍됩니다. 개념 증명 연구에서, 계산의 출력은 전형적으로 겔 전기전도 또는 형광 판 판독기를 통해 검출될 수 있는 형광표형 올리고뉴클레오티드 세트로 구성됩니다. 지난 30년 동안 다양한 디지털 로직 캐스케이드, 화학 반응 네트워크 및 신경망1,2,3과같이 점점 더 복잡해지는 DNA 전산 회로가 입증되었습니다. 이러한 DNA 회로의 제조를 지원하기 위해, 수학적 모델은 합성 유전자 회로4,5의기능을 예측하는 데 사용되었으며, 직교 DNA 서열 설계6,7,8,9,10을 위해 전산 도구가 개발되었습니다. . 실리콘 기반 컴퓨터에 비해 DNA 컴퓨터의 장점은 생체 분자와 직접 인터페이스하고 전원 공급 장치가없는 상태에서 솔루션에서 작동하는 능력뿐만 아니라 전반적인 컴팩트함과 안정성을 포함합니다. 차세대 시퀀싱이 등장하면서 지난 2년간 DNA 컴퓨터 합성 비용은 무어의 법칙11보다빠른 속도로 감소하고 있습니다. 이러한 DNA 기반 컴퓨터의 응용프로그램은 이제 질병진단(12,13),분자 생물물리학(14)에 전력을 공급하고, 데이터 저장플랫폼(15)과같은 출현하기 시작했다.
그림 1: 발가락 매개 DNA 가닥 변위의 메커니즘. δ 발가락은 부분 이중에 무료, 언바운드 시퀀스입니다. 두 번째 가닥에 보완 도메인(δ*)이 도입되면 자유 δ 도메인은 혼성화를 위한 발판 역할을 하므로 나머지 가닥(ɑ*)이 가닥 마이그레이션이라고 하는 지퍼/압축 해제 가역 반응을 통해 경쟁업체를 천천히 대체할 수 있습니다. δ 길이가 증가함에 따라 전방 반응용 ΔG가 감소하고 변위가 더 쉽게 발생합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
현재까지 DNA 컴퓨터의 대다수는 발가락 매개 DNA 가닥 변위(TMDSD, 도 1)16으로알려진 동적 DNA 나노 기술 분야에서 잘 확립된 모티프를 활용한다. 이 모티프는 짧은 "발가락"오버행 (즉, 7- 10 뉴클레오티드 (nt)를 표시하는 부분적으로 이중 좌초 DNA (dsDNA) 이중으로 구성된다. 핵산 "입력" 가닥은 발가락을 통해 부분 이중과 상호 작용할 수 있다. 이것은 부분 이중에서 가닥 중 하나의 변위로 이어지며, 이 해방된 가닥은 다운스트림 부분 이중에 대한 입력역할을 할 수 있습니다. 따라서 TMDSD는 신호 계단식 및 정보 처리를 가능하게 합니다. 원칙적으로 직교 TMDSD 모티프는 솔루션에서 독립적으로 작동하여 병렬 정보 처리를 가능하게 합니다. TMDSD 반응에 대한 다양한 변형이 있었다, 발가락 매개 DNA 가닥 교환 (TMDSE)(17),이중 긴 영역을 가진 "누출없는"발가락 홀드(18),서열 불일치 발가락19,및 "손잡이"매개 가닥 변위(20)등이 있었다. 이러한 혁신적인 설계 원칙을 통해 DNA 컴퓨팅 성능을 개선하기 위해 TMDSD의 에너지와 역학을 보다 세밀하게 조정할 수 있습니다.
전사 유전자 회로와 같은 합성 유전자 회로도 계산21,22,23을계산할 수 있다. 이 회로는 특정 조절 DNA 요소에 결합하여 유전자의 전사를 활성화하거나 억압하는 단백질 전사 인자에 의해 조절됩니다. DNA 기반 회로에 비해 전사 회로는 몇 가지 장점이 있습니다. 첫째, 효소 전사는 기존 촉매 DNA 회로보다 훨씬 높은 회전율을 가지므로 입력의 단일 사본당 더 많은 출력 사본을 생성하고 보다 효율적인 신호 증폭 수단을 제공합니다. 또한, 전사 회로는 치료 단백질에 대한 aptamers 또는 메신저 RNA(mRNA) 인코딩과 같은 상이한 기능성 분자를 생성할 수 있으며, 이는 다른 용도에 대해 악용될 수 있는 계산 출력으로. 그러나, 현재 전사 회로의 주요 한계는 확장성의 그들의 부족입니다. 이는 직교 단백질 기반 전사 인자의 매우 제한된 세트가 있기 때문에 새로운 단백질 전사 인자의 de novo 디자인은 기술적으로 도전적이고 시간이 많이 소요됩니다.
