在这里,我们描述了DNA纤维测定的两种修饰,以研究病变诱导后复制DNA的单链DNA间隙。S1纤维测定能够使用ssDNA特异性S1内切酶检测复制后间隙,而间隙填充测定允许间隙修复的可视化和定量。
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在这里,我们描述了DNA纤维测定的两种修饰,以研究病变诱导后复制DNA的单链DNA间隙。S1纤维测定能够使用ssDNA特异性S1内切酶检测复制后间隙,而间隙填充测定允许间隙修复的可视化和定量。
DNA纤维测定是一种简单而稳健的复制叉动力学分析方法,基于在人类细胞DNA合成过程中掺入的核苷酸类似物的免疫检测。然而,这种技术的分辨率有限,只有几千个千基。因此,标准测定无法检测到小至几百个碱基的复制后单链DNA(ssDNA)间隙。在这里,我们描述了利用S1核酸酶的DNA纤维测定的修饰版本,S1核酸酶是一种特异性切割ssDNA的酶。在存在复制后ssDNA间隙的情况下,S1核酸酶将靶向并切割间隙,产生较短的束,可用作正在进行的分叉上ssDNA间隙的读数。这些复制后ssDNA间隙是在不连续复制受损DNA时形成的。它们可以通过与基因组复制分离 的机制进行 修复,该过程称为间隙填充或复制后修复。由于间隙填充机制涉及独立于S期的DNA合成,因此DNA纤维标记方案的改变也可用于监测间隙填充事件。总而言之,DNA纤维测定的这些修饰是了解复制后间隙如何在人类细胞基因组中形成和填充的强大策略。
开创性工作提供了在细菌1和人类细胞2,3中用DNA损伤剂处理后复制后单链(ssDNA)间隙积累的证据。在复制受损的DNA模板期间,DNA合成机制可以通过采用特定的转座合成DNA聚合酶或通过模板切换机制来绕过病变。或者,重复体也可以简单地跳过病变,留下一个ssDNA间隙,以便以后修复。最近,一项研究清楚地表明,利用电子显微镜可视化复制中间体的特定结构,用基因毒性剂治疗会导致真核生物中的ssDNA间隙4。这些复制后间隙区域的形成最初被认为是DNA复制2的半不连续模式的简单结果。在这种情况下,滞后链上的病变可以阻断冈崎片段的伸长,但叉子进展自然被以下冈崎片段挽救,留下ssDNA间隙。然而,进一步的研究表明,在前导链上形成间隙也是可能的,如细菌5所示。在真核生物中,PRIMPOL是一种具有primase活性的独特DNA聚合酶,被证明能够通过其重注活性6,7,8,9,10,11在复制阻断病变下游重新开始DNA合成。因此,PRIMPOL primase活性可以解释在用DNA损伤剂处理人细胞12时在前链中形成复制后ssDNA间隙。尽管如此,直到最近,这些间隙的检测以及间隙修复都需要间接或耗时的方法,例如电子显微镜4或基于质粒的测定13。使用ssDNA特异性S1核酸酶来检测人类细胞中的间隙是四十多年前早期研究的先驱,使用蔗糖梯度技术2,3。最近,我们的小组应用这种核酸酶来检测使用其他方法(如DNA纤维和彗星测定14)复制DNA(复制后间隙)中的ssDNA。这些新方法为目前关于复制后差距的研究激增铺平了道路。在这里,我们描述了一种使用S1核酸酶通过DNA纤维测定来检测复制后ssDNA间隙的策略,并解释了DNA纤维方案中的差异标记方案如何允许研究这些间隙的修复。
DNA纤维测定是一种强大的技术,已被越来越多的实验室使用,并为复制叉动力学和复制应激反应机制提供了有价值的见解。简而言之,该技术基于在复制DNA中连续掺入核苷酸类似物(例如CldU -5-氯-2'-脱氧尿苷和IdU-5-碘-2'-脱氧尿苷)。收获后,裂解细胞,DNA分子在正涂层的载玻片上扩散。然后通过特异性抗体检测CldU和IdU,这些抗体可以在荧光显微镜中可视化为双色纤维。最后,测量IdU和CldU束的长度,以识别DNA损伤诱导引起的DNA复制动力学的任何改变。该技术可用于研究不同的现象,例如叉子失速,分叉减速,新生DNA降解以及起源放电频率的变化15,16。
