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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
L'analyse double de règle d'ADN est développée pour déterminer la position d'ARNm pendant la translocation de ribosome, qui s'appuie sur les forces de dissociation des duplex d'ADN-ARNm formés. Avec la résolution d'un nucléotide simple et la capacité d'atteindre les deux extrémités de l'ARNm, il peut fournir des aperçus mécanistes pour la translocation de ribosome et sonder d'autres déplacements d'acide nucléique.
La translocation ribosome se réfère au mouvement ribosomal sur l'ARNm par exactement trois nucléotides (nt), qui est l'étape centrale dans la synthèse des protéines. Pour étudier son mécanisme, il y a deux exigences techniques essentielles. La première est la résolution mono-nt qui peut résoudre la translocation normale de frameshifting, au cours de laquelle le ribosome se déplace par d'autres que 3 nt. La deuxième est la capacité de sonder à la fois les côtés d'entrée et de sortie de l'ARNm afin d'élucider l'ensemble de l'image de la translocation. Nous rapportons l'analyse de règle d'ADN double qui est basée sur les forces critiques de dissociation des duplex d'ADN-ARNm, obtenues par spectroscopie de magnétisation résiduelle induite par la force (FIRMS). Avec la résolution de force de 2-4 pN, l'assay de double règle est suffisant pour distinguer différentes étapes de translocation. En mettant en œuvre un long lien sur les ANN sondants, ils peuvent atteindre l'ARNm de l'autre côté du ribosome, de sorte que la position de l'ARNm peut être déterminée pour les deux côtés. Par conséquent, l'exemple de règle double est particulièrement adapté pour étudier la translocation ribosome, et le mouvement de l'acide nucléique en général. Nous montrons des résultats représentatifs qui ont indiqué une conformation d'ARNm en boucle et résolu la translocation normale du changement de cadre.
Le déplacement biomoléculaire est un paramètre fondamental dans l'étude du mécanisme des fonctions biologiques connexes. Un exemple particulier est la translocation ribosome1,2, au cours de laquelle le ribosome se déplace par exactement trois nucléotides (nt) sur l'ARN messager (ARNm) normalement, et par un, deux, ou d'autres nombres de nt sauf trois dans le cas de frameshifting. Par conséquent, une résolution mono-nt du système de règle moléculaire est nécessaire pour distinguer les différentes tailles d'étape. Un plus grand défi est de sonder le mouvement ribosome sur les côtés d'entrée et de sortie. En d'autres termes, ce n'est qu'avec un système de double règle que nous serons en mesure de révéler si l'ARNm est fileté en douceur à travers le ribosome, ou il ya des étapes intermédiaires dans lesquelles les deux côtés ont des tailles d'étapes différentes conduisant à une conformation arnde plissée ou en boucle à l'intérieur de la Ribosome.
Plusieurs méthodes ont été développées pour relever le premier défi de résoudre différentes étapes sur le côté de sortie du ribosome (l'extrémité 3' de l'ARNm). Le double bifuséré résout les différents cadres de lecture en mesurant les rapports des différentes protéines résultantes3,4. Il n'est applicable que pour la fin 3' de l'ARNm et donc insuffisant pour fournir une image complète de la translocation. La spectrométrie de masse peut analyser les différents fragments de peptides comme conséquence des réarrangements de code correspondants5. Mais il ne peut pas identifier combien nt le ribosome se déplace sur l'ARNm. L'assay d'impression d'orteil est une autre méthode commune qui emploie une transcriptase inverse amorcée àl'extrémité 3'-distal pour transcrire l'ARNm vers le ribosome 6. Cependant, il n'est pas applicable pour la fin de 5' de l'ARNm qui entre dans le ribosome. D'autres techniques, y compris les approches à molécule unique et les méthodes de fluorescence7, sont difficiles à atteindre une résolution unique.
Nous avons développé le double test de règle d'ADN qui peut déterminer de façon unique les positions d'entrée et de sortie de l'ARNm découvert dans les complexes ribosome-mRNA. Les ADN souverains sont des oligomères de l'ADN qui forment des duplex de certains nombres de paires de base (bp) avec l'ARNm découvert par le ribosome, quelle que soit l'extrémité de l'ARNm. Les nombres de bp révèlent alors précisément la position de ribosome sur l'ARNm pendant la translocation. Les nombres de bp des duplex sont déterminés par leurs forces critiques de dissociation obtenues à partir de la spectroscopie de magnétisation résiduelle induite par la force (FIRMS)8. Avec l'incertitude de la force de 2-3 pN, les forces critiques sont suffisantes pour offrir la résolution simple-nt. En mettant en œuvre une molécule de liaison sur les règles d'ADN, le côté stérilement entravé de l'ARNm par le ribosome peut être sondé. Différents déplacements ribosomal peuvent ainsi être résolus avec précision. Nous avons avec succès révélé une conformation unique en boucle de l'ARNm piégé par les antibiotiques au cours de la translocation9, et résolu différents cadres de lecture qui coexistaient sur une séquence d'ARNm glissante10. Cet article décrit les détails de l'essai de règle double, qui incluent la préparation des complexes de ribosome, la fonctionnalisation de surface des glissières en verre, l'immobilisation des complexes de ribosome et leur hybridation avec la règle magnétiqued d'ADN molécules, la détection magnétique et l'analyse du spectre de force par firms.
