Yüksek verimli tek moleküllü bir görüntüleme tekniği olan DNA perdesi, çeşitli protein-DNA etkileşimlerinin gerçek zamanlı görselleştirilmesi için bir platform sağlar. Mevcut protokol, bir Schizosaccharomyces pombe bromodomain içeren AAA+ ATPaz olan Abo1’in biyolojik rolünü ve moleküler mekanizmasını araştırmak için DNA perdesi tekniğini kullanmaktadır.
Kromatin, ökaryotik DNA’yı paketleyen daha yüksek dereceli bir yapıdır. Kromatin, hücre döngüsü fazına göre ve çevresel uyaranlara yanıt olarak dinamik değişikliklere uğrar. Bu değişiklikler genomik bütünlük, epigenetik düzenleme ve replikasyon, transkripsiyon ve onarım gibi DNA metabolik reaksiyonları için gereklidir. Kromatin düzeneği, kromatin dinamiği için çok önemlidir ve histon şaperonları tarafından katalize edilir. Kapsamlı çalışmalara rağmen, histon şaperonlarının kromatin montajını mümkün kıldığı mekanizmalar belirsizliğini koruyor. Ayrıca, histon şaperonları tarafından düzenlenen nükleozomların küresel özellikleri tam olarak anlaşılamamıştır. Bu sorunları ele almak için, bu çalışma, histon şaperonları tarafından nükleozom düzeneğinin moleküler ayrıntılarının araştırılmasını kolaylaştıran DNA perdesi adı verilen benzersiz bir tek moleküllü görüntüleme tekniğini açıklamaktadır. DNA perdesi, çeşitli protein-DNA etkileşimlerinin gerçek zamanlı görüntülenmesi için evrensel bir platform sağlamak üzere lipid akışkanlığını, mikroakışkanları ve toplam iç yansıma floresan mikroskobunu (TIRFM) birleştiren hibrit bir tekniktir. DNA perdesi kullanılarak, Schizosaccharomyces pombe bromodomain içeren AAA + ATPaz olan Abo1’in histon şaperon fonksiyonu araştırılır ve Abo1’in histon düzeneğinin altında yatan moleküler mekanizma ortaya çıkarılır. DNA perdesi, kromatin dinamiklerini incelemek için benzersiz bir yaklaşım sağlar.
Ökaryotik DNA, kromatin 1,2 olarak bilinen daha yüksek dereceli bir yapıda paketlenir. Nükleozom, oktamerik çekirdek histonları 3,4 etrafına sarılmış yaklaşık 147 bp DNA’dan oluşan kromatinin temel birimidir. Kromatin, ökaryotik hücrelerde kritik bir rol oynar; örneğin, kompakt yapı DNA’yı endojen faktörlerden ve dışsal tehditlerdenkorur 5. Kromatin yapısı, hücre siklus fazına ve çevresel uyaranlara göre dinamik olarak değişir ve bu değişiklikler, replikasyon, transkripsiyon ve onarım gibi DNA işlemleri sırasında protein erişimini kontrol eder6. Kromatin dinamiği, genomik stabilite ve epigenetik bilgi için de önemlidir.
Kromatin, histon kuyruğu modifikasyonları ve kromatin yeniden şekillendiriciler, policomb grubu proteinleri ve histon şaperonları7 gibi kromatin düzenleyicileri dahil olmak üzere çeşitli faktörler tarafından dinamik olarak düzenlenir. Histon şaperonları, çekirdek histonlarınınbirikmesi veya ayrılması yoluyla nükleozomların birleştirilmesini ve sökülmesini koordine eder 8,9. Histon şaperonlarındaki kusurlar genom kararsızlığına neden olur ve gelişimsel bozukluklara ve kansere neden olur 9,10. Çeşitli histon şaperonları, nükleozomları 9,11,12,13 birleştirmek veya sökmek için ATP hidrolizi gibi kimyasal enerji tüketimine ihtiyaç duymaz. Son zamanlarda araştırmacılar, bromodomain içeren AAA + (çeşitli hücresel aktivitelerle ilişkili ATPaz) ATPazların, histon şaperonları 14,15,16,17 olarak kromatin dinamiklerinde rol oynadığını bildirdi. İnsan ATAD2 (ATPase ailesi AAA alanı içeren protein 2), gen ekspresyonunu geliştirmek için kromatin erişilebilirliğini teşvikeder 18. Transkripsiyonel bir yardımcı düzenleyici olarak ATAD2, onkojenik transkripsiyonel faktörlerin14 kromatinini düzenler ve ATAD2’nin aşırı ekspresyonu birçok kanser türünde kötü prognozile ilişkilidir 19. ATAD2’nin Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) homoloğu olan Yta7, kromatin15’teki nükleozom yoğunluğunu azaltır. Buna karşılık, ATAD2’nin Schizosaccharomyces pombe (S. pombe) homoloğu olan Abo1, nükleozom yoğunluğunuarttırır 16. Benzersiz bir tek moleküllü görüntüleme tekniği olan DNA perdesi kullanılarak, Abo1’in nükleozom montajına veya sökülmesine katkıda bulunup bulunmadığıele alınmaktadır 17,20.
