Gepresenteerd hier is een protocol voor het uitvoeren van single-molecuul Förster resonantie energie overdracht te bestuderen HJ resolutie. Voor het bepalen van de dissociatieconstanten wordt tweekleurige alternerende excitatie gebruikt. Single-Color timelapse smFRET wordt vervolgens toegepast in real-time decolleté assays om de dwelltijd verdeling vóór HJ resolutie te verkrijgen.
Bulk methodes meten het ensemble gedrag van moleculen, waarbij de individuele reactiepercentages van de onderliggende stappen gemiddeld zijn in de gehele populatie. Single-molecuul Förster Resonance Energy Transfer (smFRET) biedt een opname van de conformationele veranderingen die door individuele moleculen in real-time plaatsvinden. Daarom is smFRET krachtig in het meten van structurele veranderingen in het enzym of substraat tijdens binding en katalyse. Dit werk presenteert een protocol voor single-molecuul beeldvorming van de interactie van een vierweg Holliday Junction (HJ) en gap endonuclease I (GEN1), een cytosolische homologe recombinatie enzym. Ook gepresenteerd zijn single-Color en twee-Color afwisselend excitatie (ALEX) smFRET experimentele protocollen te volgen van de resolutie van de HJ door GEN1 in real-time. De kinetiek van GEN1 door dimerisatie worden bepaald bij de HJ, die is gesuggereerd om een sleutelrol te spelen in de resolutie van de HJ en is ongrijpbaar gebleven tot nu toe. De hier beschreven technieken kunnen op grote schaal worden toegepast om waardevolle mechanistische inzichten van veel enzym-DNA-systemen te verkrijgen.
Enkelvoudige molecuul methoden op basis van fluorescentiedetectie zorgen voor hoge signaal-ruis verhoudingen1. FRET is een spectroscopische techniek die afstanden in het bereik van 1 – 10 nm kan meten, waardoor deze techniek als moleculaire heerser voor het meten van afstanden in het nanometer bereik2,3wordt weergeven. Het absorptiespectrum van de acceptor heeft een gedeeltelijke spectrale overlap met het emissiespectrum van de donor op het kortere golflengte uiteinde. FRET wordt gemedieerd door de door straling minder energie overdracht tussen een donor-en acceptor-paar, terwijl de efficiëntie van de energie overdracht afhankelijk is van de afstand en de oriëntatie van de acceptor4.
Er zijn verschillende benaderingen geïmplementeerd om de achtergrond te minimaliseren en de detectie-efficiëntie van het fluorescentie signaal5,6te verbeteren. Een benadering is confocale microscopie, waarbij een pinhole de excitatie vlek beperkt tot een grootte onder de diffractie-limiet7. Een andere benadering is de totale inwendige reflectie fluorescentie (TIRF), een breedveld verlichtingstechniek waarbij het licht uit de as boven een kritische hoek8wordt geleid. Het licht wordt dan volledig intern weerspiegeld op het raakvlak tussen de glas-en waterige oplossing, waardoor een evanescerende Golf wordt gegenereerd die alleen de op het glasoppervlak bevestigde fluor stralen verlicht en achtergrond van de fluor in de rest van de oplossing.
Bij confocale microscopie kunnen de moleculen vrij worden verspreid of geïmmobiliseerd oppervlak. De bereikte tijdelijke resolutie kan worden binnen microseconden tot enkele milliseconden9. De confocale detectie voor een enkel molecuul wordt uitgevoerd door Single-Photon Avalanche diode (SPAD) en Point-by-Point scanning van de regio van belang10. In TIRF wordt een tijdreeks van enkele honderden moleculen geïmmobiliseerd op het oppervlak opgenomen door een positie gevoelige tweedimensionale lading gekoppelde detector (CCD). De CCD versterkt het fluorescentie signaal door geïntensiveerd fosfor scherm en Microchannel plaat of op-chip vermenigvuldiging van photoelek tronen (EMCCD). De tijdelijke resolutie is afhankelijk van de uitlezen snelheid en de kwantum efficiëntie van de CCD en meestal op volgorde van enkele tientallen milliseconden6.
HJ is een centrale intermediair in DNA reparatie en recombinatie11,12,13,14. HJ heeft twee doorlopende en twee kruisende strengen die verbinding maken tussen de doorlopende strengen zonder elkaar te snijden. HJ bestaat in oplossing als X-gestapelde conformers, die continue isomerisatie ondergaan door de doorlopende strengen die kruisingen worden en de kruisende strengen continu worden in de andere conformer15. Isomeer voorkeur van de HJ is afhankelijk van de kern sequentie en Ionische omgeving en is uitgebreid bestudeerd door fret16,17,18,19.
GEN120 is een monomere proteïne in oplossing21 en vereist door dimerisatie te klieven de HJ, waardoor de juiste scheiding van de gerecombineerde strengen22,23. De stapelen conformer voorkeur van de HJ beïnvloedt de uitkomst van genetische recombinatie door het instellen van de oriëntatie van de resolutie door de HJ resolvazen24. Begrijpen hoe GEN1 bindt de HJ, coördineert de twee incisies, en zorgt ervoor dat de volledige resolutie zijn allemaal onder intensieve studie21,22,23,25,26 ,27,28,29,30.
