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Department of Biology, University of Rochester
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Seluanov, A., Mao, Z., Gorbunova, V. Analysis of DNA Double-strand Break (DSB) Repair in Mammalian Cells. J. Vis. Exp. (43), e2002, doi:10.3791/2002 (2010).
डीएनए डबल भूग्रस्त टूटता है सबसे खतरनाक डीएनए घावों कि आनुवंशिक जानकारी और कोशिका मृत्यु का भारी नुकसान के लिए नेतृत्व कर सकते हैं. Nonhomologous अंत (NHEJ) में शामिल होने और मुताबिक़ पुनर्संयोजन (मानव संसाधन): कोशिकाओं की मरम्मत दो प्रमुख रास्ते का उपयोग कर DSBs. NHEJ और मानव संसाधन के perturbations अक्सर समय से पहले बूढ़ा और tumorigenesis के साथ जुड़े रहे हैं, इसलिए यह महत्वपूर्ण है प्रत्येक DSB मरम्मत मार्ग को मापने का एक मात्रात्मक तरीका है. हमारी प्रयोगशाला फ्लोरोसेंट संवाददाता constructs कि NHEJ और मानव संसाधन के संवेदनशील और मात्रात्मक माप की अनुमति विकसित किया है. constructs एक इंजीनियर GFP एक दुर्लभ काटने DSBs के शामिल होने के लिए मैं SceI endonuclease के लिए मान्यता साइटों युक्त जीन पर आधारित हैं. शुरू constructs GFP नकारात्मक GFP जीन के रूप में एक अतिरिक्त एक्सॉन द्वारा निष्क्रिय है, या परिवर्तन के द्वारा. NHEJ या मानव संसाधन के द्वारा मैं SceI प्रेरित टूट की मरम्मत सफल कार्यात्मक GFP जीन restores. GFP सकारात्मक प्रवाह cytometry द्वारा गिना कोशिकाओं की संख्या NHEJ या मानव संसाधन दक्षता के मात्रात्मक उपाय प्रदान करता है.
इस प्रोटोकॉल में हम डीएनए DSB मरम्मत के विश्लेषण के लिए chromosomally एकीकृत संवाददाता के साथ विधि 1,2 जहां DSBs vivo में क्षणिक अभिव्यक्ति एक दुर्लभ काटने endonuclease 3 मैं SceI द्वारा प्रेरित कर रहे हैं constructs का वर्णन. एकीकृत परख DSB मरम्मत गुणसूत्र संदर्भ में विश्लेषण का लाभ प्रदान करता है. हालांकि, यह लंबे समय तक passaging सेल है, जो समस्याग्रस्त हो सकता है जब प्राथमिक कोशिकाओं के साथ काम कर सकते प्रोटोकॉल की आवश्यकता है.
एक वैकल्पिक दृष्टिकोण एक extrachromosomal परख जहां संवाददाता constructs मैं SceI या HindIII endonucleases के साथ इन विट्रो में पच जाता है और फिर रैखिक डीएनए के रूप में कोशिकाओं में ट्रांसफ़ेक्ट है . exctrachromosomal परख प्रोटोकॉल 4 एकीकृत निम्नलिखित संशोधनों के साथ नीचे वर्णित परख करने के लिए इसी तरह की है. Extrachromosomal परख संवाददाता constructs के एकीकरण को छोड़ और बजाय सह NHEJ प्लाज्मिड संवाददाता मैं SceI या HindIII और अभिकर्मक नियंत्रण के रूप में pDsRed2-N1 के 0.1 μg के साथ इन विट्रो में linearized के 0.5 μg के साथ कोशिकाओं transfect. मानव संसाधन परख के लिए सह transfect 2 μg एचआर प्लाज्मिड संवाददाता मैं SceI या HindIII और 0.1 μg pDsRed2-N1 के साथ linearized. FACS अभिकर्मक के बाद तीन दिनों के द्वारा कोशिकाओं का विश्लेषण. extrachromosomal परख प्राथमिक आइसोलेट्स में DSB मरम्मत के विश्लेषण के लिए अनुमति देता है, व्यापक passaging सेल से परहेज है, और कई सेल लाइनों के विश्लेषण की सुविधा.
