Summary

Kinetik af efterslæb-DNA Synthesis<em> In vitro</em> Af bakteriofagen T7 replikationsproteiner

Published: February 25, 2017
doi:

Summary

We describe sensitive, gel-based discontinuous assays to examine the kinetics of lagging-strand initiation using the replication proteins of bacteriophage T7.

Abstract

Here we provide protocols for the kinetic examination of lagging-strand DNA synthesis in vitro by the replication proteins of bacteriophage T7. The T7 replisome is one of the simplest replication systems known, composed of only four proteins, which is an attractive feature for biochemical experiments. Special emphasis is placed on the synthesis of ribonucleotide primers by the T7 primase-helicase, which are used by DNA polymerase to initiate DNA synthesis. Because the mechanisms of DNA replication are conserved across evolution, these protocols should be applicable, or useful as a conceptual springboard, to investigators using other model systems. The protocols described here are highly sensitive and an experienced investigator can perform these experiments and obtain data for analysis in about a day. The only specialized piece of equipment required is a rapid-quench flow instrument, but this piece of equipment is relatively common and available from various commercial sources. The major drawbacks of these assays, however, include the use of radioactivity and the relative low throughput.

Introduction

Replikationen af ​​DNA er et konserveret egenskab ved alle cellulære liv. Mens identitet og antallet af replikation komponenter varierer meget, er de generelle mekanismer deles på tværs af evolution 1. Her beskriver vi gel-baseret, diskontinuerte kinetiske eksperimenter under anvendelse radioaktive substrater, der tager sigte på at forstå kinetikken af tilbagestående-DNA-syntese in vitro ved komponenter af T7 replisome. Replikation maskiner af bakteriofag T7 er meget enkel og består af kun fire proteiner (DNA-polymerasen, GP5, og dets processivitet faktor, E. coli thioredoxin, de bifunktionelle primase-helicase GP4, og det enkeltstrengede DNA-bindende protein, GP2. 5) 2. Denne funktion gør det til et attraktivt modelsystem til at studere de konserverede biokemiske mekanismer involveret i DNA-replikation.

Der lægges særlig vægt på dannelsen af ​​ribonukleotid primere ved T7 DNA primase, en critical trin i initiering af DNA-syntese. Derudover kan man også undersøge brugen af ​​disse primere ved hjælp af T7-DNA-polymerase eller andre replikationsproteiner ved at inkludere dem i reaktionsblandingen. T7-primase-helicase, GP4, katalyserer dannelsen af ​​primere til DNA-syntese ved specifikke DNA-sekvenser kaldet primase genkendelsessteder eller PRS, (5'-GTC-3 '). Den cytosin i PRS er kryptisk, det er vigtigt for anerkendelse af hjemmesiden, men det er ikke kopieres ind i produkt 3. Det første trin i primer syntese ved GP4 involverer dannelsen af dinukleotidet pppAC, som derefter udvides til en trimer, og i sidste ende til funktionelle tetranukleotid primere pppACCC, pppACCA eller pppACAC afhængigt af sekvensen i skabelonen 4. Disse primere kan dernæst anvendes af T7-DNA-polymerase at initiere DNA-syntese, som også er et GP4-assisteret proces 5, 6. I denne forbindelse primasedomæne stabiliserer de ekstremt korte tetraribonucleotides med skabelonen, hindring af dissociering, indgriber DNA-polymerase på en måde bidrage til at sikre primer / skabelon i polymerase aktive sted 7. Disse trin (RNA primer syntese, primer handoff til polymerase, og udvidelse) er gentaget i flere cyklusser at kopiere halter streng og skal koordineres med replikation af de førende streng.

