background image

 

                                     

 

 

 
 
 
 

M

OLECULAR BIOLOGY OF NUCLEIC ACID 

EXPERIMENTAL METHODOLOGY

 

Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Laboratory of Molecular Biology 

IFB UG & MUG 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Course book prepared as part of the project: „Kształcimy najlepszych kompleksowy program rozwoju 

doktorantów, młodych doktorów oraz akademickiej kadry dydaktycznej Uniwersytetu Gdańskiego” 

Project no: UDA-POKL.04.01.01-00-017/10-00 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Intercollegiate Faculty of Biotechnology UG&MUG 

Gdańsk 2012 

background image
background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Table of contents 

INTRODUCTION

 

 ............................................................................................................................................... 5

CHAPTER 1. POLYMERASE CHAIN REACTION (PCR)

 

 .......................................................................................... 7

V

ARIETY OF THE METHOD

 

 ........................................................................................................................................ 10

CHAPTER 2. DNA SEQUENCING

 

 .......................................................................................................................13

M

AXAM

-G

ILBERT SEQUENCING METHOD

 

 .................................................................................................................... 13

S

ANGER SEQUENCING METHOD

 

 ................................................................................................................................. 13

P

YROSEQUENCING METHOD

 

 ..................................................................................................................................... 14

S

EQUENCING BY 

O

LIGONUCLEOTIDE 

L

IGATION AND 

D

ETECTION 

(SOL

I

D)

 SEQUENCING METHOD

 

 ........................................... 15

CHAPTER 3. GEL MOBILITY SHIFT ASSAY

 

 .........................................................................................................18

CHAPTER 4. FOOTPRINTING

 

 ............................................................................................................................22

M

ODIFICATIONS OF THE METHOD

 

 .............................................................................................................................. 24

CHAPTER 5. SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR)

 

 .......................................................................................27

CHAPTER 6. CHROMATIN IMMUNOPRECIPITATION ASSAY (CHIP)

 

 ..................................................................32

C

H

IP

 AND OTHER METHODS

 

 ..................................................................................................................................... 35

CHAPTER 7. MICROSCOPY

 

 ...............................................................................................................................37

F

LUORESCENCE MICROSCOPY

 

 .................................................................................................................................... 37

C

ONFOCAL MICROSCOPY

 

 ......................................................................................................................................... 41

E

LECTRON MICROSCOPY 

(EM)

 

 .................................................................................................................................. 43

A

TOMIC FORCE MICROSCOPY 

(AFM)

 

 ......................................................................................................................... 45

CHAPTER 8. TWO DIMENSIONAL ELECTROPHORESIS OF NUCLEIC ACIDS

 

 ........................................................49

CHAPTER 9. METHODS FOR ORIGIN REGION DETERMINATION

 

 .......................................................................54

I

N SILICO METHODS

 

 ................................................................................................................................................ 54

I

N VIVO METHODS

 

 .................................................................................................................................................. 55

I

N VITRO METHODS

 

 ................................................................................................................................................. 55

CHAPTER 10. METHODS FOR IN VITRO ANALYSIS OF REPLICATION INITIATION

 

 ..............................................57

O

PENING

 

 .............................................................................................................................................................. 57

H

ELICASE ASSAY 

(FI*)

 

 ............................................................................................................................................. 58

I

N VITRO REPLICATION 

(FII)

 

 ...................................................................................................................................... 58

 

 

background image

 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Introduction 

 

It is more than 10 years after the completion of the draft sequence of the human genome was 

published in Nature and more than 140 years after the discovery of nucleic acids. During this time 
molecular  biology  was  borne  and  became  the  most  important  branch  of  biology  and  probably 
the most important science today. In 1961, William Astbury described molecular biology as ”not so 
much a technique as an approach, an approach from the viewpoint of the so-called basic sciences 
with the leading idea of searching below the large-scale manifestations of classical biology for the 
corresponding molecular plan. It is concerned particularly with the forms of biological molecules and 
[...] is predominantly three-dimensional and structural – which does not mean, however, that it is 
merely a refinement of morphology. It must at the same time inquire into genesis and function.” 
 

Modern  molecular  biology  describes  biological  systems  on  the  molecular  level,  describes 

molecules,  mainly  proteins  and  nucleic  acids.  Research  conducted  on  nucleic  acids  formed 
fundaments for modern molecular biology and modern science. The development of this knowledge 
was only possible due to the development of techniques allowing the analysis of molecules in cells. 
A variety of methods was discovered allowing the identification of proteins and nucleic acids, analysis 
of  their  sequence  and  structure,  as  well,  and  probably  most  importantly,  interactions  between 
proteins and nucleic acids. The discovery of methods for DNA sequencing, amplification and analysis 
were honored by the Nobel committee, showing the importance of those discoveries. This amazing 
development  of  molecular  biology  techniques  allows  the  accumulation  of  new  knowledge  on 
the structure and functioning of biological systems. The results of molecular biology experiments are 
important nowadays for substantially all biology branches such as microbiology, structural biology, 
developmental biology, neurobiology, physiology, ecology and many others. Molecular biology forms 
the  bases  and  is  a  part  of  medical  sciences  and  pharmacology.  Drug  discovery,  development  of 
modern  therapies  would  not  be  possible  without  molecular  biology,  it’s  techniques  and  data 
accumulated  from  thousands  of  experiments  conducted  day  after  day  in  laboratories  all  over 
the world. That data and the discovery and development of new techniques are bringing progress to 
our  understanding  of  living  organisms  and  allow  the  implementation  of  this  knowledge  for  our 
benefit.  
 

Here  we  present  a  brief  description  of  selected  basic  techniques  used  in  molecular  biology 

for the  analysis  of  nucleic  acids.  The  described  techniques  are  important  for  understanding  basic 
concepts of molecular biology and understanding complex technology and experimental approaches. 
Studying  molecular  biology  methods  brings  the  understanding  of  their  bases  and  appreciation  of 
the intellectual input standing behind their discovery and development. Also, it brings the ability to 
understand  results  described  in  science  publications.  The  understanding  of  the  fundaments  of 
particular techniques is critical for their proper application. The presented selection will be boarded 
and  permanently  modified  to  create  the  most  suitable  tool  for  students  during  molecular  biology 
studies with particular emphasis on nucleic acids. The selection shows principles for basic techniques 
analyzing nucleic acids, difficulties in the application of these techniques and possible applications of 
particular  methods.  At  the  end  of  each  chapter  the  reader  can  find  further  literature  for  reading 
and questions which should help with deeper understanding of the presented matter.  

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Important dates and facts in the history of molecular biology 

1869  Fritz Miescher discovers that the pus cells contain an substance to which he gave the name 'nuclein' 
1871  Discovery of nucleic acids 
1910  Discovery that genes lie on chromosomes  
1913  Chromosomes are linear arrays of genes 
1919  
Phoebus Aaron Levene proposes the 'tetranucleotide' structure of DNA 
1927  Mutations are physical changes in genes 
1928  Frederick Griffith described in bacteria the phenomenon 'transformation' 
1931  Discovery of crossing over recombination 
1938  Rudolf Signer, Torbjorn Caspersson and Einer Hammarsten estimated molecular weights for DNA between 

500 000 and 1 000 000 daltons 

1944  Oswald Avery, Colin MacLeod and Maclyn McCarty described that Griffith's  transforming is DNA based. 

They proposed that DNA may be the genetic material 

1949  Erwin Chargaff proposed that DNA base composition varies from one species to another and proposed the 

so called Chargaff’s rules  

1949  Roger  and  Colette  Vendrely  and  André  Boivin  find  that  half  as  much  DNA  in  the  nuclei  of  sex  cells  is 

present in the body cells 

1951  Rosalind Franklin distinguishes two forms of DNA 
1952  Discovery that viral DNA but not proteins enters the bacterial cell (Al Hershey and Martha Chase) 
1952  X-ray diffraction pattern of the B form of DNA (Rosalind Franklin and Raymond Gosling) 
1953  James Watson and Francis Crick, Rosalind Franklin and Raymond Gosling, Maurice Wilkins, W. E. Seeds, 

Alec Stokes and Herbert Wilson, and Bertil Jacobson publish on the structure of DNA

 

1954  George Gamow proposed that DNA code for the synthesis of proteins 
1955  Seymour Benzer analyses the structure of DNA of a bacterial virus close to the distances of the individual 

bases 

1957  The ‘sequence hypothesis' and 'the central dogma' (Francis Crick) 
1958  Matthew Meselson and Franklin Stahl demonstrate that DNA replication is semi-conservative 
1959  Arthur Kornberg isolates the enzyme DNA polymerase 
1961  Description  that  a  sequence  of  nucleotides  encodes  a  particular  amino  acid.  The  genetic  code  was 

depicted (Marshall Nirenberg and Johann Heinrich Matthaei) 

1961  mRNA discovery, “Operon Model” by Jacob and Monod  
1962  The Nobel prize in medicine is awarded to James Watson, Francis Crick and Maurice Wilkins 
1963  “Replicon Model” by Jacob and Brenner 
1967  The antisense RNA  
1968  The discovery of restriction enzymes (Arber, Smith, Natans) 
1972  The introduction of recombinant DNA technology (Boyer, Cohen) 
1977  The antisense technology (Zamecnik) 
1977  DNA sequence analysis methods (Sanger, Maxam, Gilbert) 
1979  Z-DNA form is discovered by Rich 
1982  National Institute of Health established GeneBank 
1983  Polymerase Chain Reaction developed by Mullis 
1990  The beginning of the Human Genome Project 
1995  H. influenza genome 
1996  Sacharomyces cerevisiae genome 
1998  C. elegance genome 
2001  Human genome sequence published 
2007  The beginning of high speed modern DNA sequencing technology 

L

ITERATURE

 

Astbury W.T, 1961, Molecular Biology or Ultrastructural Biology? Nature 190: 1124 
The Human Genome at Ten, 2010 Nature 470 
The double helix – 50 years. 2003, Nature 421 

 

 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 1. Polymerase chain reaction (PCR) 

 

The  polymerase  chain  reaction  is  one  of  the  most  popular  techniques  in  molecular  biology 

(e.g. for amplification particular DNA fragment designed for cloning), diagnostic (e.g. for analysis of 
point mutations), forensic sciences (e.g. for affiliating fatherhood) etc. It was developed in 1983 by 
Kary Mullis, who in 1993 was awarded the Nobel Prize in chemistry. The polymerase chain reaction 
enables the amplification of the initial amount of nucleic acid, which increases exponentially and can 
be calculated from the formula: 

N = N

0

 × 2

n

 

where  N is the amount of the product of the reaction 
 

  N

0

 is the amount of the template 

 

  n is the number of cycles 

Unfortunately  this  formula  does  not  take  into  account  the  reaction  efficiency.  If  the  reaction 
efficiency is E, it can be added to the formula: 

N = N

0

 × (1 + E)

n

 

At the beginning of the reaction in the initial cycles, the reaction efficiency is usually 0.8-0.97 and it 
decreases parallel with the accumulation of the reaction product, with the decrease of nucleotides 
and primers and also with the decrease of enzyme activity. 
In order for the PCR reaction to take place, the reaction mixture has to contain: 

−  DNA template (theoretically just one DNA molecule is sufficient to obtain amplification product. 

Usually the amount of 1-10ng bacterial DNA, 0.1-1ng plasmid DNA or up to 500ng human genomic 
DNA is used as a template)  

−  polymerase  (the  enzymes  used  in  PCR  are  isolated  from  thermostabile  bacteria  and  their 

optimum  temperature  is  around  70°C.  Depending  on  the  amplification  product  destination 
a polymerase  with  different  processivity  and  fidelity  is  chosen.  The  most  common  one  is  Taq 
polymerase obtained from Thermus aquaticus. Since it is characterized by high processivity but 
lower fidelity it is used to obtain high amount of the PCR product. If high fidelity is needed then 
the Pfu polymerase from Pyrococcus furiosus or Pwo from Pyrococcus woesei are usually used. 
For a standard 50 µl reaction 1U of enzyme is used) 

−  primers (they are short DNA fragments, usually around 25bp, that contain 40-60% of GC residues. 

They are complementary to the particular regions within the DNA template, that flank the region 
which is going to be amplified. Primer melting temperature (Tm) should be the same for both of 
them and is usually around 50-60°C. It is important that they do not form secondary structures 
and are not complementary to each other. The concentration of both of them should be around 
0.2-1 µM) 

−  Mg

2+

 (this ion is a polymerase cofactor. Its concentration should be around 2mM but very often 

has to be estimated individually for a particular PCR experiment. The excess of Mg

2+

 can inhibit 

the  PCR  reaction  by  interaction  with  nucleotides,  what  decreases  the  amount  of  available 
nucleotides in the reaction mixture)  

−  dNTPs  (they  are  dATP,  dTTP,  dGTP,  dCTP.  The  concentration  of  each  of  them  should  be  up  to 

200 µM and should not be exceeded, since the excess of dNTPs can result in a unspecific reaction 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

product  and  can  chelate  the  Mg

2+

  ions.  On  the  other  hand,  a  too  low  concentration  of  dNTPs 

results in quick arrest of the reaction via the depletion of reaction components) 

−  buffer  (the  standard  buffer  for  the  PCR  reaction  contains  10-50mM  Tris  pH  8-9  and  sodium 

or potassium salts) 

 

Fig. 1. Scheme of the first and second cycle during the polymerase chain reaction. The template used in the 

reaction is presented in black, primers and synthesized complement strand are presented in red.

 

Three main steps can be distinguished in the PCR reaction (Fig. 1): 
1.  Denaturation - it is the first step during which by heating the reaction mixture to 95°C for 30-120 

sec. the DNA template melts) 

2.  Annealing - it is a step when the primers hybridize to the complement strand of DNA template. 

It is carried out for 30-60 sec. in a temperature that depends on the melting temperature (Tm) 
of primers. The simplest formula to calculate the Tm takes into account the number of AT and GC 
residues within the primer 

Tm = 2°C × (A+T) + 4°C × (G+C) 

The annealing temperature is usually 5°C lower than the Tm, however it should be optimized for a 
particular pair of primers. 

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

denaturaion

annealing

elongation

the first cycle

denaturation

denaturation

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

annealing

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

elongation

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

next cycles

second cycle

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

denaturaion

annealing

elongation

the first cycle

denaturation

denaturation

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

annealing

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

elongation

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

5’

3’

next cycles

second cycle

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

3.  Elongation  -  in  this  step  the  primers  are  elongated  and  nucleotides  complementary  to 

the template are added. The elongation temperature depends on the optimum temperature of 
the enzyme and the time of this process depends on the processivity of polymerase. For instance 
Taq  polymerase  can  add  1000  nucleotides  in  1 min  and  for  Pfu  polymerase  it  takes  2 min. 
The elongation  time  should  be  applied  properly  since  a  too  long  elongation  can  result  in 
unspecific products and too short can lead to no product formation). 

These three steps are repeated 20-30 times, one after the other as a rule. Usually the first cycle is 
preceded  by  initial  denaturation  in  95°C  for  up  to  2  min  and  the  last  one  is  followed  by  terminal 
elongation in 72°C for 5 min.  
The PCR products are then further analyzed by electrophoresis.  

A

BRIDGED 

PCR

 PROGRAM

 

Temperature 

Time 

1.  95°C 

30 sec 

2.  95°C 

30 sec 

3.  Tm-5°C 

30 sec 

4.  72°C 

time (sec) = (number of base pairs/ 1000 for Taq) × 60 

Steps from 2 to 4 are repeated 20-30 times 

5.  72°C 

30 sec 

T

ROUBLESHOOTING

 

1.  If there is no PCR product: 

−  the temperature of primer annealing should be decreased 
−  the elongation time should be increased 
−  the Mg

2+

 concentration should be optimized 

−  the dNTPs concentration should be increased 
−  the DNA template concentration should be checked 
−  the formation of secondary structures by primers should be checked 
−  the primers concentration should be checked 

2.  If shorter unspecific products are present 

−  the elongation time should be increased 
−  the temperature of primer annealing should be increased 
−  the contamination of the reaction mixture components should be checked 

3.  If longer unspecific products are present 

−  the elongation time should be decreased 
−  the concentration of dNTPs and primers should be decreased 
−  the temperature of primer annealing should be increased 
−  the contamination of the reaction mixture components should be checked 

background image

 

 

 

10 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Variety of the method 

PCR-RFLP (PCR- Restriction Fragment Length Polymorphism)- is a technique, in which the DNA from 
different species e.g. the wild type and the mutant, is amplified and the PCR products are digested 
with restriction enzymes. The electrophoretic analysis of obtained restriction fragments results with 
restriction  profile  of  the  organism  (DNA  fingerprint).  The  profiles  can  be  compared  between 
the organisms  and  show  the  differences  in  restriction  sites  and  therefore  the  differences  in 
the sequences.  

PCR-SSCP (PCR-Single Strand Conformation Polymorphism) – the first step in PCR-SSCP is the classical 
PCR reaction, which is followed by denaturation of the obtained amplification products. The received 
ssDNA is then separated in a gel during electrophoresis. Because various ssDNA can form different 
secondary structures, ssDNA molecules with the same length can migrate differently in the gel. The 
distinctions  in  the  migration  can  be  observed  even  for  the  molecules  that  differ  in  just  one 
nucleotide. Therefore the PCR-SSCP can be utilized for mutational analysis.  

RAPD-PCR  (

RT-PCR (Reverse Transcription - PCR) – is the PCR reaction during which the RNA is transcribed into 
cDNA  by  reverse  transcriptase.  The  cDNA  can  be  used  then  as  a  template  in  classical  PCR.  Both 
reverse  transcription  and  classical  PCR  can  be  performed  either  in  one  tube  or  separately. 
The transcription  of  RNA  into  cDNA  occurs  at  40-50°C  depending  on  the  reverse  transcriptase, 
further DNA amplification is performed according to the standard PCR protocol. The method can be 
useful during gene library preparation and other techniques where cDNA is utilized. 

Random  Amplification  of  Polymorphic  DNA  –  PCR)  –  is  a  PCR  reaction  in  which  the 

amplifying region is essentially unknown. It utilizes just one short (10-20 nucleotides) random primer 
with high content of GC residues. In first two cycles of RAPD-PCR, the primer annealing is performed 
in  low  temperature  (35-45°C),  allowing  the  random  hybridization  of  the  primer,  even  to  not  fully 
complement sequences of the template. In the following cycles, the annealing occurs in temperature 
characteristic  for  the  primer.  Since  DNA  of  different  organisms  is  not  identical,  the  band  pattern 
formed  by  RAPD-PCR  products  in  agarose  electrophoresis  can  be  utilized  to  distinguish  them  and 
evaluate the relationship between the organisms. 

