Name: cd spectroscopy to study dna-protein interactions
Uploaded: 2022-02-10T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about CD Spectroscopy to Study DNA-Protein Interactions at JoVE.com

המחברים רוצים להודות למתקן מחקר מכשור מתקדם, JNU, על ספקטרופוטומטר התקליטורים. V.J. ו- A.D. נתמכו על ידי מלגה מ CSIR.

1. ריכוז עבודה של רכיבי התגובה
<ol><li>הכן את ריכוזי העבודה של מאגרים עבור תקליטור ורכיבי תגובה אחרים טריים (ראה טבלה 1) ולשמור אותם ב 4 °C (70 °F) לפני הגדרת התגובות. הערה: עבור תגובות התקליטור המתוארות במאמר זה, ריכוזי העבודה של רכיבים הם כדלקמן: מאגר נתרן פוספט (pH 7.0) 1 mM, ATP 2 mM, DNA...

מטרת מאמר זה היא להציג את טכניקת ספקטרוסקופיית התקליטורים כגישה לחקור את השינויים הקונפורמציה המתרחשים ב- DNA בנוכחות חלבוני שיפוץ כרומטין תלויי ATP ולקשר את השינויים הקונפורמיים האלה לביטוי גנים. ספקטרוסקופיה של תקליטור מספקת שיטה מהירה ונגישה לחקר השינויים הקונפורמציה בדנ"א.

<p class=...

