핵 포스 현미경 검사에 의한 DNA 절편 검사에서의 DNA 병변 인식 연구
Summary
Here, the study of different DNA lesion recognition approaches via single molecule AFM imaging is demonstrated with the nucleotide excision repair system as an example. The procedures of DNA and protein sample preparations and experimental as well as analytical details for the AFM experiments are described.
Abstract
AFM imaging is a powerful technique for the study of protein-DNA interactions. This single molecule method allows the simultaneous resolution of different molecules and molecular assemblies in a heterogeneous sample. In the particular context of DNA interacting protein systems, different protein complex forms and their corresponding binding positions on target sites containing DNA fragments can thus be distinguished. Here, an application of AFM to the study of DNA lesion recognition in the prokaryotic and eukaryotic nucleotide excision DNA repair (NER) systems is presented. The procedures of DNA and protein sample preparations are described and experimental as well as analytical details of the experiments are provided. The data allow important conclusions on the strategies by which target site verification may be achieved by the NER proteins. Interestingly, they indicate different approaches of lesion recognition and identification for the eukaryotic NER system, depending on the type of lesion. Furthermore, distinct structural properties of the two different helicases involved in prokaryotic and eukaryotic NER result in and explain the different strategies observed for these two systems. Importantly, these experimental and analytical approaches can be applied not only to the study of DNA repair but also very similarly to other DNA interacting protein systems such as those involved in replication or transcription processes.
Introduction
원자 힘 현미경 (AFM)은 단백질 -DNA 상호 작용 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 의 분석을위한 강력한 기술입니다. 단일 분자 수준의 분해능으로 이종 샘플을 직접 시각화하기 위해서는 적은 양의 시료가 필요합니다. 이질성은 단백질의 상이한 형태 또는 올리고머 상태에 기인 할 수있다. 특히, 단백질 -DNA 샘플과 관련하여, 단백질 복합체는 일반적으로 DNA 결합 또는 DNA 내의 특정 표적 부위에 결합함으로써 유도 된 상이한 화학 양론 및 / 또는 형태를 나타낼 수있다. 이종 샘플은 또한 2 종 (또는 그 이상)의 상이한 종류의 단백질 및 상이한 단백질 복합체형태 ( 예를 들어 , 하나의 유형의 단백질 대 헤테로 메릭 복합체로 이루어진)는 DNA와 다르게 상호 작용할 수있다. 여기서 논의 된 연구는 공기 중의 AFM 이미징을 이용하여이 단백질의 표적을 나타내는 병변을 포함하는 긴 (~ 900 염기쌍, bp) DNA 단편에 결합 된 DNA 복구 단백질의 정적 건조 샘플을 이용한다. AFM의 분자 분해능이 높기 때문에 여러 종류의 단백질 복합체를 구별 할 수 있으며 DNA 조각에 결합하는 단백질의 결합 위치를 결정할 수 있습니다. 중요하게도, 병변은 잘 정의 된 위치에서 DNA 기질에 도입됩니다. DNA에 병변 부위의 위치가 알려지기 때문에 DNA에 결합 된 단백질의 분포는 (상이한) 단백질 복합체의 (상이한) 병변 인식 특성, 예를 들어 그들이 특정 유형의 병변을 얼마나 잘인지하는지에 대한 통찰력을 제공한다 손상되지 않은 DNA에) 2 , 3 , <supclass = "xref"> 4 , 5 , 6 . DNA에 대한 그들의 위치는 또한 병변에서 특이 적으로 결합 된 단백질 복합체와 DNA의 다른 곳에서 비특이적으로 결합 된 복합체 사이의 구별을 허용한다. 이들 상이한 복합 형 (병변 및 비 특이성 복합체에서 특이 적으로 결합 된 복합체)의 분리 된 특성화는 표적 부위 확인시 유도 된 복합체에서의 잠재적 인 구조 변화를 나타낼 수있다.