DNA纤维测定的一个局限性是其对几千碱基的分辨率。由于复制后ssDNA间隙可能在数百个碱基的范围内,因此不可能通过标准DNA纤维方案直接可视化这些间隙。ssDNA间隙在用基因毒性药物处理的人类细胞中复制DNA的存在以前已经间接涉及。例如,通过在S期外的细胞中募集ssDNA结合蛋白,复制蛋白A(RPA)来评估ssDNA的观察,或者通过碱性DNA解卷检测到的ssDNA的形成,以及DNA纤维测定12,17,18,19,20,21没有长时间的分叉失速 归因于ssDNA间隙的积累。此外,复制后ssDNA间隙诱导ATR依赖性G2 / M相检查点并阻止用复制毒物处理的细胞18,19,20,21,22。
S1核酸酶降解单链核酸,释放5'-磷酸基单核苷酸或寡核苷酸,与RNA相比,对ssDNA的亲和力高5倍。双链核酸(DNA:DNA、DNA:RNA 或 RNA:RNA)对 S1 核酸酶具有抗性,除非在极高浓度下使用。S1核酸酶还可以在由缺口,间隙,不匹配或环引起的单链区域切割双链DNA。因此,S1核酸酶是一种ssDNA特异性内切酶,能够切割ssDNA间隙,最终产生双链断裂23,24。因此,将S1核酸酶消化步骤添加到DNA纤维方案中间接能够检测复制后ssDNA间隙。在存在间隙的情况下,在DNA扩散之前用S1核酸酶处理暴露的细胞核将产生较短的束,这是由于ssDNA的S1裂解固有地存在于间隙14中。因此,束缩短是使用这种方法的ssDNA间隙的读出。与标准DNA纤维方案相比,具有S1核酸酶的DNA纤维只需要两个额外的步骤:细胞核暴露(细胞通透化)和用S1核酸酶处理。重要的是要注意,适当的对照是强制性的,例如用遗传毒性剂处理但没有S1核酸酶的样品和用S1核酸酶处理的没有遗传毒性剂的样品。方案本身,包括类似物的掺入,S1处理和扩散,可以在一天内完成,不需要特殊的材料。它只需要胸苷类似物,纯化的S1核酸酶,适当的一抗和二抗以及荧光显微镜。总体而言,采用S1核酸酶的DNA纤维使用相对简单的方法检测正在进行的复制分叉上的ssDNA间隙。
复制应激反应机制产生的复制后ssDNA间隙可以通过不同的机制进行修复(或填充),包括转座DNA合成或模板切换,该过程称为间隙填充或复制后修复(PRR)25。这些过程发生在前进的分叉后面,涉及复制无关的DNA合成14,26,27。基于这些发现,可以执行与标准DNA纤维测定不同的标记方案,以直接可视化G2相14,16,26,28中的间隙填充事件。具体而言,一个胸苷类似物可用于在遗传毒性治疗和复制后ssDNA间隙形成时标记复制叉,而另一个胸苷类似物可用于标记间隙填充事件。在该方案中,在基因毒性治疗1小时后立即或同时用第一胸苷类似物(例如IdU)标记细胞,以便在间隙形成时标记新生的DNA。在处理12-24小时之间的任何地方添加诺考达唑以阻止G2 / M中的细胞,防止以下S期。对于诺考达唑治疗的最后4小时,将第二个胸苷类似物(例如CldU)添加到要在间隙填充期间掺入的培养基中。重要的是,该测定只能用于检测G2中的间隙填充事件,因为来自CldU的间隙填充信号无法与由于CldU掺入S期复制DNA的信号而与信号区分开来。因此,为了最大限度地减少背景信号,损伤诱导后加入CldU的时间应与大多数细胞群进入G2相14的时间相吻合。因此,这个时间会根据细胞系和治疗条件而有所不同。建议在采用该测定之前优化细胞周期进展。这些胸苷类似物的共染色允许在基因毒性治疗期间合成的新生DNA(IdU束)上间隙填充(PRR)束(CldU贴片)的可视化,当ssDNA间隙产生时。
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由于该研究使用人类细胞,这项工作得到了圣保罗大学生物医学科学研究所伦理委员会(ICB-USP,批准号#48347515.3.00005467)的批准,用于人类样本的研究。