1. NHEJ और मानव संसाधन के लिए रिपोर्टर constructs
NHEJ रिपोर्टर 5 कैसेट एक इंजीनियर Pem1 जीन (GFP Pem1) से 3 केबी intron के साथ एक GFP जीन शामिल हैं . Pem1 intron एक adenoviral HindIII और मैं SceI endonucleases DSBs के शामिल होने के लिए (चित्रा 1 क) के लिए मान्यता अनुक्रम द्वारा flanked एक्सॉन शामिल हैं. मैं SceI साइटों उल्टे ओरिएंटेशन में हैं. मैं SceI एक nonpalindromic मान्यता अनुक्रम है, इसलिए दो उल्टे साइटों असंगत डीएनए समाप्त होता है (चित्रा -1 सी) उत्पन्न करते हैं. असंगत डीएनए समाप्त होता है सबसे अच्छा स्वाभाविक रूप से होने वाली DSBs नकल. बरकरार NHEJ कैसेट नकारात्मक GFP के रूप में adenoviral एक्सॉन GFP ओआरएफ बाधित है. मैं SceI द्वारा DSBs के शामिल होने पर, adenoviral एक्सॉन निकाल दिया है और NHEJ GFP जीन (चित्रा 2) के समारोह restores. इस NHEJ पत्रकार की अनूठी विशेषता यह है कि यह NHEJ घटनाओं की एक व्यापक स्पेक्ट्रम का पता लगाने के बाद intron विलोपन और सम्मिलन बर्दाश्त कर सकते हैं कर सकते हैं.
मानव संसाधन रिपोर्टर एक कैसेट (चित्रा 1b) भी GFP-Pem1 पर आधारित है. एचआर कैसेट में, GFP-Pem1 के पहले एक्सॉन 22 बीपी तीन प्रतिबंध साइटों, I-SceI/HindIII/I-SceI की प्रविष्टि के साथ संयुक्त विलोपन शामिल हैं. विलोपन सुनिश्चित करता है कि GFP एक NHEJ घटना से पुनर्गठन नहीं कर सकते हैं. दो साइटों मैं SceI उल्टे ओरिएंटेशन में हैं, ताकि मैं SceI पाचन असंगत समाप्त होता है (चित्रा -1 सी) पत्ते. GFP-Pem1 की पहली प्रति एक promoter-less/ATG-less पहली एक्सॉन और GFP-Pem1 के intron द्वारा पीछा किया जाता है. बरकरार GFP नकारात्मक का निर्माण है. एक DSB मैं SceI पाचन द्वारा शामिल होने पर कार्यात्मक GFP जीन intramolecular या intermolecular बीच पहली एक्सॉन GFP-Pem1 के दो प्रतियां उत्परिवर्तित जीन रूपांतरण द्वारा पुनर्गठित किया गया है. GFP जीन की दूसरी प्रतिलिपि के बाद से पहली ATG codon और दूसरा एक्सॉन की कमी है, पर पार या एकल भूग्रस्त annealing GFP गतिविधि बहाल नहीं करेंगे. इस जीन रूपांतरण की विशेष पहचान है, जो स्तनधारी कोशिकाओं में प्रमुख मानव संसाधन मार्ग (चित्रा 3) डिजाइन के लिए अनुमति देता है.