여기에 초점을 맞춘 DNA 복구 단백질은 핵산 절삭 수선 (NER) 경로에서 병변 인식을 담당하는 헬리 카아 제입니다. 박테리아에서 NER은 단백질 UvrA, UvrB 및 UvrC에 의해 달성됩니다. UvrA는 UvaA 2 / UvrB 2 DNA 스캐닝 복합체에서 초기 병변 감지를 담당합니다. UvrB에 의한 병변 검증시,이 복합체는 병변 부위에서 결합 된 단량체 UvrB로 전환되고,이 특정 복합체는 p원핵 세포 NER 엔도 뉴 클레아 제 UvrC. UvrC는 병변이있는 짧은 (12-13nt) 스트레치의 단일 가닥 DNA (ssDNA)를 절단합니다. 누락 된 스트레치는 DNA 폴리머 라제에 의해 재충전됩니다. 마지막으로, DNA 리가 제가 원래 합성 된 DNA 9,10 으로 새로 합성 된 신축성을 봉인합니다. 진핵 생물에서 NER 캐스케이드의 대부분의 단백질은 대형의 다중 전사 인자 II H (TFIIH) 복합체의 일부입니다. 삼량 체 CEN2-XPC-HR23B 복합체 를 통한 초기 병변 감지 후, TFIIH는 DNA 표적 부위로 모집된다. 복합체 내의 XPD가 NER 표적 병변의 존재를 확인하면, 진핵 생물 NER 엔도 뉴 클레아 제인 XPG 및 XPF는 병변 9 , 10을 함유 한 짧은 (24-32 nt) ssDNA 스트레치를 모집하도록 모집된다. 여기서는 원핵 생물과 진핵 생물 NER의 헬리 케이즈 UvrB와 XPD를 연구했습니다. 이 헬리콥터에는DNA (DNA bubble)는 두 개의 DNA 단일 가닥 중 하나에 연결되고,이어서 ATP 가수 분해에 의해 연료 가닥을 따라 이동합니다. 따라서 DNA 병변 이외에 DNA 버블이 단백질의 로딩 위치로 기능하는 기질에 도입되었습니다.
특정 병변 DNA 기판의 준비 절차는 이전에 11에서 설명 했습니다. 그것은 니카아제를위한 2 개의 밀접하게 이격 된 제한 부위를 갖는 원형 DNA 구조체 (플라스미드)를 필요로한다. 이 연구의 맥락에서, 플라스미드 pUC19N (2729 BP)이 사용되었다 (S. Wilson의 실험실, NIEHS에 의해 만들어졌다). 이 플라스미드는 48 뉴클레오타이드 (nt) 스트레치를 구성하는 니카타아제 Nt.BstNBI를위한 3 개의 밀접하게 이격 된 제한 사이트를 포함한다. 니카아제로 배양 한 후, 이들 부위 사이의 ssDNA의 스트레치를 제거하고 임의의 표적 특징을 함유하는 올리고 뉴클레오타이드로 대체 할 수있다. 각 단계 후, 완전한 효소 소화를 아가 로즈 겔로 시험한다전기 영동. Nicked 원형 DNA는 원래 supercoiled 플라스미드에 비해 낮은 전기 영동 이동성으로 인해 구별하실 수 있습니다. DNA의 갭핑 및 제거 된 스트레치의 특정 기질 올리고 뉴클레오타이드에 의한 대체는 닉 사이의 영역 내에서만 기질을 절개하는 제한 효소로 분해함으로써 평가 될 수있다. 효소에 의한 원형 플라스미드의 선형화는 따라서 갭 DNA에 대해 억제되고 특정 올리고 뉴클레오타이드의 삽입 후에 회복 될 것이다. 마지막으로, 두 endonuclease 제한 사이트 (이상적으로 단일 커터) 원하는대로 길이와 정의 된 위치뿐만 아니라 병변에서 거리에있는 DNA 버블에서 특정 대상 사이트와 선형 DNA 기판의 생성을 허용 5 '또는 3'방향.