1. Préparation des complexes de ribosome
2. Préparation de lames en verre recouvertes de biotine
3. Préparation de l'échantillon avant les mesures magnétiques et de force
4. Mesures magnétiques et de force
La figure 1 montre le schéma de détection et les photographies des principaux composants. La détection magnétique est réalisée par un magnétomètre atomique utilisant le schéma de balayage (Figure 1A)13. L'échantillon est placé sur une tige montée sur un moteur linéaire. Le moteur transporte l'échantillon au capteur atomique à l'intérieur d'un bouclier magnétique, puis de retour au site d'origine pour le déchargement. Le magnétomètre atomique détecte le signal magnétique pendant l'analyse de l'échantillon et a produit une trace de signal, avec le signal maximum lorsque l'échantillon est le plus proche du capteur. Figure 1 B montre la photo de l'instrument global. Les figures 1C,D montrent les photos de la station de magnétisation et de la centrifugeuse utilisée pour l'application de la force, respectivement.
Le principe de l'analyse de la règle de double ADN est indiqué dans la figure 2. Le complexe de ribosome est immobilisé à la surface par l'extrémité 5' de l'ARNm. Deux règles d'ADN sont conçues pour sonder la position exacte du ribosome, une pour chaque côté de l'ARNm. Le schéma d'immobilisation actuel rend le côté 3' facilement accessible pour les règles d'ADN sondant. Par conséquent, les oligomères d'ADN conjugués avec des perles magnétiques peuvent former des duplex avec l'ARNm découvert. Le côté 5', cependant, est stérilement entravé par le ribosome et la surface. Une molécule de liaison est donc nécessaire pour que l'ADN atteigne l'ARNm découvert de ce côté. En variant la longueur du linker, nous avons déterminé que lorsque le lien est plus long que 50 T, nous pouvons détecter un signal magnétique fort qui indique la formation réussie de duplex d'ADN-ARNm (Figure 2B). La corrélation de la force de dissociation à la longueur duplex est obtenue en variant le nombre de nt sur l'ADN qui sont complémentaires à l'ARNm. Les figures 2C,D montrent la corrélation pour les côtés 3'- et 5'- respectivement. Puisque la différence de force entre les duplex des longueurs consécutives est typiquement 12-20 pN et la résolution de force est typiquement 2-4 pN, nous atteignons systématiquement la résolution simple-nt pour la longueur des duplex d'ADN-ARNd basé sur leurs forces de dissociation.
La figure 3 présente les résultats de la translocation normale en l'absence et la présence de divers antibiotiques. La translocation est de MF-Pre à MF-Post (figure 3A). L'enset indique que MF-Pre porte vacant tRNAfMet et MF-tRNAPhe aux p- et A-sites, respectivement. MF-Post transporte tRNAfMet et MF-tRNAPhe sur les sites E- et P, respectivement, avec un site A vacant. Figure 3 B montre que sans antibiotiques, le ribosome se déplace par 3 nt des deux côtés (se déplaçant vers le 3'-end). C'est pour les raisons suivantes: (i) Les duplex DE l'ARNm d'ADN à la pièce 5' côté 12 bp et 15 bp forces de liaison dans MF-Pre et MF-Post, respectivement. (ii) Les duplex à l'extrémité 3' montrent un changement inversé de 15 à 12 bp (figure 3C). Cependant, lorsque l'acide fusidique et la néomycine sont présents, les spectres de force montrent que le ribosome ne se déplace que par 1 nt sur le côté 5' mais 2 nt sur le côté 3' (Figure 3D,E). Ce résultat indique que le ribosome s'est translogué par l'intermédiaire d'un mécanisme stepwise, résultant d'une conformation d'ARNm en boucle qui a un nt supplémentaire à l'intérieur du ribosome, qui n'a pas été expérimentalement révélé avant. Ceci est compatible avec la simulation théorique rapportée14. Alternativement, le ribosome peut être étiré pour couvrir 28 nt de l'ARNm, au lieu de l'habituel 27 nt15. Après avoir lavé les antibiotiques, la translocation normale se produit, comme en témoignent les mouvements de 3 nt des deux côtés de 5 et 3 (trace violette dans la figure 3D, E). La conformation en boucle ne se forme pas lorsque seul l'acide fusidique est utilisé. Les spectres de force sont compatibles avec le mouvement ribosome de 3 nt des deux côtés, semblable à la situation pour la translocation normale (Figure 3F,G). Le double jeu de règle révèle également que la viomycine a complètement inhibé la translocation, comme le montre le mouvement 0 nt des deux côtés (Figure 3H,I).