注:此处描述的协议在以前的出版物中使用,但略有修改14,16,28。这里的重点是使用紫外线C(UVC)作为DNA损伤剂。然而,其它DNA损伤剂如顺铂和羟基脲也已成功采用28种。该方案可以在一系列细胞系中进行,包括U2OS,HEK293T,人成纤维细胞和其他14,28,29。在执行此协议之前,必须确定实验问题。使用S1核酸酶(以下称为S1纤维)的DNA纤维测定用于检测复制后ssDNA间隙的存在,而进行间隙填充(或PRR)测定以量化G2期的间隙填充事件。因此,如果分析复制后ssDNA间隙的存在,研究者应执行方案的第2部分(S1纤维实验设置)并直接进入方案的第4部分(通过铺展制备DNA纤维)。如果分析间隙填充事件,研究者应直接进入第3部分(间隙填充(PRR)实验设置)。
1. 试剂和设置
2. S1光纤实验设置(2天)
3. 填隙(PRR)实验设置(3天)
4.通过铺展制备DNA纤维(约1小时,12张载玻片)
5. DNA纤维的免疫染色(约6小时)
6. 图像采集和分析(每个样品约1小时)
注意:落射荧光显微镜可用于两种方案。然而,对于间隙填充(PRR)测定,强烈建议使用共聚焦显微镜来提高图像的分辨率。
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在S1纤维测定中,如果用基因毒性剂处理导致复制后ssDNA间隙,则与未处理的样品以及用遗传毒性剂处理但未提交S1裂解的样品相比,S1处理过的细胞核的DNA纤维的总长度在处理DNA损伤时将更短(图1)。
或者,如果与未处理的细胞相比,用S1核酸酶治疗不会显着影响DNA纤维的长度,则可能有不同的解释:(1)使用所使用的遗传毒性剂治疗时,和/或在研究的特定遗传背景中,不会形成复制后ssDNA间隙。事实上,我们之前已经证明,紫外线诱导的6-4光产物(6-4PP)而不是环丁烷嘧啶二聚体(CPD)导致在缺乏核苷酸切除修复的细胞(NER,XP-C细胞)中形成ssDNA间隙14。(2)ssDNA间隙被修复,无法再检测。(3)单独使用遗传毒性剂治疗诱导的缩短太明显,无法通过S1裂解检测到进一步的缩短。
值得注意的是,S1的缺乏效果也可能反映技术问题,例如S1活性受损的条件,包括S1缓冲液的pH值不合适或锌的量有限。
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标准DNA纤维测定方案的关键步骤在先前的出版物32中进行了讨论。在这里,我们描述了标准DNA纤维测定的修饰版本,以研究复制后ssDNA间隙的存在以及通过间隙填充对其进行修复,最初在14中描述。在复制后ssDNA间隙存在的背景下,在S1 Fiber方案中使用S1核酸酶很可能是在暴露于遗传毒性剂至少1小时后,以允许间隙形成和随后检测的时间。然而,必须注意的是,在某些细胞系或遗传背景中,即使没有用遗传毒性剂33,34进行额外处理,使用S1核酸酶也可能产生较短的束。因此,至关重要的是要包括所有对照,以确保正确得出结论,使用基因毒性药物治疗是否会导致间隙积累。此外,重要的是通过在ssDNA间隙不再形成或修复的条件下重复测定来进一步验证S1纤维结果。
关于间隙填充(PRR)测定,重要的是优化不影响DNA纤维总长度的UVC剂量/药物浓度,因为结果是按每千碱基密度计算的。如果使用诱导尿路...
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作者没有什么可透露的。
C.F.M.M.实验室的工作得到了圣保罗国家卫生安全基金(FAPESP,巴西圣保罗,资助#2019/19435-3,#2013/08028-1和2017/05680-0)的支持,由FAPESP和荷兰科学研究组织(NWO,荷兰)进行国际合作研究;Científico e Tecnológico (CNPq, Brasília, DF, Brazil, Grants # 308868/2018-8] 和 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal do Ensino Superior (CAPES, Brasília, DF, Brazil, Finance Code 001).
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 乙酸,冰川 | 合成 | 64-19-7 | 或者,BSA - Biosera - REF PM-T1725/100 |
| 氢氧化铵 | 合成 | 1336-21-6 | 或类似 |
| 抗体抗小鼠 IgG1 Alexa Fluor 594 | Invitrogen | A11005 | - |
| 抗体 抗大鼠 Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A21470 | |
| -抗体小鼠抗 BrdU | BectonDisckson | 347580 | - |
| 抗体大鼠抗 BrdU | Abcam | Ab6326 | - |
| 生物安全罩 | Pachane | PA 410 | 使用实验室中的罩 |
| BSA(牛血清白蛋白) | Sigma-Aldrich | A3294 | 或类似 |
| 细胞刮刀 | Thermo Scientific | 179693 | 或类似 |
| 物 CldU | Millipore-Sigma | C6891-Cloridric | |
| acid | Synth | 7647-01-0 | 或类似 |
| 共聚焦蔡司 LSM 系列(7、8 或 9) | 蔡司 | 或类似 | |
| 盖玻片(或盖玻片) | Thermo Scientific | 152460 | 或者,Olen - Kasvi 盖玻片 (24 x 60 mm) - K5-2460 |
| DMEM - 高葡萄糖 | LGC/Gibco | BR30211-05/12100046 | 使用所用细胞系专用的培养基。 |
| EDTA(乙二胺四乙酸二钠盐二水合物) | Sigma-Aldrich | E5314 | 或类似 |
| 落射荧光显微镜 Axiovert 200 | Zeiss | - | 或类似 |
| FBS(胎牛血清) | Gibco | 12657-029 | 或类似物 |
| Forma 系列 II 水套式 CO2 培养箱 | Thermo Scientific 3110 | 13-998-074 | 使用细胞培养箱实验室 |
| 载玻片罐 | Sigma-Aldrich | S5516 | 或类似 |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | 56-81-5 | 或类似 |
| Idu | Millipore-Sigma | I7125 | - |
| 氯化镁 | 合成 | 7791-18-6 | 或类似 |
| 物 甲醇 | Merck | 67-56-1 | 或类似 |
| 显微镜载玻片 | Denville | M1021 | 或者,Olen - Kasvi显微镜载玻片 - K5-7105 <强>或精密玻璃线 - 7105-1 |
| MOPS (ÁCido 3-Morfolinopropano 1-sulfônico) | Synth | 1132-61-2 | 或类似 |
| 诺考达唑 | Sigma-Aldrich | 31430-18-9-PBS | |
| (磷酸盐缓冲盐水) | Life Thechnologies | 3002 | 或类似 |
| 物 青霉素-链霉素 | Gibco | 15140122 | 或类似 |
| ProLong Gold 抗淬灭封片剂 | Invitrogen | P36930 | 任何抗淬灭剂溶液免疫荧光 |
| 可从 米曲霉 | Invitrogen | 18001-016 | S1 核酸酶 (1/100 - 1/200) 在制造商提供的 S1 核酸酶稀释缓冲液中预稀释,分装并储存在 -20 °C;C |
| SDS(十二烷基硫酸钠) | BioRad | 161-0302 | 或类似 |
| 乙酸钠三水合 | Sigma-Aldrich | 6131-90-4 | 或类似 |
| 氯化钠 | 合成器 | 7647-14-5 | 或类似 |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | 57-50-1 | 或类似的 |
| Tris Base | West Lab Research | BP152-1 | 或类似的 |
| Triton X-100 | Synth | 9002-93-1 | 或类似 |
| 的胰蛋白酶 | Gibco | 25200072 | 或类似的 |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P1379 | 或类似 |
| 的 UVC 灯 | 非特异性 | - | 必要:发射长度为 254 nm |
| VLX-3W 紫外辐射计 | Vilber Loumart | - | 或类似 |
| 醋酸锌 | Sigma-Aldrich | 557-34-6 | 或类似产品 |
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