De her beskrevne assays er meget følsomme og kan udføres i en moderat tidsramme. Men de er relativt lav-throughput og stor omhu skal udvises i brug og bortskaffelse af radioaktive materialer. Afhængig af hastigheden, hvormed reaktionen forløber, kan man anvende et hurtigtvirkende quench instrument til at opnå prøver på tidsskalaer som kan underkastes en meningsfuld analyse af reaktionen tidsforløb i enten stabil eller præ-steady state. For nylig brugte vi assays beskrevet her for at give evidence af vigtigheden af ​​primer frigivelse fra primase domæne GP4 i indledningen af ​​Okazaki-fragmenter. Derudover fandt vi tegn på en regulerende rolle for T7 enkeltstrenget DNA-bindende protein, gp2.5, at fremme en effektiv primer dannelse og udnyttelse 8.

Protocol

BEMÆRK: Følg alle institutionelle regler om sikker brug og bortskaffelse af radioaktivt materiale, herunder, men ikke begrænset til, brug af personlige værnemidler, såsom handsker, sikkerhedsbriller, kittel, og passende akryl skjolde. BEMÆRK: standard puffer består af 40 mM HEPES-KOH, pH 7,5, 50 mM kalium glutamat, 5 mM DTT, 0,1 mM EDTA (denne buffer er foruddefineret ved en 5x koncentration) og 0,3 mM af hver dNTP. T7 replikering proteiner oprenses som beskrevet <su…

Representative Results

Resultaterne vist i figur 1A resultater blev opnået som beskrevet i trin 1 i protokollen, dvs. ved manuelt prøveudtagning en primer syntese katalyseret af GP4 under multiple-omsætning betingelser. Her kan en række produkter efter gelelektroforese observeres ved anvendelse CTP mærket med 32P ved α-stillingen i primer syntesereaktioner (figur 1A). Det mærkede precursor, CTP, viser den højeste mobilitet og vandre…

Discussion

Den vigtigste faktor i at udføre disse eksperimenter er tilgængeligheden af ​​højaktive oprenset enzym. Under vores arbejde med GP4, for eksempel fandt vi, at opbevaring af det oprensede enzym i buffer (20 mM kaliumphosphat, pH 7,4, 0,1 mM EDTA, 1 mM DTT) indeholdende 50% glycerol ved -20 ° C fører til en reduktion i den specifikke aktivitet af præparatet over et par måneder. Derfor har vi nu flash-freeze små portioner af oprenset GP4 i 25 mM Tris-HCI, pH 7,5, 50 mM NaCl, 0,1 mM EDTA, 1 mM TCEP, og 10% glyce…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank C.C.R. laboratory members for comments and S. Moskowitz for figure preparation. This work was supported by National Institutes of Health Grants F32GM101761 (A.J.H.) and GM54397 (C.C.R.).

Materials


Tris pre-set crystals
pH 7.5
SIGMA T4128 
Tris base  SIGMA 93362
L-Glutamic acid potassium salt monohydrate SIGMA G1501 
Magnesium chloride hexahydrate Mallinckrodt Chemicals 5958-04
1,4-Dithiothreitol J.T. Baker F780-02
Sodium Dodecyl Sulfate MP Biomedicals 811030
(Ethylenedinitrilo) Tetraacetic acid, disodium salt, dihydrate Mallinckrodt Chemicals 4931-04
[α-32P] CTP PerkinElmer BLU508H radioactive, take protective measures
[γ-32P] ATP PerkinElmer BLU502A radioactive, take protective measures
100 mM dATP, dCTP, dGTP, dTTP  Affymetrix 77100 four dNTPs part of set
100 mM ATP and CTP Epicentre RN02825 part of NTP set
ssDNA constructs Integrated DNA Technologies N/A custom sequences 
methanol  Macron Fine Chemicals 3017-08
formamide Thermo Scientific 17899
bromophenol blue SIGMA B8026 
cylene xyanol  SIGMA X4126 
acrylamide SIGMA A9099 Toxic
N,N′-Methylenebisacrylamide SIGMA M7279  Toxic
Urea Boston Bioproducts P-940
Boric acid Mallinckrodt Chemicals 2549
Rapid Quench-Flow Instrument  Kintek Corp. RQF-3 
Kintek Explorer Kintek Corp. N/A
Kaleidagraph  Synergy Software N/A

Referenzen

  1. Kornberg, A., Baker, T. A. . DNA replication. , (1992).
  2. Hamdan, S. M., Richardson, C. C. Motors, switches, and contacts in the replisome. Annu Rev Biochem. 78, 205-243 (2009).
  3. Mendelman, L. V., Notarnicola, S. M., Richardson, C. C. Roles of bacteriophage T7 gene 4 proteins in providing primase and helicase functions in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 89 (22), 10638-10642 (1992).
  4. Qimron, U., Lee, S. J., Hamdan, S. M., Richardson, C. C. Primer initiation and extension by T7 DNA primase. EMBO J. 25 (10), 2199-2208 (2006).
  5. Kato, M., Ito, T., Wagner, G., Richardson, C. C., Ellenberger, T. Modular architecture of the bacteriophage T7 primase couples RNA primer synthesis to DNA synthesis. Mol Cell. 11 (5), 1349-1360 (2003).
  6. Kusakabe, T., Richardson, C. C. Gene 4 DNA primase of bacteriophage T7 mediates the annealing and extension of ribo-oligonucleotides at primase recognition sites. J Biol Chem. 272 (19), 12446-12453 (1997).
  7. Lee, S. J., Zhu, B., Hamdan, S. M., Richardson, C. C. Mechanism of sequence-specific template binding by the DNA primase of bacteriophage T7. Nucleic Acids Res. 38 (13), 4372-4383 (2010).
  8. Hernandez, A. J., Lee, S. J., Richardson, C. C. Primer release is the rate-limiting event in lagging-strand synthesis mediated by the T7 replisome. Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (21), 5916-5921 (2016).
  9. Tabor, S., Richardson, C. C. A single residue in DNA polymerases of the Escherichia coli DNA polymerase I family is critical for distinguishing between deoxy- and dideoxyribonucleotides. Proc Natl Acad Sci U S A. 92 (14), 6339-6343 (1995).
  10. Kim, Y. T., Tabor, S., Bortner, C., Griffith, J. D., Richardson, C. C. Purification and characterization of the bacteriophage T7 gene 2.5 protein. A single-stranded DNA-binding protein. J Biol Chem. 267 (21), 15022-15031 (1992).
  11. Frick, D. N., Richardson, C. C. DNA primases. Annu Rev Biochem. 70, 39-80 (2001).
  12. Lee, S. J., Richardson, C. C. Essential lysine residues in the RNA polymerase domain of the gene 4 primase-helicase of bacteriophage T7. J Biol Chem. 276 (52), 49419-49426 (2001).
  13. Cao, W., De La Cruz, E. M. Quantitative full time course analysis of nonlinear enzyme cycling kinetics. Sci Rep. 3, 2658 (2013).
  14. Wang, M. H., Zhao, K. Y. A simple method for determining kinetic constants of complexing inactivation at identical enzyme and inhibitor concentrations. FEBS Lett. 412 (3), 425-428 (1997).
  15. Johnson, K. A. Fitting enzyme kinetic data with KinTek Global Kinetic Explorer. Methods Enzymol. 467, 601-626 (2009).
  16. Johnson, K. A. A century of enzyme kinetic analysis, 1913. FEBS Lett. 587 (17), 2753-2766 (2013).
  17. Biswas, T., Resto-Roldan, E., Sawyer, S. K., Artsimovitch, I., Tsodikov, O. V. A novel non-radioactive primase-pyrophosphatase activity assay and its application to the discovery of inhibitors of Mycobacterium tuberculosis primase DnaG. Nucleic Acids Res. 41 (4), e56 (2013).
  18. Sanyal, G., Doig, P. Bacterial DNA replication enzymes as targets for antibacterial drug discovery. Expert Opin Drug Discov. 7 (4), 327-339 (2012).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Hernandez, A. J., Richardson, C. C. Kinetics of Lagging-strand DNA Synthesis In Vitro by the Bacteriophage T7 Replication Proteins. J. Vis. Exp. (120), e55312, doi:10.3791/55312 (2017).

View Video