$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Учитывая центральную роль факторов транскрипции (TFs) в регуляции генов, определение их привязки предпочтений в количественном выражении имеет первостепенное значение. Семенные исследования фон Hippel представил понятие, что регулирующие TFs быстро признать ДНК, таким образом, что их привязки хорошо описана термодинамического равновесия, в то время как управляются вниз по течению событий набора РНК-полимеразы промоутер медленнее кинетики1. Последние в естественных условиях обязательного исследования показывают, что эта картина является вероятно более сложных2,3; Тем не менее эти общие предположения служат хорошей приближений и поддерживали многие вычислительные подходы к найти СНГ регуляторные элементы и предсказать выражение последовательности4,5,6. В то время как равновесие привязки таким образом успешно работают как концепция, текущие методы для определения взаимодействия TF-ДНК сосредоточиться на обязательную силу специфичности и обычно непосредственно не мера привязки сходство в равновесии. Систематическое измерение TF-ДНК привязки представляет собой значительный технический вызов, и существующие методы имеют несколько различные ограничения.
Иммунопреципитации Chromatin, следуют глубокие виртуализации (чип seq)7, наиболее распространенных в vivo технику, не позволяют измерение привязки сходство или точной локализации привязки сайтов в геномной фрагментов. Несколько в vitro методы, включая DNase footprinting8, электрофоретической подвижности сдвига (EMSA)9, поверхностного плазмон резонанс (СРП)10и микромасштабной thermophoresis11 возможность измерить привязки узы, но они являются относительно низкую пропускную способность. И наоборот высокая пропускная способность методы, включая белка привязки microarrays12, HT-SELEX13,14и бактериальных один гибрид (B1H)15 не смогли измерить привязки сродства и обычно дают слишком конкретные обязательные последовательности, которые в основном за счет строгого отбора или мытья необходимые шаги. Более недавние события включают глубокие последовательности на основе хитов-ФЛИП16, SELEX-seq17и на основе микрофлюидика MITOMI18 или улыбка-Seq19, которые позволяют для извлечения близость абсолютной привязки; Однако они полагаются на измерении интенсивности флуоресценции помечены TF и ДНК. Флуоресценции сигналы, таким образом, стать ограничение в концентрациях, низким содержанием белка и в определении низких значений KD (< ~ 10 Нм). Кроме того привязка TF-ДНК в этих методов происходит на тонких поверхностей, поднимая вопросы с неспецифическим привязки или auto флуоресценции фон, который делает его трудно точно подсчитать слабого связывания.
Чтобы устранить эти ограничения, мы разработали новый метод для определения TF-ДНК сродство ландшафтов в равновесии и решение, которое мы назвали высокой производительности флуоресценции анизотропии (хип-FA)20. Техника на основе установленных флуоресценции анизотропии (ФА) пробирного21 но изменен для измерения привязки константы с высокой чувствительностью и крупномасштабных с помощью заказной автоматизированных микроскоп и анализа установки.
FA assay контролирует взаимодействие дневно обозначенные видов (как ДНК олигомер) партнеру привязки, в данном случае TF, путем измерения молекулярного вращения помечены молекулы. После привязки к TF, скорость его вращения уменьшается из-за более высоких гидродинамических радиус и молекулярный вес связанных комплекса, что приводит к увеличению FA. Точное измерение очень прочное связывание (KD < ~ 1 Нм) требует использования низких концентраций Приклеенные этикетку, ссылка ДНК (c < ~ 1 Нм). Это трудно достичь с коммерческого документа, например стандартного Гонав читателя. Кроме того разница большого размера (10-100 раз) между присоединенным и свободным комплексы обычно необходима, запрещающие измерения взаимодействий между TF связывания доменов и короткие олигомеров ДНК, которые, как правило, примерно одинаковые молекулярных масс . Наконец кривой титрования полный, как правило, требует подготовки и измерения нескольких скважин, содержащие концентрации серии для titrating видов.
