$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Białka komórkowe odgrywają kluczową rolę w organizowaniu złożonych procesów biologicznych, które zachodzą w organizmach żywych. Optymalne funkcjonowanie tych szlaków zależy od wzajemnych oddziaływań między białkami i innymi biomolekułami wewnątrz komórki, w tym interakcji z białkami partnerskimi i kwasami nukleinowymi1. Tak więc zrozumienie zawiłości procesów komórkowych wymaga głębokiego zrozumienia dynamiki interakcji białko-kwas nukleinowy.
Tradycyjnie, interakcje białko-kwas nukleinowy były badane za pomocą testów EMSAs2. W tym teście białka są inkubowane z syntetycznymi oligonukleotydami (DNA/RNA, zawierającymi określone długości lub sekwencje) przez krótki czas, a następnie reakcja jest elektroforezowana na natywnym żelu poliakrylamidowym (PAGE)3,4,5. Aby umożliwić wizualizację interakcji białko-oligonukleotyd, oligonukleotydy są zazwyczaj znakowane radioaktywnie 32P lub znakowane cząsteczkami fluorescencyjnymi. Jeśli białko oddziałuje i wiąże oligonukleotyd, to wiązanie białka spowalnia ruchliwość kwasu nukleinowego w żelu6,7. Dlatego ta metoda jest również nazywana testem przesunięcia żelu lub opóźnienia żelu. Chociaż metoda ta jest szeroko stosowana, istnieje kilka ograniczeń, które należy wziąć pod uwagę podczas korzystania z tej metody w celu uzyskania wartościKD, w tym niska rozdzielczość wynikająca ze słabego lub dynamicznego wiązania, wymóg znacznie wysokiego stężenia białek i większy wysiłek. Ponadto EMSA nie są testami w czasie rzeczywistym i dlatego nie mogą dokładnie mierzyć kinetyki wiązania7,8.
Innowacyjne techniki, takie jak powierzchniowy rezonans plazmonowy (SPR) i interferometria biowarstw (BLI), pojawiły się, aby przezwyciężyć te ograniczenia9,10,11,12. Obie metody mierzą stałe szybkości asocjacji/dysocjacji i stałe powinowactwa między cząsteczkami w sposób bezznacznikowy. Ponieważ białko nie musi być znakowane, techniki te eliminują ryzyko zmiany właściwości białka lub zablokowania miejsca wiązania. W SPR światło spolaryzowane oddziałuje z czujnikiem (metalową folią przewodzącą, zwykle złotą), generując falę gęstości ładunku elektronowego zwaną plazmonem. Ta interakcja zmniejsza intensywność odbitej wiązki, a detektor mierzy zmianę określonego kąta, znanego jako kąt rezonansowy13. Aby zbadać oddziaływania ligand (kwas nukleinowy) - analit (białko), ligand jest unieruchamiany w jednej komórce przepływowej na chipie czujnika, a analit jest wstrzykiwany do komory przepływowej zawierającej unieruchomiony ligand. Po związaniu analitu z ligandem następuje wykrywalna zmiana współczynnika załamania światła w pobliżu powierzchni czujnika, co pozwala na pomiar oddziaływań molekularnych14,15,16.
Interferometria biowarstwowa (BLI) mierzy wzór interferencji światła, gdy światło przechodzi przez światłowód z biowarstwą, składającą się z liganda (przynęty) i jego partnera wiążącego (analitu), na dolnej powierzchni końcówki biosensora. Światło jest przepuszczane przez końcówkę i odbijane na obu końcach biowarstwy ze względu na właściwości biowarstwy. Grubość biowarstwy jest proporcjonalna do liczby związanych cząsteczek, które wpływają na wzór odbitego światła. Porównując zmianę krzywej intensywności względnej vs. Długość fali spowodowana interferencją między światłem odbitym od granicy faz odniesienia a powierzchnią międzyfazową biowarstwy/bufora umożliwia określenie zmiany grubości biowarstwy. Gdy wiąże się więcej cząsteczek, następuje większa zmiana, co sprawia, że BLI jest potężnym narzędziem do badania interakcji biomolekularnych w czasie rzeczywistym. Zmiana wzorca interferencji jest mierzona i przedstawiana na sensorgamie jako przesunięcie widmowe17,18 (Rysunek 1A). Charakter interakcji wiązania można dokładnie określić za pomocą odpowiednich elementów sterujących, takich jak konfiguracja bez stężeń zmiennych ligandów partnera wiążącego19,20,21. W porównaniu z SPR, BLI jest opłacalny i przyjazny dla użytkownika, dzięki czemu jest dostępny dla szerokiego grona badaczy. Ponadto próbki używane w BLI pozostają nienaruszone, jeśli nie ma degradacji lub agregacji. Pozwala to na ich ewentualny odzysk i ponowne wykorzystanie, minimalizując w ten sposób ilość odpadów. Przyrząd BLI działa bez użycia mikrofluidyki, eliminując w ten sposób wady układu fluidycznego, takie jak konieczność konserwacji/pielęgnacji, zapychanie czy stosowanie odgazowanych. Minimalizuje to również ryzyko zanieczyszczenia instrumentu przez niefiltrowane lub surowe próbki białka.
W eksperymencie BLI, biowarstwa jest tworzona poprzez unieruchomienie cząsteczki przynęty na biosensorze. Biowarstwa biosensorów może wchodzić w interakcje z różnymi znacznikami, co umożliwia badanie interakcji między cząsteczkami (w tym kwasami nukleinowymi, białkami, przeciwciałami, wirusami, małymi cząsteczkami itp.)22. Różne strategie wychwytywania, w tym biotyna/streptawidyna, 6X-His-tag/Ni-NTA, FLAG/anti-FLAG, GST/anty-GST i przeciwciało/anty-Fc, mogą być stosowane do ustanowienia tego unieruchomienia. Utrzymanie struktury i aktywności unieruchomionego liganda jest kluczowe przy wyborze biosensora. Na zmiany we wzorcu interferencyjnym ma wpływ ilość związanej cząsteczki, a także matrix23. Interakcje białko-kwasy nukleinowe są badane za pomocą biotynylowanych sond oligonukleotydowych, które można unieruchomić na biosensorach pokrytych streptawidyną. Próbki białka, co do których oczekuje się, że będą wchodzić w interakcje z unieruchomioną przynętą (oligonukleotydem), pozostają w kontakcie z oligonukleotydem przez określony czas w buforze wiążącym w celu pomiaru asocjacji, a następnie są przełączane na ślepy bufor wiążący w celu pomiaru dysocjacji. Schematyczne przedstawienie wiązania analitu i odpowiadających mu zmian w krzywej wiązania pokazano na rysunku Rysunek 1B. Dodatkowo, interakcje białko-nukleina mogą być również badane przez odwróconą drogę immobilizacji, w której białko (przynęta) jest wychwytywane na biosensorze i oddziałuje z kwasem nukleinowym (analitem).
Obecnie na rynku dostępnych jest wiele instrumentów, które działają na zasadzie interferometrii biowarstw. Prostym i ekonomicznym urządzeniem jest system Octet N1, który posiada pojedynczy kanał do przesyłania danych. Wymaga obsługi ręcznej, zużywa minimalną objętość próbki (4 μl) i przeprowadza analizę próbki w temperaturze otoczenia9,23. Ten jednokanałowy instrument może wykrywać skuteczność wiązania białek większych niż 10 kDa i mierzyć powinowactwo w zakresie mikromolowym (μM) do nanomolowym (nM) 11,12. Niektóre instrumenty z 2, 8, 16 i 96 kanałami do automatycznego odczytu danych są również dostępne i kompatybilne zarówno z formatami 96, jak i 384 dołków19,20. Niektóre z tych instrumentów mogą również pracować w temperaturach od 4 °C do 40 °C, wykrywać biomolekuły o masie cząsteczkowej tak niskiej jak 150 Da i mierzyć powinowactwo w zakresie milimolowym do pikomolarnego19,21. Podczas gdy opisany system jest opłacalny, droższe urządzenia z wieloma kanałami oferują automatyczne przetwarzanie o wysokiej przepustowości. Te zaawansowane systemy są powszechnie stosowane do charakteryzowania i opracowywania biologicznych cząsteczek leków9,23.
