Novel complex mad phasing and rnase h structural insights using selenium oligonucleotides



Yüklə 235,6 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix22.07.2018
ölçüsü235,6 Kb.
#57979


Georgia State University

ScholarWorks @ Georgia State University

Chemistry Faculty Publications

Department of Chemistry

2014


Novel complex MAD phasing and RNase H

structural insights using selenium oligonucleotides

Zhen Huang

Georgia State University, huang@gsu.edu

Rob Abdur



Georgia State University

Oksana Gerlits



Georgia State University

Jianhua Gan



Georgia State University

Jozef Salon



Georgia State University

See next page for additional authors

Follow this and additional works at:

http://scholarworks.gsu.edu/chemistry_facpub

Part of the

Chemistry Commons

This Article is brought to you for free and open access by the Department of Chemistry at ScholarWorks @ Georgia State University. It has been

accepted for inclusion in Chemistry Faculty Publications by an authorized administrator of ScholarWorks @ Georgia State University. For more

information, please contact

scholarworks@gsu.edu

.

Recommended Citation



Huang, Zhen; Abdur, Rob; Gerlits, Oksana; Gan, Jianhua; Salon, Jozef; Kovalevsky, Andrey Y.; Chumanevich, Alexander A.; and

Weber, Irene, "Novel complex MAD phasing and RNase H structural insights using selenium oligonucleotides" (2014). Chemistry



Faculty Publications. Paper 8.

http://scholarworks.gsu.edu/chemistry_facpub/8




Authors

Zhen Huang, Rob Abdur, Oksana Gerlits, Jianhua Gan, Jozef Salon, Andrey Y. Kovalevsky, Alexander A.

Chumanevich, and Irene Weber

This article is available at ScholarWorks @ Georgia State University:

http://scholarworks.gsu.edu/chemistry_facpub/8



SeNA-assisted Structure and Function Studies of Protein-nucleic Acid Complexes 

 

S1



 

 

 



Supplementary Material 

Novel Complex MAD Phasing and RNase H Structural Insights by Selenium 

Oligonucleotides 

    

 

Rob Abdur, Oksana O. Gerlits, Jianhua Gan, Jiansheng Jiang, Jozef Salon, Andrey Y. Kovalevsky, Alexander A. 

Chumanevich, Irene T. Weber, Zhen Huang*   

Department of Chemistry and Department of Biology, Georgia State University, Atlanta, GA 30303, USA.  Email: 

huang@gsu.edu 

 

 

Table of Contents 

Equipment and reagents ……………………………...…….……………..…………...S1 

Oligonucleotide synthesis ……………………………………………………………....S1 

Polynucleotide kinase reaction........................................................................................S2 

Expression of RNase H protein …………………………………..……………………S2 

Purification of RNase H by FPLC ………………………………………………..……S3 

Hydrolysis of RNase H substrates …………………………………………….……….S3 

Crystallization of DNA/RNA/RNase H ternary complexes...........................................S4 

Table of B-factors …………………………………..……..…...…………….….......….S5 

References……………………………………………………………………………….S6 

 

MATERIALS AND METHODS 

Equipment and reagents: 

All  chemistry  reagents  or  buffers  were  purchased  from  commercial  manufacturers  or  made  in  the 

laboratory  using  standard  protocols  unless  otherwise  stated.  Commercially  available  starting  reagents 

were used without further purification. All  cell cultures  and protein expression reagents  were purchased 

from  Invitrogen.  Protein  purifications  were  carried  out  by  FPLC,  and  the  protein  purification  columns 

were purchased from Amersham (GE healthcare life sciences). Expressed proteins were monitored at 259 

nm and collected by FPLC purification.  

