מסך DNA, טכניקת הדמיה של מולקולות בודדות בתפוקה גבוהה, מספק פלטפורמה להדמיה בזמן אמת של אינטראקציות חלבון-דנ”א מגוונות. הפרוטוקול הנוכחי משתמש בטכניקת מסך הדנ”א כדי לחקור את התפקיד הביולוגי והמנגנון המולקולרי של Abo1, סכיזוסקרומיצס פומבה ברומודומיין המכיל AAA+ ATPase.
כרומטין הוא מבנה מסדר גבוה יותר שאורז דנ”א אאוקריוטי. הכרומטין עובר שינויים דינמיים בהתאם לשלב מחזור התא ובתגובה לגירויים סביבתיים. שינויים אלה חיוניים לשלמות הגנומית, לוויסות אפיגנטי ולתגובות מטבוליות של DNA כגון שכפול, שעתוק ותיקון. הרכבת הכרומטין חיונית לדינמיקה של הכרומטין והיא מזורזת על ידי מלווים של היסטון. למרות מחקרים מקיפים, המנגנונים שבאמצעותם מלווים בהיסטון מאפשרים הרכבת כרומטין נותרו חמקמקים. יתר על כן, התכונות הגלובליות של נוקלאוזומים המאורגנים על ידי מלווים היסטון אינן מובנות היטב. כדי להתמודד עם בעיות אלה, עבודה זו מתארת טכניקת הדמיה ייחודית של מולקולה בודדת בשם מסך DNA, המאפשרת לחקור את הפרטים המולקולריים של הרכבת נוקלאוזומים על ידי מלווים היסטון. מסך DNA היא טכניקה היברידית המשלבת נזילות שומנים, מיקרופלואידיקה ומיקרוסקופ פלואורסצנטי של השתקפות פנימית כוללת (TIRFM) כדי לספק פלטפורמה אוניברסלית להדמיה בזמן אמת של אינטראקציות חלבון-דנ”א מגוונות. באמצעות וילון DNA נחקרת פונקציית מלווה ההיסטון של Abo1, סכיזוסקרומיצס פומבה ברומודומיין המכיל AAA+ ATPase, ומתגלה המנגנון המולקולרי העומד בבסיס הרכבת ההיסטון של Abo1. וילון DNA מספק גישה ייחודית לחקר דינמיקת הכרומטין.
דנ”א אאוקריוטי ארוז במבנה מסדר גבוה יותר המכונה כרומטין 1,2. נוקלאוזומים הם היחידה הבסיסית של כרומטין, המורכבת מכ-147 bp DNA העוטפים את אבני הליבה האוקטמריות 3,4. כרומטין ממלא תפקיד קריטי בתאים אאוקריוטים; לדוגמה, המבנה הקומפקטי מגן על הדנ”א מפני גורמים אנדוגניים ואיומים אקסוגניים5. מבנה הכרומטין משתנה באופן דינמי בהתאם לשלב מחזור התא ולגירויים סביבתיים, ושינויים אלה שולטים בגישה לחלבונים במהלך עסקאות DNA כגון שכפול, שעתוק ותיקון6. דינמיקה של כרומטין חשובה גם ליציבות גנומית ולמידע אפיגנטי.