Для решения этих вопросов, мы используем widefield микроскопии установки, изменения для достижения высокой определение чувствительности и позволяют FA измерений в различных z позициях одной скважины. Это позволяет нам контролировать привязки взаимодействия между видами аналогичных молекулярной массы и с высокой работоспособностью. Более высокая пропускная способность достигается путем измерения FA в нескольких хорошо пластины форматов и проведении всей титрования серии в одном хорошо с помощью контролируемой поставки системы(рис. 1). Кроме того используя пробирного конкурентоспособной привязки, мы извлекаем не только константы привязки, но и концентрация активных белков. Это важной особенностью assay, поскольку лишь часть молекул выраженной TF являются активными из-за деградации или сворачиванию белков. Экспериментальной установки основан на коммерческих эпифлуоресцентного микроскопа с XY - и Z-пьезо этапов. Мы обновления системы с внешними лазерного возбуждения, а затем обнаружил, что два излучаемого линейная поляризация компонентов на чип EM-ПЗС-камеры с высокой квантовой эффективностью для обнаружения света (рис. 1b и 1 c). Система использует цель высокая числовая апертура (NA), в сочетании с ультра-чувствительных датчиков и таким образом дает высокочувствительный FA измерения. Записывая флуоресценции z стеки, привязки взаимодействия может быть измерена по оптической оси z при использовании гетерогенной матрицы для реагентов. Все эти изменения могут быть легко реализованы в существующей системе и являются экономически эффективными.
Мы используем пробирного конкурентоспособной привязки, в котором сродство немеченого ДНК олигомера измеряется по сравнению с дневно обозначенные ДНК, которая служит ориентиром. TF и ссылка ДНК включены в фиксированной концентрации в пористых агарозы гелевой матрицы (поры размер ~ 1 мкм), который представляет-взаимодействие среды для привязки. Ссылка ДНК помечается Cy5. Этот краситель оказался хорошо подходит для измерений Англии из-за существования относительно длительного флуоресцирования (~ 1нс) и флуоресценции выбросов в far-red видимого спектра (низкий авто флуоресценции фон). TF концентрация наблюдается в молярной сверх Cy5-ссылка ДНК, обеспечивая, что все ссылки ДНК привязан к белка. Решение о неподписанном конкурента ДНК затем осаждается на поверхности геля и рассеивает внутри пористой матрицы, установления градиента концентрации c (z, t) , который изменяется z-положение фокальной плоскости и времени t (Рисунок 1, Рисунок 2a-2 c). Таким образом TF, привязан к ДНК Cy5-ссылка локально подвергается воздействию различных концентраций конкурента ДНК, которая конкурирует для привязки, ведущих к динамически меняющихся FA Cy5-ссылка ДНК FAREF(z, t) (рис. 2b и 2 c).
Для определения концентрации c(z,t) конкурента, мы измеряем в отдельных скважинах (калибровку wells) динамически меняющихся FA сигнал из Голубого Нила (NB) фаNB(z, t) (Рисунок 2и 3). Этот краситель встраивается в ДНК и тем самым выступает в качестве датчика ДНК для конкурента ДНК. С этой контролируемой системы доставки десятки и сотни различных ДНК белковых привязки родство может быть измерена в пределах одной мульти хорошо пластины (96 - или 384-ну формат пластины). До завершения перемещения помечены ссылки ДНК от TF затем последовательно производится измерение. Мы определили специфику привязки для данного фактора путем измерения сходство все 3 N сингл база мутаций консенсуса последовательности длины N. Хип-FA требует небольшое количество белка (~ pmols на кривой титрования) и показывает низкой изменчивости в определении K sD[Коэффициент вариации (кв) < 20%], позволяя измерения в относительно крупных масштабах. Этот метод может осуществляться вручную или полностью автоматизированы с помощью робототехнической системы, что приводит к еще меньше CVs (рис. 4, верхняя группа). Константы диссоциации измеряются с высокой точностью до 0,5 Нм. Для чрезвычайно высокой работоспособностью (KD < 500 м), мы используем стандартные конкурентоспособные титрования (рис. 5) из-за неточности при измерении концентрации ДНК конкурента на низком уровне (< 100 Нм).
Хип-FA могут быть реализованы на почти любой стандарт, перевернутый, флуоресцентный эпифлуоресцентного микроскопа, при наличии автоматизированной XY-стадии и стадии z-axis пьезо. Оптические компоненты были построены вокруг установки автоматизированного widefield, оснащен междугородной цели. На практике assay может быть адаптирована к целям с другими характеристиками (в частности работы, расстояние и числовая апертура). Однако, это требует оптимизации параметров (расстояния между z-фрагменты, пористость и высота геля агарозы и т.д.). Возможно также использование других видов лазеров или камеры. Ниже приводится подробное описание всей экспериментальной процедуры и анализа данных в разделе протокол.