Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
ДНҚ-ның ізін алу - бұл ДНК-ға байлаушы ақуыздардың тізбектік ерекшелігін in vitro зерттеу әдісі. Бұл әдісті жасушалардың сыртындағы және ішіндегі ақуыздық ДНК өзара әрекеттесуін зерттеу үшін қолдануға болады. Транскрипцияның реттелуі кеңінен зерттелді, бірақ әлі де көп нәрсе белгісіз. Транскрипция факторлары мен оны көтергіштерді, күшейткіштерді немесе тиымсыздандырғыштарды транскрипцияны басқаруға немесе басуға байланыстыратын байланысты ақуыздар геном ішіндегі жеке гендердің ерекше реттелуін түсіну үшін маңызды. ДНҚ-ның ізін алу сияқты әдістер қандай белоктардың ДНҚ-ның осы байланысты аймақтарына байласатынын анықтауға және транскрипциялық бақылаудың күрделілігін шешуге көмектеседі.
DNA footprinting is a method of investigating the sequence specificity of DNA binding proteins in vitro. This technique can be used to study protein DNA interactions both outside and within cells. The regulation of transcription has been studied extensively, and yet there is still much that is unknown. Transcription factors and associated proteins that bind promoters, enhancers, or silencers to drive or repress transcription are fundamental to understanding the unique regulation of individual genes within the genome. Techniques like DNA footprinting help elucidate which proteins bind to these associated regions of DNA and unravel the complexities of transcriptional control.
Тарих
1978 жылы Дэвид Г. Галас пен Альберт Шмиц лактация репрессор ақуызын байлау ерекшелігін зерттеу үшін ДНК-ның ізін алу әдісін әзірледі. Бұл Maxam Gilbert химиялық секвенирлеу әдісінің модификациясы болды.
In 1978, David J. Galas and Albert Schmitz developed the DNA footprinting technique to study the binding specificity of the lac repressor protein. It was originally a modification of the Maxam Gilbert chemical sequencing technique.
Әдіс
Бұл әдісті қолданудың ең қарапайым түрі - белгілі бір белоктың ДНК молекуласындағы қызығушылықты аймаққа байласып тұрмауын бағалау. Полимеразалық тізбекті реакция (ПЦР) потенциалды белокпен байланысу орнын қамтитын қызығушылықты аймақты күшейтеді және белгілейді, әдетте ампликонның ұзындығы 50 және 200 негіз жұптары арасында болады. Белгіленген үлгідегі ДНК-ның бір бөлігіне қызығушылық тудыратын ақуыз қосылады; бір бөлігі кейін салыстыру үшін ақуызсыз бөлек қалдырылуы керек. ДНҚ-ның екі бөлігін де бөлгіш затты қосу. Клеавиациялық агент - химиялық немесе фермент, ол кездейсоқ орындарда реттілік тәуелсіз түрде кесіледі. Реакция әр ДНК молекуласын бір ғана жерде кесу үшін жеткілікті уақытқа созылуы керек. ДНК-ның бір аймағын арнайы байлайтын белок, ол байланған ДНК-ны бөліну агенттерінен қорғайды. Екі үлгіді де полиакриламид геліне электрофорез арқылы қатар өткізеді. ДНК-ның белоксыз үлгісі кездейсоқ орындардан кесіледі, сондықтан гельмен жұмыс істегенде саты тәрізді таралу пайда болады. Белсенді ДНК үлгісі "жазылу" агентімен қорғалған "жазылу" деген сөзбен қатар таралу сатысына әкеледі. Ескерту: Максам Гилберт химиялық ДНҚ-ның реттілігін полиакриламид геліне алынған үлгілермен қатар жүргізу арқылы лигандты байлау орнының нақты орналасуын болжауға болады.