הכרומטין מווסת באופן דינמי על ידי גורמים שונים, כולל שינויים בזנב היסטון ומארגני כרומטין כגון משפצי כרומטין, חלבונים מקבוצת פוליקומב ומלווי היסטון7. מלווים היסטון מתאמים את ההרכבה והפירוק של נוקלאוזומים באמצעות שיקוע או ניתוק של אבני ליבה 8,9. פגמים במלווים היסטון גורמים לאי יציבות גנומית וגורמים להפרעות התפתחותיות וסרטן 9,10. מלווי היסטון שונים אינם זקוקים לצריכת אנרגיה כימית כמו הידרוליזה ATP כדי להרכיב או לפרק נוקלאוזומים 9,11,12,13. לאחרונה, חוקרים דיווחו כי ATPases המכיל ברומודומיין AAA+ (ATPase הקשור לפעילויות תאיות מגוונות) ממלאים תפקיד בדינמיקה של כרומטין כמו מלווים היסטון 14,15,16,17. ATAD2 אנושי (חלבון המכיל תחום AAA ממשפחת ATPase 2) מקדם את נגישות הכרומטין כדי לשפר את ביטוי הגנים18. כמווסת שעתוק משותף, ATAD2 מווסת את הכרומטין של גורמי שעתוק אונקוגניים14, וביטוי היתר של ATAD2 קשור לפרוגנוזה גרועה בסוגים רבים של סרטן19. Yta7, ההומולוג Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) של ATAD2, מפחית את צפיפות הנוקלאוזומים בכרומטין15. לעומת זאת, Abo1, ההומולוג Schizosaccharomyces pombe (S. pombe) של ATAD2, מגביר את צפיפות הנוקלאוזומים16. באמצעות טכניקת הדמיה ייחודית של מולקולה בודדת, וילון DNA, השאלה אם Abo1 תורם להרכבת נוקלאוזומים או פירוקו מטופלת17,20.
באופן מסורתי, התכונות הביוכימיות של ביומולקולות נבדקו על ידי ניסויים בתפזורת כגון בדיקת שינוי ניידות אלקטרופורטית (EMSA) או קו-אימונומשקעים (co-IP), שבהם נבדקים מספר רב של מולקולות, ותכונותיהן הממוצעות מאופיינות21,22. בניסויים בתפזורת, תת-מצבים מולקולריים מוסווים על ידי אפקט ממוצע האנסמבל, וחקירת אינטראקציות ביומולקולריות מוגבלת. לעומת זאת, טכניקות של מולקולות בודדות עוקפות את המגבלות של ניסויים בתפזורת ומאפשרות אפיון מפורט של אינטראקציות ביומולקולריות. בפרט, נעשה שימוש נרחב בטכניקות הדמיה של מולקולות בודדות כדי לחקור אינטראקציות DNA-חלבון וחלבון-חלבון23. טכניקה אחת כזו היא מסך DNA, טכניקת הדמיה ייחודית של מולקולה אחת המבוססת על מיקרופלואידיקה ומיקרוסקופ פלואורסצנטי של השתקפות פנימית כוללת (TIRFM)24,25. במסך דנ”א, מאות מולקולות דנ”א בודדות מעוגנות לדו-שכבה השומנית, המאפשרת תנועה דו-ממדית של מולקולות דנ”א עקב נזילות השומנים. כאשר זרימה הידרודינמית מופעלת, מולקולות דנ”א נעות לאורך הזרימה על הדו-שכבה ונתקעות במחסום דיפוזיה, שם הן מיושרות ונמתחות. בעוד שהדנ”א מוכתם בחומרים משתלבים, חלבונים המסומנים באופן פלואורסצנטי מוזרקים, ו-TIRFM משמש לדמיין אינטראקציות חלבון-דנ”א בזמן אמת ברמת מולקולה בודדת23. פלטפורמת מסך הדנ”א מאפשרת תצפית על תנועות חלבונים כגון דיפוזיה, טרנסלוקציה והתנגשות 26,27,28. יתר על כן, וילון DNA יכול לשמש למיפוי חלבונים על דנ”א עם מיקומים, כיוונים וטופולוגיות מוגדרות או מיושם לחקר הפרדת פאזה של חלבונים וחומצות גרעין 29,30,31.
בעבודה זו, טכניקת מסך הדנ”א משמשת כדי לספק ראיות לתפקודם של מלווים באמצעות הדמיה ישירה של חלבונים ספציפיים. יתר על כן, מכיוון שמסך DNA הוא פלטפורמה בעלת תפוקה גבוהה, הוא מאפשר איסוף נתונים בהיקף מספיק לאמינות סטטיסטית. כאן, הוא מתואר כיצד לבצע את בדיקת מסך ה- DNA בפירוט כדי לחקור את התפקיד המולקולרי של S. pombe bromodomain-containing AAA+ ATPase Abo1.
