ここでは、二枚の光学トラップされたマイクロスフェアの間に懸架単一のDNA分子と相互作用する単一の蛍光標識タンパク質分子を検出するための機器および方法が記載されている。
方法論記事
ここでは、二枚の光学トラップされたマイクロスフェアの間に懸架単一のDNA分子と相互作用する単一の蛍光標識タンパク質分子を検出するための機器および方法が記載されている。
この論文は、タンパク質-DNA相互作用の研究のための光ピンセットと単一分子蛍光検出の組み合わせについて説明しています。この方法は、溶液中で発生する相互作用を調査し(したがって、他の単一分子法のように表面が近接していることによる問題を回避し)、DNA伸長を制御し、機械的パラメータとDNA配列の両方の関数として相互作用ダイナミクスを追跡する機会を提供します。光トラップの成功と単一分子のナノメートル局在を確立する方法が示されています。Atto532で標識されたラクトースリプレッサー(lacI)と、LacI結合の特定の標的配列(オペレーター)を含むDNA分子との相互作用の研究を可能にする実験条件を示します。この方法により、オペレーターでの特異的な相互作用の観察や、ターゲット探索の過程でのタンパク質の一次元拡散が可能になります。この方法は、タンパク質-DNA相互作用の研究に広く適用できますが、パートナートラックポリマー(アクチンや微小管など)に加えられる張力の制御が望ましい分子モーターにも適用できます。
単一分子(SM)の技術が大幅に伝統的な、バルク溶液の測定1-3のいくつかの制限を克服する必要性に対応するために、過去30年にわたって開発してきた。単一の生物学的分子の操作は、バイオポリマー4の機械的特性を測定し、タンパク質-タンパク質5およびタンパク質-DNA相互作用6,7の機械的パラメータを制御する機会を作成した。 SMの蛍光検出は、一方で、ナノメートルの精度で単一分子を局在化および追跡の可能性をもたらす、 インビトロおよびインビボでのタンパク質活性を研究するための驚くほど用途の広いツールを表す。 SM画像に器具点広がり関数のフィッティングを介して、実際には、一方が信号対雑音比(SNR)に主に依存し、約1ナノメートル8,9の限界に達し精度で局在化を達成することができる。これらの方法論は強力見つけるモータータンパク質のダイナミクスの研究においてだけでなく、DNA結合タンパク質におけるターゲット探索の基礎となる拡散プロセスのアプリケーションに最適です。ターゲット上のDNA配列の機能、滞留時間などの拡散定数を決定し、正確に一次元拡散イベント中探求DNAの長さを測定する能力は、タンパク質-DNA相互作用の動力学の研究のための調査のための強力なツールを表す特定のターゲット探索のメカニズム。
最近では、これら2つの技術の組み合わせは、例えば、生物学的基質(例えば、アクチンフィラメント又はDNA分子)と相互作用パートナー酵素の検出/局在化(同時操作を可能にする実験装置10-14の新世代を生産しているミオシンまたはDNA結合タンパク質)。これらの技術の利点は、主にENAしたがって、捕捉されたポリマー上の機械制御を発揮する可能性に載る力又はトルクに対する相互作用のダイナミクスの研究をブリンブリン。また、方法は、古典的なSM方式、 すなわち、表面上の研究中の分子の固定化のための必要性(ガラススライドまたはマイクロスフェア)の主な制限の一つを避け、表面から遠い生化学的反応を測定することができる。
2単一分子技術の組み合わせは、15(nmの精度でローカライズが必要な場合は特に)は、主に機械的安定性および十分なSNRの要件に起因する、いくつかの技術的困難を克服する必要があります。特に、ノイズの低減を光ピンセットとSMの蛍光検出を結合し、捕捉赤外線レーザー16および生物学的複合体11が最重要である実験的測定の性能の組み立てのための生化学的なバッファのコントロールから光退色する。ここでは、正常に実行するための方法を記載デュアルトラップ/ SM蛍光ローカライズセットアップでの測定値。方法は、(Atto532付き)ラクトースリプレッサータンパク質(LacIリ)蛍光標識の例に示されており、それは、特定のLacI結合配列( すなわち、オペレータ)を含有する(二つの光ピンセットの間に閉じ込められた)DNA分子に結合するとして検出される。私たちは、ターゲット検索処理においてその輪郭に沿ってDNAと拡散のLacIの結合を検出する方法の有効性を示す。この方法は、DNA配列およびDNA結合タンパク質の任意の組み合わせの、並びに他のシステム(または微小管アクチンフィラメント及びそれらと相互作用するモータータンパク質)にも適用可能である。
