We beschrijven een methode voor de waarneming real-time replicatie van individuele DNA-moleculen gemedieerd door eiwitten van de bacteriofaag replicatie systeem.
Methodenartikel
We beschrijven een methode voor de waarneming real-time replicatie van individuele DNA-moleculen gemedieerd door eiwitten van de bacteriofaag replicatie systeem.
We beschrijven een methode voor de waarneming real-time replicatie van individuele DNA-moleculen gemedieerd door eiwitten van de bacteriofaag replicatie systeem. Gelineariseerd λ DNA is gemodificeerd om een biotine aan het uiteinde van een streng, en een digoxigenine groep aan de andere kant van dezelfde streng zijn. De gebiotinyleerde einde is bevestigd aan een gefunctionaliseerd glazen dekglaasje en het digoxigeninated einde aan een kleine kraal. De montage van deze DNA-kraal aanbinden op het oppervlak van een flow cel kan een laminaire stroming te worden toegepast op een sleepkracht op de korrel uit te oefenen. Als gevolg daarvan is de DNA dicht uitgerekt tot en parallel aan het oppervlak van de dekglaasje op een kracht die wordt bepaald door het debiet (figuur 1). De lengte van het DNA wordt gemeten door het toezicht op de positie van de kraal. Lengte verschillen tussen enkel-en dubbelstrengs DNA worden gebruikt om real-time informatie te verkrijgen over de activiteit van de replicatie eiwitten op de vork. Het meten van de positie van de hiel zorgt voor een precieze bepaling van de tarieven en processivities van DNA rust te komen en polymerisatie (figuur 2).
1. DNA-replicatie Template
DNA voor de reactie is een gelineariseerde λ DNA gewijzigd door gloeien van oligonucleotiden om een replicatie vork te vormen. Daarnaast is biotine aan het uiteinde van een streng van het DNA λ, en een digoxigenine groep is aan het andere eind van dezelfde streng 1.
Materialen: Bacteriofaag λ DNA, Oligonucleotiden: gebiotinyleerd vork arm (A: 5'-biotine-AAAAAAAAAAAAAAAAGAGTACTGTACGATCTAGCATCAATCACAGGGTCAGGTTCGTTATTGTCCAACTTGCTGTCC-3 '), λ-complementaire vork arm (B: 5'-GGGCGGCGACCTGGACAGCAAGTTG GACAATCTCGTTCTATCACTAATTCACTAATGCAGGGAGGATTTCAGATATGGCA-3'), vork primer (C: 5 ' -TGCCATATCTGAAATCCTCCCTGC-3 '), λ-complementaire digoxigenine end (D: 5'-AGGTCG CCGCCCAAAAAAAAAAAA-digoxigenine-3'), T4 DNA-ligase, T4 polynucleotidekinase, Heat blokkeren.
2. Beads
Kralen zijn gefunctionaliseerd met een Fab-fragment met specificiteit voor digoxigenine. Ze kunnen dan worden bevestigd aan de DNA-replicatie template 2.
Materialen: tosyl geactiveerd kralen, α-digoxigenine Fab fragment, Buffer A: 0,1 M H3BO3 pH 9,5, buffer B: 0,1 M PBS pH 7,4, 0,1% w / v BSA, Buffer C: 0,2 M Tris-HCl pH 8,5 (25 ° C), 0,1% w / v BSA, Magnetic Separator, Rotator.
3. Gefunctionaliseerde Dekglaasjes
Toe te staan bevestiging van het DNA aan het glas dekglaasje, is het glas eerste gefunctionaliseerd met een aminosilaan, die vervolgens is gekoppeld aan gebiotinyleerd PEG-moleculen. Deze coating helpt om de niet-specifieke interacties tussen DNA en eiwitten replicatie te verminderen met het oppervlak 3,4.
Materialen: Glas dekglaasjes, vlekken potten, 3-aminopropyltriethoxysilaan, Methoxy-PEG5k-NHS ester, biotine-PEG5k-NHSester, aceton, 1M KOH, Ethanol, Oven, Bad ultrasoonapparaat
4. Flow Kamer Voorbereiding
Het experiment is uitgevoerd met behulp van een eenvoudige stroom kamer gebouwd met een gefunctionaliseerde dekglaasje, dubbelzijdige tape, een glijbaan en kwarts buizen. Een stroom kamer is bereid voor elke single-molecule experiment 2,4.
