Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Bu makale, streptavidin bazlı bir biyokatman interferometrisi (BLI) sistemi kullanarak DNA-protein etkileşimlerini incelemek için bir protokolü açıklamaktadır. Etkileşimin denge bağlanma afinitesini(KD) belirlemek için temel veya ileri bağlanma kinetiğini kullanmak için temel adımları ve hususları ana hatlarıyla belirtir.
Protein-DNA etkileşimleri, temel hücresel süreçlerin temelini oluşturur. Bu etkileşimleri anlamak, çeşitli yolların moleküler mekanizmalarını aydınlatmak için kritik öneme sahiptir. Bir DNA molekülünün yapısı, sırası ve uzunluğu gibi temel faktörler, protein bağlanmasını önemli ölçüde etkileyebilir. Biyo-katman interferometrisi (BLI), moleküller arasındaki bağlanma kinetiğini ölçen ve protein-DNA etkileşimlerini kantitatif olarak incelemek için basit ve kesin bir yaklaşım sunan, etiketsiz bir tekniktir. BLI'nin geleneksel jel bazlı yöntemlere göre önemli bir avantajı, dinamik protein-DNA etkileşimleri için denge ayrışma sabitinin(KD) doğru ölçümünü sağlayan, bağlanma kinetiği hakkında gerçek zamanlı veri sağlama yeteneğidir. Bu makale, bir DNA replikasyon proteini, replikasyon proteini A (RPA) ve tek sarmallı bir DNA (ssDNA) substratı arasındaki etkileşiminKD değerini belirlemek için temel bir protokol sunmaktadır. RPA, ssDNA'yı yüksek afinite ile bağlar, ancak biyolojik yollar içinde sonraki protein etkileşimlerini kolaylaştırmak için kolayca yer değiştirmelidir. Açıklanan BLI testinde, biyotinile edilmiş ssDNA, streptavidin kaplı bir biyosensör üzerinde hareketsiz hale getirilir. RPA'nın biyosensöre bağlı DNA'ya bağlanma kinetiği (birleşme ve ayrışma) daha sonra ölçülür. Elde edilen veriler, sistem yazılımı kullanılarak ilişkilendirme hızı sabiti (ka), ayrışma hızı sabiti (kd) ve denge bağlama sabiti(KD) için kesin değerler elde etmek üzere analiz edilir.
Hücresel proteinler, canlı organizmalarda meydana gelen karmaşık biyolojik süreçlerin düzenlenmesinde çok önemli bir rol oynar. Bu yolların optimal işleyişi, ortak proteinler ve nükleik asitler ile etkileşimler de dahil olmak üzere, hücre içindeki proteinler ve diğer biyomoleküller arasındaki etkileşime bağlıdır1. Bu nedenle, hücresel süreçlerin karmaşıklıklarını anlamak, protein-nükleik asit etkileşimlerinin dinamiklerinin derinlemesine anlaşılmasını gerektirir.
Geleneksel olarak, protein-nükleik asit etkileşimleri, elektroforetik hareketlilik jel kayma deneyleri (EMSA'lar) kullanılarak incelenmiştir2. Bu tahlilde, proteinler kısa bir süre için sentetik oligonükleotidler (belirli uzunluklar veya diziler içeren DNA / RNA) ile inkübe edilir ve reaksiyon daha sonra doğal bir poliakrilamid (PAGE) jeli 3,4,5 üzerinde elektroforeze edilir. Protein-oligonükleotid etkileşiminin görselleştirilmesini sağlamak için, oligonükleotidler tipik olarak radyoaktif olarak 32P ile etiketlenir veya floresan molekülleri ile etiketlenir. Protein oligonükleotid ile etkileşime girer ve bağlanırsa, proteinin bağlanması jel6,7 içindeki nükleik asidin hareketliliğini yavaşlatır. Bu nedenle, bu yöntem aynı zamanda jel kayması veya jel geciktirme testi olarak da adlandırılır. Bu yöntem yaygın olarak kullanılmış olsa da, zayıf veya dinamik bağlanmadan düşük çözünürlük, önemli ölçüde yüksek protein konsantrasyonu gereksinimi ve daha fazla çaba dahil olmaküzere KD değerlerini elde etmek için bu yöntemi kullanırken dikkate alınması gereken birkaç sınırlama vardır. Ek olarak, EMSA'lar gerçek zamanlı tahliller değildir ve bu nedenle bağlanma kinetiğinidoğru bir şekilde ölçemez 7,8.
Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için yüzey plazmon rezonansı (SPR) ve biyokatman interferometrisi (BLI) gibi yenilikçi teknikler ortaya çıkmıştır 9,10,11,12. Her iki yöntem de moleküller arasındaki ilişki/ayrışma hızı sabitlerini ve afinite sabitlerini etiketsiz bir şekilde ölçer. Proteinin etiketlenmesi gerekmediğinden, bu teknikler proteinin özelliklerini değiştirme veya bağlanma bölgesini bloke etme riskini ortadan kaldırır. SPR'de polarize ışık, bir sensörle (metal iletken bir film, tipik olarak altın) etkileşime girerek plazmon adı verilen bir elektron yük yoğunluğu dalgası üretir. Bu etkileşim, yansıyan ışının yoğunluğunu azaltır ve bir dedektör, rezonans açısı13 olarak bilinen belirli açıdaki değişikliği ölçer. Ligand (nükleik asit) - analit (protein) etkileşimlerini incelemek için, ligand, sensör çipi üzerindeki bir akış hücresinde hareketsiz hale getirilir ve analit, hareketsiz hale getirilmiş ligandı içeren akış hücresine enjekte edilir. Analitin ligand'a bağlanması üzerine, sensör yüzeyinin yakınındaki kırılma indisinde tespit edilebilir bir değişiklik olur, böylece moleküler etkileşimlerin 14,15,16 ölçülmesine izin verilir.
Biyo-Katman İnterferometrisi (BLI), ışık, biyosensör ucunun alt yüzeyinde bir ligand (yem) ve onun bağlanma ortağından (analit) oluşan bir biyo-tabaka ile bir optik fiberden geçerken ışık girişiminin modelini ölçer. Işık, uçtan iletilir ve biyo tabakanın özelliklerinden dolayı biyotabakanın her iki ucuna da yansıtılır. Biyo-tabaka kalınlığı, yansıyan ışığın modelini etkileyen bağlı moleküllerin sayısı ile orantılıdır. Bağıl yoğunluk eğrisinin değişimini karşılaştırarak. Referans arayüzden ve biyokatman/tampon arayüzünden yansıyan ışık arasındaki girişimin neden olduğu dalga boyu, biyokatmanın kalınlık değişimi belirlenebilir. Daha fazla molekül bağlandığında, daha büyük bir kayma meydana gelir ve BLI'yi biyomoleküler etkileşimleri gerçek zamanlı olarak incelemek için güçlü bir araç haline getirir. Girişim modelindeki değişiklik ölçülür ve bir sensorgram üzerinde spektral kayma17,18 olarak temsil edilir (Şekil 1A). Bağlanma etkileşiminin doğası, bağlanma ortağının (19,20,21) ligandla değişen konsantrasyonlarından yoksun bir kurulum gibi uygun kontroller kullanılarak doğru bir şekilde belirlenebilir. SPR ile karşılaştırıldığında, BLI uygun maliyetli ve kullanıcı dostudur, bu da onu geniş bir araştırmacı yelpazesi için erişilebilir kılar. Ek olarak, BLI'da kullanılan numuneler, herhangi bir bozulma veya topaklanma olmadığı takdirde bozulmadan kalır. Bu, muhtemelen geri kazanılmalarına ve yeniden kullanılmalarına izin verir, böylece atıkları en aza indirir. BLI cihazı, mikroakışkanlar kullanılmadan çalışır, böylece akışkan sisteminin bakım/bakım ihtiyacı, tıkanma veya gazı alınmış tamponların kullanımı gibi dezavantajlarını ortadan kaldırır. Ayrıca, filtrelenmemiş veya ham protein numuneleri nedeniyle cihazın kontamine olma riskini de en aza indirir.