2. रिपोर्टर की एकता जीनोम में constructs
3. DSB की मैं SceI endonuclease के क्षणिक अभिव्यक्ति द्वारा प्रेरण
4. + GFP और DsRed + कोशिकाओं के प्रवाह cytometry द्वारा विश्लेषण
5. प्रतिनिधि परिणाम
नियंत्रण transfections की और NHEJ और मानव संसाधन प्रयोगों के विशिष्ट FACS परिणाम 4 और 5 आंकड़े में दिखाया जाता है. मैं SceI ट्रांसफ़ेक्ट integrat युक्त कोशिकाओं में प्रतिदीप्त तीव्रता और फ्लोरोसेंट कोशिकाओं की संख्या कम हो जाएगाएड NHEJ और मानव संसाधन constructs (चित्रा 5) (चित्रा 4) नियंत्रण GFP और इन कोशिकाओं में DsRed constructs की नकल संख्या में अंतर के कारण की तुलना में. एकीकृत संवाददाता निर्माण के प्रयोग में प्रत्येक कक्ष का केवल एक प्रतिलिपि होती है, इस प्रकार सफल मरम्मत घटनाओं reconstitute कोशिकाओं के एक अंश में GFP जीन. मानव fibroblasts में 0.1 μg pDsRed2-N1 के साथ अभिकर्मक लगभग 1 सेल प्रति प्लाज्मिड की नकल बचाता है.
NHEJ और मानव संसाधन की दक्षता GFP + / DsRed + कोशिकाओं के अनुपात के रूप में गणना की है. NHEJ मानव कोशिकाओं में 2 मानव संसाधन की तुलना में अधिक कुशल प्रक्रिया है. मानव fibroblasts में NHEJ दक्षता आम तौर पर 0.6-1.3, और मानव संसाधन दक्षता 0.05-0.3 है. चूंकि DSB दक्षता अनुपात GFP के रूप में मापा जाता है / DsRed + मैं SceI और DsRed2-N1 plasmids के मिश्रण में कोशिकाओं विविधताओं परिणाम को प्रभावित कर सकता है. प्लाज्मिड गुणवत्ता अभिकर्मक दक्षता बदलकर भी परिणाम को प्रभावित कर सकता है. इसलिए, अनुरूप माप प्राप्त करने के लिए, यह महत्वपूर्ण है के एक प्रयोग के भीतर ही प्लाज्मिड मिश्रण का उपयोग. इसके अलावा, DSB मरम्मत दक्षता सेल प्रकार, कोशिका चक्र चरण, और एकीकृत constructs के गुणसूत्र स्थान से प्रभावित है.

चित्रा 1. रिपोर्टर NHEJ (ए) और मानव संसाधन (बी) के द्वारा डीएनए DSB मरम्मत के विश्लेषण के लिए constructs . (सी) असंगत डीएनए दो उल्टे मैं SceI साइटों के पाचन से उत्पन्न समाप्त होता है एसडी, ब्याह दाता, एसए, ब्याह स्वीकर्ता; छायांकित वर्गों, polyadenylation साइटों, नव / काना, एकल ओआरएफ दो प्रमोटरों द्वारा नियंत्रित: SV40 प्रदान neomycin में प्रतिरोध स्तनधारी कोशिकाओं, और β-lactamase प्रदान ई. कोलाई में kanamicyn प्रतिरोध, मूल, ई. कोलि प्रतिकृति का PUC मूल.

चित्रा 2. रिपोर्टर NHEJ के विश्लेषण के लिए निर्माण इस में निर्माण GFP जीन निष्क्रिय है, लेकिन एक DSB और सफल NHEJ की प्रेरण पर का निर्माण + GFP हो जाता है. नीचे दिखाया गया है इस संवाददाता के एक NHEJ द्वारा मरम्मत उत्पाद है.

चित्रा 3. रिपोर्टर जीन रूपांतरण द्वारा मानव संसाधन के विश्लेषण के लिए निर्माण DSBs की मैं SceI, मानव संसाधन द्वारा जीन रूपांतरण (जीसी) द्वारा शामिल होने पर एक सक्रिय GFP जीन reconstitutes.. जीसी, पार से अधिक (X ओवर), एकल भूग्रस्त annealing (एसएसए), और NHEJ: नीचे दिखाया गया है इस संवाददाता के प्रमुख डीएनए की मरम्मत रास्ते द्वारा मरम्मत उत्पादों रहे हैं. एक्स से अधिक - मरम्मत उत्पाद intramolecular पुनर्संयोजन के लिए दिखाया गया है, exramolecular पुनर्संयोजन एक ही उत्पाद दे, लेकिन एक गुणसूत्र पर स्थित है. सक्रिय GFP प्रोटीन व्यक्त जीन (GFP +) हरे रंग से दर्शाया है.