דיכרויזם מעגלי (CD) היא טכניקה ספקטרוסקופית הנשענת על כיראליות אינהרנטית של מקרומולקולים ביולוגיים המובילה לספיגה דיפרנציאלית של אור מקוטב ימני ושמאלי. ספיגה דיפרנציאלית זו ידועה כדיכרואיזם מעגלי. הטכניקה, אם כן, יכולה לשמש כדי לתאר את הקונפורמציה של מקרומולקולים ביולוגיים, כגון חלבונים ו- DNA, שניהם מכילים מרכזי כיראליים1,2.
גלים אלקטרומגנטיים מכילים רכיבים חשמליים ומגנטיים כאחד. הן השדות החשמליים והן השדות המגנטיים מתנדנדים בניצב לכיוון התפשטות הגלים. במקרה של אור לא קוטבי, שדות אלה מתנדנדים בכיוונים רבים. כאשר האור מקוטב מעגלית, שני שדות אלקטרומגנטיים מתקבלים בהפרש פאזה של 90° זה לזה. מולקולות כיראליות מראות סיבוב אופטי מעגלי (birefringence) כך שהן יספגו את האור המקוטב המעגלי הימני ואת האור המקוטב העגול השמאלי בהיקפים שונים3. השדה החשמלי המתקבל יעקוב כאליפסה, פונקציה של אורך הגל. ספקטרום התקליטורים, אם כן, נרשם כאליפטיות (q), והנתונים מוצגים כאליפטיות שאריות ממוצעת כפונקציה של אורך גל.
במקרה של חלבונים, Cα של חומצות אמינו (למעט גליצין) הוא chiral, וזה מנוצל על ידי ספקטרוסקופיה CD כדי לקבוע את המבנה המשני של מאקרומולקול זה4. ספקטרום התקליטור של מולקולות חלבון נרשם בדרך כלל בטווח ה- UV הרחוק. לחלבונים α-הליליים יש שתי רצועות שליליות ב-222 ננומטר ו-208 ננומטר ושיא חיובי אחד ב-193 ננומטר4. חלבונים עם מבנה משני אנטי-מקבילי β יריעות מראים שיא שלילי ב 218 ננומטר ושיא חיובי ב 195 nm4. חלבונים עם מבנים פרועים מראים אליפטיות נמוכה ליד 210 ננומטר ושיא שלילי ב 195 nm4. לכן, שיא מוגדר היטב / רצועות עבור מבנים משניים שונים להפוך CD כלי נוח כדי להבהיר את השינויים הקונפורמציה המתרחשים במבנה המשני של החלבונים במהלך denaturation, כמו גם כריכת ליגנד.
לחומצות גרעין יש שלושה מקורות של כיראליות: מולקולת הסוכר, ההוליות של המבנה המשני, והסדר של שלשה ארוכת טווח של DNA בסביבה5,6. ספקטרום התקליטור של חומצות גרעין נרשם בדרך כלל בטווח של 190 עד 300 ננומטר5,6. כל התאמה של DNA, בדיוק כמו חלבונים, נותן ספקטרום אופייני, אם כי הפסגות / רצועות יכול להשתנות במעלות מסוימות עקב תנאי ממס והבדלים ברצפי DNA7. B-DNA, הצורה הנפוצה ביותר, מאופיין בשיא חיובי סביב 260-280 ננומטר ושיא שלילי סביב 245 nm6. הפסגות/רצועות הדנ"א בצורת B הן בדרך כלל קטנות מכיוון שזוגות הבסיס מאונכים לסליל הכפול, ומעניקים כיראליות חלשה למולקולה. A-DNA נותן שיא חיובי דומיננטי ב 260 ננומטר ושיא שלילי סביב 210 nm6. Z-DNA,סל שמאלי, נותן רצועה שלילית ב 290 ננומטר ושיא חיובי סביב 260 nm6. DNA זה גם נותן שיא שלילי מאוד ב 205 nm6.
בנוסף לקונפורמציות אלה, DNA יכול גם ליצור טריפלקסים, מרובעים וסיכות ראש, שכולם ניתן להבחין על ידי ספקטרוסקופיה CD. G-quadruplex המקביל לתת להקה חיובית דומיננטית ב 260 ננומטר, בעוד G-quadruplex אנטי מקביל נותן רצועה שלילית ב 260 ננומטר ושיא חיובי ב 290 ננומטר, מה שהופך אותו קל להבחין בין שתי צורות של מבנים quadruplex6. טריפלקסים לא נותנים ספקטרום אופייני8. לדוגמה, הספקטרום של DNA באורך 36 נוקלאוטיד עם פוטנציאל ליצור סליל משולש תוך-עיני המכיל זוגות בסיס G.G.C ו- T.A.T בנוכחות Na+ מראה רצועה שלילית חזקה ב 240 ננומטר ושיא חיובי רחב. השיא החיובי הרחב מראה תרומות של 266, 273 ו-286 ננומטר. אותו אוליגונוקלאוטיד בנוכחות Na+ ו- Zn+ מציג ארבע להקות שליליות (213, 238, 266 ו-282 ננומטר) ושיא חיובי של 258 ננומטר. לכן, הספקטרום של DNA טריפלקס יכול להשתנות בהתאם לתנאי מלח8.
בנוסף לקונפורציות אלה, ספקטרום תקליטורים אפשר זיהוי של צורה אחרת של DNA הנקרא X-DNA. X-DNA נוצר כאשר רצף ה- DNA מכיל שאריות אדנין ותימין חלופיות. ספקטרום התקליטור של X-DNA מכיל שתי פסגות שליליות ב 250 ו 280 ננומטר. מעט מאוד מידע זמין על X-DNA, אם כי זה כבר ספקולציות לתפקד כמו כיור עבור supercoiling חיובי6,9. שינויים בספקטרום התקליטורים יכולים גם לחשוף פרטים על אינטראקציות חלבון ליגנד, ולכן, נוספו לארסנל של שיטות מולקולריות לאיתור אינטראקציות בין חלבון תרופתי10,11,12,13,14. ספקטרום תקליטור שימש גם כדי לפקח על השינויים במבנה המשני של חלבונים במהלך תהליך הקיפול15. באופן דומה, ספקטרום תקליטור יכול לשמש גם לבדיקת אינטראקציות ליגנד-DNA16,17.
ספקטרוסקופיה CD, אם כן, היא שיטה קלה וזולה להבחין בין צורות שונות של התאמת DNA, בתנאי שיש גישה לציוד ותוכנה לא כל כך זולים. השיטה רגישה ומהירה ביותר. זה רק דורש כמות קטנה של DNA, נותן לו יתרון על הטכניקה החלופית של ספקטרוסקופיה תהודה מגנטית גרעינית (NMR). קל גם לבצע טייטציות עם ליגנדים ומצעים. האילוץ העיקרי הוא שהדנ"א צריך להיות טהור מאוד. מומלץ להשתמש ב- DNA מטוהר של ג'ל פוליאקרילמיד (PAGE).
המידע המתקבל על ידי ספקטרום תקליטור שימש בעיקר כדי להסיק תכונות מבניות חלבון ולזהות קונפורמיות DNA ברורות. במחקר זה, ספקטרום תקליטור שימשו כדי לשלב את התוצאות שהתקבלו מניסוי in vivo Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) כדי לתאר אם חלבון של עניין/ גורם שעתוק חזוי יכול להביא לשינוי קונפורמציה באזור האמרגן של הגנים המשפיעים שלה. שיתוף פעולה זה מסייע בהתקדמות של טכניקות ספקטרוסקופיות תקליטור מסורתיות על ידי חיזוי המנגנון של ויסות התמלול על ידי גורם התמלול החזוי באתר התחלת התמלול (TSS) של מקדם.
שיפוץ כרומטין הוא מנגנון מוגדר היטב הידוע לווסת תהליכים מטבוליים DNA על ידי הפיכת הכרומטין ארוז היטב נגיש לגורמים רגולטוריים שונים כגון גורמי שעתוק, רכיבים של שכפול DNA, או נזק חלבונים תיקון. משפצים כרומטין תלויי ATP, הידועים גם בשם משפחת החלבונים SWI/SNF, הם חלבונים מפתח לשיפוץ הנמצאים בתאים אאוקריוטים18,19. קיבוץ פילוגנטי סיווג את משפחת החלבונים SWI/SNF ל-6 תת-קבוצות20: דמוי Snf2, דמוי Swr1, דמוי SSO1653, דמוי Rad54, דמוי Rad5/16 ומרוחק. SMARCAL1, חלבון העניין במחקר זה, שייך לתת-קבוצה רחוקה20. חלבון זה שימש כדי לחקור את אופן הרגולציה שעתוק באמצעות ספקטרוסקופיה CD.
