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Research Article
Mark D Tully*1, Nicolas Tarbouriech2, Robert P Rambo3, Stephanie Hutin*4
1European Synchrotron Radiation Facility Structural Biology Group,Structural Biology Group, 2Institut de Biologie Structurale, University Grenoble Alpes, CEA, CNRS, 3Diamond Light Source, 4Laboratoire de Physiologie Cellulaire and Végétale,Université Grenoble Alpes/CNRS/CEA/INRA/BIG
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
SEC-BioSAXSの生体高分子の測定は、高分子とその複合体の溶液構造を決定するための標準的なアプローチです。ここでは、一般的に発生する2種類のSECトレース(完全に解決されたピークと部分的に解決されたピークを持つクロマトグラム)からのSEC-BioSAXSデータを分析します。散布図とBioXTAS RAWによる解析とデコンボリューションの実演を行う。
BioSAXSは、分子構造と構造生物学で使用される一般的な技術であり、溶液構造、粒子径と形状、表面対体積比、高分子および高分子複合体の立体構造変化を決定します。構造モデリング用の高品質の SAXS データセットは、単分散型の均一なサンプルからのものでなければならず、多くの場合、インラインクロマトグラフィーと即時 SAXS 測定の組み合わせによってのみ到達します。最も一般的には、サイズ排除クロマトグラフィーは、サンプルを分離し、単一のタンパク質種の十分に解決されたクロマトグラフィーピークからSAXS測定を行うことを可能にする目的の粒子から汚染物質および凝集を除外するために使用されます。それでも、場合によっては、インライン精製でさえ、複数の成分が互いに近すぎるか、または結合によって誘起される形状の変化が溶出時間を知覚する形の変化のために、単分散サンプルの保証ではない。これらの場合、混合物のSAXSデータをデコンボルテージして、個々の成分の理想化されたSAXS曲線を得ることができる可能性があります。ここでは、これを実現する方法を示し、SEC-SAXSデータの実用的な分析が理想的で困難なサンプルで行われます。具体的には、バクシニアE9DNAポリメラーゼエキソヌクレアーゼマイナス変異体のSEC-SAXS分析を示す。
生体高分子は、最もよい光学顕微鏡でも見るには小さすぎます。それらの構造を決定する現在の方法は、一般的にタンパク質を結晶化するか、同時に同一分子の膨大な数の測定を含みます。結晶学は原子レベルに関する情報を提供するが、ほとんどの高分子が細胞内の結晶形で提示されないことを考えると、人工的なサンプル環境を表す。ここ数年、クライオ電子顕微鏡は、大きな高分子/高分子錯体の同様の高解像度構造を提供したが、サンプルは生理学的状態に近いが、依然として凍結し、したがって不動で静的である。バイオ・小角X線散乱(BioSAXS)は、生物学に関連する条件で、高分子の構造測定を提供します。この状態は、ナノメートルスケールで決定された低解像度の3次元形状として視覚化でき、高分子の立体構造空間全体を溶液中に捉えることができます。BioSAXS実験は、オリゴマー状態、ドメインおよび複雑な配置、ならびにドメイン1、2、3間の柔軟性を効率的に評価する。この方法は正確で、ほとんどが非破壊的であり、通常は最小限のサンプル調製と時間しか必要としない。しかし、データを最もよく解釈するには、サンプルを単分散にする必要があります。これは難しいことです。生体分子は、汚染の影響を受けやすい、精製不良および凝集性、例えば凍結解凍4.インラインクロマトグラフィーの開発と SAXS 測定の即時測定により、これらの効果を軽減できます。サイズ排除クロマトグラフィーはサンプルをサイズによって分離するため、ほとんどの汚染物質と凝集体を除外します5,6,7,8,9,10.しかし、場合によっては、SEC-SAXSでさえ、単分散サンプルを生成するのに十分でない場合があり、混合物はサイズが近すぎる成分またはその物理的性質またはそれらの高速ダイナミクスがSEC UVトレースのピークを重ねることにつながる可能性があるためです。これらの場合、取得したSAXSデータのソフトウェアベースのデコンボリューションステップは、個々のコンポーネント5、11、12の理想化されたSAXS曲線につながる可能性があります。一例として、プロトコルセクション2において、DNAとの複合体におけるワクシニアE9DNAポリメラーゼエキソヌクレアーゼ-変異体(E9exoマイナス)の標準的なSEC-SAXS分析を示す。ワクシニアは、ポクスウイルス科のモデル生物を表し、いくつかの病原体、例えばヒト天然痘ウイルスを含むファミリーである。ポリメラーゼは生化学的アプローチでDNAと緊密に結合することが示され、この複合体の構造は最近X線結晶学13によって解された。