Geleneksel olarak, biyomoleküllerin biyokimyasal özellikleri, çok sayıda molekülün incelendiği elektroforetik hareketlilik kaydırma testi (EMSA) veya ko-immünopresipitasyon (co-IP) gibi toplu deneylerle incelenmiştir ve ortalama özellikleri karakterize edilmiştir21,22. Toplu deneylerde, moleküler alt durumlar, topluluk ortalaması etkisi ile örtülür ve biyomoleküler etkileşimlerin araştırılması kısıtlanır. Buna karşılık, tek moleküllü teknikler, toplu deneylerin sınırlamalarını ortadan kaldırır ve biyomoleküler etkileşimlerin ayrıntılı karakterizasyonunu sağlar. Özellikle, tek moleküllü görüntüleme teknikleri, DNA-protein ve protein-protein etkileşimlerini incelemek için yaygın olarak kullanılmaktadır23. Böyle bir teknik, mikroakışkanlara ve toplam iç yansıma floresan mikroskobuna (TIRFM) dayanan benzersiz bir tek moleküllü görüntüleme tekniği olan DNA perdesidir24,25. Bir DNA perdesinde, yüzlerce ayrı DNA molekülü, lipid akışkanlığı nedeniyle DNA moleküllerinin iki boyutlu hareketine izin veren lipid çift tabakasına bağlanır. Hidrodinamik akış uygulandığında, DNA molekülleri çift tabaka üzerindeki akış boyunca hareket eder ve hizalandıkları ve gerildikleri bir difüzyon bariyerinde sıkışırlar. DNA, interkalasyon ajanları ile boyanırken, floresan etiketli proteinler enjekte edilir ve TIRFM, protein-DNA etkileşimlerini tek molekül seviyesinde gerçek zamanlı olarak görselleştirmek için kullanılır23. DNA perde platformu, difüzyon, translokasyon ve çarpışma gibi protein hareketlerinin gözlemlenmesini kolaylaştırır 26,27,28. Ayrıca, DNA perdesi, tanımlanmış konumlar, yönelimler ve topolojiler ile DNA üzerinde protein haritalaması için kullanılabilir veya protein ve nükleik asitlerin faz ayrımı çalışmasına uygulanabilir 29,30,31.
Bu çalışmada, DNA perdesi tekniği, spesifik proteinlerin doğrudan görselleştirilmesi yoluyla şaperonların işlevine kanıt sağlamak için kullanılmıştır. Ayrıca, DNA perdesi yüksek verimli bir platform olduğundan, istatistiksel güvenilirlik için yeterli miktarda veri toplamayı kolaylaştırır. Burada, S. pombe bromodomain içeren AAA+ ATPaz Abo1’in moleküler rolünü araştırmak için DNA perdesi testinin nasıl yapılacağı ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.
Tek moleküllü bir görüntüleme tekniği olarak DNA perdesi, DNA metabolik reaksiyonlarını araştırmak için yaygın olarak kullanılmıştır43. DNA perdesi, lipid akışkanlığını, mikroakışkanları ve TIRFM’yi birleştiren hibrit bir sistemdir. Diğer tek moleküllü tekniklerin aksine, DNA perdesi, protein-DNA etkileşimlerinin yüksek verimli gerçek zamanlı görselleştirilmesini sağlar. Bu nedenle, DNA perdesi tekniği, diziye özgü ilişki, DNA ile birlikte protein hareketi v…
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar, Güney Kore’deki KAIST’ten Profesör Ji-Joon Song, Carol Cho, Ph.D. ve Juwon Jang, Ph.D.’nin Abo1 ve Cy5-H3-H4’e verdiği nazik desteği takdir ediyor. Bu çalışma, Ulusal Araştırma Vakfı Hibesi (NRF-2020R1A2B5B01001792), Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nün okul içi araştırma fonu (1.210115.01) ve Temel Bilimler Enstitüsü (IBS-R022-D1) tarafından desteklenmektedir.
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 |