Materiaal: Dubbelzijdig tape, scheermesje, kwarts glijbaan met gaten voor slangen, snel droog epoxy, Gefunctionaliseerde dekglaasje, streptavidine-oplossing (25 il van 1 mg / ml in PBS), slangen, het blokkeren van buffer (5X: 20 mM Tris pH 7,5, 2 mM EDTA, 50 mM NaCl, 0,2 mg / ml BSA, 0,005% Tween-20), het werken buffer (1X: 20 mM Tris-HCl pH 7,5, 2 mM EDTA, 50 mM NaCl).
5. Single-molecule replicatie Experiment
Zodra de DNA-template en gefunctionaliseerde kralen zijn voorbereid, en de stroom kamer klaar is, kan een enkel-molecuul experiment worden uitgevoerd.
Materialen: Bereid stroom kamer, blokkeren buffer (5X: 20 mM Tris-HCl pH 7,5, 2 mM EDTA, 50 mM NaCl, 1 mg / ml BSA, 0,025% Tween-20), Working buffer (1X: 20 mM Tris-HCl pH 7,5, 2 mM EDTA, 50 mM NaCl), T7 replicatie buffers met of zonder 10 mM MgCl 2 (1X: 40 mM Tris-HCl pH 7,5, 50 mM K-glutamaat, 2 mM EDTA, 100 ug / ml BSA, 10 mM DTT, 600 uM dNTP's), replicatie eiwitten, omgekeerde optische microscoop met 10x objectief, CCD-camera, permanente zeldzame-aarde-magneet, spuit pomp, Luchtvering, fiber verlichting, computer met beeld acquisitie software.
6. Representatieve resultaten
In een geslaagd experiment moet je in staat zijn om gelijktijdig waarnemen meer dan 100 kralen ( Leading streng synthese ). Het experiment moet opleveren talrijke sporen weergave van toonaangevende streng DNA-synthese.
Data-analyse:
Om de tarieven en processivities van DNA tot rust te komen en polymerisatie te meten, moet de precieze posities van kralen worden bepaald. Je kan bereiken door het aanbrengen van deze posities met 2-dimensionale Gaussiaanse functies. Trajecten kunnen vervolgens worden uitgepakt door het volgen van kraal positie op elk frame met behulp van tracking software (bijv. DiaTrack). Nu bent u klaar om trajecten te visualiseren door het plotten kraal positie als een functie van de tijd met behulp van een grafisch, zodatftware (bijv. Origin). Voor het verkrijgen van snelheid gegevens, passen de percelen met een lineaire regressie en het berekenen van de helling. Voor processivity, bepalen van de totale lengte van het DNA van het begin tot het einde van een verkorting gebeurtenis (figuur 3). Beide nummers zullen moeten worden omgezet naar baseparen. Om te converteren kraal beweging om basenparen, moet u eerst de lengte van een uitgestrekt λ DNA-molecuul te meten over de reactie debiet. Omdat de lengte van de λ DNA bekend is (48.502 bp) kunt u kalibreren van het aantal basenparen / pixel aan experimentele kracht. Voor een betere nauwkeurigheid, aftrekken van de sporen van belang een baseline spoor van een kraal ketting die niet enzymatisch is veranderd. Combineer alle single metingen en plot snelheid en processivity distributies. Passen bij de gegevens met behulp van Gauss en single-exponentiële functies, respectievelijk (figuur 3).

Figuur 1. Single-molecule experimentele opstelling. (A) Duplex λ DNA (48,5 kb) wordt gehecht aan het oppervlak van de flow cel via het 5 'uiteinde van een streng met behulp van een biotine-streptavidine interactie, en het 3' uiteinde van dezelfde streng is bevestigd aan een kraal met behulp van een digoxigenine anti-digoxigenine interactie. Een primer replicatie vork is gevormd aan het eind tegenover de kraal om het laden van de polymerase. (B) Bead-DNA assemblies zijn opgerekt met behulp van laminaire stroming van buffer en beeld gebracht met behulp van wide-field optische microscopie. Door het volgen van de posities van de kralen in de tijd, met behoud van een constante kracht die zich uitstrekt, kan de lengte van de DNA-constructen worden gecontroleerd. (C) Uitbreiding profiel van ssDNA (gevulde cirkel) en dsDNA (open cirkel) onder lage krachten. Stippellijn geeft kristallografische lengte van volledig ds-λ DNA, 16,3 micrometer. Het grote verschil in lengte tussen ssDNA en dsDNA op krachten rond 3 pN maakt een directe observatie van conversies tussen ss-en dsDNA door het bewaken van veranderingen in het DNA lengte. De gelijktijdige visualisatie van grote aantallen DNA-gekoppelde beads maakt voor de studie van de vele individuele replisomes in een experiment.

