Name: an in vitro single-molecule imaging assay for the analysis of cap-dependent translation kinetics
Uploaded: 2020-09-15T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about An In Vitro Single-Molecule Imaging Assay for the Analysis of Cap-Dependent Translation Kinetics at JoVE.com

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health [R01GM121847] unterstützt; das Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSKCC) Support Grant/Core Grant (P30 CA008748); und msKCC Functional Genomics Initiative.

1. Generierung von Reporter mRNA
<ol><li>Ändern Sie eine DNA-Transkriptionsvorlage, die einen "unmarkierten" Reporter mRNA mit Massentest kodiert, indem Sie eine N-terminus-Epitop-Tag-Codierungssequenz einfügen, um eine DNA-Transkriptionsvorlage für einen "markierten" Reporter mRNA zu generieren (Abbildung 2A). HINWEIS: Für diesen Test wird aufgrund seiner überlegenen Empfindlichkeit und der kurzen 3xFLAG-Tag-Länge eine 3xFLAG/Anti-FLAG-Interaktion empfohlen. Der Assay ist jedoch ...

Im Vergleich zu typischen in vitro TIRF Einzelmolekülexperimenten ist die hier beschriebene Einzelmolekül-Bildgebung mit dem hier beschriebenen Assay durch den Einsatz von Zellextrakt und einer hohen Konzentration fluoreszierend markierter Antikörper zusätzlich komplex. Im Vergleich zur gebräuchlicheren Praxis einer Flächen-PEGylation reduziert eine zweite Runde PEGylation (Schritt 2) die unspezifische Antikörperbindung an die Nachweisfläche15erheblich. Die hohe Konzentration diff...

Die Übersetzung in eukaryotischen Systemen erfolgt überwiegend über 7-Methylguanosin (m7G) kappenabhängige Wege1. Studien zeigen, dass der Initiationsschritt der eukaryotischen Übersetzung die Rate begrenzend ist und ein gemeinsames Ziel für regulation2,3,4ist. Mechanismen der kappenabhängigen Übersetzung wurden ausgiebig mit genetischen5, biochemischen6,7,8, strukturellen9und genomischen10 Massenansätzen untersucht. Obwohl diese Methoden verschiedene Mechanismen identifiziert haben, die die capabhängige Initiation regulieren, beschränkt ihre Auflösung sie auf die Ensemble-Mittelung von Signalen aus heterogenen und asynchronen Initiationsereignissen. In jüngerer Zeit wurden einzelne In-vivo-Translationsereignisse mit Methoden visualisiert, die die fluoreszierende Antikörperbindung an Epitope auf aufkeimenden Polypeptiden11,12,13,14messen. Diese neuen Ansätze sind jedoch auch in ihrer Fähigkeit eingeschränkt, einzelne Initiationsereignisse zu lösen, da mehrere fluoreszierende Antikörper ein aufkeimendes Peptid binden müssen, damit einzelne Translationsereignisse aus einem hohen intrazellulären Fluoreszenzhintergrund gelöst werden können. In vielen biologischen Wechselwirkungen haben gelöste einzelne kinetische Ereignisse kritische Einblicke in das Verständnis komplexer mehrstufiger und sich wiederholender biologischer Prozesse geliefert, die auf molekularer Ebene nicht synchronisiert werden können. Neue Methoden, die die Dynamik einzelner Übersetzungsereignisse nachverfolgen können, sind für ein besseres Verständnis der cap-abhängigen Initiierung und Regulierung erforderlich.
Kürzlich haben wir einen In-vitro-Test entwickelt, der die cap-abhängige Initiationskinetik mit der Einmolekülauflösung15misst. Unter Berücksichtigung der großen Anzahl bekannter und unbekannter Proteinfaktoren, die an diesem Initiationsweg beteiligt sind3,16, wurde der Einzelmolekül-Assay entwickelt, um mit bestehenden in vitro zellfreien Übersetzungssystemen kompatibel zu sein, um von ihrer Erhaltung zellulärer Faktoren und robuster Translationsaktivität17,18,19,20,21,22,23,24,25zu profitieren. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz zellfreier Übersetzungssysteme kompatiblere Vergleiche zwischen Einzelmolekülbeobachtungen und früheren Massenergebnissen. Dieser Ansatz ermöglicht eine geradlinige Integration neuer kinetischer Einzelmoleküleinblicke in den bestehenden mechanistischen Rahmen der kappenabhängigen Initiation. Um den Einzelmolekül-Assay zu etablieren, wird das traditionelle zellfreie Übersetzungssystem auf drei Arten modifiziert: Zu Beginn des offenen Leserahmens (ORF) eines Reporters mRNA wird eine epitopkodiende Sequenz eingefügt; das 3-Zoll-Ende der Reporter-mRNA ist biotinyliert, um mRNA-End-Tethering-zu-Einmolekül-Detektionsfläche zu erleichtern; und fluoreszierend gekennzeichnete Antikörper werden zum Translationsextrakt ergänzt. Diese Modifikationen erfordern nur grundlegende molekularbiologische Techniken und allgemein verfügbare Reagenzien. Darüber hinaus bewahren diese Modifikationen und die einmolekularen Bildbedingungen die Translationskinetik von massenzellfreien Translationsreaktionen15.
In diesem Test (Abbildung 1), 5'-End-gekapselter und 3'-End-biotinylierter Reporter mRNA wird zu einer Streptavidin-beschichteten Detektionsfläche in einer Strömungskammer immobilisiert. Die Durchflusskammer wird dann mit einem zellfreien Translationsgemisch gefüllt, das mit fluoreszierend gekennzeichneten Antikörpern ergänzt wird. Nachdem die mRNA-Translation für ca. 30-40 Codons unterhalb der Epitopsequenz26,27erfolgt ist, entsteht das Epitop aus dem Ribosom-Ausgangstunnel und wird zugänglich, um mit fluoreszierend markierten Antikörpern zu interagieren. Diese Wechselwirkung ist schnell und ihre Detektion durch einzelmolekulare Fluoreszenz-Bildgebungstechniken ermöglicht die Verfolgung der Translationskinetik mit Einzelmolekülauflösung während der aktiven zellfreien Translation. Dieser Test sollte im Großen und Ganzen In-vitro-Studien zur kapabhängigen Translationskinetik und ihrer Regulierung zugute kommen, insbesondere für Systeme mit einem in vitro-basierten Massentest.
Eine Voraussetzung für die Etablierung dieses einzelmolekularen Assays ist ein massengangfreies Translations-Assay, das mit einem Übersetzungsextrakt erreicht werden kann, der entweder kommerziell erhältlich ist oder nach zuvor beschriebenen Methoden28hergestellt wird. Eukaryotische Translation Extrakt kann aus verschiedenen Zellen gewonnen werden, einschließlich Pilz, Säugetier, und Pflanze28. Für die Bildgebung benötigt dieser Test ein TIRF-Mikroskop mit einstellbarer Laserintensität und Einfallswinkel, eine motorisierte Probenstufe, ein motorisiertes Fluidiksystem und ein Probentemperaturregelgerät. Solche Anforderungen sind generisch für moderne In-vitro-Einzelmolekül-TIRF-Experimente und können unterschiedlich erreicht werden. Das hier vorgestellte Experiment verwendet ein objektives TIRF-System, das aus handelsüblichen Mikroskopen, Software und Zubehör besteht, die alle in der Tabelle der Materialienaufgeführt sind.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>100X oil objective, N.A. 1.49</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>UAPON 100XOTIRF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acryamide/bis (40%, 19:1)</td>
			<td>Bio-Rad</td>
			<td>161-0144</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alkaline liquid detergent</td>
			<td>Decon</td>
			<td>5332</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aminosilane (N-(2-Aminoethyl)-3-Aminopropyltrimethoxysilane)</td>
			<td>UCT Specialties, LLC</td>
			<td>A0700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Andor ixon Ultra DU 897V EMCCD</td>
			<td>Andor</td>
			<td>DU-897U-CSO-#BV</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Andor Solis software</td>
			<td>Andor</td>
			<td></td>
			<td>For controlling the Andor EMCCD</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Band-pass filter</td>
			<td>Chroma</td>
			<td>532/640/25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Band-pass filter</td>
			<td>Chroma</td>
			<td>NF03-405/488/532/635E-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biotin-PEG-SVA</td>
			<td>Laysan Bio Inc</td>
			<td>Biotin-PEG-SVA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coenzyme A free acid</td>
			<td>Prolume</td>
			<td>309-250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coolterm software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>For controlling the syringe pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desktop computer</td>
			<td>Dell</td>
			<td></td>
			<td>For controlling the microscope, camera, stage, and pump.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichroic mirror</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>R405/488/532/635</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Direct-zol RNA microprep 50RNX</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>NC1139450</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual-Luciferase Reporter Assay System</td>
			<td>Promega</td>
			<td>E1910</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy</td>
			<td>Devcon</td>
			<td>14250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Firefly luciferin D-Luciferin free acid</td>
			<td>Prolume</td>
			<td>306-250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glacial acetic acid</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>BP1185500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen perioxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>216763-500ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Immersion oil</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>Z-81226A</td>
			<td>Low auto-fluorescence</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Luciferase Assay System</td>
			<td>Promega</td>
			<td>E1500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MEGASCRIPT T7 Transcription Kit</td>
			<td>Thermo fisher</td>
			<td>AM1334</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>MMX04751</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IX83</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope slide</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>3048</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monoclonal anti-FLAG M2-Cy3</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A9594</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>mPEG-SVA</td>
			<td>Laysan Bio Inc</td>
			<td>mPEG-SVA-5000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MS(PEG)4</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>22341</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl (5M)</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>AM9760G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>No 1.5 microscope Cover glass</td>
			<td>Fisherband</td>
			<td>12-544-C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Olympus Laser, 532nm 100mM</td>
			<td>Olympus digital Laser system</td>
			<td>CMR-LAS 532nm 100mW</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Olympus TirfCtrl software</td>
			<td>Olympus</td>
			<td></td>
			<td>For controlling the laser intensity and incident angle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical table</td>
			<td>TMC vibration control</td>
			<td>63-563</td>
			<td>With vibration isolation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phenol chloroform isoamyl alcohol mix</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>77617-100ml</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pierce RNA 3&#39; End Biotinylation Kit</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>20160</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium hydroxide pellets</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P1767-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prior motorized XY translation stage</td>
			<td>Prior</td>
			<td>PS3J100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prior PriorTest software</td>
			<td>Prior</td>
			<td></td>
			<td>For controlling the Prior motorized stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Recombinant RNasin RNase Inhibitor</td>
			<td>Promega</td>
			<td>N2515</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stage top Incubator</td>
			<td>In vivo scientific (world precision Instruments)</td>
			<td>98710-1</td>
			<td>With a custom built acrylic cage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Staining jar</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>08-817</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Streptavidin</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>43-4301</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfuric acid</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>A300212</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SYBR green II</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>S7564</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Hamilton</td>
			<td>1725RN</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Harvard apparatus</td>
			<td>55-3333</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris (1M), pH = 7.0</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>AM9850G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic Bath</td>
			<td>Branson</td>
			<td>CPX1800H</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Urea</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>U5378-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vaccinia Capping system</td>
			<td>New England Biolabs</td>
			<td>M2080S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zymo-Spin IC Columns</td>
			<td>Zymo Research</td>
			<td>C1004</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an in vitro single-molecule imaging assay for the analysis of cap-dependent translation kinetics

