本文介绍使用生物素标记的体外生化检测方法,该方法可广泛应用于 适用于研究蛋白质-核酸相互作用。
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本文介绍使用生物素标记的体外生化检测方法,该方法可广泛应用于 适用于研究蛋白质-核酸相互作用。
蛋白质与核酸的相互作用在转录、重组以及RNA代谢等生物学过程中发挥着重要作用。研究蛋白质-核酸相互作用的实验方法通常需要使用荧光标记、放射性同位素或其他标签来检测和分析特定的目标分子。生物素作为一种非放射性核酸标记物,常用于电泳迁移率变动分析(EMSA),但尚未被常规用于监测核酸过程中蛋白质的活性。本实验方案展示了在体外酶促反应中使用生物素标记的应用价值,并证明该标记适用于多种不同的生物化学分析方法。具体而言,与先前使用放射性同位素32P标记底物所得结果一致,通过生物素标记的EMSA证实:MEIOB(一种特异性参与减数分裂重组的蛋白质)是一种DNA结合蛋白,MOV10(一种RNA解旋酶)能够解析生物素标记的RNA双链结构,且MEIOB可切割生物素标记的单链DNA。本研究证明,生物素可在体外多种与核酸相关的生物化学分析中有效替代32P。
蛋白质与核酸的相互作用参与了许多重要的细胞过程,例如DNA修复、复制、转录、RNA加工以及翻译。在染色质中,蛋白质与特定DNA序列的相互作用对于在转录水平上严格调控基因表达至关重要1。大量编码和非编码RNA的精确转录后调控需要蛋白质与RNA之间广泛而复杂的相互作用2。这些基因表达调控机制的层次构成了由多个动态分子间事件级联组成的网络,这些事件由转录/表观遗传因子或RNA结合蛋白与其核酸靶标之间的相互作用,以及蛋白质-蛋白质相互作用共同协调完成。为了阐明体内蛋白质是否直接或间接地与核酸相关联,以及这些关联如何发生并最终实现功能,通常通过体外生化实验来检测目标蛋白质在设计好的DNA和/或RNA底物上的结合亲和力或酶活性。
已开发出多种技术用于检测和表征核酸-蛋白质复合物,包括电泳迁移率偏移实验(EMSA),也称为凝胶阻滞实验或条带迁移实验3,4,5EMSA 是一种多功能且灵敏的生化方法,广泛用于研究蛋白质与核酸之间的直接结合。EMSA 依赖于电泳迁移率的变化,通常通过化学发光法检测生物素标记,以常规观察条带的迁移情况。6,7荧光染料标记的荧光信号8,9,或通过放射性自显影技术检测放射性 32P 标签10,11生化研究的其他目的还包括鉴定和表征蛋白质在核酸加工过程中的活性,例如 基于核酸酶的反应评估核酸底物的切割产物12,13,14 以及DNA/RNA结构解旋实验以评估解旋酶活性15,16,17.
在这些酶活性测定中,由于灵敏度高,通常使用放射性同位素标记或荧光染料标记的核酸作为底物。分析涉及32P标记示踪剂的酶促反应的放射自显影结果已被证明具有高灵敏度和良好的可重复性18。然而,目前全球越来越多的实验室因放射性物质潜在暴露带来的健康风险而限制甚至禁止使用放射性同位素。除生物安全方面的顾虑外,其他缺点还包括操作放射性物质所需的专用设备、必须取得放射性许可证、32P的半衰期较短(约14天),以及探针因辐射分解而逐渐降低质量。因此,已发展出多种非同位素替代方法(例如,用荧光染料标记探针可通过荧光成像进行检测)19。然而,使用荧光标记探针时需要配备高分辨率成像系统。生物素是一种常用的标记物,可高效结合蛋白质和核酸等生物大分子。生物素-链霉亲和素系统作用高效,可在不增加非特异性背景信号的前提下提高检测灵敏度20,21。除凝胶迁移实验(EMSA)外,生物素还广泛应用于蛋白质纯化、RNA下拉实验等多种实验技术中22,23,24。
本方案成功地将生物素标记的核酸用作体外生化实验的底物,包括凝胶迁移实验(EMSA),以及此前较少使用生物素标记的酶促反应。构建了MEIOB的OB结构域,并表达了两种突变体(截短突变和点突变)作为GST融合蛋白25,26,27,同时表达了小鼠MOV10重组FLAG融合蛋白16。本报告强调了该联合方案在蛋白质纯化及生物素标记检测方面,适用于多种实验目的的有效性。
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1. 蛋白质制备
2. 核酸制备
3. 体外生化实验
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MEIOB 的蛋白质结构以及本研究中使用的表达载体如图1A所示。MEIOB 中的 OB 折叠为紧凑的桶状结构,能够识别并结合单链核酸。其中一个 OB 结构域(氨基酸136-307,载体A)可结合单链DNA(ssDNA),而截短蛋白(氨基酸136-178截短,载体C)以及点突变形式(R235A突变,载体E)的MEIOB则不具有DNA结合活性26。GST-MEIOB融合蛋白在BL21细菌中过表达,经过后续纯化步骤后,通过考马斯亮蓝染色和Western印迹分析获得了纯化的蛋白(图1B)。不同浓度的核酸底物显示了生物素信号的高度灵敏性,在1-3秒的较短曝光时间内即可检测到1 nM的寡核苷酸信号(图2A)。野生型MEIOB-A蛋白能够强烈结合36 nt生物素标记的ssDNA底物(长度和序列与先前研究中使用的相同
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研究蛋白质与核酸的相互作用对于理解多种生物过程背后的分子机制至关重要。例如,MEIOB 是一种睾丸特异性蛋白,在哺乳动物的减数分裂和生育力中发挥关键作用25,26,27MEIOB 含有一个可结合单链 DNA 的 OB 结构域,并表现出 3' 到 5' 外切核酸酶活性26,这与其在减数分裂重组过程中的生理相关性直接相关。另一个例子是MOV10,它是一种具有广泛功能的RNA解旋酶,可能与RNA二级结构结合16因此,MOV10 具有广泛的 RNA 结合特性以及 5' 至 3' 方向的 RNA 双链解旋活性16. 报道上述蛋白质生化活性的研究依赖于使用 32使用P同位素标记核酸用于体外检测。在本研究中,我们建立了一系列生物素标记的 体外 MEIOB 和 MOV10 功能的实验。这...
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未声明任何利益冲突。
我们感谢宾夕法尼亚大学的 P. Jeremy Wang 提供的有益修改和讨论。同时感谢 Sigrid Eckardt 进行语言编辑。K. Z. 获得中国国家重点研发计划&中国国家重点研发计划(2016YFA0500902,2018YFC1003500)和国家自然科学基金(31771653)。L. Y. 受国家自然科学基金(81471502,31871503)和江苏省创新创业计划资助。 J. N. 得到浙江省医药卫生科技计划项目(2019KY499)的支持。 M. L. 得到国家自然科学基金(31771588)和千人计划青年项目资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 仪器 | |||
| 离心机 | Eppendorf, Germany | 5242R | |
| 化学发光成像系统 | Tanon, China | 5200 | |
| 数字式超声破碎仪 | Branson, USA | BBV12081048A | 450 瓦特;50/60 赫兹 |
| 半干式电泳转膜仪 | Hoefer, USA | TE77XP | |
| 管式旋转混合器 | Crystal, USA | 3406051 | |
| 紫外光交联仪 | UVP, USA | CL-1000 | |
| 材料 | |||
| Amicon Ultra-4 离心过滤器 | Milipore, USA | UFC801096 | 4 毫升/10 千道尔顿 |
| 尼龙膜 | Thermo Scientific, USA | TG263940A | |
| TC处理培养皿 | Corning, USA | 430167 | 100 毫米 |
| TC处理培养皿 | Corning, USA | 430597 | 150 毫米 |
| 微量离心管 | AXYGEN, USA | MCT-150-C | 1.5 毫升 |
| 离心管 | Corning, USA | 430791 | 15 毫升 |
| 试剂 | |||
| 氨苄青霉素 | SunShine Bio, China | 8h288h28 | |
| 抗FLAG M2磁珠 | Sigma, USA | M8823 | |
| ATP | Thermo Scientific, USA | 591136 | |
| BCIP/NBT碱性磷酸酶显色试剂盒 | Beyotime, China | C3206 | |
| CelLyticTM M 细胞裂解试剂 | Sigma, USA | 107M4071V | |
| ClonExpress II 一步法克隆试剂盒 | Vazyme, China | C112 | |
| 化学发光核酸检测试剂盒 | Thermo Scientific, USA | T1269950 | |
| dNTP | Sigma-Aldrich, USA | DNTP100-1KT | |
| DMEM | Gibco, USA | 10569044 | |
| DPBS缓冲液 | Gibco, USA | 14190-136 | |
| EDTA | Invitrogen, USA | AM9260G | 0.5 M |
| 无EDTA蛋白酶抑制剂混合物 | Roche, USA | 04693132001 | |
| EndoFree Maxi 质粒提取试剂盒 | Vazyme, China | DC202 | |
| FastPure 凝胶DNA小量提取试剂盒 | Vazyme, China | DC301-01 | |
| 胎牛血清 | Gibco, USA | 10437028 | |
| FLAG多肽 | Sigma, USA | F4799 | |
| 甘油 | Sigma, USA | SHBK3676 | |
| GST大量纯化试剂盒 | GE Healthcare, USA | 27-4570-01 | |
| HEPES缓冲液 | Sigma, USA | SLBZ2837 | 1 M |
| IPTG | Thermo Scientific, USA | 34060 | |
| 醋酸钾 | Sangon Biotech, China | 127-08-02 | |
| Lipofectamin 3000 转染试剂 | Thermo Scientific, USA | L3000001 | |
| MgCl2 | Invitrogen, USA | AM9530G | 1 M |
| NaCl | Invitrogen, USA | AM9759 | 5 M |
| NP-40 | Amresco, USA | M158-500ML | |
| Opti-MEM培养基 | Gibco, USA | 31985062 | |
| PBS | Gibco, USA | 10010023 | pH 7.4 |
| RNase抑制剂 | Promega, USA | N251B | |
| 链霉亲和素-碱性磷酸酶 | Promega, USA | V5591 | |
| TBE | Invitrogen, USA | 15581044 | |
| Tris-HCl缓冲液 | Invitrogen, USA | 15567027 | 1 M, pH 7.4 |
| Tris-HCl缓冲液 | Invitrogen, USA | 15568025 | 1 M, pH 8.0 |
| Tween-20 | Sangon Biotech, China | A600560 |
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