RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
zh_CN
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Ruchir C. Bobde*1,2, Ketul Saharan*1,2, Somanath Baral1,3, Surajit Gandhi1,2, Archana Samal1,2, Rajivgandhi Sundaram1, Ashish Kumar1,4, Ajit K. Singh1,5, Aritreyee Datta1, Dileep Vasudevan1
1Institute of Life Sciences, 2Regional Centre for Biotechnology, 3School of Biotechnology,KIIT University, 4Department of Molecular Biophysics and Biochemistry,Yale University, 5Department of Pharmacology,University of Vermont College of Medicine
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
该协议描述了一系列方法,包括分析体积排阻色谱以研究组蛋白伴侣寡聚化和稳定性,下拉测定以揭示组蛋白伴侣 - 组蛋白相互作用,AUC用于分析蛋白质复合物的化学计量,以及组蛋白伴侣测定以在 体外功能表征假定的组蛋白伴侣。
组蛋白与DNA结合形成真核染色质。染色质的基本单位是核小体,由组蛋白八聚体组成,由核心组蛋白H2A,H2B,H3和H4的两个拷贝组成,被DNA包裹。八聚体由两个拷贝的H2A/H2B二聚体和一个拷贝的H3/H4四聚体组成。高电荷的核心组蛋白容易与细胞质和细胞核中的几种蛋白质发生非特异性相互作用。组蛋白伴侣形成一类多样化的蛋白质,将组蛋白从细胞质穿梭到细胞核中,并帮助它们沉积到DNA上,从而协助核小体组装过程。一些组蛋白伴侣对 H2A/H2B 或 H3/H4 具有特异性,有些则作为两者的伴侣。该协议描述了如何串联使用体 外 实验室技术,例如下拉测定,分析体积排阻色谱,分析超离心和组蛋白伴侣测定,以确认给定的蛋白质是否具有组蛋白伴侣的功能。
由DNA和组蛋白组成的核小体形成染色质的结构单元并调节几个关键的细胞事件。核小体被动态地重新定位和重塑,使DNA能够被复制、转录和翻译等各种过程所访问1,2。高度碱性的组蛋白要么倾向于与细胞环境中的酸性蛋白质相互作用,要么发生聚集,从而导致各种细胞缺陷3,4,5。一组称为组蛋白伴侣的专用蛋白质有助于组蛋白从细胞质转运到细胞核,并防止异常组蛋白-DNA聚集事件6,7。从根本上说,大多数组蛋白伴侣以生理离子强度将组蛋白储存并转移到DNA上,从而有助于核小体8,9的形成。一些组蛋白伴侣对组蛋白低聚物H2A/H2B或H3/H410有明确的偏好。
组蛋白伴侣的特征基于它们组装依赖或独立于DNA合成的核小体的能力11。例如,染色质组装因子-1 (CAF-1) 是依赖性的,而组蛋白调节因子 A (HIRA) 独立于 DNA 合成12,13。同样,组蛋白伴侣的核质蛋白家族参与精子染色质脱缩和核小体组装14。核小体组装蛋白(NAP)家族成员在体外促进核小 体 样结构的形成,并参与细胞质和细胞核之间的组蛋白穿梭15。核质蛋白和NAP家族蛋白都是功能性组蛋白伴侣,但没有任何结构特征。从本质上讲,没有单一的结构特征允许将蛋白质分类为组蛋白伴侣16。使用功能和生物物理测定以及结构研究最适合表征组蛋白伴侣。
这项工作描述了将蛋白质表征为帮助核小体组装的组蛋白伴侣的生物化学和生物物理方法。首先,采用分析体积排阻色谱法分析组蛋白伴侣的寡聚状态和稳定性。接下来,进行下拉测定以确定组蛋白伴侣-组蛋白相互作用的驱动力和竞争性质。然而,由于蛋白质的形状及其复合物会影响它们在色谱柱中的迁移,因此使用分析体积排阻色谱无法准确计算这些相互作用的流体动力学参数。因此,使用分析超速离心,它提供了溶液内大分子特性,包括准确的分子量、相互作用的化学计量和生物分子的形状。过去的研究已广泛使用体外组蛋白伴侣测定来功能表征组蛋白伴侣,例如yScS116 17,DmACF18,ScRTT106p19,HsNPM120。组蛋白伴侣测定也用于在功能上表征蛋白质作为组蛋白伴侣。
1. 分析体积排阻色谱法阐明组蛋白伴侣的低聚状态和稳定性
2. 基于盐梯度的下拉测定,以了解有助于组蛋白低聚物和组蛋白伴侣之间复合物形成的相互作用类型
3. 竞争性下拉测定,以确定组蛋白伴侣对 H2A/H2B 或 H3/H4 的偏好
4. 分析超速离心-沉降速度(AUC-SV)实验分析组蛋白伴侣与组蛋白之间的结合化学计量
5. 质粒超螺旋测定确认组蛋白伴侣功能
对拟 南芥 FKBP53蛋白的重组N端核质结构域进行SEC分析。将洗脱峰体积与标准曲线作图,以确定其低聚状态。SEC分析结果表明,该结构域以五聚体的形式存在于溶液中,分子量约为58 kDa(图1A,B)。此外,结合分析SEC分析核蓝蛋白结构域的热稳定性和化学稳定性。与保持在20 °C的样品相比,在高达90 °C的温度下进行热处理的核蓝蛋白样品的洗脱体积和峰高没有明显变化,表明该结构域具有高度的热稳定性(图1C)。同样,核质蛋白结构域显示出高达2 M的NaCl盐稳定性(图1D)和高达4 M的尿素稳定性(图1E)。然而,核质蛋白五聚体开始以更高的尿素浓度解离。
使用梯度盐洗法进行下拉测定以确定有助于组蛋白伴侣(AtFKBP53的核蓝蛋白结构域)与组蛋白低聚物H2A / H2B二聚体和H3 / H4四聚体之间复合物形成的相互作用类型。核质结构域与H2A/H2B二聚体的相互作用在盐浓度为0.4M NaCl时稳定(图2A)。相比之下,与H3 / H4的关联在高达0.7M NaCl时相当稳定(图2B)。伴侣-组蛋白复合物承受高盐浓度的能力表明疏水相互作用在稳定复合物中的作用。H3/H4在高盐浓度下稳定的分子伴侣复合物表明疏水相互作用在复合物形成中起主导作用。H2A/H2B-伴侣络合物在高盐浓度下的稳定性较低,揭示了静电相互作用在复合物形成中的重要作用。在另一项实验中,下拉测定用于检查伴侣是否更喜欢H2A / H2B二聚体或H3 / H4四聚体。结果表明,分子伴侣同时与H2A/H2B二聚体和H3/H4四聚体结合,而与它们添加到分子伴侣中的顺序无关(图2C,D)。这表明伴侣具有与组蛋白低聚物相互作用的单独位点。
进行AUC-SV实验(图3)以研究组蛋白低聚物与伴侣之间相互作用的化学计量。AUC-SV数据分析为AtFKBP53核丝蛋白结构域与H2A/H2B复合物的沉降系数值为5.40 S,对应于104 kDa的分子量。核丝蛋白结构域与H3/H4的复合物的沉降系数值为7.35 S,对应129 kDa。复合物的估计分子量表明,五聚体核蓝蛋白与H2A/H2B二聚体和H3/H4四聚体以1:1的化学计量法形成复合物。
必须证明该蛋白质可以将组蛋白低聚物沉积到DNA上,以确认它是组蛋白伴侣。为此,采用了质粒超螺旋测定法(图4)。将松弛的环状质粒与组蛋白低聚物H2A/H2B和H3/H4与NAP家族的重组植物组蛋白伴侣-AtNRP1和AtNRP228一起孵育。伴侣的存在增加了超螺旋质粒的数量,表明它可以将组蛋白沉积到DNA上形成核小体,导致DNA超螺旋。

图1:AtFBP53核质蛋白结构域的寡聚状态和稳定性。 (A)AtFKBP53核质蛋白结构域的分析体积排阻色谱图谱。(B)使用已知分子量的球状蛋白获得的校准曲线。蓝点代表已知蛋白质的分子量,而红点代表AtFKBP53核质蛋白结构域。(440 kDa-铁蛋白,158 kDa醛缩酶,75 kDa-con白蛋白,44 kDa卵清蛋白,6.5 kDa抑肽酶)。(C) 在不同温度下进行热处理的 500 μL 0.5 mg/mL AtFKBP53 核蛋白结构域的分析体积排阻色谱图:20 °C(绿色)、40 °C(橙色)、60 °C(黑色)、90 °C(浅蓝色)。(D) 含有不同 NaCl 浓度的缓冲液中 500 μL 0.5 mg/mL AtFKBP53 核云溶蛋白结构域的分析体积排阻色谱图:0.3 M(紫色)、0.6 M(红色)、1.0 M(浅蓝色)、1.5 M(绿色)、2.0 M(黑色)。(E)不同尿素浓度缓冲液中AtFKBP53核蓝蛋白结构域的分析体积排阻色谱图:0 M(对照;浅蓝色),1.0 M(粉红色),2.0 M(黑色),3.0 M(深蓝色),4.0 M(绿色),5.0 M(棕色)。核质蛋白五聚体在热应力和化学应力条件下表现出高稳定性。该图改编自参考文献21。请点击此处查看此图的大图。

图 2:AtFKBP53 核质结构域与组蛋白低聚物相互作用的下拉测定。 此处提供了测定中洗脱级分的18%SDS-PAGE图像。 (A ) 20 μM H2A/H2B 二聚体和 (B) 20 μM H3/H4 四聚体与 5 μM AtFKBP53 核蓝蛋白结构域的下拉测定,NaCl 浓度增加,范围为 0.3 M、0.5 M、0.6 M、0.7 M、0.8 M、0.9 M 和 1.0 M。对于竞争性结合实验, (C) 使用5μM AtFKBP53核蓝蛋白结构域和20μM H3 / H4四聚体的混合物与20-60μM H2A / H2B二聚体和 (D) 5μM AtFKBP53核蓝蛋白结构域和20μM H2A / H2B二聚体的混合物与20-60μM H3 / H4四聚体一起孵育。标签AtFKBP53对应于AtFKBP53的核质蛋白结构域。洗脱级分显示两种组蛋白低聚物与核质蛋白同时结合。该图改编自参考文献21。 请点击此处查看此图的大图。

图 3:组蛋白低聚物、AtFKBP53 核云蛋白结构域及其复合物的分析超速离心 - 沉降速度 (AUC-SV) 实验。 AUC 距离分布 与沉降系数 (S) 图。还提供了获得的沉降系数(s)值和分子质量。标签AtFKBP53对应于AtFKBP53的核质蛋白结构域。估计的分子量显示 AtFKBP53 核蛋白结构域与组蛋白低聚体 H2A/H2B 二聚体和 H3/H4 四聚体的化学计量为 1:1。将 450 μL OD280 为 0.3-0.5 的所有蛋白质样品用于 AUC-SV 实验。该图改编自参考文献21。 请点击此处查看此图的大图。

图4:质粒超螺旋测定。 组蛋白伴侣AtNRP1和AtNRP2的质粒超螺旋测定。用1 μg拓扑异构酶I预处理500 ng pUC19质粒DNA进行实验。将4 μM AtNRP1、4 μM AtNRP2和4 μM H2A/H2B二聚体和2 μM H3/H4四聚体的混合物作为对照,与预处理的pUC19 DNA孵育时没有显示出超螺旋活性。含有 4 μM H2A/H2B 二聚体和 2 μM H3/H4 四聚体以及 AtNRP1 和 AtNRP2 各 4 μM 混合物的泳道显示,在与预处理的 pUC19 DNA 孵育时形成超螺旋 DNA。 请点击此处查看此图的大图。
没有宣布利益冲突。
该协议描述了一系列方法,包括分析体积排阻色谱以研究组蛋白伴侣寡聚化和稳定性,下拉测定以揭示组蛋白伴侣 - 组蛋白相互作用,AUC用于分析蛋白质复合物的化学计量,以及组蛋白伴侣测定以在 体外功能表征假定的组蛋白伴侣。
印度政府科学与工程研究委员会[CRG/2018/000695/PS]和印度政府科学技术部生物技术司[BT/INF/22/SP33046/2019]向Dileep Vasudevan提供的校外赠款,以及布巴内斯瓦尔生命科学研究所的校内支持,都得到了极大的认可。我们感谢Sudeshna Sen女士和Annapurna Sahoo女士在组蛋白制备方面的帮助。与我们的同事钦马伊·莫哈帕特拉博士、玛纳斯·库马尔·贾格德夫先生和谢赫·瑙萨德·侯赛因博士的讨论也得到了认可。
| 乙酸(冰酸) | Sigma | A6283 | |
| 丙烯酰胺 | MP 生物医学 | 814326 | |
| 琼脂糖 | MP 生物医学 | 193983 | |
| AKTA Pure 25M FPLC | Cytiva | 29018226 | 蛋白质纯化仪器 |
| 过硫酸铵 (APS)Sigma | A3678 | ||
| An-60Ti 转头 | 贝克曼库尔特 | 361964 | 用于分析超速离心的转子 |
| 牛血清白蛋白 (BSA) | Sigma | A7030 | |
| 氯仿 | Sigma | C2432 | |
| 考马斯亮蓝 R 250 | Sigma | 1.15444 | |
| 透析管(7 kDa 截止值) | Thermo Fisher | 68700 | 用于透析蛋白质样品 |
| 二硫苏糖醇 (DTT) | MP Biomedicals | 100597 | |
| DNA 加载染料 | New England Biolabs | B7025S | |
| EDTA 二钠盐 | MP Biomedicals | 194822 | |
| 电子天平 | 岛津 | ATX224R | |
| 乙醇 | Sigma | E7023 | |
| 溴化乙锭 (EtBr) | Sigma | E8751 | |
| 凝胶 Doc系统 | Bio-Rad | 12009077 | 用于染色后的凝胶成像 |
| 水平凝胶电泳仪 | Bio-Rad | 1704405 | 琼脂糖凝胶电泳仪 |
| 盐酸 (HCl) | Sigma | 320331 | |
| 咪唑 | MP 生物医学 | 102033 | |
| 氯化镁 (MgCl2) | Sigma | M8266 | |
| 微量移液器 | Eppendorf | Z683779 | 用于微量微量移液器 |
| Mini-PROTEAN 电泳系统 | Bio-Rad | 1658000 | SDS 仪器 |
| PAGE N,N-亚甲基-双丙烯酰胺 | MP Biomedicals | 800172 | |
| Nano 滴 | Thermo Fisher | ND-2000 | 用于测量蛋白质和 DNA 浓度 |
| Ni-NTA 琼脂糖 | Invitrogen | R901-15 | 用于沉降测定的树脂珠 |
| Optima AUC 分析超速离心机 | Beckman Coulter | B86437 | 分析超速离心仪 |
| pH 计 | 梅特勒-托利多 | MT30130863 | |
| 酚 | Sigma | P4557 | |
| 质粒分离试剂盒 | Qiagen | 27104 | |
| 蛋白酶 K | Sigma-Aldrich | 1.07393 | |
| pUC19 | Thermo Fisher | SD0061 | 用于超螺旋测定 |
| 冷冻高速离心机 | Thermo Fisher | 75002402 | |
| SDS-PAGE 蛋白质标记物 | Bio-Rad | 1610317 | |
| SEDFIT | 用于分析超速离心数据的免费软件程序分析 | ||
| SEDNTERP | 用于估计缓冲液粘度和密度以及蛋白质部分比体积的免费软件 | ||
| 程序 SigmaPrep 离心柱 | Sigma | SC1000 | 用于沉降分析 |
| 乙酸钠 | Sigma | S2889 | |
| 氯化钠 (NaCl) | 默克 | S9888 | |
| 十二烷基硫酸钠 (SDS) | MP生物医学 | 102918 | |
| Superdex 200 Increase 10/300 GL | Cytiva | 28990944 | 分析体积排阻层析柱 |
| Superdex 75 Increase 10/300 GL | Cytiva | 29148721 | 分析体积排阻层析柱 |
| TEMED | Sigma | 1.10732 | |
| 拓扑异构酶 I | Inspiralis | WGT102 | 酶 用于质粒超螺旋测定 |
| Tris 碱 | 基Merck | T1503 | |
| 吐温-20 | Sigma | P1379 | |
| 尿素 | MP Biomedicals | 191450 | |
| 水浴 | Nüve | NB 5 | 用于蛋白质样品的热处理 |
| &β;-巯基乙醇 (β-ME) | Sigma | M6250 |