רוב החברים בחלבוני שיפוץ הכרומטין התלויים ב-ATP הוכחו כמי שממקמים מחדש או מפנים נוקלאוזומים או מחליפים וריאנטים של היסטון באופן תלוי ATP21,22. עם זאת, כמה מבני המשפחה לא הוכחו לשפץ נוקלאוזומים, למשל, SMARCAL1. למרות שמחקרים הראו כי SMARCAL1 מקשר עם כרומוזומים פוליטן, ראיות ניסיוניות לגבי יכולתו לשפץ נוקלאוזומים חסר 23. לכן, הו להניח כי SMARCAL1 עשוי לווסת את התמלול על ידי שינוי הקונפורמציה של DNA24. ספקטרוסקופיית תקליטורים סיפקה שיטה קלה ונגישה לאימות השערה זו.
SMARCAL1 הוא חלבון שיפוץ כרומטין תלוי ATP המתפקד בעיקר כהליקאז חישול25,26,27. זה כבר להניח כדי לווסת את התמלול על ידי שיפוץ קונפורמציה DNA24. כדי לבדוק השערה זו, התפקיד של SMARCAL1 בוויסות שעתוק גנים במהלך נזק DNA המושרה doxorubicin נחקר. במחקרים אלה, SMARCAL1 שימש לניתוח ויוו ו ADAAD עבור במבחנה assays28,29. מחקרים קודמים הראו כי ADAAD יכול לזהות DNA באופן תלוי מבנה אך רצף עצמאי30,31. החלבון נקשר בצורה אופטימלית למולקולות דנ"א בעלות גדיל כפול לאזורי מעבר חד-גדיליים, בדומה לדנ"א של לולאת גזע, והידרוליזים ATP 30,31.
ניסויי In vivo הראו כי SMARCAL1 מווסת את הביטוי של MYC, DROSHA, DGCR8 ו- DICER על ידי איגוד לאזורי האמרגן28,29. אזור האינטראקציה זוהה על ידי ניסויי ChIP28,29. טכניקת ChIP משמשת לניתוח האינטראקציה של חלבון עם ה- DNA הקוגניט שלו בתוך התא. מטרתו היא לקבוע אם חלבונים ספציפיים, כגון גורמי שעתוק על מקדמים או אתרי כריכת DNA אחרים, קשורים לאזורים גנומיים ספציפיים. החלבון הקשור לדנ"א מקושר לראשונה באמצעות פורמלדהיד. זה ואחריו בידוד של הכרומטין. הכרומטין המבודד מוצמד לשברים של 500 bp על ידי עיכול סוניקציה או נוקלאז, והחלבון הקשור לדנ"א הוא אימונופרציפיטאט באמצעות נוגדנים ספציפיים לחלבון. הקישור הצולב הפוך, והדנ"א מנותח באמצעות תגובת שרשרת פולימראז (PCR) או PCR כמותי בזמן אמת.
תוצאות ChIP הובילו להשערה כי SMARCAL1 אולי מתווך רגולציה תמלול על ידי גרימת שינוי קונפורמציה באזורי האמרגן של גנים אלה. ממפה QGRS ותוכנת Mfold שימשו לזיהוי הפוטנציאל של אזורי מקדם אלה ליצור מבנים משניים28,29. ממפה QGRS משמש לחיזוי G-quadruplexes32, בעוד Mfold33 מנתח את היכולת של רצף ליצור מבנים משניים כגון לולאות גזע.
לאחר ניתוח מבנה משני, ניסויי במבחנה נוספים בוצעו עם רקומביננטי 6X ATPase A דומיין פעיל תלוי DNA (ADAAD), ההומולוג בקר של SMARCAL1, מטוהר Escherichia coli34. בדיקות ATPase בוצעו באמצעות ADAAD כדי לקבוע כי רצפי DNA שזוהו יכול לשמש כמשפיעים28,29. לבסוף, ספקטרוסקופיה CD בוצעה כדי לפקח על השינויים הקונפורמציה המושרה במולקולת ה- DNA על ידי ADAAD28,29.
כדי להוכיח שפעילות ה-ATPase של החלבון חיונית לגרימת שינוי קונפורמציה במולקולת הדנ"א, נוספה חומצה אתילנדיאמין טטראאצטית (EDTA) ל-Chelate Mg+2 או ATPase פעיל תלוי DNA A מעכב תחום Neomycin (ADAADiN), מעכב ספציפי של חלבון SWI/SNF, נוספה 35,36 . טכניקה ספקטרוסקופית זו CD ניתן להשתמש עם כל חלבון מטוהר כי הוכח על ידי ChIP או כל מבחנת רלוונטית אחרת להיקשר לאזור גנומי חזוי של מקדם.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2-Mercaptoethanol</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td>O3446I-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adenosine 5&#8242;-triphosphate disodium salt hydrate</td>
			<td>Sigmaaldrich</td>
			<td>A2383</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CD Quartz Cuvette</td>
			<td>STARNA</td>
			<td>21-Q-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chirascan V100 CD spectrometer</td>
			<td>Applied Photophysics</td>
			<td>Not available</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDTA Disodium Salt Dihydrate</td>
			<td>SRL</td>
			<td>43272</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glutathione Sepharose 4B</td>
			<td>GE Healthcare</td>
			<td>17-0756-01</td>
			<td>Glutathione affinity chromatography</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hellmanex III cleaning solution</td>
			<td>Hellma</td>
			<td>9-307-011-4-507</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-Lactic Dehydrogenase</td>
			<td>Sigmaaldrich</td>
			<td>&#160;L2625</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnesium Acetate Tetrahydrate</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td>BP215-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnesium Chloride Hexahydrate</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td>M33-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NADH disodium salt</td>
			<td>Sigmaaldrich</td>
			<td>10107735001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphoenolpyruvate Monocyclohexylammonium Salt</td>
			<td>SRL</td>
			<td>40083</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Acetate</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td>P178-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pyruvate Kinase</td>
			<td>Sigmaaldrich</td>
			<td>P1506</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Phosphate Dibasic Anhydrous</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td>S374-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Phosphate Monobasic Monohydrate</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td>S369-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Synergy HT microplate reader</td>
			<td>BioTek</td>
			<td>Not available</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris Base</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td>BP152-500</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