चित्रा 4. (ए) FACS विश्लेषण के लिए मानकों के अंशांकन Fibroblasts प्लाज्मिड pHPRT साथ ट्रांसफ़ेक्ट, ऑटो फ्लोरोसेंट कोशिकाओं को छोड़कर के लिए एक नकारात्मक नियंत्रण के रूप में इस्तेमाल किया. (बी) Fibroblasts प्लाज्मिड pEGFP के साथ ट्रांसफ़ेक्ट GFP + कोशिकाओं (हरित क्षेत्र) के लिए gating स्थापित करने के लिए इस्तेमाल किया. (सी) Fibroblasts प्लाज्मिड pDsRed2 n1, DsRed + कोशिकाओं (लाल क्षेत्र) के लिए gating सेटिंग के लिए इस्तेमाल के साथ ट्रांसफ़ेक्ट.

चित्रा 5. Chromosomally एकीकृत संवाददाता constructs के साथ सामान्य मानव fibroblasts में NHEJ (ए) और मानव संसाधन (बी) के विश्लेषण के विशिष्ट परिणाम है .
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फ्लोरोसेंट NHEJ और मानव संसाधन संवाददाता assays vivo में अलग से प्रत्येक DSB मरम्मत मार्ग को मापने के लिए एक मात्रात्मक तरीके प्रदान करते हैं . assays के बहुत संवेदनशील होते हैं, के रूप में FACS मज़बूती से 20,000 कोशिकाओं में 10 GFP + कोशिकाओं का पता लगा सकते हैं. assays मिनट या घंटे के भीतर दो DSBs के अधिष्ठापन के बाद GFP + कोशिकाओं की उपस्थिति का पता लगाने के द्वारा "वास्तविक समय" में मरम्मत की घटनाओं को मापने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है. इसके अलावा, GFP + कोशिकाओं का विश्लेषण अतिरिक्त सेल प्रसार पर भरोसा नहीं करता अनुमति DSB मरम्मत कि 6 गिरफ्तारी कोशिका विभाजन विभिन्न दवाओं के साथ इलाज के बाद अलग सेल चक्र के चरणों में विश्लेषण. यह संवाददाता एक चयन मार्कर के पुनर्गठन पर आधारित constructs पर एक महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है.
NHEJ प्रक्रिया आंतरिक रूप से त्रुटि - प्रवण पैदा समाप्त होता है जंक्शनों पर विभिन्न छोटे rearrangements. हमारे NHEJ पत्रकार की अद्वितीय संपत्ति है कि मरम्मत की घटनाओं एक intron, जो विलोपन और सम्मिलन बर्दाश्त के भीतर होते हैं, इस प्रकार NHEJ घटनाओं की एक व्यापक स्पेक्ट्रम का पता लगाने की अनुमति है. मानव संसाधन का निर्माण एक ही संशोधित GFP जीन पर आधारित है के रूप में NHEJ NHEJ और मानव संसाधन का तुलनात्मक विश्लेषण की अनुमति निर्माण. फ्लोरोसेंट NHEJ और मानव संसाधन assays का उपयोग स्तनधारी DSB मरम्मत के अध्ययन की सुविधा होगी.
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ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.
मूल GFP-Pem1 डॉ. Lei ली से एक उपहार था. यह काम NIH और एलिसन मेडिकल फाउंडेशन से VG अनुदान द्वारा और के रूप में समर्थित किया गया था
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| EndoFree Plasmid Maxi kit | Qiagen | 12362 | |
| Qiaex II Gel Extraction Kit | Qiagen | 20021 | |
| Amaxa Nucleofector | Lonza Inc. | AAD-1001 | |
| Geneticin (G418) | Invitrogen | 11811-031 | |
| pDsRed2-N1 | Clontech Laboratories | 632406 | |
| Round bottom tubes | BD Biosciences | 352058 | FACS tubes |