이 연구 결과는 단일 분자 형광 공명 에너지 전달 (FRET)를 사용하여 이중 가닥 DNA의 반복 역학을 측정하는 상세한 실험 절차를 제공합니다. 이 프로토콜은 또한 J 인자라는 반복 확률 밀도를 추출하는 방법에 대해 설명합니다.
방법 논문
이 연구 결과는 단일 분자 형광 공명 에너지 전달 (FRET)를 사용하여 이중 가닥 DNA의 반복 역학을 측정하는 상세한 실험 절차를 제공합니다. 이 프로토콜은 또한 J 인자라는 반복 확률 밀도를 추출하는 방법에 대해 설명합니다.
이중 가닥 DNA (dsDNA)의 굽힘은 DNA와 단백질의 인식과 뉴 클레오에 DNA 포장과 같은 많은 중요한 생물 학적 과정과 연관되어 있습니다. dsDNA 굽힘의 열역학은 공유 dsDNA의 짧은 끈적 끝을 가입 DNA 리가 아제에 의존하는 방법이라는 고리 화 반응에 의해 연구되고있다. 그러나, 결찰 효율 등의 DNA 결합 끈적 단부를 둘러싸는 구조, 및 연결 효소로 반복 dsDNA 관련되지 않은 많은 요인에 의해 영향을받을 수있다 또한 비특이적 결합과 같은 메커니즘을 통해 명백 반복 레이트에 영향을 미칠 수있다. 여기, 우리는 FRET (형광 공명 에너지 이동)에 의하여 과도 DNA 루프 형성을 감지하여 리가없는 dsDNA의 반복 반응 속도를 측정하는 방법을 보여줍니다. dsDNA 분자 FRET 쌍과 비오틴 링커 간단한 PCR 기반 프로토콜을 사용하여 구성됩니다. J 인자로 알려진 루핑 확률 밀도 두 disconnec 사이 반복 속도와 어닐 레이트로부터 추출테드 스티커 끝. 다른 고유 곡률 두 dsDNAs을 테스트함으로써, 우리는 J 계수가 dsDNA의 고유 형상에 민감하다는 것을 보여줍니다.
dsDNA의 기계적 특성을 이해하는 것은 기초 과학 및 공학 응용 프로그램에서 기본 중요하다. 연속적인 염기쌍 사이의 롤, 상하 이동 및 비틀림 각 시퀀스에 따라 달라질 수 있기 때문에 dsDNA의 구조는 직선 나선형 사다리보다 더 복잡합니다. 열 변동은 dsDNA는, 굽힘 비틀림과 스트레칭 등의 구조적 변동의 다양한 모드를 받아야하는 원인이 될 수 있습니다. 이러한 용융 및 꼬임으로 전환은 극단적 인 조건에서 발생할 수 있습니다.
이러한 움직임 가운데, dsDNA의 굴곡이 가장 눈에 띄는 생물에 미치는 영향 1 있습니다. dsDNA 구부리는 서로 가까운 두 먼 사이트를 가져와 유전자 억제 또는 활성화와 연결되어 있습니다. 또한 DNA를 세포 핵 내부의 포장 또는 바이러스 캡시드에 중요한 역할을한다. dsDNA의 굴곡 변형은 고해상도 현미경 (AFM 2 TEM 3), 및 thermodyn에 의해 실험적으로 시각화 할 수 있습니다amics과 반응 속도는 화학적으로 dsDNA의 병렬 사이트를 링크 반복 분석에 의해 연구 될 수있다.
하나의 분석은 리가에 의존하는 고리 화 4입니다. 이 분석에서 '끈적 끈적한'(응집력) 끝 dsDNA 분자 고리 화하거나 DNA 리가 아제에 의해 이량. 원형 및 이량 체의 비율을 비교하여, 하나는 J 인자로 알려져 타단 근방의 DNA의 일단의 효과적인 몰 농도를 얻을 수있다. 이 J 계수 타단으로부터 짧은 거리에서 DNA의 일단을 찾는 확률 밀도 치수와 동일하며, 따라서 DNA의 유연성을 반영한다. DNA 길이의 함수 J의 계수를 측정하는 것은 지속성 길이 4,5 포함한 DNA 기계에 대한 다양한 특성을 보여준다.
웜과 같은 체인 (WLC) 모델은 널리 expla에서의 성공을 기반으로 dsDNA 역학에 대한 정식 폴리머 모델로 여겨왔다DNA 실험 6 당기는 제대로 이상 200 bp의 7보다 dsDNAs의 J 요인을 예측에서 얻은 힘 - 신장 곡선 ining. 그러나, 100 bp의 짧게 dsDNA 분자의 고리 화 반응의 분석을 사용하여, Cloutier와 Widom는 WLC 모델 예측 8보다 몇 배의 크기로 J 요인을 측정했다. 년 후, 뒤 등. 리가 아제의 낮은 농도로 고리 화 분석법을 사용 WLC 모델과 일치 J 인자 생산 Widom 그룹에서 구를 사용한 높은 리가 아제 농도에 비정상적인 결과를 기인. 기존의 분석 9를 사용하는 경우이 논쟁은 고리 화 반응 속도에 DNA 리가 아제의 피할 수없는 영향을 예시한다. 또한, DNA 리가 아제는 비특이적 결합 10,11 통해 DNA 구조 및 강성에 영향을 미칠 수있다.
단백질에 의존하는 고리를 이루는 분석의 기술적 인 문제를 제거하기 위해, 우리는 최근 제자를 보여 주었다형광 공명 에너지 전달 (FRET) 12을 기준으로 EIN이없는 루프 분석. 이 방법에서, 루프 형 배좌는 DNA 분자의 끈끈한 단부 부근 부착 공여체와 수용체 사이의 FRET에 의해 감지된다. 대물 형 전반사 형광 현미경 (TIRFM)는 가역 루프와 오랜 기간 동안 표면에 고정화 한 DNA 분자로부터 unlooping 이벤트의 궤적을 기록하는 데 사용된다. 이 방법은 Vafabakhsh과 하 (13)에 의해 유사한 방법에 중요한 개선 불일치없는 DNA 분자를 생성하는 DNA 분자의 PCR 기반의 어셈블리를 제공합니다. 이 프로토콜의 단일 분자 측면은 FRET 측면이 하나라도 리가 활동에 악영향을 줄 수 조건에서, 같은 분자에서 반복 DNA 고리를 이루는 역학을 측정 할 수있는 동안뿐만 아니라 분포의 측정이 평균 앙상블 할 수 있습니다.
TIRFM 설정은 그림 1에서 볼 수있다. 사용자 정의보기디자인 표본 단계는 올림푸스 IX61 현미경 몸에 배치됩니다. 532 nm 내지 640 nm의 레이저는 측면에서 도입 및 커버 슬립 - 물 계면에 입사 임계각을 달성하기 위해 높은 NA 대물 렌즈에 작은 타원형 미러 (14)에 의해 반사된다. 우리는 더 널리 이색 거울이나 프리즘 기반 TIR의 설정을 사용하여 관통 목적 TIR도이 FRET 응용 프로그램에 사용할 수 있습니다. 현미경에 의해 형성되는 형광 이미지는 다이크로 익 미러에 의해 기증자와 수용체의 이미지로 분할됩니다. 그런 다음 EMCCD의 두 반쪽에 이미지를 다시됩니다. 추가의 롱 패스 배출 필터는 배경 신호를 감소시키기 위해 사용된다.
온도 조절은 재현 운동 데이터를 획득하기위한 필수적입니다. 온도 제어를 위해, 대물가 온도 조절 칠러 / 히터에서 열 전달 및 물을 최소화 현미경 본체의 노즈 피스로부터 분리되어 단단히 끼워 황동 고리를 통해 순환된다목적 재킷 아래의 내부 금속의 주위에. 이 설정은 15 ~ 50 ° C 사이의 커버 슬립 표면 (그림 2)에서 강력한 온도 제어를 달성 할 수있다. 본 연구에서는 샘플 온도는 24 ° C를 유지 하였다
다음 프로토콜은 DNA의 구조, DNA 모양의 추정, 단일 분자 실험 및 J 인자 결정을위한 단계별 절차를 제공합니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
1. dsDNA 샘플 준비
2. 젤 전기는 dsDNA 곡률을 감지하는
3. 셀 준비 흐름
트롤 솔루션 4. 준비
5. 싱글 몰ecule 이미징
6. 이미지 처리 및 데이터 분석
NOTE : 256 X 256 화상의 시계열를 Cy3 및 Cy5의 강도의 단일 분자 시간 트레이스를 생성하는 MATLAB 코드에 의해 처리된다. 기증자 채널 및 분할보기 이미지의 수용체 채널 사이의 픽셀 쌍을하려면를 Cy3와 Cy5에 반점이 6 ~ 7 쌍, 균등하게 시야에 분산 동일한 분자에서 각 쌍은, 수동으로 아핀 변환에게 포착하고있다 앵커 지점으로이 지점의 좌표를 사용하여 계산됩니다.