 

Oligonucleotide synthesis:  

Native or modified DNA or RNA oligonucleotides were synthesized in the laboratory or purchased from 

commercial manufacturers. Native DNA template (DNA-N), selenium-modified DNA template (DNA-Se; 

Ref. 1), and sulfur-modified DNA template (DNA-S) were synthesized in the laboratory according to the 

methods as described  (Ref. 1). DNA-Se1: 5'-AT-

Se

G-TCGp-3'; DNA-Se2: 5'-AT-



Se

G-TC-


Se

Gp-3';  DNA-

S1: 5'-AT-

S

G-TCGp-3'; DNA-S2: 5'-AT-



S

G-TC-


S

Gp-3'. The native RNA substrate (5'-UCGACA-3') and 

sulfur-modified RNA substrate (RNA-S: 5'-UCGA-S-CA-3', Sp and Rp) were purchased from Integrated 

DNA  Technology  (IDT,  USA).  The  native  DNA  (5'-TGTCGTGTCG-3'),  sulfur-DNA  (5'-TGTCGT-

S

G-



SeNA-assisted Structure and Function Studies of Protein-nucleic Acid Complexes 

 

S2



 

 

 



TCG-3'), and selenium-DNA (5'-TGTCGT-

Se

G-TCG-3') for T



m

 study were synthesized in the laboratory. 

6-Se-2’-deoxyguanosine  (

Se

G)  was  synthesized  in  the  laboratory  and  6-S-2’-deoxyguanosine  (



S

G)  was 


purchased from Glen Research. 

 

Polynucleotide kinase reaction: 

A reaction solution (10 μL), containing a mixture of RNA substrate (1 µL, 1 µM), 1 µL 10X PNK buffer 

(70 mM Tris-HCl, 10 mM MgCl

2, 

5 mM DTT, pH 7.6), γ-³²P-ATP (1 μL, 3,000 Ci/mmol, 5 mCi/ml), T4 



polynucleotide kinase (1 unit, 1 μL), and water (6 μL), was incubated in a water bath for 1 hr at 37 °C 

(Ref. 2-3). The reaction was  heated at  68 °C for  10 min to  inactivate the  enzyme. Ethanol  precipitation 

was then performed to recover the 

32

P-labeled RNA by adding 3 M NaCl (1.1 μL, final concentration 0.3 



M)  and  100%  ethyl  alcohol  (33.3  μL),  followed  by  cooling  at  -80  °C  for  15  min  and  centrifugation 

(14,000 rpm). Supernatant was discarded and pellet was washed 3 times with 70% cold ethanol. After air 

drying the pellet, H

2

O (10 μL) was added to dissolve the 



32

P-labeled RNA.  

 

 (A) Wild-type RNase H (WT: 1-196):      

MAKSKYYVVWNGRKPGIYTSWSACEAQVKGYTGAKFKSYPSKEEAEAAFRG

EEATPKLAKEEIIWESLSVDVGSQGNPGIVEYKGVDTKTGEVLFEREPIPIGTNN

MGEFLAIVHGLRYLKERNSRKPIYS



D

SQTAIKWVKDKKAKSTLVRNEETALIW

KLVDEAEEWLNTHTYETPILKWQTDKWGEIKADYGRK 

 

(B) Truncated RNase H (TR RNase H: 59-196;): 

AKEEIIWESLSVDVGSQGNPGIVEYKGVDTKTGEVLFEREPIPIGTNNMGEFLAI

VHGLRYLKERNSRKPIYS



D

SQTAIKWVKDKKAKSTLVRNEETALIWKLVDEAE

EWLNTHTYETPILKWQTDKWGEIKADYGRK

  

 



(C) Truncated RNase H inactive mutant (D132N: 59-196): 

AKEEIIWESLSVDVGSQGNPGIVEYKGVDTKTGEVLFEREPIPIGTNNMGEFLAI

VHGLRYLKERNSRKPIYS

N

SQTAIKWVKDKKAKSTLVRNEETALIWKLVDEAE

EWLNTHTYETPILKWQTDKWGEIKADYGRK

  

Figure S1. Wild-type and mutant RNase H proteins (Bacillus halodurans). Bacillus halodurans RNase H 

(rhnA) was used for the study. A: The wild-type enzyme is a single polypeptide (1-196 amino acids) and 

contains  two  domains:  a  RNA-DNA  hybrid  binding  domain  (1-58  aa,  in  black)  and  a  catalytic  domain 

(59-196  aa,  in  blue).  B:  The  truncated  RNase  H  (59-196  aa)  was  generated  genetically  and  retains  the 

RNA  hydrolytic  activity  on  RNA/DNA  duplex  (Ref.  4-5).  C:  Truncated  RNase  H  inactive  mutant  was 

created, for crystal structure study, by mutating the aspartate residue (D132) of the truncated RNase H to 

asparagine (D132N). This mutation abolishes the metal ion coordination (B site) capability of the enzyme 

and makes the enzyme inactive catalytically.   