ほとんどのシンクロトロン施設は、データの正規化と統合を行い、一連の減算されていないフレームを生成する自動化されたデータ処理パイプラインを提供します。しかし、この原稿に記載されているアプローチは、SEC-SAXSが実行されていれば、ラボソースでも使用できます。さらに、放射線損傷フレームを拒絶し、バッファ減算14を実行する追加の自動化が利用可能である可能性がある。前処理データに対してプライマリデータ分析を実行し、利用可能なデータを最大限に活用する方法をセクション2で説明します。
セクション3では、SEC-SAXSデータをデコンボルドし、曲線を効率的に解析する方法を示します。ガウスピークデコンボリューションのようないくつかのデコンボリューション方法があるが、US-SOMO15およびギニエ最適化された最大限の尤度法で実施され、DELAソフトウェア16で実施され、これらは一般的にピーク形状12のモデルを必要とする。我々が調査している個々のピークの有限サイズは、ピーク形状または散乱プロファイル5、11に依存することなく、重なり合うピークをデコンボリューションする特異値分解(SVD)の強化された形態として、進化因子分析(EFA)を使用することを可能にする。SAXS 固有の実装は BioXTAS RAW17にあります。EFAは、2Dダイオードアレイデータが保持時間および波長データ18に対する吸光度からマトリックスを形成することを可能にした場合にクロマトグラフィーデータに最初に使用された。EFAが優れているのは、単数形値の進化する性格、新しいコンポーネントの出現に伴ってどのように変化するかを、取得10に固有の順序があるという警告を付ける点です。幸いにも、SEC-SAXS データは、組織化された 2D データ配列に必要なすべての順序付き取得データを提供し、EFA 技術に適しています。
セクション 4 では、SAXS 曲線を引いたバッファバックグラウンドからモデル非依存 SAXS 解析の基本を説明します。モデルに依存しない解析では、パーティクルのジャイロ半径(Rg)、相関体積(Vc)、多孔質体積(Vp)、およびポロドデバイ指数(PE)が決定されます。この解析では、無次元のクラッキープロット2、4、19を介して、粒子の熱力学的状態を、コンパクトさまたは柔軟性の観点から半定量的に評価することができます。
最後に、SAXSデータは相互空間単位で測定され、SAXSデータを実空間に変換してペア距離P(r)分布関数を回復する方法を示します。P(r)分布は、パーティクル内で見つかったすべての距離のセットで、パーティクルの最大次元 dmaxが含まれます。これは熱力学的測定であるため、P(r)分布は、パーティクルの立体空間が占める物理的空間を表します。SAXS データセットを適切に分析することで、結晶学やクライオ EM の高解像度情報を補完するソリューション状態の洞察を提供できます。
1. タンパク質発現、精製およびSEC-SAXS測定は、公表されたプロトコル13に基づいています
2. 一次データ分析
3. データのデコンボリューション
4. SAXS プロパティの決定
注: SAXS の決定に関する詳細なチュートリアルは、Bioisis.netにあります。ここでは、スキャッタで最も便利なボタンを強調する基本的なステップバイステップアプローチを示します。
古典的なフレーム選択13に対するデコンボリューションを用いる利点は、種が互いに及ぼす影響を取り除き、単分散散乱信号を生成する。これは、多くの場合、より良い信号対ノイズ比が続きます。E9 exoマイナスがDNAに結合し、SEC-SAXSを使用して実行されると、2つのピークが観察されます(図1)。最初の大きなピーク(フレーム 420\u2012475)は、E9 exoマイナス-DNA 複合体(フレーム 475\u2012540 およそフレーム)、非バインド状態です (補足データ: 図 2を参照)。フレームを選択する古典的なアプローチは、第1のピークで複合体の安定したRgを提供しますが(補足データ:図3を参照)、第2のピークは明確にマージされ、プロット全体のRgは、対象の第2のピークがクロスピーク汚染のために安定したRgを持っていないことを示しています。半安定したRgを示す5フレームのみ使用することができ、減算するとRg = 36.3 Å(図2、緑)を与えた。第2のピークに対応する曲線をEFAを用いてデコンボルチングした場合(図2、青)を元のピークに重ね合わし、ノイズへの信号の明らかな減少を示し、低Rg、34.1Åを記録した。クラッキープロット(図3)は、デコンボルトピーク(青)がより球状である複合体を示しています。これは、デコンボルト曲線(青)に対してd max 108.5 Åを与えるP(r)曲線(図4)によって確認され、非デコンボルートはdmax 120 Å(緑)でより細長く、これは非結合E9 exoマイナスから生じる不均質性に起因する可能性が最も高い。