כטכניקת הדמיה של מולקולה יחידה, נעשה שימוש נרחב בווילון הדנ”א כדי לחקור תגובות מטבוליות של דנ”א43. וילון DNA הוא מערכת היברידית המשרשרת נזילות שומנים, מיקרופלואידיקה ו-TIRFM. שלא כמו טכניקות אחרות של מולקולות בודדות, מסך DNA מאפשר הדמיה בזמן אמת בתפוקה גבוהה של אינטראקציות חלבון-DNA. ל…
The authors have nothing to disclose.
המחברים מעריכים את התמיכה האדיבה ב- Abo1 וב- Cy5-H3-H4 על ידי פרופסור ג’י-ג’ון סונג, קרול צ’ו, Ph.D. וג’וון ג’אנג, Ph.D., ב- KAIST, דרום קוריאה. עבודה זו נתמכת על ידי מענק הקרן הלאומית למחקר (NRF-2020R1A2B5B01001792), קרן מחקר אינטרמורלית (1.210115.01) של המכון הלאומי למדע וטכנולוגיה של אולסן, והמכון למדע בסיסי (IBS-R022-D1).
1 mL luer-lock syringe | BecktonDickinson | 301321 | |
1' x 3' fused-silca slide glass | G. Finkenbeiner | 1 inch x 3 inch rectangular and 1 mm thickness | |
10 mL luer-lock syringe | BecktonDickinson | 302149 | |
18:1 (Δ9-Cis) PC (DOPC) | Avanti | 850375 | This is a component of biotinylated lipid stock |
18:1 Biotinyl cap PE | Avanti | 870273 | This is a component of biotinylated lipid stock |
18:1 PEG2000 PE | Avanti | 880130 | This is a component of biotinylated lipid stock |
3 mL luer-lock syringe | BecktonDickinson | 302832 | |
6-way sample injection valve | IDEX | MX series II | |
950K PMMA | All-resist | 671.04 | |
Acetone | SAMCHUN | A1759 | |
Adenosine 5'-triphosphate disodium salt hydrate (ATP) | Sigma | A2383 | |
Aluminum (Al) | TASCO, South Korea | LT50AI414 | Diameter 4 inch, thickness 1/4 inch |
Amicon Ultra centrifugal filter, MWCO 10 kDa | Millipore | Z648027 | |
Ampicillin | Mbcell | MB-A4128 | Antibiotics |
AZ 300 MIF developer | Merck | 10454110521 | Used for removing aluminum |
Blade | DORCO | DN52 | 12 mm x 6 m |
Boron trichloride (BCl3) | UNIONGAS | Purity: >99.99% | |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A7030 | |
Catalase | Sigma | C40-1g | This is a component of 100x gloxy stock |
Chlorine (Cl2) | UNIONGAS | Purity: >99.99% | |
Clear double-sided tape | 3M | 313770 | |
D-(+)-glucose | Sigma | G7528 | |
DC sputter | Sorona | SRM-120 | Used for deposition aluminum on a slide |
Diamond-coated drill bit | Eurotool | DIB-211.00 | Used for making holes in a fusced silica slide |
DL-Dithiothreitol (DTT) | Sigma | D0632 | |
Dove-prism | Korea Electro-Optics Co. Ltd. | 1906-106 | Custom-made fused-silica dove prism with anti-reflection coating |
Drill | Dremel | Dremel 3000 | Used for making holes in a fusced silica slide |
Electron Bean Lithography | Nanobeam Ltd. | NB3 | |
Ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA) | Sigma | EDS-1KG | |
Fingertight fittings | IDEX | F-300 | It is connected with "PFA Tubing Natural" to form luer-lock tubing |
Flangeless male nut | IDEX | P-235 | It is connected with "PFA Tubing Natural" to form luer-lock tubing |
Freeze Dryer, HyperCOOL | Labogene | HC3110 | Used for lyophilizing liquid proteins |
