我们在此描述一种利用位点特异性、可逆的系统 体内 蛋白阻断导致复制叉停滞和崩溃 大肠杆菌通过荧光显微镜评估复制阻断的建立,并采用中性-中性二维琼脂糖凝胶电泳来可视化复制中间产物。
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我们在此描述一种利用位点特异性、可逆的系统 体内 蛋白阻断导致复制叉停滞和崩溃 大肠杆菌通过荧光显微镜评估复制阻断的建立,并采用中性-中性二维琼脂糖凝胶电泳来可视化复制中间产物。
DNA 上存在的障碍物,包括紧密结合的蛋白质和各种损伤,会严重抑制细胞复制机器的前进。复制体的停滞可能导致其部分或完全从染色体上解离,从而引起复制叉的崩溃。细胞必须从这种崩溃中恢复,才能准确完成染色体复制并进行后续分裂。因此,当复制叉崩溃发生时,细胞已进化出多种机制来修复 DNA 复制叉,以高保真度完成复制过程。以往对细菌中这些复制修复通路的研究通常使用紫外线(UV)损伤模型,但该方法的缺点是损伤位置无法精确定位。本文描述了一种利用荧光阻遏蛋白-操纵序列系统(FROS)构建位点特异性蛋白阻断的方法,可在 Escherichia coli 中诱导复制叉的停滞与崩溃。文中详细说明了如何通过荧光显微镜在单个活细胞中可视化复制状态,以及如何通过二维琼脂糖凝胶电泳分析 DNA 复制中间产物。此外,该系统可引入复制体组分的温度敏感型突变体(例如 DnaBts),以诱导复制叉同步崩溃。同时,还可利用该系统中的基因敲除菌株研究参与这些过程的重组蛋白和解旋酶的功能。
在DNA复制过程中,复制体在DNA上会遇到阻碍其前进的障碍。DNA损伤(包括损伤位点和缺口)以及异常结构均可能阻止复制体继续推进1。最近研究发现,结合在DNA上的蛋白质是阻碍复制叉前进的最常见因素2。过去,由于无法在活细胞染色体的已知位置诱导形成此类阻断,人们对复制体与核蛋白阻断物相遇后所发生事件的认识一直受限。体外分析加深了我们对活性复制体在遇到核蛋白阻断时动力学行为的理解3,同时也揭示了复制体自身的机制细节4,5。目前对复制修复过程的研究通常以紫外线作为损伤因子,并利用质粒DNA在体内进行研究6-8。尽管这些研究已基本明确了在DNA遭遇体内核蛋白阻断后可能参与修复的蛋白质,但由于复制阻断的原因不同,修复通路中的分子事件是否存在差异,仍有待进一步确定。
在此,我们描述了一种利用荧光阻遏蛋白-操纵序列系统(FROS)在染色体特定位置建立核蛋白阻断的系统。我们使用了一种菌株 E. coli 含有240个阵列的 tetO 整合到染色体中的位点9。每个 tetO 阵列中的每个位点侧翼均含有10个碱基对的随机序列,以防止RecA介导的阵列内重组,从而提高阵列的稳定性。该阵列及其多种变体最初被用于研究 E. coli 染色体动力学10,11 但随后进行了调整以防止 体内 复制12该阵列被发现能够在 TetR 结合时稳定维持,并阻断接近 100% 的复制叉10,12. 使用类似的 lacO 阵列 体外 已发现仅需22个位点便足以阻断90%的复制,尽管这种较短的阵列效果较差 在体内13为了使阵列形成核蛋白阻断,需在优化条件下大量过表达阻遏蛋白,使其结合到阵列上形成阻碍。若使用带荧光标记的四环素阻遏蛋白(Tet repressor)变体,可通过荧光显微镜监测阻断的形成及其后续解除过程。每个细胞中复制状态可通过观察到的荧光焦点数量来判断:单个焦点表示细胞内仅存在一份阵列拷贝,而多个焦点则表明正在进行活跃复制。当加入非必需诱导剂(gratuitous inducer)后,TetR 对操纵位点的结合亲和力显著降低,核蛋白阻断被解除,复制复合体得以通过阵列,从而启动活跃复制。此时阻遏蛋白仍能以足够高的亲和力结合DNA,使得已复制产生的多个阵列拷贝仍可被可视化。
