Combinando Manipulación sola molécula y de imagen para el estudio de las interacciones proteína-ADN
Summary
Aquí se describe la instrumentación y métodos para la detección de moléculas de proteína única etiquetados con fluorescencia que interaccionan con una sola molécula de ADN suspendido entre dos microesferas ópticamente atrapados.
Abstract
The paper describes the combination of optical tweezers and single molecule fluorescence detection for the study of protein-DNA interaction. The method offers the opportunity of investigating interactions occurring in solution (thus avoiding problems due to closeby surfaces as in other single molecule methods), controlling the DNA extension and tracking interaction dynamics as a function of both mechanical parameters and DNA sequence. The methods for establishing successful optical trapping and nanometer localization of single molecules are illustrated. We illustrate the experimental conditions allowing the study of interaction of lactose repressor (lacI), labeled with Atto532, with a DNA molecule containing specific target sequences (operators) for LacI binding. The method allows the observation of specific interactions at the operators, as well as one-dimensional diffusion of the protein during the process of target search. The method is broadly applicable to the study of protein-DNA interactions but also to molecular motors, where control of the tension applied to the partner track polymer (for example actin or microtubules) is desirable.
Introduction
Molécula individual (SM) técnicas han evolucionado mucho en los últimos treinta años para responder a la necesidad de superar algunas de las limitaciones de las mediciones de soluciones tradicionales, a granel 1.3. La manipulación de las moléculas biológicas individuales ha creado la oportunidad para medir las propiedades mecánicas de los biopolímeros 4 y controlar los parámetros mecánicos de proteína-proteína 5 y proteína-DNA 6,7. Detección de fluorescencia SM, por otro lado, representa una herramienta muy versátil para el estudio de actividad de la proteína in vitro e in vivo, dando lugar a la posibilidad de localizar y rastrear moléculas individuales con precisión nanométrica. A través del punto de ajuste de amplio función del instrumento a la imagen SM, de hecho, se puede lograr la localización con una precisión dependiendo principalmente de la relación señal a ruido (SNR) y alcanzando un límite de alrededor de un nanómetro 8,9. Estas metodologías se encuentran potenteaplicaciones en el estudio de la dinámica de las proteínas motoras, así como de los procesos de difusión subyacentes búsqueda de objetivos en las proteínas de unión al ADN. La capacidad de determinar constantes de difusión como una función de la secuencia de ADN, tiempo de residencia en el objetivo y con precisión la medición de la longitud del ADN explorado durante los eventos de difusión unidimensionales, representa una poderosa herramienta para el estudio de la dinámica de interacción de proteínas de ADN y para la investigación de los mecanismos de búsqueda de objetivo específico.
Recientemente, la combinación de estas dos técnicas se ha producido una nueva generación de montajes experimentales 10-14 que permitan la manipulación simultánea de un sustrato biológico (por ejemplo, un filamento de actina o una molécula de ADN) y la detección / localización de una enzima interacción socio (por ejemplo, miosina o una proteína de unión al ADN). Las ventajas de estas técnicas se basan principalmente en la posibilidad de ejercer el control mecánico sobre el polímero atrapado, por lo tanto enabling el estudio de la dinámica de interacción frente a fuerzas o pares. Además, la metodología permite la medición de las reacciones bioquímicas lejos de la superficie, evitando una de las principales limitaciones de los métodos clásicos SM, es decir, la necesidad de inmovilización de las moléculas en estudio sobre una superficie (portaobjetos de vidrio o microesferas).
La combinación de dos técnicas de moléculas individuales es necesario superar varias dificultades técnicas, fundamentalmente como consecuencia de las exigencias de estabilidad mecánica y SNR adecuado (sobre todo cuando se requiere la localización con precisión nm) 15. En particular, si se acoplan detección por fluorescencia SM con pinzas ópticas, la reducción de ruido y photobleaching de los láseres infrarrojos captura 16 y el control de los buffers bioquímicos para el ensamblaje de los complejos biológicos y el rendimiento de las mediciones experimentales 11 son de suma importancia. A continuación, describimos los métodos para realizar con éxitomediciones en una configuración de localización de captura / SM fluorescencia dual. La metodología se ilustra con el ejemplo de la proteína represora lactosa (LacI) marcado con fluorescencia (con Atto532) y se detectó ya que se une a una molécula de ADN (atrapado entre dos pinzas ópticas) que contiene secuencias específicas LacI de unión (es decir, operadores). Se demuestra la eficacia del método en la detección de la unión de LacI al ADN y la difusión a lo largo de su contorno en el proceso de búsqueda de destino. El método es aplicable a cualquier combinación de secuencia de ADN y proteína de unión a ADN, así como a otros sistemas (microtúbulos o filamentos de actina y las proteínas motoras que interactúan con ellos).
Protocol
Representative Results
Discussion
En la última década, las técnicas de manipulación y de imágenes de moléculas individuales se han visto grandes avances en términos de resolución espacial y temporal. La combinación de técnicas de manipulación y de imagen está en la base de instrumentos de gran alcance que ahora permiten el control de las condiciones mecánicas de un solo polímero biológico, tales como ADN, ARN o filamentos del citoesqueleto, y la localización simultánea de proteínas individuales interactuar con el mismo polímero . El c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Gijs wuite, Erwin JG Peterman, y Peter Gross para obtener ayuda con la microfluídica y Alessia Tempestini para obtener ayuda con la preparación de muestras. Esta investigación fue financiada por la Unión Europea del Séptimo Programa Marco (7PM / 2007-2013) en virtud de acuerdo de subvención n ° 284464 y del Ministerio de Educación, Universidad e Investigación FIRB 2011 RBAP11X42L006, Futuro italiano Ricerca 2013 RBFR13V4M2, y en el marco de la NANOMAX proyecto emblemático.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description | Web Address |
| elastomeric isolators | Newport | Newdamp | Choose the appropriate Newdamp elastomer depending on the microscope weight and resonance frequencies | http://www.newport.com |
| optical isolator | Optics for Research | IO-3-YAG-VHP | http://www.ofr.com | |
| Nd:YAG laser, 1064 nm wavelength | Spectra-Physics | Millennia IR | http://www.newport.com/ | |
| acousto-optic deflectors (AODs) | A&A optoelectronic | DTS-XY 250 | http://www.aaoptoelectronic.com/ | |
| Direct Digital Synthesizers | Analog Devices | http://www.analog.com/ | ||
| quadrant detector photodiodes | OSI optoelectronics | SPOT-15-YAG | http://www.osioptoelectronics.com | |
| DIO and FPGA board | National Instruments | NI-PCI-7830R | http://www.ni.com | |
| Halogen lamp | Schott | KL 1500 LCD | http://www.schott.com | |
| Condenser | Olympus | U-AAC 1.4NA Aplanat Apchromat | http://www.olympus-global.com/en/ | |
| Objective | Nikon | CFI Plan Apochromat 60x 1.2NA water immersion | http://www.nikoninstruments.com | |
| 532 nm laser | Coherent | Sapphire | http://www.coherent.com | |
| CCD 200X and 2000X | Hamamatsu | XC-ST70 CE | http://www.hamamatsu.com | |
| electron-multiplied CCD | Hamamatsu | C9100-13 | http://www.hamamatsu.com/ | |
| piezo stage with nm-accuracy | Physik Instrumente | P-527.2CL | http://www.physikinstrumente.com/ | |
| Emission Filter | Chroma Technologies | 600/100m | http://www.chroma.com | |
| silica beads (1.54 mm) | Bangs Laboratories | SS04N/5303 | http://www.bangslabs.com/ | |
| Albumin from bovine serum (BSA) | Sigma Aldrich | B4287 | http://www.sigmaaldrich.com/ | |
| pentyl acetate | Sigma Aldrich | 46022 | Flammable liquid and vapour (No 1272/2008) | http://www.sigmaaldrich.com/ |
| nitrocellulose | Sigma Aldrich | N8267-5EA | Flammable solid (No 1272/2008) | http://www.sigmaaldrich.com/ |
| heat block | MPM Instruments Srl | M502-HBD | with 2 removable blocks; preheated at 120° C | http://www.mpminstruments.com |
| NanoPort assemblies | Upchurch Scientific Inc. | N-333 | http://www.upchurch.com/ | |
| polyetheretherketone tubing | Upchurch Scientific Inc. | 1535 | http://www.upchurch.com/ | |
| home-made metallic holder for the assembly of the flow-chamber pressure reservoir made of Plexiglass | ||||
| luer lock-tip syringes 2.5 mL | Terumo | SS 02LZ1 | http://www.terumomedical.com | |
| shut-off valves | Upchurch Scientific, Inc. | P-732 | http://www.upchurch.com/ | |
| flangeless fittings | Upchurch Scientific, Inc. | LT-111 | http://www.upchurch.com/ | |
| fluorinated ethylene propylene tubing | Upchurch Scientific, Inc. | 1549 | http://www.upchurch.com/ | |
| two computer-controlled solenoid valves | Clippard, Cincinnati, USA | ET-2-H-M5 | http://www.clippard.com | |
| pressure transducer | Druck LTD | PTX 1400 | ||
| biotin-14-dCTP | Life Technologies | 19518-018 | http://www.lifetechnologies.com/ | |
| Terminal deoxynucleotidyl Transferase (TdT) | Thermoscientific | EP0161 | http://www.thermoscientificbio.com/ | |
| ATTO532 maleimide | Sigma Aldrich | 68499 | http://www.sigmaaldrich.com/ | |
| N,N-dimethylformamide (DMF) | Sigma Aldrich | 227056 | Combustible Liquid, Harmful by skin absorption., Irritant, Teratogen. H226; H303; H312; H316; H319; H331; H360; P201; P261; P280;P305; P351; P338; P311 | http://www.sigmaaldrich.com/ |
| Tris-(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP) | Sigma Aldrich | C4706 | http://www.sigmaaldrich.com/ | |
| L-Glutathione reduced (GSH) | Sigma Aldrich | G4251 | Acute toxicity, Oral (Category 5), H303 | http://www.sigmaaldrich.com/ |
| Amicon Ultra-15, PLQK Ultracel-PL Membrane, 10 kDa cutoff spin concentrators | Merck Millipore | UFC901024 | http://www.merckmillipore.it/ | |
| streptavidin-coated polystyrene beads 1,87 µm | Spherotech, Inc. | SVP-15-5 | http://www.spherotech.com/ |
References
- Monico, C., Capitanio, M., Belcastro, G., Vanzi, F., Pavone, F. S. Optical Methods to Study Protein-DNA Interactions in Vitro and in Living Cells at the Single-Molecule Level. International journal of molecular sciences. 14, 3961-3992 (2013).
- Tinoco, I., Gonzalez, R. L. Biological mechanisms, one molecule at a time. Genes & development. 25, 1205-1231 (2011).
- Capitanio, M., et al. Exploring molecular motors and switches at the single-molecule level. Micr. Res. Tech. 65, 194-204 (2004).
- Smith, S. B., Finzi, L., Bustamante, C. Direct mechanical measurements of the elasticity of single DNA molecules by using magnetic beads. Science. 258, 1122-1126 (1992).
- Block, S. M., Goldstein, L. S., Schnapp, B. J. Bead movement by single kinesin molecules studied with optical tweezers. Nature. 348, 348-352 (1990).
- Wang, M. D., et al. Force and velocity measured for single molecules of RNA polymerase. Science. 282, 902-907 (1998).
- Capitanio, M., et al. Ultrafast force-clamp spectroscopy of single molecules reveals load dependence of myosin working stroke. Nat Methods. 9, 1013-1019 (2012).
- Thompson, R. E., Larson, D. R., Webb, W. W. Precise nanometer localization analysis for individual fluorescent probes. Biophys J. 82, 2775-2783 (2002).
- Yildiz, A., et al. Myosin V walks hand-over-hand: single fluorophore imaging with 1.5-nm localization. Science. 300, 2061-2065 (2003).
- Biebricher, A., Wende, W., Escude, C., Pingoud, A., Desbiolles, P. Tracking of single quantum dot labeled EcoRV sliding along DNA manipulated by double optical tweezers. Biophys J. 96, 50-52 (2009).
- Candelli, A., Wuite, G. J., Peterman, E. J. Combining optical trapping, fluorescence microscopy and micro-fluidics for single molecule studies of DNA-protein interactions. Physical chemistry chemical physics : PCCP. 13, 7263-7272 (2011).
- Capitanio, M., Cicchi, R., Pavone, F. S. Continuous and time-shared multiple optical tweezers for the study of single motor proteins. Optics and Lasers in Engineering. 45, 450-457 (2007).
- Harada, Y., et al. Single-molecule imaging of RNA polymerase-DNA interactions in real time. Biophys J. 76, 709-715 (1999).
- van Mameren, J., et al. Counting RAD51 proteins disassembling from nucleoprotein filaments under tension. Nature. 457, 745-748 (2009).
- Capitanio, M., Maggi, D., Vanzi, F., Pavone, F. Fiona in the trap: the advantages of combining optical tweezers and fluorescence. J Opt A: Pure Appl Opt. 9, s157 (2007).
- Dijk, M. A., Kapitein, L. C., Mameren, J., Schmidt, C. F., Peterman, E. J. Combining optical trapping and single-molecule fluorescence spectroscopy: enhanced photobleaching of fluorophores. J Phys Chem B. 108, 6479-6484 (2004).
- Capitanio, M., Cicchi, R., Pavone, F. S. Position control and optical manipulation for nanotechnology applications. European Physical Journal B. 46, 1-8 (2005).
- Capitanio, M., et al. Calibration of optical tweezers with differential interference contrast signals. Review of Scientific Instruments. 73, 1687-1696 (2002).
- Elangovan, R., et al. An integrated in vitro and in situ study of kinetics of myosin II from frog skeletal muscle. J Physiol. 590, 1227-1242 (2012).
- Wuite, G. J. L., Davenport, R. J., Rappaport, A., Bustamante, C. An integrated laser trap/flow control video microscope for the study of single biomolecules. Biophysical Journal. 79, 1155-1167 (2000).
- Brewer, L. R., Bianco, P. R. Laminar flow cells for single-molecule studies of DNA-protein interactions. Nat Methods. 5, 517-525 (2008).
- Rutkauskas, D., Zhan, H. L., Matthews, K. S., Pavone, F. S., Vanzi, F. Tetramer opening in LacI-mediated DNA looping. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 16627-16632 (2009).
- Marko, J. F., Siggia, E. D. Stretching DNA. Macromolecules. 28, 8759-8770 (1995).
- van Mameren, J., et al. Unraveling the structure of DNA during overstretching by using multicolor, single-molecule fluorescence imaging. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 18231-18236 (2009).
- Wang, M. D., Yin, H., Landick, R., Gelles, J., Block, S. M. Stretching DNA with optical tweezers. Biophys J. 72, 1335-1346 (1997).
- Ma, H., Long, F., Zeng, S., Huang, Z. L. Fast and precise algorithm based on maximum radial symmetry for single molecule localization. Opt Lett. 37, 2481-2483 (2012).
- Parthasarathy, R. Rapid, accurate particle tracking by calculation of radial symmetry centers. Nat Methods. 9, 724-726 (2012).