Bir BLI deneyinde, yem molekülünün biyosensör üzerinde hareketsiz hale getirilmesiyle biyotabaka oluşturulur. Biyosensörlerin biyolojik tabakası çeşitli etiketlerle etkileşime girebilir ve bu da moleküller (nükleik asitler, proteinler, antikorlar, virüsler, küçük moleküller vb. dahil) arasındaki etkileşimleri incelemeyi mümkün kılar.22. Bu immobilizasyonu oluşturmak için biotin/streptavidin, 6X-His-tag/Ni-NTA, FLAG/anti-FLAG, GST/anti-GST ve antikor/anti-Fc dahil olmak üzere çeşitli yakalama stratejileri kullanılabilir. Biyosensör seçilirken hareketsizleştirilmiş ligandın yapısını ve aktivitesini korumak çok önemlidir. Girişim modelindeki değişiklikler, matris23'ün yanı sıra bağlı molekül miktarından da etkilenir. Protein-nükleik asit etkileşimleri, streptavidin kaplı biyosensörler üzerinde hareketsiz hale getirilebilen biyotinile oligonükleotid probları kullanılarak incelenir. İmmobilize yem (oligonükleotid) ile etkileşime girmesi beklenen protein numuneleri, ilişkiyi ölçmek için bir bağlayıcı tamponda belirli bir süre oligonükleotid ile temas halindedir ve daha sonra ayrışmayı ölçmek için boş bir bağlama tamponuna geçirilir. Analit bağlanmasının ve bağlanma eğrisindeki karşılık gelen değişikliklerin şematik bir gösterimi Şekil 1B'de gösterilmiştir. Ek olarak, protein-nükleik etkileşimler, proteinin (yem) biyosensör üzerinde yakalandığı ve nükleik asit (analit) ile etkileşime girdiği ters bir immobilizasyon yolu ile de incelenebilir.
Şu anda, biyo-tabaka interferometrisi prensibi ile çalışan çok sayıda cihaz ticari olarak mevcuttur. Basit ve uygun maliyetli bir araç, veri çıkışı için tek bir kanala sahip olan Octet N1 sistemi olarak bilinir. Manuel işlem gerektirir, minimum numune hacmi (4 μL) tüketir ve ortam sıcaklıklarında 9,23 numune analizi gerçekleştirir. Bu tek kanallı cihaz, 10 kDa'dan büyük proteinlerin bağlanma verimliliklerini tespit edebilir ve mikromolar (μM) ila nanomolar (nM) aralığı 11,12'deki afiniteleri ölçebilir. Otomatik veri okuma için 2, 8, 16 ve 96 kanallı bazı cihazlar da mevcuttur ve hem 96 hem de 384 kuyu formatlarıylauyumludur 19,20. Bu cihazlardan bazıları ayrıca 4 °C ila 40 °C arasında çalışabilir, 150 Da kadar düşük moleküler ağırlığa sahip biyomolekülleri tespit edebilir ve milimolar ila pikomolar aralık19,21 içindeki afiniteleri ölçebilir. Açıklanan sistem uygun maliyetli olsa da, çok kanallı daha pahalı cihazlar yüksek verimli otomatik işleme sunar. Bu gelişmiş sistemler, biyolojik ilaç moleküllerinin karakterize edilmesinde ve geliştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır 9,23.
Mevcut protokol, tek kanallı, manuel biyokatman interferometri sistemi kullanılarak replikasyon proteini A'nın (RPA) tek sarmallı DNA'ya (ss-DNA) bağlanma parametrelerinin ölçülmesinde yer alan adımları açıklamaktadır. RPA, DNA replikasyonu, onarımı ve rekombinasyonu dahil olmak üzere DNA metabolizmasının hemen hemen tüm yönlerinde kritik bir rol oynayan heterotrimerik, ssDNA bağlayıcı bir protein kompleksidir24. ssDNA'ya yüksek afinitesi nedeniyle (nanomolar altı aralıkta olduğu ölçülmüştür), çeşitli DNA işlemleri sırasında üretilen ssDNA'ya hızla bağlanabilir, onu nükleolitik bozulmadan koruyabilir ve diğer aşağı akış proteinlerinin doğaçlama bağlanmasını önleyebilir. RPA ayrıca G-dörtlüleri25 gibi kanonik olmayan ikincil ve üçüncül yapıların oluşumunu önlemede kritik bir rol oynar. İnsan RPA'sı üç alt birimden oluşur: RPA70 (70 kDa), RPA32 (32 kDa) ve RPA14 (14 kDa), sırasıylaRPA 1, RPA 2 ve RPA 3 olarak da adlandırılır 24,26,27. Bu alt birimler, A'dan F'ye etiketlenmiş altı oligonükleotid/oligosakkarit bağlama kıvrımı (OB kıvrımları) barındırır. Bunlar arasında, DNA bağlanma alanları (DBD'ler) RPA1 (DBD-A, DBD-B, DBD-C) ve RPA2 (DBD-D) alt birimleri28 üzerindedir. İlk olarak, DNA'nın uzunluğuna bağlı olarak, RPA'nın, farklı DBD'lerin belirli DNA uzunluklarına29 dahil edildiği farklı bağlanma modları sergilediği düşünülüyordu. Son yapısal ve tek moleküllü çalışmalardan elde edilen veriler, RPA'nın farklı DBD'lerinin bağlanmasının başlangıçta önerilenden daha dinamik olduğunu öne sürmek için bu modellerin rafine edilmesine yardımcı olmuştur 30,31,32,33,34,35,36. Dinamik bağlanma özelliğinin bu özelliği, RPA'nın işlevi için esastır, çünkü RPA, belirli DNA işlemleri sırasında DNA substratına sıkı bir şekilde bağlanabilmelidir; Bununla birlikte, biyolojik süreç sırasında substratı bir sonraki proteine teslim etmek için substrattan yer değiştirebilmelidir. Farklı biyokimyasal teknikler kullanılarak, floresan polarizasyon anizotropisi (FPA)37,38 ile ölçüldüğü üzere, RPAiçin KD'nin bir ss-(polidT)30 substratı için yaklaşık 0.4 nM ve ss-(polidA)257 ve dG-(polidG)602 substratları için sırasıyla 80 nM ve 200 nM olduğu belirlenmiştir37,38. RPA ayrıca, pürinlere kıyasla pirimidin açısından zengin dizilere bağlanma için yaklaşık 50 kat daha yüksek bir tercih gösterir. Farklı biyokimyasal teknikler RPA için farklı KD ölçümleri belirlemiş olsa da, tüm ölçümler nanomolar aralıkta olmuştur, bu da RPA'nın ssDNA için yüksek bağlanma afinitesini düşündürmektedir. Toplam iç yansıma floresan mikroskobu (TIRFM) kullanılarak, DNA'nın uzunluğuna bağlı olarak, RPA'nın en az iki bağlanma modu ile ilişkili olduğu keşfedildi: biri hızlı ayrışmada tanımlanan (Kd, 680 pM) ve yavaş ayrışan (Kd, 60 pM) kompleks33,39. Neredeyse tüm DNA metabolik yolaklarındaki önemli rolü göz önüne alındığında, RPA ve tek sarmallı DNA (ssDNA) arasındaki etkileşimi engelleyebilecek inhibitörlerin oluşturulmasına büyük bir ilgi olmuştur. Bu kimyasal inhibitörler, DNA hasar tepkisini bozmada hayati öneme sahiptir ve kanser hücrelerini klinik tedavilerde kullanılan DNA'ya zarar veren ajanlara karşı daha duyarlı hale getirir. BLI testinin kullanılması, RPA'nın bağlanma fonksiyonunu modüle etmede inhibitör etkinliğinin kesin bir kantitatif değerlendirmesine izin verir40,41.
BLI kurulumu farklı ayarlara izin verir: temel ve gelişmiş kinetik. Temel kinetik modunda, tahlil üç ana aşamadan oluşur: temel oluşturma, ilişkilendirme ve ayrışma. Bununla birlikte, bu testi gerçekleştirmeden önce, biyosensörlerin cihaz kullanılarak veya laboratuvar tezgahında manuel olarak ayrı ayrı kaplanması gerekir. Tersine, gelişmiş kinetik mod, temel üç adımın ötesine uzanır ve ek adımların dahil edilmesine izin verir. Bu ek adımlar, biyosensörün tampon değişikliklerine koşullandırılması veya sonraki protein etkileşimlerinin tespitinin kolaylaştırılması gibi çeşitli amaçlara hizmet edebilir. Gelişmiş kinetik, yem ve biyosensörün sağlam kalması koşuluyla, potansiyel yeniden kullanım için iyi bir rejenerasyon yöntemiyle analitin biyosensörünün sıyrılmasına da izin verir. Genel olarak, tahlilde birden fazla adım söz konusu olduğunda veya tahlilin daha karmaşık bir formatta gerçekleştirilmesi gerektiğinde, temel kinetik yerine gelişmiş kinetik kullanılır.
Bu protokol, aynı yemi [3'Bio-ss-poly (dT)32] ve analit (RPA) kullanan her iki yöntemi de ana hatlarıyla belirtir. Yemi hareketsiz hale getirmek için streptavidin kaplı bir biyosensör kullanılacak ve analitiçin KD ölçümleri elde edilecektir. Bu protokol, biyosensör-yem hazırlama, tampon hususları ve prosedürün adım adım ana hatlarını kapsayan tek kanallı bir alet biyokatman interferometrisi kullanarak bir BLI testi gerçekleştirmek için eksiksiz bir yaklaşımı tanımlar.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Çalışmada kullanılan reaktiflerin ve ekipmanların detayları Malzeme Tablosunda listelenmiştir.
1. Yem, analit, tamponların hazırlanması ve damla tutucu temizliği
2. Temel kinetik
3. Enstrümanı gelişmiş kinetiği çalıştıracak şekilde ayarlama
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
BLI'da beyaz ışık, biyokatman/tampon arayüzünden ve dahili referans arayüzünden spektrometreye yansıtılır. Elde edilen girişim modeli kaydedilir ve spektral kayma belirli bir süre boyunca ölçülür ve nm cinsinden bağlanma eğrileri yanıtı olarak gösterilir. Analit bağlaması olan ve olmayan biyosensör ucunu ve karşılık gelen spektral dalga boyu kaymasını (nm) gösteren temsili bir şekil Şekil 1'de gösterilmektedir. Bağlanma eğr...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
BLI kullanarak herhangi bir proteinin substratına bağlanma kinetiğini analiz etme yeteneği, hücre19 içindeki protein-DNA etkileşimlerini yöneten spesifik faktörleri (bir DNA'nın dizisi, yapısı veya uzunluğu gibi) izole etmek ve karakterize etmek için araçlar sağlar. Biyokatman interferometrisi prensiplerine dayanan Octet N1 sistemi, protein-protein ve protein-nükleik asit etkileşimlerinin kantitatif ölçümüne izin verir. Ayrıca, lipitler, ant...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Yazarların beyan edebilecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.
Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı (1929346) ve Amerikan Kanser Derneği'nden (RSG-21-028-01) alınan hibelerle finanse edilmiştir. Yararlı tartışmalar için Balakrishnan laboratuvarı üyelerine de teşekkür ederiz.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.5 mL Micro Centrifuge Tubes | Globe Scientific | 111554A | |
96 Well Standard Black Microplate | Dot Scientific | 4ti-0223 | |
Biotinylated poly dT Oligonucleotide | IDT | ||
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153-10G | |
Dithiothreitol (DTT) | Dot Scientific | DSD11000-10 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Dot Scientific | DSE57020-500 | |
Hydrochloric Acid | Fisher Scientific | A144-500 | |
Kimtec Science Kimwipes | Kimtech | 34120 | |
Octet N1 Software | Sartorius | 1.4.0.13 | |
Octet SA Biosensor | Sartorius | 18-5019 | |
PBS pH 7.2 (10x) | Gibco | 1666711 | |
Personal Assay Octet N1 System | Sartorius | ||
Phosphoric Acid | Ward's Science | 470302-024 | |
Sodium Chloride (NaCl) | Dot Scientific | DSS23020-5000 | |
Tris Base | Dot Scientific | DST60040-5000 | |
Tween20 | Bio-Rad | 170-6531 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır