$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mikroskopia sił atomowych (AFM) to potężna technika analizy interakcji białko-DNA1,2,3,4,5,6,7,8,9. Wymaga tylko niewielkich ilości materiału próbki, aby bezpośrednio uwidocznić niejednorodne próbki z rozdzielczością na poziomie pojedynczej cząsteczki. Niejednorodność może wynikać z różnych stanów konformacyjnych lub oligomerycznych białka. W szczególności, w kontekście próbek białko-DNA, kompleksy białkowe mogą wykazywać różne stechiometrie i/lub konformacje indukowane przez wiązanie DNA w ogóle lub wiązanie się z określonym miejscem docelowym w DNA. Próbki heterogeniczne mogą również zawierać dwa (lub więcej) różnych rodzajów białek, a różne formy kompleksów białkowych (np. składające się tylko z jednego rodzaju białka w porównaniu z kompleksami heteromerycznymi) mogą w różny sposób oddziaływać z DNA. Omawiane tutaj badania wykorzystują obrazowanie AFM w powietrzu na statycznych, wysuszonych próbkach białek naprawy DNA związanych z długimi (~900 par zasad, bp) fragmentami DNA, które zawierają zmianę, która stanowi cel tych białek. Wysoka, molekularna rozdzielczość AFM pozwala na rozróżnienie różnych typów kompleksów białkowych i określenie pozycji wiązania białek na fragmentach DNA. Co ważne, zmiany są wprowadzane do substratów DNA w ściśle określonych pozycjach. Ponieważ położenie miejsca zmiany w DNA jest znane, rozkłady białek związanych na DNA zapewniają wgląd w (różne) właściwości rozpoznawania zmian (różnych) kompleksów białkowych, np. jak dobrze rozpoznają one określony typ zmiany (w porównaniu z nieuszkodzonym DNA)2,3,4,5,6. Ich położenie w DNA pozwala również na rozróżnienie między kompleksami białkowymi związanymi specyficznie w zmianach chorobowych a kompleksami związanymi niespecyficznie w innym miejscu DNA. Oddzielna charakterystyka tych różnych typów kompleksów (kompleksy związane specyficznie w zmianie w porównaniu z kompleksami niespecyficznymi) może ujawnić potencjalne zmiany konformacyjne w kompleksach wywołane po identyfikacji miejsca docelowego.
Białka naprawy DNA, na których się tutaj skupiamy, to helikazy, które są odpowiedzialne za rozpoznawanie zmian w szlaku naprawy przez wycinanie nukleotydów (NER). U bakterii NER jest osiągany przez białka UvrA, UvrB i UvrC. UvrA jest odpowiedzialny za początkowe wykrywanie zmian w kompleksie skanowania DNA UvaA2 / UvrB2. Po weryfikacji zmiany przez UvrB kompleks ten przekształca się w monomeryczny UvrB związany w miejscu uszkodzenia, a ten specyficzny kompleks może następnie rekrutować prokariotyczną endonukleazę NER UvrC. UvrC wycina krótki (12-13 nt) odcinek jednoniciowego DNA (ssDNA) zawierającego zmianę. Brakujący odcinek jest następnie uzupełniany przez polimerazę DNA. Na koniec ligaza DNA uszczelnia nowo zsyntetyzowany odcinek za pomocą oryginalnego DNA9,10. U eukariontów większość białek kaskady NER jest częścią dużego, multimerycznego kompleksu czynnika transkrypcyjnego II H (TFIIH). Po wstępnym wykryciu zmiany chorobowej za pomocą trimerycznego kompleksu CEN2-XPC-HR23B, TFIIH jest rekrutowany do miejsca docelowego DNA. Gdy XPD w kompleksie weryfikuje obecność docelowej zmiany NER, eukariotyczne endonukleazy NER XPG i XPF są rekrutowane w celu wycięcia krótkiego (24-32 nt) odcinka ssDNA zawierającego lesion9,10. W szczególności badano helikazy UvrB i XPD odpowiednio z prokariotycznego i eukariotycznego NER. Te helikazy wymagają niesparowanego regionu w DNA (pęcherzyka DNA), aby nawlec się na jedną z dwóch pojedynczych nici DNA, a następnie przemieścić się wzdłuż tej nici napędzanej hydrolizą ATP. Oprócz uszkodzeń DNA, w substratach wprowadzono pęcherzyk DNA, który pełni funkcję miejsca ładowania białek.
Procedura przygotowania specyficznych substratów DNA została opisana wcześniej11. Wymaga kolistego konstruktu DNA (plazmidu) z dwoma blisko rozmieszczonymi miejscami restrykcyjnymi dla nickazy. W kontekście tego badania wykorzystano plazmid pUC19N (2729 pz) (stworzony przez laboratorium S. Wilsona, NIEHS). Ten plazmid zawiera trzy blisko rozmieszczone miejsca restrykcyjne dla nickazy Nt.BstNBI, które otaczają odcinek 48 nukleotydów (nt). Po inkubacji z nickazą, odcinek ssDNA między tymi miejscami może zostać usunięty i zastąpiony oligonukleotydem zawierającym dowolną cechę docelową. Po każdym etapie testuje się pełne trawienie enzymatyczne za pomocą elektroforezy w żelu agarozowym. Nacięte koliste DNA można odróżnić ze względu na jego niższą ruchliwość elektroforetyczną w porównaniu z oryginalnym superskręconym plazmidem. Luki w DNA i zastąpienie usuniętego odcinka specyficznym substratem oligonukleotydem można ocenić poprzez trawienie enzymem restrykcyjnym, który nacina substrat wyłącznie w obszarze między nacięciami. Linearyzacja kolistego plazmidu przez enzym zostanie zatem stłumiona dla DNA z przerwami i przywrócona po wstawieniu określonego oligonukleotydu. Wreszcie, dwa miejsca restrykcyjne endonukleazy (najlepiej pojedyncze frezy) pozwalają na wytworzenie liniowego substratu DNA, o pożądanej długości i z określonym miejscem docelowym w określonej pozycji, a także pęcherzyka DNA w pewnej odległości od zmiany w kierunku 5' lub 3'.
Rozpoznawanie zmian chorobowych przez helikazy NER może być badane za pomocą obrazowania AFM. Zatrzymana translokacja DNA helikaz w miejscu zmiany jest widoczna jako pik w rozkładzie położenia białka w DNA i wskazuje na rozpoznanie zmiany. Ponieważ translokacja DNA tych helikaz jest ponadto kierunkowa, z polaryzacją od 5' do 3', zależność rozpoznania zmiany od położenia miejsca załadunku (pęcherzyk DNA przed lub za zmianą) wskazuje również, czy zmiana jest preferencyjnie rozpoznawana na translokowanej, czy na przeciwnej, nietranslokowanej nici ssDNA5,9. W kolejnych rozdziałach zostaną przedstawione stosowane metody i pokrótce omówione zostaną główne wyniki tych eksperymentów. Co ważne, analogicznie do pokazanej tutaj przykładowej pracy nad naprawą DNA, obrazowanie AFM można zastosować do badania różnych systemów oddziałujących na DNA, takich jak replikacja DNA lub transkrypcja8,12,13,14.