NER 헬리 케이즈에 의한 병변의인지 는 AFM 영상 을 통해 조사 할 수 있습니다. t에서 헬리 카스의 DNA 전좌가 스톨 된그 병변 부위는 DNA상의 단백질 위치 분포의 첨단으로 볼 수 있으며 병변 인식을 나타낸다. 이 헬리 카제의 DNA 전좌가 5 '에서 3'극성으로 나아가 방향성을 갖기 때문에 로딩 위치 (병변의 상류 또는 하류의 DNA 버블)의 위치에 대한 병변 인식의 의존성도 병변이 우선적으로인지되는지 여부를 나타냅니다 (translocated) 또는 반대쪽으로, 비 – 전위 된 ssDNA 가닥 5 , 9 . 다음 섹션에서는 사용 된 방법을 소개하고이 실험의 주요 결과를 간단히 설명합니다. 중요한 것은 여기에 제시된 DNA 수리에 대한 모범 사례와 유사하게 AFM 이미징은 DNA 복제 또는 전사 8 , 12 , 13 , 14 와 같은 서로 다른 DNA 상호 작용 시스템의 연구에 적용될 수 있습니다 </sup>.
Protocol
Representative Results
Discussion
특정 표적 부위를 포함하는 긴 DNA 단편에 대한 단백질의 결합 위치에 대한 AFM 통계 분석은 단백질이 이들 부위 2 , 3 , 4 , 5 , 6 을 인식하기 위해 사용하는 특정 전략에 대한 흥미로운 세부 사항을 나타낼 수있다. 결과적인 위치 분포를 해석하기 위해, DNA 내 표적의 위치를 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
PUC19N, CPD- 함유 올리고 뉴클레오타이드 및 p44는 Samuel Wilson, Korbinian Heil 및 Thomas Carell, Gudrun Michels 및 Caroline Kisker에 의해 각각 제공되었다. 이 연구는 도이체 Forschungsgemeinschaft (DFG) FZ82 및 TE-671 / 4에서 IT 보조금으로 지원되었습니다.
Materials
| Molecular Force Probe (MFP) 3D | Asylum Research | N/A | atomic force microscope (AFM) |
| Precision 390 | DELL | N/A | computer |
| ThermoMixer and 1.5 ml block | Eppendorf | 5382000015 | heat block for DNA preparation |
| Rotilabo Block-Heater H 250 & blocks for 0.5 ml tubes | Carl Roth GmbH | Y264.1 & Y267.1 | heat block for protein-DNA incubations |
| Mini-Sub Cell GT | Bio-Rad Laboratories GmbH | 1704467 | electrophoresis chamber with gel caster and power supply |
| Power Pac Basic | Bio-Rad Laboratories GmbH | 1645050 | electrophoresis power supply |
| Centifuge 5415 D with rotor | Eppendorf | 2262120-3 | table centrifuge |
| Ultra-Lum electronic UV transillumonator MEB-15 | Ultralum | 900-1322-02 | UV irradiation table |
| NanoDrop ND-1000 | VWR International / PEQLAB Biotechnologie GmbH | N/A | UV spectrophotometer |
| TKAX-CAD with 0.2 μm capsule filter | Unity Lab Services | N/A | water deionization and filter unit |
| Name | Company | Catalog number | Comments |
| Software | |||
| MFP software on Igor Pro | Asylum Research | N/A | AFM software |
| ImageJ (open source Java image processing) | NIH Image | N/A | Image analysis software |
| Excel (Microsoft Office) | Microsoft Corporation | N/A | data analysis software |
| Origin9 / Origin2016 | OriginLab Corporation | N/A | statistical data analysis and graphing software |
| Name | Company | Catalog number | Comments |
| Material | |||
| OMCL-AC240TS | Olympus | OMCL-AC240TS | AFM cantilevers |
| grade V-5 muscovite | SPI Supplies | 1805 | mica sheets |
| Amicon Ultra 0.5ml 50k Ultracell | Millipore Ireland Ltd. | UFC505096 | centrifuge filters |
| NucleoSpin Extract II | Macherey-Nagel GmbH | 740 609.250 | Agarose gel extraction kit |
| Rotilabo cellulose paper type 111A | Carl Roth GmbH | AP59.1 | AFM deposition blotting paper |
| Anatop 25 (0.02 μm) | Whatman GmbH | 6809-2102 | syringe filter |
| SSpI, BspQI | New England Biolabs (NEB) | R0132, R0712 | restriction enzymes for DNA substrate preparation |
| XhoI, BglII | R0146, R0144 | restriction enzymes for DNA preparation controls | |