In deze studie wordt een objectief gebaseerde TIRF-opstelling gebruikt zoals eerder beschreven31. Twee kleuren alternerende excitatie (Alex) wordt toegepast om te bepalen van de conformationele veranderingen op de interactie van GEN1 met de gelabeld HJ. Alex produceert 2D histogrammen op basis van twee ratiometrische parameters fret efficiency E, dat is donor-acceptor distance-afhankelijke, en de stoichiometrie parameter S, die meet de donor-acceptor stoichiometrie32. ALEX maakt het sorteren van fluorescerende soorten mogelijk op basis van de stoichiometrieën van de fluor Foren, inclusief alleen donor-, acceptor-en gemengde subpopulaties. Alex kan het gebruik van fret uitbreiden naar het volledige bereik en kan verschillen in de-helderheid en oligomerisatie detecteren, evenals macromoleculaire-ligand-interacties controleren33.
Het is gevonden dat GEN1 consistent slaagt in het oplossen van de HJ binnen de levensduur van de GEN1-HJ complex. De tijdsafhankelijke conformationele veranderingen zijn afgeleid van de tijd-sporen van individuele moleculen, terwijl de histogrammen de verdeling van de onderliggende populaties vertegenwoordigen. Met behulp van time-lapse single-Color FRET, snelle on-rates en trage tarieven voor de GEN1 dimeer worden gedemonstreerd, die de affiniteit van de geassembleerde GEN1 dimeer bij de eerste incisie product te verhogen.
In deze studie, verschillende smFRET technieken werden geïmplementeerd om te bepalen van de kinetiek van HJ resolutie door GEN130. Vergelijkbare smfret-benaderingen werden gebruikt om de DNA-conformationale eis en decolleté met dubbele flap te volgen door de DNA-replicatie en reparatie flap endonuclease 142,43,44. Hier worden kritieke stappen in dit protocol besproken. De silanisatie reactie moet vrij zijn van elk spoor van vochtigheid. De pegylation-oplossing moet snel worden toegepast op het gesilaniseerde glas zodra de PEG is opgelost om hydrolyse te voorkomen. In de meerkanaals stroomcel moet elke ingesloten lucht in de lijm plaat worden verwijderd om lekkage tussen naburige kanalen te voorkomen. De PCA-oplossing moet vers worden bereid, omdat het na verloop van tijd oxiderende. De toevoeging van 10 N NaOH moet dropwise zijn, met grondig daartussenin. De fluorescentie achtergrond in de dekslip moet minimaal zijn voordat het fluorescendig gelabelde HJ stroomt. De imaging in de stroomcel moet in één richting worden uitgevoerd om te voorkomen dat er gebleekte gebieden worden geblondeerd. Bij ALEX-experimenten moet de kracht van de rode laser worden verlaagd om snel bleken van de acceptor te voorkomen. In de time-lapse-experimenten moet de cyclustijd korter zijn dan de snelste gebeurtenis.
smFRET is een gevoelige techniek die waardevolle real-time inzichten in biomoleculaire reacties kan bieden. Deze methode heeft echter verschillende technische uitdagingen, waaronder het bereiken van meetbare verandering in FRET tijdens de biochemische reactie. Dit is nodig voor het verkrijgen van goed gescheiden functies in de histogrammen en te onderscheiden toestanden in de tijd-traces. In veel gevallen vereist smfret een zorgvuldig ontwerp van de substraten, de selectie van de de paren en hun posities, en de versterking van de fret veranderingen in het DNA substraat vanwege de kleine structurele veranderingen in het substraat45. Een andere benadering voor het uitvoeren van FRET is het gebruik van gelabelde eiwitten46. Het observatie venster in FRET wordt beperkt door de stabiliteit van de acceptor zoals Cy5 of Alexa Fluor 647 die de neiging heeft om sneller te bleken dan de donor (Cy3 in dit geval). Daarom vereist fret een continue zoektocht naar stabiele fluor Foren om de duur van het experiment te verlengen en de inspanningen om zuurstof opruimings systemen te ontwikkelen om het fluorescentie signaal te verlengen en de signaal-ruis verhouding te maximaliseren47,48 .
Een van de tips voor het oplossen van problemen in smFRET is het balanceren van de verschillende parameters die betrokken zijn bij beeldvorming, zoals het Laser vermogen, de belichtingstijd, de cyclusduur en het aantal cycli om de fluorescentie-emissie te maximaliseren, het experiment te verlengen en passende bemonsterings intervallen voor de enzym dynamiek. Langere observatie tijden en minimale effecten van foto bleken zijn essentieel voor het verkrijgen van hooggetrouwheids dwelltijd verdelingen die de enzym dynamiek vertegenwoordigen. ALEX genereert betere histogrammen, omdat deze methode wordt onderworpen aan lagere bijdragen van fotogebleekte deeltjes in vergelijking met single-Color FRET. De tijdelijke resolutie in ALEX is echter lager dan die in single-Color FRET.