 

Real-time PCR – is the PCR reaction during which the increasing amount of the reaction product is 
monitored  in  real  time.  There  are  common  methods  of  detection  of  reaction  progression:  using 
fluorescent dye like Sybr Green or TaqMan probes. The first one utilizes the dye, which intercalates 
the dsDNA. Since the PCR product is intercalated by the fluorescent dye, the more product the more 
fluorescence  detected.  In  the  second  method,  the  TaqMan  probes  (  short  DNA  fragment  with 
a fluorescent tag at 5’ and a quencher at 3’ end respectively) anneal to the amplifying region and are 
degraded  by  polymerase  during  elongation  of  the  primer.  The  degradation  of  the  probe  causes 
the separation  of  the  fluorescent  tag  from  the  quencher,  what  results  with  fluorescence  of 
the fluorophore. Therefore the more amplification reactions the more fluorescence detected. One of 
the most important parameters of real-time PCR is threshold cycle (C

T

), indicating the cycle at which 

the  instrument  can  distinguish  the  amplification  generated  fluorescence  from  the  background. 
It depends  on  the  initial  amount  of  DNA  template,  since  the  higher  number  of  DNA  template 
molecules  the  lower  C

T

.  The  estimation  of  investigated  DNA  copy  number  requires  the  standard 

curve tracing, which is the C

T

 plotted against template copy number (Fig. 2B). To trace the standard 

curve the PCR reaction with a different known copy number of DNA template should be performed. 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

11 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

As  a  result  the  curves showing  the  dependence  between  the  fluorescence  and  cycle  numbers  are 
obtained and for each curve the C

T

 value can be read out (Fig. 2A). Then the C

T

 values are plotted 

against template copy number resulting with standard curve (Fig. 2B).  

   

 

Fig 2.  Real-time  PCR  curves.  (A)  The  graph  shows  the  curves  of  detected  fluorescence  dependence  from 

number  of  cycles.  The  addition  of  higher  amount  of  a  template  results  with  lower  cycle  number  in  which 

the thermocycler  can  detect  the  fluorescence.  The  green  curve  represents  the  reaction  with  the  lowest 

template amount and the black curve with the highest one. A thick black line shows the threshold, which is 

a fluorescence  above  which  the  instrument  can  distinguish  the  amplification  generated  fluorescence  from 

the background.  (B)  The  standard  curve  determined  during  real-time  PCR  reactions  with  increasing  known 

amounts of a template. The curve shows the dependence of threshold cycle C

T

 from a template copy numbers. 

When  the  standard  curve  is  traced,  next  the  final  experiment  of  template  copy  number 
determination in the investigated samples can be performed. After the real-time PCR reaction with 
investigated samples as a template, the threshold cycle can be obtained. Then the C

T

 value serves to 

read off the template copy number from the standard curve. 

Emulsion PCR – is a classical PCR reaction but performed in a drop of water-in-oil emulsion, what 
facilitates  the  amplification  of  genomic  libraries  and  cDNA  libraries.  It  requires  the  preparation  of 
an oil-surfactant  mixture  (e.g.  mixture  of  Span80,  Tween  80,  Triton X-100  and  mineral  oil)  and 
aqueous phase, which is the classical PCR reaction mixture. Then the aqueous phase is added to the 
oil phase in a dropwise manner and the mixture should be stirred for few minutes. After that the PCR 
reaction  can  be  performed  and  when  it  is  finished  the  amplification  product  should  be  extracted 
from  the  emulsion.  This  kind  of  PCR  is  used  for  instance  during  next-generation  of  sequencing 
methods such as Sequencing by Oligonucleotide Ligation and Detection (SOLiD). 

cycle number

fl

uor

es

c

enc

e

5

10

15

20

25

30

35

threshold

C

T

1 C

T

2 C

T

3 C

T

4

cycle number

fl

uor

es

c

enc

e

5

10

15

20

25

30

35

threshold

C

T

1 C

T

2 C

T

3 C

T

4

template copy number

thr

es

hol

d

c

yc

le

num

ber

(C

T

)

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

15

20

25

30

C

T

1

C

T

2

C

T

3

C

T

4

10

9

template copy number

thr

es

hol

d

c

yc

le

num

ber

(C

T

)

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

15

20

25

30

C

T

1

C

T

2

C

T

3

C

T

4

10

9

background image

 

 

 

12 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

L

ITERATURE

 

Bartlett J. M. S. & Stirling D, 2003, PCR protocols, Methods Mol. Biol. 226, Humana Press. 
Dieffenbach C.W. & Dveksler G.S, 2003, PCR primer: a laboratory manual. Second edition, Cold Spring Harbor 

Laboratory Press. 

Williams  R,  Peisajovich  S.G,  Miller  O.J,  Magdassi  S,  Tawfik  D.S,  Griffiths  A.D,  2006,  Amplification  of  complex 

gene libraries by emulsion PCR, Nature Methods 3(7): 545-550. 

McPherson M. J. and Møller S. G, 2006, PCR. Second edition, Taylor & Francis Group. 

Q

UESTIONS

 

1.  What kind of PCR would you perform during: 

a. plasmid analysis 
b. copy number estimation 
c.  mutational analysis 
d. library preparation 

2.  What is the difference between the first and the next cycles of PCR reaction? 
3.  Figure shows the result of real-time PCR (A). Based on the standard curve (B) determine the template copy 

number within the analyzed sample. 

   

 

 

 

cycles

fl

uor

es

c

enc

e

threshold

10

14

18

22

26

30

34

cycles

fl

uor

es

c

enc

e

threshold

10

14

18

22

26

30

34

template copy number

thr

es

hol

d

c

yc

le

num

ber

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

15

20

25

30

template copy number

thr

es

hol

d

c

yc

le

num

ber

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

15

20

25

30

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

13 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 2. DNA sequencing 

 

DNA sequencing started almost forty years ago. In this time the methods developed in 1970s 

by Sanger or Maxam and Gilbert were improved many times and they are still perfected to read as 
many DNA sequences as fast as possible. The automation of sequencing as well as the application of 
new  solutions  (Polony  sequencing,  pyrosyquencing,  Illumina  sequencing,  SOLiD  sequencing) 
remarkably reduce labor time and make this process easier, more accurate and reliable.  

Maxam-Gilbert sequencing method 

 

Two scientist from Harvard University, Allan Maxam and Walter Gilbert in 1977 developed the 

sequencing method called chemical sequencing. It is based on chemical degradation of the 5’-end 
radiolabeled  DNA  fragment  of  interest.  The  DNA  can  be  either  single  or  double  stranded  and 
the cleavage  reactions  are  performed  in  four  tubes.  To  each  of  them  a  diverse  cleavage  agent, 
modifying different nucleotide and therefore diverse in cutting position, is added. The action of the 
chemical is based on three steps: modification of the nitrogenous base by the chemical, removal of 
the base from the sugar and breaking of the DNA at the sugar point (often supported by adding hot 
piperidine to the sample). After the cleavage reactions, the obtained DNA fragments are separated in 
a polyacrylamide gel, resolution of which is the main limitation of this sequencing method. Because 
the  DNA  utilized  in  the  reactions  is  labeled,  the  visualization  of the  bands  is  easy  with the  use of 
autoradiography and the sequence can be read based on the analysis of all the bands (Fig. 3). 
Cleavage agents: 

−  dimethyl  sulfate  (DMS)  -  cleaves  preferentially  guanine  (G)  through  its  methylation,  causing 

destabilization of a glycosidic bond; in some conditions it can also cut adenine (A+G) 

−  acid (e.g. formic acid) – cleaves both adenine and guanine (A+G) 
−  dimethyl sulfate with acid or alkali - cleaves adenine (A) 
−  hydrasine – cleaves the cytosine and thymine (C+T)  
−  hydrasine with 2M NaCl - cleaves the cytosine 

 
 

Fig. 3.  DNA  sequencing  gel  after  Maxam-Gilbert  sequencing 

method.  The  products  of  four  degradation  reactions  are 

separated  in  four  lanes.  In  every  reaction  a  different  cleavage 

agent  is  used  that  preferentially  degrades  glycosidic  bond 

between  sugar  and  nitrogenous  base:  guanine  (G),  guanine  or 

adenine (G+A), cytosine or thymine (C+T) and cytosine (C). 

 

Sanger sequencing method 

 

The  method  was  developed  in  1977  by  Frederick  Sanger’s  group  and  was  first  used  for 

sequencing  of  the  ΦX174  bacteriophage  genome.  The  Sanger  method,  also  called 
the chain-termination  method  is  based  on  termination  of  the  DNA  synthesis  reaction  after 
the incorporation of a dideoxynucleotide triphosphate (ddNTP). The DNA synthesis is performed in 

G

G+A

C+T

C

T
C
G
C

G

T

A
C
G

A

G

G+A

C+T

C

T
C
G
C

G

T

A
C
G

A

background image

 

 

 

14 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

four  separate  tubes,  containing,  besides  the  DNA  template,  a  primer  and  a  DNA  polymerase,  one 
ddNTP  triphosphate  (ddATP,  ddTTP,  ddGTP  or  ddCTP)  and  three  remaining  deoxynucleotide 
triphosphates  (dNTP).  Since  the  modified  nucleotides  do  not  contain  a  3’-OH  group, 
the phosphodiester bond cannot be formed between the ddNTP and the next dNTP. In each tube the 
reaction  is  stopped  in  a  position  of  a  nucleotide  with  different  nitrogenous  base  A,  T,  G  or  C, 
depending on the ddNTP added. Because of the small amount of the ddNTP in reactions the chain 
termination occurs rarely and stochastically ( statistically once per each template DNA). The products 
of  the  synthesis  reaction  are  separated  in  a  poliacrylamide  gel  and  a  visualization  of  the  DNA 
fragments  is  achieved  due  to  the  use  of  radio-  or  fluorescent-  labeled  ddNTPs  (Fig.  4).  A  labeled 
primer or dNTPs can also be used in the reaction.  
 

 

 

 

Fig. 4. DNA sequencing gel after Sanger sequencing method. 

The  products  of  four  DNA  synthesis  reactions  separated  in 

four  lanes.  In  every  reaction  different  a  ddNTP  is  added  to 

the  reaction  mixture:  ddGTP  (G),  ddATP  (A),  ddTTP  (T)  or 

ddCTP  (C).  When  the  ddNTP  is  incorporated  into  the  DNA 

chain the synthesis of DNA stops.

 

 

 

 

 

 

The  Sanger  method  was  the  base  for  automated  sequencing,  where  the  synthesis  reaction 

products are separated by capillary electrophoresis and fluorescence is read by a detector. Currently, 
automated  sequencing  is  still  being  developed  to  obtain  lower  costs  and  higher  throughput. 
The challenge was also the miniaturization of the system and microchip capillary electrophoresis has 
been successfully applied, what reduced the time and the reagents' volumes used and made possible 
signal detection from a single molecule template.  

Pyrosequencing method 

 

This method is based on the synthesis sequencing method developed in late 1990s. It utilizes 

detection of a pyrophosphate (PPi) released during a DNA polymerization reaction. The detection of 
this process requires the cascade of enzymatic reactions, presented as equations: 
 
 

(DNA)

n

 + dNTP (DNA)

n+1

 + PPi 

 
 

PPi + APS ATP + SO

4

2-

 

 
 

ATP + luciferin + O

2

 AMP + PPi + oxyluciferin + hv 

 
where APS stands for adenosine 5’-phosphosulphate and hv represents an emitted photon.  
 

In  the  first  step,  one  of  four  dNTPs  is  added  to  the  reaction  and  if  it  is  incorporated  to 

the chain, the enzymatic cascade is triggered and a photon of light is emitted, what is detected by 
a sensor  and  marked  as  a  peak  on  the  pyrogram  (diagram  showing  detected  light  depending  on 

G

A

T

C

T
C
G
C

G

T

A
C
G

A

G

A

T

C

T
C
G
C

G

T

A
C
G

A

luciferase  

ATP 

sulphurylase 

DNA 

polymerase  

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

15 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

the added  dNTP)  (Fig.  5).  If  the  added  dNTP  is  not  complementary  to  the  nucleotide  within 
the template  the  light  is  not  emitted.  In  the  next  step  the  second  dNTP  is  added  and  so  on. 
The procedure is repeated as long as the whole sequence is read.  
 

The  pyrosequencing  reactions  can  be  performed  as  a  solid-phase  reaction  or  liquid-phase 

sequencing. The first one requires washing of the non-incorporated nucleotides therefore the DNA 
template  is  immobilized  on  a  solid  support  such  as  magnetic  beads  to  avoid  signal  decrease. 
The second  one  omits  the  step  of  washing  of  the  non-incorporated  nucleotides  by  addition  of 
a fourth enzyme e.g. apyrase, that degrades the free nucleotides.  
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 5.  Pyrogram.  The  diagram  shows  dependence 

between detected light and added dNTP. The sequence 

reads from the pyrogram what is written in red below 

the diagram. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Pyrosequencing  became  a  very  popular  method  of  reading  the  DNA  sequence  since 

it eliminates  the  necessity  of  primer  or  dNTPs  labeling  and  performing  electrophoresis.  It  also 
reduces  time  and  enables  real-time  detection.  Unfortunately,  it  also  has  some  disadvantages  like 
the necessity  of  the  washing  step  in  the  solid-phase  sequencing  or  the  decrease  of  the  activity of 
apyrase  and  its  interaction  with DNA  in  liquid-phase method.  It can  also  bring  some  difficulties  in 
reading the proper number of the same nucleotide in homopolymeric regions where a nucleotide is 
repeated more than five times due to nonlinear light response.  

Sequencing by Oligonucleotide Ligation and Detection (SOLiD) sequencing 

method 

 

Sequencing by Oligonucleotide Ligation and Detection is a technique of sequencing developed 

in the last few years by the Life Technology company. It has a great throughput and enables reading 
of 3-4Gb  in  approximately  5  days.  SOLiD  method  consist  of  four  processes  following  one  after 
another. It starts from preparation of a library of the DNA of interest and specific adaptors (a short 
DNA  fragments).  The  adaptors  are  ligated  to  the  DNA  fragments  and  hybridize  to  the  adaptor 
complementary  sequences  immobilized  on  beads.  This  facilitates  the  deposition  of  a  lot  of  DNA 
fragments  to  a  bead.  Then  an  emulsion  PCR  (see  Chapter 1)  is  performed  and  the  clonal bead 

E

m

itte

d

lig

h

t

nucleotide added

G

T

A

C

G

C

nucleotide sequence

G

T

A

C

CC

E

m

itte

d

lig

h

t

nucleotide added

G

T

A

C

G

C

nucleotide sequence

G

T

A

C

CC

nucleotide added

G

T

A

C

G

C

nucleotide sequence

G

T

A

C

CC

background image

 

 

 

16 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

populations  are  formed.  Next,  the  beads  are  depositioned  on  a  glass  slide.  After  that,  the  actual 
sequencing  reaction  can  be  performed  (Fig.  6).  During  the  sequencing  reaction  the  elongation  of 
primer,  that  is  hybridized  to  the  adaptor  DNA  occurs.  The  fluorescently  labeled,  at  the  3’end,  di-
based  probes  are  added  (the  probes  are  8  bp  oligonucleotides)  and  just  the  ones  that  contain 
complementary  sequences  hybridize  to  the  sequencing  DNA  (Fig.  6A).  Next  the  non-hybridized 
probes are washed and the probe that hybridizes to the template is ligated to the primer (Fig. 6B). 
Since the probes differ in the first two nucleotides and are labeled with different fluorescent dyes, 
after the cycle the probe which hybridized to the template and which ligated to the primer can be 
identified. Therefore from the first cycle the first two nucleotides of the sequence are read. After 
the ligation reaction and reading the fluorescence, the two nucleotides at the 3’ end of the probe are 
cleaved (Fig. 6C) and then the next cycle can be performed. In the next cycle consecutive di-bases are 
added and the seventh and eighth nucleotides of the sequence are read.  

 

 
 
 
 

Fig. 6.  The  first  cycle  of  sequencing 

reaction  during  SOLiD  sequencing 

method.  After  the  hybridization  of 

the primer to the adaptor sequence, 

the  different  fluorescently  labeled 

di-based probes are added (A). 

When  the  complement  de-base 

hybridizes  to  the  template,  the 

ligase  support  its  ligation  to  the 

primer (B). The fluorescence is read 

and then the last two nucleotides of 

the probe are cleaved and removed 

(C). After that the next cycle can be 

performed.  

 
 
 
 

 
 

In the following cycles the ligation of the probes enable the reading of every fifth and sixth 

nucleotide.  To  read  the  whole  sequence,  primers  that  differ  in  length  are  used.  If  the  length  of 
the first used primer is n, the length of the next one could be n-1, then n-2 and so on. This method 
enables to over read the same sequence what improves the reliability of the method and because 
high amounts of DNA fragments can be attached to one bead via an adaptor sequence, it enables 
the preparation of a lot of sequencing reactions on a small surface.  

bead

C

ligase

adapter

primer

G

G T

A C

G G

C

adapter

primer

G

C

adapter

primer

G

ligation

cleavage

bead

bead

A

B

C

bead

C

ligase

adapter

primer

G

G T

A C

G G

C

adapter

primer

G

C

adapter

primer

G

ligation

cleavage

bead

bead

bead

C

ligase

adapter

primer

G

G T

A C

G G

C

adapter

primer

G

C

adapter

primer

primer

G

ligation

cleavage

bead

bead

A

B

C

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

17 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

L

ITERATURE

 

Franca  L.T.C,  Carrilho  E,  Kist  T.B.L,  2002,  A  rewiev  of  DNA  sequencing  Techniques,  Quarterly  Reviews  of 

Biophysics 35(2): 169-200. 

Graham C.A, Hill
Hindley J, Staden R, 1983, Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology. DNA sequencing Vol. 

10, Elsevier Biomedical. 

 A.J.M, 2001, DNA sequencing protocols, Humana Press Inc. 

Janisz M, 2008, 

Mardis. E. R, 2007, The impact of the next-generation sequencing technology on genetics. Trends in Genetics 

24(3): 133-141. 

Next-generation genome sequencing: towards personalized medicine, Wiley-Vch Verlag GmbH 

& Co. 

Maxam A. M, Gilbert M, 1977, A new method for sequencing DNA, Proc Natl Acad Sci USA 74(2): 560-564. 
Michelson K.R, 2007, New high throughput technologies for DNA sequencing and genomics, Elsevier. 

www.appiledbiosystems.com

  

Q

UESTIONS

 

1.  The figure shows the result of a sequencing reaction. What sequencing method was used? What was the 

sequence of the analysed DNA fragment? 

 

2.  What kind of sequencing method would you choose to read the sequence of the bacterial genome in just a 

few days? Explain your choice.  

3.  Which sequencing methods are based on fluorescence detection?  

 

 

G

A

T

C

G

A

T

C

background image

 

 

 

18 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 3. Gel Mobility Shift Assay 

 

One  of  the  simplest  methods  utilized  to  investigate  interactions  between  nucleic  acids  and 

proteins is the gel mobility shift assay (GMSA). The nomenclature of this technique is different and 
names such as electrophoretic mobility shift assay (EMSA), gel shift assay or gel retardation assay are 
used. Originally, GMSA was exploited to analyze rRNA-protein interactions and the action of E. coli 
lactose  operon  regulatory  system  (Dahlberg  et  al,  1969;  Fried  &  Crothers,  1981).  The  basis  of 
the method is a difference in the migration of naked DNA and a protein-DNA complex in an agarose 
or poliacrylamide gel (Fig. 7). When a protein is bound to a DNA fragment, we observe a retardation 
of a DNA band migration in a gel, compared with the migration of a naked nucleic acid.  

 
 

Fig. 7.  Scheme  of  GMSA  in  titration  of 

a labeled  DNA  fragment  with  increasing 

amounts  of  a  protein.  All  samples  contain 

equal  amounts  of  DNA  (load  DNA)  and 

increasing amounts of the protein. The more 

protein  was  added  to  the  sample  the  more 

electrophoretic  bands  were  observed. 

Schematic  presentation  of  the  electropho-

retic species is shown on the right. 

 
 

Since  every  nucleoprotein  complex  is  different,  before  carrying  out  the  GMSA,  the  target  (nucleic 
acid), the labeling method, the binding and electrophoresis conditions should be carefully selected.  

Nucleic acids 

 

Choice  of  the  appropriate  fragment  of  the  nucleic  acid  (DNA  or  RNA),  its  length  should  be 

taken  into  consideration.  Usually,  short  fragments  of  nucleic  acids  are  used  in  the  GMSA 
experiments. The shorter the fragment the higher electrophoretic resolution of the complexes from 
free  nucleic  acid  and  the smaller the  number of  non-specific  protein  binding  sites.  However, with 
shorter nucleic acid fragments the “end-effect” can occur, which results in aberrant protein binding. 
Lengthening of the fragments can help in avoiding this limitation but can also cause such problems as 
non-specific binding or smaller resolution of the bands.  
 

When the length of the target DNA fragment is chosen then the labeling method should be 

selected. To label and then to visualize the nucleic acids, radioisotopes, fluorophores or haptens can 
be used. The most popular method is to label the 5’ or 3’ end with 

32

P-phosphate, since it offers very 

high  sensitivity  (the  subpicomole  range)  and  does  not  change  the  structure  of  the  nucleic  acid. 
To label  DNA  with  radioisotope  incorporation  of  a  [γ-³²P]dNTP  during  a  3'-end  filling  reaction  by 
Klenow fragment of DNA polymerase I or 5'-end labeling using the [γ-³²P]ATP and T4 polynucleotide 
kinase can be performed.  
 

An alternative to radioisotopes are fluorescent dyes and tags. The examples of dyes enabling 

detection of dsDNA without any changes in the migration pattern are the phenanthridinium dimer, 
ethidium  homodimer  (EthD)  or  the  asymmetric  cyanine  compounds  like  the  thiazole  orange 
homodimer (TOTO) and the oxazole yellow homodimer (YOYO). Also, dyes like Sybr Gold, Sybr Green 
I and II could be advantageous in the GMSA, but during their use the DNA should be stained post 

Protein

Probe

(load DNA)

Protein

Probe

(load DNA)

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

19 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

electrophoresis  due  to  the  possible  alterations  in  the  nucleic  acid  migration  in  a  gel.  When  using 
fluorophores,  it  is  possible  to  achieve  the  sensitivity  that  is  comparable  to  the  one  obtained  with 
isotopes  but  some  problems  could  occur  especially  when  competing  nucleic  acid  is  added  to  the 
samples or if a ssDNA is the target. In such cases the fluorescent tag coupled to dNTP (usually dCTP, 
dUTP)  could  be  a  solution.  Labeling  of  the  target  nucleic  acid  could  be  performed  during  a  PCR 
reaction, by 3’-end filling with the Klenow fragment or by adding labeled nucleotides to the 3’-end by 
the terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT).  
Another alternative to radioisotopes is chemiluminescent detection of the target nucleic acid, where 
biotin or digoxigenin (DIG) can be used as the labels. Visualization of the target requires transfer of 
the  labeled  molecules  to  a  solid  membrane  support  (nylon,  nitrocellulose)  and  subsequently, 
a secondary detection method with the use of sterptavidin or anti-DIG antibodies. Since one biotin 
can be bound by one streptavidin molecule with multiple covalently attached alkaline phosphatase 
molecules, that can carry out many reactions with a lumigenic substrate, the detected signal could be 
increased. The detection limit achieved for the biotin-streptavidin-alkaline phosphatase system could 
be 5-50 pg of nucleic acid per band. 

Binding conditions 

 

The binding conditions such as salt concentration, pH or temperature should be adjusted in 

case  of  a  particular  complex  formation.  Addition  of  substances  stabilizing  the  nucleoprotein 
complexes  (glycerol,  sucrose,  proteases  or  nucleases  inhibitors)  or  reducing  the  nonspecific 
interactions  (competitors,  non-ionic  detergents)  could  be  considered.  To  favor  the  specific 
interactions between the protein and a nucleic acid the unlabeled competitors such as genomic DNA, 
poly-d(I-C) or poly-d(A-T) are used. If the binding is specific, the addition of such competitors results 
in the occurrence of distinct bands. If the competitor present in a sample reduces the target binding 
it indicates non-specific interactions.  
 

The typical volume of the reaction is 20-30 µl and an entire sample is usually loaded onto the 

gel, however, the smaller volume of the loaded sample the narrower starting zone at the beginning 
of separation and sharper bands at the end of electrophoresis.  

Electrophoresis conditions 

 

The  conditions  during  electrophoresis  have  a  big  impact  on  the  nucleoprotein  complex 

stability,  therefore  they  should  be  carefully  chosen.  The  most  commonly  used  buffers  are  Tris-
Borate-EDTA (TBE) and Tris-Acetate-EDTA (TAE) or their modifications if necessary (buffers without 
EDTA for metal-binding proteins or without acid for increasing the complex stability). To stabilize the 
complex during the electrophoresis, glycerol or ethylene glycol could also be added to the running 
buffers.  If  the  nucleoprotein  interaction  is  extremely  weak,  the  binding  buffer  could  be  utilized 
during the electrophoresis.  
 

The  sample  separation  could  be  performed  in  an  agarose  (0.7-1.5%  w/v)  or  polyacrylamide 

(3.5-6 % w/v) gel, however, a better resolution of the bands is obtained in case of the latter. Prior to 
the  preparation  of  the  gels  it  is  very  important  to  degas  all  necessary  solutions  (TBE  buffer, 
acrylamide solution, H

2

O), what results in more efficient polymerization and in more homogenous 

gels. When casting the gel, bubble formation should be also prevented, since bubbles do not conduct 
electrical current what can affect the migration of the sample.  
 

Before  the  separation  of  the  sample  in  a  gel,  pre-electrophoresis,  lasting  0,5-1h,  should  be 

performed. It is a critical step as the gel is equilibrated with the running buffer and a use of a dye can 

background image

 

 

 

20 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

reveal any gel defects (gel homogeneity, shape of the lanes). The pre-electrophoresis, as well as the 
actual separation, are conducted at 10 V/cm of gel length.  

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  Nucleic acid preparation and labeling. 
2.  Preparation of the reaction mixtures containing nucleic acid titrated with a protein. 
3.  Incubation of the mixtures in an appropriate temperature. 
4.  Addition of a loading solution (glycerol/sucrose/ficoll). 
5.  Loading the samples into the gel’s wells. 
6.  Electrophoresis in an appropriate buffer. 
7.  Detection of the electrophoretic bands (autoradiography, fluorescence imaging chemiluminescent imaging). 

T

ROUBLESHOOTING

 

1.  If no bands are visible after the electrophoresis : 

−  the amount of the nucleic acid used should be verified and adjusted to the detection level; 
−  the labeling reaction should be controlled and repeated if necessary;  
−  nuclease inhibitors could be added to prevent nucleic acid degradation. 

2.  If no retardation is observed: 

−  the quantity and the activity of the protein should be verified;  
−  the  migration  of  the  protein  alone  should  be  verified;  if  it  is  the  same  as  the  migration  of  the  target 

nucleic acid the pH of the buffers should be reduced; 

−  the composition of the buffers should be verified (some proteins require very low salt concentration or 

addition of metal ions). 

3.  If all bands are smeared: 

−  fresh, degased reagents for gel preparation should be used;  
−  the voltage could be reduced; 
−  concentration of the gel and the running buffers should be checked. 

4.  If the free nucleic acid migrates normally and the retarded bands are smeared: 

−  conditions stabilizing the nucleoprotein complex should be used (minimal gel running time; increased gel 

concentration; reduction of salt concentration in the buffers; lowering the electrophoresis temperature; 
addition of stabilizing reagents to the buffers). 

L

ITERATURE

 

Dahlberg A.E, Dingman C.W, Peacock A.C, 1969, Electrophoretic characterization of bacterial polyribosomes in 

agarose-acrylamide composite gels, J Mol.Biol. 41:139-147 

Fried  M.G.  and  Crothers  D.M,  1981,  Equilibria  and  Kinetics  of  Lac  Repressor-Operator  Interactions  by 

Polyacrylamide Gel Electrophoresis. Nucl. Acids Res. 9:6505-6525 

Hellman L.M. and Fried M.G, 2007, Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA) for Detecting Protein-Nucleic 

Acid Interactions, Nat. Protoc. 2(8):1849-1861 

Lane  D,  Prentki  P,  Chandler  M,  1992,  Use  of  gel  retardation  to  analyze  protein-nucleic  acid  interactions, 

Microbiol. Rev. 56(4):509-528 

Rye  H.S,  Drees  B.L,  Nelson  H.C,  Glazer  A.N,  1993,  Stable  fluorescent  dye-DNA  complexes  in  high  sensitivity 

detection of protein-DNA interactions, J Biol Chem 268(33):25229-25238 

Travers A. and Buckle M, 2000, DNA-Protein Interactions, Oxford University Press 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

21 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Q

UESTIONS

 

1.  The figure shows the gel after the GMSA experiment. What can you say about the binding of the protein X 

to the DNA fragment? 

 

2.  How can the results of GMSA experiment be visualized?  
3.  What is the purpose of poly-d(I-C) or poly-d(A-T) addition to the reaction mixture? 

 

 

 

Probe

(load DNA)

Protein

Probe

(load DNA)

Protein

background image

 

 

 

22 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 4. Footprinting 

 

Among  the  many  different  methods  enabling  the  investigation  of  nucleic  acid  –  protein 

interactions,  the  footprinting  technique  provides  knowledge  not  only  about  the  existence  of  such 
complex formations but also enables to recognize the sequence bound by the protein. This method 
was developed in the late 70s by Galaz and Schmitz, who, as an example, investigated interactions of 
the  repressor  LacI  with  a  sequence  of  the  operator  lacO.  They  combined  two  techniques:  the 
Maxam-Gilbert  DNA-sequencing  method  and  the  method  of  isolation  DNAase-protected  fragment 
and developed the protecting assay, in which digestion of labeled nucleic acid is locally inhibited by 
the  bound  protein.  The  cleavage  of  nucleic  acid  usually  is  random  and  optimized  to  cleave  every 
molecule just once and in different positions, what results in a wide range of fragments different in 
length. The nucleic acid is not cleaved in the region bound by the protein, therefore the same group 
of digestion products cannot originate and on a denaturing polyacrylamide gel that is seen as a gap 
named footprint (Fig.8). 

 

Fig. 8. The scheme of footprinting assay. (A) An analysis of the protein binding site. The protein is incubated 

with labeled DNA, then the DNA is digested and the obtained fragments are dissolved in a poliacrylamide gel. 

The lack of the visualized bands correspond to the site occupied by the protein. (B) A control reaction without 

the protein. 

digestion

denaturation

digestion

denaturation

A

B

digestion

denaturation

digestion

denaturation

A

B

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

23 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Before every footprinting experiment the choice of the nucleic acid substrate, labeling method and 
cleavage agent should be made.  

Nucleic acid 

The  length  of  the  nucleic  acid  fragment  used  in  this  experiment  is  limited  by  resolution  of 
polyacrylamide gels and usually is about 50-200 base pairs long. The fragment can be generated by 
restriction digestion of a plasmid containing the sequence of interest or in a PCR reaction. The choice 
of the nucleic acid is more complicated when the region bound by the protein is unknown and then 
the application of artificial fragments could be useful.  

Labeling method 

Since  in  the  footprinting  assay  very  small  amounts  of  nucleic  acid  is  used  (a  few  femtomoles  of 
nucleic  acid),  labeling  with 

32

P or 

33

P  is  commonly  applied.  Fluorescent  labeling  (with  fluorescein, 

Alexa dyes, Texas Red, Cy-5) is also more and more popular since it is safer and the labeled fragment 
does not decay. Unfortunately sometimes the sensitivity of the fluorescent technique is not enough 
to observe bands containing less than 1% of total nucleic acid.  
When  the  target  is  a  restriction  fragment,  labeling  with  radioisotopes  can  be  performed  by 3’end 
filling of the sticky-end with α-

32

P-dNTP by Klenow fragment. If the target is amplified during PCR 

reaction, the radiolabeled at 5’end oligonucleotides can be used. 

Cleavage agents 

 

There are different agents used to cleave nucleic acid during the footprinting assay. The most 

popular are DNaseI and hydroxyl radicals. 
 

DNase I is an agent of choice if the nucleic acid is double-stranded DNA. It binds the DNA minor 

groove  and  cuts  the  phosphodiester  backbone  of  the  molecule  in  a  divalent  cation-  dependent 
manner. Both magnesium and calcium ions can be used, however the first ones are more efficient. 
Requirement  of  divalent  ions  entails  the  simplicity  in  stopping  the  reaction  by  addition  of  EDTA. 
DNaseI is also readily used in the footprinting assay since it is cheap and active in a wide range of 
conditions. It can stand pH from 5 to 9, temperature up to 70°C and salt concentration even up to 1M 
NaCl. The additional advantage of DNaseI is that it is sequence unspecific. Unfortunately depending 
on  the  local  DNA  structure,  it  can  generate  an  uneven  range  of  digestion  products.  For  instance 
the activity of the enzyme can be inhibited within AT-rich tracts because of narrower minor groove 
hindering the protein binding. Also the GT-rich regions are not preferred by DNaseI because of lower 
flexibility. Easiness of DNA bending by the enzyme seems to be a required element of the DNaseI 
action mechanism. The disadvantage of this enzyme is also its size, because as a large glycoprotein 
that binds 10 base pairs, it overestimates the protein binding sequence by about 3 base pairs.  
 

The  second  commonly  used  cleavage  agent  are  hydroxyl  radicals.  They  are  generated  in 

a Fenton reaction, during which the Fe

2+

 is oxidized to Fe

3+

 by hydrogen peroxide. The products of 

this reaction are also hydroxyl radical and hydroxyl anion. Since the Fe

2+

 can interact with negatively 

charged  DNA,  in  practice  ferric  ion  used  in  the  reaction  is  chelated  by  EDTA  ([Fe(EDTA)

2-

]).  In  the 

reaction sodium ascorbate is added, since it reduces the [Fe(EDTA)

1- 

] product back to [Fe(EDTA)

2-

], 

what provides the starting amount of the Fenton reaction substrate. Generated hydroxyl radicals are 
highly reactive and attack the C4’ or C1’ positions of deoxyribose via the minor groove of the DNA. 
Because of their small size, they are able to cleave very close to the bound protein. The cleavage is 
sequence unspecific, however it can be reduced within the AT tracts. The cleavage reaction is slower 

background image

 

 

 

24 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

than  with  DNaseI,  sensitive  to  solvents  scavenging  free  radicals  (DMSO,  ethanol,  glycerol)  and 
requires precipitation of reaction products before polyacrylamide gel electrophoresis. The reaction is 
quenched by addition of a thiourea stop solution, which reacts with any remaining hydroxyl radical.  

Electrophoresis conditions 

 

The samples are resolved in a denaturing polyacrylamide gel, where the denaturing agent is 

7M  urea  and  the  running  buffer  is  usually  TBE.  The  polyacrylamide  concentration  within  the  gel 
varies from 5 to 20% depending on the DNA fragment size (8% gel is a standard for 150bp fragment) 
and  the  prepared  gel  is  very  thin  (0.33mm)  and  long  (40cm).  The  samples  should  be  heated  and 
quickly cooled on ice before loading onto a gel to enable denaturation of the cleavage products.  

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  DNA fragment preparation (PCR reaction with labeled primers; restriction digestion) 
2.  Labeling of DNA fragment (unless the fragment was labeled during PCR reaction) 
3.  Binding reaction (the condition of the reaction should be adjusted) 
4.  Cleavage of DNA (the type, amount of cleavage agent and the reaction condition should be adjusted) 
5.  Precipitation of cleavage products (it is very important when the hydroxyl radicals are the cleavage agents; 

when DNaseI is used there is usually no need to remove the enzyme) 

6.  Denaturing polyacrylamide gel electrophoresis 
7.  Detection of electrophoretic bands (autoradiography, fluorescence imaging) 

Modifications of the method 

Solid-phase footpriniting 

 

In this method the labeled DNA fragment is immobilized via biotin–streptavidin interaction on 

paramagnetic beads. Then the protein of interest is added and the nucleoprotein complex is formed. 
The next step is cleavage of DNA by a cleavage agent (usually DNaseI) and purification of nicked DNA. 
Since the nucleic acid is immobilized on solid phase, the purification of DNA is facilitated what results 
in a faster protocol. After the digestion, the resin is washed and samples are denatured. The beads 
can be easily removed by simple centrifugation and the DNA of interest remains in the supernatant. 
The separation of cleavage products is performed as in the classic footprinting method. 

Nucleic acid cleavage and primer extension 

 

Although  DNaseI  and  hydroxyl  radicals  have  a  lot  of  advantages,  sometimes  other  cleavage 

agents are used as nucleases mung bean, P1 and S1. They are agents of choice when the nucleic acid 
is  single  stranded  DNA  or  RNA.  The  nucleoprotein  complex  formation  followed  by  nucleic  acid 
degradation by these agents is the same as in the classic footprinting assay. The difference is that the 
target nucleic acid is not labeled and the cleavage is followed by primer extension assay, in which 
a labeled primer is used (Fig. 9). The cleavage agent is used in a concentration, which enables to cut 
every molecule of the nucleic acid just once. The bound protein protects the potential cleavage sites 
what  is  observed  as  the  absence  of  a  nucleic  acid  fragment  of  a  particular  length.  Because 
the products  of  the  cleavage  reaction  are  single  stranded  nucleic  acid  fragments,  to  facilitate 
the visualization  of  the  reaction  products  a  one  labeled  primer  is  used.  In  the  PCR  reaction 
the complementary strands are synthesized and a ladder of double stranded fragments is produced. 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

25 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

As a control, the reaction without protein is prepared. The comparison of primer extension products 
of these two reactions allows to indicate the nucleic acid region bound by the protein.  
 
 
 

Fig. 9. The scheme of the footprinting assay 

with  the  primer  extension  reaction.  (A)  An 

analysis  of  protein  binding  site.  The  protein 

is incubated with non-labeled DNA, then the 

DNA is digested and the obtained fragments 

are used as a template for the PCR reaction 

with  a  labeled  primer.  Then  the  reaction 

products  are  dissolved  in  a  poliacrylamide 

gel  and  the  lack  of  the  visualized  bands 

correspond  to  the  site  occupied  by  the 

protein.  (B)  A  control  reaction  without  the 

protein.  

 
 
 

In vivo footprinting 

 

The  classical  footprinting  assay  required  the  interaction  of  purified  protein  with  prepared 

nucleic  acid  fragment.  Unfortunately  sometimes  the  reconstruction  of  native  conditions  is  very 
difficult and the lack of complex formation does not exclude the formation of such a complex in vivo
The results obtained from live cells can give more reliable information. However, in case of in vivo 
studies, the exposition of cells to the action of the cleavage agents for several minutes can result 
with  artificial  results.  It  is  mainly  because  the  used  chemicals  can  interact  with  many  cell 
components.  These  kinds  of  limitations  can  be  avoided  when  UV-light  is  a  footprinting  agent. 
The irradiation  of  DNA  results  with  a  wide  range  of  photoproducts  depending  on  local  DNA 
environment and the assumption is that one molecule is photomodified just once. The most frequent 
photoproducts formed in DNA are pyrimidine dimers, purine dimers are less frequent. The reactivity 
pattern is different for necked nucleic acid and molecule bound by the protein. After the irradiation 
the  nucleic  acid  is  isolated  from  the  cells  and  primer  extension  reaction  with  labeled  primer  is 
performed.  The  polymerase  stops when  it meets  the  photo-changed  nucleotide  and  the  ladder of 
amplification  products  is  generated.  They  are  separated  on  a  denaturing  polyacrylamide  gel  and 
detected depending on the labeling method.  

Potassium permanganate probing assay 

 

The potassium permanganate (KMnO

4

) probing assay is not a typical technique for detection of 

protein interactions with DNA. It is usually used to observe local melting of dsDNA and formation of 
a ssDNA  region.  However  because  of  the  similarities  to  the  footprinting  method  it  is  often  called 
“KMnO

4

 

footprinting”. Compared with nucleases, KMnO

4

 is an oxidizing agent that modifies thymine 

residues in single stranded DNA. The agent concentration is adjusted to obtain just one modification 
per molecule. This reagent does not modify the residues in double stranded nucleic acid. The probing 
with KMnO

4

 is followed by primer extension with a labeled primer (see above). During this reaction, 

the  polymerase  stalls  at  the  modified  thymines  on  the  template,  what  results  with  a  range  of 

denaturation

primer
extension

primer
extension

A

B

denaturation

primer
extension

primer
extension

primer
extension

A

B

background image

 

 

 

26 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

products of different length. The assay with KMnO

probing is typically use to identify a region within 

the  nucleic  acid  where  the  local  melting  of  double  stranded  molecule  and  formation  of  a  single 
stranded region occurs (“opening”).  

T

ROUBLESHOOTING

 

1.  If no or low cleavage of nucleic acid is observed: 

−  check  the  cleavage  agent  (the  DNaseI  concentration  and  activity;  if  hydroxyl  radicals  are  used  prepare 

new reagents) 

−  check the condition of the reaction, if there are no inhibitors of the cleavage agent 

2.  If the cleavage is observed within the expected footprint region: 

−  lower the concentration of cleavage agent 
−  reduce the time of cleavage reaction 
−  check the conditions of the binding reaction 
−  check the concentration and activity of the protein 

3.  If all bands are smeared: 

−  fresh, degassed reagents for gel preparation should be used  
−  the concentration of gel and running buffers should be checked 

L

ITERATURE

Hampshire A. J, Reusling D. A, Broughton-Head V. J, Fox K. R, 2007, Footprinting-A method for determining the 

sequence selectivity, affinity and kinetics of DNA-binding ligands, Methods 42: 128-140. 

Pfeifer G.P. and Tornaletti S, 1997, Footprinting with UV Irradiation and LMPCR, Methods 11: 189-196. 
Sandaltzopoulos R. and Becker P. B, 1995, Solid-phase DNaseI footprinting, Biochemica 4: 25-27. 
Travers A. and Buckle M, 2000, DNA-Protein Interactions, Oxford University Press. 

Q

UESTIONS

1.  What cleavage agents can be used in a footprinting experiment? 
2.  Can the footprinting assay be an in vivo experiment? 
3.  What type of footprinting method would you use for detection of: 

a. protein-DNA interaction sites 
b. dsDNA melting regions 
c.  nucleoprotein interactions within Adenine and Thymine rich regions? 

 

 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

27 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 5. Surface Plasmon Resonance (SPR) 

 

One of the most sophisticated techniques enabling investigation of the interactions between 

molecules  in  real  time  is  the  surface  plasmon  resonance  (SPR).  It  is  a  specific  chromatography 
technique since two phases are present in the experiment: the mobile phase (analyte) passes over 
the  immobile  phase  (ligand  attached  to  the  surface  of  the  sensorchip).  In  SPR  technique  a  very 
sensitive  detection  system  is  used,  what  makes  performing  experiments  with  a  trace  amount  of 
substance  and  observing  even  cryptic  interactions  possible.  Moreover,  the  use  of  the  available 
software gives the possibility to calculate the values of constants from the obtained results. The first 
use  of  the  SPR  concerned  the  immuno-complex  formation.  However,  the  development  of  this 
method  nowadays  enables  analyzing  interactions  between  different  molecules,  like  nucleic  acids, 
proteins, lipids or even the entire cells and viruses. The SPR is a powerful technique applied not only 
in life sciences but also in drug discovery or food analysis.  
 
 
 
 

Fig. 10. The  schematic  SPR  de-

tection  system.  The  basic 

elements such as prism, sensor 

chip and a flow cell are marked 

at the scheme. The black arrow 

shows the direction of the flow 

through the flow cell. 

 
 
 
 
 

The physical basis of SPR is an optical method that enables the measurement of the angle of 

light  reflected  from  the  surface  of  a  sensor  chip  coated  with  a  thin  golden  film  (Fig. 10). 
The reflection of the incident polarized light is not total because some of the energy is lost in the 
film.  When the  angle of the  incident  light  is  proper,  it  can  cause  a  resonance  of mobile  electrons 
(plasmons) present at the surface of the gold layer. The resonance frequency and indirectly the angle 
of the reflected light depend on the refractive index, i.e. the medium surrounding the sensor chip 
surface.  Contact  with  a  buffer  or  binding  a  ligand  to  the  surface  of  a  sensor  chip  changes 
the refractive  index  and  therefore  the  reflection  angle.  This  angle  is  called  surface  plasmon 
resonance angle and the greater the mass immobilized on the surface of the sensor chip the greater 
changes in the SPR angle detected. The changes in the spr angle are reported as response units (RU) 
and  every  1000  RU  corresponds  to  about  0.1°  change  in  the  reflection  angle,  which  is  caused  by 
binding approximately 1 ng of the protein on every mm

2

 of the sensor chip.  

Nomenclature 

Ligand – a molecule attached to the surface of the sensor chip  
Analyte – a molecule that is passed in the solution over the immobilized ligand 
Sensogram – a plot of the response against time, showing the progress of the interaction  

prism

incident

light

reflected

light

flow cell

sensor chip
(glas sidle,

gold layer)

ligand

analyte

SPR angle

prism

incident

light

reflected

light

flow cell

sensor chip
(glas sidle,

gold layer)

ligand

analyte

SPR angle

background image

 

 

 

28 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Sensor chips 

 

The  sensor  chip  is  a  glass  surface,  that  is  coated  with  a  very  thin  layer  of  gold.  Usually 

the metal layer is modified and a dextran hydrogel layer is added to form a hydrophilic environment 
on  the  surface  of  the  sensor  chip.  This  modification,  and  also  some  others,  facilitate 
the immobilization  of  the  molecules.  One  sensor  chip  contains  4  flow  cells  (channels),  what  gives 
a possibility  to  perform  3  experiments  simultaneously.  The  fourth  channel  remains  empty 
and functions as a reference one.  
Depending on the sensor chip surface character, we can distinguish: 
−  CM1 - contains a carboxymethylated surface without dextran; has low binding capacity; is suitable 

for  binding  large  molecules,  viruses,  entire  cells;  couples  molecules  to  carboxyl  groups  on  the 
sensor surface via -NH

2

, -SH, -CHO, -OH or –COOH groups 

−  CM3 - contains a surface with carboxymethylated short dextran chains; it is suitable for binding 

large molecules, viruses, entire cells; couples molecules to carboxyl groups on the sensor surface 
via -NH

2

, -SH, -CHO, -OH or –COOH groups 

−  CM4 - contains a surface with dextran chains as long as in the CM5 sensor chip (longer than in 

CM3) but with lower carboxymethylation; due to a reduced negative charge of the surface it is 
suitable for immobilization of negatively charged molecules 

−  CM5 - one of the most commonly used sensor chips; contains a surface with carboxymethyleded 

dextran chains longer than in the CM3 chip; suitable for binding small to large molecules or whole 
viruses; couples molecules to the carboxyl groups on the sensor surface via -NH

2

, -SH, -CHO, -OH 

or –COOH groups 

−  CM7 - similar to the CM5 sensor chip but contains a surface with higher carboxymethylation of 

the  dextran  chains  and  higher  density  of  the  matrix,  what  provides  three  times  higher 
immobilization capacity; suitable for binding small molecules; couples molecules to the carboxyl 
groups on the sensor surface via -NH

2

, -SH, -CHO, -OH or –COOH groups 

−  NTA  -  contains  a  surface  with  carboxymethylated  dextran  chains,  pre-immobilized  with 

nitrilotriacetic acid (NTA); suitable for binding His-tagged proteins 

−  SA  -  contains  a  surface  with  carboxymethylated  dextran  chains,  pre-immobilized  with 

streptavidin; suitable for binding molecules tagged with biotin 

−  L1 - contains a surface with carboxymethylated dextran with covalently attached lipophilic groups; 

suitable  for  binding  lipid  membrane  vesicles;  provides  the  maintenance  of  the  lipid  bilayer 
structure 

−  HPA - contains a hydrophobic surface with a long-chain of alkanethiol molecules, attached directly 

to the golden film; suitable for binding lipid monolayers 

Immobilization methods 

 

Every SPR analysis begins with immobilization of a ligand on the surface of the sensor chip. 

There are three main methods enabling to attach molecules: covalent immobilization, immobilization 
via coupled molecule or hydrophobic adsorption. The chosen method depends on the character of 
the immobilized molecule and on the type of the sensor chip, which is going to be used.  
 

Covalent immobilization is the most popular method used to attach molecules on the surface 

of the sensor chip. The CM sensor chips are suitable for this method and the CM5 is usually the chip 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

29 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

of  first  choice.  It  requires  modification  of  the  ligand  and  provides  its  stable  attachment  in 
the conditions used in the course of an experiment. The conditions of the immobilization reaction 
should take into consideration: the temperature (usually 25°C), pH (3,5<pH<pI of the protein) and the 
buffer composition (e.g. for amine coupling Tris should be omitted). Before the attachment of the 
molecules  the  surface  of  the  sensor  chip  requires  activation.  Addition  of  1-ethyl-3-(3-
dimethylaminopropyl)-carbodiimide  (EDC)  and  N-hydroxysuccinimide  (NHS)  to  the  carboxy-
methylated  matrix  of  the  chip  results  in  the  formation  of  succinimide  esters,  that  spontaneously 
react  with  a  ligand.  Attaching  the  ligand  can  utilize  three  coupling  chemistries:  via  amine  (amine 
coupling), thiol (thiol coupling) or aldehyde (aldehyde coupling) groups. After the immobilization of 
the  ligand,  the  excess  of  the  reactive  group  should  be  inactivated  by  addition  of  an  appropriate 
chemical, for instance ethanolamine in case of the amine coupling. It should be remembered that in 
this method it is difficult to determine the orientation of the bound ligand. The most heterogeneous 
orientation  is  given  by  the  amine  coupling  since  most  proteins  contain  several  available  amine 
groups.  
 

The  defined  attachment  orientation  can  be  provided  by  the  capturing  approach.  It  utilizes 

the immobilization  of  the  ligand  via  a  capturing  molecule,  covalently  attached  to  the  surface  of 
the sensor chip. Streptavidin (sensor chip SA) or NTA (sensor chip NTA) can be such molecules and 
they require that the ligand contains biotin or His-tag, respectively. The surface of the sensor chip 
can  also  be  prepared  individually  and  other  tags  or  antibodies  can  be  used  as  the  capturing 
molecules. Unfortunately, the maximum analyte binding capacity is usually lower when compared to 
a directly immobilized ligand.  
 

The third method of the immobilization of the molecules is a hydrophobic attachment based 

on lipid monolayers (sensor chip HPA) and bilayers (sensor chip L1). The lipid monolayer is created by 
adsorption of lipids from micelles or liposomes on the surface of the sensor chip. They are bound in 
a way that the hydrophobic lipid tails are oriented towards the golden film and the hydrophilic heads 
towards  the  aqueous  sample.  In  case  of  creating  a  sensor  chip  with  a  lipid  bilayer,  the  chip  with 
a matrix  containing  a  dextran  with  hydrophobic  structures  can  be  used.  These  structures  can  be 
inserted into the liposomes and attach the membranes to the dextran matrix.  
 

When the method of immobilization is chosen, a proper amount of ligand that is going to be 

attached  should  be  estimated.  The  amount  of  the  bound  ligand  is  expressed  as  ligand  binding 
capacity presented in response units RU. It depends on the molecular weight of both the ligand and 
the analyte and can be calculated from the formula: 

 

The SPR experiment 

 

When a ligand is immobilized on the surface of the sensor chip, the actual experiment can be 

performed. Three phases can be distinguished during a SPR experiment: association, dissociation and 
regeneration (Fig. 11). In the first step an analyte dissolved in a suitable buffer (called running buffer) 
passes  over  the  immobilized  ligand  and  interacts  with  it.  If  the  two  form  a  complex  the  mass 
attached to the gold layer rises, what changes the spr angle and causes an increase of the detected 
signal. The second phase is dissociation, when the analyte is omitted from the running buffer and the 
formed complex dissociates. During this phase a detected response decreases. In the last stage of 

 

ligand binding 

capacity (RU) 

analyte binding 

capacity (RU) 

ligand molecular 

weight 

analyte molecular 

weight 

× 

background image

 

 

 

30 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

the experiment,  the  surface  of  the  sensor  chip  is  regenerated  by  removing  the  remnants  of 
the analyte.  What  is  important,  the  ligand  is  not  damaged  during  this  phase  and  after 
the regeneration the next experiment can be performed. However, it should be remembered that 
the surface of the sensor chip with the immobilized ligand is not indestructible and approximately 
after 40 analyte injections a noticeable decrease in the analyte binding capacity is detected. In this 
situation the sensor chip should be changed.  

 

Fig. 11. Schematic illustration of a sensogram. The three main phases of the spr experiment (1-3) and response 

points (a, b) important to calculate analyte binding response (relative response; c) are marked on the diagram. 

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  Activation of the surface of the sensor chip and preparation of the ligand 
2.  Immobilization of the ligand 
3.  Injection of the analyte 
4.  Analysis of the interaction 
5.  Regeneration of the surface of the sensor chip  

T

ROUBLESHOOTING

 

1.  If no association of an analyte, expected to bind the ligand, is detected: 

−  verify the binding conditions; when required, change the buffer  
−  verify the analyte activity 
−  verify the analyte concentration 

2.  If the signal detected on the reference channel increases 

−  use more stringent experimental conditions 
−  change the sensor chip 

3.  If the analyte binding capacity decreases 

−  verify the analyte activity 
−  change the sensor chip 

 

association 

dissociation 

regeneration 

baseline 

response (RU) 

relative 
response (RU) 

Time (s) 

Re

sp

o

n

se

 (

RU

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

31 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

L

ITERATURE

 

Biacore Sensor Surface Handbook BR-1005-71 Edition AB. 
Cullen  DC,  Brown  RG,  Lowe  CR,  1987-1988,  Detection  of  immuno-complex  formation  via  surface  plasmon 

resonance on gold-coated diffraction gratings. Biosensors 3(4): 211-25. 

Schasfoort  R.B.M.  and  Tudos  A.J,  2008,  Handbook  of  Surface  Plasmon  Resonance,  The Royal  Society  of 

Chemistry Publishing. 

Q

UESTIONS

 

1.  What kind of sensorchip would you use during analysis of protein interactions with  

a. DNA 
b. proteins 

2.  Describe the bases of ligand attachment by the capturing approach. 
3.  The figure below presents sensograms of proteins A (A) and B (B) binding to the DNA fragment, immobilized 

on the surface of a SA sensorchip. The molecular mass of protein A is 50kDa and protein B 100kDa. What 
can you say about the interaction of the proteins A and B with the analyzed DNA fragment? 

 

 

 

Time (s)

Re

sp

o

n

se

(RU

)

A

0

500

250

375

125

50

150

250

350

450

Time (s)

Re

sp

o

n

se

(RU

)

B

0

500

250

375

125

50

150

250

350

450

Time (s)

Re

sp

o

n

se

(RU

)

A

0

500

250

375

125

50

150

250

350

450

Time (s)

Re

sp

o

n

se

(RU

)

A

0

500

250

375

125

50

150

250

350

450

Time (s)

Re

sp

o

n

se

(RU

)

B

0

500

250

375

125

50

150

250

350

450

Time (s)

Re

sp

o

n

se

(RU

)

B

0

500

250

375

125

50

150

250

350

450

background image

 

 

 

32 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 6. Chromatin immunoprecipitation assay (ChIP) 

 

Among the many techniques that enable investigation of interactions between proteins and 

nucleic  acids,  the  chromatin  immunprecipitation  assay  (ChIP)  is  utilized  for  detection  of 
a nucleoprotein  complex  formation  in vivo.  The  method  is  based  on  fixation  (crosslinking)  of 
nucleoprotein complexes within cells at any point of the cell cycle, fragmentation of nucleic acid and 
isolation  of  a  protein-nucleic  acid  complex  via  specific  antibodies  that  recognize  the  protein  of 
interest (Fig. 12). In the original method the DNA isolated from the complex is used as a template in 
PCR reaction (see Chapter 1). There are also experiments called “RIP” where it is the RNA that is 
co-precipitated with a protein and then it is submitted to a reverse transcription reaction.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Fig. 12. A scheme of the Chromatin Immunoprecipitation 

assay  (ChIP).  The  protein  of  interest  is  marked  as  a  red 

circle,  the  protein  A  from  Staphyclococcus aureus  is 

marked as a gray circle and the black ellipse represents 

sepharose beads. The scheme presents the basic steps of 

the ChIP assay: Crosslinking of nucleoprotein complexes; 

Cell lysis and nucleic acid fragmentation; Incubation with 

antibodies; Precipitation; Nucleic acid purification. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

The ChIP technique was used mainly to determine the binding sites of transcription factors and 

histone  proteins.  Now  it  is  applied  to  recognize  binding  sites  for  many  other  proteins  and  is 
combined  with  other  techniques,  such  as  real-time  PCR,  microarrays  (ChIP-on-chip),  cloning  or 
sequencing (ChIP-seq).  

Precipitation

Crosslinking of nucleoprotein complexes

Cell lysis and nucleic acid fragmentation

Incubation with antibodies

Decrossling and nucleic acid purification

sepharose

A

Detection e.g. PCR

A

Precipitation

Crosslinking of nucleoprotein complexes

Cell lysis and nucleic acid fragmentation

Incubation with antibodies

Decrossling and nucleic acid purification

sepharose

A

Detection e.g. PCR

A

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

33 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

 

Although the procedure is simple, optimization of conditions is usually needed. The optimal 

cross-linking  agent,  fixation  conditions,  nucleic  acid  fragmentation  method,  immunoprecipitation 
conditions and post-immunoprecipitation detection technique should be carefully chosen.  

Cross-linking agent 

 

Fixation  of  cellular  structures  can  be  obtained  by  chemical  (acridine  orange,  cisplatin, 

formaldehyde, methylene blue) or UV light crosslinking.  
 

Formaldehyde is the most popular crosslinking agent since the fixation is very simple and it can 

be easily reversed. Formaldehyde can be added directly to the cell culture because it penetrates the 
cell membranes and crosslinks proteins to nucleic acids. In a protein it reacts with amine and imine 
groups of amino acids such as lysines, arginines, histidines and in a nucleic acid with the side chains 
of adenines and cytosines, what results in the formation of Shiff’s bases. The time of incubation with 
formaldehyde  should  always  be  adjusted  individually  since,  for  example,  non-histone  proteins 
require longer incubation. However, it should be taken into consideration that longer exposition of 
cells to this chemical can also cause protein-protein crosslinking, what in consequence can give false-
positive  result  or  it  can  hinter  nucleic  acid  fragmentation  leading  to  false  negative  results. 
Formaldehyde  is  also  a  mild  denaturing  agent  and  during  an  exposition,  which  is  too  long, 
denaturation of proteins can occur, what can decrease the antigen availability. Therefore the fixation 
time  should  not  be  exceeded  and  on  average  should  be  up  to  10-30  minutes.  The  crosslinking 
reaction can be stopped by the addition of glycine solution (0.125 M) and reversed by heating (6h 
at 65°C).  
 

Other  crosslinking  chemicals  are  less  often  used,  since  they  could  be  very  toxic  or  crosslink 

only DNA with proteins, like for example cisplatin. Some of them (acridine orange, methylene blue) 
are agents of choice if nucleases or restriction enzymes are to be used for fragmentation of nucleic 
acids, since after the formaldehyde fixation only sonication can be applied.  
 

Besides the use of chemical crosslinking agents it is also possible to utilize ultraviolet light for 

cells fixation. The source of light should be in a distance of 2-3 cm from a dish with the cell culture. 
The cell irradiation with 254 nm or 266 nm UV light takes usually from a few seconds (for laser as the 
source  of  light)  up  to  15  minutes  (for  low  intensity  light  source)  and  crosslinks  nucleic  acids  with 
proteins.  The  first  crosslink  was  shown  for  cysteine  with  uracyl  and  cysteine  with  thymine.  Apart 
from  the  cysteine,  the  most  photoreactive  amino  acids  are  phenylalanine  and  tyrosine. 
Unfortunately, over-irradiation can cause damage both in proteins and nucleic acids and can bring 
false negative results. Appropriate irradiation time should be adjusted in every experiment. 

Nucleic acid fragmentation method 

 

To  facilitate  the  purification  of  a  nucleoprotein  complex  from  the  cell  lysate  and  to  enable 

reliable estimation of the region of nucleic acid bound by the protein, fragmentation of nucleic acid is 
required. The most commonly used method is sonication, which utilizes ultrasounds for shredding 
nucleic acids, what produces fragments from 100 to 500 bp in length. Usually several cycles, a few 
seconds burst and a few seconds pause, are applied. It is very important to keep samples chilled on 
ice during the sonication since heat released during this process can result in denaturation of nucleic 
acids  and  proteins.  After  the  nucleic  acid  fragmentation  with  ultrasounds  the  sample  can  be 
immediately subjected to immunoprecipitation. 
 

An alternative for the sonication method is digestion of the nucleic acids with nucleases. It is 

often used when no crosslinking agent was added or after a UV-light crosslinking. The reaction is fast 

background image

 

 

 

34 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

and simple, the incubation is performed in 37°C for 5 min. It can be easily stopped by addition of 
EDTA, that chelates divalent ions, which are cofactors for nucleases. Digestion with nucleases is not 
recommended after formaldehyde crosslinking because due to the nucleic acid fixation the cleavage 
is  not  efficient.  A  disadvantage  of  this  method  is  the  necessity  of  purification  of  nucleic  acid 
fragments after the cleavage reaction. The procedure requires centrifugation of the reaction mixture 
in a CsCl gradient, which is time-consuming.  

Immunoprecipitation conditions 

 

One of the most important steps during the whole ChIP procedure is immunoprecipitation of 

the  nucleoprotein  complex  from  a  cell  lysate.  It  is  performed  by  addition  of  specific  antibodies 
recognizing  the  protein  of  interest  bound  to  the  nucleic  acid  and  subsequent  isolation  of  such 
a complex.  Concentration  of  the  antibodies  and  the  time  of  incubation  depend  on  the  antibody 
specificity  and  should  be  adjusted  experimentally.  After  the  recognition  of  the  nucleoprotein 
complex  by  the  antibodies,  the  whole  complex  is  purified  by  utilization  of  protein  A  from 
Staphyclococcus aureus or protein G from Streptococcal bacteria, conjugated with sepharose beads. 
These proteins are able to bind with high affinity to the Fc region of an antibody. Conjugation with 
the sepharose beads facilitates the isolation of such a complex by simple centrifugation. Although 
the method of purification of the immunoprecipitated complex is quite fast and easy, a problem with 
high background can occur. It arises from unspecific interactions of proteins and nucleic acids with 
sepharose beads. To avoid it, competitors such as BSA or sonicated salmon sperm DNA are added to 
the  samples.  Also  the  use  of  magnetic  beads  can  solve  this  problem,  however,  it  is  still  quite 
an expensive technique.  

Post-immunoprecipitation detection methods 

 

After the isolation of the nucleoprotein complex through the interaction with antibodies and 

the proteinA-sepharose beads, the nucleic acid should be isolated for further analysis. If the DNA is 
the nucleic acid and formaldehyde is the crosslinking agent, it can be achieved by a simple incubation 
of the sample in a TE buffer at 65°C for 6h, followed by centrifugation. The supernatant contains the 
DNA fragments released from the complexes. Also, the whole nucleoprotein complex can be released 
during incubation with 1% SDS and 0,1 M NaHCO

3

 solution, for 15 min at room temperature. Then 

the protein-DNA complex is further incubated at 65°C for 6h, to de-crosslink (reverse crosslink) and 
release the nucleic acid. Addition of proteinase K helps to degrade proteins present in the sample. 
The isolated nucleic acid can be further analyzed in a PCR reaction, Southern blotting or sequencing 
reaction.  
 

In  case  of  RNA-protein  complexes  the  procedure  is  very  similar.  After  the  isolation  of 

the complex with antibodies and beads coated with the protein A, an elution buffer (100 mM Tris, 10 
mM  EDTA,  1%  SDS  and  DEPC-H

2

O)  is  added  and  the  sample  is  incubated  for  10  minutes  at  37°C, 

followed by centrifugation. The supernatant contains the RNA-protein complexes, from which pure 
RNA can be obtained by proteinase K-mediated degradation of the protein. Subsequently the RNA 
can be utilized in a RT-PCR or northern blotting analysis.  
 

If a protein is going to be analyzed, the Laemmli buffer can be added directly to the sample 

containing beads with isolated complexes. Next, after heating and centrifugation the supernatant can 
be loaded onto denaturing polyacrylamide gels and SDS-PAGE followed by western blotting can be 
performed.  

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

35 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Control experiments 

 

When preparing a ChIP analysis one should carefully plan control experiments, since difficulties 

at every step of the procedure can give false results. A sample of the cell lysate should be taken to 
confirm the presence of the nucleic acids and proteins in the initial material. To exclude over-fixation, 
cross-reactivity of antibodies or unspecific interactions with resin, preparation of samples omitting 
the  addition  of  the  crosslinking  agent,  antibodies  or  protein  A-sepharose  beads,  should  be 
performed. If it is available, a lysate from cells with the deletion of a gene encoding the protein of 
interest could also be used as a negative control.  

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  Crosslinking of nucleoprotein complexes within the living cells (chemicals, UV-light) 
2.  Lysis of the cells (enzymatic; mechanical; ultrasounds) 
3.  Nucleic acid fragmentation (sonication; enzymatic cleavage) 
4.  Incubation with antibodies specific for the protein of interest 
5.  Incubation with beads coated with protein A or protein G 
6.  Purification of the complexes by centrifugation  
7.  Isolation of nucleic acid-protein complexes, necked nucleic acid or protein  
8.  Further analysis (PCR, blotting, sequencing) 

ChIP and other methods 

ChIP-chip 

 

One  of  the  most  popular  modifications  of  the  ChIP  technique  is  the  so  called  ChIP-on-chip

which  combines  classical  the  immunoprecipitation  assay  with  microarrays.  It  enables  very  fast 
screening of whole genomes for regions bound by proteins of interest. For example, the combination 
of these two methods was successfully applied for the detection of regions bound by transcription 
factors in yeasts. The method for obtaining the nucleic acid fragments in the ChIP-chip is the same as 
in  the  classic  immunoprecipitation  assay.  The  additional  steps  are  the  fluorescent  labeling  of 
the obtained fragments and hybridization to a genome microarray. As a control of the background, 
the initial nucleic acid fragments (after sonication) labeled with a different dye can be used. The most 
popular dyes utilized in this technique are Cy3 and Cy5.  

ChIP cloning 

 

In a ChIP-cloning method the nucleic acid fragments obtained from the ChIP assay are cloned 

into vectors. This results in the construction of a library, containing fragments bound by a particular 
protein. In this technique it is very important to obtain as low a background as possible since nucleic 
acid  fragments  bound  nonspecifically  by  the  protein  have  equal  chance  to  be  cloned  as 
the specifically-bound fragments.  

ChIP-seq 

 

To  identify  an  unknown  sequence  recognized  by  the  protein  of  interest,  the  ChIP  assay 

followed by a sequencing reaction can be performed. It is usually utilized for creating binding maps 
of whole genomes and requires analysis of large packages of data. There are many software tools 
and sophisticated algorithms that assist during such data analysis and help disprove false results.  

background image

 

 

 

36 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

T

ROUBLESHOOTING

 

1.  If no nucleic acid is detected after ChIP procedure: 

−  verify the initial nucleic acid content (if necessary, add nuclease inhibitors; increase the number of cells 

used in the experiment); 

−  verify the conditions of the crosslinking reaction (formaldehyde can cause over-fixation and masking of 

the nucleic acid by proteins; UV-light can damage both nucleic acid and the protein); 

−  verify the presence of the initial protein (if necessary add the protease inhibitors); 
−  check  the  specificity  of  antibodies  (if  necessary,  adjust  the  concentration  and  time  of  incubation  with 

antibodies). 

2.  If nucleic acid is detected in a negative control reaction: 

−  add competitors (BSA, salmon sperm DNA); 
−  reduce the time of incubation with a resin; 
−  increase the concentration of a salt in the sample; 
−  add a detergent (TritonX, NP40, Brij 58). 

L

ITERATURE

 

Buck  M.J.  and  Lieb  J.D,  2004,  ChIP-chip:  considerations  for  the  design,  analysis,  and  application  of  genome- 

wide chromatin immunoprecipitation experiments, Genomics 83: 349-360. 

Das  P.M,  Ramachandran  K,  vanWert  J,  Singal  R,  2004,  chromatin  immunoprecipitation  assay,  BioTechniques 

37(6): 961-969. 

Smith K.C, Aplin R.T, 1966, A mixed photoproduct of uracil and cysteine (5-S-cysteine-6-hydrouracil). A possible 

model  for  the  in vivo  crosslinking  of  deoxyribonucleic  acid  and  protein  by  ultraviolet  light,  Biochemistry 

5:2125-2130. 

Smith KC, 1969. Photochemical addition of amino acids to 14C-uracil, Biochem. Biophys. Res. Commun. 34: 354-

357. 

Smith  K.C,  1970,  A  mixed  photoproduct  of  thymine  and  cysteine:  5-S-cysteine,  6-hydrothymine.  Biochem. 

Biophys. Res. Commun, 39: 1011-1016. 

Travers A. and Buckle M, 2000, DNA-Protein Interactions, Oxford University Press. 

Q

UESTIONS

 

1.  Is it possible to identify a sequence of a DNA fragment bound by the protein, analysed by ChIP? 
2.  What modifications of the ChIP technique increase output of the method? 
3.  Protein X has been analyzed for its binding to DNA fragment by ChIP. How would you interpret the obtained 

result presented on the figure below? What kind of additional control(s) would you propose? 

 

 

 

PCR product

1            2              3             4               

C

ells

lin

e

A

C

ells

lin

e

B

C

ells

lin

e

C

C

ont

rol

of

P

CR 

re

ac

tion

PCR product

1            2              3             4               

C

ells

lin

e

A

C

ells

lin

e

B

C

ells

lin

e

C

C

ont

rol

of

P

CR 

re

ac

tion

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

37 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 7. Microscopy 

 

Researchers’  adventure  with  microscopy  began  in  the  XVII  century,  when  Leeuwenhoek 

improved  the  construction  of  the  microscope  and  was  first  to  start  observing  living  cells. 
The microscope  he  was  using  was  a  light  microscope  and  since  those  days  it  was  improved many 
times  resulting  in  a  wide  range  of  different  instruments  that  enable  observations  of  subcellular 
structures.  One  of  the  greatest  breakpoints  took  place  at  the  beginning  of  the  XX  century  and 
involved  the  utilization  of  beams  of  electrons  for  creating  a  specimen’s  image.  It  enabled  the 
observation of molecules as small as the nucleic acids, proteins or nucleoprotein complexes. Then 
the subsequent progress in microscopic imaging lead to the observation of molecules with atomic 
resolution that allows to notice even subtle changes in a molecule’s structure.  

Fluorescence microscopy 

 

Light  microscopy  was  the  first  technique  developed  to  observe  biological  objects. 

Unfortunately,  it  was  very  difficult  to  observe  molecules  as  small  as  nucleic  acids,  since  this 
technique provides resolution of about 0,2 µm and results in good images only for dark or strongly 
refracting  specimens.  For  better  imaging  of  biological  structures  fluorescence  microscopy  was 
developed. It is also a type of light microscopy but the object of interest is illuminated with a nearly 
monochromatic light that excites a specimen’s fluorescence. Then the emitted light passes through 
an emission filter to the microscope lens. (Fig. 13) The presence of such a filter ensures that only 
emitted light is going to be observed. Depending on the light source, also an excitation filter can be 
used that provides monochromatization of the emergent light. Besides a source of light emission and 
an excitation filter often there is also a dichroic mirror installed. It reflects the excitatory light beam 
and divides it into a number of spectrally distinct output beams, what results in an illumination of the 
specimen with an intense light.  

 

 

 

Fig. 13.  A  scheme  of  light  fluorescent 

microscope.  The  elements  of  the 

microscope  such  as  ocular,  objective, 

emission and excitation filters, source of 

light and dichroic mirror are marked on 

the  picture.  The  black  arrow  indicates 

the  whole  light  spectrum  produced  by 

the lamp. The dark gray arrow shows the 

path of the excitation light and the light 

gray  arrow  represents  the  light  emitted 

by the specimen. 

 
 
 
 

Fluorescence microscopy allows  to observe  a molecule  that  emits  light  by  itself or  that was 

stained or tagged with a fluorescent molecule. The most popular dye utilized for DNA staining is DAPI 
(

Light source

Ocular

Dic

hr

oic

mi

rro

r

E

x

c

it

a

tio

n

filt

e

r

Specimen

Emission filter

Objective

Light source

Light source

Ocular

Dic

hr

oic

mi

rro

r

E

x

c

it

a

tio

n

filt

e

r

Specimen

Emission filter

Objective

4',6-diamidino-2-phenylindole). It associates with AT clusters in the minor groove and preferentially 

background image

 

 

 

38 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

stains dsDNA. DAPI can also bind RNA but in a different binding mode. It is excited by a 

 

Apart from dyes, naturally occurring proteins like green fluorescent protein (GFP), can be used 

as fluorescent tags facilitating microscopic observations of nucleic acids and proteins. A gene for such 
a  tag  can  be  fused  with  the  gene  for  a  protein,  that  binds  the  analyzed  nucleic  acid.  Binding  of 
the product of this gene (fusion protein) to the nucleic acid can result in focusing of fluorescence in 
a subcellular position, that corresponds to the subcellular position of the nucleic acid. This kind of 
nucleic acid tagging is utilized for example in the fluorescent repressor-operator system (FROS).  

wavelength of 

358 nm and emits light of 460 nm wavelength (when bound with RNA it emits light of about 500 nm) 
which is visible as blue fluorescence.  

Fluorescent Repressor-Operator System (FROS) 

 

The  FROS  technique  enables  localization  of  a  DNA  particle  in  living  cells  and  is  based  on 

the interaction  between  a  fusion  protein  (repressor  fused  with  a  fluorescent  protein)  and 
an operator sequence introduced into the nucleic acid of interest. Binding of the operator sequence 
by the fusion protein, via an interaction with the repressor, results in a convergence of fluorescence 
in  the  position  occupied  by  the  nucleic  acid  (Fig.14).  Under  a  microscope  it  is  observed  as 
a fluorescent focus.  

 

Fig. 14.  A  scheme  of  FROS  system  based  on  lactose  (A)  and  tetracycline  (B)  operons.  The  gene  for  fusion 

protein  (repressor  and  fluorescent  protein)  is  expressed  under  the  control  of  arabinose  promoter  P

BAD

The DNA of interest contains the cassette with 256 repeats of operator sequence lacO (A) or tetO (B). Binding 

of repressor to the operator sequence results in focusing of fluorescence in the position of DNA of interest. 

 

For the first time FROS was used by Robinett and co-workers to visualize chromosomal DNA 

in budding  yeasts.  256  repeats  of  an  operator  sequence  from  the  lactose  operon  lacO  were 
introduced to the yeast chromosome. Then the gene encoding for the LacI repressor in fusion with 
GFP  was  expressed;  binding  of  the  LacI-GFP  to  the  lacO  sequence  resulted  in  the  observation  of 
a fluorescent focus in the position corresponding to the subcellular localization of chromosomal DNA. 
A similar system, based on tetracycline operon elements was used later by Michaelis and co-workers. 
The FROS technique is now mainly applied and intensively exploited for determination of plasmid’s 
localization in bacterial cells. The main advantage of this system is that it enables the observation of 
molecules in living cells in different conditions and at different points of the cell cycle. Locating the 
gene for a fusion protein under the control of a regulated promoter also facilitates the control over 
the expression level of the gene. The only difficulty and limitation of the FROS technique is that it 
requires  the  introduction  of  an  operator  sequence  into  the  sequence  of  the  DNA  molecule of 
interest. The bacterial cell should also contain the gene for the fusion protein. These requirements 

 

P

BAD

 

P

BAD

 

lacI 

gfp 

eyfp 

tetR 

lacO 

lacO 

tetO 

tetO 

tetO 

lacO 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

39 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

cause the necessity of genetic manipulations before microscopic observations and are a bottleneck 
of the FROS technique.  

A

BRIDGED PROCEDURE

1.  Preparation of a DNA molecule of interest (incorporation of an operator sequence) and the gene encoding 

the fusion protein  

2.  Cell culture preparation  
3.  Induction of the expression of the lacI-gfp gene (time of the expression should be adjusted experimentally; 

for E. coli cells the expression from the PBAD promoter usually lasts 30 min.) 

4.  Inhibition of the expression of the lacI-gfp gene  
5.  Additional staining of the cells (optional) 
6.  Preparation of the specimen  

Fluorescent in situ hybridization (FISH) 

 

An  observation  of  the  subcellular  localization  of  a  nucleic  acid  can  be  performed  not  only 

in living cells (with FROS) but also in fixed cells - by using FISH technique. FISH was developed in the 
late  1960s  and  utilizes  the  hybridization  of  radiolabeled  probes  to  a  complementary  sequence  of 
the investigated nucleic acid. Nowadays, fluorescently labeled probes are commonly used for FISH 
experiments. The probe can be a restriction fragment that is labeled at one end by incorporation of 
a modified nucleotide (

☼-dNTP) by the terminal deoxinucleotide transferase (TdT) (Fig. 15) or during 

a 3'-end filling reaction with the use of Klenow fragment of the DNA polymerase I.  
 

Apart  from  the  preparation  of  the  probes,  fixation  of  the  cells  is  required  during  a  FISH 

procedure  and  consists  of  incubation  with  a  crosslinking  agent  (e.g.  paraformaldehyde)  and 
subsequent dehydratation of the cells in alcohol baths (70%, 90% and 96% ethanol). The cells are 
prepared on a glass slide what facilitates the following microscopic observations. Before the probes 
are added to the cells both probes and the investigated DNA are denatured by heating the samples 
and  then  hybridization  is  continued  at  42°C  for  16-20  hours.  Next,  the  excess  of  the  probes  is 
removed  by  simple  washing  of  the  glass  slide  and  then  additional  staining  of  the  cells  can  be 
performed.  

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  Preparation of the probes (fluorescent labeling with tagged nucleotide 

☼-dNTP) 

2.  Cell fixation (formaldehyde, paraformaldehyde) 
3.  Permeabilization ( lyzozyme, detergent) (optional) 
4.  Cell dehydration (ethanol baths) 
5.  Denaturation of the probes and the nucleic acid within the cells 
6.  Hybridization 
7.  Removal of the excess of the probes 
8.  Additional staining (optional) 
9.  Microscopic observations 

background image

 

 

 

40 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

 

Fig. 15. A scheme of cells (A) and fluorescent probe preparation (B) and abridged FISH procedure (C). The cells 

are fixed with for e.g. paraphormaldehyde and the cell wall and membranes are permeabilized (A) The probe is 

prepared  by  addition  of  fluorescently  labeled  nucleotide  to  the  3’  end  of  short  DNA  fragment,  containing 

sequence  complement  to  the  DNA  of  interest.  The  reaction  is  catalyzed  by  terminal  deoxynucleotide 

transferase (B). Then the probes are mixed with the cells (C) and the sample is heated, making possible the 

denaturation  of  DNA,  both  the  probe  and  the  investigated  DNA.  Next  the  cells  are  incubated  allowing 

the hybridization  of  the  probe  with  DNA  of  interest  within  the  complement  region.  After  that  cells  can  be 

additionally stained with fluorescent dyes (e.g. DAPI) and prepared for microscopic observations. 

 

The  procedure  is  very  similar  for  both  prokaryotic  and  eukaryotic  cells,  therefore  it  is 

commonly used in microbiology, genetic diagnostics and tumor biology. It allows to detect even very 
small  alterations  (deletion,  duplications,  rearrangements)  in  the  genetic  material,  therefore  it  is 
a popular method of karyotyping (visualization of a cell’s chromosomes). FISH can also be utilized for 
comparing samples from different organisms and finding the differences in a gene arrangement.  

Nucleic acid localization via its binding proteins labeling 

 

Both FROS and FISH are methods in which the nucleic acid is tagged with a fluorescent protein 

or a labeled nucleic acid fragment, respectively. The position of the DNA or the RNA within a cell can 
also  be  determined  by  staining  proteins  that  naturally  bind  the  nucleic  acid  molecule.  It  can  be 
achieved by expression of a gene for a fusion protein (protein of interest and a fluorescent one) or by 
immunostaining. The first method is utilized in living cells and is very similar to the FROS technique. 
It also requires a fusion between the gene for the protein of interest and the fluorescent one, but in 

5’-

- 3’

+

dCTP

5’-

C

A

B

3’ end labeling 
by TdT

fixation and
permeabilization

denaturation

+

C

hybridization

microscopic observations

5’-

- 3’

+

dCTP

5’-

C

A

B

3’ end labeling 
by TdT

fixation and
permeabilization

denaturation

+

C

hybridization

microscopic observations

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

41 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

contrast  to  the  FROS,  it  does  not  require  cloning  of  a  binding  sequence.  This  makes  the  method 
easier  than  FROS,  however,  not  all  proteins  fused  to  a  fluorescent  one  can  remain  active,  like 
a repressor (e.g. LacI) does. This limitation can be omitted in a immunostaining technique, but the 
observations  are  performed  on  fixed  cells,  similarly as  in  the  FISH  method.  Instead  of  the  labeled 
probes it requires utilization of labeled antibodies that recognize the protein of interest.  
Unfortunately, both techniques stain the nucleic acid indirectly and what is observed is the protein’s 
subcellular  localization.  It  can  only  be  suspected  that  the  localization  of  the  nucleic  acid  within 
the cell is equal to the subcellular position of the area covered with the nucleic acid binding protein.  

Confocal microscopy 

 

Although fluorescent light microscopy has many advantages, it is very difficult to obtain images 

of thick specimens that emit light. What is more, the light from above and below the focal plane can 
reduce  the  contrast  what  is  observed  as  blurring  of  an  image.  These  limitations  are  omitted  in 
confocal  microscopy,  which  enables  to  obtain  3D  sharp  images  of  specimens  as  thick  as 
50 micrometers or more. The idea of such a microscope was created and then patented in 1957 by 
Marvin Minsky. It is based on placement of the light source behind the pinhole in a such a way that it 
forms a point source of light, focused on one spot of specimen. Then the reflected light is focused by 
the objective lens at the image plane (Fig. 16). The presence of a non-transparent pinhole aperture 
enables  only  light  reflected  from  the  specimen  to  pass  to  the  detector  and  rejection  of  the  light 
coming from above and below of a focal plane. To obtain the information of a whole specimen the 
spot is scanned across the image and date are collected sequentially.  
Nowadays one of the most popular confocal microscopes is epi-illumination, in which light emitted 
by the laser passes though the pinhole aperture, scans the specimen and passes through the second 
pinhole  aperture  positioned  in  front  of  the  detector.  The  result  of  specimen  observations  with 
confocal microscope is a 3D image and the specimen can be either live or fixed cells and tissues.  
 
 
 
 
 
 

Fig. 16.  A  scheme  of  confocal  microscope.  The  path  of  the  light  is 

marked  by  black  arrows.  The  light  from  the  source  of  light  passes 

through the pinhole, then the light is collected by the condenser lens 

and is focused as a spot  within the specimen. Light emitted  by the 

sample passes through the objective lens and the pinhole and finally 

reaches the detector. 

 
 
 
 
 
 

Pinhole

Specimen

Objective

Light source

Specimen

Detector

Condensor

lens

Pinhole

Specimen

Objective

Light source

Specimen

Detector

Condensor

lens

Specimen

Objective

Light source

Light source

Specimen

Specimen

Detector

Detector

Condensor

lens

Condensor

lens

background image

 

 

 

42 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Scanning techniques 

 

Confocal microscopes differ in beam scanning techniques and the single-beam scanning and 

multiple-beam scanning microscope can be distinguished. The first one is used in most laser scanning 
confocal microscopes (LSCM) and can use galvanometer mirrors, acousto-optic devices or oscillating 
mirrors which cause the focusing of a single beam on the specimen, what enables to sequentially 
point-scan  a  region  of  interest.  Unfortunately  these  kinds  of  microscopes  have  limited  speed  of 
scanning, therefore they are unsuitable for observations of millisecond dynamic events. In multiple-
beam scanning microscopes (spinning disk microscopes) these limitations are omitted because of a 
spinning Nipkow disc application. It is a disk containing an array of pinholes and microlenses (Fig. 17) 
that  enables  the  usage,  in  parallel,  an  array  of  beams,  what  results  with  faster  scanning  of 
the specimen.  Spinning  disk  microscopes  have  found  application  in  observations  of  high  speed 
intracellular events.  

 

 

 

Fig. 17.  The  improved  Nipkow  disk.  The  first  disk 

contains  microlenses  and  the  second  one  contains 

pinholes.  The  path  of  the  light  through  the  disk  is 

shown by the black thin arrows.  The direction of the 

disk movement is indicated by the thick black arrow. 

 

 

 

Detectors used in confocal microscopy 

 

In  confocal  microscopes  different  types  of  detectors  can  also  be  used,  which  include 

photomultipliers,  photodiodes  or  charge-coupled  devices  (CCDs).  All  of  them  are  highly  sensitive 
photon detectors, since the amount of light available for image formation is reduced in a confocal 
microscope  because  of  the  exclusion  of  light  from  fluorescent  structures  located  away  from  the 
objective focal plane.  
 

The  most  popular  one  is  photomultiplier,  which  is  a  photosensitive  surface  that catches 

the photons  and  then  transfers  the  absorbed  photons’  energy  into  a  stream  of  photoelectrons. 
The energy transition occurs in a photocathode that emits electrons. Then electrons are multiplied 
on dynodes (chain of electron multipliers) and finally reach the anode (Fig. 18) 

 

Fig. 18. Schematic representation of a photomultiplier. The photocathode, dynodes and anode are marked on 

the scheme. The arrows indicate the path of the light and photoelectrons. (based on Engstrom). 

photocathode

dynode

dynode

anode

light

electrons

photocathode

dynode

dynode

anode

light

electrons

microlenses disk

pinholes disk

microlenses disk

pinholes disk

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

43 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Specimen preparation 

 

The preparation of the specimen for confocal microscopic observations is very similar as for 

a conventional  wide  field  microscope.  However,  because  the  objects  observed  with  a  confocal 
microscope  are  thick,  their  preparation  should  not  damage  the  3D  structure  of  the  specimen. 
To avoid specimen deformations very often a spacer is used as a fishing line or a piece of coverslip is 
put between the slide and the coverslip. The specimen for these kinds of observations can be either 
live  or  fixed  cells  and  tissues,  depending  on  their  transparency.  The  fixation  of  the  sample  can 
increase  the  penetration  of  the  specimen  by  the  laser  beam  and  reduce  opacity  and  turbidity  of 
the object. If the penetration of the light is not enough to image all the sections of the specimen, 
the fixed  sample  can  be  cut  using  a  microtome  and  each  section  can  be  imaged  separately. 
The fixation is very often combined with permeabilization of the specimen, what facilitates the later 
sample staining. The permeabilization of the cells can be achieved by incubation with DMSO, Triton 
X-100, saponin or deoxycholate. Then the additional staining can be performed with fluorescent dyes 
or labeled antibodies and due to the photobleaching effect also liquid embedding media like glycerol 
should be used. 

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  Fixation 
2.  Permeabilization 
3.  Staining 
4.  Mounting 
5.  Observations 

Electron microscopy (EM) 

 

Despite the fact that the simplicity of light microscopy makes it the most popular technique to 

visualize  biological objects,  it  is  connected  with some  limitations  that  disable  it  in  observations of 
small macromolecules.  These  restrains  can  be overcome in electron microscopy, where instead of 
light,  a  beam  of  electrons  generates  the  image  of  very  small  objects.  The  magnitude  and 
the resolution obtained with EM are 10 000 000× and 0,2 nm, respectively. The source of electrons is 
a  tungsten  cathode,  followed  by  an  anode  that  accelerates  the  electrons  (Fig.  19).  When 
the electrons pass through the specimen, they are focused by a series of magnetic lenses. At the end 
of their pathway there is a fluorescent screen or a photographic plane; the electrons interact with 
these materials as photons and generate an image of the specimen.  
 

The  type  of  EM  described  above  is  the  transmission  electron  microscopy  (TEM),  since 

the beam  of  electrons  is  transmitted  through  the  specimen  and  its  image  is  generated  by  the 
particles  that  pass  through  it.  The  second  most  popular  EM  technique  is  the  scanning  electron 
microscopy (SEM), in which the electrons scan the specimen and a signal from every scanned spot is 
collected, amplified and displayed. There can be three types of data collected: second electrons (SE), 
backscatter electrons (BE) and characteristic X-rays, however, very rarely one instrument contains all 
three types of detectors. The obtained image has a characteristic three-dimensional aspect resulting 
from highlights and shadows of the scanned surface. It has weaker parameters of the obtained image 
than the TEM (resolution 10-20 nm; magnification 500 000×), but it enables to observe thick objects 
and to generate an image of their surface. The SEM is usually used for observation of whole cells and 
tissues.  

background image

 

 

 

44 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

 
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 19.  A  scheme  of  the  electron  microscope. 

The elements  as  source  of  electrons,  condenser, 

intermediate  and  projector  lens  are  marked  in  the 

picture. The path of the electron beams is indicated by 

gray arrows. The intermediate images and final image 

are shown as black arrows. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Specimen preparation 

 

The  specimen  preparation  from  different  biological  materials  is  very  similar  and  consists  of 

adsorption  on  a  support  matrix  (carbon-coated  grid),  drying  and  contrast  addition.  What  is  very 
important for TEM, the specimen must be very thin, less than 20 nm.  
 

Due  to  the  fact  that  also  the  support  matrix  can  have  impact  on  the  quality  of  the  image, 

the grid  preparation  is the  very  first  step  in  an  EM procedure. The  grid  is  usually made of  copper 
coated with a support film. The most common one is a carbon film, since it forms a very thin layer 
and does not influence the images. Unfortunately, carbon creates a hydrophobic environment and 
before use it must be subjected to ionizing gases or chemical treatment to become hydrophilic. 
 

Then the sample can be prepared. The first step of this procedure is the sample adsorption on 

a supporting matrix. When a nucleic acid is going to be observed there are two methods of molecule 
adsorption: spreading with the use of a basic protein film or a direct adsorption. In the spreading 
method  usually  it’s  the  cytochrome  c  that  is  mixed  with  a  nucleic  acid.  The  positively  charged 
cytochrome  c  complexes  the  negatively  charged  nucleic  acids  and  forms  a  film  at  the  water-air 
interface. Then such a mixture can be spread on the carbon-coated grid. The nucleic acid can also be 
directly  adsorbed  on  a  mica  support,  which  is  a  more  common  method.  It  requires  deposition  of 
the amine  groups  (pentylamine)  on  a  carbon-coated  grid  and  their  spontaneous  interaction  with 
the nucleic  acids.  Molecules  can  also  be  bound  to  carbon  via  mediators  such  as  the  polylysine 
(polymer with positively charged groups) or divalent cations (Mg

2+

).  

Electron

source

Specimen

Specimen

Specimen

Condensor

lens

Objective

lens

Intermediate

lens

Projector

lens

Anode

First intermediate image

Intermediate image

Final image

Electron

source

Specimen

Specimen

Specimen

Condensor

lens

Objective

lens

Intermediate

lens

Projector

lens

Anode

First intermediate image

Intermediate image

Final image

Condenser lens 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

45 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

 

Since  contrast  in  the  EM  depends  on  the  atomic  number  of  the  atoms  in  the  sample,  and 

the biological  molecules  such  as  a  nucleic  acid  or  proteins  have  low  value  of  this  parameter,  it  is 
required  to  stain  them  with  heavy  metal  salts  (salts  of  osmium,  uranium,  lead)  possessing  a  high 
atomic number. When the beam of electrons meets the heavy metal atoms it is diffracted under such 
a large angle that it cannot enter the imaging lanes. The staining can be positive, when the heavy 
metal ions interact with the molecule what results in contrasting of the molecule, or can be negative, 
when  the  macromolecule  is  usually  unstained  in  contrast  to  the  stained  surroundings.  The  most 
popular  method  of  nucleic  acid  staining  utilizes  uranyl  acetate,  which  forms  simple  salts  with  the 
phosphate groups of DNA. This compound can also be used for staining proteins (it is then performed 
in  lower  pH  than  the  one used  for  DNA)  and  RNA.  For  enhancing the obtained  signal  to  generate 
a higher  quality  image, antibodies  can  also  be  used.  They can  bind  to a  protein,  simply  increasing 
the size  of  the  investigated  object  or  they  can  be  conjugated  with  gold  particles,  what  improves 
the detection (Immunogold Electron Microscopy). 
Apart  from  staining  the  contrast  can  be  enhanced  by  a  metal  shadowing  technique.  It  consists  of 
spraying particles of a vaporized metal onto the whole specimen. This technique is commonly used 
to  emphasize  the  details  of  biological  structures.  Platinum  is  most  commonly  used  in  the  metal 
shadowing; first it is melted and then evaporated from a heated electrode.  

Cryo-electron microscopy (CEM) 

 

The basic limitation of EM is that it requires preparation of a dry specimen. It makes impossible 

the  observation  of  molecules  within  a  buffer.  This  restriction  can  be  avoided  in  a  cryo-electron 
microscopy. In CEM the specimen is observed at liquid nitrogen or liquid helium temperatures, what 
prevents evaporation of water. The specimens are usually prepared by vitreous-ice technique, during 
which  a  sample  placed  on  a  grid  is  rapidly  frozen.  The  specimen  can  also  be  frozen,  cut  with 
a diamond  knife  into  thin  pieces  (40-200  nm)  and  then  placed  on  the  grid.  The  low  temperature 
during  imaging  ensures  additional  protection  of  the  specimen  from  radiation  damage.  Results 
obtained  with  the  CEM  can  be  reconstructed  into  three-dimensional  images  of  the  analyzed 
molecule.  Compared  to  the  negative  staining  and  the  metal  shadowing  of  the  specimen  in  EM, 
the CEM image is a superimposition of all of the densities in the sample what results in more actual 
data.  

Atomic force microscopy (AFM) 

 

Although electron microscopy is characterized by resolution as high as 0,2 nm sometimes it is 

insufficient  to  observe  very  small  objects.  The  atomic  force  microscopy  enables  to  observe  even 
the arrangement of individual atoms in a sample with a routine resolution higher than 0,1nm. It was 
developed  in  1986  on  the  basis  of  the  scanning  tunneling  microscope.  In  AFM  the  image  is  not 
generated by focusing light or electrons on a specimen but by interaction between the surface and a 
sharp probe (tip) of a cantilever. It is very often said that the probe “feels” the sample in AFM. During 
the sample scanning, a map of its surface is generated and then the collected data is transformed 
into  an  image.  There  are  three  basic  elements  of  an  AFM  instrument:  a  piezoelectric  transducer, 
a force sensor and a feedback control. The first is responsible for the movement of the tip over the 
scanned  surface.  The  piezoelectric  properties  of  this  element  result  in  changes  in  its  geometry 
without changes in the volume under the influence of the applied electrical potential (Fig. 20).  

background image

 

 

 

46 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Fig. 20.  The  shape  of  piezoelectric  disk  depending  on 

applied voltage. Piezoelectric material causes that the 

disk  changes  its  shape  with  the  constant  volume 

retention when the voltage potential is applied. (based 

on Eaton and West, modified). 

 
 

 

The  piezoelectric  transducer,  also  called  a  piezoelectric  scanner  is  usually  made  of  ceramic 

materials  such  as  amorphous  lead  barium  titanate  (PdBaTiO

3

)  or  lead  zirconate  titanate  

(Pd[Zr

x

Ti

1-x

]O

3

). It changes the electric potential into a mechanical motion and depending on its shape 

it can have more or less motion. Usually it has the shape of a tube (it is present in over 75% of all 
AFMs in use).  
 

The  second  important  element  of  the  AFM  is  the  force  sensor,  which  measures  the  force 

between the tip and the surface of the specimen. It can measure forces as low as 10 pN. Most of 
the AFM microscopes contain an optical lever force sensor, which consists of a laser focusing light on 
the cantilever, that reflects this light to the detector (Fig. 21).  

 
 

Fig. 21. Scheme of optical lever sensor in the Atomic Force 

Microscope.  Cantilever  is  the  end  with  a  tip  that  scans 

the surface of the specimen. The up-and-down movements 

of  the  cantilever  change  the  distance  between  the 

cantilever  and  the  detector,  what  influences  the  place  on 

the detector when reflected light falls. (based on Eaton and 

West, modified). 

 
 

Then the signal is directed to the feedback control, which controls the force between the probe and 
the  specimen’s  surface  and  the  movement  of  the  probe.  It  moves  the  probe  in  such  way  that 
the force is constant. For example, if the force sensor detects an increase in the force, it means that 
the probe is in closer contact with the surface and it should be moved upwards.  
The feedback control enables keeping a proper distance between the sample and the tip. Depending 
on  the  mode  type,  the  sample’s  surface  can  be  in  direct  contact  with  the  tip  (contact  mode), 
the cantilever with the tip can oscillate over the surface and contact it only at the very end of every 
downward movement (tapping mode) or does not contact it at all (non-contact mode).  

The specimen preparation 

 

The AFM technique enables to observe different objects. The samples that are to be prepared 

can  be  dry  (air-AFM)  or  immersed  in  a  liquid  solution  (liquid-AFM),  what  gives  the  possibility  to 
observe biological structures in their natural environmental conditions. What is very important the 
sample  must  be  rigidly  adhered  to  a  smooth  substrate  since  movement  of  the  sample  during  the 
scanning can hinder the generation of a high resolution image. The smaller molecules the smoother 
substrate must be used. The most popular substrates are glass, mica or silicone oxide and sometimes 
they are used with additional chemicals (e.g. poly-L-lisine, polyethyleneimide, divalent cations) that 
facilitate the sample-substrate interaction. Mica is the most often used in biological applications and 
like  in  the  EM  specimen’s  preparation,  it  is  often  coated  with  carbon,  what  yields  hydrophobic 
surface suitable for immobilization of hydrophobic molecules e.g. DNA. For DNA also the addition of 

V

V

V

V

detector

cantilever

las

er

 li

ght

detector

cantilever

las

er

 li

ght

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

47 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

divalent  cations,  such  as  Mg

2+

,  Mn

2+

,  Zn

2+

,  Ni

2+

,  can  improve  the  DNA  binding  to  the  mica. 

Interestingly, the monovalent cations (

K

+

, Na

+

, Li

+

) can inhibit the proteins-mica binding. 

Sometimes 

a special gold surface is prepared as it is inert against oxygen and free radicals species and can be 
easily  modified  to  facilitate  the  molecules’  adhesion.  Molecules  can  also  be  bound  covalently  to 
an appropriately  prepared  substrate.  Sometimes  special  linkers  are  used  that  mediate  between 
the molecule and the substrate ensuring the mobility of the molecule, which can freely interact with 
complementary molecules. 

 

 

There are different methods for placing the sample on the substrate. For the air-AFM, a drop 

of molecule solution can be deposited on the substrate and left to evaporate or the substrate can be 
immersed  in  the  solution  and  then  air-dried.  The  sample  can  also  be  sprayed  onto  a  substrate. 
The molecules can also be directly imaged in liquid conditions without air-drying.  

Applications 

 

The AFM is a technique that gives the possibility to observe all kinds of molecules in different 

conditions with an atomic resolution. It was successfully applied for imaging of biological molecules 
as small as DNA, proteins or nucleoprotein complexes as well as tissues, cells and viruses. The big 
advantage of this microscopic technique is that it enables reconstruction of the biological processes 
and their observation, like for example the movement of RNA polymerase along the DNA template. 
Moreover, it is still developed to obtain better resolution, especially with soft samples in as short 
time as possible.  

L

ITERATURE

 

Andreeff  M,  Pinkel  D,  1999,  Introduction  to  fluorescence  in  situ  hybridization:  principles  and  clinical 

applications, Wiley-Liss. 

Bozzola J.J. and Russell L.D, 1999, Electron microscopy. second edition, World Headquarters. 

Braga P.C. and Ricci D, 2004, Atomic force microscopy: Biomedical methods and Aplications. Human Press 

Claxtone  N.  S,  Fellers  T.  J,  Davidson  M.  W,  2005,  Laser  Scanning  Confocal  Microscopy, 

http://www.olympusfluoview.com/theory/LSCMIntro.pdf

 

Conn P.M, 2010, Techniques in confocal microscopy, Academic Press. 
Dykstra  M.J.  and  Reuss  L.E,  2003,  Biological  Electron  Microscopy:  theory,  techniques  and  troubleshooting. 

second edition. 

Eaton P. and West P, 2010, Atomic force microscopy, Oxford University Press. 
Engstrom R.W, 1980, Photomultipiler handbook. RCA Corporation. 
Fuller S, 1999, Cryo-electron microscopy:taking back the knight. Microbiology Today 26: 56-58. 

Kirat  K.E,  Burton  I,  Dupres  V,  Dufrene  Y.E,  2005,  Sample  preparation  procedures  for  biological  atomic  force 

microscopy, Journal of Microscopy 218(3): 199-207.  

Liehr T, 2009, Fluorescent in situ Hybridization (FISH) – Aplication Guide, Springer. 
Michaelis C, Ciosk R, Nasmyth K. 1997 Cohesins: chromosomal proteins that prevent premature separation of 

sister chromatids. Cell. 91(1): 35-45. 

Muller M, 2006, Introduction to confocal fluorescence microscopy. Second edition, SPIE. 
Pogliano J, Ho TQ, Zhong Z, Helinski DR. 2001 Multicopy plasmids are clustered and localized in Escherichia coli

Proc Natl Acad Sci USA. 98(8): 4486-91. 

Price R.L. and Gerome W.G, 2011, Basic Confocal Microscopy, Springer. 
Verheust C, Helinski DR. 2007 The incC korB region of RK2 repositions a mini-RK2 replicon in Escherichia coli

Plasmid 58(2): 195-204. 

background image

 

 

 

48 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Robinett C.C., Straight A., Li G., Willhelm C., Sudlow G., Murray A., Belmont A. S. 1996, In vivo localization of 

DNA  sequences  and  visualization  of  large-scale  chromatin  organization  using  lac  operator/repressor 

recognition. J Cell Biol 135(6 Pt 2): 1685-700. 

Q

UESTIONS

 

1.  What kind of microscopy should be chosen to image nucleoprotein complexes? 
2.  How would you determine changes in a subcellular position of DNA particles within the bacterial cell? 
3.  What kind of microscopic techniques enable to observe very thick specimens and which require preparation 

of very thin samples? 

 

 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

49 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 8. Two dimensional electrophoresis of nucleic acids 

 

Classical nucleic acid electrophoresis enables to separate fragments which differ in molecular 

mass. It is based on the ability of the negatively charged molecules to migrate in the electric field to 
the anode. Since the migration of nucleic acid is performed in porous agarose or polyacrylamide gel, 
the  smaller  fragments  migrate  easier  through  the  pores  and  can  be  separated  from  fragments  of 
higher molecular mass that migrate slower. Electrophoresis is a basis of different methods used in 
restriction mapping, molecular diagnostics or genetic fingerprinting (e.g. RFLP-PCR; see Chapter 1). 
However, the resolution of one dimensional electrophoresis is limited. Therefore the separation of 
samples  in  the  second  dimension  can  evidently  improve  the  method  and  quality  of  the  obtained 
results.  Two-dimensional  electrophoresis  (2-DGE)  was  discovered  over  fifty  years  ago  to  separate 
peptides  and  proteins.  Then  it  was  also  applied  for  separation  of  t-RNAs,  large  fragments  of  high 
molecular weight RNA, DNA restriction fragments or DNA replication intermediates. In this technique 
two  electrophoretic  separations  of  molecule  mixtures  are  performed.  The  first  separation  is 
performed  in  agarose  or  polyacrylamide  gel  and  then  further  electrophoresis  is  conducted  but  in 
perpendicular  direction  to  the  first  one.  In  case  of  nucleic  acids  the  first  dimension  separates 
according  to  the  molecular  mass  and  the  second  one  according  to  the  structure.  In  2-DGE,  DNA 
structures such as Y-shaped, X-shaped or circular molecules can be easily distinguished. 

2-DEG of replication intermediates 

 

One  of the most  common  application of  two-dimensional  DNA  gel electrophoresis  concerns 

separation of replication intermediates. It requires the digestion of DNA molecules and separation of 
the  obtained  fragments  in  two  dimensions.  Very  often  the  sample  preparation  comprises  also 
an additional step - the BND-cellulose chromatography of DNA fragments. It provides the enrichment 
of  the  sample  in  DNA  fragments  containing  replication  bubbles  since  BND-cellulose  binds  single 
stranded DNA.  
 

The  first  electrophoresis  is  performed  in  neutral  conditions  and  separates  DNA  fragments 

according  to  mass.  It  is  performed  in  1×TBE  buffer  in  a  low  agarose  concentration  gel  (0,4%)  to 
minimize dependence of mobility on structure. The first dimensional gel is run at low voltage (1V/cm) 
for  about  15h,  however  for  larger  DNA  fragments  (>6kb)  it  is  recommended  to  even  reduce 
the voltage since branched intermediates bigger in size are more likely to have retarded mobility. 
The  second  dimension  electrophoresis,  resolving  the  DNA  fragments  according  to  shape,  can  be 
performed  in  neutral  or  denaturing  conditions.  A  neutral  electrophoresis  is  prepared  when 
the replication origin region is going to be identified. A gel for electrophoresis in second dimension 
has  higher  agarose  concentration  (1-1,3%)  and  addition  of  ethidium  bromide  (0,5µg/ml).  It  is  run 
at higher voltage (5-9V/cm) in 1×TBE buffer supplemented with ethidium bromide (0,5µg/ml). Based 
on the shape of the obtained separation curve, it can be estimated what the DNA fragment looks like 
and if it contains a replication origin region (Fig. 21). The presence of characteristic arcs created by 
migrating bubble- or Y-shaped DNA fragments can confirm the occurrence of replication forks.  

background image

 

 

 

50 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

 

Fig. 21.  Scheme  of  replication  intermediates  separated  in  gel  during  neutral  2D  electrophoresis.  In  the  first 

dimension intermediates are separated based on their size and then the separation in the second dimension is 

based on size and shape. The pattern of their separation, depending on shape of intermediates: simple Y (A), 

bubble (B), double Y (C), bubble changing into Y (D) is shown on the scheme. (based on Brewer and Fangman, 

modified). 

 

If the direction of replication forks movement is going to be determined, a second dimension 

gel should be performed in denaturing conditions. Alkaline buffer (AEB buffer containing 30-40mM 
NaOH  and  2mM  EDTA)  secures  such  an  environment.  It  should  be  remembered,  however,  that 
agarose cannot gel under such conditions, therefore it should be prepared in water and then soaked 
in  the  AEB  buffer.  The  gel  for  the  second  dimension  in  denaturing  conditions  has  higher  agarose 
concentration,  but  the  voltage  during  electrophoresis  should  be  reduced  in  comparison  to  the 
neutral one. This is due to the higher conductivity of AEB than TBE buffer, what can cause heating 
and  distortion  of  the  gel.  Also  ethidium  bromide  is  omitted  since  it  does  not  work  in  high  pH 
conditions.  Therefore  to  visualize  the  obtained  results  southern  blotting  is  usually  performed  and 
DNA fragments, after transfer to a nylon membrane are hybridized with radiolabeled probes. As in 
neutral/neutral  2-D  electrophoresis,  the  shape  of  the  curve,  formed  by  separating  nucleic  acid 
fragments, brings the information about the replication intermediate features. Denaturing conditions 
cause four single stranded DNA fragments to arise from every fragment containing replication forks. 
The migrating parental strands form the horizontal line and nascent strands form an arc. Depending 
on the length of nascent strands the arc has a characteristic shape (Fig. 22). 

Fig. 22. Structure of replicating molecules and the 

shape  of  the  nascent  strand  arc.  The  restriction 

fragments containing the origin region in different 

positions or the intact circular molecule separating 

in  2D  polyacrylamide  gel  in  neutral/denaturing 

conditions  (based  on  Nawotka  and  Huberman, 

modified). 

 

Since  these  two  techniques,  neutral/neutral  and  neutral/alkaline  two-dimensional 

electrophoresis,  deliver  information  that  complement  one  another  it  is  recommended  to  perform 
both experiments. Such a strategy can result in a complete picture of the replicating molecule.  

A

B

C

D

SIMPLE Y

BUBBLE

DOUBLE Y

BUBBLE 

 Y

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

FIRST

S

E

CO

ND

A

B

C

D

SIMPLE Y

BUBBLE

DOUBLE Y

BUBBLE 

 Y

A

B

C

D

SIMPLE Y

BUBBLE

DOUBLE Y

BUBBLE 

 Y

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

1kb

2kb

FIRST

S

E

CO

ND

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

51 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Two-dimensional Gene Expression Fingerprinting (2-D GEF) 

 

There are a lot of different methods applied to gene expression analysis. One of them is gene 

expression  fingerprinting  (GEF),  in  which  non-overlapping  sets  of  3’-terminal  cDNA  restriction 
fragments are separated on a polyacrylamide gel. The further digestion of the obtained separation 
fragments  and  electrophoresis  in  the  second  dimension  improves  the  resolution  of  the  initial 
method. It can be used in preliminary gene profiling of a genome project or in searching for novel 
expressed sequences.  

A

BRIDGED PROCEDURE OF 

2-D

 

GEF 

1.  RNA isolation 
2.  cDNA synthesis with biotinylated primer 
3.  Synthesis of second strand of cDNA by E. coli polymerase I 
4.  Primary restriction digestion 
5.  Isolation of DNA fragments via biotin and adaptor ligation (contains a sequence recognized by the primer) 
6.  PCR reaction 
7.  First dimensional polyacrylamide gel electrophoresis 
8.  Elution of separated DNA fragments and their amplification 
9.  Second restriction digestion 
10. Second dimensional electrophoresis and data analysis 

 

The major difficulty that makes this method time- and labor-consuming is restriction digestion 

of every isolated DNA fragment (see point 7 and 8 of the procedure) and its further separation and 
analysis. Fortunately, the progressive automation of experimental procedures increase the possibility 
of improving this method in the future and make it easier to perform.  

Two-dimensional gel shift assay 

 

The canonical gel shift assay (see Chapter 3) allows to analyze the nucleic acid fragment in 

context  of  its  binding  by  the  protein.  It  is  a  simple  technique  where  a  particular,  small  region  is 
suspected  to  be  bound  and  going  to  be  analyzed.  Unfortunately,  if  the  precise  site  recognized  by 
the protein is unknown and is localized within the large nucleic acid fragment it can be difficult to 
identify  the  protein  binding  site  by  GMSA.  In  such  a  situation,  the  division  of  large  fragment  into 
smaller ones and verification each of them separately would be required. These kinds of limitations 
can be omitted when two-dimensional gel electrophoresis is utilized. It can be performed with, for 
instance entire plasmid DNA, that should be digested to obtain short fragments and labeled in the 
next step by incorporation of modified nucleotides (

32

P-dNTP; Cy3-dNTP). Then the mixture of nucleic 

acid  fragments  is  incubated  with  the  protein  of  interest  and  separated  on  a  polyacrylamide  gel 
(6-7,5%) in 1×TBE buffer. Next the gel should be heated (75°C) to allow disruption of nucleoprotein 
complexes  and  a  high  temperature  (60°C)  should be  kept  during  the  entire  electrophoresis  in  the 
second  dimension.  2-DGE  is  performed  in  the  same  gel  but  rotated  90°.  After  electrophoresis, 
visualization  of  the  results  should  be  performed.  If  any  restriction  fragments  are  bound  by 
the protein, they run ahead of the diagonal in the second dimension (Fig. 23). Therefore it is easy to 
indicate  the  region  of  DNA  molecule  forming  a  nucleoprotein  complex,  isolate  it  and  subject  to 
further investigation. 

background image

 

 

 

52 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

 

Fig. 23.  Two-dimensional  electrophoresis  of  gel  shift  assay.  (A)  The  scheme  of  the  gel  performed  in  first 

dimension. The arrow indicates the shift of the band representing the nucleoprotein complex. (B) Scheme of 

the same gel resolved in the second dimension in higher temperature allowing a disruption of the complex. The 

DNA fragment released from the complex migrates ahead of the diagonal in the second dimension. (based on 

Boffini and Prentki, modified). 

T

ROUBLESHOOTING

 

1.  If the 2D pattern is distorted 

−  fresh, degassed reagents for gel preparation should be used  
−  prolong the gel polymerization time 

2.  If horizontal streaking or incompletely focused spots are observed: 

−  check the salt concentration and reduce it when required 
−  check the amount of loaded sample and reduce it when required 

3.  If no bands are visible after electrophoresis : 

−  the amount of used nucleic acid should be verified and adjusted to detection level 
−  the labeling reaction should be controlled and probably repeated  
−  the nuclease inhibitors could be added to prevent nucleic acid degradation 

L

ITERATURE

 

Boffini A. and Prentki P, 1991, Identification of protein binding sites in genomic DNA by two-dimensional gel 

electrophoresis, Nucleic Acids Research 19(7): 1369-1374. 

Brewer B.J. and Fangman W.L, 1987, The Localization of Replication Origins on ARS Plasmids in S. cerevisiae

Cell 51: 463-471. 

Cobuzzi  R.  J,  Burhans  W.  C, Berman  T.A,  1996,  Inhibition  of  Initiation  of  Simian  Virus 40  DNA  Replication  in 

Infected BSC-1 Cells by the DNA Alkylating Drug Adozelesin. J Biol Chem 271(33): 19852-19859.  

Nawotka  K.A.and  Huberman  J.A,  1988,  Two-Dimensional  Gel  Electrophoretic  Method  for  Mapping  DNA 

Replicons, Mol Cell Biol 8(4): 1408-1413. 

Shmelkov S.V, Visser J.W.M, Belyavsky A.V, 2001, Two-Dimensional Gene Expression Fingerprinting, Analytical 

Biochemistry 29026-35. 

Stein M. and Varricchio F, 1974, Separation of t-RNAs by two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis, 

Analytical Biochemistry 61(1): 112-119. 

Vertical gel 

Horizontal gel 

DNA 

DNA 

protein 

DNA 

DNA 

protein 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

53 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Q

UESTIONS

1.  What techniques would you propose for the obtained results visualized after 2D gel analysis? 
2.  List the possible applications of 2D electrophoresis of nucleic acids. 
3.  The  figure  below  presents  a  gel  after  2D  electrophoresis  of  DNA  fragment.  How  can  you  interpret 

the obtained result? 

 

 

 

background image

 

 

 

54 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 9. Methods for origin region determination 

 

The  replication  process  starts  in  a  specific  region  called  origin.  It  contains  sites  for  initiator 

protein  binding  and  an  AT-rich  region, where  the  local  melting of  dsDNA  occurs.  In  different DNA 
molecules  there  can  be  one  (Prokaryotes,  Archea),  two  (Archea)  or  multiple  (Archea,  Eukaryotes) 
origins indicated. Techniques used for the origin determination can be divided into in silicoin vivo 
and in vitro methods. 

In silico methods 

The relative nucleotides skews 

 

The  simplest  in silico  method  used  to  determine  the  position  of  a  replication  origin  in 

the bacterial chromosomes takes advantage of the asymmetry in nucleotide composition between 
the leading and lagging strands of the DNA. This differences in the GC and the AT content are usually 
presented  as  relative  nucleotide  skews  (e.g.  CG  skew  =  (C-G)/(C+G))  and  result  from  different 
mutation rates connected with the architectural asymmetry at the replication forks and the higher 
accuracy of the leading strand replication. The relative skew value is a normalized difference in the 
content of the complementary nucleotides, which changes the sign crossing of a replication origin. 
It can  be  illustrated  graphically  with  the  chromosome  walking  technique,  in  which  consecutive 
nucleotides are analyzed and depending on their character the curve is drawn. For example, G results 
in a movement about one unit to the top on the graph, whereas C results in a movement down and A 
or T - one unit forward. Such a procedure results in obtaining a diagram of differences between G 
and C content (Fig. 24). 
 

The relative nucleotide skews is used in many software tools designed for origin prediction, for 

example  in  the  Oriloc,  CG-software,  Z-curve  and  Ori-Finder  programs.  However,  the  analysis  of 
chromosome asymmetry  gives only  the  approximate  origin  position  within the  analyzed  genome’s 
sequence, simply indicating the region with higher than average AT content. 

 
 
 

 

Fig. 24.  A  graphic  analysis  of  chromosome 

asymmetry  reveled  with  the  chromosome 

walking  method.  A  curve  shows  the 

dependence  between  the  nucleotide 

position  within  the  chromosome  and  an 

asymmetry (the difference in content of G 

and C residues). The extremes on the curve 

correspond  to  origin  and  termination 

regions  in  the  chromosome  and  sites 

where  leading  strand  change  into  lagging 

one.  

 
 
 
 

 

ter 

position in the chromosome 
(nucleotide) 

as

y

m

m

et

ry

 (

G

-C)

 

leading 

strand 

leading 

strand 

lagging 

strand 

ori 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

55 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Localization of genes for the replication initiation protein and its binding sites 

 

The  determination  of  genes  for  initiator  proteins  can  be  used  for  origin  region  prediction. 

It was  shown  that  the  gene  for  bacterial  replication  initiator  protein  DnaA  is  found  in  almost  all 
bacterial chromosomes and the origin for replication is usually located upstream or downstream of 
this  gene.  The  same  situation  was  observed  for  Archea,  which  possesses  genes  for  replication 
initiation proteins Orc1/Cdc6 close to the origin region. Unfortunately this method does not applied 
to eukaryotes, while the origins for DNA replication are found throughout the genomes (for example 
in  yeasts  there  are  over  500  origins  in  a  genome)  and  the  genes  for  initiator  proteins  cannot  be 
present in proximity of all of them.  
 

The  more  universal  feature  for  origin  region  prediction  can  be  the  presence  of  replication 

initiation protein binding sites. The region where the initiator form a nucleoprotein complex usually 
is  contained  within  the  origin  of  both  prokaryotes  and  eukaryotes.  The  binding  sites  for  bacterial 
initiator DnaA, archeal Cdc3 and MCM proteins and origin recognition complex (ORC) in eukaryotes, 
were all found near the site where the replication bubble is formed and replication starts.  

In vivo methods 

Construction of minichromosomes 

 

This  is  the  most  popular  method  for  in vivo  origin  region  determination.  It  is  based  on 

the construction  of  minichromosomes  -  vectors  containing  particular  regions  of  a  chromosome. 
The chromosome is digested with restriction enzymes to obtain DNA fragments that can be cloned 
into the vector, which does not contain any origin region. If the inserted chromosome fragment can 
support  replication  of  the  plasmid  in  bacterial  cells  this  could  indicate  that  the  insertion  contains 
a replication origin. Unfortunately, this method is time consuming since a genomic library needs to 
be  constructed  and  then  it  should  be  tested  in  the  bacterial  cells.  It  also  only  narrows  down  the 
region where the origin can be found but does not indicate precisely the origin site.  

Chromatin immunoprecipitation assay (ChIP) 

 

Another  method  that  can  help  to  determine  an  origin  region  in vivo, is  the  chromatin 

immunoprecipitation assay.  Via  the  immunoprecipitation of  replication  proteins,  that  bind  specific 
sequences within an origin, the whole region can be estimated. For details see Chapter 6

In vitro methods 

 

The in vitro confirmation of the site where the replication starts can be achieved with such 

techniques as: 

−  two-dimensional gel electrophoresis (for details, see Chapter 8
−  electron microscopy (for details, see Chapter 7)  
−  GMSA assay (for details, see Chapter 3
−  footprinting analysis (for details, see Chapter 4
−  Surface Plasmon Resonance (for details, see Chapter 5

 

These  methods  allow  to  observe  replication  intermediates,  determine  the  specific  motifs 

within an origin where replication proteins bind or even calculate the stoichiometry and kinetics of 
a nucleoprotein complex formation. 

background image

 

 

 

56 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Frank  A.  C,  Lobry  J.  R,  2000,  Oriloc:  prediction  of  replication  boundaries  in  unannotated  bacterial 

chromosomes. Bioinformatics 16: 560-561. 

L

ITERATURE

Freeman J.M, Plasterer T.N, Smith T.F, Mohr S.C, 1998, Patterns of genome organization in bacteria. Science 

279: 1827. 

Grigoriev A, 1998, Analyzing genomes with cumulative skew diagrams. Nucleic Acids Res 26: 2286-2290. 
Lobry J.R, 1996a, Asymmetric substitution patterns in the two DNA strands of bacteria. Mol Biol Evol 13: 660-

665. 

Lobry J.R, 1996b, A simple vectorial representation of DNA sequences for the detection of replication origins in 

bacteria. Biochimie 78: 323-326. 

Mackiewicz  P,  Zakrzewska-Czerwinska  J,  Zawilak  A,  Dudek  M.R,  Cebrat  S,  2004,  Where  does  bacterial 

replication start? Rules for predicting the oriC region. Nucleic Acids Res 32: 3781-3791. 

Meijer  M,  Beck  E,  Hansen  F.G,  Bergmans  H.E,  Messer  W,  von  Meyenburg  K,  Schaller H,  1979  Nucleotide 

sequence of the origin of replication of the Escherichia coli K-12 chromosome. Proc Natl Acad Sci USA 76: 

580-584. 

Messer W, 2002, The bacterial replication initiator DnaA. DnaA and oriC, the bacterial mode to initiate DNA 

replication. FEMS Microbiol Rev 26: 355-374. 

Messer  W,  Meijer  M,  Bergmans  H.E,  Hansen  F.G,  von.Meyenburg  K,  Beck  E,  Schaller H,  1979,  Origin  of 

replication,  oriC,  of  the  Escherichia coli  K12  chromosome:  nucleotide  sequence.  Cold  Spring  Harb Symp 

Quant Biol 43(Pt 1): 139-145. 

Mrazek J, Karlin S, 1998, Strand compositional asymmetry in bacterial and large viral genomes. Proc Natl Acad 

Sci USA 95: 3720-3725. 

Oka A, Sugimoto K, Takanami M, Hirota Y, 1980, Replication origin of the Escherichia coli K-12 chromosome: 

the size and structure of the minimum DNA segment carrying the information for autonomous replication. 

Mol Gen Genet 178: 9-20. 

Roten C.A, Gamba P, Barblan J.L, Karamata D, 2002, Comparative Genometrics (CG): a database dedicated to 

biometric comparisons of whole genomes. Nucleic Acids Res 30: 142-144. 

Salzberg  S.L,  Salzberg  A.J,  Kerlavage  A.R,  Tomb  J.F,  1998,  Skewed  oligomers  and  origins  of  replication.  Gene 

217: 57-67. 

Tillier E.R, Collins R.A, 2000, The contributions of replication orientation, gene direction, and signal sequences 

to base-composition asymmetries in bacterial genomes. J Mol Evol

Zhang  R,  Zhang  C.T,  2005,  Identification  of  replication  origins  in  archaeal  genomes  based  on  the  Z-curve 

method. Archaea 1: 335-346 

 50: 249-257. 

Q

UESTIONS

 

1.  How can in vitro methods help determine origin region? 
2.  How can relative nucleotide skews be illustrated graphically? 
3.  The presence of which elements of bacterial chromosome indicate the origin region? 

 

 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

57 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

CHAPTER 10. Methods for in vitro analysis of replication initiation 

 

Replication  is  one  of  the  most  important  processes  within  the  living  cell.  It  ensures 

the duplication  of  genetic  material  that  is  propagated  to  the  daughter  cells.  Its  initiation  requires 
the subsequent formation of nucleoprotein complexes within the origin region of a DNA molecule. 
That  results  in  the  melting  of  a  double-stranded  DNA  (dsDNA)  in  an  AT-rich  region  (“opening”), 
unwinding of the dsDNA by a helicase and subsequent loading of polymerase subunits synthesizing 
new DNA strands.  

Opening 

 

The  very  first  effect  of  the  initiator  proteins’  binding  to  the  sequences  within  the  origin  is 

the melting  of  dsDNA  and  formation  of  a  replication  bubble.  This  process  is  commonly  named 
“opening”. It depends on replication initiation proteins (Rep), that via DNA binding cause changes of 
the DNA conformation leading to occurrence of ssDNA in an AT-rich region. It is also dependent on 
the  sequence  of  the  AT-rich  region  and  on  its  location  within  the  origin.  Even  small  changes  in 
the organization of the origin (the insertion of 6 bp between the AT-rich region and the sequences of 
iterons completely inactivated the origin of the RK2 plasmid) or point mutation in the AT-rich region 
result  in  opening  inhibition.  Formation  of  the  replication  bubble  can  be  directly  observed  with 
electron  microscopy  (see  Chapter 7)  or  can  be  verified  in vitro,  by  the  potassium  permanganate 
probing assay. 

Potassium permanganate probing assay 

 

The potassium permanganate assay is a type of footprinting method (see Chapter 4). However, 

compared with the classic one, where nucleases are used, an oxidizing agent (KMnO

4

) is needed in 

this  technique.  It  modifies  thymine  residues  in  the  single-stranded  DNA  and  its  concentration  is 
adjusted to obtain just one modification per molecule. This reagent does not modify the residues in 
a double-stranded nucleic acid, so its action is limited to the replication bubble. Probing with KMnO

4

 

is followed by primer extension reaction with the use of a labeled primer (see Chapter 4). During this 
reaction,  the  polymerase stalls  at  the modified thymine  residues on  the  template,  what  results  in 
a range  of  products  of  different  length.  Based  on  the  length  of  the  products  it  can  be  estimated 
where the local melting of the double-stranded molecule and formation of a single-stranded region 
occurs.  
 

In this experiment the DNA template is usually a coiled-coil form of a plasmid DNA, containing 

the origin. Its incubation with initiator proteins enables open complex formation. Then the probing 
reaction is performed. 

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  Incubation of a DNA template with initiator proteins. 
2.  KMnO

4

 probing. 

3.  DNA purification. 
4.  Labeled primer extension reaction. 
5.  Electrophoresis. 
6.  Visualization of the results (depends on the type of labeling). 

background image

 

 

 

58 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Helicase assay (FI*) 

 

When the replication bubble is formed, the next step is the recruitment of a helicase (DnaB in 

E. coli) by the initiator proteins. Helicase is loaded onto the open complex and next it unwinds the 
dsDNA in the 5’ to 3’-end direction. The in vitro helicase assay is performed with a coiled-coil plasmid 
DNA, in the presence of the helicase and the initiator proteins. The unwinding reaction is assisted 
with  other  E. coli  proteins:  HU,  gyrase,  helicase  loader  DnaC  and  SSB.  The  helicase  activity  also 
requires  the  presence  of  the  ATP  and  an  ATP  regeneration  system  (creatine  kinase  and  creatine 
phosphate).  The  expansion  of  the  ssDNA  region  changes  the  electrophoretic  migration  of  a  DNA 
molecule  in  an  agarose  gel.  Such  a  molecule,  marked  “FI*”,  migrates  faster  when  compared  with 
a coiled-coil  form  of  the  plasmid  DNA  (“FI”)  (Fig.  25).  The  presence  of  the  FI*  band  indicates the 
activity of all required proteins and especially the helicase.  

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  Incubation  of  the  DNA  template  with  proteins:  initiator  proteins  (DnaA  and  optionally  plasmid  initiator), 

helicase (DnaB), helicase loader (DnaC), gyrase, HU, SSB. 

2.  Inhibition of the helicase reaction (incubation at 65°C with EDTA and SDS solutions). 
3.  Agarose electrophoresis for 20h, 25 V (1% gel in a TBE buffer; it is important to not add EtBr to the gel since 

it can disturb the migration pattern). 

 

Fig. 25. Helicase assay (FI*).  The scheme presents the result 

of  the  helicase  assay,  in  which  the  reaction  mixture 

containing  a  constant  amount  of  plasmid  DNA,  initiator 

protein  and  additional  proteins  (HU,  SSB,  gyrase)  is  titrated 

with  helicase.  The  more  helicase  is  added  to  the    reaction 

mixture the more FI* form of plasmid DNA is visible after the 

electrophoresis in the agarose gel. 

 

In vitro replication (FII) 

 

The replication process is conducted by a polymerase and accessory proteins. It starts within 

the origin, where the replication bubble has been formed. First, a primase is loaded onto the DNA 
since the DNA polymerase cannot start the synthesis without a free –OH group at the 3’-end. Then 
the clamp-loading complex (ɣ complex) loads the sliding clamp (β clamp) onto the primer-template 
strand.  The  final  step  is  the  loading  of  a  polymerase  core,  which  is  a  heterotrimer  containing 
the α (DNA polymerase), ε (proofreading exonuclease) and θ (stabilizes ε) subunits. The formation of 
the polymerase complex is ATP-dependent, since this compound increases the affinity of the clamp-
loader for β subunits and for DNA. The hydrolysis of the ATP is triggered when ɣ complex-β clamp-
ATP binds the DNA. Then the DNA is released by the ɣ complex. 
 

The in vitro replication assay can be performed in a crude cell extract, containing all necessary 

proteins and compounds or in a reconstructed system utilizing all purified proteins. Both methods 
are based on counting of radioactivity of nucleotides labeled with 

3

H, incorporated during the DNA 

synthesis. The experiment is performed very often on a plasmid template containing the region of 
an origin of interest. The DNA template that is used in in vitro replication assays can also be sperm 
nuclei  and  ssDNA  replicon.  The  reaction  mixture  contains  the  template  added  to  the  crude  cell 

FIII 

FII 

FI

 

 

FI*

 

 

─ 

helicase 

background image

 

 

 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

59 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

initiator protein (ng) 

D

N

A

 syn

thesi

(c

pm

extract  or  to  the  mixture  of  purified  polymerase  subunits,  initiator  protein,  primase  and  other 
required  components.  The  crude  cell  extracts  can  be  prepared  from  bacterial  or  eukaryotic  cells 
(e.g. Sacharomyces cerevisae,  Xenopus  oocytes,  HeLa).  After  the  incubation,  during  which 
the replication initiation and the DNA synthesis occur, the reaction is stopped and the radioactivity is 
counted  in  a  scintillation  counter.  The  results  are  referred  to  the  base  readout  where  no  DNA 
template or no initiator protein was added. The obtained values are usually presented as a diagram 
(Fig. 26).  

 

Fig. 26.  Dependence  of  in vitro  plasmid  replication  on  initiator 

protein. The diagram shows the kinetics of in vitro incorporation 

of [H

3

]dTTP depending on the amount of initiator protein added 

to the reaction mixture. The replication reaction was performed 

in a cellular extract containing all necessary proteins except the 

initiator  protein.  (A)  The  reaction  mixtures  contained  equal 

amounts  of  cellular  extract,  DNA  template,  and  increasing 

amounts of initiator protein. (B) Control reaction without DNA 

template. 

 

A

BRIDGED PROCEDURE

 

1.  Incubation of the DNA template with purified proteins/crude cell extract. 

2.  Stopping the reaction with a 100 mM pyrophosphate (PiroP) and a 10% trichloroacetic acid (TCA) 

solution. 

3.  Counting the radioactivity in a scintillation counter. 

L

ITERATURE

 

Abhyankar M.M, Zzaman S, Bastia D, 2003, Reconstitution of R6K DNA Replication in Vitro Using 22 Purified 

Proteins, J Biol Chem 278(46): 45476-84 

Doran K.S, Konieczny I, Helinski D.R, 1998. Replication origin of the broad host range plasmid RK2. Positioning 

of various motifs is critical for initiation of replication. J Biol Chem 273: 8447-8453. 

Kaittell B. L, Helinski D. R, 1991, Iteron inhibition of plasmid RK2 replication in vitro: evidence for intermolecular 

coupling of replication origins as a mechanism for RK2 replication control. Proc Natl Acad Sci USA88(4): 

1389-93. 

Konieczny I, Helinski D.R, 1997, Helicase delivery and activation by DnaA and TrfA proteins during the initiation 

of replication of the broad host range plasmid RK2. J Biol Chem 272(52): 33312-33318.  

Mukhopadhyay  G,  Carr  K.M,  Kaguni  J.M,  Chattoraj  D.K,  1993  Open-complex  formation  by  the  host  initiator, 

DnaA, at the origin of P1 plasmid replication. EMBO J 12(12): 4547-4554. 

Rajewska  M,  Kowalczyk  L,  Konopa  G.  &  Konieczny  I,  2008  Specific  mutations  within  the  AT-rich  region  of 

a plasmid  replication  origin  affect  either  origin  opening  or  helicase  loading.  Proc Natl Acad Sci USA  105: 

11134-11139. 

background image

 

 

 

60 

Molecular biology of nucleic acid - experimental methodology 

 

 

by Katarzyna Węgrzyn & Igor Konieczny 

Q

UESTIONS

 

1.  The figure shows the result of the potassium permanganate assay. How would you interpret the obtained 

results?  

 

2.  How would you verify the replication initiator protein activity? 
3.  What are the components of the in vitro replication reaction? 

KMnO

4

Initiator protein

-

+           +          

-

-

+          

KMnO

4

Initiator protein

-

+           +          

-

-

+          

KMnO

4

Initiator protein

-

+           +          

-

-

+          


Document Outline