В этом исследовании представлен простой, удобный для пользователя ратиометрический анализ FRET для обнаружения и количественной оценки активности ДНКазы, а также демонстрируется его применение в анализе слабой нуклеазы.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
В этом исследовании представлен простой, удобный для пользователя ратиометрический анализ FRET для обнаружения и количественной оценки активности ДНКазы, а также демонстрируется его применение в анализе слабой нуклеазы.
Настоящий протокол описывает простой и чувствительный ратиометрический анализ резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET) для обнаружения и количественной оценки активности ДНКазы. Ратиометрические измерения FRET используют соотношение сигналов излучения донора и акцептора. Анализ обнаруживает одноцепочечные разрывы ДНК с помощью скобовидного олигозонда с двумя метками 38-мерного FRET-олигозонда, используемого в качестве датчика расщепления ДНК в режиме реального времени. Основным применением описанного подхода является количественная оценка влияния условий реакции, таких как рН, температура и состав буфера, на активность ДНКазы. Благодаря своей способности обнаруживать даже незначительное и медленное расщепление ДНК, этот анализ особенно хорошо подходит для исследования слабой нуклеолитической активности, требующей длительных периодов наблюдения, а также для изучения влияния pH на активность ДНКазы. Эти специфические преимущества этого ратиометрического протокола FRET иллюстрируются его применением для обнаружения и анализа активности ДНКазы ингибитора лейкоцитарной эластазы (LEI).
Ратиометрический флуоресцентный подход — это аналитический метод, который использует отношения флуоресцентных сигналов вместо того, чтобы полагаться исключительно на интенсивность одного сигнала 1,2. Преимущество использования соотношений заключается в том, что они обеспечивают внутреннюю калибровку и компенсируют множество случайных факторов, таких как изменения концентраций образцов и зондов, параметров прибора и т. д. Это повышает точность и чувствительность флуоресцентных зондов.
В конкретном контексте зондов резонансного переноса энергии (FRET) фирмы Фёрстер термин «ратиометрический» относится к тому факту, что измерение основано на соотношении двух сигналов излучения от пары донорных и акцепторных флуорофоров FRET. Для количественной оценки активности целевого аналита ратиометрические FRET-зонды используют отношение интенсивностей излучения акцептора/донора (или, в некоторых случаях, инвертированное соотношение донор/акцептор). Коэффициент напрямую связан с эффективностью FRET. Он обеспечивает механизм самонормализации, который сводит к минимуму фоновый шум и учитывает изменения условий освещения и концентрации зонда3.
Недавние интересные применения ратиометрического метода включают его использование в ратиометрических электрохимических биосенсорах для детектирования циркулирующей опухолевой ДНК (цДНК)4,5, в броуновских био-наномашинах для FRET-детектирования фагоцитарной фазы апоптоза6, а также для экспресс-маркировки FRET и анализа фагоцитарного клиренса7. Описанный в данной работе ратиометрический подход FRET полезен для количественной оценки активности ДНКазы. Измерения анализа основаны на соотношениях излучения пары FRET. Благодаря своей способности обнаруживать даже незначительное и медленное расщепление ДНК, этот анализ особенно хорошо подходит для исследования слабой нуклеолитической активности, требующей более длительных периодов наблюдения, и для экспериментов при различных уровнях pH.
Некоторые конкретные преимущества ратиометрического анализа FRET иллюстрируются его применением для изучения активности ДНКазы слабого ингибитора нуклеазы-лейкоцитарной эластазы (LEI). Отчет включает в себя подробный протокол с пошаговой инструкцией и описанием анализа данных ратиометрии.
Описание ратиометрического преобразователя FRET
Ратиометрический FRET-зонд представляет собой самокомплементарный 38-мерный олиголиго ДНК, несущий донор-акцепторную пару FRET FAM-TAM (флуоресцеин-тетраметилродамин). Его последовательность: 5'-AAGGGT(TAM) CCTGCTGCAGGACCCTTAACGCATTATGCGT(FAM)T-3'. Самогибридизирующийся 38-мер имеет степеобразную конформацию, состоящую из двух соединенных шпилек из 23 и 15 нуклеотидов, которые располагают два его флуорофора на расстоянии 23,8 Å друг от друга. Это значительно ближе, чем радиус Фёрстера для этой пары, R0 = 55 Å8. Такое позиционирование соответствует очень высокой эффективности передачи энергии от донора к акцептору7: EFRET = 0,993477. В результате, при освещении на длине волны возбуждения FAM (488 нм) FRET-зонд излучает флуоресценцию на длине волны излучения акцептора TAM (580 нм), в то время как излучение FAM (525 нм) подавляется.