도 2: "밧줄"과 "케이지"폴리머라제 복합체의 추상화 및 메커니즘. (A 및 B)올리고뉴클레오티드 테더는 SNAP 태그 반응을 통해 T7 폴리머라아제로 효소로 표시된다. 테더-프로모터가 있는 "가짜" T7 프로모터로 구성된 케이지를 사용하면 테더에 혼성화하고 전사 활동을 차단할 수 있습니다. (C)작업자(a*b*)가존재할 때, 올리고뉴클레오티드테더(ab)에발가락에 결합하고 케이지의 b* 영역을 변위시켜 전사가 발생할 수 있도록 한다. 이 수치는 추와 시27에서수정되었습니다. 약어 : RNAP = RNA 폴리머 라제. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 논문은 전사 회로의 기능과 DNA 기반 회로의 확장성을 결합한 분자 컴퓨팅을 위한 새로운 빌딩 블록을 소개합니다. 이 빌딩 블록은 단일 좌초 DNA 테더(도2A)와함께 공동으로 부착된 T7 RNAP이다. 이 DNA 테더드 T7 RNAP를 합성하기 위해 폴리머라제는 N 단자 SNAP태그(24)에 융합되고 에슈리치아 대장균에서재조합되었다. SNAP 태그는 BG 기판으로 기능화된 올리고뉴클레오티드로 반응했다. 올리고뉴클레오티드 테더는 DNA 혼성화를 통해 폴리머라제에 근접하여 분자 손님의 위치를 지정할 수 있게 한다. 이러한 손님 중 하나는 "케이지"라고 불리는 경쟁 전사 차단제였으며, 이는 유전자 다운스트림이없는 "가짜"T7 프로모터 DNA 듀플렉스(그림 2B)로구성됩니다. 올리고뉴클레오티드 밧줄을 통해 RNAP에 구속될 때, 케이지는 RNAP 결합을 위한 다른 DNA 템플릿을 능가하여 중합체 활성을 노점으로 하여 RNAP상태를 "OFF"상태(도 2C)로렌더링한다.
"ON" 상태로 중합효소를 활성화하기 위해, 유전자의 T7 프로모터의 상류에 단일 좌초 "연산자" 도메인을 가진 T7 DNA 템플릿이 설계되었다. 연산자 도메인(즉, 도메인 a*b* 도 2C)은TMDSD를 통해 RNAP에서 케이지를 대체하고 RNAP 근위를 유전자의 T7 프로모터에 배치하여 전사를 시동하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, DNA 템플릿은 또한 운영자 서열이 "인공 전사 인자"(즉, 도 3A에서TFA 및 TFB 가닥)로 지칭되는 보조 핵산 가닥에 보완된 곳에서 설계되었다. 두 가닥이 반응에 도입되면 운영자 사이트에서 어셈블하여 새로운 의사 연속 도메인 a*b*를만듭니다. 그런 다음 이 도메인은 TMDSD를 통해 케이지를 변위하여전사(그림 3B)를시작할 수 있습니다. 이러한 가닥은 외인성 또는 생산될 수 있다.
그림 3: 3성분 스위치 활성제를 통한 폴리머라제 활성의 선택적 프로그래밍. (A)전사 인자(TFA 및 TFB)가존재할 때, 그들은 프로모터의 연산도메인 상류에 결합하여, 포홀드 중재된 DNA 변위를 통해 케이지를 변위시킬 수 있는 의사 단일 가닥 시퀀스(a*b*)를 형성한다. (B)이 a*b* 도메인은 TMDSD를 통해 케이지를 변위하여 전사를 시작할 수 있습니다. 이 수치는 추와 시27에서수정되었습니다. 약어: TF = 전사 인자; RNAP = RNA 중합체; TMDSD = 발가락 매개 DNA 가닥 변위. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
체외 전사 조절을 위한 핵산 계전사 인자의 사용은 디지털 논리, 피드백 및 신호 계단식과 같은 정교한 회로 동작의 확장 가능한 구현을 가능하게 합니다. 예를 들어, 상류 유전자의 전사체가 다운스트림 유전자를 활성화하는 핵산 서열을 설계함으로써 논리 게이트 캐스케이드를 구축할 수 있다. 이 제안된 기술로 이루어진 계단식 및 멀티플렉스를 활용하는 한 가지 응용 분야는 휴대용 진단 및 분자 데이터 처리를 위한 보다 정교한 분자 컴퓨팅 회로를 개발하는 것입니다. 또한, 분자 컴퓨팅 및 드 노보 RNA 합성 기능을 통합하면 새로운 응용 프로그램이 가능해질 수 있다. 예를 들어, 분자 회로는 사용자 정의 RNA 중 하나 또는 조합을 입력 및 출력 치료 RNA 또는 mRNA로 검출하도록 설계되어 기능성 펩티드 또는 단백질을 치료 시점 의료 응용 분야에 대한 암호화할 수 있다.
