JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biochemistry

G-quadruplexes manyetik cımbız tarafından manipülasyon tek molekül

Published: September 19, 2017
doi:
10.3791/56328
, , , ,
1School of Pharmacy, Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology, 2Mechanobiology Institute,National University of Singapore, 3Department of Physics,National University of Singapore, 4Research Institute for Biomimetics and Soft Matter, Fujian Provincial Key Lab for Soft Functional Materials Research, Department of Physics,Xiamen University, 5Center for Bioimaging Sciences,National University of Singapore

Summary

G-quadruplexes işlemek için bir tek molekül manyetik cımbız platform, G4 istikrar ve yönetmelik çalışması için izin veren çeşitli proteinler tarafından bildirilmektedir.

Abstract

Sigara-kurallı nükleik asit ikincil yapı G-quadruplexes (G4) DNA ikileşmesi, transkripsiyon, RNA işlenmesi ve telomer uzama gibi çeşitli hücresel süreçler söz konusu. Bu işlemler sırasında çeşitli proteinlerin bağlamak ve onların işlevi gerçekleştirmek için G4 yapıları gidermek. G4 fonksiyonu kez katlanmış yapısını istikrar üzerinde bağlı olarak, nasıl G4 proteinler G4 kararlılığını düzenleyen araştırmak önemlidir. Bu çalışma tek G4 molekülleri G4 proteinler G4 molekülünü gerçek zamanlı olarak düzenlenmesi çalışmaları sağlayan manyetik cımbız kullanarak işlemek için bir yöntem sunar. Genel olarak, bu yöntem çalışmaları uygulamalarında geniş bir kapsamı proteinler/ligandlar etkileşimleri ve çeşitli DNA veya RNA ikincil yapılar üzerinde düzenlemeler için uygundur.

Introduction

4 iplikçikli DNA veya RNA G4 yapıları birçok önemli biyolojik süreçlerin1‘ kritik rol oynarlar. Çoğu protein G4 bağlama ve yönetmelik, telomer proteinler (Revers, POT1, RPA, TEBPs, TRF2) dahil olmak üzere dahil olan1,2, transkripsiyon faktörleri (nucleolin, PARP1)3, RNA proteinleri (hnRNP A1, işleme hnRNP A2)4, helikazlar (BLM, FANCJ, RHAU, UYR, Dna2, Pif1)5ve DNA ikileşmesi proteinleri (Rif1, Değişiklik1, PrimPolymerase)6ile ilgili. Protein bağlayıcı stabilize veya G4 yapıları istikrarsızlaştırmak; Böylece sonraki Biyolojik işlevleri düzenleyen. G4 kararlılığını ultraviyole (UV) veya dairesel dichroism (CD) yöntemleri7kullanarak erime termal tarafından ölçüldü. Ancak, bu koşullar fizyolojik değildir ilgili ve proteinler7bağlama etkilerini eğitim için uygulamak zordur.

Tek molekül işleme teknolojilerinde hızlı geliştirme çalışmaları katlama ve DNA veya nanometre çözünürlük gerçek zamanlı8ile tek molekül düzeyinde bir protein gibi bir biomolecule, elinde tutmasına sağlamıştır. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), optik cımbız ve manyetik cımbız en yaygın olarak kullanılan tek molekül manipülasyon yöntemleri vardır. AFM ve optik cımbız9ile karşılaştırıldığında, manyetik cımbız katlama-unfolding dinamikleri tek bir molekül istikrarlı ölçümleri gün içinde bir anti-drift tekniği10,11kullanarak izin.

Burada, bir tek molekül manipülasyon platform G4 istikrar Yönetmeliği proteinler bağlayarak çalışmaya manyetik cımbız kullanarak bildirilen12,13. Bu eser örnek ve akışı kanal hazırlanması, manyetik cımbız kurulum ve güç kalibrasyon dahil olmak üzere temel yaklaşımlar özetliyor. Kuvvet kontrolü ve anti-drift protokolleri açıklandığı adım 3 olarak uzun zaman ölçümleri sürekli gücü (kuvvet kelepçe) gibi çeşitli güç kontrolleri altında izin verir ve sabit yükleme (kuvvet-rampa) oranı ve kuvvet-ölçüm atlama. 4. adımda açıklanan güç kalibrasyon Protokolü güç kalibrasyonu sağlayan < 1 µm kısa bağları üzerinde geniş bir güç aralığı 100 pN, % 10 içinde göreli bir hata ile. RNA helikaz kararlılığını düzenlenmesi örneği RNA G4 bu platform13uygulamaları göstermek için kullanılan çözümlenmesinde temel rol oynar AU-zengini eleman (RHAU) helikaz (diğer adı DHX36, G4R1) ile ilişkili.

Protocol

1. hazırlık G4 DNA tek molekül Stretching için hazırla 5 '-etiketli thiol ve 5 '-dsDNA kolları tarafından PCR DDNA polimeraz 5 kullanarak lambda fajının DNA şablonunda kullanarak etiketli biotin '-thiol ve 5 '-biotin astar 14 ( şekil 1). Her iki dsDNA kolları yüksek GC içeriğe sahip (> % 60’ı) DNA önlemek için erime DNA yüksek güçler veya DNA esneme sırasında tutulduğu zaman geçiş 15.</…

Representative Results

Deneme kurulumu G4 molekülünü germe için şekil 4′ te gösterilmiştir. Bir tek iplikçikli G4 şekillendirme sıra iki dsDNA kolları arasında yayılmış bir coverslip ve bir paramagnetic boncuk arasında gergin. Bir tek dsDNA gergin boncuk bulmak için overstretching bir tahlil kuvvet sabit yükleme hesaplı artırarak gerçekleştirildi. Ölçümleri üç tür katlama okuyan ve biomolecules unfolding için kez kullanılmıştır: (i) sabit kuvvet öl…

Discussion

Yukarıda, bir platform G4 DNA’ın mekanik sağlamlık ve G4 kullanarak için protein etkileşimleri çalışmak için açıklandığı gibi tek molekül manyetik cımbız bildirilmektedir. Platform refakat, G4 DNA urgan ve ölçüm katlama-unfolding dinamikler ve istikrar nanometre özel çözünürlük ile G4 yapısının bulma yüksek verimli iletişim kuralları geliştirilmiştir. Odak düzlemi kilitleme küçük yapı geçiş G4 gibi algılamak için önemlidir son derece kararlı Anti-drift denetim sağlar (adım …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar Meng Pan el yazması proofreading için teşekkür ederiz. Bu eser tarafından Singapur Bakanlığı, eğitim akademik araştırma fonu Tier 3 (MOE2012-T3-1-001) J.Y. için desteklenir; J.Y. Mechanobiology Enstitüsü Singapur’a aracılığıyla Ulusal Araştırma Vakfı; Ulusal Araştırma Vakfı, Başbakan’ın Office, Singapur, onun NMG Investigatorship programı (NMK Investigatorship Ödülü No altında NATO Mukabele Gücü-NRFI2016-03 J.Y. için; Temel Araştırma Fonu (2017KFYXJJ153) Merkez üniversitelere H. Y için.