Figuur 2 bacteriofaag T7 replicatie eiwitten:. DNA-polymerase (complex van GP5 en thioredoxine) en DNA helicase (GP4) synthese van DNA toonaangevende streng in de aanwezigheid van deoxyribonucleotiden en magnesium. Dit proces gaat gepaard met verkorting van de DNA-streng te wijten aan achterblijvende wikkelen. Conversie van dsDNA in ssDNA veranderingen positie van de kraal. Het meten van positie van de hiel zorgt voor een precieze bepaling van de snelheid en processivity van DNA-replicatie.

Figuur 3. Voorbeeld van een typische gegevens van een single-molecule leading-streng synthese van experiment. Processivity van de DNA-replicatie is gelijk aan een totale lengte van het DNA van het begin tot het einde van een verkorting gebeurtenis. Het tarief van de DNA-replicatie wordt verkregen door de montage van de plot met een lineaire regressie en de berekening van de helling. De inzet toont snelheid en processivity distributies die werden verkregen door het combineren van gegevens van een aantal metingen. De gegevens werden gemonteerd met behulp van Gauss en single-exponentiële functies, respectievelijk.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de weerstand kracht uitgeoefend op kralen door laminaire stroming niet enzymatische activiteiten van de replicatie eiwitten beïnvloeden. Bijvoorbeeld, heeft een 3 pN kracht die overeenkomt met een debiet van 0.012 ml / min geen invloed op de replicatie van het DNA toonaangevende streng. Het heeft echter wel invloed op enzymatische activiteiten die plaatsvinden tijdens gecoördineerd DNA-synthese, en daarom moet worden teruggebracht tot 1,5 PN. De wrijving kan eenvoudig worden gec...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De ontwikkeling van de DNA-stretching test werd geholpen door Paul Blainey, Jong-Bong Lee, en Samir Hamdan. Dit werk wordt ondersteund door de National Institutes of Health beurzen aan Charles Richardson (GM54397) en Antoine van Oijen (GM077248).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Bacteriofaag λ DNA | New England Biolabs | N3011L | |
| DNA Oligonucleotiden | Integrated DNA Technologies | ||
| T4 DNA Ligase | New England Biolabs | M0202L | |
| T4 Polynucleotide Kinase | New England Biolabs | M0201L | |
| α-digoxigenine Fab | Roche Group | 11214667001 | |
| Tosyl Geactiveerde Beads | Invitrogen | 142-03 | |
| Magnetische Separator | Invitrogen | Dynal MPC | |
| 3-aminopropyl-triethoxysilaan | Sigma-Aldrich | A3648 | Andere aminosilanen kunnen worden gebruikt of gemengd met niet-amine reactieve silanen voor sparser oppervlakken |
| Succinimidyl propionaat PEG | Nektar | Vergelijkbare PEGs kunnen worden gekocht bij Nanocs, CreativePEGWorks, enz. | |
| Biotine-PEG-NHS | Nektar | Vergelijkbare PEGs kunnen worden gekocht bij Nanocs, CreativePEGWorks, enz. | |
| Dubbelzijdig plakband | Grace Bio-Lab Inc. | SA-S-1L | 100 μm dikte |
| Kwarts glijbaan | Technisch Glas | 20 mm (B)x 50 mm (L)x 1mm (H) | Grootte om op dekglasjes te passen. Boorgaten met diamant-tip boorbits (DiamondBurs.net) |
| Polyethyleen buis | BD Biosciences | 427416 | 0,76 mm ID, 1,22 OD Andere maat buis kan worden vervangen. |
| Streptavidine | Sigma-Aldrich | S4762 | Maak 1 mg/mL oplossing, 25 μL aliquoten in PBS pH 7.3 |
| Deoxyribonucleotide trifosfaat oplossing mix | New England Biolabs | N0447 | |
| Omgekeerde Optische Microscoop met 10X Objectief | Olympus Corporation | Olympus IX-51 | |
| Permanente zeldzame-aarde magneet | National Imports | www.rare-earth-magnets.com | |
| CCD Camera | QImaging | Rolera-XR Fast 139 | |
| Spuitpomp | Harvard Apparatus | 11 Plus | Werken in de hervulmodus om oplossingsveranderingen te vergemakkelijken |
| Vezel Verlichter | Thorlabs Inc. | OSL1 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen