Os ensaios bioquímicos para analisar as actividades de ATP-dependente cromatina remodelação Enzimas

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

SnF2 complexos de remodelação da cromatina família incluem um SnF2-como centro ATPase subunidade ^1,2. Alguns ATPases função SnF2-como enzimas individuais de subunidade, enquanto que outros funcionam como a subunidade catalítica de grandes complexos de multi-subunidades. Elucidar os mecanismos moleculares pelos quais cada uma das subunidades da cromatina complexos de remodelação contribuir para as suas actividades requer a capacidade de realizar ensaios bioquímicos que dissecam o processo de remodelação.

ATP-dependente remodelação nucleossoma pelo complexo INO80 humano e outras enzimas remodelação da cromatina pode ser concebido como um processo multi-etapas que começa com a ligação da enzima à remodelação nucleossomas, seguido por activação do seu ADN e / ou nucleossoma-ATPase dependente, translocação da enzima na remodelação ADN nucleossomal, e eventual reposicionamento de nucleossomas ^1,2. Compreender os detalhes moleculares do dependente de ATP processo de remodelação da cromatina requires dissecção da reacção remodelação nos seus passos individuais e definição das contribuições das subunidades individuais do complexo de remodelação da cromatina para cada passo da reacção. Tais análises exigem a capacidade de analisar remodelação nucleosome e outras atividades utilizando substratos moleculares definidos in vitro.

Em um protocolo JOVE anterior, descrevemos os procedimentos utilizados para gerar complexos de remodelação da cromatina INO80 e subcomplexos com composições de subunidades definidas ^3. Aqui, apresentamos três ensaios bioquímicos que permitem a análise quantitativa da ligação, DNA- e nucleosome ativado ATPase, e as atividades de remodelação nucleossomos associados com tais complexos nucleosome.

Protocolo

1. ATP-dependentes nucleossoma Remodelação Ensaios

Para medir as actividades de ATP-dependente nucleossoma remodelação, imunopurificada INO80 ou subcomplexos INO80 são incubados com ATP e um substrato mononucleosomal, que contém um único nucleossoma posicionado numa extremidade de um fragmento de ADN de 216 pb, ³² P-marcado. Os produtos da reacção são então sujeitos a electroforese em géis de poli-acrilamida nativo.

1. Para gerar o, '601' fragmento de ADN marcado com ³² P, a partir de amplificar ^pGEM-3Z-4 601 um fragmento de ADN de 216 pb que contém uma sequência de 601 posicionamento nucleossoma posicionada-final, utilizando os oligonucleótidos 5'-ACAGGATGTATATATCTGACACGTGCCTGG e 5'-como AATACTCAAGCTTGGATGCCTGCAG frente e verso, primers.
   1. Defina-se uma reacção de PCR de 100 ul, tal como descrito na Tabela 1.
   2. Realizar as reacções de PCR num termociclador utilizando o seguinte programa: 1 min a 96 ° C, followed por 45 seg a 94 ° C, 30 seg a 57 ° C, 60 segundos a 72 ° C durante 30 ciclos; terminando com 7 min a 72 ° C.
   3. Após a reacção de PCR é terminado, remover os nucleótidos não incorporados fazendo passar os produtos de reacção duas vezes através de colunas de giro livre de nuclease.
   4. Executar 5 ul do produto de PCR purificado em gel de agarose a 1,2% para confirmar que a reacção de PCR gerado a ~ 216 pb Fragmento de ADN desejado.
   5. Dilui-se 5 ul do produto de PCR purificado de 20 vezes, e medir a concentração de ADN, utilizando um espectrofotómetro de UV. O rendimento médio é de aproximadamente 40 ng / mL.
   6. Medir a radioactividade de 1 ul do produto de PCR purificado em um contador de cintilação. Estimar a eficiência de marcação pelo cálculo do cpm / ng. A reacção de marcação bem sucedida é esperado para produzir ~ 15,000 cpm / ng de fragmento de ADN 601.
2. Transferir nucleossomas células HeLa na rotulada 601 DNA utilizando um método de diluição em série ^5.
   1. Misture 2 pmol de³² 601 fragmento de ADN marcado com P com 6 ug de nucleossomas Hela (preparado tal como descrito ⁵⁾ em 50 ul de um tampão contendo 1,0 M de NaCl, 10 mM Tris-HCl, pH 8,0, EDTA 1 mM, PMSF 0,1 mM e 1 mM TDT e incubar a 30 ° C durante 30 min.
   2. Sequencialmente diluir a mistura a 0,8 M, 0,6 M e 0,4 M de NaCl por diluição com 12,5 mL, 20,8 mL, e 41,6 ul, respectivamente, de 10 mM Tris-HCl (pH 8,0), EDTA 1 mM, PMSF 0,1 mM, e 1 mM de DTT, com uma incubação de 30 min a 30 ° C depois de cada diluição.
   3. Diluir a mistura de 0,2 M e, em seguida, para NaCl 0,1 M por adição de 125 mL e, em seguida, 250 ul do mesmo tampão contendo 0,1% de Nonidet P-40, 20% de glicerol, e 200 ug / ml BSA, com uma incubação de 30 min a 30 ° C entre as duas diluições finais. Armazenar o substrato mononucleosome a 4 ° C durante até 3 meses.
3. Realizar as reacções de nucleossomas deslizante dependentes de ATP num volume total de 10 ul. A reaction componentes estão listados na Tabela 2. vez que a concentração de NaCl para a actividade óptima remodelação nucleossoma INO80 ~ é NaCl 50 mM (resultados não publicados), ajustar a concentração total de cada reacção em NaCl a 50 mM, tendo em conta a quantidade de NaCl contido nas preparações de nucleossomas e enzima.
   1. Antes de começar a configurar os ensaios, lança gel de poli-acrilamida nativas (18 x 16 cm). Para preparar um único gel contendo 5% de acrilamida (acrilamida: bisacrilamida a 37,5: 1), TBE 0,5 x (45 mM Tris borato, 1 mM EDTA), 0,01% de persulfato de amónio (APS), e 0,001% de N, N, N ', N'-tetrametiletilenodiamina (TEMED), mistura dos ingredientes listados na Tabela 3. Permitir que o gel de polimerizar durante pelo menos 2 horas à temperatura ambiente.
   2. Entretanto, para cada reacção a ser realizada, combinar num tubo siliconizado microcentrífuga de 1,5 ml pré-arrefecido ~ 20 nM ou INO80 INO80 subcomplexo (preparado como descrito ³⁾ com uma quantidade de tampão EB100 ( Tabela 4) suficiente para dar um volume de 4,75 mL. Imediatamente re-congelar qualquer restantes fracções contendo INO80 em gelo seco em pó ou em azoto líquido.
   3. Defina-se um cocktail mestre com o resto dos ingredientes, ampliação de um factor de 'X' (em que X = número total de reacções 3). A quantidade de cada ingrediente necessário para uma única reacção de 10 uL é listada na Tabela 5; a receita deve ser dimensionado de acordo com o número de reacções a serem realizadas. Misture bem, tocando o tubo ou pipetando para cima e para baixo com um Pipetman e girar o tubo por alguns segundos em uma microcentrífuga de bancada.
   4. Dispensar 5,25 ul do cocktail de mestre para cada um dos tubos de reacção estabelecidas no passo 1.3.2. Misture bem pipetando para cima e para baixo. Iniciar as reacções através da transferência de tubos de reacção para um banho de 30 ° C de calor bloco ou água e incubar durante 2 horas.
   5. Enquanto isso, a preparar »removendo mistura 'cocktail contendo ADN competidore nucleossomos, ampliação por um fator de X (X = número total de reações + 4). A quantidade de cada ingrediente necessário para a preparação de 1,5 ul da mistura para remoção de uma única reacção está listado na Tabela 6; a receita deve ser aumentado de acordo com o número de ensaios a serem realizados.
   6. Terminar reações adicionando 1,5 mL da mistura de remover. Misture bem, girar para baixo, e incuba-se a 30 ° C durante mais 30 min.
   7. Enquanto isso, a pré-rodar o gel de poliacrilamida nativa, em uma unidade de electroforese vertical, a 100 V durante 30 min a 4 ° C, usando TBE 0,5 x como tampão de corrida com uma barra de agitação magnética no interior da câmara inferior para manter a circulação tampão constante.
   8. Para carregar a amostra, adicionar 2,5 l de corante de carga contendo TBE 3x, 30% de glicerol, 0,25% azul de bromofenol e 0,25% xileno cianol FF. Misture bem, girar rapidamente as amostras, e carregar no gel usando dicas de carregamento.
   9. Submeter o gel a 200 V durante 4,5 horas a 4 ° C com tampão de circulação.
   10. Para detectar o sinal, a transferência do gel para uma pilha de duas folhas de papel de filtro. Envolver o papel de filtro com o gel no topo usando plástico transparente, e, em seguida, expô-la a um ecrã de fósforo de armazenamento a 4 ° C durante o tempo desejado.
   11. Digitalize o ecrã com um sistema de scanner de imagens isótopo e analisar os dados utilizando software apropriado.

2. Mononucleosome Ensaios de Ligação

Para ensaiar a afinidade de ligação de um dado complexo INO80 para mononucleosomes, realizar um deslocamento Electrophoretic Mobility Assay (EMSA), utilizando o substrato mononucleosomal gerado no passo 1.2.

1. Configure a reação Misturas para ensaios de ligação, tal como descrito para os ensaios de remodelação nucleossomos, mas omitir o ATP e remover mix das reações; incubar a 30 ° C durante 30 min.
2. Adicionar 2,5 uL de corante de carga de cada uma das misturas de reacção, e aplicam-se a um gel de poliacrilamida nativa, contendo 3,5% de acrilamida (acrilamida: bis 37,5: 1), 1% de glicerol, TBE 0,5 x, 0,01% APS, 0,001% e TEMED.
3. Usando 0,5 x TBE como tampão de corrida, correr o gel a 200 V durante 2,5 horas a 4 ° C com tampão de circulação e expor a um ecrã de fósforo de armazenamento.

3. ADN e Nucleosome-ATPase Os ensaios dependentes

Realizar ensaios ATPase em misturas de reacção contendo 5 ul de 20 mM Tris-HCl (pH 7,5), 60 mM de NaCl, 6,6 mM de _MgCl2, 0,8 mM EDTA, 0,015% de Nonidet P-40, 2,5% de glicerol, 0,1 mg / ml de BSA, 1 DTT, 0,1 mM de PMSF, 2 mM ATP, 2 uCi de [α- ³² P] ATP (3000 Ci / mmol). Para cada complexo INO80 ou quantidade de complexo a ser ensaiada INO80 criou três reacções paralelas, uma contendo tampão EB100 para medir DNA- ou nucleossoma-ATPase independente, contendo um DNA de plasmídeo circular fechado (5000 pb, ~ 30 nM) para medir DNA- ATPase dependente, e outro contendo Hela oligonucleosomes (~ 185 nm) para medir nucleosome-ATPase dependente. Configure todas as reações no gelo.

1. Para cada reacção, combinar 10-50 nM dos INO80 ou INO80 subcomplexos imunopurificados com uma quantidade de tampão EB100 suficiente para dar um volume de 2,2 mL em 1,5 mL lubrificados microtubos previamente arrefecidos. Imediatamente re-congelar quaisquer fracções contendo INO80 em gelo seco em pó ou em azoto líquido.
2. Configurar um cocktail mestre. A quantidade de cada ingrediente necessário para uma única reacção é apresentado na Tabela 7. Scale-se a receita por ampliação de um factor de 3 (X + 2) 1, em que X = número de preparações INO80 a ser ensaiada.
3. Para preparar contendo tampão 'sub-cocktails' só, DNA, ou nucleossomos, dispensar 2.5 (X + 2) ul do cocktail mestre em três tubos separados. Adicionar 0,3 (X +2) ul de qualquer EB100, o DNA de plasmídeo circular fechado (1,5 ug / uL), ou Hela oligonucleosomes (1,5 ug / uL) e misturar bem.
4. Dispensar 2,8 ul da sub-coquetel adequado para os tubos de reacção contendo enzimas criados em rep 3.1. Pipeta suavemente para cima e para baixo para misturar; evitar a introdução de bolhas.
5. Para iniciar reações, transfira os tubos de reacção a um bloco de 30 ° C de calor.
6. Depois de 5, 15, 30, e 60 min de incubação, a mancha de 0,5 ul de cada mistura de reacção sobre uma cromatografia em camada fina de celulose polietilenoimina (CCF) da placa (20 x 10 cm) de uma linha recta, pelo menos, 1,5 cm a partir da extremidade inferior . Retornar imediatamente tubos de reação ao bloco C calor de 30 ° para múltiplos pontos temporais podem ser tomadas a partir de um único tubo. Depois de manchas, seque as placas de TLC usando um secador de cabelo.
7. Transferir as placas de TLC de uma câmara de vidro contendo o suficiente fosfato de potássio 0,375 M (pH 3,5) para permitir que o fundo de 0,5 cm da placa de TLC a ser submergido na solução.
8. Cobrir a câmara, e se desenvolvem até a frente da fase de líquido atinge o topo das placas de TLC. Immediate secar os pratos, cuidadosamente, com um secador de cabelo.
9. Expor as placas de TLC secas para uma tela de fósforo de armazenamento à temperatura ambiente.Digitalize o ecrã com um sistema de scanner de imagens isótopo e determinar a quantidade de substrato ATP radioativo e produtos ADP.
10. Para calcular a quantidade de ATP hidrolisado, multiplicar o ATP% hidrolisado por a quantidade de ATP presente na mistura da reacção de partida com a seguinte fórmula: pmol de ATP hidrolisado = 10 pmol de ATP na reacção de partida x [ADP / ATP (+ ADP)]

Resultados

As figuras mostram os resultados representativos de testes bioquímicos usados ​​para caracterizar as actividades, incluindo INO80 nucleossoma deslizante (Figura 1) e de ligação (Figura 2) e DNA- ensaios ou ensaios de ATPase dependente de nucleossoma (Figura 3).

A experiência apresentada na Figura 1 compara a capacidade dos complexos INO80 intactas purificado através de FLAG-Ies2 ou FLAG-INO80E e de INO80 subcomplexo...

Discussão

Para garantir que a remodelação nucleosome e atividades ATPase observamos em ensaios dependem da atividade catalítica de complexos INO80, e não sobre a contaminação de remodelação e / ou enzimas ATPase, nós nucleosome rotineiramente ensaio remodelação e atividade ATPase de versões cataliticamente inativos de complexos INO80, purificado em paralelo com o tipo selvagem INO80 utilizando o mesmo procedimento. Uma reacção de controlo negativo a que falta o ATP também deve ser realizada quando se examina a acti...

Materiais

Name	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
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
dCTP, [α-32P]- 6,000 Ci/mmol	PerkinElmer	BLU013Z250UC
PCR thermal cycler PTC 200	MJ Research	PTC 200
Hoefer vertical electrophoresis unit	Hoefer	SE600X-15-1.5
lubricated 1.5 ml 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