| nicking restriction enzyme Nt.BstNBI | New England Biolabs (NEB) | R0607 | nickase |
| T4 DNA ligase | New England Biolabs (NEB) | M0202S | Ligase |
| Tris, HEPES | Carl Roth GmbH | 4855, 9105 | buffer chemicals |
| NaCl, MgCl2, KCl, MgAcetate | Carl Roth GmbH | 3957, HN03, HN02, P026 | salt chemicals |
| NaAc | Sigma-Aldrich Chemie GmbH | 32318 | salt chemicals |
| DTT, TCEP, EDTA | 6908, HN95, 8040 | chemicals/reagents | |
| agarose, acetic acid, HCl | Carl Roth GmbH | 2267, 3738, K025 | reagents |
| ATPƔS | Jena Bioscience | NU-406 | nucleotides |
| ATP | Carl Roth GmbH | K054 | nucleotides |
| oligonucleotide #1 in Table 1 | Biomers | custom | complementary DNA oligonucleotide |
| oligonucleotides #2, #3, and #6 in Table 1 | Integrated DNA Technologies (IDT) | custom | fluorescein containing oligonucleotides |
| oligonucleotides #4 and #5 in Table 1 | private (available from e.g. TriLink or GlenResearch) | CPD containing oligonucleotides | |
| SafeSeal reaction tube 0.5 ml and 1.5 ml | Sarstedt | 72.704 and 72.706 | incubation tubes |
| GeneRuler 1 kb | Thermo Scientific | SM0311 | DNA ladder |
| 6x concentrate gel loading dye purple | New England Biolabs (NEB) | 51406 | DNA loading dye |
| Midori Green | Nippon Genetics Europe GmbH | 999MG28055 | DNA stain |
References
- Janicijevic, A., Ristic, D., Wyman, C. The molecular machines of DNA repair: scanning force microscopy analysis of their architecture. J. Microsc. 212 (3), 264-272 (2003).
- Wang, H., et al. DNA bending and unbending by MutS govern mismatch recognition and specificity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 100 (25), 14822-14827 (2003).
- Tessmer, I., et al. Mechanism of MutS searching for DNA mismatches and signaling repair. J. Biol. Chem. 283 (52), 36646-36654 (2008).
- Wagner, K., Moolenaar, G., van Noort, J., Goosen, N. Single-molecule analysis reveals two separate DNA-binding domains in the Escherichia coli UvrA dimer. Nucleic Acids Res. 37 (6), 1962-1972 (2009).
- Buechner, C. N., et al. Strand-specific recognition of DNA damages by XPD provides insights into nucleotide excision repair substrate versatility. J Biol. Chem. 289 (6), 3613-3624 (2014).
- Van der Linden, E., Sanchez, H., Kinoshita, E., Kanaar, R., Wyman, C. RAD50 and NBS1 form a stable complex functional in DNA binding and tethering. Nucleic Acids Res. 37 (5), 1580-1588 (2009).
- Fuentes-Perez, M. E., Dillingham, M., Moreno-Herrero, F. AFM volumetric methods for the characterization of proteins and nucleic acids. Methods. 60, 113-121 (2013).
- Shlyakhtenko, L. S., Lushnikov, A. Y., Miyagi, A., Lyubchenko, Y. L. Specificity of binding of single-stranded DNA-binding protein to its target. Biochemistry. 51, 1500-1509 (2012).
- Wirth, N., et al. Conservation and Divergence in Nucleotide Excision Repair Lesion Recognition. J. Biol. Chem. 291 (36), 18932-18946 (2016).
- Kuper, J., Kisker, C. Damage recognition in nucleotide excision DNA repair. Curr. Opin. Struct. Biol. 22, 88-93 (2012).