cd spectroscopy to study dna-protein interactions

ספקטרוסקופיה של דיכרויזם מעגלי (CD) היא שיטה פשוטה ונוחה לחקור את המבנה המשני ואת האינטראקציות של ביומולקולים. ההתקדמות האחרונה בספקטרוסקופיית תקליטורים אפשרה לחקור אינטראקציות בין חלבון DNA ודינמיקה קונפורמציה של DNA במיקרו-סביבה שונה בפירוט להבנה טובה יותר של ויסות התמלול ב- vivo. האזור סביב אזור תמלול פוטנציאלי צריך להיות לא אחיד כדי שתעתיק יתרחש. זהו תהליך מורכב הדורש תיאום של שינויים histone, כריכה של גורם שעתוק ל- DNA, ופעילויות אחרות שיפוץ כרומטין. באמצעות ספקטרוסקופיה CD, ניתן ללמוד שינויים קונפורמציה באזור המקדם הנגרמים על ידי חלבונים רגולטוריים, כגון שיפוץ כרומטין תלוי ATP, כדי לקדם שעתוק. ניתן לעקוב אחר השינויים הקונפורמציה המתרחשים בחלבון. בנוסף, ניתן לטפל בשאילתות לגבי הזיקה של החלבון לדנ"א היעד שלו ולייחודיות הרצף שלו על ידי שילוב מוטציות בדנ"א היעד. בקיצור, ההבנה הייחודית של שיטה רגישה וזולה זו יכולה לחזות שינויים בדינמיקה הכרומטית, ובכך לשפר את ההבנה של רגולציה תמלול.

ADAAD מייצב מבנה דמוי לולאת גזע על מקדם MYC ראיות ניסיוניות קודמות הראו כי SMARCAL1 הוא רגולטור שלילי של MYC29. ניתוח של אזור המקדם הארוך של 159 bp של הגן MYC על ידי ממפה QGRS הראה כי לגדיל הקדמי יש פוטנציאל ליצור G-quadruplex (טבלה 2). ספל הראה כי ש?...

Watch this Scientific Journal Video about CD Spectroscopy to Study DNA-Protein Interactions at JoVE.com

CD Spectroscopy to Study DNA-Protein Interactions

האינטראקציה של שיפוץ כרומטין תלוי ATP עם ליגנד DNA מתוארת באמצעות ספקטרוסקופיה CD. ניתן להשתמש בשינויים הקונפורמציה המושרים על מקדם גנים שניתח על ידי הפסגות שנוצרו כדי להבין את מנגנון הרגולציה התמלולית.

ספקטרוסקופיה של תקליטור לחקר אינטראקציות בין DNA לחלבון

Circular dichroism (CD) spectroscopy is a simple and convenient method to investigate the secondary structure and interactions of biomolecules. Recent ...

