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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
이중 DNA 눈자 분석은 형성된 DNA-mRNA 이중의 해리력에 의존하는 리보솜 전좌 동안 mRNA 위치를 결정하기 위하여 개발됩니다. 단일 뉴클레오티드 분해능과 mRNA의 양 단에 도달하는 기능을 통해 리보솜 전좌에 대한 기계적 통찰력을 제공하고 다른 핵산 변위를 조사할 수 있습니다.
리보솜 전좌는 단백질 합성에 있는 중앙 단계인 정확하게 3개의 뉴클레오티드 (nt)에 의해 mRNA에 리보솜 운동을 나타납니다. 메커니즘을 조사하기 위해 두 가지 필수 기술 요구 사항이 있습니다. 첫 번째는 리보솜이 3 nt 를 제외한 다른 것으로 이동하는 동안 프레임 변속에서 정상적인 전좌를 해결할 수있는 단일 nt 해상도입니다. 두 번째는 전좌의 전체 그림을 해명하기 위해 mRNA의 입구와 출구 측면을 모두 조사 할 수있는 기능입니다. 우리는 힘 유도된 잔재 자화 분광학에 의해 장악된 DNA-mRNA 이중의 중요한 해리력에 근거를 둔 이중 DNA 통치자 분석법을 보고합니다 (FIRMS). 2-4 pN 힘 분해능을 사용하면 이중 눈자압 분석이 서로 다른 전좌 단계를 구별하기에 충분합니다. 프로빙 DRNA에 긴 링커를 구현함으로써, 그들은 리보솜의 반대편에 있는 mRNA에 도달할 수 있고, 그래서 mRNA 위치는 양측을 위해 결정될 수 있다. 따라서, 이중 눈금자 분석은 리보솜 전좌 및 일반적으로 핵산 운동을 조사하는 데 유일하게 적합하다. 우리는 루프 mRNA 형태와 프레임 변속에서 정상 전좌를 해결 한 대표적인 결과를 보여줍니다.
생체 분자 변위는 관련 생물학적 기능의 메커니즘을 연구하는 근본적인 매개 변수입니다. 한 가지 특별한 예는 리보솜 전좌1,2,리보솜이 메신저 RNA(mRNA)에 대해 정확히 3개의 뉴클레오티드(nt)에 의해 정상적으로 이동하는 동안, 그리고 3개를 제외한 1, 2, 또는 다른 수의 nt가 프레임 변속. 따라서, 분자 눈금자 시스템 단일-nt 해상도는 상이한 단계 크기를 구별하는 데 필요하다. 더 큰 과제는 입구와 출구 양쪽 모두에서 리보솜 움직임을 조사하는 것입니다. 즉, 이중 눈금자 시스템으로만 mRNA가 리보솜을 통해 원활하게 스레드되는지, 또는 양측이 서로 다른 단계 크기를 가지는 중간 단계가 있는지 여부를 밝힐 수 있을 것입니다. 리보솜.
리보솜의 출구 측에 있는 다른 단계를 해결하는 첫번째 도전을 해결하기 위하여 몇몇 방법 (mRNA의 3' 끝)를 해결하기 위하여 개발되었습니다. 이중 루시퍼라제 분석기는 생성된 상이한 단백질의 비율을 측정하여상이한 판독 프레임을 3,4로해결한다. 그것은 단지 mRNA의 3' 끝에 적용 하 고 따라서 전좌의 전체 그림을 제공 하기 위해 부족. 질량 분석법은 대응하는 코드 재배열의 결과로 상이한 펩티드단편을 분석할 수 있다 5. 그러나 mRNA에 리보솜이 얼마나 많은 nt 이동하는지 정확히 파악할 수 없습니다. 발가락 프린팅 분석법은 리보솜 6을 향해 mRNA를 전사하기 위해 3'-말단에서 프라이밍된 역전사를사용하는 또 다른 일반적인 방법이다. 그러나 리보솜에 들어가는 mRNA의 5' 말단에는 적용되지 않는다. 단일 분자 접근법 및 형광 방법 7을포함하는 다른 기술은 단일 nt 분해능을 달성하기 어렵다.