Nous avons également cherché à savoir si cette conformation en boucle peut se former sur des motifs de changement d'image "-1". Ici, la translocation des complexes MFNF-Pre et MFNF-Post se déroule sur le motif « U6A », qui s'est avéré faire partie du motif de changement d'image «-1 » dans le VIH16. Les figures 4A,B montrent que dans le MFNF-Post, le duplex de l'ARNM d'ADN est raccourci par 2 ou 3 nt à la 3'-extrémité; la longueur duplex augmente de 2 ou 3 nt aux extrémités de 5. Les résultats suggèrent la coexistence de la translocation normale et du changement d'image «-1 », le premier se corrélant avec le mouvement 3-nt et le second corrélé avec le mouvement de 2-nt. Le double gouvernement est capable de résoudre clairement les deux populations. Avec à la fois la néomycine et l'acide fusidique, nous observons que le ribosome se déplace par 2 nt à la 3'-extrémité, mais seulement 1 nt à la 5'extrémité, respectivement (Figure 4C,D). Par conséquent, la conformation d'ARNm en boucle a également lieu sur la séquence glissante. Lorsque seul l'acide fusidique est présent pour le MFNF-Pre (Figure 4E,F), le résultat est le même que celui de MFNF-Post dans les panneaux A et B (traces bleues), ce qui indique que l'acide fusidique seul n'est pas suffisant pour mettre en pause la translocation ou le changement de cadre. Par conséquent, il confirme que l'acide fusidique et la néomycine sont nécessaires pour les déplacements inégaux pour les deux côtés de l'ARNm.

Figure 1 : Instruments pour l'analyse de la règle de l'ADN double basée sur LES FIRMS. (A) Schéma de la détection magnétique. 1: échantillon et sa monture; 2: moteur; 3: capteur atomique et bouclier magnétique. (B) Photo du magnétomètre atomique et du système de manipulation d'échantillons. Les nombres indiquent les composants correspondants réels indiqués dans le schéma. Notez que le bouclier magnétique est à l'intérieur de la boîte en carton pour une meilleure stabilité thermique. (C) Station de magnétisation. (D) Centrifuge utilisé pour l'application de la force. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Double test de règle avec résolution mono-nt pour étudier la translocation ribosome. (A) Schéma de l'analyse de règle double, dans laquelle deux règles d'ADN sont conçues pour sonder respectivement les 5 et 3- extrémités. La ligne rouge indique le lien polyT. (B) Optimisation de la longueur du linker pour Ruler-In. (C) RÉSULTATS FIRMS pour déterminer les forces de dissociation des duplex entre Ruler-Ins et ARNm. (D) Forces de dissociation des duplex entre Ruler-Outs et ARNm. La barre d'erreur est définie comme le rapport entrele bruit de l'instrument et la diminution globale du signal magnétique (B 0), avec une valeur typique de 3 à 5 %. Figure a été reproduite avec la permission9. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Le sondage de translocation est sous l'influence de divers antibiotiques. (A) Schéma de sondage pour les complexes MF-Pre et MF-Post. L'enset indique les ribosomes schématiques dans Pre et Post, qui correspondent aux ovales solides et bordés de tirets, respectivement. (B, C) RÉSULTATS FIRMS sans antibiotiques. (D, E) Résultats avec l'acide fusidique et la néomycine. (F, G) Résultats avec l'acide fusidique seulement. (H, Je) Résultats avec la viomycine seulement. Panneaux gauches : utilisation de Ruler-In pour sonder le côté 5' ; panneaux droits : en utilisant Ruler-Out pour sonder le côté 3' Les barres d'erreur sont calculées de la même manière que celles du chiffre précédent. Figure a été reproduite avec la permission9. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : RÉSULTATS FIRMS de l'utilisation de deux règles pour sonder frameshifting. (A, B) MFNF-Pre et MFNF-Post sans antibiotiques. (C, D) Résultats avec l'acide fusidique et la néomycine. (E, F) Résultats avec seulement l'acide fusidique. Panneaux de gauche : en utilisant Ruler-In pour sonder le côté 5' ; panneaux de droite : en utilisant Ruler-Out pour sonder le côté 3. Les barres d'erreur sont calculées de la même manière que celles du chiffre précédent. Figure a été reproduite avec la permission9. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Aucun conflit d'intérêts potentiel n'a été signalé par les auteurs.
