$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Specyficzne dla miejsca rozszczepienie DNA (SSDC) jest kluczowym krokiem w wielu transakcjach genomowych. Na przykład systemy bacterial restriction-modification (RM)1 i CRISPR2 chronią komórki przed atakiem fagów i plazmidów, rozpoznając i rozszczepiając obce DNA w określonych sekwencjach. W typie II RM endonukleazy restrykcyjne (RE) rozpoznają krótkie sekwencje 4–8 par zasad (bp) poprzez interakcje białko-kwas nukleinowy3. Endonukleazy związane z CRISPR, takie jak Cas9, wiążą się z miejscami poprzez hybrydyzację miejsca docelowego z crRNA związanymi z endonukleazami4. Tworzenie specyficznych dla miejsca dwuniciowych pęknięć (DSB) jest również pierwszym krokiem w wielu zdarzeniach rekombinacji DNA5. Na przykład różnorodność regionów wiążących antygen utworzonych przez rekombinację V(D)J wymaga rozpoznania i rozszczepienia określonych miejsc docelowych6. Wiadomo, że niektóre transpozony celują również w określone sekwencje DNA7. Nic dziwnego, że wiele specyficznych dla miejsca nukleaz biorących udział w tych procesach, takich jak Cas9, jest kluczowym składnikiem technologii edycji genów8. Ponadto nowe endonukleazy specyficzne dla miejsca (tj. nukleazy palca cynkowego9 i TALENS10) zostały również zmodyfikowane do edycji genomów.
Wiele metod zostało wykorzystanych do pomiaru kinetyki specyficznego dla miejsca rozszczepienia kwasów nukleinowych. Należą do nich: analiza żelowa, fluorescence11,12 oraz metody oparte na sekwencjonowaniu13. Duży postęp osiągnięto dzięki wiązaniu mikrogranulek, które umożliwia wykrywanie DSB w pojedynczych cząsteczkach DNA przez ruch kulki po oddzieleniu nici. W tych metodach stosuje się różne rodzaje sił, aby zapewnić separację pasm i ruch stopki po rozszczepieniu. W jednym przypadku pułapki optyczne zostały użyte do pomiaru rozszczepienia DNA za pomocą EcoRV14. W tych eksperymentach celem badania jest wyszukiwanie docelowe, a warunki są zoptymalizowane tak, aby wiązanie specyficzne dla witryny było krokiem ograniczającym szybkość. Jedną z wad pułapek optycznych jest to, że w danym momencie można obserwować tylko jedno DNA. Ponadto należy przyłożyć okresową dużą siłę ciągnącą, aby sprawdzić separację pasm.
Inna technika wykorzystuje kombinację przepływu i słabych sił magnetycznych do ciągnięcia koralika w sposób ciągły15. W ten sposób mierzy się dyfuzyjną ograniczoną rozszczepialność przez NdeI. Zastosowana metoda pozwala na jednoczesny pomiar kilkuset DNA jednocześnie, co pozwala na uzyskanie istotności statystycznej w jednym eksperymencie. Przeprowadzono również eksperymenty oparte na pęsetach magnetycznych. W jednym z takich badań badano integrazę retrowirusową poprzez włączenie DSB do oligonukleotydu insercji16. Udana integracja doprowadziła do włączenia DSB do DNA na uwięzi i utraty dołączonego koralika. W podobnym badaniu endonukleazy restrykcyjnej typu III EcoPI zależnej od ATP, w jednym eksperymencie zaobserwowano dziesiątki DNA17. Pęseta magnetyczna ma tę zaletę, że napięcie, a także pętla DNA, mogą być kontrolowane i monitorowane podczas reakcji.
Prezentowana tutaj jest wysoce równoległa metoda pomiaru kinetyki SSDC, która wykorzystuje ostatnie ulepszenia w wiązaniu DNA na dużą skalę. Ta metoda jest ulepszeniem i rozszerzeniem poprzednich metod używanych do pomiaru replikacji DNA18, długości konturu DNA19 oraz rozszczepienia przez REs15. W tej technice liniowe DNA zawierające pojedynczą kopię sekwencji rozpoznawania są przygotowywane z biotyną na jednym końcu i digoksygeniną na drugim. Biotyna wiąże streptawidynę, która jest kowalencyjnie przyłączona do paramagnetycznej mikrokulki. Kompleksy DNA-kulki są wstrzykiwane do kanału mikroprzepływowego, który został sfunkcjonalizowany fragmentami FAB anty-digoksygeniny. DNA następnie wiąże się z punktami przyczepu do powierzchni poprzez wiązanie digoksygeniny z zaadsorbowanymi fragmentami FAB. Słabe siły magnetyczne przyłożone magnesem trwałym zapobiegają niespecyficznemu przywieraniu koralika do powierzchni. Próbki można szybko wstrzykiwać (<30 s) do kanału przepływowego w celu aktywacji reakcji rozszczepienia. Przepływ jest wyłączany podczas zbierania danych. Ponieważ każde DNA jest rozszczepiane, dokładny czas rozszczepienia można określić, rejestrując klatkę, w której koralik przesuwa się w górę i poza plan ogniskowy obiektywu, znikając w ten sposób z zapisu wideo. Liczenie pozostałych kulek klatka po klatce może być wykorzystane do ilościowego określenia postępu reakcji.
Poniżej znajduje się kompletny protokół, jak również przykładowe dane zebrane za pomocą NdeI. Przykładem tego, w jaki sposób można zastosować tę technikę, jest pomiar szybkości rozszczepienia dla różnych stężeń białek przy dwóch różnych stężeniach magnezu, niezbędnego kofaktora metalu. Chociaż to zastosowanie protokołu wykorzystuje NdeI, metodę można dostosować do użycia z dowolną nukleazą specyficzną dla danego miejsca poprzez zmianę projektu substratu DNA.