研究蛋白质与DNA相互作用的主要方法

研究蛋白质与DNA相互作用的主要方法

一、引言

在许多的细胞生命活动中，例如DNA复制、mRNA转录与修饰以及病毒的感染等都涉及到DNA与蛋白质之间的相互作用的问题。

重组DNA技术的发展，人们已分离到了许多重要的基因。现在的关键问题是需要揭示环境因子及发育信号究竟是如何控制基因的转录活性。为此需要：

a、鉴定分析参与基因表达调控的DNA元件；

b、分离并鉴定这些顺式元件特异性结合的蛋白质因子；

这些问题的研究都涉及到DNA与蛋白质之间的相互作用。

研究DNA-蛋白质相互作用的实验方法主要包括：

a、凝胶阻滞实验；

b、DNase 1 足迹实验；

c、甲基化干扰实验；

d、体内足迹实验；f、拉下实验。

二、凝胶阻滞实验

1、概念：

凝胶阻滞实验（Gel retardation assay），要叫做DNA迁移率变动试验（DNA mobility shift assay）或条带阻滞实验（Band retardation assay）是在八十年代初期出现的用于在体外研究DNA与蛋白质相互作用的一种特殊的凝胶电泳技术。

2、原理：

在凝胶电泳中，由于电场的作用，裸露的DNA分子向正电极移动距离的大小是同其分子量的对数成反比。如果某种DNA分子结合上一种特殊的蛋白质，那么由于分子量的加大它在凝胶中的迁移作用便会受到阻滞，于是朝正极移动的距离也就相应的缩短，因而在凝胶中出现滞后的条带，这就是凝胶阻滞实验的基本原理。

3、过程:

首先制备细胞蛋白质提取物（理论上其中含有某种特殊的转录因子）

用放射性同位素标记待检测的DNA片段（含有转录因子的结合位点）

这种被标记的探针DNA同细胞蛋白质提取物一起进行温育，于是产生DNA-蛋白质复合物

在控制使DNA-蛋白质保持结合状态的条件下，进行非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳

最后进行放射自显影，分析电泳结果

4、实验结果的分析：

a、如果有放射性标记的条带都集中于凝胶的底部，这就表明在细胞提取物中不存在可以同探针DNA相互结合的转录因子蛋白质；

b、如果在凝胶的顶部出现放射性标记的条带，这就表明细胞提取物存在可与探针DNA结合的转录因子蛋白质。

5、DNA竞争实验：

DNA竞争实验（DNA competitive assay）的具体做法如下：

在DNA-蛋白质结合的反应体系中加入了超量的非标记的竞争DNA（competitor DNA），如果它同探针DNA 结合的是同一种转录因子蛋白质，那么由于竞争DNA与探针DNA相比是极大超量的，这样绝大部分转录因子蛋白质都会被竞争结合掉，而使探针DNA仍然处于自由的非结合状态，可以在电泳凝胶的放射自显影图片上就不会出现阻滞的条带；

如果反应体系中加入的竞争DNA并不能同探针DNA竞争结合同一种转录因子，结果在电泳凝胶中的放射自显影图片上就会出现阻滞的条带。

6、应用：

a、凝胶阻滞实验可以用于鉴定在特殊类型细胞蛋白质提取物中，是否存在能同某一特定的DNA（含有转录因子结合位点）结合的转录因子蛋白质；

b、DNA竞争实验可以用来检测转录因子蛋白质同DNA结合的精确序列部位；

c、通过竞争DNA中转录因子结合位点的碱基突变可以研究此种突变竞争性能及其转录因子结合作用的影响；

d、也可以利用DNA同特定转录因子的结合作用通过亲和层析来分离特定的转录因子。

三、足迹实验

1、定义:

足迹实验（foot-printing assay），是一种用来检测被特定转录因子蛋白质特异性结合的DNA序列的位置及其核苷酸序列结构的专门实验方法。

2、原理：

当DNA分子中的某一区段同特异的转录因子结合之后便可以得到保护而免受DNaseI 酶的切割作用，而不会产生出相应的切割分子，结果在凝胶电泳放射性自显影图片上便出现了一个空白区，俗称为“足迹”。3过程：

将待检测的双链DNA分子在体外用32P作5‘末端标记，并用适当的限制性内切酶切出其中的一个末端，于是便得到了一条单链末端标记的双链DNA

DNA-蛋白质复合体

在反应混合物中加入少量的DNase I,并控制用量使之达到平均每条DNA链，只发生一次磷酸二酯键的断裂：a、如果蛋白质提取物中不存在与DNA结合的特定蛋白质，使DNase I消化之后，便会产生出距离放射性标记末端1个核苷酸，2个核苷酸，3个核苷酸------等等一系列前后长度均相差一个核苷酸的不间断的连续的DNA片段梯度群体；

b、如果DNA分子同蛋白质提取物中的某种转录因子结合，被结合部位的DNA就可以得到保护免受DNase I 酶的降解作用；

除去蛋白，加样在20%序列胶上进行电泳分离，实验分两组:

a、实验组：DNA+蛋白质混合物

b、对照组：只有DNA，未与蛋白质提取物进行温育

最后进行放射性自显影，分析实验结果。

4、结果判断:

实验组凝胶电泳显示的序列，出现空白的区域表明是转录因子蛋白质结合部；与对照组序列比较，便可以得出蛋白质结合部位的DNA区段相应的核苷酸序列。

5、其他的足迹实验方法：

除了DNase1足迹试验之外，目前还发展出了若干种其他类型的足迹实验，例如：

a、自由羟基足迹实验；

b、菲咯啉铜足迹实验；

c、DMS(硫酸二甲酯)足迹实验

DMS(硫酸二甲酯)足迹实验的原理

DMS能够使DNA分子中裸露的鸟嘌呤（G）残基甲基化，而六氢吡啶又会对甲基化的G残基作特异性的化学切割。如果DNA分子中某一区段同转录因子结合，就可以避免发生G残基的甲基化而免受六氢吡啶的切割作用。

四、甲基化干扰实验

1、概念：

甲基化干扰实验（Methylation interference assay）是根据DMS（硫酸二甲酯）能够使DNA分子中裸露的鸟嘌呤（G）残基甲基化，而六氢吡啶又会对甲基化的G残基作特异性的化学切割这一原理设计的另一种研究蛋白质同DNA相互作用的实验方法。

应用这种技术可以检测靶DNA中G残基的优先甲基化，对尔后的蛋白质结合作用究竟会有什么效应，从而更加详细的揭示出DNA与蛋白质相互作用的模式。

2、实验步骤：

用DMS处理靶DNA使之局部甲基化（平均每条DNA只发生一个G碱基甲基化作用）

同细胞蛋白质提取物一起进行温育，促进使DNA与蛋白质的结合

进行凝胶电泳形成两种靶DNA条带：

a、其一没有同蛋白质结合的DNA正常电泳条带

b、其二同特异蛋白质结合而呈现滞后的DNA电泳条带