Glucose oxidase | Sigma | G2133-50KU | This is a component of 100x gloxy stock |
Guanidinium hydrochloride | Acros Organics | 364790025 | |
Hamilton syringe | Hamilton Company | 80065 | This syringe is used for sample injection |
Hellmanex III | Sigma | Z805939 | |
HiLoad 26/600 SuperdexTM 200 pg | Cytiva | 28-9893-36 | Used for FPLC (size exclusion) |
Hot plate stirrer | Corning | PC-420D | |
Hydrochloric acid | Sigma | H1759 | Used for Tris-HCl |
Index matching oil | ZEISS | 444970-9000-000 | |
Inductively coupled plasma-reactive ion etching | Top Technology Ltd. | FabStar | |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Glentham Life Sciences | GC6586-100g | Used for induction of β-galactosidase activity |
Lambda phage DNA | NEB | N0311 | |
LB broth | BD difco | 244610 | Media for E.coli cell growth |
Luer adapter 10-32 | IDEX | P-659 | This connects luer-lock syringe and tubing |
Magnesium chloride hexahydrate | fisher bioreagents | BP214 | |
Methyl isobutyl ketone (MIBK) | KAYAKU ADVANCED MATERIALS | Used for developing solution | |
Microscope (Eclipse Ti2) | Nikon | Eclipse Ti2 | Inverted fluorescence microscope |
Microscope glass coverslip | MARIENFELD | 101142 | 22 x 50 mm (No. 1) |
Microscope slide | DURAN GROUP | DU.2355013 | Slide glass ground edge 45°, plain 26 x 76 mm |
Nanoport | IDEX | N-333-01 | |
Objective lens | Nikon | CFI Plan Apochromat VC 60XC WI | Immersion type: water, magnification: 60x, correction: 18, working distance: 0.29 (0.31-0.28) |
One Shot BL21 (DE3)pLysS Chemically Competent E. coli | Thermo Fisher Scientific | C6060-03 | Competent cell for overexpressing proteins |
Oxygen (O2) | NOBLEGAS, South Korea | Purity: >99.99% | |
PFA tubing natural | IDEX | 1512L | It is connected with "Fingertight Fittings" to form luer-lock tubing |
Phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) | Roche | 11359061001 | Protease inhibitor |
Sephacryl S-200 High Resolution | Cytiva | 17-0584-01 | Used for FPLC (size exclusion) |
Shut-off valve | IDEX | P-732 | |
Sodium acetate | Sigma | 791741 | |
Sodium chloride (NaCl) | Sigma | S3014 | |
Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma | s5881 | |
Spectra/Por molecularporous membrane tubing, MWCO 6-8 kDa | Spectrum laboratories | 132660 | |
Streptavidin | Thermo Fisher Scientific | S888 | |
Sulfur tetralfluoride (SF4) | NOBLEGAS, South Korea | Purity: >99.99% | |
Syringe pump | KD Scientific | 78-8210 | |
Tetrafluoromethane (CF4) | NOBLEGAS, South Korea | Purity: >99.99% | |
TritonX-100 | Sigma | T9284 | |
Trizma base | Sigma | T1503 | Used for Tris-HCl |
TSKgel SP-5PW | TOSOH | 14715 | Used for FPLC (ion exchange) |
Union assembly | IDEX | P-760 | This connects tubings |
Urea | Sigma | U5378 | |
Vacuum oven | Jeio Tech | OV-11 | |
YOYO-1 | Thermo Fisher Scientific | Y3601 | This intercalation dye is diluted in DMSO |
β-mercaptoethanol (BME) | Sigma | M6250 |