우리는 리보솜-mRNA 복합체에 있는 밝혀진 mRNA의 입구 그리고 출구 위치를 둘 다 유일하게 결정할 수 있는 이중 DNA 통치자 분석약을 개발했습니다. 통치자 DNA는 mRNA의 어느 말단에 관계없이 리보솜에 의해 발견된 mRNA와 염기쌍 (bp)의 특정 수의 이중을 형성하는 DNA 올리고머입니다. bp 숫자는 전좌 도중 mRNA에 리보솜 위치를 정확하게 드러냅니다. 이중의 bp 수는 힘 유도 된 잔류 자화 분광기 (FIRMS) 8에서 얻은 임계 해리력에의해 결정됩니다. 2-3 pN 힘 불확도를 가진, 임계 힘은 단일 nt 분해능을 제공하기에 충분합니다. DNA 눈자에 링커 분자를 구현함으로써, 리보솜에 의해 mRNA의 스테리컬 방해 측을 조사할 수 있다. 따라서 다른 리보좀 변위를 정확하게 해결할 수 있습니다. 우리는 전좌9동안 항생제에 의해 갇혀 있는 mRNA의 독특한 고리 형태형성을 성공적으로 밝혀냈으며, 미끄러운 mRNA 서열10에공존하는 상이한 판독 프레임을 해결했다. 이 기사에서는 리보솜 복합체의 준비, 유리 슬라이드의 표면 기능화, 리보솜 복합체의 고정화 및 자기 표지된 DNA 눈금자와의 혼성화를 포함하는 이중 통치자 분석법의 세부 사항을 설명합니다. 분자, 자기 검출 및 기업에 의한 힘 스펙트럼 분석.
1. 리보솜 단지의 준비
2. 비오틴 코팅 유리 슬라이드 준비
3. 자기 및 힘 측정 전에 샘플 준비
4. 자기 및 힘 측정
도 1은 주요 구성요소의 검출 체계 및 사진을 나타낸다. 자기 검출은 스캐닝 방식(도1A)(도 1A)을 이용하여 원자자력계에 의해 달성된다(도 1A)13. 샘플은 선형 모터에 장착된 로드에 배치됩니다. 모터는 샘플을 자기 실드 내부의 원자 센서로 운반한 다음 하역을 위해 원래 사이트로 다시 이동합니다. 원자 자력계는 샘플 스캔 중에 자기 신호를 감지하고 시료가 센서에 가장 가까운 경우 최대 신호와 함께 신호 추적을 생성합니다. 그림 1 B는 전체 악기의 사진을 보여줍니다. 도 1C, D는 각각 힘 응용에 사용되는 자화 스테이션과 원심 분리기의 사진을 보여줍니다.
이중 DNA 눈금자 분석법의 원리는 도2에 도시되어 있다. 리보솜 복합체는 mRNA의 5' 끝을 통해 표면에 고정됩니다. 2개의 DNA 통치자는 mRNA의 각 측을 위한 리보솜의 정확한 위치를 조사하기 위하여 디자인됩니다. 현재의 고정 계획은 3'측이 프로빙 DNA 통치자에 쉽게 접근 할 수 있게합니다. 따라서, 자기 비드와 결합된 DNA 올리고머는 발견되지 않은 mRNA로 이중을 형성할 수 있다. 그러나 5' 측은 리보솜과 표면에 의해 스테게적으로 방해를 받고 있습니다. 링커 분자는 이렇게 이 측에 드러나지 않은 mRNA에 도달하기 위하여 DNA를 위해 필요합니다. 링커 길이를 변화시킴으로써, 우리는 링커가 50 T보다 길때, DNA-mRNA 이중의 성공적인 형성을 나타내는 강한 자기 신호를 검출할 수 있다는 것을 결정하였다(그림2B). 이중 길이에 대한 해리력의 상관관계는 mRNA에 상보적인 DNA상수의 수에 의해 달성된다. 도 2C,D는 각각 3'-및 5'-측에 대한 상관관계를 나타낸다. 연속 길이의 이중 체사이의 힘 차이는 전형적으로 12-20 pN이고 힘 해결책은 전형적으로 2-4 pN이기 때문에, 우리는 일상적으로 그들의 해리력에 근거를 둔 DNA-mRNA 이중의 길이를 위한 단일 nt 해결책을 달성합니다.