Obecny protokół opisuje kroki związane z pomiarem parametrów wiązania białka replikacyjnego A (RPA) z jednoniciowym DNA (ss-DNA) przy użyciu jednokanałowego, manualnego systemu interferometrii biowarstwowej. RPA to heterotrimeryczny kompleks białkowy wiążący ssDNA, który odgrywa kluczową rolę w prawie wszystkich aspektach metabolizmu DNA, w tym w replikacji, naprawie i rekombinacji DNA24. Ze względu na wysokie powinowactwo do ssDNA (mierzone w zakresie subnanomolowym), może szybko wiązać się z ssDNA generowanym podczas różnych transakcji DNA, chronić go przed degradacją nukleolityczną i zapobiegać improwizowanemu wiązaniu innych dalszych białek. RPA odgrywa również kluczową rolę w zapobieganiu tworzeniu się niekanonicznych struktur drugorzędowych i trzeciorzędnych, takich jak G-quadruplexes25. Ludzki RPA składa się z trzech podjednostek: RPA70 (70 kDa), RPA32 (32 kDa) i RPA14 (14 kDa), zwanych również odpowiednio RPA 1, RPA 2 i RPA 324,26,27. W tych podjednostkach znajduje się sześć fałdów wiążących oligonukleotyd/oligosacharydy (fałdy OB) oznaczone od A do F. Wśród nich domeny wiążące DNA (DBD) znajdują się w podjednostkach RPA1 (DBD-A, DBD-B, DBD-C) i RPA2 (DBD-D)28. Początkowo sądzono, że w zależności od długości DNA, RPA wykazuje różne tryby wiązania, w których różne DBD były zaangażowane w określone długości DNA29. Dane z ostatnich badań strukturalnych i pojedynczych cząsteczek pomogły udoskonalić te modele, sugerując, że wiązanie różnych DBD RPA jest bardziej dynamiczne niż początkowo sugerowano30,31,32,33,34,35,36. Ta cecha właściwości dynamicznego wiązania jest niezbędna dla funkcji RPA, ponieważ RPA powinna być w stanie ściśle wiązać się z substratem DNA podczas niektórych transakcji DNA; Jednak powinien być również w stanie przemieścić się z substratu, aby przekazać substrat następnemu białku podczas procesu biologicznego. Korzystając z różnych technik biochemicznych, KD dla RPA określono na około 0,4 nM dla substratu ss-(polydT)30 oraz odpowiednio 80 nM i 200 nM dla substratów ss-(polydA)257 i dG-(polydG)602, mierzone za pomocą anizotropii polaryzacji fluorescencji (FPA)37,38. RPA wykazuje również około 50-krotnie wyższą preferencję do wiązania się z sekwencjami bogatymi w pirymidynę w porównaniu z purynami. Chociaż różne techniki biochemiczne określiły różne pomiary KD dla RPA, wszystkie pomiary mieściły się w zakresie nanomolowym, co sugeruje wysokie powinowactwo RPA do wiązania ssDNA. Wykorzystując mikroskopię fluorescencyjną całkowitego wewnętrznego odbicia (TIRFM), odkryto, że na podstawie długości DNA, RPA wiąże się z co najmniej dwoma trybami wiązania: jednym, który został zdefiniowany przy szybkiej dysocjacji (Kd, 680 pM) i powolnej dysocjacji (Kd, 60 pM) kompleksie33,39. Biorąc pod uwagę jego kluczowy udział w prawie wszystkich szlakach metabolicznych DNA, istnieje duże zainteresowanie tworzeniem inhibitorów, które mogą utrudniać interakcję między RPA a jednoniciowym DNA (ssDNA). Te chemiczne inhibitory są niezbędne w zakłócaniu odpowiedzi na uszkodzenie DNA, czyniąc komórki rakowe bardziej podatnymi na czynniki uszkadzające DNA stosowane w terapiach klinicznych. Wykorzystanie testu BLI pozwala na precyzyjną ilościową ocenę skuteczności inhibitora w modulowaniu funkcji wiązania RPA40,41.
Konfiguracja BLI pozwala na różne ustawienia: kinetykę podstawową i zaawansowaną. W podstawowym trybie kinetyki test składa się z trzech podstawowych etapów: ustalenia linii bazowej, asocjacji i dysocjacji. Jednak przed wykonaniem tego testu bioczujniki muszą być powlekane oddzielnie, za pomocą przyrządu lub ręcznie na stole laboratoryjnym. I odwrotnie, zaawansowany tryb kinetyki wykracza poza podstawowe trzy kroki, umożliwiając włączenie dodatkowych kroków. Te dodatkowe etapy mogą służyć różnym celom, takim jak kondycjonowanie bioczujnika do zmian w buforze lub ułatwianie wykrywania kolejnych interakcji białkowych. Zaawansowana kinetyka pozwala również na usunięcie analitu z biosensora za pomocą dobrej metody regeneracji w celu potencjalnego ponownego wykorzystania, pod warunkiem, że przynęta i bioczujnik pozostaną nienaruszone. Ogólnie rzecz biorąc, zaawansowana kinetyka jest stosowana zamiast kinetyki podstawowej, gdy test obejmuje wiele etapów lub test musi być wykonany w bardziej złożonym formacie.
Ten protokół opisuje obie metody przy użyciu tej samej przynęty [3'Bio-ss-poly (dT)32] i analitu (RPA). Do unieruchomienia przynęty zostanie użyty bioczujnik pokryty streptawidyną i zostaną uzyskane pomiaryK D dla analitu. Protokół ten opisuje kompleksowe podejście do wykonywania testu BLI przy użyciu jednokanałowej interferometrii biowarstw instrumentu, obejmujące przygotowanie przynęty z biosensora, rozważania dotyczące bufora i zarys procedury krok po kroku.