Materials

DNA PCR primers IDT DNA preparations
DNA PCR chemicals NEB DNA preparations
restriction enzyme BstXI NEB R0113S DNA preparations
coverslips (#1.5, 22*32 mm, and 20*20 mm) BMH.BIOMEDIA 72204 flow channel preparation
Decon90 Decon Laboratories Limited flow channel preparation
APTES Sigma 440140-500ML flow channel preparation
Sulfo-SMCC ThermoFisher Scientific 22322 flow channel preparation
M-280, paramganetic beads,streptavidin ThermoFisher Scientific 11205D flow channel preparation
Polybead Amino Microspheres 3.00 μm Polysciences, Inc 17145-5 flow channel preparation
2-Mercaptoethanol Sigma M6250-250ML flow channel preparation
Olympus Microscopes IX71 Olympus IX71 Magnetic tweezers setup
Piezo-Z Stages P-721 Physik Instrumente P-721 Magnetic tweezers setup
Olympus Objective lense MPLAPON-Oil 100X Olympus MPLAPON-Oil 100X Magnetic tweezers setup
CCD/CMOS camera AVT Pike F-032B Magnetic tweezers setup
Translation linear stage Physik Instrumente MoCo DC Magnetic tweezers setup
LED Thorlabs MCWHL Magnetic tweezers setup
Cubic Magnets Supermagnete Magnetic tweezers setup
Labview National Instruments Magnetic tweezers setup
OriginPro/Matlab OriginLab/MathWorks Data analysis
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rhodes, D., Lipps, H. J. G-quadruplexes and their regulatory roles in biology. Nucleic Acids Res. 43 (18), 8627-8637 (2015).
  2. Brazda, V., Haronikova, L., Liao, J. C., Fojta, M. DNA and RNA quadruplex-binding proteins. Int J Mol Sci. 15 (10), 17493-17517 (2014).
  3. Gonzalez, V., Hurley, L. H. The C-terminus of nucleolin promotes the formation of the c-MYC G-quadruplex and inhibits c-MYC promoter activity. Biochemistry. 49 (45), 9706-9714 (2010).
  4. Wang, F., et al. telomerase-interacting protein that unfolds telomere G-quadruplex and promotes telomere extension in mammalian cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (50), 20413-20418 (2012).
  5. Mendoza, O., Bourdoncle, A., Boule, J. B., Brosh, R. M., Mergny, J. L. G-quadruplexes and helicases. Nucleic Acids Res. 44 (5), 1989-2006 (2016).
  6. Schiavone, D., et al. PrimPol Is Required for Replicative Tolerance of G Quadruplexes in Vertebrate Cells. Mol Cell. 61 (1), 161-169 (2016).
  7. Lane, A. N., Chaires, J. B., Gray, R. D., Trent, J. O. Stability and kinetics of G-quadruplex structures. Nucleic Acids Res. 36 (17), 5482-5515 (2008).
  8. Woodside, M. T., Block, S. M. Reconstructing folding energy landscapes by single-molecule force spectroscopy. Annu Rev Biophys. 43, 19-39 (2014).
  9. Neuman, K. C., Nagy, A. Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy. Nat Methods. 5 (6), 491-505 (2008).
  10. Chen, H., et al. Improved high-force magnetic tweezers for stretching and refolding of proteins and short DNA. Biophys J. 100 (2), 517-523 (2011).
  11. Chen, H., et al. Dynamics of equilibrium folding and unfolding transitions of titin immunoglobulin domain under constant forces. J Am Chem Soc. 137 (10), 3540-3546 (2015).
  12. You, H., Wu, J., Shao, F., Yan, J. Stability and kinetics of c-MYC promoter G-quadruplexes studied by single-molecule manipulation. J Am Chem Soc. 137 (7), 2424-2427 (2015).
  13. You, H., Lattmann, S., Rhodes, D., Yan, J. RHAU helicase stabilizes G4 in its nucleotide-free state and destabilizes G4 upon ATP hydrolysis. Nucleic Acids Res. 45 (1), 206-214 (2017).
  14. You, H., et al. Dynamics and stability of polymorphic human telomeric G-quadruplex under tension. Nucleic Acids Res. 42 (13), 8789-8795 (2014).
  15. Fu, H., Chen, H., Marko, J. F., Yan, J. Two distinct overstretched DNA states. Nucleic Acids Res. 38 (16), 5594-5600 (2010).
