Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Bu makale, tek moleküllü korelasyon kuvveti ve floresan mikroskobu için nükleozom içeren DNA bağlarının yeniden yapılandırılması için ayrıntılı bir deneysel prosedür sunmaktadır. Ayrıca, kromatin ile etkileşime giren proteinlerin bağlanma davranışını görselleştirmek ve nükleozomların fiziksel özelliklerindeki değişiklikleri analiz etmek için yapılabilecek birkaç aşağı akış deneyini açıklar.
Nükleozomlar, ökaryotik kromatinin birincil birimini oluşturur ve biyofiziksel özellikleri ve kromatin bağlayıcı proteinlerle etkileşimleri hakkında çok sayıda bilgilendirici tek moleküllü araştırmanın odak noktası olmuştur. Bu çalışmalar için DNA üzerinde nükleozom sulandırması tipik olarak, bir DNA bağı boyunca oluşan nükleozomların yerleşimi ve sayısı üzerinde hassas kontrol sağlayan bir tuz diyaliz prosedürünü içerir. Bununla birlikte, bu protokol zaman alıcıdır ve girdi olarak önemli miktarda DNA ve histon oktameri gerektirir. Alternatif bir strateji sunmak için, histon şaperon Nap1'i kullanan tek moleküllü kuvvet ve floresan mikroskobu için yerinde bir nükleozom sulandırma yöntemi açıklanmaktadır. Bu yöntem, kullanıcıların güçlü nükleozom konumlandırma dizilerine ihtiyaç duymadan herhangi bir DNA şablonunda nükleozomları birleştirmesine, talep üzerine nükleozom yoğunluğunu ayarlamasına ve daha az reaktif kullanmasına olanak tanır. Yerinde nükleozom oluşumu saniyeler içinde gerçekleşir ve daha basit bir deneysel iş akışı ve tek moleküllü ölçümlere uygun bir geçiş sunar. Nükleozom mekaniğini araştırmak ve tek tek proteinlerin kromatin üzerindeki davranışını görselleştirmek için iki aşağı akış testinin örnekleri daha fazla açıklanmaktadır.
Ökaryotik kromatinin birincil paketleme birimi, ~147 baz çiftinin (bps) DNA'nın bir oktameri çekirdek histon proteinleri 1,2 etrafına sarıldığı nükleozomdur. Genom paketlemeye ek olarak, nükleozom mimarisi, çeşitli işlevlerini yerine getirirken kromatin bağlayıcı proteinler tarafından kullanılabilecek başka bir zengin biyofiziksel düzenleme katmanı olarak hizmet eder 3,4. Nükleozomların fiziksel özelliklerine deneysel olarak erişmek ve bunları ölçmek teknik olarak zor olmuştur, çünkü bu birimler küçük ölçeklerde (örneğin, nanometre uzunlukları, piconewton kuvvetleri) performans gösterir ve bu nedenle, sondalamaları, işlevi anlamlı bir şekilde bilgilendirmek için yeterli hassasiyet ve hassasiyet gerektirir. Ayrıca, kromatin bağlayıcı proteinler genellikle substratları ile geçici olarak etkileşime girer ve çoğu topluluk yaklaşımı, bu etkileşimlerin kinetiğini bilgilendirmek için uygun zamansal çözünürlükten yoksundur5. Neyse ki, tek moleküllü tekniklerin ortaya çıkışı, tek tek proteinleri ve etkileşimlerini gerçek zamanlı olarak görselleştirmeyi ve manipüle etmeyi mümkün kıldı ve nano ölçekte meydana gelen bu moleküler olaylar hakkında mekanik bilgileri ortaya çıkardı6. Özellikle, tek moleküllü korelasyon kuvveti ve floresan mikroskobu (smCFFM), kromatin ve kromatin-protein komplekslerininmekaniğini, bileşimini ve koordinasyonunu aynı anda çözmek için hem yüksek çözünürlüklü floresan algılama hem de kuvvet manipülasyon araçlarını kullanır 7,8.
Kuvvet manipülasyon yöntemi olarak özellikle "optik cımbız" kullanan smCFFM'de,üç boyutlu 9 bir dielektrik nesneyi, tipik olarak mikron boyutunda bir plastik boncuk yakalamak için sıkıca odaklanmış bir lazer kullanılır. Bir DNA parçası gibi bir biyopolimer, boncuğa konjuge edilebilir (örneğin, streptavidin-biotin, digoksijenenin-anti-digoksigenin antikor bağlantısı yoluyla) ve kullanıcı hem kalibre edilmiş bir kuvvet uygulayabilir hem de sistem tarafından üretilen kuvveti/yer değiştirmeyi ölçebilir10. Eklenen floresan modülü, protein bileşimini ve davranışını izlemek için eş zamanlı çok renkli floresan görüntülemeyi mümkün kılar.