Die cap-abhängige Proteinsynthese ist der vorherrschende Translationsweg in eukaryotischen Zellen. Während verschiedene biochemische und genetische Ansätze umfangreiche Studien über die kapabhängige Übersetzung und ihre Regulierung ermöglicht haben, fehlt es noch immer an einer hochauflösenden kinetischen Charakterisierung dieses Übersetzungswegs. Kürzlich haben wir einen In-vitro-Assay entwickelt, um die capabhängige Translationskinetik mit Einzelmolekülauflösung zu messen. Der Test basiert auf fluoreszierend gekennzeichneten Antikörperbindungen an entstehendes Epitop-markiertes Polypeptid. Durch die Abbildung der Bindung und Dissoziation von Antikörpern an und von entstehenden Peptid-Ribosome-mRNA-Komplexen kann die Translationsprogression auf einzelnen mRNAs nachverfolgt werden. Hier stellen wir ein Protokoll zur Etablierung dieses Assays vor, einschließlich mRNA- und PEGylated-Diapräparate, Echtzeit-Bildgebung der Translation und Analyse einzelner Molekülbahnen. Dieser Test ermöglicht die Verfolgung einzelner capabhängiger Übersetzungsereignisse und löst wichtige Translationskinetik, wie Initiierungs- und Dehnungsraten. Der Assay kann in großem Umfang auf unterschiedliche Übersetzungssysteme angewendet werden und sollte im Großen und Ganzen In-vitro-Studien über capabhängige Translationskinetik und translationale Kontrollmechanismen profitieren.