높은 FRET 값과 낮은 FRET 값으로 unlooped 상태와 루프 상태를 할당합니다.
biphasically 증가하면 두 지수 함수로 적합 할 수있다 :
이 경우, K의 루프로부터 획득된다 :
NOTE : 이론적 중합체는 시간 t에서 반복하지 않았다고 생존 확률은 단일 또는 이중 지수 함수 12 아니다. 지수 FITTING는 평균 반복 시간을 추출하는 실용적인 수단으로서 사용된다. 7. J 인자를 결정
NOTE : J 팩터는 dsDNA의 일단은 타단 주위 얼마나 농축 나타낸다. 그것은 측정 반복 속도로 타단 세그먼트와 동일한 반응 속도를 생산할 DNA의 일단 세그먼트의 농도 보간에 의해 결정될 수있다. 실험적으로, 일단 세그먼트는 표면에 고정되고, 타 단부 세그먼트는 특정 농도 C에 도입된다. 양단 간의 측정 어닐 레이트 K 어닐링이면 J 인자 21에 의해 주어진다
. 어닐링 속도 상수 (k = K 어닐링 어닐링 / C)는 프로브의 농도와 무관하다.
(k 어닐링)을 얻었다.
, k 개의 루프가 동일한 완충액 조건에서 측정 반복 속도이다. 액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
반복 연구에 사용되는 DNA 분자는 변수 순서와 길이와 서로 보완적인 단일 가닥 오버행의 이중 지역으로 구성되어 있습니다. 7 -베이스 긴 오버행은, 루프 형의 상태를 캡처하기 위해 서로에 어닐링 할 수있다. 각 오버행 아미 다이 화학을 통해 DNA 백본에 연결되어를 Cy3 또는 Cy5에 하나가 포함되어 있습니다. Cy5에 오버행은 표면 고정화 (그림 4A 참조) 비오틴 - TEG (15 원자 테트라 에틸렌 글리콜 스페이서)와 연결되어있다. 이러한 모든 수정은 PCR-기반 프로토콜 (프로토콜 1 및도 3b) 다음 dsDNA에 혼입 될 수있다. 오버행의 선택의 길이와 순서는 일반 실험 조건에서 검출 뒤집을 FRET 이벤트를 생산하기 위해 잘 작동합니다. 루핑 및 DNA 루프 unlooping 속도론은 주위 온도에 민감하기 때문에, 온도 제어기는 재현성이 필수적이다. 이러한 관제사뮬러 용이 현미경 (도 2)에 혼입 될 수있다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
FRET 기반으로 간단한 단일 분자 분석은 서로 다른 고유 한 모양의 DNA를 루프의 속도를 연구하는 데 사용되었다. 곡선 DNA를 10.5 BP의 헬리컬주기 위상이 10 - 머 서열을 반복함으로써 제조 할 수 있고, 그 곡률 PAGE를 이용하여 추정 될 수있다. 이 dsDNAs 과도 루프 안정화 할 수 있도록 스티커 끝으로 설계되어 있습니다. 우리는 시간이 지남에 따라 반복 분자의 수의 지수 상승에서 반복 속도를 추출. 끊어진 점착 말단 분절 사이 어닐링 속도 상수는 J 인자로 알려진 루핑 확률 밀도의 농도 당량을 결정하기 위해 사용된다.
리가 아제 기반 DNA 환화 검정법에서 DNA 마감 확률 측정 리가 제의 농도에 민감하고, 리가 아제는 9 과도한 경우 J 팩터는 과대 평가 될 수있다. DNA를 DNA 리가 아제의 비특이적 결합은 루프 (10)에 영향을 미칠 수있다. 또한, ligas전자 활동은 소금에 따라 시간이 지남에 붕괴. 그...
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
저자는 관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.
