Burada sunulan HJ çözünürlüğü çalışma için tek moleküllü Förster rezonans enerji transferi gerçekleştirmek için bir protokoldür. Dissosilasyon sabitlerini belirlemek için iki renkli alternatif uyarma kullanılır. Tek renkli zaman atlamalı smFRET daha sonra HJ çözünürlüğünden önce çalışma süresi dağılımını elde etmek için gerçek zamanlı dekolte tahlillerinde uygulanır.
Toplu yöntemler, altta yatan adımların bireysel tepki oranlarının popülasyon genelinde ortalama olduğu moleküllerin topluluk davranışını ölçer. Tek moleküllü Förster rezonans enerji transferi (smFRET) tek tek moleküller tarafından gerçek zamanlı olarak meydana gelen konformasyonel değişikliklerin kaydını sağlar. Bu nedenle, smFRET bağlama ve kataliz sırasında enzim veya substrat yapısal değişiklikleri ölçmede güçlüdür. Bu çalışma, sitozolik homolog rekombinasyon enzimi olan dört yönlü Holliday kavşağı (HJ) ve gap enonukleaz I (GEN1) etkileşiminin tek moleküllü görüntülemesi için bir protokol sunmaktadır. Ayrıca sunulan tek renkli ve iki renkli alternatif uyarma (ALEX) smFRET deneysel protokolleri gerçek zamanlı OLARAK GEN1 tarafından HJ çözünürlüğünü takip etmek. GEN1 dimerization kinetiği HJ, HJ çözümünde önemli bir rol oynadığı öne sürülmüştür ve şimdiye kadar zor kalmıştır belirlenir. Burada açıklanan teknikler, birçok enzim-DNA sisteminin değerli mekanistik görüşlerini elde etmek için yaygın olarak uygulanabilir.
Floresan algılamaya dayalı tek moleküllü yöntemler yüksek sinyal-gürültü oranları sağlar1. FRET, 1-10 nm aralığındaki mesafeleri ölçebilen spektroskopik bir tekniktir ve bu tekniği nanometre aralığındaki mesafeleri ölçmek için moleküler bir cetvel olarak işleyen2,3. Kabul edenin emilim spektrumu, daha kısa dalga boyu ucunda donörün emisyon spektrumu ile kısmi bir spektral çakışma vardır. FRET bir donör ve kabul çifti arasında radyasyonsuz enerji transferi aracılık, enerji transferi verimliliği ise mesafe ve kabul eden4yönünü bağlıdır.
Arka planı en aza indirmek ve floresan sinyalinin algılama verimliliğini artırmak için çeşitli yaklaşımlar uygulanmıştır5,6. Bir yaklaşım konfokal mikroskopi, hangi bir iğne deliği kırınım sınırı7altında bir boyuta uyarma nokta kısıtlar. Diğer bir yaklaşım ise, ışığın kritik biraçının üzerinde eksen dışına yönlendirildiği geniş alan aydınlatma tekniği olan toplam iç yansıma floresansıdır (TIRF). Işık daha sonra tamamen iç cam ve sulu çözelti arasındaki arayüze yansıtılır, sadece cam yüzeyine bağlı floroforlar aydınlatır ve geri kalanı floroforlardan arka plan önler bir evanescent dalga üreten çözüm.
Konfokal mikroskopide moleküller serbestçe difüzyon veya yüzey immobilize edilebilir. Ulaşılan zamansal çözünürlük birkaç milisaniye9mikrosaniye içinde olabilir. Tek bir molekül için konfokal algılama tek foton çığ diyot (SPAD) ve ilgi bölgesinin nokta-by-nokta tarama10tarafından gerçekleştirilir. TIRF’de, yüzeyde hareketsiz hale getirilen birkaç yüz molekülden oluşan bir zaman serisi, pozisyona duyarlı iki boyutlu bir yük dedektörü (CCD) ile kaydedilir. CCD, floresan sinyalini ya yoğun fosfor ekranı ve mikrokanal plakası ya da fotoelektronların çip üzerinde çoğalması (EMCCD) ile güçlendirir. Zamansal çözünürlük, CCD’nin okuma hızına ve kuantum verimliliğine bağlıdır ve genellikle birkaç onmilisaniyelik6.
HJ DNA onarım ı ve rekombinasyon11,12,13,14merkezi bir ara. HJ’nin birbirine kesişmeden sürekli iplikçikler arasında birbirine bağlanan iki sürekli ve iki geçiş ipliği vardır. HJ x-yığılmış konforplar olarak çözüm var, sürekli iplikçikler geçiş olma ve geçiş iplikçikleri diğer conformer15sürekli hale tarafından sürekli izomerizasyon geçmesi . HJ izomer tercihi çekirdek sırası ve iyonik ortama bağlıdır ve yoğun FRET16,17,18,19tarafından incelenmiştir.
GEN120 çözeltisi21 monomerik bir proteindir ve hj cleave dimerization gerektirir, böylece yeniden birleştirilmiş iplikçiklerin uygun ayrılmasına izin22,23. HJ istifleme conformer tercihi HJ resolvases24tarafından çözünürlüğün yönünü ayarlayarak genetik rekombinasyon sonucunu etkiler. GEN1’in HJ’yi nasıl bağdaştirdığını, iki kesiyi nasıl koordine ettiği ve tam çözüme kavuşturulur şekilde anlaşılması yoğun bir çalışma altında dır21,22,23,25,26 ,27,28,29,30.
Bu çalışmada, daha önce31olarak açıklandığı gibi objektif tabanlı TIRF kurulumu kullanılır. Gen1’in HJ etiketli florofor ile etkileşimi üzerine konformasyonel değişiklikleri belirlemek için iki renkli alternatif uyarma (ALEX) uygulanır. ALEX iki oranmetrik parametreleri FRET verimliliği E, donör-kabul eden mesafe bağımlı ve stokiyometri parametre S, donör-kabul eden stokiyometri32ölçer dayalı 2D histogramlar üretir. ALEX, floresan türlerin sadece donör, sadece kabul eden ve karışık alt popülasyonlar da dahil olmak üzere floroforların stokiyometries dayalı sıralama sağlar. ALEX, FRET kullanımını tüm menzile kadar genişletebilir ve florofon parlaklığı ve oliomerizasyon farklılıklarını tespit edebilir ve makromolekül-ligand etkileşimlerini izleyebilir33.
GEN1’in HJ’yi gen1-HJ kompleksinin ömrü boyunca çözmede sürekli olarak başarılı olduğu saptandı. Zamana bağlı konformasyonel değişimler tek tek moleküllerin zaman izlerinden türetilirken, histogramlar altta yatan popülasyonların dağılımını temsil eder. Zaman atlamalı tek renkli FRET kullanılarak, GEN1 dimer için hızlı hızlar ve yavaş off-rates gösterilmiştir, bu da ilk kesi ürününde monte edilmiş GEN1 dimer’in afiyetini artırır.
Bu çalışmada, GEN130ile HJ çözünürlüğünün kinetiklerini belirlemek için farklı smFRET teknikleri uygulanmıştır. Benzer smFRET yaklaşımları DNA replikasyonu ve onarım flep enonukleaz 142,43,44tarafından çift flep DNA konformasyonal gereksinimi ve bölünmesi takip etmek için kullanılmıştır. Burada, bu protokoldeki kritik adımlar tartışılmıştır. Silanizasyon reaksiyonu herhangi bir nem izinden uzak olmalıdır. Pegilasyon çözeltisi, hidrolizi önlemek için PEG çözüldükten sonra silanize cama hızla uygulanmalıdır. Çok kanallı akış hücresinde, komşu kanallar arasında sızıntıyı önlemek için yapışkan levhada sıkışmış herhangi bir hava kaldırılmalıdır. PCA çözeltisi zamanla oksitlendiği için yeni hazırlanmalıdır. 10 N NaOH ilavesi damla şeklinde olmalı, arada girdap ile. Kapak taki floresan arka plan floresan hj etiketli akan önce minimal olmalıdır. Akış hücresindegörüntüleme ağartılmış alanları görüntüleme önlemek için tek yönde yapılmalıdır. ALEX deneylerinde, kabul edenin hızlı beyazlatma önlemek için kırmızı lazer gücü azaltılmalıdır. Hızlandırılmış deneylerde, döngü süresi en hızlı olaydan daha kısa olmalıdır.
