研究DNA损伤修复动力学需要一种能够在细胞核内特定区域诱导损伤的系统。本文介绍一种利用配备405 nm激光器的激光扫描共聚焦显微镜在局部产生双链断裂的方法,并提供自动化流程,用于定量分析修复因子在这些损伤位点的动力学行为。
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方法文章
* These authors contributed equally
研究DNA损伤修复动力学需要一种能够在细胞核内特定区域诱导损伤的系统。本文介绍一种利用配备405 nm激光器的激光扫描共聚焦显微镜在局部产生双链断裂的方法,并提供自动化流程,用于定量分析修复因子在这些损伤位点的动力学行为。
DNA损伤应答(DDR)利用大量蛋白质来检测、传递信号并修复DNA损伤。阐明这一应答过程对于理解基因组维持机制至关重要。由于蛋白质在损伤位点的招募和交换具有高度动态性,对其研究需要能够快速且在空间上精确地诱导DNA损伤的方法。本文描述了利用常见的配备405 nm激光线的激光扫描共聚焦显微镜,在人类细胞中局部诱导DNA损伤的实验步骤。可通过免疫荧光(IF)或使用荧光标记蛋白进行实时观察,来评估基因组维持因子在激光划痕区域的富集情况。以磷酸化组蛋白H2A.X(γ-H2A.X)和复制蛋白A(RPA)作为标志物,该方法具有足够的分辨率,可区分在损伤局部招募的因子与扩散至邻近染色质的因子。此外,我们还提供了基于ImageJ的脚本,用于高效监测蛋白质在DNA损伤位点重定位的动力学过程。这些优化显著简化了对DDR动态过程的研究。
细胞 constantly 暴露于威胁其基因组完整性的内源性和外源性 DNA 损伤因素中。DNA 损伤应答(DDR)是一组信号通路,能够识别、传递信号并修复 DNA 损伤,以维持基因组稳定性。在 DNA 双链断裂(DSBs)处,DDR 主要发生在两个互补的平台上:γ-H2A.X 标记的染色质和一段通常被单链 DNA 结合复合物 RPA 包被的单链 DNA(ssDNA)区域1,2。
预先用胸腺嘧啶类似物5-溴-2'-脱氧尿苷(BrdU)或双苯并咪唑乙氧三盐酸盐(BBET,Hoechst 33342)DNA染料致敏的细胞,经紫外激光微辐照后,会产生包括单链断裂(SSBs)和双链断裂(DSBs)在内的多种DNA损伤,从而在染色质和单链DNA(ssDNA)两个平台上引发局部的DNA损伤应答(DDR)3,4。先前的研究表明,利用高能量紫外A波段激光(335–365 nm)结合免疫荧光技术(IF),可区分基因组维持因子在DSB处这两个不同平台上的招募过程2,5。配备此类激光器的显微镜成本较高,因其需要高能量激光源以及专用的紫外A透射物镜,因此在学术机构和制药环境中远不如配备405 nm激光线的激光扫描共聚焦显微镜普遍。此外,由于描述基因组维持因子动态行为需要繁琐的手动图像分析,限制了对微辐照位点蛋白质招募与交换过程的研究。
本文展示了通过 BrdU 或 BBET 核酸染料对细胞进行预致敏,随后在普通共聚焦显微镜上使用 405 nm 激光进行微辐照,可实现对 DNA 损伤位点处基因组维持因子动态的实时监测。结合使用 γ-H2A.X 或 RPA 复合物亚基作为平台标记物,辅以 z 轴层扫以获得更大的景深,并通过去卷积技术提高分辨率,实验者能够区分被局部招募至 DNA 双链断裂(DSB)位点的因子与扩散至初始损伤周围大范围染色质区域的因子。根据不同的核内区域进行此类亚分类,有助于进一步明确被招募至微辐照位点但功能尚未明确的蛋白质的潜在作用。此外,我们提供了便捷的实验方案和优化的分析流程,可利用开源软件 Fiji(ImageJ 的一个发行版本)快速分析基因组维持因子的动态行为6,7,8。这些对现有微辐照技术的改进使得 DNA 损伤应答(DDR)研究几乎可在任何实验室条件下开展。
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1. 细胞预致敏
2. 细胞的微照射
3. 荧光标记蛋白的活体成像
4. 召集动力学分析

5. 免疫荧光实验方案
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显微照射后,根据基因组维持蛋白的性质,让细胞恢复特定的一段时间1,12双链断裂(DSBs)将被核酸酶加工处理,这一过程在细胞周期的S期和G2期尤为显著,从而产生有限长度的单链DNA区域,该区域会迅速被RPA及其他基因组维持因子所结合。9该单链DNA区域周围是染色质,其在DNA损伤应答(DDR)过程中发生广泛修饰,以调控其他DDR因子的招募与交换。13. 可通过免疫荧光(IF)监测蛋白质向微辐照区域的募集图1A)。通常,染色质相关因子(例如γ-H2A.X,53BP1 等等。可在较早时间点(1–5 分钟)检测到,而单链 DNA 结合蛋白的出现则较晚(≥10 分钟),因为需要核酸酶介导的双链断裂末端切除以生成 RPA-单链 DNA 平台。为便于图像分析与发表,我们开发了一个...