그림 3은 다양한 항생제의 부재 및 존재시 정상 전좌의 결과를 제시한다. 전좌는 MF-Pre에서 MF-Post까지입니다(그림3A). 인세트는 MF-Pre가 각각 P-및 A-사이트에서 빈 tRNAfMet 및 MF-tRNAPhe를 운반한다는 것을 나타낸다. MF-포스트는 각각 E-및 P-사이트에서 tRNAfMet 및 MF-tRNAPhe를 운반하고, 빈 A-사이트를 가진. 그림 3 B는 항생제없이 리보솜이 양쪽에서 3 nt씩 움직인다는 것을 보여줍니다 (3'-끝쪽으로 이동). 이는 다음과 같은 이유 때문입니다: (i) 5' 측에서의 DNA-mRNA 듀플렉스는 각각 MF-Pre 및 MF-Post에서 12 bp 및 15 bp 결합력을 나타낸다. (ii) 3' 말단의 양면은 15 에서 12 bp(도3C)로부터 역전된 변화를 나타낸다. 그러나, 퍼지산과 네오마이신이 모두 존재할 때, 힘 스펙트럼은 리보솜이 5' 측에서 1 nt, 3'측에서 2 nt만 이동한다는 것을 보여준다(그림3D,E). 이 결과는 리보솜이 단계적 메커니즘을 통해 전이되어 리보솜 내부에 추가 nt가 있는 루프된 mRNA 형태가 생성되었음을 나타내며, 이는 이전에 실험적으로 밝혀지지 않았다. 이는 보고된 이론시뮬레이션(14)과일치한다. 대안적으로, 리보솜은 일반적인 27 nt15대신에 mRNA의 28 nt를 커버하기 위하여 뻗어있을 수 있습니다. 항생제를 씻어 낸 후, 5와 3의 측면 모두에서 3 nt 운동에 의해 입증 된 바와 같이 정상적인 전좌가 발생합니다 (도 3D,E의 보라색 흔적). 후시산만 사용할 때 고리 형태는 형성되지 않습니다. 힘 스펙트럼은 정상 전좌에 대한 상황과 유사하게 양쪽에서 3 nt의 리보솜 이동과 일치합니다(그림3F,G). 이중 눈자분석은 또한 비오마이신이 양측에 0 nt 운동에 의해 도시된 바와 같이 전좌를 완전히 억제한다는 것을 보여준다(도3H,I).
우리는 또한이 루프 형태가 "-1"프레임 변속 모티브에 형성 할 수 있는지 여부를 조사했다. 여기서 MFNF-Pre와 MFNF-Post 단지의 전좌는 HIV16의'-1' 프레임 시프팅 모티프의 일부인 'U6A' 모티프에서 진행됩니다. 도 4A,B는 MFNF-Post에서 DNA-mRNA 이중이 3'-엔드에서 2 또는 3 nt로 단축된다는 것을 보여준다. 이중 길이는 5x끝에서 2 또는 3 nt로 증가합니다. 결과는 3-nt 운동과 후자의 상관 관계와 2-nt 운동과 상관 관계와 함께, 정상적인 전좌와 "-1"프레임 이동 모두의 공존을 제안한다. 이중 통치자 분석은 명확하게 두 인구를 해결할 수 있습니다. 네오마이신과 퍼지산 모두 리보솜이 3'-엔드에서 2nt씩 움직이지만 5°C에서 1nt만 이동하는 것을 관찰합니다(그림4C,D). 따라서, 고리 mRNA 형태는 또한 미끄러운 서열상에서 일어난다. MFNF-Pre(그림4E,F)에대해서만 퍼지산이 존재하는 경우, 결과는 패널 A및 B(파란색 트레이스)의 MFNF-Post의 결과와 동일하며, 이는 퍼지산만으로는 전좌 또는 프레임 이동을 일시 중지하기에 충분하지 않음을 나타냅니다. 따라서, mRNA의 양측에 대한 불평등한 변위를 위해 푸시산과 네오마이신이 모두 요구된다는 것을 확인한다.

그림 1 : 기업 기반 의 이중 DNA 눈금자 분석 기도구. (A) 자기 검출의 회로도. 1: 견본 및 그것의 마운트; 2: 모터; 3 : 원자 센서 및 자기 방패. (B) 원자자력계 및 샘플 처리 시스템의 사진. 숫자는 회로도에 표시된 실제 해당 구성 요소를 나타냅니다. 마그네틱 쉴드는 열 안정성을 향상위해 골판지 상자 안에 있습니다. (C) 자화 스테이션. (D) 원심분리기는 힘 도포에 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2 : 리보솜 전좌를 연구하기 위한 단일 nt 해상도의 이중 눈금자 분석. (A) 이중 통치자 분석의 회로도는, 두 개의 DNA 눈금자는 각각 5-와 3의 끝을 조사하도록 설계된다. 빨간색 선은 폴리T 링커를 나타냅니다. (B) Ruler-In에 대한 링커 길이의 최적화(C) 기업은 Ruler-Ins와 mRNA 사이의 이중의 해리력을 결정합니다. (D) 통치자-아웃과 mRNA 사이의 이중 분리력. 오차 막대는 계측기 노이즈와 전체 자기 신호 감소(B0)사이의 비율로 정의되며, 일반적인 값은 ±3-5%입니다. 그림은 권한 9로재현되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3 : 다양한 항생제의 영향으로 전좌 단계를 조사합니다. (A) MF-Pre 및 MF-포스트 단지에 대한 검색 방식. Inset은 각각 솔리드 및 대시 라이닝 타원형에 해당하는 사전 및 포스트의 회로도 리보솜을 나타냅니다. (B,C) 기업은 항생제없이 결과를 초래합니다. (D,E) 푸시딕산과 네오마이신모두의 결과. (F,G) 퍼지산만을 가진 결과. (H,I) 비오마이신만으로 결과. 왼쪽 패널: 눈금자-인을 사용하여 5' 면을 프로브합니다. 오른쪽 패널: 눈금자-아웃을 사용하여 3' 쪽을 프로브합니다. 오류 막대는 이전 그림과 동일한 방식으로 계산됩니다. 그림은 권한 9로재현되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4 : 이중 눈금자를 사용하여 프레임 변속을 프로브하는 결과를 제공합니다. (A,B) 항생제없이 MFNF-Pre 및 MFNF-포스트. (C,D) 푸시딕산과 네오마이신모두의 결과. (E,F) 퍼지산만을 가진 결과. 왼쪽 패널: 눈금자-인을 사용하여 5를 프로브합니다. 오른쪽 패널: 눈금자-아웃을 사용하여 3루 측을 프로브합니다. 오류 막대는 이전 그림과 동일한 방식으로 계산됩니다. 그림은 권한 9로재현되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
저자에 의해 잠재적 인 이해 상충이보고되지 않았습니다.
이중 DNA 눈자 분석은 형성된 DNA-mRNA 이중의 해리력에 의존하는 리보솜 전좌 동안 mRNA 위치를 결정하기 위하여 개발됩니다. 단일 뉴클레오티드 분해능과 mRNA의 양 단에 도달하는 기능을 통해 리보솜 전좌에 대한 기계적 통찰력을 제공하고 다른 핵산 변위를 조사할 수 있습니다.
이 작품은 건강의 미국 국립 연구소에 의해 지원됩니다 (R01GM111452, Y.W., S.X.). Y. W. 웰치 재단 (E-1721)의 지원을 인정합니다.
| 스티렌 스트립 | City of Industry | MS-861 | |
| 유리 슬라이드 | 증발 코팅 | 60.0 × 4.0 × 0.3 mm3 | |
| 아세트산 | Millipore Sigma | A6283-500ML | |
| 3-Aminopropyltriethoxysilane | UCT specialties | 21400088 | |
| mPEG-SVA | Laysan Bio | 154-82 | |
| 비오틴-PEG-SVA | 레이산 바이오 | 152-84 | |
| 중탄산나트륨 | 밀리포어 시그마 | S5761-500G | |
| 에폭시 접착제 | Devcon | 31345 | |
| 스트렙타비딘 | ThermoFisher | 434301 | |
| 푸시딕산 | 밀리포어 시그마 | F0756-1G | |
| 네오마이신 설페이 | 트밀리포어 시그마 | 1458009 | |
| 바이오마이신 설페이 | 트밀리포어 시그마 | 1715000 | |
| 하이그로마이신 | 인비트로겐 | 10687-010 | |
| 트리스-HCl | 밀리포어 시그마 | T5941-100G | |
| 마그네슘 아세테이트 | 밀리포어 시그마 | M5661-50G | |
| 염화암모늄 | 밀리포어 시그마 | A9434-500G | |
| 칼륨 염화물 | Millipore Sigma | P9333-500G | |
| EDTA | GIBCO | 774750 | |
| 2-메르캅토에탄올 | Millipore Sigma | M6250-500ML | |
| Tween20 | Millipore Sigma | P1379-250ML | |
| GTP | Millipore Sigma | G8877-100MG | |
| PEP | Millipore Sigma | P7127-100MG | |
| 피루브산 키나아제 | 밀리포어 시그마 | P1506-5KU | |
| 수크로오스 | Millipore Sigma | S7903-5KG | |
| Dynabeads M-280 Streptavidin | ThermoFisher | 11205D | |
| mRNA Oligo | 통합 DNA 기술 | 133899727 | 5′-Bio- CAA CUG UUA AA AAA UUA AAU UAA AAA GGA AAU AAAA AUG UUU AAU UUU UUA GGG CGC AAU CUA CUG CUG AAC UC-3′ |
| DNA Oligo | 통합 DNA 기술 | 157468630 | 3?- TAA TTT AAT TTA ATTT TTT CGA AAU AT50/TEGBio/-5? |
| DNA Oligo | 통합 DNA 기술 | 164845370 | 3?-AAT TTA ATT TTT CCT TTA AAA AT50/TEGBio/-5' |
| DNA Oligo | 통합 DNA 기술 | 157468628 | 3?-AAA ATC CCG CGT TAG AAC UGG GG/TEGBio/-5' |
| DNA Oligo | 통합 DNA 기술 | 163472705 | 3?-CCG CGT TAG ATG ACG AGA ACG GG/TEGBio/-5' |
| DNA Oligo | 통합 DNA 기술 | 138678130 | 3?-AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5' |
| DNA Oligo | 통합 DNA 기술 | 138678131 | 3?-T AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5' |
| DNA Oligo | 통합 DNA 기술 | 138678132 | 3?-TT AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5? |
| DNA 올리고 | 통합 DNA 기술 | 138678133 | 3?-GTT AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5' |
| 원심분리기 | Eppendorf | 5427R | |
| 마이크로 초원심분리기 | Hitachi | CS150FNX | |
| Vortex 믹서 | VWR | VM-3000 | |
| 락인 증폭기 | Stanford Research Systems | SR530 | |
| 락인 증폭기 | Stanford Research Systems | SR830 | |
| 레이저 | Newport | TLB-6918-D | |
| 함수 발생기 | Stanford Research Systems | DS345 | |
| 광검출기 | Thorlabs | DET36A |