図1:E9 exoマイナス 単独で、DNAを複合体で示すシグナルプロット
上部パネルには、SEC-SAXS の各フレームの背景に対する積分比のプロットが表示されます (水色)。赤い点は、ピーク上の各フレームのRgを示しています。下のパネルには、ダービン・ワトソンの自己相関分析に従って色付けされた各フレームの残差を示す対応するヒートマップが表示され、類似度の高い領域はシアン色で着色され、異なるフレームは暗い青色からピンクに続き、最後は異なる類似性の重症度に応じて赤に続く。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:強度と散乱ベクトルのプロット
減算された SAXS データのオーバーレイは、E9 exoマイナス を形成します。緑色の 5 フレーム (フレーム 517\u2012522) 平均と半安定 Rg の領域から差し引くと青 で、SEC-SAXS ピークの EFA デコンボリューションに由来する代表的な散乱曲線。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:無次元のクラッキー曲線
デコンボルト(青)と非デコンボルート(緑色)クラッキー曲線のオーバーレイは、E9 exoマイナス を示し、球状である。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:P(r)曲線
E9 exoマイナスのデコンボルト(青)および非デコンボルト(緑)曲線のオーバーレイ。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
著者らは開示するものは何もない。
SEC-BioSAXSの生体高分子の測定は、高分子とその複合体の溶液構造を決定するための標準的なアプローチです。ここでは、一般的に発生する2種類のSECトレース(完全に解決されたピークと部分的に解決されたピークを持つクロマトグラム)からのSEC-BioSAXSデータを分析します。散布図とBioXTAS RAWによる解析とデコンボリューションの実演を行う。
我々は、フランスの助成金REPLIPOX ANR-13-BSV8-0014からのプロジェクトに対する財政的支援と、サンテ・デ・アルメサービスとデレギュレーション・ジェネラルからの研究助成金による資金援助を認める。SAXSビームタイムに対してESRFに感謝しています。この作品はグルノーブル・コンストラクテリックセンター(ISBG;)UMS 3518 CNRS-CEA-UGA-EMBL)は、FRISBI(ANR-10-INBS-05-02)とGRALが支援する構造生物学のためのグルノーブルパートナーシップ(PSB)内で、グルノーブル・アルプ大学大学院(エコールズ大学デ・レシェルシュ)CBH-EUR-GS(ANR-17-EU-000)内で資金を調達しました。IBSは、グルノーブル学際研究所(CEA)への統合を認めています。Wim P. Burmeister と Frééric Iseni の財政的および科学的なサポートに感謝し、また、APS の BioCAT のジェシー・ホプキンス博士の助けと BioXTAS RAW の開発に感謝します。
| ビームライン制御ソフトウェア BsXCuBE | ESRF | Pernot et al. (2013), J. Synchrotron Rad. 20, 660-664 | local development |
| BioXTAS Raw 1.2.3. | MacCHESS | http://bioxtas-raw.readthedocs.io/en/latest/index.html | 2008年に生物学的X線総合分析システム(BioXTAS)プロジェクトの一環として、Soren Skouによって最初に開発されました。それ以来、広範囲に開発され、最近ではJesse B. Hopkins |
| HPLCプログラムLabSolutions | Shimadzu | n.a.ISPyB | |
| ESRF | De Maria Antlinos et al. (2015)によって行われています。Acta Cryst. D71、76から85。 | ローカル開発 | |
| NaCl | VWR Chemicals (BDH Prolabo) | 27808.297 | Scatter Diamond Light Source Ltd http://www.bioisis.net/tutorial/9|
| SIBYLSビームライン(ALSバークレー、Ca)およびBruker Cororation(カールスルーエ、ドイツ)によってサポートされています | |||
| Superdex 200 Increase 5/150 GLカラム | GEヘルスケア | 28990945 | SEC-SAXSカラムは |
| Trisベース | Euromedex | 26-128-3094-B | を使用しました |