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采用上述方法,对经BBET或BrdU预致敏的贴壁人细胞进行405 nm激光微辐照,可在细胞核内实现包括DNA双链断裂(DSB)在内的局部DNA损伤。这些DSB处的DNA损伤应答(DDR)动力学特征与其他方法在真核细胞中诱导的DSB相似9,18,19。微辐照位点处的DSB切除可产生单链DNA(ssDNA),可通过靶向RPA32的抗体或RPA32-GFP融合蛋白进行示踪。另一方面,染色质相关因子的定位可借助γ-H2A.X作为参照标志。某些染色质相关因子从初始DSB位点扩散的程度可能不及γ-H2A.X,因而呈现为点状焦点,且可能与结合ssDNA的蛋白质焦点在位置上相互分离。
一旦双链断裂(DSBs)形成,即可通过固定细胞的免疫荧光(IF)检测损伤位点处蛋白质的招募与清除情况。开展此类实验仅需针对目标蛋白(POI)的合适IF抗体。若缺乏适用于IF的抗体,可构建携带目的基因与特定表位标签同框融合的质粒
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由加拿大自然科学与工程研究理事会 [A.M. 的发现基金 5026 号] 以及加拿大癌症研究学会的下一代科学家奖学金 [A.M. 的 21531 号] 资助。我们感谢 Jean-François Lucier 在 Fiji Python 脚本的质量控制以及统计分析建议方面提供的帮助。我们感谢 Stephanie A. Yazinski 博士提供免疫荧光固定液配方。我们感谢 Paul-Ludovic Karsenti 在激光功率测量方面的协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 奥林巴斯 FLUOVIEW FV3000 共振激光扫描共聚焦显微镜 | Olympus | ||
| FluoView FV3000 软件(版本 2.1) | 奥林巴斯 | ||
| 405 nm 激光器 | 相干 | 辐射源 | |
| 显微镜培养箱 AIO-UNO-OLYUS-1 | Okolab | OKO-UNO-1 | |
| 60倍/1.4 物镜 | Olympus | 油浸物镜 | |
| 载玻片式八孔培养板(X-well) | Sarstedt | 94.6190.802 | |
| 人骨肉瘤U2OS细胞系 | ATCC | HTB-96 | 稳定细胞系 |
| 4’6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI) | ThermoFisher | D1306 | 注意:有毒 |
| 5-溴-2′-脱氧尿苷 (BrdU) | Sigma-Aldrich | 59-14-3 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | 30525-89-4 | 注意:有毒 |
| 双苯并咪唑 H 33342 (Hoechst 33342) | 赛默飞世尔科技 | 62249 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | 赛默飞世尔科技 | BP1600-100 | |
| 0.1% 胰蛋白酶 EDTA | ThermoFisher | 15400-054 | |
| Triton X-100 | BioShop | TRX777.100 | |
| Tween-20 | 赛默飞世尔科技 | BP337-500 | |
| 蔗糖 | BioShop | SUC507 | |
| JetPRIME 转染试剂 | Polyplus | 114-07 | |
| 含DAPI的ProLong Diamond抗荧光淬灭封片剂 | ThermoFisher | P36962 | |
| DMEM 1X,含酚红 | 维森特 | 319-005-CL | |
| DMEM 1X,不含酚红 | Wisent | 319-051-CL | |
| 胎牛血清(FBS) | Wisent | 080-150 | |
| 小鼠抗RPA32抗体 | Abcam | ab2175 | 1:500 用于免疫荧光 |
| 兔抗-γ- H2A.X 抗体 | 细胞信号传导 | 9718S | 免疫荧光实验中按1:500稀释 |
| 兔抗53BP1抗体 | 细胞信号传导 | 4937S | 免疫荧光实验中按1:500稀释 |
| 兔抗PRP19抗体 | Abcam | ab27692 | 免疫荧光实验中1:500稀释比例 |
| 山羊抗兔IgG Alexa Fluor 647 | 细胞信号传导 | 4414S | 1:250 用于免疫荧光 |
| 山羊抗小鼠 IgG Alexa Fluor 488 | 细胞信号传导 | 4408S | 1:250,用于免疫荧光 |
| Fiji 图像分析开源软件 | https://fiji.sc | ||
| 1918-K 功率计 使用918D-SL-0D3传感器 | 纽波特 |
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