Das Folgende beschriebene Protokoll ermöglicht die Abbildung einzelner Antikörper-Wechselwirkungen mit entstehenden N-terminal-markierten Polypeptiden mit einzelmolekularer Auflösung während der aktiven zellfreien Translation von 3' End-tethered Reporter mRNA (Abbildung 1). Ein minimales Demonstrationsexperiment wird mit der Verwendung von drei synthetischen mRNAs berichtet: LUC (Codierung nicht markiert luziferase), LUCFLAG (Codierung 3xFLAG-getaggt...

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An In Vitro Single-Molecule Imaging Assay for the Analysis of Cap-Dependent Translation Kinetics

Das Nachverfolgen einzelner Übersetzungsereignisse ermöglicht hochauflösende kinetische Studien von kappenabhängigen Translationsmechanismen. Hier zeigen wir einen in vitro Einzelmolekül-Assay basierend auf bildgebenden Wechselwirkungen zwischen fluoreszierend markierten Antikörpern und epitopmarkierten aufkommenden Peptiden. Diese Methode ermöglicht die Einzelmolekülcharakterisierung der Initiations- und Peptiddehnungskinetik während der aktiven in vitro capabhängigen Translation.

Ein In Vitro Single-Molecule Imaging Assay zur Analyse von cap-dependent Translation Kinetics

Cap-dependent protein synthesis is the predominant translation pathway in eukaryotic cells. While various biochemical and genetic approaches have allowed ...

Research

JoVE Journal

Biochemistry

An In Vitro Single-Molecule Imaging Assay for the Analysis of Cap-Dependent Translation Kinetics

Single-molecule Super-resolution Imaging of Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate in the Plasma Membrane with Novel Fluorescent Probes

Einzelmolekül-Super-Resolution Imaging von Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphat in der Plasmamembran mit neuartigen Fluoreszenzsonden

Phosphoinositides in the cell membrane are signaling lipids with multiple cellular functions. Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PI(4,5)P2) is a ...

Forschung

Biochemie

A Simple, Robust, and High Throughput Single Molecule Flow Stretching Assay Implementation for Studying Transport of Molecules Along DNA

Einfach, Robust und hohen Durchsatz Molekül fließen Stretching Assay-Implementierung für das Studium Transport von Molekülen entlang DNA

We describe a simple, robust and high throughput single molecule flow-stretching assay for studying 1D diffusion of molecules along DNA. In this assay, ...

Single-molecule Manipulation of G-quadruplexes by Magnetic Tweezers

Einzelmolekül-Manipulation von G-Quadruplexe von magnetischen Pinzette

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

Capturing the Interaction Kinetics of an Ion Channel Protein with Small Molecules by the Bio-layer Interferometry Assay

Erfassung der Interaktion Kinetics eines Ionenkanals Proteins mit kleinen Molekülen durch die Bio-Schicht Interferometrie Assay

The bio-layer interferometry (BLI) assay is a valuable tool for measuring protein-protein and protein-small molecule interactions. Here, we first describe ...

Toeprinting Analysis of Translation Initiation Complex Formation on Mammalian mRNAs

Toeprinting Analyse der Übersetzung Einleitung Komplexbildung auf Säugetier-mRNAs

Translation initiation is the rate-limiting step of protein synthesis and represents a key point at which cells regulate their protein output. Regulation ...

Covalent Immobilization of Proteins for the Single Molecule Force Spectroscopy

Kovalente Immobilisierung von Proteinen für die Einzelmolekül-Spektroskopie Kraft

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

Proteom-weite Quantifizierung des Benennens Homogenität auf der Ebene des einzelnen Moleküls

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

Single-Molecule Tracking Microscopy - A Tool for Determining the Diffusive States of Cytosolic Molecules

Single-Molecule Tracking-Mikroskopie - Ein Werkzeug zur Bestimmung der diffusiven Zustände von zytosolischen Molekülen

Single-molecule localization microscopy probes the position and motions of individual molecules in living cells with tens of nanometer spatial and ...

Production of Dynein and Kinesin Motor Ensembles on DNA Origami Nanostructures for Single Molecule Observation

Produktion von Dynein und Kinesin Motor Ensembles auf DNA Origami Nanostrukturen für die Einzelmolekülbeobachtung

Cytoskeletal motors are responsible for a wide variety of functions in eukaryotic cells, including mitosis, cargo transport, cellular motility, and ...

Single Cell Analysis Of Transcriptionally Active Alleles By Single Molecule FISH

Einzelzellanalyse transkriptionell aktiver Allele mittels Einzelmolekül FISH

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