Niniejszy protokół opisuje sposób ilościowego oznaczania zależnego od Mg(II) tworzenia trzeciorzędowej struktury RNA za pomocą dwóch metod footprintingu z użyciem rodników hydroksylowych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Niniejszy protokół opisuje sposób ilościowego oznaczania zależnego od Mg(II) tworzenia trzeciorzędowej struktury RNA za pomocą dwóch metod footprintingu z użyciem rodników hydroksylowych.
Cząsteczki RNA odgrywają kluczową rolę w biologii. Oprócz przekazywania informacji genetycznej, RNA może zwijać się w unikalne struktury trzeciorzędowe, pełniąc specyficzne funkcje biologiczne jako regulator, ligand lub katalizator. Informacje o tworzeniu kontaktów trzeciorzędowych są niezbędne do zrozumienia funkcji cząsteczek RNA. Rodniki hydroksylowe (•OH) stanowią unikalne sondy struktury kwasów nukleinowych ze względu na swoją wysoką reaktywność i niewielki rozmiar.1 Stosowane jako sonda w technice footprintingu, rodniki hydroksylowe mapują powierzchnię dostępną dla rozpuszczalnika w szkielecie fosfodiestrowym DNA1 i RNA2 z rozdzielczością sięgającą pojedynczego nukleotydu. Footprinting rodnikami hydroksylowymi może być wykorzystany do identyfikacji nukleotydów w obrębie międzycząsteczkowej powierzchni kontaktu, np. w kompleksach DNA-białko1 i RNA-białko. Przejścia równowagowe3 i kinetyczne4 można określić, prowadząc footprinting rodnikami hydroksylowymi odpowiednio w funkcji zmiennej roztworu lub czasu. Kluczową cechą footprintingu jest to, że ograniczona ekspozycja na sondę (np. „kinetyka pojedynczego uderzenia”) skutkuje jednorodnym próbkowaniem każdego nukleotydu polimeru.5
W niniejszym artykule wideo wykorzystujemy domenę P4-P6 rybozymu Tetrahymena, aby zilustrować przygotowanie próbek RNA oraz wyznaczenie izoterm zwijania pośredniczonego przez Mg(II). Opisujemy zastosowanie znanego protokołu footprintingu rodnikami hydroksylowymi, który wymaga użycia H2O2 (nazywamy go protokołem „peroksydacyjnym”), oraz cenną, lecz mniej znaną alternatywę z wykorzystaniem naturalnie rozpuszczonego O2 (którą nazywamy protokołem „oksydacyjnym”). Przedstawiono również przegląd procedur redukcji, transformacji i analizy danych.
1. Przygotowanie odczynników do footprintingu
2. Przygotowanie RNA do eksperymentu footprintingu
3. Eksperyment footprintingu
4. Analiza danych
gdzie f oznacza zintegrowaną gęstość analizowanego pasma (pasm), L i U reprezentują dolną i górną granicę przejścia, a
jest stopniem nasycenia.14 Dane dopasowano do równania Hilla (1) przy użyciu programu do nieliniowej analizy najmniejszych kwadratów (stosujemy program Origin (OriginLab) lub GraphPad (GraphPad Software, Inc.)),![figure-protocol-3 Równanie izotermy wiązania; Ȳ=K_d^n[M]^n/(1+K_d^n[M]^n); formuła termodynamiczna.](/files/ftp_upload/3244/3244eq1.jpg)
5. Reprezentatywne wyniki:
Rysunek 3 przedstawia reprezentatywne wyniki eksperymentów footprintingu RNA P4-P6 z użyciem •OH. Obraz żelu (po lewej) wskazuje, że a) cięcie tła jest minimalne (prawa ścieżka), b) możliwe jest przypisanie pojedynczych nukleotydów dzięki wyraźnym prążkom w ścieżce T1 (RNaza T1 tnie przy każdej guaninie G), oraz c) fragmentacja RNA indukowana rodnikami hydroksylowymi znajduje się znacznie powyżej poziomu tła. Przejście z niskiego na wysokie stężenie Mg(II) wiąże się ze spadkiem zintegrowanej gęstości prążków poszczególnych i grup prążków, co wskazuje na formowanie się trzeciorzędowej struktury RNA. Pojedyncze nukleotydy lub grupy sąsiadujących nukleotydów, których stopień cięcia zmienia się jednocześnie, określa się mianem „ochrony”. Protekcje przed •OH charakterystyczne dla fałdowania RNA P4-P6 indukowanego przez Mg(II) ściśle odpowiadają regionom cząsteczki niedostępnym dla rozpuszczalnika, zaobserwowanym w jej strukturze krystalicznej.15
Złożone cząsteczki RNA mogą wykazywać bardzo zróżnicowany zakres ochrony kontaktów trzeciorzędowych (t.j. stopień spadku gęstości prążków w stronę tła), co nie zostało powiązane z jasnymi zjawiskami strukturalnymi lub dynamicznymi. W związku z tym niektóre cząsteczki RNA będą wykazywać wyraźnie zdefiniowane przejścia strukturalne, jak pokazano na Ryc. 3, a inne nie. Intensywności prążków są kwantyfikowane i normalizowane za pomocą analizy SAFA12 (Rycyna 3B). Wynikiem jest wykres „termiczny” wizualizujący wzglotny stopień ochrony przed •OH. Przejście kolorystyczne opisuje zmianę dostępności po dodaniu Mg(II). Kolor od białego do czerwonego lub niebieskiego wskazuje odpowiednio na nukleotydy bardziej dostępne lub bardziej chronione. Każdemu stopniowi zacienienia przypisana jest wartość liczbowa, którą można przedstawić jako krzywą ochrony (Rycina 3C) i przeanalizować za pomocą modelu wiązania, np. równania Hilla (1). Stała dysocjacji równowagowej przypisana do ochrony 153-15 jest w przybliżeniu dwukrotnie wyższa od odpowiadającej jej wartości dla ochrony 163-164.