  16. Gosse, C., Croquette, V. Magnetic tweezers: micromanipulation and force measurement at the molecular level. Biophys. J. 82 (6), 3314-3329 (2002).
  17. Fu, H., et al. Transition dynamics and selection of the distinct S-DNA and strand unpeeling modes of double helix overstretching. Nucleic Acids Res. 39 (8), 3473-3481 (2011).
  18. Zhang, X., Chen, H., Fu, H., Doyle, P. S., Yan, J. Two distinct overstretched DNA structures revealed by single-molecule thermodynamics measurements. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (21), 8103-8108 (2012).
  19. Zhang, X., et al. Revealing the competition between peeled ssDNA, melting bubbles, and S-DNA during DNA overstretching by single-molecule calorimetry. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (10), 3865-3870 (2013).
  20. Chen, H., et al. Improved High-Force Magnetic Tweezers for Stretching and Refolding of Proteins and Short DNA. Biophys. J. 100 (2), 517-523 (2011).
  21. Fu, H. X., et al. Transition dynamics and selection of the distinct S-DNA and strand unpeeling modes of double helix overstretching. Nucleic Acids Res. 39 (8), 3473-3481 (2011).
  22. Zhang, X., Chen, H., Fu, H., Doyle, P. S., Yan, J. Two distinct overstretched DNA structures revealed by single-molecule thermodynamics measurements. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109 (21), 8103-8108 (2012).
  23. Zhang, X., et al. Revealing the competition between peeled ssDNA, melting bubbles, and S-DNA during DNA overstretching by single-molecule calorimetry. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110 (10), 3865-3870 (2013).
  24. Vaughn, J. P., et al. The DEXH protein product of the DHX36 gene is the major source of tetramolecular quadruplex G4-DNA resolving activity in HeLa cell lysates. J Biol Chem. 280 (46), 38117-38120 (2005).
  25. Giri, B., et al. G4 resolvase 1 tightly binds and unwinds unimolecular G4-DNA. Nucleic Acids Res. 39 (16), 7161-7178 (2011).
  26. De Vlaminck, I., Dekker, C. Recent advances in magnetic tweezers. Annu Rev Biophys. 41, 453-472 (2012).
  27. Yan, J., Skoko, D., Marko, J. F. Near-field-magnetic-tweezer manipulation of single DNA molecules. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 70 (1 Pt 1), 011905 (2004).
  28. Le, S., et al. Disturbance-free rapid solution exchange for magnetic tweezers single-molecule studies. Nucleic Acids Res. 43 (17), e113 (2015).
  29. Neidle, S. Quadruplex Nucleic Acids as Novel Therapeutic Targets. J Med Chem. 59 (13), 5987-6011 (2016).
  30. Simone, R., Fratta, P., Neidle, S., Parkinson, G. N., Isaacs, A. M. G-quadruplexes: Emerging roles in neurodegenerative diseases and the non-coding transcriptome. FEBS Lett. 589 (14), 1653-1668 (2015).
  31. Balasubramanian, S., Hurley, L. H., Neidle, S. Targeting G-quadruplexes in gene promoters: a novel anticancer strategy?. Nat Rev Drug Discov. 10 (4), 261-275 (2011).
  32. Amato, J., et al. Toward the Development of Specific G-Quadruplex Binders: Synthesis, Biophysical, and Biological Studies of New Hydrazone Derivatives. J Med Chem. 59 (12), 5706-5720 (2016).
  33. Wells, R. D. Non-B DNA conformations, mutagenesis and disease. Trends Biochem Sci. 32 (6), 271-278 (2007).

Tags

G-quadruplexMagnetic TweezersSingle-molecule ManipulationFolding And UnfoldingBinding ProteinsDNA-protein InteractionsHelicase ActivityDNA Tether FormationParamagnetic BeadsNanometer-scale Dynamics

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
You, H., Le, S., Chen, H., Qin, L., Yan, J. Single-molecule Manipulation of G-quadruplexes by Magnetic Tweezers. J. Vis. Exp. (127), e56328, doi:10.3791/56328 (2017).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image