הפרוטוקול מאפשר לנו לדמיין את השינויים בארגון מחדש השני של DNA המושרה על ידי חלבוני שיפוץ כרומטין תלויי ATP. השינוי במבנה הדנ"א יכול להיות מתואם לרגולציית התמלול. זוהי טכניקה קלה ורגישה מאוד המשתמשת בכמות קטנה מאוד של DNA טהור כדי לתעד את השינויים המבניים באוליגונוקלאוטיד.שיטה זו יכולה לספק תובנה על ויסות שעתוק בתיווך חלבוני שיפוץ כרומטין תלויי ATP. כדי להתחיל, להכין את ריכוזי העבודה של חוצצים ורכיבי תגובה אחרים טרי ולשמור אותם בארבע מעלות צלזיוס לפני הגדרת התגובות, ולאחר מכן למדוד את פעילות ATPase של החלבון בנוכחות מולקולות DNA שונות באמצעות NADH מצמיד בדיקת חמצון. מערבבים ADAAD 0.1 מילימולר, ATP שני מילימולרים, 10 ננומולר DNA, ו 1X REG חוצץ בצלחת 96 טוב לנפח סופי של 250 microliters.לאחר מכן, לדגור על התגובה במשך 30 דקות בחממה של 37 מעלות צלזיוס, ולאחר מכן למדוד את כמות NAD + באמצעות התוכנה המסופקת יחד עם קורא microplate. כדי למדוד את הספיגה ב 340 ננומטר, לחץ על ת.ד. את naDH assay ומניח את צלחת 96-well על מחזיק הצלחת במכשיר, ולאחר מכן לחץ על כפתור לוח הקריאה כדי להקליט את הספיגה. אסוף את ספקטרום התקליטור בקובטות קוורץ בשקיפות גבוהה.השתמש בקובטים מלבניים או גליליים. כדי לנקות את cuvettes, לשטוף אותם עם מים מספר פעמים, ולאחר מכן לקחת סריקה של המים או חוצץ cuvette כדי לבדוק אם זה נקי. לתגובות, השתמש באוליגונוקלאוטידים מטוהרים בדנ"א.לקירור מהיר, מחממים את הדנ"א ב-94 מעלות צלזיוס במשך שלוש דקות על בלוק החימום ומקררים אותו מיד על קרח. לקירור איטי, לאחר חימום ה- DNA ב 94 מעלות צלזיוס במשך שלוש דקות, אפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר בקצב של מעלה אחת צלזיוס לדקה. כדי להקליט את הספקטרום הבסיסי, להגדיר בסך הכל חמש תגובות בקרה אחד אחד בצינורות צנטריפוגות 1.5 מיליליטר.שמור את נפח התגובה על 300 מיקרוליטרים בכל התגובות. כדי להקליט את ספקטרום התקליטור, להגדיר בסך הכל חמש תגובות ניסיוניות אחד אחד בצינורות צנטריפוגות 1.5 מיליליטר. כדי להקליט את הסריקה, הפעל את הגז והפעל את ספקטרומטר התקליטור.לאחר 10 עד 15 דקות, להפעיל את המנורה, להפעיל את אמבט המים ולהגדיר את טמפרטורת המחזיק על 37 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, פתח את תוכנת ספקטרום התקליטורים והגדר את הטמפרטורה ל-37 מעלות צלזיוס, את טווח אורך הגל ב-180 עד 300 ננומטר, את הזמן לנקודה ל-0.5 שניות ואת מספר הסריקה לחמש, ואז לחץ על מציג הנתונים המקצועי, צור קובץ חדש ושנה את שמו לפרטי הניסוי והתאריך. לאחר מכן, מערבבים את התגובות הבסיסיות והניסוי על ידי צנרת ומעבירים בזהירות את תערובות התגובה בזה אחר זה לקובט, ומבטיחים שאין בועות אוויר.אם מבצעים ניסוי בקורס זמן, לדגור את התגובות ב 37 מעלות צלזיוס לזמן הנדרש, ואז לקחת את הסריקה. הוסיפו את EDTA למאגר המכיל את הדנ"א, ה-ATP, המגנזיום והחלבון כדי לעצור הידרוליזה של ATP. כדי לעכב לחלוטין את פעילות ATPase, להגדיל את ריכוז EDTA וזמן הדגירה.הפחת את קווי הבסיס מהתגובות המתאימות בתוכנה והחליק את הנתונים בתוכנת ספקטרום התקליטורים או בתוכנת התוויית הנתונים, ולאחר מכן התווה גרף של אורך גל כנגד אליפטיות שאריות ממוצעת וניתח את הפסגות. קפלי M הראו כי שני גדילי ה- DNA MYC יכולים ליצור מבנה דמוי לולאת גזע. המבנים המקפלים M של רצף ה- DNA הקדמי וההפוך המכיל את G quadruplex GECE מוצגים כאן.ספקטרום התקליטור של GECE מקורר במהירות בהיעדר ונוכחות של ATP ו ADAAD הראה כי ADAAD גורמת שתי פסגות חיוביות, אחד ב 258 ננומטר והשני ב 210 ננומטר. התוספת של EDTA שוללת שינוי קונפורמציה זה. ספקטרום התקליטורים יש עכשיו שיא שלילי 210 ננומטר ופס חיובי רחב עם פסגות ב 230 ו 250 ננומטר.ממפה QGRS וניתוח קיפול M הראו כי אזורי האמרגן של DROSHA, DGCR8 ו- DICER הם בעלי פוטנציאל ליצור G מרובע ומבנים דמויי גזע. ספקטרום התקליטורים של זוג DROSHA חמש הראה כי ADAAD גרים שיא שלילי ב 210 ננומטר ושיא חיובי ב 260 ננומטר. ספקטרום זה הוא מאפיין של ADNA.ספקטרום התקליטורים של זוג DGCR8 אחד הראה שיא חיובי ב 210 ננומטר ושיא שלילי רחב ב 260 ננומטר. ספקטרום זה אופייני למעבר B עד X. עבור זוג DGCR8 שבע, שיאים חיוביים חזקים ב 210 ו 270 ננומטר ושיא שלילי ב 250 ננומטרים נראו.ספקטרום זה אופייני למבני דנ"א מקבילים של G מרובע. לבסוף, עבור זוג DICER אחד, שיא חיובי ב 210 ננומטר ושתי פסגות שליליות, אחד ב 230 ננומטר והשני ב 260 ננומטר נצפו. פסגות אלה אופייניות למעבר A עד X DNA.ודא כי טוהר ה- DNA והחלבון הוא 99% או יותר. cuvette צריך להיות נקי ואת הבסיס צריך להיות פחות מ millidegree אחד. כל הריאגנטים צריכים להיות טהורים כך שהרקע הוא פחות ממילימטר אחד.

cd-spectroscopy-to-study-dna-protein-interactions

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Fluorescence Anisotropy as a Tool to Study Protein-protein Interactions

Protein-protein interactions play an essential role in the function of a living organism. Once an interaction has been identified and validated it is necessary to characterize it at the structural and mechanistic level. Several biochemical and biophysical methods exist for such purpose. Among them, fluorescence anisotropy is a powerful technique particularly used when the fluorescence intensity of a fluorophore-labeled protein remains constant upon protein-protein interaction. In this technique, a fluorophore-labeled protein is excited with vertically polarized light of an appropriate wavelength that selectively excites a subset of the fluorophores according to their relative orientation with the incoming beam. The resulting emission also has a directionality whose relationship in the vertical and horizontal planes defines anisotropy (r) as follows: r=(IVV-IVH)/(IVV+2IVH), where IVV and IVH are the fluorescence intensities of the vertical and horizontal components, respectively. Fluorescence anisotropy is sensitive to the rotational diffusion of a fluorophore, namely the apparent molecular size of a fluorophore attached to a protein, which is altered upon protein-protein interaction. In the present text, the use of fluorescence anisotropy as a tool to study protein-protein interactions was exemplified to address the binding between the protein mutated in the Shwachman-Diamond Syndrome (SBDS) and the Elongation factor like-1 GTPase (EFL1). Conventionally, labeling of a protein with a fluorophore is carried out on the thiol groups (cysteine) or in the amino groups (the N-terminal amine or lysine) of the protein. However, SBDS possesses several cysteines and lysines that did not allow site directed labeling of it. As an alternative technique, the dye 4&#39;,5&#39;-bis(1,3,2 dithioarsolan-2-yl) fluorescein was used to specifically label a tetracysteine motif, Cys-Cys-Pro-Gly-Cys-Cys, genetically engineered in the C-terminus of the recombinant SBDS protein. Fitting of the experimental data provided quantitative and mechanistic information on the binding mode between these proteins.

Protein interactions are at the heart of a cell&#39;s function. Calorimetric and spectroscopic techniques are commonly used to characterize them. Here we describe fluorescence anisotropy as a tool to study the interaction between the protein mutated in the Shwachman-Diamond Syndrome (SBDS) and the Elongation factor-like 1 GTPase (EFL1).

Anisotropy קרינה ככלי לחקר אינטראקציות חלבון-חלבון

Protein-protein interactions play an essential role in the function of a living organism. Once an interaction has been identified and validated it is ...

Biotinylated Cell-penetrating Peptides to Study Intracellular Protein-protein Interactions

Here we present a protocol to study intracellular protein-protein interactions that is based on the widely used biotin-avidin pull-down system. The modification presented includes the combination of this technique with cell-penetrating sequences. We propose to design cell-penetrating baits that can be incubated with living cells instead of cell lysates and therefore the interactions found will reflect those that occur within the intracellular context. Connexin43 (Cx43), a protein that forms gap junction channels and hemichannels is down-regulated in high-grade gliomas. The Cx43 region comprising amino acids 266-283 is responsible for the inhibition of the oncogenic activity of c-Src in glioma cells. Here we use TAT as the cell-penetrating sequence, biotin as the pull-down tag and the region of Cx43 comprised between amino acids 266-283 as the target to find intracellular interactions in the hard-to-transfect human glioma stem cells. One of the limitations of the proposed method is that the molecule used as bait could fail to fold properly and, consequently, the interactions found could not be associated with the effect. However, this method can be especially interesting for the interactions involved in signal transduction pathways because they are usually carried out by intrinsically disordered regions and, therefore, they do not require an ordered folding. In addition, one of the advantages of the proposed method is that the relevance of each residue on the interaction can be easily studied. This is a modular system; therefore, other cell-penetrating sequences, other tags, and other intracellular targets can be employed. Finally, the scope of this protocol is far beyond protein-protein interaction because this system can be applied to other bioactive cargoes such as RNA sequences, nanoparticles, viruses or any molecule that can be transduced with cell-penetrating sequences and fused to pull-down tags to study their intracellular mechanism of action.

This is a protocol to study intracellular protein-protein interactions based on the biotin-avidin pull-down system with the novelty of combining cell-penetrating sequences. The main advantage is that the target sequence is incubated with living cells instead of cell lysates and therefore the interactions will occur within the cellular context.

חודר Biotinylated תא פפטידים ללמוד אינטראקציות חלבון תאיים

Here we present a protocol to study intracellular protein-protein interactions that is based on the widely used biotin-avidin pull-down system. The ...

Using Three-color Single-molecule FRET to Study the Correlation of Protein Interactions

Single-molecule F&#246;rster resonance energy transfer (smFRET) has become a widely used biophysical technique to study the dynamics of biomolecules. For many molecular machines in a cell proteins have to act together&#160;with interaction partners in a functional cycle to fulfill their task. The extension of two-color to multi-color smFRET makes it possible to simultaneously probe more than one interaction or conformational change. This not only adds a new dimension to smFRET experiments but it also offers the unique possibility to directly study the sequence of events and to detect correlated interactions when using an immobilized sample and a total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM). Therefore, multi-color smFRET is a versatile tool for studying biomolecular complexes in a quantitative manner and in a previously unachievable detail.
Here, we demonstrate how to overcome the special challenges of multi-color smFRET experiments on proteins. We present detailed protocols for obtaining the data and for extracting kinetic information. This includes trace selection criteria, state separation, and the recovery of state trajectories from the noisy data using a 3D ensemble Hidden Markov Model (HMM). Compared to other methods, the kinetic information is not recovered from dwell time histograms but directly from the HMM. The maximum likelihood framework allows us to critically evaluate the kinetic model and to provide meaningful uncertainties for the rates.
By applying our method to the heat shock protein 90 (Hsp90), we are able to disentangle the nucleotide binding and the global conformational changes of the protein. This allows us to directly observe the cooperativity between the two nucleotide binding pockets of the Hsp90 dimer.

Here, we present a protocol to obtain three-color smFRET data and its analysis with a 3D ensemble Hidden Markov Model. With this approach, scientists can extract kinetic information from complex protein systems, including cooperativity or correlated interactions.

באמצעות תלת-צבעי קשת/קשתית מולקולה בודדת ללמוד הקורלציה של אינטראקציות חלבון

Single-molecule F&#246;rster resonance energy transfer (smFRET) has become a widely used biophysical technique to study the dynamics of biomolecules. For ...

Measuring Interactions of Globular and Filamentous Proteins by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) and Microscale Thermophoresis (MST)

Filamentous proteins such as vimentin provide organization within cells by providing a structural scaffold with sites that bind proteins containing plakin repeats. Here, a protocol for detecting and measuring such interactions is described using the globular plakin repeat domain of envoplakin and the helical coil of vimentin. This provides a basis for determining whether a protein binds vimentin (or similar filamentous proteins) and for measurement of the affinity of the interaction. The globular protein of interest is labeled with 15N and titrated with vimentin protein in solution. A two-dimensional NMR spectrum is acquired to detect interactions by observing changes in peak shape or chemical shifts, and to elucidate effects of solution conditions including salt levels, which influence vimentin quaternary structure. If the protein of interest binds the filamentous ligand, the binding interaction is quantified by MST using the purified proteins. The approach is a straightforward way for determining whether a protein of interest binds a filament, and for assessing how alterations, such as mutations or solution conditions, affect the interaction.

Measuring Interactions of Globular and Filamentous Proteins by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy NMR and Microscale Thermophoresis MST

Here, we present a protocol for the production and purification of proteins that are labeled with stable isotopes, and subsequent characterization of protein-protein interactions using Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy and MicroScale Thermophoresis (MST) experiments.

מדידת אינטראקציות של חלבונים הכדוריים, Filamentous על ידי תהודה מגנטית גרעינית ספקטרוסקופיה (NMR) Microscale Thermophoresis (MST)

Filamentous proteins such as vimentin provide organization within cells by providing a structural scaffold with sites that bind proteins containing plakin ...

A Fluorescence Fluctuation Spectroscopy Assay of Protein-Protein Interactions at Cell-Cell Contacts

A variety of biological processes involves cell-cell interactions, typically mediated by proteins that interact at the interface between neighboring cells. Of interest, only few assays are capable of specifically probing such interactions directly in living cells. Here, we present an assay to measure the binding of proteins expressed at the surfaces of neighboring cells, at cell-cell contacts. This assay consists of two steps: mixing of cells expressing the proteins of interest fused to different fluorescent proteins, followed by fluorescence fluctuation spectroscopy measurements at cell-cell contacts using a confocal laser scanning microscope. We demonstrate the feasibility of this assay in a biologically relevant context by measuring the interactions of the amyloid precursor-like protein 1 (APLP1) across cell-cell junctions. We provide detailed protocols on the data acquisition using fluorescence-based techniques (scanning fluorescence cross-correlation spectroscopy, cross-correlation number and brightness analysis) and the required instrument calibrations. Further, we discuss critical steps in the data analysis and how to identify and correct external, spurious signal variations, such as those due to photobleaching or cell movement.
In general, the presented assay is applicable to any homo- or heterotypic protein-protein interaction at cell-cell contacts, between cells of the same or different types and can be implemented on a commercial confocal laser scanning microscope. An important requirement is the stability of the system, which needs to be sufficient to probe diffusive dynamics of the proteins of interest over several minutes.

This protocol describes a fluorescence fluctuation spectroscopy-based approach to investigate interactions among proteins mediating cell-cell interactions, i.e. proteins localized in cell junctions, directly in living cells. We provide detailed guidelines on instrument calibration, data acquisition and analysis, including corrections to possible artefact sources.

Assay ספקטרוסקופיה התנודות זריחה של אינטראקציות חלבון-חלבון באנשי קשר תא-תא

A variety of biological processes involves cell-cell interactions, typically mediated by proteins that interact at the interface between neighboring ...

Atomic Absorbance Spectroscopy to Measure Intracellular Zinc Pools in Mammalian Cells

Transition metals are essential micronutrients for organisms but can be toxic to cells at high concentrations by competing with physiological metals in proteins and generating redox stress. Pathological conditions that lead to metal depletion or accumulation are causal agents of different human diseases. Some examples include anemia, acrodermatitis enteropathica, and Wilson&#8217;s and Menkes&#8217; diseases. It is therefore important to be able to measure the levels and transport of transition metals in biological samples with high sensitivity and accuracy in order to facilitate research exploring how these elements contribute to normal physiological functions and toxicity. Zinc (Zn), for example, is a cofactor in many mammalian proteins, participates in signaling events, and is a secondary messenger in cells. In excess, Zn is toxic and can inhibit absorption of other metals, while in deficit, it can lead to a variety of potentially lethal conditions.

Graphite furnace atomic absorption spectroscopy (GF-AAS) provides a highly sensitive and effective method for determining Zn and other transition metal concentrations in diverse biological samples. Electrothermal atomization via GF-AAS quantifies metals by atomizing small volumes of samples for subsequent selective absorption analysis using wavelength of excitation of the element of interest. Within the limits of linearity of the Beer-Lambert Law, the absorbance of light by the metal is directly proportional to concentration of the analyte. Compared to other methods of determining Zn content, GF-AAS detects both free and complexed Zn in proteins and possibly in small intracellular molecules with high sensitivity in small sample volumes. Moreover, GF-AAS is also more readily accessible than inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) or synchrotron-based X-ray fluorescence. In this method, the systematic sample preparation of different cultured cell lines for analyses in a GF-AAS is described. Variations in this trace element were compared in both whole cell lysates and subcellular fractions of proliferating and differentiated cells as proof of principle.

Cultured primary or established cell lines are commonly used to address fundamental biological and mechanistic questions as an initial approach before using animal models. This protocol describes how to prepare whole cell extracts and subcellular fractions for studies of zinc (Zn) and other trace elements with atomic absorbance spectroscopy.

ספקטרוסקופיה לספיגה אטומית כדי למדוד בריכות אבץ תאיים בתאי מיונקים

Transition metals are essential micronutrients for organisms but can be toxic to cells at high concentrations by competing with physiological metals in ...

An Integrated Raman Spectroscopy and Mass Spectrometry Platform to Study Single-Cell Drug Uptake, Metabolism, and Effects

Cells are known to be inherently heterogeneous in their responses to drugs. Therefore, it is essential that single-cell heterogeneity is accounted for in drug discovery studies. This can be achieved by accurately measuring the plethora of cellular interactions between a cell and drug at the single-cell level (i.e., drug uptake, metabolism, and effect). This paper describes a single-cell Raman spectroscopy and mass spectrometry (MS) platform to monitor metabolic changes of cells in response to drugs. Using this platform, metabolic changes in response to the drug can be measured by Raman spectroscopy, while the drug and its metabolite can be quantified using mass spectrometry in the same cell. The results suggest that it is possible to access information about drug uptake, metabolism, and response at a single-cell level.

This protocol presents an integrated Raman spectroscopy-mass spectrometry (MS) platform that is capable of achieving single-cell resolution. Raman spectroscopy can be used to study cellular response to drugs, while MS can be used for targeted and quantitative analysis of drug uptake and metabolism.

ספקטרוסקופיית ראמאן משולבת ופלטפורמת ספקטרומטר המסה ללימוד תא יחיד קליטת סמים, מטבוליזם, ואפקטים

Cells are known to be inherently heterogeneous in their responses to drugs. Therefore, it is essential that single-cell heterogeneity is accounted for in ...

In Vivo Hydroxyl Radical Protein Footprinting for the Study of Protein Interactions in Caenorhabditis elegans

Fast oxidation of proteins (FPOP) is a hydroxyl radical protein footprinting (HRPF) method used to study protein structure, protein-ligand interactions, and protein-protein interactions. FPOP utilizes a KrF excimer laser at 248 nm for photolysis of hydrogen peroxide to generate hydroxyl radicals which in turn oxidatively modify solvent-accessible amino acid side chains. Recently, we expanded the use of FPOP of in vivo oxidative labeling in Caenorhabditis elegans (C. elegans), entitled IV-FPOP. The transparent nematodes have been used as model systems for many human diseases. Structural studies in C. elegans by IV-FPOP is feasible because of the animal&#8217;s ability to uptake hydrogen peroxide, their transparency to laser irradiation at 248 nm, and the irreversible nature of the modification. The assembly of a microfluidic flow system for IV-FPOP labeling, IV-FPOP parameters, protein extraction, and LC-MS/MS optimized parameters are described herein.

In Vivo Hydroxyl Radical Protein Footprinting for the Study of Protein Interactions in Caenorhabditis elegans

In vivo fast photochemical oxidation of proteins (IV-FPOP) is a hydroxyl radical protein footprinting technique that allows for mapping of protein structure in their native environment. This protocol describes the assembly and set-up of the IV-FPOP microfluidic flow system.

ב Vivo הידרוקסיל חלבון רדיקלי מדפיס הדפסה לחקר אינטראקציות חלבונים באלבוראבאבדיטיס האלאים

Fast oxidation of proteins (FPOP) is a hydroxyl radical protein footprinting (HRPF) method used to study protein structure, protein-ligand interactions, ...

Optical Tweezers to Study RNA-Protein Interactions in Translation Regulation

RNA adopts diverse structural folds, which are essential for its functions and thereby can impact diverse processes in the cell. In addition, the structure and function of an RNA can be modulated by various trans-acting factors, such as proteins, metabolites or other RNAs. Frameshifting RNA molecules, for instance, are regulatory RNAs located in coding regions, which direct translating ribosomes into an alternative open reading frame, and thereby act as gene switches. They may also adopt different folds after binding to proteins or other trans-factors. To dissect the role of RNA-binding proteins in translation and how they modulate RNA structure and stability, it is crucial to study the interplay and mechanical features of these RNA-protein complexes simultaneously.&#160;This work illustrates how to employ single-molecule-fluorescence-coupled optical tweezers to explore the conformational and thermodynamic landscape of RNA-protein complexes at a high resolution. As an example, the interaction of the SARS-CoV-2 programmed ribosomal frameshifting element with the trans-acting factor short isoform of zinc-finger antiviral protein is elaborated. In addition, fluorescence-labeled ribosomes were monitored using the confocal unit, which would ultimately enable the study of translation elongation. The fluorescence coupled OT assay can be widely applied to explore diverse RNA-protein complexes or trans-acting factors regulating translation and could facilitate studies of RNA-based gene regulation.

This protocol presents a complete experimental workflow for studying RNA-protein interactions using optical tweezers. Several possible experimental setups are outlined including the combination of optical tweezers with confocal microscopy.

פינצטה אופטית לחקר אינטראקציות בין RNA לחלבון בוויסות התרגום

RNA adopts diverse structural folds, which are essential for its functions and thereby can impact diverse processes in the cell. In addition, the ...

Dual-Color Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy to Study Protein-Protein Interaction and Protein Dynamics in Live Cells

We present a protocol and workflow to perform live cell dual-color fluorescence cross-correlation spectroscopy (FCCS) combined with F&#246;rster Resonance Energy transfer (FRET) to study membrane receptor dynamics in live cells using modern fluorescence labeling techniques. In dual-color FCCS, where the fluctuations in fluorescence intensity represent the dynamic &#34;fingerprint&#34; of the respective fluorescent biomolecule, we can probe co-diffusion or binding of the receptors. FRET, with its high sensitivity to molecular distances, serves as a well-known &#34;nanoruler&#34; to monitor intramolecular changes. Taken together, conformational changes and key parameters such as local receptor concentrations and mobility constants become accessible in cellular settings.
Quantitative fluorescence approaches are challenging in cells due to high noise levels and the vulnerability of the sample. Here we show how to perform this experiment, including the calibration steps using dual-color labeled &#946;2-adrenergic receptor (&#946;2AR) labeled with eGFP and SNAP-tag-TAMRA. A step-by-step data analysis procedure is provided using open-source software and templates that are easy to customize.
Our guideline enables researchers to unravel molecular interactions of biomolecules in live cells in situ with high reliability despite the limited signal-to-noise levels in live cell experiments. The operational window of FRET and particularly FCCS at low concentrations allows quantitative analysis at near-physiological conditions.

We present an experimental protocol and data analysis workflow to perform live cell dual-color fluorescence cross correlation spectroscopy (FCCS) combined with F&#246;rster Resonance Energy transfer (FRET) to study membrane receptor dynamics in live cells using modern fluorescence labeling techniques.

ספקטרוסקופיית פלואורסצנטיות כפולה לחקר אינטראקציה בין חלבון לחלבון ודינמיקת חלבונים בתאים חיים

We present a protocol and workflow to perform live cell dual-color fluorescence cross-correlation spectroscopy (FCCS) combined with F&#246;rster Resonance ...