- Buechner, C. N., Tessmer, I. DNA substrate preparation for atomic force microscopy studies of protein-DNA interactions. J. Mol. Recognit. 26 (12), 605-617 (2013).
- Sun, Z., Tan, H. Y., Bianco, P. R., Lyubchenko, Y. L. Remodeling of RecG Helicase at the DNA Replication Fork by SSB Protein. Sci. Rep. 5, 9625 (2015).
- Billingsley, D. J., Bonass, W. A., Crampton, N., Kirkham, J., Thomson, N. H. Single-molecule studies of DNA transcription using atomic force microscopy. Phys. Biol. 9 (2), 021001 (2012).
- Maurer, S., Fritz, J., Muskhelishvili, G., Travers, A. RNA polymerase and an activator form discrete subcomplexes in a transcription initiation complex. EMBO J. 25 (16), 3784-3790 (2006).
- Sambrook, J. . Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 1, (2012).
- Theis, K., Chen, P. J., Skorvaga, M., Van Houten, B., Kisker, C. Crystal structure of UvrB, a DNA helicase adapted for nucleotide excision repair. EMBO J. 18 (24), 6899-6907 (1999).
- Kuper, J., et al. In TFIIH, XPD helicase is exclusively devoted to DNA repair. PLoS Biol. 12 (9), e1001954 (2014).
- Shlyakhtenko, L. S., et al. Silatrane-based surface chemistry for immobilization of DNA, protein-DNA complexes and other biological materials. Ultramicroscopy. 97, 279-287 (2003).
- Roth, H. M., et al. XPB helicase regulates DNA incision by the Thermoplasma acidophilum endonuclease Bax1. DNA Repair. 11 (3), 286-293 (2012).
- Ratcliff, G. C., Erie, D. A. A Novel Single-Molecule Study to Determine Protein-Protein Association Constants. J. Am. Chem. Soc. 123 (24), 5632-5635 (2001).
- Yang, Y., Sass, L. E., Du, C., Hsieh, P., Erie, D. A. Determination of protein-DNA binding constants and specificities from statistical analyses of single molecules: MutS-DNA interactions. Nucleic Acids Res. 33 (13), 4322-4334 (2005).
- Caron, P. R., Grossman, L. Involvement of a cryptic ATPase activity of UvrB and its proteolysis product, UvrB* in DNA repair. Nucleic Acids Res. 16 (22), 10891-10902 (1988).
- Wang, H., et al. UvrB domain 4, an autoinhibitory gate for regulation of DNA binding and ATPase activity. J. Biol. Chem. 281 (22), 15227-15237 (2006).
- Chammas, O., Billingsley, D. J., Bonass, W. A., Thomson, N. H. Single-stranded DNA loops as fiducial markers for exploring DNA-protein interactions in single molecule imaging. Methods. 60 (2), 122-130 (2013).
- Truglio, J. J., et al. Structural basis for DNA recognition and processing by UvrB. Nat. Struct. Mol. Biol. 13 (4), 360-364 (2006).
- Kuper, J., Wolski, S. C., Michels, G., Kisker, C. Functional and structural studies of the nucleotide excision repair helicase XPD suggest a polarity for DNA translocation. EMBO J. 31 (2), 494-502 (2012).
- Verhoeven, E. E., Wyman, C., Moolenaar, G. F., Goosen, N. The presence of two UvrB subunits in the UvrAB complex ensures damage detection in both DNA strands. EMBO J. 21 (15), 4196-4205 (2002).
- Verhoeven, E. E., Wyman, C., Moolenaar, G. F., Hoeijmakers, J. H., Goosen, N. Architecture of nucleotide excision repair complexes: DNA is wrapped by UvrB before and after damage recognition. EMBO J. 20 (3), 601-611 (2001).
- Moolenaar, G. F., et al. The Role of ATP Binding and Hydrolysis by UvrB during Nucleotide Excision Repair. J. Biol. Chem. 275, 8044-8050 (2000).