우리는 비판적으로 원고를 읽는 제임스 워터스, 이블 워즈워스와 보 브로드 감사합니다. 우리는 또한 우리의 유용한 의견을 제공하는 네 개의 익명의 검토를 부탁드립니다. 우리는 조지아 공업 대학교, 과학 인터페이스에서 버로우즈 웰컴 기금 경력 상 및 리빙 시스템의 NSF 물리학에서 학생 연구 네트워크 지원 사업 재정 지원을 인정합니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| Small DNA FRAG 추출물 키트-100PR | VWR | 97060-558 | |
| 아크릴아미드 40% 용액 500ml | VWR | 97064-522 | |
| 비스-아크릴아미드 2%(w/v) 용액 500ml | VWR | 97063-948 | |
| GeneRuler 100bp DNA 사다리, 100-1,000bp | 발효 | SM0241 | |
| 미니 수직 PAGE 시스템 | VWR | 89032-300 | |
| 주사기 필터 0.2 μ m CS50 | VWR | A2666 | |
| Trolox | Sigma-Aldrich | 238813-1G | 삼중 항 상태 소광제 |
| Protocatechuic acid (PCA) | Sigma-Aldrich | 08992-50MG | 산소 소거 |
| Protocatechuate 3,4-Dioxygenase (PCD) | Sigma-Aldrich | P8279-25UN | 산소 소기 시스템 |
| mPEG-silane, MW 2,000 1 g | Laysan Bio | MPEG-SIL-2000-1g | |
| 비오틴-PEG-실란, MW 3,400 | Laysan Bio | 비오틴-PEG-SIL-3400-1g | |
| Avidin, NeutrAvidin 비오틴 결합 단백질 | Invitrogen | A2666 | |
| Phusion Hot Start High-Fidelity DNA Polymerase | New England Biolabs | F-540L | |
| Gel/PCR DNA Fragments 추출 키트 | IBI Scientific | IB47020 | |
| 프리미엄 일반 유리 현미경 슬라이드 | Fisher | Scientific 12-544-1 | |
| VWR 마이크로 커버 유리, 직사각형, no. 1 | VWR | 48404-456 | |
| Fisher Scientific Isotemp 1006S 순환 냉각기/히터 | Fisher Scientific | 온도 제어 | |
| Objective Cooling Collar | Bioptechs | 150303 | 온도 제어 |
| KMI53 Biological 마이크로미터 측정 단계 | Semprex | KMI53 | |
| 고성능 DPSS 레이저 532 nm 50 mW | Edmund optics | NT66-968 | Cy3 excitation |
| CUBE Fiber Pigtailed 640 nm, 30 mW, Fiber, FC/APC Connector | Coherent | 1139604 | Cy5 excitation |
| 650 nm BrightLine Dichroic Beamsplitter | Semrock | FF650-Di01-25x36 | splitting dichroic |
| LaserMUX 빔 결합기, 514.5, 532 및 반사 543.5 nm 레이저, 25 mm | Semrock | LM01-552-25 | 결합 이색성 |
| Brightline 형광 필터 593/40 | Semrock | FF01-593/40-25 | Cy3 방출 필터 |
| 635 nm EdgeBasic LWP 장역 통과 필터, 25 mm | Semrock | BLP01-635R-25 | Cy5 방출 필터 |
| EMCCD iXon+ | Andor Technology | DU-897E-CS0-#BV | |
| IX51 도립 현미경 프레임 | Olympus | ||
| Objective UApo N 100X/1.49 Oil TIRF | Olympus | ||
| Immersion oil type-F for fluorescence microscopy | Olympus | IMMOIL-F30CC | |
| 2 mm 직경 45° 로드 렌즈 알루미늄 코팅 | Edmund optics | 54-092 | 미니어처 미러 |
| 1/4" 여행용 단축 번역 스테이지 | Thorlabs | MS-1 | 미니어처 미러 |
| Oslash 번역; 1" 무채색 이중, ARC: 400-700 nm, f=200 mm | Thorlabs | AC254-200-A | 초점 렌즈 |
| 조절 가능한 기계식 슬릿 | Thorlabs | VA100 | |
| 유전체 미러 | Thorlabs | BB1-E02 | |
| Ø 1" 무채색 더블릿, f = 100 mm | Thorlabs | AC254-100-A | 릴레이 렌즈 |
| 렌즈 마운트 Ø용; 1" 광학 | Thorlabs | LMR1 | |
| 다이크로익 필터 마운트 | Thorlabs | FFM1 | |
| 고정 케이지 큐브 플랫폼 | Thorlabs | B3C | |
| Kinematic Mount for Ø 1" 광학 | Thorlabs | KM100 | |
| N-BK7 플라노-볼록 렌즈, Ø 1", f = 40 mm | Thorlabs | LA1422-A | 콜리메이팅 렌즈 |
| N-BK7 플라노-볼록 렌즈, Ø 6.0 mm, f = 15 mm | Thorlabs | LA1222-A | 망원경 렌즈 |
| N-BK7 Plano-Convex Lense, Ø 6.0mm, f = 150mm | Thorlabs | LA1433-A | 망원경 렌즈 |
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청
허가 요청