Telomeren zijn beschermende structuren aan de uiteinden van chromosomen 1,2,3. Telomeererosie tijdens celdeling leidt tot celveroudering en -veroudering, terwijl abnormale verlenging van telomeren bijdraagt aan kanker 4,5. Om telomeren goed te laten functioneren, moeten hun replicatie, rek en schadereacties sterk worden gereguleerd 6,7,8. Shelterine, samengesteld uit zes subeenheden, speelt een centrale rol bij de bescherming van telomeren 9,10,11. Een beter begrip van telomeren zal waardevolle inzichten opleveren in de biologie van telomeren.
TRF1 en TRF2, kernsubeenheden van shelterine, zijn telomeerbindende eiwitten12,13. Zowel TRF1 als TRF2 binden aan het repetitieve DNA-motief TTAGGG in telomeren via hun Myb-domeinen14. Ze vormen dimeren via hun gedeelde TRFH-domeinen, waardoor ze telomeren dubbelstrengs DNA en telomeereiwitten kunnen rekruteren 15,16,17,18,19. TRF2 is vooral belangrijk voor de vorming van telomere D-lussen en T-lussen20,21. Vanwege hun cruciale rol bij de bescherming van telomeren, zijn TRF1 en TRF2 naar voren gekomen als potentiële doelwitten voor geneesmiddelen tegen kanker 22,23,24,25.
Er zijn aanzienlijke inspanningen geleverd om de eiwit-DNA-interacties bij telomeren te onderzoeken. Biochemische methoden zoals Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA) en Surface Plasmon Resonance (SPR) zijn gebruikt om bindingsaffiniteiten te onderzoeken20,26. Talrijke structuren van telomere bindende eiwitten gecomplexeerd met DNA zijn opgehelderd met behulp van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), röntgenkristallografie en nucleaire magnetische resonantie (NMR)27,28,29. Beeldvormingstechnieken met superresolutie, zoals stochastische optische reconstructiemicroscopie (STORM), hebben TRF2-afhankelijke T-lusvorming21 onthuld. Onlangs is nanopore-sequencing ontwikkeld om telomere sequentieste profileren 4,30,31. Deze structurele inzichten hebben ons begrip van telomere eiwit-DNA-interacties sterk verbeterd. Om de dynamiek van telomere eiwit-DNA-interacties verder te onderzoeken, is de ontwikkeling van nieuwe technologieën essentieel.
Single-molecule tools zijn krachtige technieken voor het onderzoeken van eiwit-DNA-interacties bij telomeer 32,33,34. Single-molecule mechanische methoden, zoals magnetische pincetten, optische pincetten en AFM, zijn gebruikt om TRF2-afhankelijke DNA-vervorming te onderzoeken, TRF2-gemedieerde kolomvormige stapeling van menselijk telomerisch chromatine te onthullen en processieve telomerase-katalyse te observeren, onder andere toepassingen 35,36,37,38,39,40. Deze methoden zijn vooral nuttig voor het onderzoeken van topologische conformaties en de kinetiek van eiwit-DNA-associatie en dissociatie.
De bereiding van constructies van één molecuul met telomere repetitieve motieven brengt echter nog steeds uitdagingen met zich mee, wat studies met mechanische methoden met één molecuul beperkt. Om deze beperking aan te pakken, hebben we een mechanische methode met één molecuul ontwikkeld om wereldwijde eiwit-DNA-interacties op menselijke telomeren over de volledige lengte te bestuderen41. Deze methode extraheert rechtstreeks telomisch DNA uit menselijke cellen, waardoor de moeizame bereiding van kunstmatig telomeer-DNA wordt omzeild. Het vergemakkelijkt het onderzoek naar kinetische processen op lange natuurlijke telomeren die zich uitstrekken over meerdere kilobasen.
In dit protocol geven we een gedetailleerde beschrijving van de stappen voor het onderzoeken van telomere eiwit-DNA-interacties met behulp van een magnetisch pincet, een populair mechanisch hulpmiddel voor één molecuul 42,43,44. We laten zien hoe telomere eiwitten tot expressie kunnen worden gebracht en gezuiverd, met TRF2 als voorbeeld, en hoe telomeer-DNA uit menselijke cellen kan worden bereid. Daarnaast laten we zien hoe je een single-molecule assay op een magnetisch pincet opzet om telomere eiwit-DNA-interacties te bestuderen, en behandelen we de daaropvolgende data-analyse van single-molecule experimenten. Dit protocol zal ten goede komen aan onderzoekers op het gebied van telomeerbiologie en telomeergerichte medicijnontdekking.