Summary

双DNA标尺研究单核苷酸分辨率的核糖体易位机制

Published: July 08, 2019
doi:

Summary

开发双DNA标尺测定,以确定核糖体易位过程中的mRNA位置,该位置依赖于形成DNA-mRNA复面的解离力。具有单核苷酸分辨率和达到mRNA两端的能力,可为核糖体易位提供机械见解,并探测其他核酸位移。

Abstract

核糖体易位是指在mRNA上核糖体运动,正好由三个核苷酸(nt),这是蛋白质合成的中心步骤。为了研究其机制,有两个基本的技术要求。首先是单nt分辨率,它可以解决帧移位的正常移位问题,在此期间,核糖体移动的分辨率超过 3 nt。第二种是探测mRNA的入口和出口两侧的能力,以便阐明易位的整体情况。我们报告双DNA标尺测定,该测定基于DNA-mRNA复式的关键解离力,通过力诱导的残余磁化光谱(FIRMS)获得。 使用 2-4 pN 力分辨率时,双标尺测定足以区分不同的易位步骤。通过在探测DNA上实现长链接器,它们可以到达核糖体另一侧的mRNA,从而确定双方的mRNA位置。因此,双标测定特别适合研究核糖体易位和核酸运动。我们显示了一个代表性的结果,表明环mRNA构象和解决帧移位的正常移位。

Introduction

生物分子位移是研究相关生物函数机理的基本参数。一个特别的例子是核糖体易位1,2,在此期间,核糖体移动正好三个核苷酸 (nt) 在信使RNA (mRNA) 正常, 和一,2,或其他数字的nt,除了三个在帧移位。因此,需要分子标尺系统单nt分辨率来区分不同的步长大小。更大的挑战是探测入口和出口侧的核糖体运动。换句话说,只有使用双标尺系统,我们才能揭示mRNA是否平滑地穿过核糖体,或者有中间步骤,其中双方具有不同的步长大小,导致在核糖体。

已经开发出几种方法来解决解决核糖体出口侧不同步骤的第一个挑战(mRNA的3’末端)。双荧光素酶测定通过测量产生的不同蛋白质3,4的比例来解决不同的阅读帧。它仅适用于 mRNA 的 3′ 端,因此不足以提供易位的完整图像。质谱法可以分析不同的肽片段,作为相应代码重新排列的结果5。但它不能确定核糖体在mRNA上移动多少nt。脚趾印刷测定是另一种常见的方法,它使用在3’远端的逆转录酶将mRNA转录到核糖体6。然而,它不适用于进入核糖体的mRNA的5’结束。其他技术,包括单分子方法和荧光方法7,很难达到单nt分辨率。

我们开发了双DNA标尺测定,可以独特地确定核糖体-mRNA复合物中未发现的mRNA的入口和出口位置。 标尺DNA是DNA寡聚体,与核糖体发现的mRNA形成一定数量的碱基对(bp)的双面,无论mRNA的哪一端。然后,bp数精确地显示在易位期间mRNA上的核糖体位置。双工的bp数由它们从力引起的残余磁化光谱(FIRMS)8中获得的临界解离力决定。在 2-3 pN 力不确定的情况下,临界力足以提供单点分辨率。通过在DNA标尺上实现一个链接分子,可以探测核糖体对mRNA的消毒阻碍侧。因此,可以准确地解决不同的核糖体位移。我们已经成功地揭示了在易位9期间被抗生素捕获的mRNA的独特环状构象,并解决了在湿滑的mRNA序列10上共存的不同阅读帧。本文介绍了双标尺测定的细节,包括核糖体复合物的制备、玻璃玻片的表面功能化、核糖体复合物的固定性及其与磁性标记DNA标尺的杂交分子、磁检测和力谱分析。

Protocol

1. 核糖体复合物的制备 制作 1,000 mL 的 TAM10 缓冲液,包括 20 mM tris-HCl (pH 7.5)、10 mM Mg (OAc) 2、30 mM NH4Cl、70 mM KCl、5 mM EDTA、7 mM BME(2-mercaptoto 乙醇)和 0.05% 补间20。 准备表1中列出的五种混合物。注:核糖体来自MRE600菌株11。EF-Tu:伸长系数热不稳定。EF-T:伸长系数热稳定。GTP:三磷酸三磷酸二磷酸二苯基苯基。PEP:磷(苯酚)丙酮酸盐。 在…