 

Expression of RNase H protein: 

RNase H wild-type (WT, Figure S1), truncated (TR), and truncated mutant (D132N) constructs (pET15, 

pET  42,  and  pET13,  respectively)  were  kindly  given  by

 Dr.  Wei  Yang  lab  at  NIH  as  a  gift.  Protein 

expressions  were  carried  out  in  BL21  (DE3;  pLys  E.  coli;  purchased  from  Invitrogen).  Transformation 

was accomplished by heat shock method. One picomol of plasmid carrying the gene of interest was added 

in a vial (50 µL) of competent cells and swirled gently. The vial was placed on ice for 30 min and heat 

shock was then performed by placing the vial in a water bath (42 °C) for 40 sec. Placed it again on ice for 

5 min. SOC medium (150 µL, purchased from Invitrogen) was added in a vial and the vial was shaken for 

1  hr  at  37  °C  (220  rpm).    The  bacterial  suspension  (50  µL)  was  spread  on  a  LB-agar  plate  [containing 

ampicillin (100 mg/L) and chloramphenicol (35 mg/L)] and the plate was incubated at 37 °C overnight. A 




SeNA-assisted Structure and Function Studies of Protein-nucleic Acid Complexes 

 

S3



 

 

 



single  colony  was  picked  up  and  added  to  LB-ampicillin-chloramphenicol  broth  (300  mL).  The  culture 

was shaken (220 rpm) overnight at 37 °C

. Two liters LB-ampicillin-chloramphenicol broth was prepared 

and the overnight culture (30 mL) was added to inoculate it. The inoculated broth was incubated for 2-3 

hrs  by  shaking  (220  rpm)  at 

37  °C


.  When  the  OD600  reached  at  0.6  OD,  protein  expression  was  then 

induced  by  adding  IPTG  (20  mL,  100  mM;  final  concentration  1  mM)  and  the  culture  was  allowed  to 

grow for 4 hrs more. Cells were harvested by centrifugation, washed twice with buffer A (

75 mM NaCl, 

40 mM NaH

2

PO



4

, pH 7.0, 0.1 mM EDTA, 1 mM DTT, and 5% glycerol), and the pellet was suspended in 

the  same  buffer.  The  cells  were  then  lysed  by  sonication  (12  x  10  sec  duration)  with  a  Branson  digital 

sonifier  (Fisher  Scientific;  microtip,  45%  amplitude)  with  intervening  cooling  time.  The  cell  lysate  was 

centrifuged at 16,000 rpm for 30 min and the supernatant was collected for FPLC purification.  

 

Purification of RNase H by FPLC:



 

Before  the  supernatant  loading,  the  Ni-affinity  column  on  FPLC  was  washed  with  10  column  volumes 

(CV)  of  buffer  B  (300  mM  NaCl,  40  mM  NaH

2

PO



4

,  pH  7.0,  1  mM  DTT,  5%  glycerol,  and  500  mM 

imidazole) to remove impurities and the column was equilibrated with 10 CV of buffer A. After loading 

the supernatant, the column was eluted with buffer A for 10 min and then with 15% buffer B for 10 min 

with a flow rate of 1.5 mL/min to remove impurities and unbound proteins. Subsequently, the protein was 

eluted with buffer B (15-100%) with a flow rate 1 mL/min over 100 mL, the RNase H elution peak was 

observed at 40-45% buffer B, and the protein was collected. The buffer of the protein was exchanged with 

buffer  C  (40  mM  NaH

2

PO

4



,  pH  7.0,  150  mM  NaCl,  5%  glycerol,  2  mM  DTT,  and  0.5  mM  EDTA)  by 

dialysis in 3-kDa cut-off membranes at 4 

°C

 overnight



.

 

His-tag of the protein was removed by t



hrombin 

digestion,  which  was  performed  by  addition  of  10  units  of  thrombin  for  every  40  mg  of  protein 

(determined by UV at 280 nm) and incubation at room temperature for 1 hr. Digested protein solution was 

mixed with an equal volume of buffer D (

75 mM NaCl, 40 mM NaH

2

PO



4,

 pH 7, 0.1 mM EDTA, 1 mM 

DTT,  5%  glycerol,  and  4  M  ammonium  sulfate). 

The  tag-free  protein  was  further  purified  by  Phenyl 

Sepharose column 

(hydrophobic column)

The Phenyl Sepharose column was prepared



 by washing with 

buffer F (

75 mM NaCl, 40 mM NaH

2

PO



4,

 pH 7.0, 0.1 mM EDTA, 1 mM DTT, and 5% glycerol) and then 

equilibrated  with  buffer  E  (75  mM  NaCl,  40  mM  NaH

2

PO



4,

 pH 7.0,  0.1  mM  EDTA,  1  mM  DTT,  5% 

glycerol, and 2 M ammonium sulfate) before loading the sample. The tag-free protein was loaded on the 

column with a flow rate of 0.8 mL/min and washed with 10 CV of buffer E to remove short peptides and 

impurities. Protein was further eluted by 0-100% buffer F with the same flow rate over 100 mL, and the 

RNase H elution peak was observed between 45-50% buffer F. Eluted protein was exchanged with buffer 

G (

75 mM NaCl, 20 mM HEPES, pH 7.0, 5% glycerol, 0.5 mM EDTA, and 2 mM DTT) by dialysis in 3-



kDa cut-off membranes at 4 

°C

 overnight



 and stored 

at −20 °C.

 Protein concentration was determined by 

UV analysis at 280 nm using a calculated 



ε

280


 value (

58900 M


-1 

cm

-1



) for the wild-type and  a ε

280


 value 

(

40450 M



-1 

cm

-1



) for the truncated RNase H (Ref. 6).        

 

Hydrolysis of RNase H substrates: 

Each RNase  H hydrolysis  reaction (volume  5 µL)  contains  DNA template (150 nM  final  concentration; 

DNA-N,  DNA-S,  or  DNA-Se)  and 

32

P-labeled 



RNA  substrate  (native  or  S-modified  RNAs;  mixture  of 

cold  and  hot 

RNAs; 

150  nM  final  concentration).  To  each  hydrolysis  reaction,  WT  or  TR  RNase  H 



enzyme  (10  nM,  final)  and  the  reaction  buffer  (final  conditions:  75 mM KCl,  50 mM Tris-HCl,  pH  7.8, 

3 mM MgCl

2

, and 1 mM diborane) were added. The reactions were incubated for 30 min at 37 °C, unless 



otherwise mentioned. After  incubation,  the reactions  were quenched by  immediately  adding  gel-loading 

dye (contained 7 M urea and 1 mM EDTA) and placing them on dry ice. The reactions were analyzed by 

21% w/v urea-polyacrylamide (19:1 acrylamide:bisacrylamide) gel electrophoresis. The gels were run for 

1 h at 500 volts, and the gels were fixed by fixing buffer (10% acetic acid in methanol) and dried. The gel 

images were taken by exposing on X-ray films. The bands were also quantified by phosphorimager and 



SeNA-assisted Structure and Function Studies of Protein-nucleic Acid Complexes 

 

S4



 

 

 



image-quantifying  software.  For  the  time-course  analysis,  a  reaction  solution  (20  µL)  was  prepared  for 

each DNA template. All experimental conditions were as same as the hydrolysis reaction described above. 

Before adding the enzyme, aliquot was transferred and referred to as ‘zero’ min. The same amount (3 µL) 

of aliquots was removed at 0.25, 0.5, 1, 3, 5, 7, and 10 min time point and used for gel analysis.  

