Os autores agradecer Meng Pan para revisão do manuscrito. Este trabalho é apoiado por Singapura Ministério da educação acadêmica pesquisa fundo Tier 3 (MOE2012-T3-1-001) a JY; a Fundação Nacional de pesquisa através da Cingapura Mechanobiology Instituto de JY; Fundação Nacional de pesquisa, escritório, Singapura do primeiro-ministro, sob seu programa de Investigatorship da NRF (NRF Investigatorship Award no. NRF-NRFI2016-03, a JY; o fundo de investigação Fundamental para as universidades Central (2017KFYXJJ153) para H. Y.

1. preparação de DNA G4 para único-molécula esticão <ol><li>Prepare 5 &#39;-tiol rotulado e 5 &#39;-biotina etiquetado dsDNA alças por PCR usando polimerase DDNA em um modelo de ADN do fago lambda usando 5 &#39;-tiol e 5 &#39;-biotina as primeiras demão 14 ( Figura 1). As duas alças de dsDNA tem alto teor de GC (&#62; 60%) para evitar DNA derretendo quando o DNA é realizada em altas forças ou durante a distensão excessiva DNA transição 15.</li>
	<li>Produtos de PCR purify usando um kit de purificação comercial e digest com enzima de restrição BstXI de acordo com o fabricante &#39; protocolo de s.</li>
	<li>G4 ligate formando ssDNA e flanco ssDNA e dsDNA alças usando T4 DNA ligase de acordo com o fabricante &#39; protocolo s. Purificar o produto ligado por extração de gel usando um kit de purificação comercial de acordo com o fabricante &#39; protocolo de s.</li>
</ol> 2. Preparação do canal de fluxo <ol><li>lamela limpeza e superfície functionalization <ol><li>lugar inferior lamelas (#1.5, 22 mm × 32 mm) e lamelas superiores (#1.5, 20 x 20 mm) em vidro de tampa frascos (cada frasco pode segurar 7 peças de lamelas, de coloração o volume é ~ 20 mL). Enxagúe as lamelas nos vidrinhos com água destilada, 2 - 5 vezes.</li>
		<li>Add ~ 20 mL da solução de detergente de 5-40% em cada frasco e coloc então em um banho de limpeza ultra-sônica de 30 min. Enxágue com água destilada para &#62; 10 vezes para remover o detergente.</li>
		<li>Secar as lamelas nos frascos no forno (~ 150 ° C; Cuidado, quente), ou pelo gás de 2 N. Armazenar as lamelas top secas em um armário seco.</li>
		<li>Plasma de uso (O gás de 2) para limpar as lamelas na jarra por 10 min. Durante o 10 min, prepare-se 20 mL da solução a 1% (3-aminopropil) triethoxysilane (APTES) em metanol (cuidado, tóxico/inflamável). Usar uma coifa química para dissolver APTES em metanol. 
		Nota: Evite a umidade ao armazenar a solução APTES. APTES velho muitas vezes causa problema na superfície funcionalização de lamelas.</li>
		<li>Imediatamente após o plasma limpeza, adicionar todas da solução APTES 1% para os vidrinhos e incubar por 1 h. Despeje os resíduos para a garrafa de resíduos específico para 1% metanol APTES. Execute as etapas relacionadas com metanol a coifa para produtos químicos inflamáveis.</li>
		<li>Lavar os potes de uma vez com metanol e &#62; 10 vezes com água destilada e em seguida seco pelo forno (~ 150 ° C; Cuidado, quente). Armazenar as lamelas de fundo APTES revestido em um armário seco senão na utilização por até duas semanas. 
		Nota: Após cada etapa sub de 2.1.1 a 2.1.4, o processo de limpeza pode ser pausado antes da próxima etapa.</li>
	</ol></li> <li>Montar o canal de fluxo <ol><li>preparar dois &#34; espaçadores &#34;, ou seja, parafilm ou dobro-lado fita (~ 4 mm × 20mm) para cada canal. Coloque os dois pedaços de espaçadores sobre uma lamela inferior ao longo da borda longa. Coloque o espaçador, formando uma célula de fluxo entre uma lamela superior (~ área 10 mm × 20mm, Figura 2A , B).</li>
		<li>Se parafilm é usado como um espaçador, coloque o canal do fluxo sobre um aquecedor (60-120 ° C; Cuidado, quente) por 5-10 s pressionando suavemente os lados da lamela superior para unir as duas lamelas por parafilme. O canal de fluxo resultante tem uma altura de ~ 100 µm, e desse modo o volume do canal é ~ 20 µ l.</li>
		<li>Selar a borda longa do canal com cola de silicone para evitar fugas. Use cola de silicone para fazer uma pequena estrutura de pia em cada borda aberta do canal de fluxo, que serve como uma entrada e uma saída da solução. 
		Nota: A entrada e saída também podem ser feitas por outros meios, por exemplo, por anéis de plástico pequenos aderente usando cera.</li>
		<li>Armazenar canais em um armário seco por até 4 semanas.</li>
	</ol></li> <li>DNA baraço para a superfície inferior do canal de fluxo <ol><li>diluir as esferas de poliestireno revestido amino (diâmetro: 3 µm) por 200 X em água destilada 1 X fosfato tamponado tampão salino (PBS). Vórtice a solução do grânulo e então fluxo em canais. Incubar a solução do grânulo em canais para ~ 30 min. Retire qualquer surpresa desagradável grânulos por lavagem com 200 µ l de 1 tampão PBS X.</li>
		<li>Ajuste (aumentar/diminuir) o tempo de incubação para atingir uma densidade de superfície dos grânulos de 1-5 por área de 50 x 50 mm. Armazenar os canais depositados com os grânulos de referência até 3 dias.</li>
		Sulfosuccinimidyl <li>dilua 4-(N-maleimidomethyl) ciclo-hexano-1-carboxilato (Sulfo-SMCC) pó para solução de PBS X 1 (~ 0,5 mg/mL). Vórtice a solução e em seguida fluxo dentro do canal. 
		Nota: Preparar a solução de Sulfo-SMCC fresca antes da utilização e adicioná-lo imediatamente para o canal para evitar a hidrólise da SMCC.</li>
		<li>Incubar a solução SMCC no canal de 30 min. Remove a solução SMCC lavando com uma grande quantidade (mL 1, ~ 50 X o volume do canal) de 1 solução de PBS X. 
		Nota: Lave o excesso SMCC cuidadosamente. Esta etapa é essencial para a ligação do DNA na lamela.</li>
		<li>DNA amarrar <ol><li>diluir o tiol-biotina rotulado de DNA em 1X PBS, com uma concentração de DNA resultante de ~ 0,3 nM. Pipetar delicadamente para misturar a solução, a solução de DNA de fluxo dentro do canal SMCC-revestido e incubar durante 30 min à temperatura ambiente (~ 23 ° C).</li>
		</ol></li> <li>Lavar delicadamente DNA livre com 200 µ l de solução que contém 1X PBS com 10 mg/mL albumina de soro bovino (BSA) e 0,01% de 2-Mercaptoetanol de bloqueio.</li>
		<li>Bloco a superfície do canal incubando o canal em solução (10 mg/mL BSA, 0,01% 2-Mercaptoetanol) de bloqueio para &#62; 2 h; após este passo, o canal está pronto para as experiências. O canal preparado pode ser mantido a 4 ° C para ~ 1 dia. 
		Nota: A etapa de bloqueio é importante para a redução da ligação não-específica de DNA e grânulos magnéticos para as lamelas.</li>
	</ol></li></ol> 3. Magnético pinças instalação e identificação de único dsDNA Tether <ol><li>instalação de pinça magnética <ol><li>iniciar o magnético pinças controlam o programa. Aqui, a pinça magnética eram controlada por um programa LabVIEW escrito casa.</li>
		<li>Alinhar os centros do ímã antes de montar o canal. Use uma lente de objetivo 4 X para ajustar para o x - e eixo y dos ímãs no eixo óptico do microscópio.</li>
		<li>Usar um manipulador motorizado controlado por computador para mover os ímãs na direção-z ( Figura 2A) e defina a distância como d = 0 (d: distância entre os ímãs e lamela) quando os ímãs anexar a uma lamela no microscópio.</li>
		O movimento dos ímãs através da manipulação para conseguir o controle da força, incluindo a força constante (ou seja, constante d) do programa de <li>e tempo variando a força F (t) (ou seja, variando o tempo d(t )).</li>
		<li>Brilhante use uma fonte de luz do diodo emissor de luz (LED) para a iluminação difusa de volta do cordão com o objetivo de. Recolher as imagens do grânulo, a uma taxa de amostragem de 100 Hz por uma câmera do dispositivo de carga acoplada (CCD). < / lEu ></ol></li> <li>configuração da amostra e identifique o baraço dsDNA único <ol><li>formação Tether <ol><li>suavemente o fluxo em 200 X diluído grânulos M-280, paramagnéticos na solução de ensaio (100 mM KCl, 2 mM MgCl 2, 10mm Tris-pH 7,4 ) para um canal. Incube durante 10 minutos permitir que os grânulos vincular a biotina-rotulado moléculas de DNA imobilizadas na superfície de SMCC-revestido através da extremidade do thiol-rotulados. Lavar delicadamente grânulos un-amarrados usando 200 µ l da solução de reação padrão. 
			Nota: Os grânulos de M-280 mostram menor ligação não específica para a superfície em comparação com outros grânulos magnéticos comerciais tais como M-270.</li>
		</ol></li> <li>Montar o canal para o palco do microscópio. Pesquisa para os grânulos na superfície de fundo usando o 100 X objetivo de imersão de óleo.</li>
		<li>Selecione um grânulo de referência na superfície e um grânulo amarrado em movimento. Construir as bibliotecas de imagem inicial do grânulo de referência e do grânulo amarrado em aviões diferentes desfocagem.</li>
		<li>Calibração da imagem de grânulos <ol><li>antes de experimentos, use um atuador piezo objetiva para obter imagens de referência e grânulos amarrados em aviões diferentes desfocagem espaçadas de 20-50 nm, que são armazenados como dois imagem separada do grânulo bibliotecas e são respectivamente indexados com a distância de desfocagem ( Figura 2D).</li>
		</ol></li> <li>x, y, determinação de posição z <ol><li>durante as experiências, determinar a posição do cordão de no plano x-y pelo centroide do grânulo. Determine a mudança de altura do cordão amarrado de comparando a imagem atual do grânulo com aqueles armazenados na biblioteca. Usar a análise de função autocorrelação do espectro de energia da transformada de Fourier do grânulo imagens 16.</li>
		</ol></li> <li>Do ADS gabarito usando a conta de referência <ol><li>durante as experiências, usar o piezo para &#34; bloqueio &#34; a distância entre o objectivo e uma imagem de grânulo de referência específicas armazenadas na biblioteca através de uma frequência baixa controle de gabarito, para que a imagem do grânulo preso tem a melhor correlação com uma imagem específica armazenada na biblioteca ( Figura 2D).</li>
		</ol></li> <li>Determinar se o baraço é uma molécula única dsDNA aplicando ~ 65 pN força determinar uma molécula dsDNA único se o baraço sofre o ADN característico distensão excessiva transição 17 , 18 , 19. Repita o processo até que seja encontrado um única dsDNA baraço. (Consulte a próxima seção para calibração de força e DNA distensão excessiva transição).</li>
	</ol></li></ol> 4. Calibração de força de pinça magnética <ol><li>determinar diretamente a força (até 100 pN) para longa (λ 48.502 bp-DNA) as moléculas de DNA utilizando a flutuação do grânulo através de: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56328/56328eq1.jpg" /> , onde k B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura na escala Kelvin, δ 2 y é a variância de flutuação do grânulo na direção perpendicular ao campo magnético e a força direção. Nesse sentido, o movimento da esfera pode ser descrito como uma flutuação de pêndulo com um comprimento de l + r 0, onde l é a distância de ponta a ponta na direção da força (extensão) do DNA, e é r 0 o raio do grânulo 10 ( Figura 3A).</li>
	<li>Determinar a curva de calibração para a força F como uma função de ímãs para distância do grânulo, d e F (d) para contas diferentes usando o longo λ-DNA. Geralmente, a distância entre o ímã e a lamela é usada como o comprimento do cabo do DNA pode ser ignorado. Encaixar o F-d curva pela função dupla-exponencial de decaimento: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56328/56328eq2.jpg" /> , onde o encaixe parâmetros α1, α2, γ1, γ2 são determinados pela pinça magnética e o parâmetro C é determinada pela propriedade heterogênea dos grânulos magnéticos. Deslocando o C, o F-d curva Obtida de missanga diferentes pode ser sobreposto 10 ( Figura 3B).</li>
	<li>Experimentos de calibração de parâmetro C para esferas magnéticas individuais para curto ADN.
	<ol><li>Determinar a força baseada a flutuação requer gravação da posição do grânulo em uma frequência maior do que a frequência de canto: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56328/56328eq3.jpg" /> , onde γ é o arrasto coeficiente do talão. Para DNA curta em alta força, requer frequência de gravação mais rápido do que 100 Hz, portanto, a força não pode ser medida diretamente com base na flutuação com a câmera. No entanto, o parâmetro C pode ser determinada medindo a força em uma baixa força gama (&#60; pN 15) utilizando a flutuação e encaixe os dados com um calibrado F-d curva para obter o parâmetro C 20.</li>
		<li>, Alternativamente, para experiências com dsDNA, determinar o parâmetro C usando DNA distensão excessiva transição com uma força de ~ 65 pN ( Figura 3) 21 , 22 , 23, gravando a posição d no qual salto de extensão mostrou dsDNA (0,6 X aumento de comprimento de comprimento de contorno). Depois de determinar o parâmetro C, calcular a força para os grânulos amarrados.</li>
	</ol></li> <li>Controlar a taxa de carregamento através da programação do movimento dos ímãs através da função inversa de F (d). O ímã deve aproximar a amostra dupla exponencialmente. 
	Nota: O erro relativo da força determinada por tal um método de extrapolação é ~ 10% e é causada principalmente pelo raio de grânulo heterogeneidade 20.</li>
</ol> 5. Único-molécula manipulação do G4 na presença e na ausência de ligação a proteínas <ol><li>força-rampa experimentos <ol><li>depois de identificar o baraço dsDNA, executar uma verificação de aumento de força a uma taxa de carregamento de 0.2 pN/s seguido de um verificação de força-falecimento em-0.2 pN/s. Após cada ciclo de alongamento, segure a molécula de DNA em 1 pN por 30 s para permitir que o ssDNA a redobrar a G4.</li>
	</ol></li> <li>Experimentos de força-salto <ol><li>a força do ciclo entre 54 pN por 30 s sob as quais um G4 dobrado pode ser desdobrado e 1 pN para 60, sob a qual um G4-15T dobrado pode redobrar.</li>
	</ol></li> <li>Solução de proteína flui <ol><li>fluxo de solução da proteína quando em ~ 20 pN força para evitar o apego dos grânulos a lamela. A helicase DEAH-caixa RHAU, que mostrou alta especificidade para a estrutura de G4, foi usado 24. A Drosophila melanogaster RHAU (DmRHAU) helicase recombinante foi expressa em Escherichia coli e purificado conforme descrito anteriormente, 25. O G4 atividade desenrolamento de DmRHAU foi analisada em um tetramoleculares G4 ADN substrato 13.</li>
	</ol></li> <li>Analisar a desdobramento força usando um in-house escrito Matlab programa 14.</li></ol>

<ol>
	<li>Rhodes, D., Lipps, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=G-quadruplexes+and+their+regulatory+roles+in+biology.">G-quadruplexes and their regulatory roles in biology.</a> Nucleic Acids Res. 43 (18), 8627-8637 (2015).</li><li>Brazda, V., Haronikova, L., Liao, J. C., Fojta, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DNA+and+RNA+quadruplex-binding+proteins.">DNA and RNA quadruplex-binding proteins.</a> Int J Mol Sci. 15 (10), 17493-17517 (2014).</li><li>Gonzalez, V., Hurley, L. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+C-terminus+of+nucleolin+promotes+the+formation+of+the+c-MYC+G-quadruplex+and+inhibits+c-MYC+promoter+activity.">The C-terminus of nucleolin promotes the formation of the c-MYC G-quadruplex and inhibits c-MYC promoter activity.</a> Biochemistry. 49 (45), 9706-9714 (2010).</li><li>Wang, F., 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=telomerase-interacting+protein+that+unfolds+telomere+G-quadruplex+and+promotes+telomere+extension+in+mammalian+cells.">telomerase-interacting protein that unfolds telomere G-quadruplex and promotes telomere extension in mammalian cells.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (50), 20413-20418 (2012).</li><li>Mendoza, O., Bourdoncle, A., Boule, J. B., Brosh, R. M., Mergny, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=G-quadruplexes+and+helicases.">G-quadruplexes and helicases.</a> Nucleic Acids Res. 44 (5), 1989-2006 (2016).</li><li>Schiavone, D., 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=PrimPol+Is+Required+for+Replicative+Tolerance+of+G+Quadruplexes+in+Vertebrate+Cells.">PrimPol Is Required for Replicative Tolerance of G Quadruplexes in Vertebrate Cells.</a> Mol Cell. 61 (1), 161-169 (2016).</li><li>Lane, A. N., Chaires, J. B., Gray, R. D., Trent, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stability+and+kinetics+of+G-quadruplex+structures.">Stability and kinetics of G-quadruplex structures.</a> Nucleic Acids Res. 36 (17), 5482-5515 (2008).</li><li>Woodside, M. T., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstructing+folding+energy+landscapes+by+single-molecule+force+spectroscopy.">Reconstructing folding energy landscapes by single-molecule force spectroscopy.</a> Annu Rev Biophys. 43, 19-39 (2014).</li><li>Neuman, K. C., Nagy, A. <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+force+spectroscopy:+optical+tweezers,+magnetic+tweezers+and+atomic+force+microscopy.">Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy.</a> Nat Methods. 5 (6), 491-505 (2008).</li><li>Chen, 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=Improved+high-force+magnetic+tweezers+for+stretching+and+refolding+of+proteins+and+short+DNA.">Improved high-force magnetic tweezers for stretching and refolding of proteins and short DNA.</a> Biophys J. 100 (2), 517-523 (2011).</li><li>Chen, 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=Dynamics+of+equilibrium+folding+and+unfolding+transitions+of+titin+immunoglobulin+domain+under+constant+forces.">Dynamics of equilibrium folding and unfolding transitions of titin immunoglobulin domain under constant forces.</a> J Am Chem Soc. 137 (10), 3540-3546 (2015).</li><li>You, H., Wu, J., Shao, F., Yan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stability+and+kinetics+of+c-MYC+promoter+G-quadruplexes+studied+by+single-molecule+manipulation.">Stability and kinetics of c-MYC promoter G-quadruplexes studied by single-molecule manipulation.</a> J Am Chem Soc. 137 (7), 2424-2427 (2015).</li><li>You, H., Lattmann, S., Rhodes, D., Yan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=RHAU+helicase+stabilizes+G4+in+its+nucleotide-free+state+and+destabilizes+G4+upon+ATP+hydrolysis.">RHAU helicase stabilizes G4 in its nucleotide-free state and destabilizes G4 upon ATP hydrolysis.</a> Nucleic Acids Res. 45 (1), 206-214 (2017).</li><li>You, 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=Dynamics+and+stability+of+polymorphic+human+telomeric+G-quadruplex+under+tension.">Dynamics and stability of polymorphic human telomeric G-quadruplex under tension.</a> Nucleic Acids Res. 42 (13), 8789-8795 (2014).</li><li>Fu, H., Chen, H., Marko, J. F., Yan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+distinct+overstretched+DNA+states.">Two distinct overstretched DNA states.</a> Nucleic Acids Res. 38 (16), 5594-5600 (2010).</li><li>Gosse, C., Croquette, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+tweezers:+micromanipulation+and+force+measurement+at+the+molecular+level.">Magnetic tweezers: micromanipulation and force measurement at the molecular level.</a> Biophys. J. 82 (6), 3314-3329 (2002).</li><li>Fu, 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=Transition+dynamics+and+selection+of+the+distinct+S-DNA+and+strand+unpeeling+modes+of+double+helix+overstretching.">Transition dynamics and selection of the distinct S-DNA and strand unpeeling modes of double helix overstretching.</a> Nucleic Acids Res. 39 (8), 3473-3481 (2011).</li><li>Zhang, X., Chen, H., Fu, H., Doyle, P. S., Yan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+distinct+overstretched+DNA+structures+revealed+by+single-molecule+thermodynamics+measurements.">Two distinct overstretched DNA structures revealed by single-molecule thermodynamics measurements.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (21), 8103-8108 (2012).</li><li>Zhang, X., 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=Revealing+the+competition+between+peeled+ssDNA,+melting+bubbles,+and+S-DNA+during+DNA+overstretching+by+single-molecule+calorimetry.">Revealing the competition between peeled ssDNA, melting bubbles, and S-DNA during DNA overstretching by single-molecule calorimetry.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (10), 3865-3870 (2013).</li><li>Chen, 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=Improved+High-Force+Magnetic+Tweezers+for+Stretching+and+Refolding+of+Proteins+and+Short+DNA.">Improved High-Force Magnetic Tweezers for Stretching and Refolding of Proteins and Short DNA.</a> Biophys. J. 100 (2), 517-523 (2011).</li><li>Fu, H. X., 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=Transition+dynamics+and+selection+of+the+distinct+S-DNA+and+strand+unpeeling+modes+of+double+helix+overstretching.">Transition dynamics and selection of the distinct S-DNA and strand unpeeling modes of double helix overstretching.</a> Nucleic Acids Res. 39 (8), 3473-3481 (2011).</li><li>Zhang, X., Chen, H., Fu, H., Doyle, P. S., Yan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+distinct+overstretched+DNA+structures+revealed+by+single-molecule+thermodynamics+measurements.">Two distinct overstretched DNA structures revealed by single-molecule thermodynamics measurements.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109 (21), 8103-8108 (2012).</li><li>Zhang, X., 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=Revealing+the+competition+between+peeled+ssDNA,+melting+bubbles,+and+S-DNA+during+DNA+overstretching+by+single-molecule+calorimetry.">Revealing the competition between peeled ssDNA, melting bubbles, and S-DNA during DNA overstretching by single-molecule calorimetry.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110 (10), 3865-3870 (2013).</li><li>Vaughn, J. P., 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=The+DEXH+protein+product+of+the+DHX36+gene+is+the+major+source+of+tetramolecular+quadruplex+G4-DNA+resolving+activity+in+HeLa+cell+lysates.">The DEXH protein product of the DHX36 gene is the major source of tetramolecular quadruplex G4-DNA resolving activity in HeLa cell lysates.</a> J Biol Chem. 280 (46), 38117-38120 (2005).</li><li>Giri, B., 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=G4+resolvase+1+tightly+binds+and+unwinds+unimolecular+G4-DNA.">G4 resolvase 1 tightly binds and unwinds unimolecular G4-DNA.</a> Nucleic Acids Res. 39 (16), 7161-7178 (2011).</li><li>De Vlaminck, I., Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+magnetic+tweezers.">Recent advances in magnetic tweezers.</a> Annu Rev Biophys. 41, 453-472 (2012).</li><li>Yan, J., Skoko, D., Marko, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-field-magnetic-tweezer+manipulation+of+single+DNA+molecules.">Near-field-magnetic-tweezer manipulation of single DNA molecules.</a> Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 70 (1 Pt 1), 011905 (2004).</li><li>Le, 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=Disturbance-free+rapid+solution+exchange+for+magnetic+tweezers+single-molecule+studies.">Disturbance-free rapid solution exchange for magnetic tweezers single-molecule studies.</a> Nucleic Acids Res. 43 (17), e113 (2015).</li><li>Neidle, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quadruplex+Nucleic+Acids+as+Novel+Therapeutic+Targets.">Quadruplex Nucleic Acids as Novel Therapeutic Targets.</a> J Med Chem. 59 (13), 5987-6011 (2016).</li><li>Simone, R., Fratta, P., Neidle, S., Parkinson, G. N., Isaacs, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=G-quadruplexes:+Emerging+roles+in+neurodegenerative+diseases+and+the+non-coding+transcriptome.">G-quadruplexes: Emerging roles in neurodegenerative diseases and the non-coding transcriptome.</a> FEBS Lett. 589 (14), 1653-1668 (2015).</li><li>Balasubramanian, S., Hurley, L. H., Neidle, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+G-quadruplexes+in+gene+promoters:+a+novel+anticancer+strategy?.">Targeting G-quadruplexes in gene promoters: a novel anticancer strategy?.</a> Nat Rev Drug Discov. 10 (4), 261-275 (2011).</li><li>Amato, J., 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=Toward+the+Development+of+Specific+G-Quadruplex+Binders:+Synthesis,+Biophysical,+and+Biological+Studies+of+New+Hydrazone+Derivatives.">Toward the Development of Specific G-Quadruplex Binders: Synthesis, Biophysical, and Biological Studies of New Hydrazone Derivatives.</a> J Med Chem. 59 (12), 5706-5720 (2016).</li><li>Wells, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-B+DNA+conformations,+mutagenesis+and+disease.">Non-B DNA conformations, mutagenesis and disease.</a> Trends Biochem Sci. 32 (6), 271-278 (2007).</li></ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

Conforme descrito acima, uma plataforma para estudar a estabilidade mecânica do ADN do G4 e as interações da proteína para G4 usando pinças de único-molécula magnética é relatada. Que acompanha a plataforma, são desenvolvidos protocolos altamente eficientes de encontrar DNA G4 baraço e medição da dobradura-revelação dinâmica e estabilidade da estrutura G4 com resolução especial nanômetros. O plano focal de travamento permite controle de anti drift altamente estável, que é importante para a detecção...

Quatro-hélice do DNA ou RNA G4 estruturas desempenham um papel crítico em muitos processos biológicos importantes1. Muitas proteínas envolvidas no G4 vinculação e regulamento, incluindo proteínas obrigatórias do telômero (telomerase, POT1, RPA, TEBPs, TRF2)1,2, fatores de transcrição (nucleolin, PARP1)3, proteínas (hnRNP A1, de processamento de RNA hnRNP A2)4, helicases (BLM, FANCJ, RHAU, AVI, Dna2, Pif1)5e replicação de DNA relacionadas com proteínas (Rif1, REV1, PrimPolymerase)6. Emperramento da proteína pode estabilizar ou desestabilizar estruturas G4; assim, regula as funções biológicas subsequentes. A estabilidade do G4 foi medida por térmica fusão usando radiação ultravioleta (UV) ou de métodos de Dicroísmo circular (CD)7. No entanto, tais condições não são fisiológicas relevantes e são difíceis de aplicar para estudar os efeitos de ligação a proteínas7.
O rápido desenvolvimento em tecnologias de manipulação do único-molécula permitiu estudos de dobramento e desdobramento de uma biomolécula, tais como um DNA ou uma proteína, a um nível único-molécula com resolução nanômetros em tempo real8. Microscopia de força atômica (AFM), pinça óptica e pinças magnéticas são os mais comumente usados métodos de manipulação de único-molécula. Comparado a AFM e pinça óptica9, pinça magnética permite medições estáveis de dobradura-revelação dinâmica de uma única molécula de dias usando uma técnica do ADS10,11.
Aqui, uma plataforma de manipulação do único-molécula usando uma pinça magnética para estudar a regulação da estabilidade do G4 por proteínas de ligação é relatado12,13. Este trabalho descreve as abordagens básicas, incluindo a preparação de amostra e fluxo de canal, a instalação de uma pinça magnética e a calibração de força. O controle de força e os protocolos do ADS como descrito no passo 3 permitem medições em longo tempo sob diversos controles de força, tais como a força constante (braçadeira de força) e constante carregando taxa (força-rampa) e medição de força-salto. O protocolo de calibração de força descrito na etapa 4 permite a calibração de força do &#60; 1 µm curto baraços ao longo de uma vasta força variam até 100 pN, com um erro relativo dentro de 10%. Um exemplo de regulamento da estabilidade do RNA Helicase associado com AU-rico elemento (RHAU) helicase (alias DHX36, G4R1) que tem um papel essencial na resolução de que RNA G4 é usado para demonstrar as aplicações desta plataforma13.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>DNA PCR primers</td>
			<td>IDT</td>
			<td></td>
			<td>DNA preparations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DNA PCR chemicals</td>
			<td>NEB</td>
			<td></td>
			<td>DNA preparations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>restriction enzyme BstXI</td>
			<td>NEB</td>
			<td>R0113S</td>
			<td>DNA preparations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>coverslips (#1.5, 22*32 mm, and 20*20 mm)</td>
			<td>BMH.BIOMEDIA</td>
			<td>72204</td>
			<td>flow channel preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Decon90</td>
			<td>Decon Laboratories Limited</td>
			<td></td>
			<td>flow channel preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>APTES</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>440140-500ML</td>
			<td>flow channel preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfo-SMCC</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>22322</td>
			<td>flow channel preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M-280, paramganetic beads,streptavidin</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>11205D</td>
			<td>flow channel preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polybead Amino Microspheres 3.00 &#956;m</td>
			<td>Polysciences, Inc</td>
			<td>17145-5</td>
			<td>flow channel preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Mercaptoethanol</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>M6250-250ML</td>
			<td>flow channel preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Olympus Microscopes IX71</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IX71</td>
			<td>Magnetic tweezers setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Piezo-Z Stages P-721</td>
			<td>Physik Instrumente</td>
			<td>P-721</td>
			<td>Magnetic tweezers setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Olympus Objective lense MPLAPON-Oil 100X</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>MPLAPON-Oil 100X</td>
			<td>Magnetic tweezers setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD/CMOS camera</td>
			<td>AVT</td>
			<td>Pike F-032B</td>
			<td>Magnetic tweezers setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Translation linear stage</td>
			<td>Physik Instrumente</td>
			<td>MoCo DC</td>
			<td>Magnetic tweezers setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MCWHL</td>
			<td>Magnetic tweezers setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cubic Magnets</td>
			<td>Supermagnete</td>
			<td></td>
			<td>Magnetic tweezers setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Labview</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Magnetic tweezers setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OriginPro/Matlab</td>
			<td>OriginLab/MathWorks</td>
			<td></td>
			<td>Data analysis</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

single-molecule manipulation of g-quadruplexes by magnetic tweezers

Estrutura secundária não-canônicos do ácido nucleico que g-quadruplexes (G4) estão envolvidos em diversos processos celulares, tais como a replicação do DNA, transcrição, processamento de RNA e alongamento do telômero. Durante estes processos, várias proteínas ligam e resolver estruturas G4 para desempenhar a sua função. Como a função do G4 muitas vezes depende da estabilidade de sua estrutura dobrada, é importante investigar como proteínas obrigatórias do G4 regulam a estabilidade do G4. Este trabalho apresenta um método para manipular o único G4 moléculas usando uma pinça magnética, que permite estudos do Regulamento das proteínas de ligação G4 em uma única molécula de G4 em tempo real. Em geral, este método é adequado para uma ampla gama de aplicações em estudos para interações de proteínas/ligantes e regulamentos sobre várias estruturas secundárias DNA ou RNA.

A montagem da experiência de uma única molécula de G4 de alongamento é mostrada na Figura 4. Uma sequência de formação single-stranded G4 que se expandiu entre duas alças de dsDNA foi amarrada entre uma lamela e um grânulo paramagnético. Para encontrar uma pérola de dsDNA único amarrados, realizou-se um ensaio overstretching, aumentando a força em taxas de carga constante. Três tipos de medidas muitas vezes foram usados para estudar o dobramento...

Watch this Scientific Journal Video about Single-molecule Manipulation of G-quadruplexes by Magnetic Tweezers at JoVE.com

Single-molecule Manipulation of G-quadruplexes by Magnetic Tweezers

Manipulação de único-molécula de G-quadruplexes por pinça magnética

Uma plataforma de único-molécula magnética pinças para manipular G-quadruplexes é relatada, o que permite o estudo da estabilidade de G4 e regulamento por várias proteínas.

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

single-molecule-manipulation-of-g-quadruplexes-by-magnetic-tweezers

Research

JoVE Journal

Biochemistry

7.9K visualizações.  Huazhong University of Science and Technology. Uma plataforma de único-molécula magnética pinças para manipular G-quadruplexes é relatada, o que permite o estudo da estabilidade de G4 e regulamento por várias proteínas.

Vídeo: Single-molecule Manipulation of G-quadruplexes by Magnetic Tweezers

High Precision FRET at Single-molecule Level for Biomolecule Structure Determination

A protocol on how to perform high-precision interdye distance measurements using F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) at the single-molecule level in multiparameter fluorescence detection (MFD) mode is presented here. MFD maximizes the usage of all &#34;dimensions&#34; of fluorescence to reduce photophysical and experimental artifacts and allows for the measurement of interdye distance with an accuracy up to ~1 &#197; in rigid biomolecules. This method was used to identify three conformational states of the ligand-binding domain of the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor to explain the activation of the receptor upon ligand binding. When comparing the known crystallographic structures with experimental measurements, they agreed within less than 3 &#197; for more dynamic biomolecules. Gathering a set of distance restraints that covers the entire dimensionality of the biomolecules would make it possible to provide a structural model of dynamic biomolecules.

A protocol for high-precision FRET experiments at the single molecule level is presented here. Additionally, this methodology can be used to identify three conformational states in the ligand-binding domain of the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor. Determining precise distances is the first step towards building structural models based on FRET experiments.

FRET de alta precisão em nível de molécula única para determinação de estrutura de biomoléculas

A protocol on how to perform high-precision interdye distance measurements using F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) at the single-molecule ...

Bioquímica

Covalent Immobilization of Proteins for the Single Molecule Force Spectroscopy

In recent years, atomic force microscopy (AFM) based single molecule force spectroscopy (SMFS) extended our understanding of molecular properties and functions. It gave us the opportunity to explore a multiplicity of biophysical mechanisms, e.g., how bacterial adhesins bind to host surface receptors in more detail. Among other factors, the success of SMFS experiments depends on the functional and native immobilization of the biomolecules of interest on solid surfaces and AFM tips. Here, we describe a straightforward protocol for the covalent coupling of proteins to silicon surfaces using silane-PEG-carboxyls and the well-established N-hydroxysuccinimid/1-ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl)carbodiimid (EDC/NHS) chemistry in order to explore the interaction of pilus-1 adhesin RrgA from the Gram-positive bacterium Streptococcus pneumoniae (S. pneumoniae) with the extracellular matrix protein fibronectin (Fn). Our results show that the surface functionalization leads to a homogenous distribution of Fn on the glass surface and to an appropriate concentration of RrgA on the AFM cantilever tip, apparent by the target value of up to 20% of interaction events during SMFS measurements and revealed that RrgA binds to Fn with a mean force of 52 pN. The protocol can be adjusted to couple via site specific free thiol groups. This results in a predefined protein or molecule orientation and is suitable for other biophysical applications besides the SMFS.

This protocol describes the covalent immobilization of proteins with a heterobifunctional silane coupling agent to silicon-oxide surfaces designed for the atomic force microscopy based single molecule force spectroscopy which is exemplified by the interaction of RrgA (pilus-1 tip adhesin of S. pneumoniae) with fibronectin.

Imobilização covalente de proteínas para a espectroscopia de força única molécula

In recent years, atomic force microscopy (AFM) based single molecule force spectroscopy (SMFS) extended our understanding of molecular properties and ...

Proteome-wide Quantification of Labeling Homogeneity at the Single Molecule Level

Cell proteomes are often characterized using electrophoresis assays, where all species of proteins in the cells are non-specifically labeled with a fluorescent dye and are spotted by a photodetector following their separation. Single molecule fluorescence imaging can provide ultrasensitive protein detection with its ability for visualizing individual fluorescent molecules. However, the application of this powerful imaging method to electrophoresis assays is hampered by the lack of ways to characterize the homogeneity of fluorescent labeling of each protein species across the proteome. Here, we developed a method to evaluate the labeling homogeneity across the proteome based on a single molecule fluorescence imaging assay. In our measurement using a HeLa cell sample, the proportion of proteins labeled with at least one dye, which we termed &#8216;labeling occupancy&#8217; (LO), was determined to range from 50% to 90%, supporting the high potential of the application of single molecule imaging to sensitive and precise proteome analysis.

Here, we present a protocol to assess the labeling homogeneity for each protein species in a complex protein sample at the single molecule level.

Quantificação de Proteome-largo de rotulagem homogeneidade a nível da molécula

Cell proteomes are often characterized using electrophoresis assays, where all species of proteins in the cells are non-specifically labeled with a ...

Single Cell Analysis Of Transcriptionally Active Alleles By Single Molecule FISH

Gene transcription is an essential process in cell biology, and allows cells to interpret and respond to internal and external cues. Traditional bulk population methods (Northern blot, PCR, and RNAseq) that measure mRNA levels lack the ability to provide information on cell-to-cell variation in responses. Precise single cell and allelic visualization and quantification is possible via single molecule RNA fluorescence in situ hybridization (smFISH). RNA-FISH is performed by hybridizing target RNAs with labeled oligonucleotide probes. These can be imaged in medium/high throughput modalities, and, through image analysis pipelines, provide quantitative data on both mature and nascent RNAs, all at the single cell level. The fixation, permeabilization, hybridization and imaging steps have been optimized in the lab over many years using the model system described herein, which results in successful and robust single cell analysis of smFISH labeling. The main goal with sample preparation and processing is to produce high quality images characterized by a high signal-to-noise ratio to reduce false positives and provide data that are more accurate. Here, we present a protocol describing the pipeline from sample preparation to data analysis in conjunction with suggestions and optimization steps to tailor to specific samples.&#160;

Single molecule RNA fluorescence in situ hybridization (smFISH) is a method to accurately quantify levels and localization of specific RNAs at the single cell level. Here, we report our validated lab protocols for wet-bench processing, imaging and image analysis for single cell quantification of specific RNAs.

Análise celular única de alelos ativos transcricionralmente por peixe de molécula única

Gene transcription is an essential process in cell biology, and allows cells to interpret and respond to internal and external cues. Traditional bulk ...

Single-Molecule Dwell-Time Analysis of Restriction Endonuclease-Mediated DNA Cleavage

This novel total internal reflection fluorescence microscopy-based assay facilitates the simultaneous measurement of the length of the catalytic cycle for hundreds of individual restriction endonuclease (REase) molecules in one experiment. This assay does not require protein labeling and can be carried out with a single imaging channel. In addition, the results of multiple individual experiments can be pooled to generate well-populated dwell-time distributions. Analysis of the resulting dwell-time distributions can help elucidate the DNA cleavage mechanism by revealing the presence of kinetic steps that cannot be directly observed. Example data collected using this assay with the well-studied REase, EcoRV - a dimeric Type IIP restriction endonuclease that cleaves the palindromic sequence GAT&#8595;ATC (where &#8595; is the cut site) - are in agreement with prior studies. These results suggest that there are at least three steps in the pathway to DNA cleavage that is initiated by introducing magnesium after EcoRV binds DNA in its absence, with an average rate of 0.17 s-1 for each step.

Using quantum-dot-labeled DNA and total internal reflection fluorescence microscopy, we can investigate the reaction mechanism of restriction endonucleases while using unlabeled protein. This single-molecule technique allows for massively multiplexed observation of individual protein-DNA interactions, and data can be pooled to generate well-populated dwell-time distributions.

Análise de tempo de permanência de molécula única de clivagem de DNA mediada por endonuclease de restrição

This novel total internal reflection fluorescence microscopy-based assay facilitates the simultaneous measurement of the length of the catalytic cycle for ...

Single Molecule Fluorescence Energy Transfer Study of Ribosome Protein Synthesis

The ribosome is a large ribonucleoprotein complex that assembles proteins processively along mRNA templates. The diameter of the ribosome is approximately 20 nm to accommodate large tRNA substrates at the A-, P- and E-sites. Consequently, the ribosome dynamics are naturally de-phased quickly. Single molecule method can detect each ribosome separately and distinguish inhomogeneous populations, which is essential to reveal the complicated mechanisms of multi-component systems. We report the details of a smFRET method based on the Nikon Ti2 inverted microscope to probe the ribosome dynamics between the ribosomal protein L27 and tRNAs. The L27 is labeled at its unique Cys 53 position and reconstituted into a ribosome that is engineered to lack L27. The tRNA is labeled at its elbow region. As the tRNA moves to different locations inside the ribosome during the elongation cycle, such as pre- and post- translocation, the FRET efficiencies and dynamics exhibit differences, which have suggested multiple subpopulations. These subpopulations are not detectable by ensemble methods. The TIRF-based smFRET microscope is built on a manual or motorized inverted microscope, with home-built laser illumination. The ribosome samples are purified by ultracentrifugation, loaded into a home-built multi-channel sample cell and then illuminated via an evanescent laser field. The reflection laser spot can be used to achieve feedback control of perfect focus. The fluorescence signals are separated by a motorized filter-turret and collected by two digital CMOS cameras. The intensities are retrieved via the NIS-Elements software.

Single molecule fluorescence energy transfer is a method that tracks the tRNA dynamics during ribosomal protein synthesis. By tracking individual ribosomes, inhomogeneous populations are identified, which shed light on mechanisms. This method can be used to track biological conformational changes in general to reveal dynamic-function relationships in many other complexed biosystems. Single molecule methods can observe non-rate limiting steps and low-populated key intermediates, which are not accessible by conventional ensemble methods due to the average effect.

Estudo de transferência de energia de fluorescência única da síntese de proteína ribossa

The ribosome is a large ribonucleoprotein complex that assembles proteins processively along mRNA templates. The diameter of the ribosome is approximately ...

Single-Molecule Imaging of EWS-FLI1 Condensates Assembling on DNA

The fusion genes resulting from chromosomal translocation have been found in many solid tumors or leukemia. EWS-FLI1, which belongs to the FUS/EWS/TAF15 (FET) family of fusion oncoproteins, is one of the most frequently involved fusion genes in Ewing sarcoma. These FET family fusion proteins typically harbor a low-complexity domain (LCD) of FET protein at their N-terminus and a DNA-binding domain (DBD) at their C-terminus. EWS-FLI1 has been confirmed to form biomolecular condensates at its target binding loci due to LCD-LCD and LCD-DBD interactions, and these condensates can recruit RNA polymerase II to enhance gene transcription. However, how these condensates are assembled at their binding sites remains unclear. Recently, a single-molecule biophysics method-DNA Curtains-was applied to visualize these assembling processes of EWS-FLI1 condensates. Here, the detailed experimental protocol and data analysis approaches are discussed for the application of DNA Curtains in studying the biomolecular condensates assembling on target DNA.

Here, we describe the use of the single-molecule imaging method, DNA Curtains, to study the biophysical mechanism of EWS-FLI1 condensates assembling on DNA.

Imagem de molécula única de condensados EWS-FLI1 montados no DNA

The fusion genes resulting from chromosomal translocation have been found in many solid tumors or leukemia. EWS-FLI1, which belongs to the FUS/EWS/TAF15 ...

An Optimized Single-Molecule Pull-Down Assay for Quantification of Protein Phosphorylation

Phosphorylation is a necessary posttranslational modification that regulates protein function and directs cell signaling outcomes. Current methods to measure protein phosphorylation cannot preserve the heterogeneity in phosphorylation across individual proteins. The single-molecule pull-down (SiMPull) assay was developed to investigate the composition of macromolecular complexes via immunoprecipitation of proteins on a glass coverslip followed by single-molecule imaging. The current technique is an adaptation of SiMPull that provides robust quantification of the phosphorylation state of full-length membrane receptors at the single-molecule level. Imaging thousands of individual receptors in this way allows for quantifying protein phosphorylation patterns. The present protocol details the optimized SiMPull procedure, from sample preparation to imaging. Optimization of glass preparation and antibody fixation protocols further enhances data quality. The current protocol provides code for the single-molecule data analysis that calculates the fraction of receptors phosphorylated within a sample. While this work focuses on phosphorylation of the epidermal growth factor receptor (EGFR), the protocol can be generalized to other membrane receptors and cytosolic signaling molecules.

The present protocol describes sample preparation and data analysis to quantify protein phosphorylation using an improved single-molecule pull-down (SiMPull) assay.

Um ensaio de recuo de molécula única otimizado para quantificação da fosforilação de proteínas

Phosphorylation is a necessary posttranslational modification that regulates protein function and directs cell signaling outcomes. Current methods to ...

Single-Molecule Analysis of Sf9 Purified Superprocessive Kinesin-3 Family Motors

A complex cellular environment poses challenges for single-molecule motility analysis. However, advancement in imaging techniques have improved single-molecule studies and has gained immense popularity in detecting and understanding the dynamic behavior of fluorescent-tagged molecules. Here, we describe a detailed method for&#160;in vitro single-molecule studies of kinesin-3 family motors using Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy. Kinesin-3 is a large family that plays critical roles in cellular and physiological functions ranging from intracellular cargo transport to cell division to development. We have shown previously that constitutively active dimeric kinesin-3 motors exhibit fast and superprocessive motility with high microtubule affinity at the single-molecule level using cell lysates prepared by expressing motor in mammalian cells. Our lab studies kinesin-3 motors and their regulatory mechanisms using cellular, biochemical and biophysical approaches, and such studies demand purified proteins at a large scale. Expression and purification of these motors using mammalian cells would be expensive and time-consuming, whereas expression in a prokaryotic expression system resulted in significantly aggregated and&#160;inactive protein. To overcome the limitations posed by bacterial purification systems and mammalian cell lysate, we have established a robust Sf9-baculovirus expression system to express and purify these motors. The kinesin-3 motors are C-terminally tagged with 3-tandem fluorescent proteins (3xmCitirine or 3xmCit) that provide enhanced signals and decreased photobleaching. In vitro single-molecule and multi-motor gliding analysis of Sf9 purified proteins demonstrate that kinesin-3 motors are fast and superprocessive akin to our previous studies using mammalian cell lysates. Other applications using these assays include detailed knowledge of oligomer conditions of motors, specific binding partners paralleling biochemical studies, and their kinetic state.

This study details purification of KIF1A(1-393LZ), a member of kinesin-3 family, using Sf9-baculovirus expression system. In vitro single-molecule and multi-motor gliding analysis of these purified motors exhibited robust motility properties comparable to motors from mammalian cell lysate. Thus, Sf9-baculovirus system is amenable to express and purify motor protein of interest.

Análise de molécula única de motores da família Sf9 superprocessiva superprocessiva cinesina-3

A complex cellular environment poses challenges for single-molecule motility analysis. However, advancement in imaging techniques have improved ...

Single-Molecule Diffusion and Assembly on Polymer-Crowded Lipid Membranes

Cellular membranes are highly crowded environments for biomolecular reactions and signaling. Yet, most in vitro experiments probing protein interaction with lipids employ naked bilayer membranes. Such systems lack the complexities of crowding by membrane-embedded proteins and glycans and exclude the associated volume effects encountered on cellular membrane surfaces. Also, the negatively charged glass surface onto which the lipid bilayers are formed prevents the free diffusion of transmembrane biomolecules. Here, we present a well-characterized polymer-lipid membrane as a mimic for crowded lipid membranes. This protocol utilizes polyethylene glycol (PEG)-conjugated lipids as a generalized approach for incorporating crowders into the supported lipid bilayer&#160;(SLB). First, a cleaning procedure of the microscopic slides and coverslips for performing single-molecule experiments is presented. Next, methods for characterizing the PEG-SLBs and performing single-molecule experiments of the binding, diffusion, and assembly of biomolecules using single-molecule tracking and photobleaching are discussed. Finally, this protocol demonstrates how to monitor the nanopore assembly of bacterial pore-forming toxin Cytolysin A (ClyA) on crowded lipid membranes with single-molecule photobleaching analysis. MATLAB codes with example datasets are also included to perform some of the common analyses such as particle tracking, extracting diffusive behavior, and subunit counting.

Here, a protocol to perform and analyze the binding, mobility, and assembly of single molecules on artificial crowded lipid membranes using single-molecule total internal reflection fluorescence (smTIRF) microscopy is presented.

Difusão e Montagem de Molécula Única em Membranas Lipídicas Repletas de Polímeros

Cellular membranes are highly crowded environments for biomolecular reactions and signaling. Yet, most in vitro experiments probing protein interaction ...