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ナノ安定性を持つ1。光ピンセットのセットアップ
実験装置は、1%以下のトラップレーザーのナノメートルレベルと強度の変動で安定性を指し示す2つの光ピンセットを提供する必要があります。 、トラップの剛性(0.1 PN / nm)で測定帯域幅を(画像取得速度20秒-1) -これらの条件の組み合わせは、典型的な張力(pNの数十1 pNで)の下でダンベルのナノメートルの安定性を保証する。実験のスキームを図1に示されている。
ナノメートル精度で2単一分子の局在
3マイクロフルイディクス
バッファー交換と「ダンベル」アセンブリ、 すなわち、2つの光学的にトラップされたマイクロスフェアとの間に単一のDNA分子のアンカリング、特注の層状マルチチャンネルフローの正確な制御を実現するために、システムが開発されなければならない。これは、フローチャンバ、圧力リザーバ及び圧力制御システム( 図2)によって構成されている。
ビオチン化デオキシシチジン三リン酸と4 DNAテーリング(ビオチン-dCTPを)
DNA分子は、流下で捕捉されたビーズに係留その拡張を容易にするためには1μmよりも長くする必要があります。また、長いDNAは、DNA結合タンパク質を照らすからのIRトラッピング光を防ぐことができます。これは、IR光の吸収の増加退色で発色団励起された結果から、特別な関連性がある。注:本研究では、DNA分子は、3.7μmで長さであった。分子は、主演算子O1と二つの補助事業者をそれぞれ1コピーの3つのコピー、O2およびO3を含んでいた。これらの配列は、このように捕捉されたビーズとIRレーザービームからほぼ等距離生じる、分子の中央に挿入されている。
ATTO532と5。の標識タンパク質のチオール基
システイン残基の改変によってラベル付けすることは、タンパク質の活性を変化させなければなりません。この問題を克服するために、LacIリ変異体を使用し、LacIQ231C、whichは、タンパク質の安定性22に干渉しないことが示されている位置231、この変異体は、位置231での野生型および化学修飾の同じ特性が維持さのモノマーごとに1つのシステインを運ぶ。注:私たちはATTO532マレイミドを有するタンパク質を標識した。
6。複合光トラッピングと1分子蛍光イメージング実験
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成功した実験では、一つ(または複数)の標識タンパク質は、DNA分子( 図3A)に沿っ/アンバインドおよび/ または一次元拡散結合受ける。 DNA分子に沿ったタンパク質の局在化は、DNA配列の関数として動力学的パラメータの定量化を可能にする。 1次元拡散を引き起こすバッファー条件が適用されると、それは、拡散係数D 1D例えば、タンパク質の軌跡に従い、決定することが可能である。
単一のスポットの正確な位置は、各フレームにおいて、大きなデータセットを扱う場合に、より迅速な、最近発表されたアルゴリズム(ラジアルで、あるいは、二次元ガウス関数と点広がり関数(PSF)をフィッティング等により決定することができるシンメトリーセンター、RSC)26,27。後者の方法は、一般的にガウシアンフィッティングに匹敵する定位精度を達成すると、画像の最大半径方向の対称点を決定する。 BOで番目の場合は、追跡が自由に27アクセスできるMATLABルーチンを介して達成することができる。
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過去10年間で、単一分子マニピュレーションとイメージング技術は、空間および時間解像度の面で大きな進歩を見てきました。操作およびイメージング技術の組み合わせは、現在では、DNA、RNA、または細胞骨格フィラメントとして単一の生物学的ポリマーの機械的条件の制御を可能にする強力な器具のベースと、同じポリマーと相互作用する単一のタンパク質の同時局在化である。閉じ込められたポリマーの機械的条件を制御することが特に重要である。実際に、生細胞における、核酸は、連続的に酵素と相互作用するタンパク質によって引き起こされる機械的応力を受けている。同様に、相互作用するタンパク質や分子モーターの複雑なネットワークは、細胞骨格フィラメントの張力を調節する。一方、検出および正確に核酸と相互作用するタンパク質を局在化する可能性は、それらの経口の関数としての分子相互作用の測定を可能にするDNAまたはRNA配列に沿っsition。
単一分子操作とイメージング技術を組み合わせることにより、実験装置の慎重な設計と生物学的構造物を必要とします。光トラップは中断ポリマーのナノメートルレベルの安定性を確保し、安定した支持を提...