L'analyse double de règle d'ADN est développée pour déterminer la position d'ARNm pendant la translocation de ribosome, qui s'appuie sur les forces de dissociation des duplex d'ADN-ARNm formés. Avec la résolution d'un nucléotide simple et la capacité d'atteindre les deux extrémités de l'ARNm, il peut fournir des aperçus mécanistes pour la translocation de ribosome et sonder d'autres déplacements d'acide nucléique.
Ce travail est soutenu par les National Institutes of Health des États-Unis (R01GM111452, Y.W., S.X.). Y. W. reconnaît le soutien de la Fondation Welch (E-1721).
| Bande de styrène | Ville de l’industrie | MS-861 | |
| Lames de verre | Revêtements | évaporés | 60.0 × ; 4.0 × ; 0.3 mm3 |
| Acide acétique | Millipore Sigma | A6283-500ML | |
| 3-Aminopropyltriethoxysilane | UCT | spécialités 21400088 | |
| mPEG-SVA | Laysan Bio | 154-82 | |
| Biotin-PEG-SVA | Laysan Bio | 152-84 | |
| Bicarbonate de sodium | Millipore Sigma | S5761-500G | |
| Colle époxy | Devcon | 31345 | |
| Streptavidine | ThermoFisher | 434301 | |
| Acide fusidique | Millipore Sigma | F0756-1G | |
| Sulfate de néomycine | Millipore Sigma | 1458009 | |
| Sulfate de viomycine | Millipore Sigma | 1715000 | |
| Hygromycine | invitrogen | 10687-010 | |
| Tris-HCl | Millipore Sigma | T5941-100G | |
| Acétate de magnésium | Millipore Sigma | M5661-50G | |
| Chlorure d’ammonium | Millipore Sigma | A9434-500G | |
| Potassium chlorure | Millipore Sigma | P9333-500G | |
| EDTA | GIBCO | 774750 | |
| 2-mercaptoéthanol | Millipore Sigma | M6250-500ML | |
| Tween20 | Millipore Sigma | P1379-250ML | |
| GTP | Millipore Sigma | G8877-100MG | |
| PEP | Millipore Sigma | P7127-100MG | |
| Pyruvate kinase | Millipore Sigma | P1506-5KU | |
| Saccharose  ; | Millipore Sigma | S7903-5KG | |
| Dynabeads M-280 Streptavidin | ThermoFisher | 11205D | |
| mRNA Oligo Integrated | DNA Technologies | 133899727 | 5&prime ;-Bio- CAA CUG UUA AUU AAA UUA AAU AAA AAA AAU AAU AAU AAU AUG UUU AAU UAU UUU UU UGG CGC AAU CUA CUG CUG CUG AAC UC-3&prime ;   ; |
| DNA Oligo | Integrated DNA Technologies | 157468630 | 3 ?- TAA TTT AAT TTA ATT TTT CGA AAU AT50/TEGBio/-5 ?  ; |
| DNA Oligo | Integrated DNA Technologies | 164845370 | 3 ?-AAT TTA ATT TTT CCT TTA AAA AT50/TEGBio/-5'   ; |
| DNA Oligo | Integrated DNA Technologies | 157468628 | 3 ?-AAA ATC CCG CGT TAG AAC UGG GG/TEGBio/-5'   ; |
| DNA Oligo | Integrated DNA Technologies | 163472705 | 3 ?-CCG CGT TAG ATG ACG AGA ACG GG/TEGBio/-5'   ; |
| DNA Oligo | Integrated DNA Technologies | 138678130 | 3 ?-AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5' |
| DNA Oligo | Integrated DNA Technologies | 138678131 | 3 ?-T AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5'   ; |
| DNA Oligo | Integrated DNA Technologies | 138678132 | 3 ?-TT AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5 ?  ; |
| DNA Oligo | Integrated DNA Technologies | 138678133 | 3 ?-GTT AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5'   ; |
| Centrifugeuse | Eppendorf | 5427R | |
| Micro Ultracentrifugeuse | Hitachi | CS150FNX | |
| Mélangeur Vortex | VWR | VM-3000 | |
| Amplificateur Lock-In | Stanford Research Systems | SR530 | |
| Amplificateur Lock-In | Stanford Research Systems | SR830 | |
| Laser | Newport | TLB-6918-D | |
| Générateur de fonctions | Stanford Research Systems | DS345 | |
| Photodétecteurs | Thorlabs | DET36A |