通过中性-中性二维琼脂糖凝胶电泳结合Southern杂交技术,可以揭示核蛋白阻断事件中更为复杂的细节14-16。这些技术可用于分析整个群体中DNA结构的变化,从而可视化在该过程中形成的复制中间体,以及可能未被修复而持续存在的中间产物。通过更换所使用的限制性内切酶和探针,不仅可以在重复序列区域观察到这些中间体,还可以在复制叉发生回退时检测到其在重复序列上游的存在17,18。复制叉回退发生在复制体解离之后:此时前导链和后随新生链从模板链上分离,并相互退火,同时模板链自身重新结合,从而形成一种四向DNA结构(即Holliday连接体)。
利用该系统已证明,当复制叉遇到此阻断时并不稳定18。此外,可使用复制体组分的温度敏感型突变体,以防止复制叉崩解后重新加载。一旦建立阻断,可将菌株转移至非允许温度,以确保复制体同步失活并可控地阻止其重新加载。这种温度诱导的失活可确保群体中所有复制叉在特定时间点同时崩解,从而便于评估复制体崩解后发生的事件、DNA 的加工方式,以及重启 DNA 复制过程所需的条件。
本系统的一个优势在于,核蛋白阻断是完全可逆的;因此,可以追踪细胞从核蛋白阻断中恢复的能力。向细胞中添加无水四环素可解除阻遏蛋白的紧密结合,使复制叉得以通过,细胞恢复活力。阻断的解除可在5分钟后通过中性-中性二维琼脂糖凝胶电泳观察到,或在10分钟内通过显微镜观察到。此外,通过活力分析可揭示菌株从复制阻断中恢复并继续增殖的能力。
通过改变本实验所用菌株的遗传背景,可以阐明此类阻断的修复通路。
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1. 使用 FROS 阻断复制

图1: FROS复制阻断与释放实验流程概览。携带tetO阵列的E. coli菌株在30 °C下培养。当细胞OD600nm达到0.05以上时,用阿拉伯糖(ara;0.1%)诱导TetR-YFP的表达。同时继续培养一部分未诱导的细胞作为在30 °C下的对照。诱导后1–2小时,通过荧光显微镜分析一部分诱导细胞(见步骤2.1)。若确认复制已被阻断,则取样进行2-D凝胶分析(如试管所示,见步骤3.1)以及活力检测(可选)。通过加入无水四环素(AT;0.1 µg/ml)可解除复制阻断,并在10分钟后对细胞进行分析。若菌株携带温度敏感等位基因(例如 dnaBts),可通过将阻断的细胞转移至42 °C使其失活,以进行相应的分析。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 荧光显微镜
3. DNA 提取/琼脂糖小块
4. 中性-中性二维凝胶电泳
5. Southern 杂交
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FROS 是一种可诱导的、位点特异性的核蛋白阻断系统,能够在活细胞中可视化复制中间产物12,18。用于取样细胞的一般实验设计如图1所示。取样时间点以及遗传背景的差异使该系统成为研究此类阻断修复机制的多功能工具。示意图展示了此前已使用的温度敏感型突变体(如dnaBts 和 dnaCts)18如何在该系统中被应用。
FROS 的诱导在 E. coli 菌株中进行,如图1所示,适用于非温度敏感型菌株。为确认已形成核蛋白阻断,细胞在含0.1% 阿拉伯糖的培养基中生长1小时后,通过荧光显微镜观察。该时间通常足以在野生型菌株中形成阻断,但对某些更难处理的菌株可能需要优化条件。大多数细胞含有1个焦点(图2A,+ ara),对应于细胞内仅存在一个阵列拷贝,表明复制已被阻断...