1. 버퍼 준비
참고: 단백질 정제 완충제 준비는 어느 날 발생할 수 있습니다. 여기에서 실험을 시작하기 전에 수행되었습니다.
2. 하룻밤 문화 성장: 1일차
그림 4: SNAP T7 RNAP에 대한 플라스미드지도. 플라스미드는 pQE-80L 백본에 락 프레스(lacI) 하에 N단 히스티딘 태그(6x His) 및 SNAP 태그 도메인(SNAP T7 RNAP)이 포함된 T7 RNAP를 인코딩합니다. 다른 특징은 가나마이신 저항을 포함 (KanR) 및 클로람페니콜 저항 (CmR) 유전자. 약어: RNAP = RNA 폴리머라제. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
참고: 플라스미드는 N단 히스티딘 태그와 SNAP 태그 도메인(SNAP T7 RNAP)을 포함하는 T7 RNAP뿐만 아니라 pQE-80L 백본(그림4)25하에서가나마이신 저항 유전자를 인코딩한다.
3. 세포 성장과 유도: 2일차
4. 세포 용해, 단백질 정제: 3일차
5. 나트륨 도데딜 황산염 폴리아크라이알라미드 젤 전기포레시스(SDS-PAGE) 단백질 생성물 분석: 3일차
6. 시험관 내 전사를 통해 SNAP T7 RNAP의 기능적 검증
참고: 이 프로토콜은 형광 브로콜리 RNA aptamer에 대한 인코딩 DNA 템플릿을 사용하고 형광 판 판독기에 전사의 역학을 모니터링하기 위해 형광의 사용을 허용합니다.
7. BG 변형 올리고뉴클레오티드 준비: 1일차
8. BG 올리고뉴클레오티드 컨쥬게이트의 에탄올/아세톤 침전: 2일차
9. 젤 여과 크로마토그래피를 통한 BG-올리고뉴클레오티드 정화
10. BG 올리고뉴클레오티드 컨쥬게이트의 페이지 분석
11. 올리고뉴클레오티드의 컨쥬게이션을 SNAP T7 RNAP 및 PAGE 분석에
12. 이온 교환 열을 사용하여 올리고뉴클레오티드 테더드 SNAP-T7의 정화
13. 테더드 RNA 폴리머라제 활성의 온디맨드 제어 시연
그림 5: SNAP T7 RNAP 발현 및 체외 전사 분석의 SDS-PAGE 분석. (A)SNAP T7 RNAP 단백질 정제 분석, SNAP T7 RNAP 분자량: 119.4kDa. FT = 컬럼에서 의 흐름을 통해, W1 = 용출 분획불을 포함하는 세척 버퍼, 정제 된 제품을 포함하는 E1-3 = 용출 분획, 및 DE = 10 배 희석 총 탈염 용출. 4-1...
이 연구는 N-말단 태그 재조합 T7 RNAP를 BG 기능화 올리고뉴클레오티드와 공동으로 결합하여 T7 RNA 폴리머라제의 활성을 제어하는 DNA 나노 기술에서 영감을 얻은 접근법을 시연하며, 이는 이후 TMDSD 반응을 프로그래밍하는 데 사용되었습니다. 설계에 의하면, SNAP 태그는 폴리머라제의 N-종착체에 위치하였으며, 야생형 T7 RNAP의 C-종점은 단백질 구조 코어 내에 묻혀 DNA템플릿(28)과중?...
저자중 누구도 선언할 경쟁적인 재정적 이해관계는 없습니다.