The simplest application of this technique is to assess whether a given protein binds to a region of interest within a DNA molecule. Polymerase chain reaction (PCR) amplify and label region of interest that contains a potential protein binding site, ideally amplicon is between 50 and 200 base pairs in length. Add protein of interest to a portion of the labeled template DNA; a portion should remain separate without protein, for later comparison. Add a cleavage agent to both portions of DNA template. The cleavage agent is a chemical or enzyme that will cut at random locations in a sequence independent manner. The reaction should occur just long enough to cut each DNA molecule in only one location. A protein that specifically binds a region within the DNA template will protect the DNA it is bound to from the cleavage agent. Run both samples side by side on a polyacrylamide gel electrophoresis. The portion of DNA template without protein will be cut at random locations, and thus when it is run on a gel, will produce a ladder like distribution. The DNA template with the protein will result in ladder distribution with a break in it, the "footprint", where the DNA has been protected from the cleavage agent. Note: Maxam Gilbert chemical DNA sequencing can be run alongside the samples on the polyacrylamide gel to allow the prediction of the exact location of ligand binding site.
Таңбалау
Пайдаланылуы мүмкін белгілер: радиоактивтілік және флуоресценция. Радиоактивтілік дәстүрлі түрде ДНК фрагменттерін тегістеу үшін пайдаланылады, өйткені бұл әдіс бастапқыда Максам Гилберт химиялық секвенирлеу техникасынан әзірленген. Радиоактивті таңбалау өте сезімтал және ДНК-ның шағын мөлшерін визуализациялау үшін оңтайлы. Флуоресценция радиохимиялық заттарды пайдаланудың қауіптілігіне байланысты қолайлы. Алайда, оны оңтайландыру қиынға соқты, өйткені ол әрқашан ДНК ізін алу эксперименттерінде қолданылатын мақсатты ДНК желілерінің төмен концентрациясын анықтау үшін жеткілікті сезімтал емес. Электрофоретикалық секвенирлеу гельдері немесе капиллярлық электрофорез флуоресцентті таңбаланған фрагменттердің ізін талдауда сәтті болды. Гидроксилдік радикалдар Фентон реакциясынан пайда болады, ол Fe2+ мен H2O2 азаюын қамтиды, бұл еркін гидроксил молекулаларын құрайды. Бұл гидроксил молекулалары ДНК-ның тірек сүйегімен әрекеттесіп, бұзылады. Олардың кішкентай мөлшері нәтижесінде алынған ДНК-ның іздері жоғары ажыратылымдыққа ие. DNase I-ден айырмашылығы, олардың тізбектілік тәуелділігі жоқ және олар әлдеқайда тегіс таралған сатыға әкеледі. Гидроксил радикалдарын пайдаланудың теріс жағы - реакция мен қорыту уақытының баяулауы салдарынан оларды пайдалану уақытты көп қажет етеді. Ультрафиолет сәулеленуі нуклеин қышқылдарын қоздырып, фотореакцияларды тудырады, нәтижесінде ДНК желісінде зақымдалған негіздер пайда болады. Фотореакцияларға мыналар жатады: бір жіптің үзілуі, ДНК жіптері арасындағы немесе олардың ішіндегі өзара әрекеттесулер, еріткіштермен реакциялар немесе белоктармен қиылысқан байланыстар. Бұл әдістің жұмыс ағынында қосымша қадам бар, сіздің қорғалған және қорғалмаған ДНК-ыңыз өңделгеннен кейін, кейіннен бөлінген өнімдердің бастапқы кеңейтілуі болады. Ұзарту зақымдалған негізге жеткенде және осылайша ПТР өнімдері гельде қатар жүргізілгенде аяқталады; қорғалған үлгіде ДНК-ның белдікпен қиылысқан қосымша жолағы болады. Ультрафиолет сәулелерін қолданудың артықшылығы - ол өте тез әсер етеді, сондықтан тек бір сәтке ғана болатын өзара әрекеттесулерді түсіре алады. Сонымен қатар, оны in vivo эксперименттерінде қолдануға болады, өйткені УФ жасушалық мембраналарға енуі мүмкін. Бір кемшілігі - гельді түсіндіру қиын болуы мүмкін, өйткені белдік ДНК-ны қорғамайды, ол тек жақын маңдағы фотореакцияларды өзгертеді.
The DNA template labeled at the 3' or 5' end, depending on the location of the binding site(s). Labels that can be used are: radioactivity and fluorescence. Radioactivity has been traditionally used to label DNA fragments for footprinting analysis, as the method was originally developed from the Maxam Gilbert chemical sequencing technique. Radioactive labeling is very sensitive and is optimal for visualizing small amounts of DNA. Fluorescence is a desirable advancement due to the hazards of using radio chemicals. However, it has been more difficult to optimize because it is not always sensitive enough to detect the low concentrations of the target DNA strands used in DNA footprinting experiments. Electrophoretic sequencing gels or capillary electrophoresis have been successful in analyzing footprinting of fluorescent tagged fragments. Hydroxyl radicals are created from the Fenton reaction, which involves reducing Fe2+ with H2O2 to form free hydroxyl molecules. These hydroxyl molecules react with the DNA backbone, resulting in a break. Due to their small size, the resulting DNA footprint has high resolution. Unlike DNase I they have no sequence dependence and result in a much more evenly distributed ladder. The negative aspect of using hydroxyl radicals is that they are more time consuming to use, due to a slower reaction and digestion time. Ultraviolet irradiation can be used to excite nucleic acids and create photoreactions, which results in damaged bases in the DNA strand. Photoreactions can include: single strand breaks, interactions between or within DNA strands, reactions with solvents, or crosslinks with proteins. The workflow for this method has an additional step, once both your protected and unprotected DNA have been treated, there is subsequent primer extension of the cleaved products. The extension will terminate upon reaching a damaged base, and thus when the PCR products are run side by side on a gel; the protected sample will show an additional band where the DNA was crosslinked with a bound protein. Advantages of using UV are that it reacts very quickly and can therefore capture interactions that are only momentary. Additionally it can be applied to in vivo experiments, because UV can penetrate cell membranes. A disadvantage is that the gel can be difficult to interpret, as the bound protein does not protect the DNA, it merely alters the photoreactions in the vicinity.
In vivo ізін анықтау
In vivo footprinting - белгілі бір уақыт аралығында жасушада пайда болатын ақуыздық ДНК өзара әрекеттесуін талдау үшін қолданылатын әдіс. Егер жасушалық мембрананы өткізгіштікке келтірсе, DNase I-ді бөліну құралы ретінде пайдалануға болады. Алайда, ең көп қолданылатын бөліну агенті - УФ-сәулелену, өйткені ол жасуша мембранасына жасуша күйін бұзбай еніп, жасушалық өзгерістерге сезімтал өзара әрекеттесулерді түсіре алады. ДНК-ны үзіп немесе ультрафиолет сәулесімен зақымдағаннан кейін жасушаларды лизбен тазартып, қызығушылық тудыратын аймақты талдау үшін ДНК-ны тазартуға болады. Лигациялық медиацияланған ПТР - бұл in vivo ізге балама әдіс. Геномдық ДНҚ-да бөліну агенті қолданылғаннан кейін, оның нәтижесінде бір жіптің үзілуі пайда болады және ДНҚ оқшауланады, үзілу нүктелеріне байланыстырушы қосылады. Байланысты және гендік арнайы праймердің арасында қызығушылық аймағы күшейтіледі және полиакриламид гелімен жұмыс істегенде, белок байланған жерде із болады. Иммунопреципитациямен біріктірілген in vivo ізін алу геномның көптеген жерлеріндегі белок ерекшелігін бағалау үшін пайдаланылуы мүмкін. Белсенді белокқа байланған ДНҚ-ны осы белокқа қарсы антиденемен иммунопреципитация жасауға болады, содан кейін белгілі бір аймаққа байлануды ДНҚ-ның ізін алу әдісін қолдану арқылы бағалауға болады.
In vivo footprinting is a technique used to analyze the protein DNA interactions that are occurring in a cell at a given time point. DNase I can be used as a cleavage agent if the cellular membrane has been permeabilized. However the most common cleavage agent used is UV irradiation because it penetrates the cell membrane without disrupting cell state and can thus capture interactions that are sensitive to cellular changes. Once the DNA has been cleaved or damaged by UV, the cells can be lysed and DNA purified for analysis of a region of interest. Ligation mediated PCR is an alternative method to footprint in vivo. Once a cleavage agent has been used on the genomic DNA, resulting in single strand breaks, and the DNA is isolated, a linker is added onto the break points. A region of interest is amplified between the linker and a gene specific primer, and when run on a polyacrylamide gel, will have a footprint where a protein was bound. In vivo footprinting combined with immunoprecipitation can be used to assess protein specificity at many locations throughout the genome. The DNA bound to a protein of interest can be immunoprecipitated with an antibody to that protein, and then specific region binding can be assessed using the DNA footprinting technique.
Санаттық із
ДНК-ның ізін алу әдісі ақуыздың ДНК-ның белгілі бір аймағына байланысу күшін бағалау үшін өзгертілуі мүмкін. Белсенің әртүрлі концентрациясын пайдалану арқылы тегіс іздер эксперименті кезінде тегіс іздің пайда болуын бақылауға болады, өйткені концентрация жоғарылай түседі, содан кейін белоктарға байланысу аффинитеті бағаланады.
The DNA footprinting technique can be modified to assess the binding strength of a protein to a region of DNA. Using varying concentrations of the protein for the footprinting experiment, the appearance of the footprint can be observed as the concentrations increase and the proteins binding affinity can then be estimated.
Геномдық талдаулар
Келесі буынның секвенирлеуі ДНК іздерін анықтау үшін геномды кеңінен қолдануға мүмкіндік берді. DNase Seq және FAIRE Seq сияқты ашық хроматиндік сынақтар көптеген жасуша түрлеріне берік реттеуші ландшафтты қамтамасыз ететінін дәлелдеді. Алайда, бұл сынақтар геномға кең ДНК ізін беру үшін біраз биоинформатикалық талдауды қажет етеді. Ұсынылған есептеу құралдарын екі топқа бөлуге болады: сегментацияға негізделген және сайтқа негізделген тәсілдер. Сегменттеуге негізделген әдістер жасырылған Марков модельдерін немесе жылжымалы терезе әдістерін қолдану арқылы геномды ашық / жабық хроматин аймағына сегменттеуге негізделген. Мұндай әдістердің мысалдары: HINT, Бойль әдісі және Неф әдісі. Сайт-орталық әдістер, екінші жағынан, мотивті болжаған байлау орындарының айналасындағы ашық хроматин профилін, яғни ДНК ақуыздар тізбекті ақпаратын (позициялық салмақ матрицасы сияқты құрылымдарда кодталған) пайдалану арқылы болжалған реттеуші аймақтарды табады. Бұл әдістердің мысалдары CENTIPEDE және Cuellar Partida әдісі болып табылады.
Next generation sequencing has enabled a genome wide approach to identify DNA footprints. Open chromatin assays such as DNase Seq and FAIRE Seq have proven to provide a robust regulatory landscape for many cell types. However, these assays require some downstream bioinformatics analyses in order to provide genome wide DNA footprints. The computational tools proposed can be categorized in two classes: segmentation based and site centric approaches. Segmentation based methods are based on the application of Hidden Markov models or sliding window methods to segment the genome into open/closed chromatin region. Examples of such methods are: HINT, Boyle method and Neph method. Site centric methods, on the other hand, find footprints given the open chromatin profile around motif predicted binding sites, i. e., regulatory regions predicted using DNA protein sequence information (encoded in structures such as position weight matrix). Examples of these methods are CENTIPEDE and Cuellar Partida method.