本方案描述了一系列方法,包括采用分析型尺寸排阻色谱研究组蛋白伴侣的寡聚化状态与稳定性,通过下拉实验解析组蛋白伴侣与组蛋白之间的相互作用,利用分析超速离心分析蛋白复合物的化学计量比,以及开展组蛋白分子伴侣功能检测以对潜在的组蛋白伴侣进行功能性表征 体外.
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本方案描述了一系列方法,包括采用分析型尺寸排阻色谱研究组蛋白伴侣的寡聚化状态与稳定性,通过下拉实验解析组蛋白伴侣与组蛋白之间的相互作用,利用分析超速离心分析蛋白复合物的化学计量比,以及开展组蛋白分子伴侣功能检测以对潜在的组蛋白伴侣进行功能性表征 体外.
组蛋白与DNA结合形成真核生物染色质。染色质的基本单位是核小体,由一个组蛋白八聚体构成,该八聚体包含两份核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4,其外缠绕着DNA。该八聚体由两份H2A/H2B二聚体和一份H3/H4四聚体组成。带高度正电荷的核心组蛋白容易与细胞质和细胞核中的多种蛋白质发生非特异性相互作用。组蛋白伴侣是一类多样化的蛋白质,可将组蛋白从细胞质转运至细胞核,并协助其沉积到DNA上,从而促进核小体的组装过程。某些组蛋白伴侣特异性识别H2A/H2B或H3/H4,而另一些则可同时作为两者的伴侣。本实验方案描述了如何 体外 实验室技术如pull-down实验、分析型凝胶过滤层析、分析型超速离心以及组蛋白伴侣活性检测可联合使用,以验证某种特定蛋白是否具有组蛋白伴侣功能。
由DNA和组蛋白构成的核小体是染色质的结构单元,调控多种关键的细胞事件。核小体可动态重定位和重塑,从而使DNA对复制、转录和翻译等过程具有可及性1,2。组蛋白具有高度碱性,倾向于与细胞环境中的酸性蛋白相互作用或发生聚集,从而导致多种细胞缺陷3,4,5。一类称为组蛋白伴侣蛋白的专一性蛋白可协助组蛋白从细胞质转运至细胞核,并防止异常的组蛋白-DNA聚集事件6,7。从根本上讲,大多数组蛋白伴侣蛋白可在生理离子强度下储存并将其转移至DNA上,从而促进核小体的形成8,9。某些组蛋白伴侣蛋白对组蛋白寡聚体H2A/H2B或H3/H4具有明确的偏好性10。
组蛋白伴侣根据其在依赖或不依赖DNA合成的情况下组装核小体的能力进行表征11例如,染色质组装因子-1(CAF-1)依赖于DNA合成,而组蛋白调控因子A(HIRA)则不依赖于DNA合成。12,13同样,核质素家族的组蛋白伴侣参与精子染色质去凝集和核小体组装。14核小体组装蛋白(NAP)家族成员促进核小体样结构的形成 体外 参与组蛋白在细胞质与细胞核之间的穿梭15核质素和NAP家族蛋白均为功能性组蛋白伴侣蛋白,但二者不共享任何结构特征。本质上,目前尚无单一的结构特征可用于将某种蛋白归类为组蛋白伴侣蛋白16功能分析、生物物理实验结合结构研究是表征组蛋白伴侣蛋白的最佳方法。
本研究描述了用于鉴定一种作为组蛋白伴侣蛋白并协助核小体组装的蛋白质的生化与生物物理方法。首先,采用分析型尺寸排阻色谱法分析组蛋白伴侣蛋白的寡聚状态及其稳定性。接着,通过下拉实验(pull-down assay)确定组蛋白伴侣与组蛋白相互作用的驱动力及其竞争性特征。然而,由于蛋白质的形状及其形成的复合物会影响其在色谱柱中的迁移行为,因此无法通过分析型尺寸排阻色谱法准确计算这些相互作用的流体动力学参数。为此,采用了分析型超速离心技术,该方法可提供溶液中大分子的精确参数,包括分子量、相互作用的化学计量比以及生物分子的形状。以往的研究已广泛使用体外(in vitro)组蛋白伴侣功能实验来对组蛋白伴侣蛋白进行功能表征,例如 yScS11617、DmACF18、ScRTT106p19 和 HsNPM120。组蛋白伴侣功能实验也被用于将其他蛋白质功能上鉴定为组蛋白伴侣。
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1. 采用分析型尺寸排阻色谱法阐明组蛋白伴侣蛋白的寡聚状态及其稳定性
2. 基于盐浓度梯度的下拉实验,用于解析组蛋白寡聚体与组蛋白伴侣蛋白复合物形成过程中所涉及的相互作用类型
3. 竞争性下拉实验以鉴定组蛋白伴侣对 H2A/H2B 或 H3/H4 的偏好性
4. 分析型超速离心-沉降速度(AUC-SV)实验用于分析组蛋白伴侣蛋白与组蛋白之间的结合化学计量比
5. 质粒超螺旋实验以验证组蛋白伴侣功能
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蛋白FKBP53的重组N端核质素结构域 拟南芥 经分析型SEC检测。将洗脱峰体积与标准曲线比对,以确定其寡聚状态。分析型SEC结果显示,该结构域在溶液中以五聚体形式存在,分子质量约为58 kDa(图1A,B)。此外,结合分析型SEC对核质素结构域进行了热稳定性和化学稳定性分析。经加热处理至多 90 °C 与在相同条件下保存的样品相比,洗脱体积和峰高均未表现出明显变化 20 °C,表明该结构域具有高度热稳定性(图1C)。同样,核质蛋白结构域在 NaCl 浓度高达 2 M 时仍表现出盐稳定性(图1D)以及高达4 M的尿素稳定性(图1E然而,核质素五聚体在较高浓度的尿素中开始解离。
采用梯度盐洗脱 pull-down 实验,分析组蛋白伴侣(AtFKBP53 的核质素结构域)与组蛋白寡聚体 H2A/H2...
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本研究展示并验证了一套用于生化与生物物理表征潜在组蛋白伴侣蛋白的综合性实验方案。文中以重组表达并纯化的NAP家族蛋白AtNRP1和AtNRP2,以及AtFKBP53的N端核质素结构域为例,演示了这些实验方法。相同的一系列实验亦可广泛用于解析来自任何生物体的尚未被表征的组蛋白伴侣蛋白的功能特性。
方案部分的第一部分 涉及组蛋白伴侣寡聚状态及其稳定性的研究。已有多个研究报告指出,组蛋白伴侣在寡聚状态上表现出显著的多样性。例如,人源CAF-1以单体形式存在29NAP家族成员以二聚体或四聚体形式存在29,30,31核质素呈现五聚体且常为十聚体的寡聚状态32,33分析型SEC实验可确定组蛋白伴侣的寡聚状态,AUC-SV实验可用于验证该...
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我们非常感谢印度政府科学与工程研究委员会 [CRG/2018/000695/PS] 和印度科学技术部生物技术部 [BT/INF/22/SP33046/2019] 向 Dileep Vasudevan 提供的外部资助,以及印度布巴内斯瓦尔生命科学研究所提供的所内支持。 我们感谢 Sudeshna Sen 女士和 Annapurna Sahoo 女士在组蛋白制备方面的帮助。同时感谢与同事 Chinmayee Mohapatra 博士、Manas Kumar Jagdev 先生以及 Shaikh Nausad Hossain 博士的有益讨论。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 冰醋酸 | Sigma | A6283 | |
| 丙烯酰胺 | MP Biomedicals | 814326 | |
| 琼脂糖 | MP Biomedicals | 193983 | |
| AKTA Pure 25M FPLC | Cytiva | 29018226 | 蛋白质纯化仪器 |
| 过硫酸铵(APS) | Sigma | A3678 | |
| An-60Ti 转子 | Beckman Coulter | 361964 | 用于分析型超速离心的转子 |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A7030 | |
| 氯仿 | Sigma | C2432 | |
| 考马斯亮蓝 R 250 | Sigma | 1.15444 | |
| 透析袋(7 kDa 截留分子量) | Thermo Fisher | 68700 | 用于蛋白质样品透析 |
| 二硫苏糖醇(DTT) | MP Biomedicals | 100597 | |
| DNA 上样染料 | New England Biolabs | B7025S | |
| 乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA) | MP Biomedicals | 194822 | |
| 电子天平 | Shimadzu | ATX224R | |
| 乙醇 | Sigma | E7023 | |
| 溴化乙锭(EtBr) | Sigma | E8751 | |
| 凝胶成像系统 | Bio-Rad | 12009077 | 用于染色后凝胶成像 |
| 水平凝胶电泳装置 | Bio-Rad | 1704405 | 用于琼脂糖凝胶电泳的仪器 |
| 盐酸(HCl) | Sigma | 320331 | |
| 咪唑 | MP Biomedicals | 102033 | |
| 氯化镁(MgCl2) | Sigma | M8266 | |
| 微量移液器 | Eppendorf | Z683779 | 用于微升体积的移液操作 |
| Mini-PROTEAN 电泳系统 | Bio-Rad | 1658000 | 用于 SDS-PAGE 的仪器 |
| N,N-亚甲基双丙烯酰胺 | MP Biomedicals | 800172 | |
| Nano drop | Thermo Fisher | ND-2000 | 用于测定蛋白质和 DNA 浓度 |
| Ni-NTA 琼脂糖 | Invitrogen | R901-15 | 用于下拉实验的树脂珠 |
| Optima AUC 分析型超速离心机 | Beckman Coulter | B86437 | 用于分析型超速离心的仪器 |
| pH 计 | Mettler Toledo | MT30130863 | |
| 苯酚 | Sigma | P4557 | |
| 质粒提取试剂盒 | Qiagen | 27104 | |
| 蛋白酶 K | Sigma-Aldrich | 1.07393 | |
| pUC19 | Thermo Fisher | SD0061 | 用于超螺旋实验的质粒 |
| 制冷高速离心机 | Thermo Fisher | 75002402 | |
| SDS-PAGE 蛋白质分子量标准 | Bio-Rad | 1610317 | |
| SEDFIT | 用于分析型超速离心数据分析的免费软件程序 | ||
| SEDNTERP | 用于估算缓冲液黏度和密度以及蛋白质偏比容的免费软件程序 | ||
| SigmaPrep 离心柱 | Sigma | SC1000 | 用于下拉实验 |
| 乙酸钠 | Sigma | S2889 | |
| 氯化钠(NaCl) | Merck | S9888 | |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | MP Biomedicals | 102918 | |
| Superdex 200 Increase 10/300 GL | Cytiva | 28990944 | 用于分析型尺寸排阻色谱的色谱柱 |
| Superdex 75 Increase 10/300 GL | Cytiva | 29148721 | 用于分析型尺寸排阻色谱的色谱柱 |
| TEMED | Sigma | 1.10732 | |
| 拓扑异构酶 I | Inspiralis | WGT102 | 用于质粒超螺旋实验的酶 |
| Tris 碱 | Merck | T1503 | |
| Tween-20 | Sigma | P1379 | |
| 尿素 | MP Biomedicals | 191450 | |
| 水浴锅 | Nüve | NB 5 | 用于蛋白质样品的热处理 |
| β-巯基乙醇(β-ME) | Sigma | M6250 |
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