L.Y.T.C 연구 기금 탐사 (NFRF-E), 캐나다 자연 과학 및 공학 연구 위원회 (NSERC) 디스커버리 그랜트, 캐나다 최초의 연구 우수 기금 (CFREF)의 자금을 받는 디자인 이니셔티브에 의한 토론토 대학의 의학에서 관대 한 지원을 인정합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.5% polysorbate 20 (TWEEN 20) | BioShop | TWN510.5 | |
0.5M ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Bio Basic | SD8135 | |
10 mM sodium phosphate buffer (pH 7) | Bio Basic | PD0435 | Tablets used to make 10 mM buffer |
10% ammonium persulfate (APS) | Sigma Aldrich | A3678-100G | |
100 kDa Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Unit | Fisher Scientific | UFC910008 | |
100% acetone | Fisher Chemical | A18P4 | |
100% ethanol (EtOH) | House Brand | 39752-P016-EAAN | |
10x in vitro transcription (IVT) buffer | New England Biolabs | B9012 | |
10x Tris-Borate-EDTA (TBE) buffer | Bio Basic | A0026 | |
1M Isopropyl β- d-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Sigma Aldrich | I5502-1G | |
1M sodium bicarbonate buffer | Sigma Aldrich | S6014-500G | |
1M Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris) | Sigma Aldrich | 648311-1KG | |
1X Tris-EDTA (TE) buffer | ThermoFisher | 12090015 | |
2M imidazole | Sigma Aldrich | 56750-100G | |
2-mercaptoethanol (BME) | Sigma Aldrich | M3148 | |
3M sodium acetate | Bio Basic | SRB1611 | |
40% acrylamide (19:1) | Bio Basic | A00062 | |
4x LDS protein sample loading buffer | Fisher Scientific | NP0007 | |
5M sodium chloride (NaCl) | Bio Basic | DB0483 | |
5mM dithiothreitol (DTT) | Sigma Aldrich | 43815-1G | |
6x gel loading dye | New England Biolabs | B7024S | |
agarose B powder | Bio Basic | AB0014 | |
BG-GLA-NHS | New England Biolabs | S9151S | |
BL21 competent E. coli | Addgene | C2530H | |
BLUeye prestained protein ladder | FroggaBio | PM007-0500 | |
bromophenol blue | Bio Basic | BDB0001 | |
coomassie blue (SimplyBlue SafeStain) | ThermoFisher | LC6060 | |
cyanine dye (SYBR Gold nucleic acid gel stain) | Fisher Scientific | S11494 | |
cyanine dye (SYBR Safe nucleic acid gel stain) | Fisher Scientific | S33102 | |
dry dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific | D12345 | |
formamide | Sigma Aldrich | F9037-100ML | |
glycerol | Bio Basic | GB0232 | |
kanamycin sulfate | BioShop | KAN201.5 | |
lysogeny broth | Sigma Aldrich | L2542-500ML | |
malachite green oxalate | Sigma Aldrich | 2437-29-8 | |
N,N,N'N'-Tetramethylethane-1,2-diamine (TEMED) | Sigma Aldrich | T9281-25ML | |
NuPAGE MES SDS running buffer (20x) | Fisher Scientific | LSNP0002 | |
NuPAGE Novex 4-12% Bis-Tris gel 1.0 mm 12-well | Life Technologies | NP0322BOX | |
oligonucleotide (cage antisense) | IDT | N/A | TATAGTGAGTCGTATTAATTTG |
oligonucleotide (cage sense) | IDT | N/A | TCAGTCACCTATCTGTTTCAAA TTAATACGACTCACTATA |
oligonucleotide (malachite green aptamer antisense) | IDT | N/A | GGATCCATTCGTTACCTGGCT CTCGCCAGTCGGGATCCTATA GTGAGTCGTATTACAGTTCCAT TATCGCCGTAGTTGGTGTACT |
oligonucleotide (malachite green aptamer sense) | IDT | N/A | TAATACGACTCACTATAGGATC CCGACTGGCGAGAGCCAGGT AACGAATGGATCC |
oligonucleotide (Transcription Factor A) | IDT | N/A | AGTACACCAACTACGAGTGAG |
oligonucleotide (Transcription Factor B) | IDT | N/A | TCAGTCACCTATCTGGCGATAA TGGAACTG |
oligonucleotide with 3’ Amine modification (tether) | IDT | N/A | GCTACTCACTCAGATAGGTGAC TGA/3AmMO/ |
Pierce strong ion exchange spin columns | Fisher Scientific | 90008 | |
plasmid encoding SNAP T7 RNAP and kanamycin resistance genes | Genscript | N/A | custom gene insert |
protein purification column (HisPur Ni-NTA spin column) | Fisher Scientific | 88226 | |
rNTP mix | New England Biolabs | N0466S | |
Roche mini quick DNA spin column | Sigma Aldrich | 11814419001 | |
Triton X-100 | Sigma Aldrich | T8787-100ML | |
Ultra Low Range DNA ladder | Fisher Scientific | 10597012 | |
urea | BioShop | URE001.1 |
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