Representative Results

图1显示了主要部件的检测方案和照片。磁探测是通过原子磁力计使用扫描方案(图1A)13实现的。样品放置在安装在直线电机上的杆上。电机将样品输送到磁屏蔽内的原子传感器,然后返回原始站点进行卸载。原子磁力计在样品扫描过程中检测磁信号,并产生信号跟踪,当样品最接近传感器时,最大信号。图 1</stron…

Discussion

在我们的双标测定中,磁珠起着两个重要的角色。首先,它们充当力传感器,因为离心力与其浮力成正比。其次,磁珠是原子磁力计探测到的信号载体,这是目前最精确的磁传感器。结合机械操作和磁检测,FIRMS技术能够基于其关键的解散力(DNA标尺的基础)解决大量的分子相互作用。双标尺测定特别适用于在易位期间探测 mRNA 的两侧。因为它是一种仅依赖于双面的形成的物理方法,它不受 mRNA 边或其他生物?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了美国国家卫生研究院(R01GM111452,Y.W.,S.X.)的支持。Y. W. 感谢韦尔奇基金会(E-1721)的支持。

Materials

Styrene Strip City of Industry MS-861
Glass slides Evaporated Coatings 60.0 × 4.0 × 0.3 mm3
Acetic acid Millipore Sigma A6283-500ML
3-Aminopropyltriethoxysilane UCT specialties 21400088
mPEG-SVA Laysan Bio 154-82
Biotin-PEG-SVA Laysan Bio 152-84
Sodium bicarbonate Millipore Sigma S5761-500G
Epoxy glue Devcon 31345
Streptavidin ThermoFisher 434301
Fusidic Acid Millipore Sigma F0756-1G
Neomycin Sulfate Millipore Sigma 1458009
Viomycin Sulfate Millipore Sigma 1715000
Hygromycin invitrogen 10687-010
Tris-HCl Millipore Sigma T5941-100G
Magnesium acetate Millipore Sigma M5661-50G
Ammonium chloride Millipore Sigma A9434-500G
Potassium chloride Millipore Sigma P9333-500G
EDTA GIBCO 774750
2-mercaptoethanol Millipore Sigma M6250-500ML
Tween20 Millipore Sigma P1379-250ML
GTP Millipore Sigma G8877-100MG
PEP Millipore Sigma P7127-100MG
Pyruvate Kinase Millipore Sigma P1506-5KU
Sucrose  Millipore Sigma S7903-5KG
Dynabeads M-280 Streptavidin ThermoFisher 11205D
mRNA Oligo Integrated DNA Technologies 133899727 5′-Bio- CAA CUG UUA AUU AAA UUA AAU UAA AAA GGA AAU AAAA AUG UUU AAU UUU UUA GGG CGC AAU CUA CUG CUG AAC UC-3′ 
DNA Oligo Integrated DNA Technologies 157468630 3ʹ- TAA TTT AAT TTA ATT TTT CGA AAU AT50/TEGBio/-5ʹ 
DNA Oligo Integrated DNA Technologies 164845370 3ʹ-AAT TTA ATT TTT CCT TTA AAA AT50/TEGBio/-5’ 
DNA Oligo Integrated DNA Technologies 157468628 3ʹ-AAA ATC CCG CGT TAG AAC UGG GG/TEGBio/-5’ 
DNA Oligo Integrated DNA Technologies 163472705 3ʹ-CCG CGT TAG ATG ACG AGA ACG GG/TEGBio/-5’ 
DNA Oligo Integrated DNA Technologies 138678130 3ʹ-AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5’
DNA Oligo Integrated DNA Technologies 138678131 3ʹ-T AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5’ 
DNA Oligo Integrated DNA Technologies 138678132 3ʹ-TT AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5ʹ 
DNA Oligo Integrated DNA Technologies 138678133 3ʹ-GTT AGA TGA CGA CTT CTC GGG/TEGBio/-5’ 
Centrifuge Eppendorf 5427R
Micro Ultracentrifuge Hitachi CS150FNX
Vortex mixer VWR VM-3000
Lock-in Amplifier Stanford Research Systems SR530
Lock-in Amplifier Stanford Research Systems SR830
Laser Newport TLB-6918-D
Function generator Stanford Research Systems DS345
Photo detectors Thorlabs DET36A

Referenzen

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Diesen Artikel zitieren
Yin, H., Xu, S., Wang, Y. Dual DNA Rulers to Study the Mechanism of Ribosome Translocation with Single-Nucleotide Resolution. J. Vis. Exp. (149), e59918, doi:10.3791/59918 (2019).

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