여기서 제시된 것은 HJ 분해능을 연구하기 위해 단일 분자 Förster 공명 에너지 전달을 수행하기 위한 프로토콜이다. 2색 교대 여기는 해리 상수를 결정하는 데 사용됩니다. 단색 시간 경과 smFRET는 HJ 분해 전에 거주 시간 분포를 얻기 위해 실시간 절단 분석에 적용된다.
벌크 방법은 분자의 앙상블 거동을 측정하며, 이 때 기본 단계의 개별 반응 률은 인구 전체에 걸쳐 평균화됩니다. 단일 분자 Förster 공명 에너지 전달 (smFRET)은 실시간으로 개별 분자에 의해 일어나는 형태 변화의 기록을 제공합니다. 따라서, smFRET는 결합 및 촉매 동안 효소 또는 기판의 구조적 변화를 측정하는데 강력하다. 이 작품은 세포질 상동 재조합 효소인 4방향 홀리데이 접합부(HJ) 및 갭 엔도누클로스 I(GEN1)의 상호작용의 단일 분자 이미징을 위한 프로토콜을 제시한다. 또한 GEN1에 의한 HJ의 분해를 실시간으로 따르기 위한 단색 및 2색 교류(ALEX) smFRET 실험 프로토콜이 제시된다. GEN1 이량화의 역학은 HJ의 해결에 있는 중요한 역할을 하기 위하여 건의된 HJ에서 결정되고 지금까지 애매하게 남아 있습니다. 여기에 기술된 기술은 많은 효소 DNA 시스템의 귀중한 기계론적 통찰력을 얻기 위하여 넓게 적용될 수 있습니다.
형광 검출에 기초한 단일 분자 방법은 높은 신호 대 잡음 비율1을제공합니다. FRET는 1-10 nm 범위의 거리를 측정할 수 있는 분광 기술로, 이 기술을 나노미터 범위2,3에서거리를 측정하기 위한 분자 눈금자로 렌더링합니다. 수용자의 흡수 스펙트럼은 더 짧은 파장 단부에서 공자의 방출 스펙트럼과 부분적인 스펙트럼 중첩을 가한다. FRET는 공여자와 수락자 쌍 사이의 방사선이 없는 에너지 전달에 의해 매개되는 반면, 에너지 전달의 효율은 수용자4의거리 및 방향에 의존한다.
배경을 최소화하고 형광 신호5,6의검출 효율을 향상시키기 위해 여러 가지 접근법이 구현되었습니다. 한 가지 접근법은 공초점 현미경 검사법으로, 핀홀이 여기 지점을 회절 한계7이하의 크기로 제한합니다. 또 다른 접근법은 총 내부 반사 형광(TIRF)이며, 이는 빛이 임계 각8위의 오프축을 향하는 광시야 조명 기술이다. 빛은 유리와 수성 용액 사이의 인터페이스에 완전히 내부적으로 반사되어 유리 표면에 부착 된 형광단만 을 비추고 나머지 부분에서 형광로호르의 배경을 방지하는 전도파를 생성합니다. 솔루션.
공초점 현미경 검사법에서, 분자는 자유롭게 확산되거나 표면 고정될 수 있습니다. 달성된 시간적 해상도는 마이크로초에서 몇 밀리초9이내일 수 있습니다. 단일 분자에 대한 공초점 검출은 관심 영역의 단일 광자 눈사태 다이오드(SPAD) 및 점별 스캐닝에 의해 수행된다10. TIRF에서 표면에 고정된 수백 개의 분자의 타임시리즈는 위치 민감도 2차원 전하 결합 검출기(CCD)에 의해 기록됩니다. CCD는 강화된 형광체 스크린 및 마이크로채널 플레이트 또는 광전자(EMCCD)의 온칩 증식에 의해 형광 신호를 증폭시됩니다. 시간적 해상도는 CCD의 판독 속도 및 양자 효율에 따라 달라지며 일반적으로 수십 밀리초6의순서로 달라집니다.
HJ는 DNA 수리 및 재결합11,12,13,14의중앙 중간체이다. HJ는 서로 교차하지 않고 연속 가닥 간에 연결되는 두 개의 연속 및 2개의 교차 가닥을 가지고 있습니다. HJ는 X-스택 응체로서 용액에 존재하며, 이는 연속 가닥이 교차되고 교차 가닥이 다른컨포머(15)에서연속되는 것에 의해 연속적인 이소성화를 겪는다. HJ의 이소머 선호도는 코어 서열 및 이온 환경에 의존하며 FRET16,17,18,19에의해 광범위하게 연구되었다.
GEN120은 용액21에서 단모성 단백질이며 HJ를 갈라기 위해 이량화가 필요하므로 재결합 된 가닥22,23의적절한 분리를 허용합니다. HJ의 스태킹 컨포머 선호도는 HJ resolvases24에의한 해상도의 방향을 설정하여 유전 재결합의 결과에 영향을 미칩니다. GEN1이 HJ를 결합하고, 두 절개를 조정하고, 전체 해상도가 모두 집중적 인 연구21,22,23,25,26을 받고 있는지 이해 ,27,28,29,30.
이 연구에서는, 앞서31에설명된 바와 같이 객관적인 기반 TIRF 설정이 사용된다. 2색 교대로 여기(ALEX)를 적용하여 Gen1과 HJ라벨이 부착된 형광포와의 상호작용시 형태 변화를 결정합니다. ALEX는 2개의 비율 메트릭 파라미터 FRET 효율 E, 이는 공여체-수용자 거리 의존성, 및 공여체-수용기 stoichiometry32를측정하는 stoichiometry 파라미터 S를 기반으로 2D 히스토그램을 생성한다. ALEX는 기증자 전용, 수용자 전용 및 혼합 하위 집단을 포함하여 형광단의 stoichiometries에 근거를 둔 형광 종의 분류를 가능하게 합니다. ALEX는 전체 범위로 FRET의 사용을 확장할 수 있으며 형광부 밝기 및 올리고머화의 차이를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 거대분자-리간드상호작용(33)을모니터링할 수 있다.
GEN1은 GEN1-HJ 복합체의 수명 내에서 HJ를 해결하는 데 지속적으로 성공한 것으로 나타났습니다. 히스토그램은 근본적인 인구의 분포를 나타내는 동안 시간 의존하는 형태 변화는 개별 분자의 시간 추적에서 파생됩니다. 타임랩스 단색 FRET를 사용하여 GEN1 디머에 대한 빠른 온레이트와 느린 오프레이트가 입증되어 첫 절개 제품에서 조립된 GEN1 디머의 친화도를 증가시킴을 유발합니다.
본 연구에서는 GEN130에의한 HJ 분해능의 역학을 결정하기 위해 다양한 smFRET 기술이 구현되었다. 유사한 smFRET 접근법은 DNA 복제 및 수리 플랩 엔도너플레제 142,43,44에의한 이중 플랩 DNA 형태 요건 및 절단을 따르기 위해 사용되었다. 여기서는 이 프로토콜의 중요한 단계에 대해 설명합니다. 실란화 반응은 습도의 흔적이 없어야합니다. PEG가 용해되면 가분해를 피하기 위해 실란화 유리에 페질화 용액을 신속하게 적용해야합니다. 다중 채널 유동 셀에서 접착 시트에 갇힌 공기를 제거하여 인접 채널 간의 누설을 방지해야 합니다. PCA 용액은 시간이 지남에 따라 산화되기 때문에 신선하게 준비되어야합니다. 10 N NaOH를 추가하는 것은 그 사이에 소용돌이가 있는 드롭와이즈여야 합니다. 커버 슬립의 형광 배경은 형광으로 표시된 HJ를 흐르기 전에 최소화되어야 합니다. 유동 세포에 있는 화상 진찰은 화상 진찰 표백한 지역을 피하기 위하여 한 방향으로 수행되어야 합니다. ALEX 실험에서, 수용자의 급속한 표백을 피하기 위해 적색 레이저의 힘을 감소시켜야 한다. 시간 경과 실험에서 주기 시간은 가장 빠른 이벤트보다 짧아야 합니다.
smFRET는 생체 분자 반응에 귀중한 실시간 통찰력을 제공 할 수있는 민감한 기술입니다. 그러나, 이 방법은 생화확적인 반응 도중 FRET에 있는 측정 가능한 변경을 달성하는 중 몇몇 기술적인 도전이 있습니다. 이것은 히스토그램과 시간 추적에서 구별 가능한 상태에서 잘 분리 된 기능을 얻는 데 필요합니다. 많은 경우에, smFRET는기판(45)의작은 구조적 변화로 인해 기판의 신중한 설계, 형광부 쌍 및 이들의 위치의 선택, DNA 기판에서의 FRET 변화의 증폭을 필요로 한다. FRET를 수행하기 위한 또 다른 접근법은 표지된 단백질46을사용하는 것입니다. FRET에서의 관찰 창은 기증자(Cy3)보다 더 빠르게 표백하는 경향이 있는 Cy5 또는 Alexa Fluor 647과 같은 수용자의 안정성에 의해 제한된다. 따라서, FRET는 형광 신호를 연장하고 신호 대 잡음 비47,48을 최대화하기 위해 산소 제거 시스템을 개발하기 위한 실험 지속 기간 및 개발 노력을 연장하기 위해 안정적인 형광체에 대한 지속적인 검색을 필요로 한다. .
smFRET에서 문제 해결을 위한 팁 중에는 레이저 파워, 노출 시간, 사이클 시간 및 사이클 수와 같은 이미징과 관련된 여러 매개 변수의 균형을 맞추어 형광 방출을 최대화하고 실험 기간을 연장하며 달성합니다. 효소 역학에 대한 적절한 샘플링 간격을 정합니다. 효소 역학을 나타내는 고충실도 의 거침상 분포를 얻기 위해서는 관찰 시간이 길어지고 광표백으로 인한 최소한의 효과가 필수적입니다. ALEX는 이 방법이 단일 색상 FRET에 비해 광표백 입자의 기여도가 낮기 때문에 더 나은 히스토그램을 생성합니다. 그러나 ALEX의 시간 해상도는 단일 색상 FRET의 해상도보다 낮습니다.
마지막으로, 개별 분자의 형태/구조적 변화를 실시간으로 감지하는 데 중점을 두는 smFRET는 고해상도 구조 기술(즉, X선 결정학, 핵 자기 공명, 전자 현미경 검사법) 사이의 격차를 해소합니다. 측정 가능한 속성의 앙상블 평균을 산출하는 정적 조건 및 벌크 방법하에서 원자 분해능 구조 세부 사항을 제공합니다. 많은 양상에서, smFRET는 실시간으로 생물학 시스템을 공부하기위한 강력한 기술로 입증되었습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 핵심 자금 및 경쟁 연구 상을 통해 과학 기술의 왕 압둘라 대학에 의해 지원되었다 (CRG3) 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 |