Rycina 1. Produkcja rodników hydroksylowych i zwijanie RNA P4-P6. A) Fe(II) katalizuje generowanie rodników hydroksylowych z nadtlenku wodoru. Askorbinian redukuje Fe(III) z powrotem do żelaza dwuwartościowego. B) Wobec braku Mg(II) nie tworzy się struktura trzeciorzędowa P4-P6, co pozwala rodnikom hydroksylowym na penetrację i rozcięcie wszystkich dostępnych pozycji szkieletu. Dodanie Mg(II) inicjuje zwijanie P4-P6, w wyniku czego rodniki hydroksylowe rozcinają jedynie fragmenty szkieletu dostępne dla rozpuszczalnika.

Rycina 2. Schemat eksperymentu z mapowania śladów rodników hydroksylowych. A) Defosforylacja i 32P znakowanie końca 5' RNA. B) Oczyszczanie 32RNA znakowane fosforem (P) na denaturującym żelu poliakrylamidowym. C) Wycięcie prążka RNA, następująca po nim ekstrakcja RNA i wytrącanie etanolowe. D) Prefolding i folding RNA. E) Dodanie świeżo przygotowanej mieszaniny do reakcji Fentona w celu wygenerowania rodników hydroksylowych. F) Rozdział fragmentów RNA za pomocą denaturującej elektroforezy w żelu poliakrylamidowym. G) Ilościowe oznaczenie fragmentów RNA za pomocą oprogramowania SAFA.

Rysunek 3. Analiza fragmentów RNA po reakcji footprintingu peroksydacyjnego Fentona. (A) RNA poddano działaniu rodników hydroksylowych, a produkty cięcia rozdzielono za pomocą denaturującej elektroforezy w żelu poliakrylamidowym (PAGE). Na zdjęciu przedstawiono produkty cięcia peroksydacyjnego przy rosnącym stężeniu Mg(II). Oznaczono ścieżki referencyjne i kontrolne. Plik obrazu ten stanowi dane wejściowe dla programu SAFA, który ilościowo określa objętość każdego pasma. (B) Wykres „termiczny” wygenerowany przez program SAFA. (C) Arkusz wartości z programu SAFA, wiążący zintegrowaną gęstość pasma z numerem nukleotydu, jest analizowany za pomocą modelu wiązania, takiego jak równanie Hilla (1). Obszary ochrony wybrano na podstawie wzrostu całki gęstości pasma w funkcji stężenia Mg(II). Wartość Kd jest stężeniem Mg(II), przy którym połowa cząsteczek RNA jest sfałdowana w monitorowanym obszarze. Współczynnik Hilla, nHjest miarą nachylenia krzywej, która dostarcza informacji o kooperatywności wiązania i pozwala na określenie dolnej granicy liczby jonów magnezu zaangażowanych w zwijanie tej konkretnej domeny.

Tabela 1. Objętości reprezentatywne dla generowania próbek RNA zawierających różne stężenia Mg(II).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Mapowanie odcisków rodników hydroksylowych jest cennym narzędziem do oceny powierzchni dostępnej dla rozpuszczalnika w kwasach nukleinowych. Jakościowe i ilościowe wyznaczanie struktury trzeciorzędowej14 można śledzić w zależności od parametrów takich jak rodzaj i stężenie jonów, pH, temperatura, białka wiążące lub kofaktory fałdowania. Przekonujące połączenie prostego i niedrogiego protokołu z uzyskanymi informacjami o dostępności rozpuszczalnika i fałdowaniu na poziomie pojedynczych nukleotydów sprawia, że m...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie zadeklarowano konfliktów interesów.
Praca ta była wspierana przez granty z National Institute of Health RO1-GM085130 oraz National Science Foundation MCB0929394. Dziękujemy dr Marion Schmidt za gościnność i umożliwienie nam nagrywania w jej laboratorium.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Nazwa | Firma | Nr kat. | |
| Kacodylan sodu (Uwaga! Toksyczny) | Sigma-Aldrich | C4945-25g | |
| EDTA (0,5 M) | Ambion | AM9260G | |
| Woda traktowana DEPC | Ambion | AM9915G | |
| Octan sodu (3 M) | Ambion | AM9740 | |
| MgCl2 (1 M) | Ambion | AM9530G | |
| Mocznik | Ambion | AM9902 | |
| Cytrynian sodu | Sigma-Aldrich | W302600 | |
| tRNA | Sigma-Aldrich | R-7876 | |
| L-askorbinian sodu | Sigma-Aldrich | A7631-25g | |
| Fe(NH4)2(SO4)2 . 6 H2O | Sigma-Aldrich | F1543-500g | |
| RNaza T1 | Fermentas | EN0541 | |
| Nadtlenek wodoru (30%) | Sigma-Aldrich | 349887 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.