 

Hydrolysis of RNase H substrates in the presence of Mg

2+ 

or Mn

2+

 

The  RNA  hydrolysis  and  the  rescue  reactions  used  the  similar  conditions  above.  The  divalent  cation 

(Mg

2+

) was used or replaced with Mn



2+

 in the buffer. Native or 

Sp- or Rp-sulfur-modified RNAs were used as 

the  substrates. 

The  final  reaction  buffer  conditions  (Ref.  9)  are  75 mM KCl,  50 mM Tris-HCl,  pH  7.8, 

3 mM MnCl

2

  (or  MgCl



2

)  and  1  mM  diborane.  The  reaction  time  is  either  5  min  (Figure  5A-C)  or 

indicated (Figure 5D).  

 

Crystallization of DNA/RNA/RNase H ternary complexes:  

Protocol-1:  The  DNA  portion  of  the  DNA/RNA  hybrid  (5'-ATGTCG-3'/5'-UCGACA-3';  one-base 

overhang  at  both  ends)  was  derivatized.  Prior  to  co-crystallization  with  RNase  H,  the  purified  Se-DNA 

(5'-AT-

Se

G-TC-



Se

G-3')  and  RNA  (5'-UCGACA-3')  were  annealed  at  1:1  molar  ratio  by  first  heating  the 

mixture to 90ºC for 1 min, and then allowing it to cool slowly down to 25ºC. The resulting Se-DNA/RNA 

duplex was mixed with the protein (final concentration: 8 mg/mL) at 1:1 molar ratio in the presence of 5 

mM  MgCl

2

.  Co-crystallization  of  Se-DNA/RNA  hybrid  with  RNase  H  was  achieved  by  screening  with 



the QIAGEN Classics Suite Kit (www.qiagen.com). By using the sitting-drop vapor diffusion method at 

25ºC, the crystals were readily obtained from the mixture #96 of the crystallization screen [Buffer: 0.1 M 

MES, pH 6.5; precipitant: 12% (w/v), PEG 20000].  

Protocol-2: The DNA portion of the DNA/RNA hybrid possesses a phosphate group at its 3'-end. In the 

duplex, the 5'-ends of both DNA and RNA remains one-base overhang (5'-ATGTCG-3'/5'-UC-

Se

G-ACA-


3'). Prior to  co-crystallization  with  RNase H, the purified DNA  (5'-ATGTCG-3')  and RNA  (5'-UC-

Se

G-



ACA-3') were annealed at 1:1 molar ratio. The duplex mixture was heated to 90ºC for 1 min and allowed 

to  cool  down  slowly  to  25ºC.  The  resulting  DNA/RNA  duplex  was  mixed  with  the  protein  (final 

concentration in the complex: 8 mg/mL) at 1:1.5 ratio (protein:DNA-p-3’/RNA duplex) in the presence of 

5  mM  MgCl

.  Co-crystallization  of  DNA-p-3’/RNA  hybrid  with  RNase  H  was  achieved  by  screening 



with Index screening Kit (HR2-144 Reagent Formulation, Hampton research, USA). By using the sitting-

drop  vapor  diffusion  method  at  22ºC,  the  diffractable  crystals  were  obtained  in  0.04  M  Magnesium 

chloride, 0.05 M Sodium cacodylate , pH 6.0, 5% v/v 2-Methyl-2,4-pentanediol.  

 

MAD Data Collection and Phasing 

Crystal diffraction data of the Se-DNA/RNA/RNase H complex were collected at beamline X25 and X29 

in  the  National  Synchrotron  Light  Source  (NSLS)  of  Brookhaven  National  Laboratory.  A  number  of 

crystals  were  scanned  to  find  the  one  with  strong  anomalous  scattering  at  the  K-edge  absorption  of 

selenium.  25%  glycerol  was  used  as  cryoprotectant  while  X-ray  data  were  collected  under  the  liquid 

nitrogen stream at 99 °K. The selected wavelengths for selenium MAD data are listed in Table S1. Each 

crystal  was  exposed for 15 seconds  per image with  one degree rotation, and a total  of 180 images  were 

taken for each data set. Two crystals were used to collect the MAD/SAD data sets.  The figure of merit of 

the individual SAD phasing data was relatively low, which could not produce a good electron density map 

for the model. We used one SAD data set as a reference for the MAD phasing of the other diffraction data 

set. The overall figures of merit (FOM) of the initial phases were 0.630, which produced an interpretable 

electron  density  map.  All  data  (Table  S1)  were  processed  using  HKL2000  and  DENZO/SCALEPACK 

(Ref.  7  and  8).  The  structure  was  solved  by  MAD  method  using  program  Solve/Resolve.  The  resulted 

model was refined using Refmac5 within CCP4i. The DNA/RNA duplex was modeled into the structure 

using Coot. Metal ions and water molecules were added either automatically or manually using Coot. The 




SeNA-assisted Structure and Function Studies of Protein-nucleic Acid Complexes 

 

S5



 

 

 



comparisons  between  the  native  and  Se-modified  structures  are  presented  in  Figure  2.  The  unique 

cleavage site of the RNA/DNA substrate is supported by the structure study. 



 

 

Table S1. The table of B-factor comparison between the crystal structures of RNase H complexed with 

the native and Se-modified DNA/RNA duplexes.  

PDB ID 


3TWH 

2G8U 


1ZBI 

Resolution (Å) 

1.80 

2.70 


1.85 

B-factor (Å)

2

   


    Overall 

Protein 


 

RNA/DNA duplex 

            RNA 

            DNA 

     

            rC5/d



Se

G3 (or rC5/dG3) 

(base pair at the cleaving site) 

Mg

2+



-A 

Mg

2+



-B 

 

24.0 



22.3 

 

27.2 



25.2 

29.1 


 

19.2/32.3 

 

23.8 


32.3 

 

49.0 



50.8 

 

42.4 



44.4 

40.3  


 

40.8/32.7 

 

26.9 


35.0 

 

29.4 



29.4 

 

different 



RNA and 

DNA 


sequences 

  

 



26.64 

29.73


 

 



SeNA-assisted Structure and Function Studies of Protein-nucleic Acid Complexes 

 

S6



 

 

 



References: 

1.  Salon, J., Jiang, J., Sheng, J., Gerlits, O. O., and Huang, Z. (2008). Nucleic Acids Res, 36, 7009-

7018. 

2.   Richardson, C. C. (1965) Proc Natl Acad Sci USA54, 158-165. 



3.  Novogrodsky, A., Tal, M., Traub, A., and Hurwitz, J. (1966). J Biol Chem, 241, 2933-2943. 

4.  Nowotny, M., Gaidamakov, S. A., Crouch, R. J., and Yang, W. (2005). Cell, 121, 1005-1016. 

5.  Takami, H., Nakasone, K., Takaki, Y., Maeno, G., Sasaki, R., Masui, N., Fuji, F., Hirama, C., 

Nakamura, Y., Ogasawara, N., Kuhara, S., and Horikoshi, K. (2000). Nucleic Acids Res, 28, 4317-

4331. 

6.  Pace, C. N., Vajdos, F., Fee, L., Grimsley, G., and Gray, T. (1995). Protein Sci, 4, 2411-2423. 



7.  Otwinowski, Z. and Minor, W. (1997). Meth. Enzymol., 276, 307-326. 

8.   Gonzalez, A., Pedelacq, J., Sola, M., Gomis-Ruth, F. X., Coll, M., Samama, J., Benini, S. (1999). 



Acta Cryst D55, 1449-1458. 

9.   Goedken, E. R., and Marqusee, S. (1999). Protein Eng 12, 975-980. 



 

 

Document Outline

  • Georgia State University
  • ScholarWorks @ Georgia State University
    • 2014
  • Novel complex MAD phasing and RNase H structural insights using selenium oligonucleotides
    • Zhen Huang
    • Rob Abdur
    • Oksana Gerlits
    • Jianhua Gan
    • Jozef Salon
      • See next page for additional authors
      • Recommended Citation
      • Authors
  •  

Yüklə 235,6 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə