單分子螢光共振能量轉移技術分析ISWI家族在核小體移位

2020-12-03 生物谷

來自哈佛大學，霍德華休斯醫學院的研究人員發表了題為「ISWI Remodelers Slide Nucleosomes with Coordinated Multi-Base-Pair Entry Steps and Single-Base-Pair Exit Steps」的文章，利用單分子螢光共振能量轉移技術，解析了一種重要的超家族酶如何協調重塑核小體，幫助完成核小體移位的。相關成果公布在Cell雜誌上。

領導這一研究的是著名的華裔女科學家，哈佛大學莊小威（Xiaowei Zhuang）教授，莊教授早年畢業於中國科技大學少年班，34歲的時候就成為了哈佛大學正教授，併入選了去年公布的84位新晉美國科學院院士名單，她的當選刷新了最年輕美國科學院華人院士的紀錄，可謂是傳奇式人物。

ISWI(imitation switch)屬於ATP依賴的染色質重塑複合物SWI2/SNF2超家族，它區別於其他SWI2/SNF2相關亞家族的特點是ATP酶亞基ISWI含有SANT結構域及SLIDE結構域。大量研究表明，ISWI家族成員參與細胞核內包括基因表達調控、DNA複製及染色質重塑等眾多生物學過程，但是其在核小體移位中的作用，至今還不是很清楚。

在這篇文章中，研究人員利用單分子螢光共振能量轉移技術 (single molecule fuorescence resonance energy transfer, smFRET)分析了ISWI家族在核小體移位中的作用。

在單分子技術出現之前，分子生物學實驗結果往往只代表測量時間內大量分子的平均行為，而生物體系一般是不均一的體系。因此監測單個分子的行為具有重要的意義。當單個螢光基團 (fuores-cence fuorophore) 標記到目標分子後，它能在多方面去探測目標分子。比如通過螢光成像技術可以了解目標分子在細胞內的空間分布。

當一個分子或兩個相互作用的分子上標記兩個不同的螢光基團後，一個是在能量轉移過程中提供能量，即供體D(donor)；另一個接受能量，即受體A(acceptor)。這樣可以運用螢光共振能量轉移 (fuorescence resonance energy transfer, FRET) 技術來對體系進行研究。因此，比單個螢光基團標記更具有優勢，稱為單分子螢光共振能量轉移(single molecule fuorescence resonance energy transfer,smFRET) 技術。

smFRET近年來發展迅猛，在研究蛋白質摺疊和構象變化、RNA摺疊和催化、膜融合蛋白和肌動蛋白的運動，以及信號轉導等方面相當有效。由於其能在單個分子內或分子複合物中，以納米級別，實時追蹤變化，因此可用於解答許多重要的生物學問題。

莊小威研究組採用smFRET方法獲得了不少重要的研究成果，這項研究也採用了這種方法發現不同的ISWI家族成員能以相似的步驟模式，通過酶催化亞基完成核小體移位。這過程具體為：7 bp的DNA移位，然後是3 bp朝著核小體外側移動。

研究人員還發現在核小體入口側上的DNA移動，只出現在7 bp的移位出口側，而3 bp的每個入口側步驟能令另外三個鹼基移動到出側。這些研究結果指出，這種重塑機制在不同核小體位點具有良好的協調性，從而完成這種多步驟的DNA移動過程。

今年莊小威研究組還在Science雜誌上，詳細介紹了smFRET技術如何設置，如何操作等步驟，指出可以利用這種技術來監控構象動態，為解析核小體重塑等生物分子進程提供實時的檢測手段。（生物谷Bioon.com）

相關焦點

  • 螢光共振能量轉移技術的基本原理和應用
    螢光共振能量轉移（fluorescence resonance energy transfer，FRET）作為一種高效的光學「分子尺」，在生物大分子相互作用、免疫分析、核酸檢測等方面有廣泛的應用。在分子生物學領域，該技術可用於研究活細胞生理條件下研究蛋白質-蛋白質間相互作用。
  • 科研實驗 | 螢光共振能量轉移
    螢光共振能量轉移技術，是採用物理方法去檢測分子間的相互作用的方法，適用於在細胞正常的生理條件下，驗證已知分子間是否存在相互作用
  • 單分子螢光成像概述
    這其中，用螢光探針標記，檢測和分析單個分子的單分子螢光成像技術，能夠幫助科學家們在不破壞生命體正常生理狀態的情況下，清晰地觀察到單個分子的活動。 單分子螢光成像技術 我們常用的寬場顯微鏡能夠同時觀察數百個分子和它們之間的相互作用，使研究人員能夠輕鬆地收集到大量數據進行分析，同時還增加了檢測到小概率事件的可能性。
  • 基於螢光共振能量轉移技術的活體細胞成像
    基於螢光共振能量轉移技術的活體細胞成像
  • 研究揭示組蛋白H2A泛素化修飾對核小體的調控機制
    核小體，作為染色質的基本結構單元，在基因複製與轉錄過程中高度動態調控。DNA/RNA聚合酶前的核小體結構要被打開，使得聚合酶能順利通過核小體，對核小體包裹的DNA進行複製轉錄；而聚合酶通過後的DNA要被重新組裝形成核小體，保護DNA免受損傷，並維持或繼承該區域表觀遺傳信息。組蛋白泛素化修飾，作為一類重要的組蛋白化學修飾方式，在核小體結構的動態調控中發揮至關重要的作用。
  • 亞納米分辨的單分子光致螢光成像
    最近，中國科學技術大學侯建國院士團隊的董振超研究小組，在近場螢光成像領域取得重要進展，將成像空間解析度大幅提升，推進至0.8 nm的亞納米分辨水平，在世界上首次實現了亞分子分辨的單分子光致螢光成像，為在原子尺度上展現物質結構、揭示光與物質相互作用本質提供了新的技術手段。
  • 物理所利用單分子螢光技術發現端粒DNA G三聯體多種結構與摺疊路徑
    單分子螢光技術是觀察與測量生物大分子構象變化的重要手段，非常適合觀察G四聯體結構的摺疊過程。中國科學院物理研究所軟物質物理重點實驗室從2002年開始逐步建立起包括單分子螢光、磁鑷以及原子力顯微鏡技術的單分子研究體系，在DNA凝聚（JACS 2006，PRL 2012）、DNA與抗癌藥物作用（NAR 2009, PRE 2015）以及端粒G四聯體DNA的摺疊（JACS 2013, ACS OMEGA
  • 生物物理所二聚體蛋白螢光標記應用單分子FRET研究獲進展
    單分子螢光共振能量轉移（smFRET）是研究生物大分子的構象及動力學機制的重要方法，尤其對於結構生物學手段不易解析的無序蛋白（intrinsically disordered protein），單分子FRET技術可通過測量標記的螢光供體與受體染料對之間的距離，分析無序蛋白的結構和構象信息。
  • 科學家應用單分子技術解析促凋亡蛋白tBid引發膜通透的動力學過程
    文中通過應用新的單分子研究技術——基於納米材料氧化型石墨烯表面誘導螢光衰逝的單分子螢光技術（single-molecule surface-induced fluorescence attenuation，smSIFA），解析了Bcl-2家族蛋白tBid與模型膜的相互作用，並揭示了tBid在膜表面通過同源寡聚化形成類孔道結構的動力學過程。
  • :基於F rster共振能量轉移的小分子螢光探針
    螢光探針已應用於包括生物、藥物和藥理學在內的諸多領域，也是許多化學和生物學家的一個研究主題。基於螢光探針的檢測方法展示出許多優勢，例如：簡單、低成本、高選擇性、易適應於自動分析、能用於時空分辨成像以及提供多信號輸出模式。
  • 中科大實現世界首次亞分子分辨的單分子光致螢光成像
    科技日報合肥8月11日電 記者從中國科學技術大學獲悉，該校侯建國院士團隊的董振超研究小組，在世界上首次實現了亞分子分辨的單分子光致螢光成像，為在原子尺度上展顯物質結構、揭示光與物質相互作用本質提供了新的技術手段。
  • 中國科大實現亞納米分辨的近場單分子光致螢光成像
    最近，中國科學技術大學侯建國院士團隊的董振超研究小組，在近場螢光成像領域取得重要進展，將成像空間解析度大幅提升，推進至～8Å的亞納米分辨水平，從而在世界上首次實現了亞分子分辨的單分子光致螢光成像，為在原子尺度上展顯物質結構、揭示光與物質相互作用本質提供了新的技術手段。該成果於2020年8月10日在國際知名學術期刊《自然·光子學》上在線發表。
  • 我科學家首次實現亞分子分辨的單分子光致螢光成像
    記者從中國科學技術大學獲悉，該校侯建國院士團隊的董振超研究小組，在世界上首次實現了亞分子分辨的單分子光致螢光成像，為在原子尺度上展顯物質結構、揭示光與物質相互作用本質提供了新的技術手段。該成果於8月10日在國際知名學術期刊《自然·光子學》上。
  • 我科學家首次實現亞分子分辨的單分子光致螢光成像
    2020-08-12 04:22:45 來源：科技日報科技日報合肥8月11日電 （記者吳長鋒）記者從中國科學技術大學獲悉，該校侯建國院士團隊的董振超研究小組，在世界上首次實現了亞分子分辨的單分子光致螢光成像，為在原子尺度上展顯物質結構、揭示光與物質相互作用本質提供了新的技術手段
  • 【分析】突破濃度限制的單分子FRET成像新方法
    然而傳統的基於全內反射螢光顯微鏡（TIRF）的單分子螢光技術只能在溶液中濃度不超過50 nM螢光標記物種的條件下進行測量。該濃度限制遠低於許多生物大分子的生理濃度和許多生化過程的結合常數，制約了單分子螢光技術的應用。
  • 【科技日報】我科學家首次實現亞分子分辨的單分子光致螢光成像
    科技日報合肥8月11日電（記者 吳長鋒）記者從中國科學技術大學獲悉，該校侯建國院士團隊的董振超研究小組，在世界上首次實現了亞分子分辨的單分子光致螢光成像，為在原子尺度上展顯物質結構、揭示光與物質相互作用本質提供了新的技術手段。該成果於8月10日在國際知名學術期刊《自然·光子學》上。用光實現原子尺度空間分辨一直是納米光學領域追求的終極目標之一。
  • 膜蛋白實時相互作用螢光共振能量轉移動態檢測系統研製成功
    6月11日，中科院院綜合計劃局聘請驗收專家組對中科院儀器改造項目「膜蛋白實時相互作用的螢光共振能量轉移動態檢測系統」進行了現場檢查驗收。    驗收專家組認為該儀器研製項目各項技術指標已達到或超過了項目合同規定的技術指標，同時還引入了XY平臺和精度為16nm的Z軸壓電陶瓷步進驅動，可以實現多細胞的追蹤定位和高通量數據採集，大大提高了系統的使用效率；該系統擁有多處創新點，有廣泛的應用前景。    儀器改造和關鍵技術自主研發是實現科技創新、產生原創性科研成果的重要支撐平臺。
  • 新一代螢光顯微鏡可輕鬆實現超分辨成像
    近年來，隨著活細胞體系單分子螢光成像技術的發展，膜蛋白單分子研究，特別是受體動力學的研究，已成為目前單分子研究領域中最活躍的研究方向之一。近幾年發展起來的超分辨成像技術因其能夠突破光學衍射極限，而比傳統光學顯微鏡具有更高的解析度和更高的定位精度。
  • 科學家在單分子水平下成功理解細胞轉運蛋白的工作機制
    ，其能在單分子水平下對轉運蛋白的功能和工作機制進行研究。Jude Children's Research Hospital研究者Scott Blanchard博士表示，通過觀察單分子水平下的活性，我們就能夠闡明轉運蛋白活性背後的部分機制，這對於後期進行該家族中許多臨床相關蛋白的研究至關重要。