Wir beschreiben eine Methode zur Beobachtung der Echtzeit-Replikation einzelner DNA-Moleküle durch Proteine des Bakteriophagen Replikationssystem vermittelt.
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Wir beschreiben eine Methode zur Beobachtung der Echtzeit-Replikation einzelner DNA-Moleküle durch Proteine des Bakteriophagen Replikationssystem vermittelt.
Wir beschreiben eine Methode zur Beobachtung der Echtzeit-Replikation einzelner DNA-Moleküle durch Proteine des Bakteriophagen Replikationssystem vermittelt. Linearisierte λ DNA wird modifiziert, um ein Biotin auf das Ende eines Stranges, und ein Digoxigenin-Rest am anderen Ende des gleichen Strang zu haben. Der biotinylierte Ende mit einem funktionalisierten Deckglas und die digoxigeninated Ende eine kleine Perle befestigt. Die Montage dieser DNA-Bead Anbindehaltung auf der Oberfläche einer Durchflusszelle ermöglicht eine Laminar-Flow anzuwenden, um eine Zugkraft auf dem Wulst auszuüben. Als Ergebnis wird die DNA in der Nähe und parallel zur Oberfläche des Deckglases mit einer Kraft, die durch den Durchfluss (Abbildung 1) bestimmt wird gestreckt. Die Länge der DNA wird durch die Überwachung der Position der Perle gemessen. Länge Unterschiede zwischen Einzel-und Doppelstrang-DNA werden genutzt, um in Echtzeit Informationen über die Tätigkeit der Replikation Proteine an der Gabelung zu erhalten. Die Messung der Position der Sicke ermöglicht eine präzise Bestimmung der Preise und processivities von DNA Abwickeln und Polymerisation (Abbildung 2).
1. DNA Replication Vorlage
DNA für die Reaktion ist ein linearisierter λ-DNA durch Glühen von Oligonukleotiden zu einer Replikationsgabel Form modifiziert. Darüber hinaus ist Biotin an das Ende eines Stranges der λ DNA befestigt, und ein Digoxigenin-Rest ist an das andere Ende des gleichen Strang 1 beigefügt.
Werkstoffe: Bakteriophagen λ DNA, Oligonukleotide: biotinylierten Gabelarm (A: 5'-Biotin-AAAAAAAAAAAAAAAAGAGTACTGTACGATCTAGCATCAATCACAGGGTCAGGTTCGTTATTGTCCAACTTGCTGTCC-3 '), λ-komplementäre Gabelarm (B: 5'-GGGCGGCGACCTGGACAGCAAGTTG GACAATCTCGTTCTATCACTAATTCACTAATGCAGGGAGGATTTCAGATATGGCA-3'), Gabel-Primer (C: 5 ' -TGCCATATCTGAAATCCTCCCTGC-3 '), λ-komplementäre Digoxigenin Ende (D: 5'-AGGTCG CCGCCCAAAAAAAAAAAA-Digoxigenin-3'), T4 DNA Ligase, T4 Polynukleotid Kinase, Wärme zu blockieren.
2. Beads
Perlen sind mit einer Fab-Fragment mit einer Spezifität für Digoxigenin funktionalisiert. Sie können dann auf die DNA-Replikation Vorlage 2 befestigt werden.
Werkstoffe: Tosyl aktiviert Perlen, α-Digoxigenin Fab-Fragment, Puffer A: 0,1 M H3BO3 pH 9,5, Puffer B: 0,1 M PBS pH 7,4, 0,1% w / v BSA, Puffer C: 0,2 M Tris-HCl pH 8,5 (25 ° C), 0,1% w / v BSA, Magnetabscheider, Rotator.
3. Funktionalisierte Deckgläser
Um Befestigung der DNA, die Deckglas wird das Glas zunächst mit einem Aminosilan, die dann an biotinylierte PEG-Moleküle gekoppelt ist funktionalisiert. Diese Beschichtung hilft, die unspezifische Wechselwirkungen der DNA-Replikation und Proteine mit der Oberfläche 3,4 zu reduzieren.
Materialien: Glas-Deckgläschen, Küvetten, 3-Aminopropyltriethoxysilan, Methoxy-PEG5k-NHS-Ester, Biotin-PEG5k-NHSester, Aceton, 1M KOH, Ethanol, Backofen, Ultraschallbad
4. Flusskammer Vorbereitung
Das Experiment wird mit Hilfe einer einfachen Flusskammer mit einem funktionalisierten Deckglas, doppelseitiges Klebeband, ein Quarz-Objektträger und Schläuche hergestellt. Eine Flusskammer wird für jede Einzel-Molekül-Experiment 2,4 zubereitet.
Material: Doppelseitiges Klebeband, Rasierklinge, Quarz-Objektträger mit Bohrungen für Schläuche, schnell trocknenden Epoxy-funktionalisierten Deckglas, Streptavidin-Lösung (25 ul 1 mg / mL in PBS), Schläuche, Blocking-Puffer (5X: 20 mM Tris pH 7,5, 2 mM EDTA, 50 mM NaCl, 0,2 mg / ml BSA, 0,005% Tween-20), Arbeits-Puffer (1X: 20 mM Tris-HCl pH 7,5, 2 mM EDTA, 50 mM NaCl).
5. Einzel-Molekül-Replication Experiment
Sobald die DNA-Vorlage und funktionalisierten Kügelchen hergestellt worden sind, und die Flusskammer bereit ist, kann eine Einzel-Molekül-Experiment durchgeführt werden.
Werkstoffe: Vorbereitet Flusskammer, Blocking-Puffer (5X: 20 mM Tris-HCl pH 7,5, 2 mM EDTA, 50 mM NaCl, 1 mg / mL BSA, 0,025% Tween-20), Working-Puffer (1X: 20 mM Tris-HCl pH 7,5, 2 mM EDTA, 50 mM NaCl), T7-Replikation Puffer mit oder ohne 10 mM MgCl 2 (1X: 40 mM Tris-HCl pH 7,5, 50 mM K-Glutamat, 2 mM EDTA, 100 ug / ml BSA, 10 mM DTT, 600 uM dNTPs), Replikation Proteine, invertiert optisches Mikroskop mit 10X-Objektiv, CCD-Kamera, permanent seltenen Erden Magnet, Spritzenpumpe, Luftfeder, Faser-Hilfslicht, Computer mit Bildaufnahme-Software.
6. Repräsentative Ergebnisse
In einem erfolgreichen Experiment sollte es möglich sein, mehr als 100 Perlen gleichzeitig beobachten ( Leading-Strang-Synthese ). Das Experiment sollte Ausbeute zahlreiche Spuren Anzeige führenden DNA-Synthese.
Data Analysis:
Um Preise und processivities von DNA Abwickeln und Polymerisation zu messen, muss die genauen Positionen der Kugeln bestimmt werden. Sie können es durch den Einbau dieser Positionen mit 2-dimensionale Gauß-Funktionen zu erreichen. Trajektorien kann dann von Tracking bead Position bei jedem Frame mit Tracking-Software (zB DiaTrack) extrahiert werden. Nun sind Sie bereit, um Trajektorien durch Auftragen bead Position als eine Funktion der Zeit mit einem beliebigen Grafik so zu visualisierenftware (zB Origin). Um Tarifdaten, passen die Parzellen mit einer linearen Regression und die Berechnung der Steigung. Für Prozessivität, bestimmen die Gesamtlänge der DNA von Anfang bis Ende eine Verkürzung Veranstaltung (Abbildung 3) zu beenden. Beide Zahlen werden sich an Basenpaare umgewandelt werden. So konvertieren bead Bewegung Basenpaare, müssen Sie zuerst die Länge eines gestreckten λ DNA-Molekül an der Reaktion Durchfluss messen. Da die Länge der λ DNA bekannt ist (48502 bp) können Sie die Anzahl der Basenpaare / Pixel bei experimentellen Kraft zu kalibrieren. Zur Erhöhung der Genauigkeit, von den Spuren des Interesses eine Grundlinie Spur von einem Wulst Leine, die nicht enzymatisch verändert subtrahieren. Kombinieren Sie alle Einzelmessungen und Plot-Rate und Prozessivität Distributionen. Fit der Daten mit Gauß-und Single-Exponentialfunktionen, (Abbildung 3).

Abbildung 1. Einzel-Molekül-Versuchsaufbau. (A) Duplex λ DNA (48,5 kb) wird auf die Oberfläche der Messzelle über die 5 'befestigt Ende eines Stranges mit einer Biotin-Streptavidin-Wechselwirkung, und das 3' Ende des gleichen Strang, um eine Perle befestigt mit einem Digoxigenin Anti-Digoxigenin-Interaktion. Ein grundiert Replikationsgabel ist am gegenüberliegenden Ende der Wulst ausgebildet, damit Belastung der Polymerase. (B) Bead-DNA-Baugruppen sind gestreckt mit Laminar-Flow-Puffer und aufgenommen mit Weitwinkel-optische Mikroskopie. Durch die Verfolgung der Positionen der Kugeln im Lauf der Zeit, unter Beibehaltung einer konstanten Dehnung Kraft, kann die Länge der DNA-Konstrukte, überwacht werden. (C) Verlängerung Profil von ssDNA (gefüllter Kreis) und dsDNA (offener Kreis) unter geringen Kräften. Eine gestrichelte Linie zeigt kristallographische Länge voll ds-λ DNA, 16,3 um. Der große Unterschied in der Länge zwischen ssDNA und dsDNA bei Kräften rund 3 pN erlaubt eine direkte Beobachtung der Umwandlungen zwischen ss-und dsDNA durch die Überwachung der Veränderungen in der DNA Länge. Die gleichzeitige Visualisierung von einer großen Anzahl von DNA-gekoppelten Beads ermöglicht die Untersuchung von vielen einzelnen replisomes in einem Experiment.

Abbildung 2 Bakteriophagen T7-Replikation Proteine:. DNA-Polymerase (Komplex von gp5 und Thioredoxin) und DNA-Helikase (gp4) zu synthetisieren DNA-Strang führt in Gegenwart von Desoxyribonukleotiden und Magnesium. Dieser Prozess wird durch die Verkürzung der DNA-Strang Rückstand durch Wickeln begleitet. Umwandlung der dsDNA in ssDNA Veränderungen Position der Kugel. Mess-Position der Sicke ermöglicht eine präzise Bestimmung der Geschwindigkeit und Prozessivität der DNA-Replikation.

Abbildung 3. Beispiel eines typischen Daten aus einer Einzel-Molekül-führenden-Synthese zu experimentieren. Prozessivität der DNA-Replikation ist gleich einer Gesamtlänge der DNA von Anfang bis Ende eine Verkürzung Veranstaltung zu beenden. Die Rate der DNA-Replikation, indem man die Handlung mit einer linearen Regression und die Berechnung der Steigung erhalten. Der Einschub zeigt Geschwindigkeit und Prozessivität Distributionen, die durch die Kombination von Daten aus einer Anzahl von Messungen erhalten wurden. Die Daten wurden ausgestattet mit Gauß-und Single-Exponentialfunktionen bzw..
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Es ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Zugkraft auf Kügelchen von Laminar-Flow ausgeübt hat keinen Einfluss auf enzymatische Aktivitäten der Replikation Proteine. Zum Beispiel hat ein 3 pN Kraft, die zu einem Durchfluss von 0,012 ml / min entspricht nicht berührt Replikation der DNA-Strang führt. Es hat jedoch Auswirkungen auf enzymatische Aktivitäten, die während koordiniert die DNA-Synthese, und es muss daher auf 1,5 pN reduziert werden. Die Zugkraft kann durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit oder eine Bre...
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Die Entwicklung der DNA Stretching Assay wurde durch Paul Blainey, Jong-Bong Lee, und Samir Hamdan unterstützt. Diese Arbeit wird durch die National Institutes of Health gewährt Charles Richardson (GM54397) und Antoine van Oijen (GM077248) unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Bakteriophagen λ DNA | New England Biolabs | N3011L | |
| DNA-Oligonukleotide | Integrierte DNA-Technologien | ||
| T4-DNA-Ligase | New England Biolabs | M0202L | |
| T4-Polynukleotidkinase | New England Biolabs | M0201L | |
| α-Digoxigenin Fab | Roche Group | 11214667001 | |
| Tosyl-aktivierte Kügelchen | Invitrogen | 142-03 | |
| Magnetabscheider | Invitrogen | Dynal MPC | |
| 3-Aminopropyl-triethoxysilan | Sigma-Aldrich | A3648 | Andere Aminosilane können verwendet oder mit nicht-aminreaktiven Silanen für dünnere Oberflächen gemischt werden |
| Succinimidylpropionat PEG | Nektar | Ähnliche PEGs können von Nanocs, CreativePEGWorks, etc. erworben werden. | |
| Biotin-PEG-NHS | Nektar | Ähnliche PEGs können von Nanocs, CreativePEGWorks, etc. erworben werden. | |
| Doppelseitiges Klebeband | Grace Bio-Lab Inc. | SA-S-1L | 100 μ m Dicke |
| Quarzschiene | Technisches Glas | 20 mm (B)x 50 mm (L)x 1mm (H) | Größe passend für Deckgläser. Bohrungen mit Diamantbohrern (DiamondBurs.net) |
| Polyethylenschlauch | BD Biosciences | 427416 | 0,76 mm ID, 1,22 OD Rohre anderer Größen können ersetzt werden. |
| Streptavidin | Sigma-Aldrich | S4762 | Herstellung einer Lösung von 1 mg/ml, 25 μ L-Aliquote in PBS pH 7,3 |
| Desoxyribonukleotid-Triphosphat-Lösungsmix | New England Biolabs | N0447 | |
| Inverses optisches Mikroskop mit 10-fachem Objektiv | Olympus Corporation | Olympus IX-51 | |
| Permament Seltenerdmagnet | Nationale Importe | www.rare-earth-magnets.com | |
| CCD-Kamera | QImaging | Rolera-XR Fast 139 | |
| Spritzenpumpe | Harvard Apparatus | 11 Plus | Betrieb im Nachfüllmodus, um Lösungswechsel zu erleichtern |
| Fiber Illuminator | Thorlabs Inc. | OSL1 |
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