Tot slot, de nadruk die smFRET legt op het opsporen van conformationale/structurele veranderingen in individuele moleculen in real-time overbrugt de kloof tussen hoge resolutie structurele technieken (d.w.z. Röntgen kristallografie, nucleaire magnetische resonantie, elektronenmicroscopie), dat voorziet in atomaire resolutie structurele details onder statische omstandigheden en bulk methoden die het ensemble gemiddelde van een meetbare eigenschap opleveren. In veel opzichten heeft smFRET bewezen een krachtige techniek te zijn om in real-time biologische systemen te bestuderen.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door de King Abdullah University of Science and Technology via Core funding en Competitive Research Award (CRG3) aan S. M. H.
(±)-6-Hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchromane-2-carboxylic acid (Trolox) | Sigma-Aldrich | 238813 | |
0.1 M sodium bicarbonate buffer | Fisher | 144-55-8 | |
10 % Novex Tris-Borate-EDTA gel | Thermo Fisher Scientific | EC6275BOX | |
100 X TIRF objective | Olympus | NAPO 1.49 | |
3,4-dihroxybenzoic acid (PCA) | Sigma-Aldrich | P5630 | |
3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) | Sigma-Aldrich | 741442 | |
6% Novex Tris-Borate-EDTA gel | Thermo Fisher Scientific | EC6265BOX | |
Adhesive sheet | Grace bio-labs | SA-S-1L | |
Benchtop refrigerated centrifuge | Eppendorf | Z605212 | |
Biotin-PEG | Laysan Bio | Biotin-PEG-SVA 5000 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | New England Biolabs | B9001S | |
Calcium Chloride Dihydrate | Sigma-Aldrich | 31307 | |
cation exchange column | GE healthcare | MonoS (4.6/100) | |
Cell distruptor | Constant Cell Disruption System | TS5/40/CE/GA | |
Coomassie Brilliant Blue | MP Biomedicals | 808274 | |
Cy3 emission filter | Chroma | HQ600/40M-25 | |
Cy5/Alexa Fluor 647 emission filter | Chroma | HQ700/40M-25 | |
Dichroic for DV2 filter cube | Photometrics | 630dcxr-18×26 | |
Dithiothreitol (DTT) | Thermo Scientific | R0861 | |
Drill | Dremel | 200-1/21 | |
Electronic cutter | Copam | CP-2500 | |
EMCCD camera | Hamamatsu | C9100-13 | |
Epoxy glue | Devcon | 14250 | |
FPLC Aktapurifier UPC 10 | GE Healthcare | 28406268 | |
GelQuant.NET software | biochemlabsolutions.com | Version 1.8.2 | |
GEN1 entry vector | Harvard plasmid repository | HSCD00399935 | |
Glycerol | Sigma Life Science | G5516 | |
green laser (emission 532 nm) | Coherent | Compass 315M-100 | |
Heparin column | GE healthcare | HiTrap Heparin column | |
HEPES | BDH | BDH4162 | |
Image splitter | Photometrics | Dualview (DV2) | |
Imidazole | Sigma-Aldrich | I2399 | |
Inverted microscope | Olympus | IX81 | |
Isopropyl-ß-D-thiogalactoside (IPTG) | Goldbio. | 12481C100 | |
Laser scanner | GE healthcare | Typhoon Trio | |
LB Broth | Fisher Scientific | BP1426-500 | |
Long pass 532nm filter | Semrock | LPD02-532RU-25 | |
Magnesium Chloride | Sigma Life Science | M8266 | |
mPEG | Laysan Bio | mPEG-SVA 5000 | |
Neutravidin | Pierce | 31000 | |
Ni-NTA column | GE healthcare | HisTrap FF | |
NuPAGE 10% Bis-Tris gels | Novex Life technologies | NP0301BOX | |
NuPAGE 10% Bis-Tris Protein Gels | Thermo Fisher Scientific | NP0302PK2 | |
Origin software | OriginLab Corporation | Version 8.5 | |
Phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) | Alexis Biochemicals | 270-184-G025 | |
Phosphate-buffered saline | GIBCO | 14190 | |
Polyethylene Tubing (I.D. 0.76 mm O.D. 1.22mm) | Fisher (Becton Dickinson) | 427416 | |
Protocatechuate 3,4-dioxygenase (3,4-PCD) | Sigma-Aldrich | P8279-25UN | |
Quad-band dichroic | Chroma Inc | Z405/488/532/640rpc | |
red laser (emission 640 nm) | Coherent | Cube 640 100C | |
Sodium Chloride | Fisher Chemical | S271 | |
Sorvall RC-6 plus centrifuge | Thermo Fisher Scientific | 46910 | |
Spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | Nanodrop 2000 | |
Syringe pump | Harvard Apparatus | 70-3007 | |
Teflon tweezers | Rubis | K35A | |
Tris Base | Promega | H5135 | |
Ultracentrifuge | Beckman Coulter | Optima L-90K | |
Ultrafiltration membrane | Millipore | UFC90300 |