На рисунке 1A показана предсказанная ранее вторичная структура зонда с небольшими петлями на обеих вершинах шпилек из-за стерического препятствия из-за узкой кривизны. Схема обнаружения разрыва ДНК с помощью FRET-зонда представлена на рисунке 1B. Это показывает, что разрыв олигозонда ДНКазой разделяет его пару FRET. Это разделение приводит к резким изменениям в спектрах излучения обоих флуорофоров в зонде. На рисунке 1C представлены спектры излучения зонда до и после его расщепления и показано, что расщепление пары FRET после расщепления зонда DNase II увеличивает донорское излучение на длине волны 525нм (I D 525 нм) и одновременно уменьшает акцепторное излучение на длине волны 580нм (I A 580 нм). На рисунке 1D показаны отношения геля и FRET PAGE, соответствующие спектрам излучения. При расщеплении зонда DNase II образовались две широкие полосы, соответствующие 12-16-мерным FAM (зеленый) и 20-24-мерный TAM (красный) фрагментам, указывающим на случайные разрезы 38-мера по обе стороны от T23 в непосредственной близости от области соединения между шпильками.

Рисунок 1: Структура и работа ратиометрического FRET-зонда. (A) Прогнозируемая вторичная структура FRET-зонда, сгенерированного UNAFold. (B) Схематическое изображение рабочего преобразователя FRET. Ратиометрический зонд FRET представляет собой штапельный олигонуклеотид с 38 мерами, меченный донором FRET (FAM) и акцептором (TAM) на эффективном расстоянии FRET 23,8 Å, обеспечивая эффективность FRET >99%. Расщепление олигозонда ДНКазой разделяет пару FRET, устраняя FRET. (C) Спектры излучения FRET-зонда до и после ДНКазы II-опосредованного расщепления. Перед расщеплением излучение FAM подавляется, и излучение TAM становится заметным. ДНКаза-опосредованное расщепление разделяет FAM и TAM, восстанавливая излучение FAM (пик 525 нм) и отменяя излучение TAM (падение 580 нм). λвозбуждение = 488 нм. (D) Ратиометрическая и электрофоретическая оценка FRET зонда до и после расщепления ДНКазы II. Верхняя панель: отношения FRET (RD/A = ID 525 нм / IA 580 нм), представляющие собой количественную меру состояния зонда. Красный: раздетый; зеленый: ДНКаза II-расщепленная. Нижняя панель: Денатурирующий гель PAGE, соответствующий флуориметрическим данным. Расщепление ДНКазы II дает фрагменты, меченные FAM (12-16 нт, зеленый) и меченые TAM фрагменты (20-24 нт, красный), что указывает на расщепление вблизи соединения между шпильками, фланкирующими T23. В разрозненном контроле наблюдается желтая флуоресценция. Лестница: FAM- и TAM-меченые олигонуклеотиды, соответствующие 5'- и 3'-сегментам 38-мерного зонда, с флуоресцентными метками в их исходных положениях. Условия реакции: 10 мМ буфер ацетата натрия (pH 5,2), 1 пмоль/мкл FRET зонд, 0,0033 ед/мкл ДНКазы II, 24 ч при 37 °C. RD/A = ID 525 нм/IA 580 нм; λвозбуждение = 488 нм. Старые условия: 1 мкМ FRET зонд, 10 мМ Na+, 0 мМ Mg2+, 37 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В то время как изменения в отдельных тестовых спектрах излучения очевидны, количественные сравнения между большим числом спектров излучения требуют более удобного для пользователя и компактного количественного параметра. Эту роль играет коэффициент FRET. Представленный метод флуоресценции относится к группе ратиометрических подходов, которые для их количественнойоценки опираются на прямые (двухканальные) отношения флуоресцентных излучений членов пары FRET 2,9.
В подходе используется соотношение донорских/акцепторных излучений (RD/A = ID 525 нм / IA 580 нм), которое связано с эффективностью FRET и количественно характеризует состояние 38-мера (сломанное или неповрежденное). Соотношение ID/IA обеспечивает самонормализующийся механизм, который по своей сути учитывает изменения таких факторов, как концентрация зонда, интенсивность возбуждения и фотообесцвечивание3. Этот подход подходит только для FRET-зондов, у которых донор и акцептор связаны в одном и том же зонде, где их соотношение известно и постоянно. По этой причине в подходе нет необходимости учитывать ни прямое возбуждение акцептора, ни перекрестные помехидонора2. Фиксированная стехиометрия донор-акцептор зонда гарантирует, что эти изменения не влияют на соотношение донор/акцептор излучения и непосредственно отражают состояние зонда. В результате соотношение донорно-акцепторных излучений обеспечивает количественный параметр расщепления ДНК со встроенной нормализацией сигнала 2,3.
В анализе используется соотношение ID / IA ( а не противоположное соотношение IA / ID ), поскольку это соотношение описывает прекращение FRET после расщепления зонда и, таким образом, изменяется в том же направлении, что и активность ДНКазы - увеличивается с увеличением расщепления. Это проиллюстрировано на рисунке 1D, на котором показано отношение FRET ратиометрического зонда и его электрофорез PAGE до и после его расщепления ДНКазой II, что соответствует спектрам на рисунке 1C. Чтобы продемонстрировать удобство, экономию времени и простоту использования ратиометрического анализа FRET, он был применен для выявления и изучения активности ДНКазы слабого нуклеазы-лейкоцитарного ингибитора эластазы (LEI).
Слабая нуклеаза LEI
Ингибитор протеазы LEI по своей природе метастабилен, т.е. топологически несбалансирован. Эта особенность имеет важное значение для его тормозного механизма. Когда протеаза-мишень расщепляет петлю реактивного сайта LEI (RSL), молекула-ингибитор протеазы претерпевает резкое конформационное изменение, механически растягивая протеазу в неактивную форму10,11. Примечательно, что это также разрушает и растягивает саму молекулу LEI и обнажает скрытый сайт ДНКазы, который покрыт своей нативной складкой, тем самым превращая LEI в активную эндонуклеазу L-ДНКазу II (ДНКаза II, производная от LEI)11,12. Криптозный сайт ДНКазы также может быть подвергнут воздействию в результате денатурации и разрушения кода LEI, вызванного его ночной инкубацией при pH 2 в серной кислоте 10,13. Использование этого анализа FRET для изучения кодов LEI показало, что жесткие методы химической денатурации и целенаправленное ферментативное расщепление не являются строго обязательными для выявления скрытой нуклеолитической активности кодов LEI.
Представленное приложение и протокол ратиометрического подхода FRET описывают выявление слабой активности ДНКазы, присущей нормальным, неденатурированным кодам LEI. Открытие внутренней нуклеолитической способности неиспользуемого кода LEI и его анализ стали возможными благодаря пригодности анализа для длительных периодов наблюдения при различных уровнях кислотного pH.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Оценка активности ДНКазы с помощью ратиометрического флуоресцентного резонансного переноса энергии
Метод подходит для обнаружения и анализа нуклеолитических свойств растворимого белка. Для изучения рН-зависимости исследуемой ДНКазы в рамках процедуры одновременно оценивается активность ДНКазы в диапазоне значений рН. Методика может быть использована для изучения слабой и медленной активности нуклеазы. Подробная информация о реагентах и оборудовании, использованных в этом исследовании, приведена в Таблице материалов.
1. Подготовка компонентов инкубационной смеси для системы флуориметрической оценки
2. Индукция ДНКазной реакции с использованием ратиометрического FRET зонда в качестве подложки
3. Инкубация
4. Нормализация сигнала к тем же условиям pH
5. Обнаружение флуориметрических сигналов и расчет соотношений FRET
6. Постраничная проверка спайности
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В этом репрезентативном исследовании подчеркиваются конкретные преимущества ратиометрического подхода FRET для изучения медленных ферментативных реакций, требующих длительных периодов наблюдения. В частности, приложение демонстрирует обнаружение и анализ присущей коду LEI активности ДНКазы с помощью ратиометрической системы FRET. Результаты этого исследования представлены на рисунке 2.
Используя это...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В данном исследовании демонстрируется применение ратиометрического FRET для обнаружения и оценки активности ДНКазы с использованием слабой нуклеазы - ингибитора лейкоцитарной эластазы (LEI). Этот подход обеспечивает удобный и количественный метод оценки ДНКазных свойств белков и биомолекул. Его протокол прост, а процедура анализа данных прямолинейна и проста. В анализе используется 38-мерный зонд FRET, который выдерживает длительную инкубацию при различных кислотных pH. Это свойство, как...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать.
Это исследование было поддержано грантом R01 GM148812 от Национального института общих медицинских наук, NIH; грантами R21 CA255979 от Национального института рака, NIH; и гранты R21 AG073887 и R21 AG071978 от Национального института по проблемам старения, NIH (все V.V.D.).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Планшет на 96 лунок | Сокол | 353219 | |
| DNA FRET Probe | ДНК IDT | 5'-AAG GGT(TAM)CCT GCT GCA GGA CCC TTA ACG CAT TAT GCG T(FAM)T- 3'; FAM – Флуоресцеин-dT; TAM – Тетраметилродамин-дТ. | |
| ДНКаза II | Сигма Олдрич | Д8764 | |
| Цифровая зеркальная камера EVOLT | Олимп | Е500 | |
| Аппарат для гелевого электрофореза с блоком питания | Био-Рад | ||
| ЛЕЙ | Новопротеин | CJ01 | |
| Система визуализации LiCOR Gel | LiCOR | ||
| Вода без нуклеаз | Инвитроген | 10977015 | |
| Предварительно отлитый гель PAGE | Инвитроген | EC68852 | |
| Буферный раствор ацетата натрия pH 5,2 | Сигма Олдрич | С2899-100МЛ | |
| Спектрофлуориметр | Текан | Саффайр 2 |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.