smCFFM için nükleozom şablonlarının yeniden oluşturulması için ana yöntem, tuz diyalizi 11,12,13 ile özel DNA şablonları üzerinde nükleozomların birleştirilmesini içerir. Bu prosedürde, saflaştırılmış histon oktamerleri, yüksek tuzlu bir tamponda (~ 1 M sodyum klorür) DNA şablonları ile inkübe edilir ve tuz yavaşça diyalize edilirken, nükleozomlar, diziye bağlı konumsal bir şekilde DNA üzerinde kendiliğinden toplanır14,15. Bu nedenle, güçlü nükleozom konumlandırma dizilerinin (örneğin, Widom 60116, X. laevis 5S rDNA17) özel nükleozom dizileri oluşturmak için DNA şablonlarına dahil edilmesi gelenekseldir. Bu iyi bilinen yöntem, DNA boyunca nükleozomların yerleşimi ve sayısı üzerinde hassas kontrol sağlasa da, birkaç dezavantajdan muzdariptir: (1) güçlü nükleozom konumlandırma DNA dizilerinin dahil edilmesi, kromatin bağlayıcı proteinlerin aktivitesini önyargılı hale getiren yapay olarak kararlı nükleozomlar üretebilir, (2) nükleozom oluşumu için tuz diyalizi işlemi yüksek miktarda DNA ve oktamer gerektirir, ve (3) prosedür, bir ila birkaç günlük çalışmanın yanı sıra, optimum nükleozom dizi yoğunluğu için doğru DNA/oktamer oranını titre etmek için önemli bir çaba gerektirir.
Bu el yazmasında, in vivo nükleozom oluşumunun fizyolojik yoluna benzeyen rekombinant histon şaperon Nap1 kullanarak tek moleküllü bir korelasyon kuvveti ve floresan mikroskobu içinde yerinde DNA boyunca nükleozomlar oluşturmak için alternatif bir yöntem açıklanmaktadır 18,19,20,21,22. Bu yöntem, kullanıcıların nükleozomları spesifik olmayan DNA dizileri üzerinde birleştirmesine, nükleozom yoğunluğunu kolayca ayarlamasına ve önemli ölçüde daha az miktarda reaktif kullanmasına olanak tanır, hepsi de dakikalar içinde. Ek olarak, yerinde nükleozomal DNA bağlarının oluşturulması, daha basit deneysel iş akışı ve yerleşik tek moleküllü görselleştirme ve manipülasyonun rahatlığını sağlar. Bu nedenle, tek tip ve spesifik nükleozom konumlandırması bir gereklilik olmadığında, bu protokol, nükleozom mekaniğinin veya kromatin üzerindeki protein davranışının araştırılması için yararlı bir seçenek sunar, bunun için örnek tahlilleri de tanımladık.
Çalışmada kullanılan reaktiflerin ve ekipmanların detayları Malzeme Tablosunda listelenmiştir.
1. Biyotinile DNA'nın hazırlanması
2. Bir akış hücresinde kanalların hazırlanması
NOT: Bu prosedür, ticari olarak temin edilebilen bir mikroakışkan çipe dayanmaktadır (Malzeme Tablosuna bakınız), ancak çok kanallı bir akış hücresine sahip herhangi bir smCFFM cihazına uyarlanabilir.
3. Nap1 aracılı in situ nükleozom oluşumu
4. Nükleozomların açılması
5. Proteinin kromatine bağlanmasını görselleştirmek
Adım 3'te (Şekil 1A) açıklanan kurulum kullanılarak, DNA bağı boyunca nükleozom oluşumu, bir 2D taramada kırmızı floresan odakların görünümü (Şekil 1B, solda) veya bir kimografide zaman içinde yörüngeler (Şekil 1B, sağ) olarak görselleştirildi. Düzgün bir şekilde sarılmış nükleozomlar, konfokal tespitin kırınım sınırı (~ 300 nm) içinde zaman içinde sabit olan ...
Açıklanan protokol, nükleozomun yeniden yapılandırılması için, reaktifleri ve zamanı en aza indirmenin yanı sıra herhangi bir (potansiyel olarak doğal) DNA dizisi boyunca şaperona bağımlı nükleozom oluşumunu mümkün kılmak da dahil olmak üzere çeşitli avantajlar sağlar. Ayrıca, yerinde yöntem, daha basit deneysel iş akışına ve nükleozom mekaniği ve protein-kromatin etkileşiminin tek moleküllü tahlillerine uygun bir geçişe izin verir. Öte yan...
Yazarlar hiçbir rekabet çıkarı beyan etmezler.
G. N. L. C., Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) Ulusal Ruh Sağlığı Enstitüsü'nden F31MH132306 numaralı ödülle destek aldığını kabul eder. SL, Robertson Vakfı, Uluslararası Rett Sendromu Vakfı ve NIH (ödül numarası R01GM149862) tarafından desteklenmektedir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1x HR buffer | N/A | N/A | 30 mM tris acetate pH 7.5, 20 mM magnesium acetate, 50 mM potassium chloride, 0.1 mg/mL BSA |
1x PBS (Phosphate-buffered saline) | N/A | N/A | 137 mM sodium chloride, 2.7 mM potassium chloride, 10 mM sodium phosphate dibasic, 1.8 mM potassium phophate monobasic |
Acetic acid, glacial | Millipore Sigma | AX0074-6 | Use to make tris acetate |
Biotin-11-dUTP | Jena Bioscience | NU-803-BIOX-S | |
Biotin-14-dATP | Jena Bioscience | NU-835-BIO14-S | |
Biotin-14-dCTP | Jena Bioscience | NU-956-BIO14-S | |
Bovine Serum Albumin | Millipore Sigma | A9418-50G | Dissolve in H2O and run through 0.22 um filter |
Cy3 Maleimide Mono-Reactive Dye | Cytiva | PA23031 | Maleimide functionalized Cy3 fluorophore |
dGTP | New England Biolabs | N0442S | |
Eppendorf Centrifuge 5425 R | Fisher Scientific | 05-414-051 | Benchtop centrifuge with cooling |
Ethyl alcohol, Pure | Millipore Sigma | 459844 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Millipore Sigma | E9884 | Dissolve in H2O to 0.5 M |
Human histone octamer (H4, L50C; H2A, K119C) | N/A | N/A | Recombinant histone proteins and those harboring labeling mutations were purified in-house as described previously (see refs. 33, 34, 35, 36). Briefly, recombinant histones were expressed in BL21 (De3) pLySS cells (Promega). Inclusion bodies were isolated after sonication, and histones were extracted under denaturing conditions. Histones were dialyzed into buffer A (7 M urea, 10 mM tris hydrochloride pH 8.0, 100 mM sodium chloride, 1 mM EDTA, and 5 mM 2-mercaptoethanol), and the solution was added to a gravity column loaded with Q Sepharose Fast Flow (Cytiva). The flow through was then added to a gravity column loaded SP Sepharose Fast Flow (Cytiva), and the histones were eluted from the column by adding buffer A supplemented with 600 mM sodium chloride. Histones harboring labeling mutations (H4, L50C; H2A, K119C) were purified and then conjugated to the desired fluorophore via maleimide-functionalized dyes (Cytiva, Lumidyne) using a 20:1 dye-to-protein molar ratio (see refs. 33, 34). Histone octamers were assembled by adding an equal molar ratio of each wild-type or fluorophore-labeled histone under denaturing conditions, dialyzed into a high-salt buffer containing 2 M sodium chloride, and then purified by size exclusion chromatography as described previously (see refs. 36, 37). Alternatively, individual histone proteins and ready-made histone octamers can be purchased commercially (e.g., Epicypher). |
Image buffer | N/A | N/A | 20 mM tris hydrochloride pH 8.0, 100 mM sodium chloride |
Klenow Fragment (3' to 5' exo-) | New England Biolabs | M0212S | |
Lambda DNA (dam-, dcm-) | Thermo Fisher Scientific | SD0021 | Methylation-free λ DNA |
LD655-MAL | Lumidyne Technologies | 9 | Maleimide functionalized LD655 fluorophore |
Linker histone H1.4 (A4C) | N/A | N/A | Purified recombinant protein made in-house (see ref. 38) |
LUMICKS C-Trap Dymo | LUMICKS | N/A | Dual-trap configuration; standard materials for instrument provided by manufacturer |
Magnesium acetate solution | Millipore Sigma | 63052-100ML | Use to make HR buffer |
NEBuffer 2 | New England Biolabs | B7002S | Included with Klenow Fragment kit |
Pluronic F-127 | Millipore Sigma | P2443-250G | Dissolve in H2O and run through 0.22 um filter |
Potassium chloride | Millipore Sigma | P3911 | Use to make PBS and HR buffer |
Potassium phosphate monobasic | Millipore Sigma | P0662 | Use to make PBS |
S. cerevisiae Nap1 | N/A | N/A | Nap1 was purified in-house as previously described (see refs. 33, 34). Alternatively, Nap1 can be purchased commercially (e.g., Active Motif). |
Sodium acetate | Millipore Sigma | 241245 | Dissolve in H2O to 3 M |
Sodium chloride | Millipore Sigma | S9888 | Use to make PBS and image buffer |
Sodium phosphate dibasic | Millipore Sigma | S9763 | Use to make PBS |
SPHERO Biotin Coated Particles (3.0-3.4 µm) | Spherotech | TP-30-5 | |
Thermo Scientific NanoDrop 2000/2000c Spectrophotometer | Fisher Scientific | ND2000 | NanoDrop Spectrophotometer |
Tris Base | Fisher Scientific | BP152-500 | Dissolve in H2O and adjust to appropriate pH; use to make image buffer and tris acetate |
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