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在染色体复制过程中,复制机器会遇到各种阻碍其前进的障碍。为了确保单一起点的染色体能够完全复制,细菌拥有多种DNA修复途径,从而使得复制体能够重新加载20,21。对于DNA损伤、单链断裂、双链断裂以及紧密结合在DNA上的蛋白质等不同问题,通常存在特定的修复通路加以应对,尽管这些通路之间可能存在显著的重叠。在活细胞中,复制体最常见的障碍是核蛋白阻断2。然而,长期以来研究复制体与核蛋白阻断发生碰撞所面临的两个难题在于:如何将该事件定位到染色体上的已知位置,以及如何使该事件的发生频率足够高,以便进行详细分析。目前关于大肠杆菌(E. coli)如何应对停滞或崩塌复制叉的大部分知识,主要来源于使用紫外线(UV)作为DNA损伤剂的研究。
本文所述的 FROS 协议是一种创建位点特异性核蛋白障碍的新方法,类似于复制体在复制过程中遇到紧密结合于染色体上的蛋白质时所遭遇的情况。通过诱导阻断并可控地释放该阻断,可将 DNA 加工过程的各个阶段以离散步骤进行研究。用于阻断复制的 tetO 位点阵列此前已被用于染色体结构的可视化...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作由澳大利亚研究理事会 [DP11010246] 资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胰蛋白胨 | Sigma-Aldrich | 16922 | 生长培养基组分 |
| 氯化钠 | VWR | 27810.364 | 生长培养基组分 |
| 酵母提取物 | Sigma-Aldrich | 92144 | 生长培养基组分 |
| 磷酸二氢钾 | Sigma-Aldrich | P9791 | 生长培养基组分;钾缓冲液组分 |
| 磷酸氢二钾 | Sigma-Aldrich | P3786 | 生长培养基组分;钾缓冲液组分 |
| L-阿拉伯糖 | Sigma-Aldrich | A3256 | 用于诱导 TetR-YFP 表达 |
| 盐酸脱水四环素 | Sigma-Aldrich | 37919 | 解除复制阻断 |
| Axioskop 2 荧光显微镜 | Zeiss | 452310 | 细胞观察 |
| eYFP 滤光片组 | Chroma Technology | 41028 | YFP 观察 |
| CCD 相机 | Hamamatsu | Orca-AG | 细胞观察 |
| MetaMorph 软件(Molecular Devices) | SDR Scientific | 31282 | 本文稿件制备中使用版本为 7.8.0.0 |
| 琼脂糖 | Bioline | BIO-41025 | 用于制备琼脂糖胶块和凝胶电泳 |
| Original Glass Water Repellent(Rain-X) | Autobarn | DIO1470 | 用于琼脂糖胶块制备 |
| TRIS | VWR | VWRC103157P | TE、TBE 缓冲液组分 |
| 乙二胺四乙酸 | Ajax Finechem | AJA180 | 用 NaOH 调节至 pH 8.0 的 0.5 M EDTA 二钠盐溶液 |
| 叠氮化钠 | Sigma-Aldrich | S2002 | 抑菌剂 |
| 盐酸 | Sigma-Aldrich | 258148 | TE 缓冲液组分 |
| 脱氧胆酸钠 | Sigma-Aldrich | D6750 | 细胞裂解缓冲液组分 |
| N-月桂酰肌氨酸钠盐(Sarkosyl) | Sigma-Aldrich | L5125 | 细胞裂解和 ESP 缓冲液组分 |
| RNase A | Sigma-Aldrich | R6513 | 细胞裂解缓冲液组分 |
| 溶菌酶 | Amresco | 6300 | 细胞裂解缓冲液组分 |
| 蛋白酶 K | Amresco | AM0706 | ESP 缓冲液组分 |
| Sub-Cell Model 192 电泳槽 | BioRad | 1704507 | 电泳系统 |
| UV transilluminator 2000 | BioRad | 1708110 | DNA 观察 |
| 溴化乙锭 | BioRad | 1610433 | DNA 观察 |
| 硼酸 | VWR | PROL20185.360 | TBE 组分 |
| Hybond-XL 尼龙膜 | Amersham | RPN203S | 也可使用 Zeta-Probe 膜(BioRad 1620159) |
| 3MM Whatman 层析纸 | GE Healthcare Life Sciences | 3030690 | Southern 印迹 |
| HL-2000 Hybrilinker | UVP | 95-0031-01/02 | DNA 交联与杂交 |
| 鲑鱼精 DNA | Sigma-Aldrich | 31149 | 杂交缓冲液组分 |
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | S5881 | 变性缓冲液组分 |
| 柠檬酸三钠二水合物 | VWR | PROL27833.363 | 转移缓冲液 |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | Amresco | 227 | 洗涤缓冲液组分 |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A7906 | 杂交缓冲液组分 |
| 随机六聚体引物 | Bioline | BIO-38028 | |
| Klenow 片段 | New England BioLabs | M0212L | |
| dNTP 混合物 | Bioline | BIO-39025 | |
| 腺苷-5’-三磷酸-32P-ATP | PerkinElmer | BLU502A | |
| 存储磷屏 | GE Healthcare Life Sciences | GEHE28-9564-76 | BAS-IP MS 3543 E 多功能标准屏,35 cm × 43 cm |
| Typhoon FLA 7000 | GE Healthcare Life Sciences | 28-9558-09 | 印迹成像 |
| 杂交瓶 | UVP | 07-0194-02 | 35 mm × 300 mm |
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