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著者らは開示するものは何もない。
私たちは、サンプル調製のヘルプのためのマイクロ流体とアレッシアTempestiniのヘルプはハイス·Wuite、アーウィンJGピーターマン、ピーターグロスに感謝します。本研究は、n 284464を°とRicerca 2013 RBFR13V4M2教育、大学·研究FIRB 2011 RBAP11X42L006、フトゥロイタリア省から、との枠組みの中でグラント契約の下で、欧州連合(EU)セブンス枠組み計画(FP7 / 2007年から2013年)によって賄われていたフラッグシップ·プロジェクトNANOMAX。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| エラストマーアイソレータ | ニューポート | ニューダンプ | 顕微鏡の重量と共振周波数に応じて適切なニューダンプエラストマーを選択してください |
| 研究用 | 光学アイソレータ | IO-3-YAG-VHP | |
| Nd:YAGレーザー、波長1,064nm | スペクトル物理学 | ミレニアニア赤外線 | |
| デフレクター(AOD) | A&オプトエレクトロニクス | DTS-XY 250 | |
| 、ダイレクトデジタルシンセサイザ、 | アナログデバイセ | ||
| クアドラント検出器、フォトダイオード、 | OSI、オプトエレクトロニクス | 、SPOT-15-YAG | |
| DIO、FPGAボード | 、ナショナルインスツルメンツ | 、NI-PCI-7830R | |
| 、ハロゲンランプ | 、ショット | 、KL 1500、LCD | |
| コンデンサ、 | オリンパス | 、U-AAC、1.4NAアプラナート、アプクロマー | |
| 、対物レンズ | 、ニコン | CFI、プラン、アポクロマート、60x、1.2NA、水浸、 | |
| 532nm、レーザー | コヒーレント | 、サファイア | |
| 、CCD、2000X、浜松& | nbsp; | XC-ST70 CE | |
| 電子増倍型CCD | 浜松 | C9100-13 | |
| ピエゾステージ、nm精度 | Physik Instrumente | P-527.2CL | |
| Emission Filter | Chroma Technologies | 600/100m | |
| シリカビーズ (1.54 mm) | Bangs Laboratories | SS04N/5303 | |
| Albumin from bovine serum (BSA) | Sigma Aldrich | B4287 | |
| Pentyl acetate | シグマアルドリッチ | 46022 | 液体および蒸気(No1272/2008) |
| ニトロセルロース | シグマアルドリッチ | N8267-5EA | 可燃性固体 (No.1272/2008) |
| ヒートブロック | MPM Instruments Srl | M502-HBD | (取り外し可能なブロック 2 個付き); 120 °C で予熱;C |
| NanoPortアセンブリ | Upchurch Scientific Inc. | N-333 | |
| ポリエーテルエーテルケトンチューブ | アップチャーチサイエンティフィック株式会社 | 1535 | |
| フローチャンバー圧力リザーバーの組み立て用自家製金属ホルダー | |||
| アーロックチップシリンジ2.5 ml | Terumo | SS 02LZ1 | |
| シャットオフバルブ | アップチャーチサイエンティフィック株式会社 | P-732 | |
| フランジレス継手 | アップチャーチサイエンティフィック株式会社 | LT-111 | |
| フッ素化エチレンプロピレンチューブ | アップチャーチサイエンティフィック株式会社 | 1549 | |
| 2つのコンピュータ制御ソレノイドバルブ | Clippard, Cincinnati, USA | ET-2-H-M5 | |
| 圧力トランスデューサ | Druck LTD | PTX 1400 | |
| biotin-14-dCTP | Life Technologies | 19518-018 | |
| 末端デオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ (TdT) | Thermoscientific | EP0161 | |
| ATTO532 maleimide | Sigma Aldrich | 68499 | |
| N,N-ジメチルホルムアミド (DMF) | シグマアルドリッチ | 227056 | 可燃性液体、皮膚吸収により有害です。刺激性、催奇形性。H226;H303;H312;H316;H319;H331;H360;P201;P261;P280;P305;P351;P338;P311 |
| トリス-(2-カルボキシエチル)ホスフィン塩酸塩(TCEP) | Sigma Aldrich | C4706 | |
| L-グルタチオン還元型(GSH) | Sigma Aldrich | G4251 | 急性毒性、経口(カテゴリー5)、H303 |
| Amicon Ultra-15、PLQK Ultracel-PL メンブレン、10 kDaカットオフスピン濃縮器 | クミリポアUFC901024 | ||
| ストレプトアビジンコーティングポリスチレンビーズ1.87µm | Spherotech, Inc. (英語) | SVP-15-5 |
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