توفر ستارة الحمض النووي ، وهي تقنية تصوير أحادية الجزيء عالية الإنتاجية ، منصة للتصور في الوقت الفعلي لتفاعلات البروتين والحمض النووي المتنوعة. يستخدم البروتوكول الحالي تقنية ستارة الحمض النووي للتحقيق في الدور البيولوجي والآلية الجزيئية ل Abo1 ، وهو باز برومودومين يحتوي على فطريات الفصام يحتوي على AAA + ATPase.
الكروماتين تركيب أعلى مرتبة يحزم الحمض النووي الحقيقي النواة. يخضع الكروماتين لتغيرات ديناميكية وفقا لمرحلة دورة الخلية واستجابة للمحفزات البيئية. هذه التغييرات ضرورية للسلامة الجينومية ، والتنظيم اللاجيني ، والتفاعلات الأيضية للحمض النووي مثل النسخ المتماثل والنسخ والإصلاح. يعد تجميع الكروماتين أمرا بالغ الأهمية لديناميكيات الكروماتين ويتم تحفيزه بواسطة مرافقي هيستون. على الرغم من الدراسات المكثفة ، فإن الآليات التي تمكن بها مرافقو الهستون من تجميع الكروماتين لا تزال بعيدة المنال. علاوة على ذلك ، فإن السمات العالمية للنيوكليوسومات التي ينظمها مرافقو الهستون غير مفهومة بشكل جيد. لمعالجة هذه المشاكل ، يصف هذا العمل تقنية تصوير فريدة من نوعها أحادية الجزيء تسمى ستارة الحمض النووي ، والتي تسهل التحقيق في التفاصيل الجزيئية لتجميع النيوكليوسوم بواسطة مرافقي الهستون. ستارة الحمض النووي هي تقنية هجينة تجمع بين سيولة الدهون ، وعلم الموائع الدقيقة ، والمجهر الفلوري الداخلي الكلي (TIRFM) لتوفير منصة عالمية للتصوير في الوقت الفعلي لتفاعلات البروتين والحمض النووي المتنوعة. باستخدام ستارة الحمض النووي ، يتم فحص وظيفة مرافقة هيستون ل Abo1 ، Schizosaccharomyces pombe bromodomain المحتوية على AAA + ATPase ، ويتم الكشف عن الآلية الجزيئية الكامنة وراء تجميع الهستون ل Abo1. توفر ستارة الحمض النووي نهجا فريدا لدراسة ديناميكيات الكروماتين.
يتم حزم الحمض النووي حقيقي النواة في بنية أعلى مرتبة تعرف باسم الكروماتين 1,2. النيوكليوسوم هو الوحدة الأساسية للكروماتين ، والذي يتكون من حوالي 147 bp DNA ملفوفة حول الهستونات الأساسيةالثماني 3,4. يلعب الكروماتين دورا مهما في الخلايا حقيقية النواة. على سبيل المثال ، يحمي الهيكل المدمج الحمض النووي من العوامل الداخلية والتهديدات الخارجية5. يتغير هيكل الكروماتين ديناميكيا وفقا لمرحلة دورة الخلية والمحفزات البيئية ، وتتحكم هذه التغييرات في الوصول إلى البروتين أثناء معاملات الحمض النووي مثل النسخ المتماثل والنسخ والإصلاح6. ديناميكيات الكروماتين مهمة أيضا للاستقرار الجيني والمعلومات اللاجينية.
يتم تنظيم الكروماتين ديناميكيا من خلال عوامل مختلفة ، بما في ذلك تعديلات ذيل الهستون ومنظمات الكروماتين مثل أجهزة إعادة تشكيل الكروماتين وبروتينات مجموعة polycomb ومرافقي هيستون7. يقوم مرافقو هيستون بتنسيق تجميع وتفكيك النيوكليوسومات عن طريق ترسب أو انفصال الهستونات الأساسية 8,9. تؤدي العيوب في مرافقي الهستون إلى عدم استقرار الجينوم وتسبب اضطرابات في النمو والسرطان 9,10. لا يحتاج العديد من مرافقي الهستون إلى استهلاك الطاقة الكيميائية مثل التحلل المائي ATP لتجميع أو تفكيك النيوكليوسومات9،11،12،13. في الآونة الأخيرة ، أفاد الباحثون أن ATPases المحتوية على البرومودومين AAA + (ATPase المرتبط بالأنشطة الخلوية المتنوعة) تلعب دورا في ديناميكيات الكروماتين كمرافقين هيستون14،15،16،17. يعزز ATAD2 البشري (البروتين 2 المحتوي على مجال ATPase من عائلة ATPase) إمكانية الوصول إلى الكروماتين لتعزيز التعبير الجيني18. بصفته منظما مشاركا للنسخ ، ينظم ATAD2 كروماتين عوامل النسخ المسرطنة14 ، ويرتبط الإفراط في التعبير عن ATAD2 بسوء التشخيص في العديد من أنواع السرطان19. Yta7 ، Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) متماثل ATAD2 ، يقلل من كثافة النيوكليوسوم في الكروماتين15. في المقابل ، Abo1 ، متماثل Schizosaccharomyces pombe (S. pombe) من ATAD2 ، يزيد من كثافة النيوكليوسوم16. باستخدام تقنية تصوير فريدة من نوعها أحادية الجزيء ، يتم تناول ستارة الحمض النووي ، سواء كان Abo1 يساهم في تجميع أو تفكيك النيوكليوزوم17,20.
تقليديا ، تم فحص الخواص الكيميائية الحيوية للجزيئات الحيوية من خلال تجارب مجمعة مثل مقايسة تحول الحركة الكهربائية (EMSA) أو الترسيب المناعي المشترك (co-IP) ، حيث يتم فحص عدد كبير من الجزيئات ، وتتميز متوسط خصائصها21,22. في التجارب السائبة ، يتم حجب الحالات الفرعية الجزيئية من خلال تأثير متوسط المجموعة ، ويتم تقييد التفاعلات الجزيئية الحيوية للبحث. في المقابل ، تتحايل تقنيات الجزيء الواحد على قيود التجارب المجمعة وتمكن من التوصيف التفصيلي للتفاعلات الجزيئية الحيوية. على وجه الخصوص ، تم استخدام تقنيات التصوير أحادية الجزيء على نطاق واسع لدراسة تفاعلات بروتين الحمض النووي والبروتينوالبروتين 23. إحدى هذه التقنيات هي ستارة الحمض النووي ، وهي تقنية تصوير فريدة من نوعها أحادية الجزيء تعتمد على الموائع الدقيقة والمجهر الفلوري للانعكاس الداخلي الكلي (TIRFM) 24,25. في ستارة الحمض النووي ، يتم تثبيت مئات جزيئات الحمض النووي الفردية على طبقة الدهون المزدوجة ، والتي تسمح بالحركة ثنائية الأبعاد لجزيئات الحمض النووي بسبب سيولة الدهون. عند تطبيق التدفق الهيدروديناميكي ، تتحرك جزيئات الحمض النووي على طول التدفق على الطبقة المزدوجة وتعلق عند حاجز الانتشار ، حيث يتم محاذاتها وتمديدها. بينما يتم تلطيخ الحمض النووي بعوامل إقحام ، يتم حقن البروتينات الموسومة بالفلورسنت ، ويستخدم TIRFM لتصور تفاعلات البروتين والحمض النووي في الوقت الفعلي على مستوىجزيء واحد 23. تسهل منصة ستارة الحمض النووي مراقبة حركات البروتين مثل الانتشار والنقل والتصادم26،27،28. علاوة على ذلك ، يمكن استخدام ستارة الحمض النووي لرسم خرائط البروتين على الحمض النووي مع المواضع والاتجاهات والطوبولوجيا المحددة أو تطبيقها على دراسة فصل الطور للبروتين والأحماض النووية29،30،31.
في هذا العمل ، يتم استخدام تقنية ستارة الحمض النووي لتقديم دليل على وظيفة المرافقين من خلال التصور المباشر لبروتينات معينة. علاوة على ذلك ، نظرا لأن ستارة الحمض النووي عبارة عن منصة عالية الإنتاجية ، فإنها تسهل نطاقا من جمع البيانات يكفي للموثوقية الإحصائية. هنا ، يتم وصف كيفية إجراء مقايسة ستارة الحمض النووي بالتفصيل للتحقيق في الدور الجزيئي ل S. pombe bromodomain المحتوي على AAA + ATPase Abo1.
كتقنية تصوير أحادية الجزيء ، تم استخدام ستارة الحمض النووي على نطاق واسع لاستكشاف تفاعلات التمثيل الغذائي للحمض النووي43. ستارة الحمض النووي هي نظام هجين يربط سيولة الدهون ، وعلم الموائع الدقيقة ، و TIRFM. على عكس تقنيات الجزيء الواحد الأخرى ، تتيح ستارة الحمض النووي تصورا عالي ?…
The authors have nothing to disclose.
يقدر المؤلفون الدعم الكريم ل Abo1 و Cy5-H3-H4 من قبل البروفيسور جي جون سونغ ، كارول تشو ، دكتوراه ، وجوون جانغ ، دكتوراه ، في KAIST ، كوريا الجنوبية. يتم دعم هذا العمل من خلال منحة المؤسسة الوطنية للبحوث (NRF-2020R1A2B5B01001792) ، وصندوق البحوث الداخلية (1.210115.01) التابع لمعهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا ، ومعهد العلوم الأساسية (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 |