smFRET biyomoleküler reaksiyonlarda değerli gerçek zamanlı öngörüler sağlayabilen hassas bir tekniktir. Ancak, bu yöntem, biyokimyasal reaksiyon sırasında FRET ölçülebilir bir değişiklik elde eden çeşitli teknik zorluklar vardır. Bu histogramlar ve zaman izleri ayırt edilebilir durumlarda iyi ayrılmış özellikleri elde etmek için gereklidir. Birçok durumda, smFRET substratların dikkatli bir şekilde tasarlanması, florofor çiftleri ve konumlarının seçilmesi ve45substratTaki küçük yapısal değişiklikler nedeniyle DNA alt katmanındaki FRET değişikliklerinin yükseltilmesi gerekmektedir. FRET gerçekleştirmek için başka bir yaklaşım etiketli proteinlerkullanmaktır 46. FRET’deki gözlem penceresi, donörden daha hızlı ağartMa eğiliminde olan Cy5 veya Alexa Fluor 647 gibi kabul edenin stabilitesi ile sınırlıdır (Bu durumda Cy3). Bu nedenle FRET, deney süresini uzatmak için kararlı florofororların sürekli aranmasını ve floresan sinyalini uzatmak ve sinyal-gürültü oranını en üst düzeye çıkarmak için oksijen atma sistemleri geliştirme çabalarını gerektirir47,48 .
smFRET’teki sorun giderme ipuçları arasında, floresan emisyonunen en üst düzeye çıkarmak, deney süresini uzatmak ve enzim dinamiği için uygun örnekleme aralıkları. Enzim dinamiklerini temsil eden yüksek doğruluk süresi dağılımları elde etmek için daha uzun gözlem süreleri ve fotobeyazrlamanın en az etkileri gereklidir. Alex, bu yöntem tek renkli FRET’e göre fotobeyaznilmiş partiküllerden daha düşük katkılara maruz kaldığı için daha iyi histogramlar üretir. Ancak, ALEX zamansal çözünürlük tek renkli FRET daha düşüktür.
Son olarak, SMFRET’in gerçek zamanlı olarak moleküllerdeki konformasyonel/yapısal değişimleri tespit etme vurgusu, yüksek çözünürlüklü yapısal teknikler (yani X-ışını kristalografisi, nükleer manyetik rezonans, elektron mikroskobu) arasındaki boşluğu köprüler, statik koşullar ve ölçülebilir bir özelliğin topluluk ortalamasını veren toplu yöntemler altında atomik çözünürlük yapısal ayrıntıları sağlar. Birçok açıdan, smFRET gerçek zamanlı olarak biyolojik sistemleri incelemek için güçlü bir teknik olduğunu kanıtlamıştır.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi tarafından temel finansman ve S. M. H’ye Rekabetçi Araştırma Ödülü (CRG3) ile desteklenmiştir.
(±)-6-Hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchromane-2-carboxylic acid (Trolox) | Sigma-Aldrich | 238813 | |
0.1 M sodium bicarbonate buffer | Fisher | 144-55-8 | |
10 % Novex Tris-Borate-EDTA gel | Thermo Fisher Scientific | EC6275BOX | |
100 X TIRF objective | Olympus | NAPO 1.49 | |
3,4-dihroxybenzoic acid (PCA) | Sigma-Aldrich | P5630 | |
3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) | Sigma-Aldrich | 741442 | |
6% Novex Tris-Borate-EDTA gel | Thermo Fisher Scientific | EC6265BOX | |
Adhesive sheet | Grace bio-labs | SA-S-1L | |
Benchtop refrigerated centrifuge | Eppendorf | Z605212 | |
Biotin-PEG | Laysan Bio | Biotin-PEG-SVA 5000 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | New England Biolabs | B9001S | |
Calcium Chloride Dihydrate | Sigma-Aldrich | 31307 | |
cation exchange column | GE healthcare | MonoS (4.6/100) | |
Cell distruptor | Constant Cell Disruption System | TS5/40/CE/GA | |
Coomassie Brilliant Blue | MP Biomedicals | 808274 | |
Cy3 emission filter | Chroma | HQ600/40M-25 | |
Cy5/Alexa Fluor 647 emission filter | Chroma | HQ700/40M-25 | |
Dichroic for DV2 filter cube | Photometrics | 630dcxr-18×26 | |
Dithiothreitol (DTT) | Thermo Scientific | R0861 | |
Drill | Dremel | 200-1/21 | |
Electronic cutter | Copam | CP-2500 | |
EMCCD camera | Hamamatsu | C9100-13 | |
Epoxy glue | Devcon | 14250 | |
FPLC Aktapurifier UPC 10 | GE Healthcare | 28406268 | |
GelQuant.NET software | biochemlabsolutions.com | Version 1.8.2 | |
GEN1 entry vector | Harvard plasmid repository | HSCD00399935 | |
Glycerol | Sigma Life Science | G5516 | |
green laser (emission 532 nm) | Coherent | Compass 315M-100 | |
Heparin column | GE healthcare | HiTrap Heparin column | |
HEPES | BDH | BDH4162 | |
Image splitter | Photometrics | Dualview (DV2) | |
Imidazole | Sigma-Aldrich | I2399 | |
Inverted microscope | Olympus | IX81 | |
Isopropyl-ß-D-thiogalactoside (IPTG) | Goldbio. | 12481C100 | |
Laser scanner | GE healthcare | Typhoon Trio | |
LB Broth | Fisher Scientific | BP1426-500 | |
Long pass 532nm filter | Semrock | LPD02-532RU-25 | |
Magnesium Chloride | Sigma Life Science | M8266 | |
mPEG | Laysan Bio | mPEG-SVA 5000 | |
Neutravidin | Pierce | 31000 | |
Ni-NTA column | GE healthcare | HisTrap FF | |
NuPAGE 10% Bis-Tris gels | Novex Life technologies | NP0301BOX | |
NuPAGE 10% Bis-Tris Protein Gels | Thermo Fisher Scientific | NP0302PK2 | |
Origin software | OriginLab Corporation | Version 8.5 | |
Phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) | Alexis Biochemicals | 270-184-G025 | |
Phosphate-buffered saline | GIBCO | 14190 | |
Polyethylene Tubing (I.D. 0.76 mm O.D. 1.22mm) | Fisher (Becton Dickinson) | 427416 | |
Protocatechuate 3,4-dioxygenase (3,4-PCD) | Sigma-Aldrich | P8279-25UN | |
Quad-band dichroic | Chroma Inc | Z405/488/532/640rpc | |
red laser (emission 640 nm) | Coherent | Cube 640 100C | |
Sodium Chloride | Fisher Chemical | S271 | |
Sorvall RC-6 plus centrifuge | Thermo Fisher Scientific | 46910 | |
Spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | Nanodrop 2000 | |
Syringe pump | Harvard Apparatus | 70-3007 | |
Teflon tweezers | Rubis | K35A | |
Tris Base | Promega | H5135 | |
Ultracentrifuge | Beckman Coulter | Optima L-90K | |
Ultrafiltration membrane | Millipore | UFC90300 |