本文介绍一种用于固定哺乳动物细胞中聚(ADP-核糖)(PAR)富集灶的细胞水平可视化、亚细胞定位及定量分析的方法。该检测方法可对暴露于基因毒素的细胞核内由DNA损伤诱导的PARP激活位点进行定量分析,包括与碱基切除修复或单链断裂修复相关的激活位点。
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本文介绍一种用于固定哺乳动物细胞中聚(ADP-核糖)(PAR)富集灶的细胞水平可视化、亚细胞定位及定量分析的方法。该检测方法可对暴露于基因毒素的细胞核内由DNA损伤诱导的PARP激活位点进行定量分析,包括与碱基切除修复或单链断裂修复相关的激活位点。
聚ADP-核糖(PAR)是由ADP-核糖聚合酶家族中的四种成员——PARP1、PARP2、PARP5a和PARP5b——合成的ADP-核糖聚合物。然而,只有PARP1和PARP2能够在DNA断裂时合成PAR。PAR被定义为一种蛋白质翻译后修饰,但也被证实可作为DNA或RNA的修饰形式存在。PAR的水平进一步受到PARG(PAR糖水解酶)的调控,PARG与PARP1和PARP2共同调节由DNA损伤诱导的细胞内PAR水平。PAR的动态合成与降解对其在DNA修复和DNA损伤应答中的调控作用至关重要,进而影响染色质重组、复制、转录以及细胞死亡过程。PARP1/PARP2的激活及PAR的积累可被视为正在进行碱基切除修复(BER)或DNA单链断裂修复(SSBR)的位点;然而,许多PARP1/PARP2激活因素也与复制应激及其他DNA代谢过程相关。一旦形成,PAR链可通过DNA修复因子和DNA损伤应答(DDR)因子所含有的PAR结合结构域(PBDs)将其募集至DNA损伤或基因组损伤位点。目前已发现十种不同的PBDs可识别PAR分子的不同区域,包括PAR结合基序、PAR结合型锌指结构、WWE结构域以及macrodomain等其他PBDs。为了便于对细胞内PAR动态进行分析,我们采用与增强型绿色荧光蛋白(EGFP)融合的PBDs,优化了基于细胞的PAR焦点定量方法。本文描述了一种检测方法,该方法利用编码PBD/WWE结构域的RNF146片段与EGFP连接,以可视化并定量基因组损伤位点以及正在进行的BER或SSBR过程中PAR的积累情况。我们详细阐述了实验步骤,包括慢病毒颗粒的制备、靶细胞系的转导、诱导哺乳动物细胞基因组DNA损伤的处理、共聚焦荧光显微图像的采集,以及数据的半自动化定量分析。
本方案描述了LivePAR检测法,该方法可用于在哺乳动物细胞中可视化并定量分析基因组损伤位点处的多聚(ADP-核糖)(PAR),这些位点主要与碱基切除修复(BER)或单链断裂修复(SSBR)相关1,2,3。BER是一种关键的DNA修复通路,负责清除DNA中受损或被修饰的碱基(有关BER和PAR化修饰的综述,参见4,5,6,7)。BER起始于DNA糖基化酶,这类酶识别并切除被修饰的碱基4,留下一个无嘌呤/无嘧啶(AP)位点,例如甲基嘌呤糖基化酶(MPG)可切除甲基化碱基8,9,或8-氧代鸟嘌呤糖基化酶(OGG1)可切除8-氧代鸟嘌呤(8-oxoG)9,10。随后,AP位点被AP内切酶1(APE1)切割11,12,13,从而在DNA骨架上产生一个切口。接着,由DNA聚合酶β(Polβ)作为主要聚合酶,以未受损链为模板对缺口进行加工和填补14,15,最后由DNA连接酶封闭修复后的链16,17,例如DNA连接酶I或DNA连接酶III。
在碱基切除修复(BER)和单链断裂修复(SSBR)中起关键作用的是聚ADP-核糖聚合酶1和2(PARP1/PARP2)18,19,20,这些酶能够快速识别BER或SSBR过程中的DNA链断裂。当检测到这些断裂后,PARP1/PARP2通过水解NAD+催化自身及其他蛋白质上添加ADP-核糖多聚物——这一过程称为PAR化修饰(PARylation)(综述见6)。这会形成一种动态的蛋白质支架(PAR),招募其他DNA修复因子至损伤位点,从而提高DNA修复的保真度。为了调控这种动态的PAR支架,多种蛋白质参与了PAR链的水解与清除,包括ADP-核糖受体水解酶3(ARH3)、末端ADP-核糖糖苷水解酶1(TARG1)、单ADP-核糖基水解酶1/2(MacroD1/2)以及聚ADP-核糖糖水解酶(PARG)6,21,22,23,24,25,26。然而,PARG是该过程的主要执行者21,27,在DNA损伤应答(DDR)中发挥关键作用28,29。
因此,PARG 与 PARP1 和 PARP2 的功能密切相关。PARP1 和 PARP2 负责合成 PAR 多聚物,而 PARG 则作为一种"清理"酶,通过水解这些多聚物,有效逆转 PAR 修饰30,31。该过程对于完成碱基切除修复(BER)和单链断裂修复(SSBR)至关重要,同时也使 PARP1/PARP2 能够被循环利用,以响应新的 DNA 损伤。因此,PARP1、PARP2、PAR 修饰和 PARG 协同作用,通过 BER 和 SSBR 实现高效且可逆的 DNA 修复4,6。
PAR修饰的程度可受多种因素影响,并在整体DNA损伤应答中发挥关键作用32。这些因素包括暴露于可在DNA碱基上添加加合物的基因毒素,例如N-甲基-N'-硝基-N-亚硝基胍(MNNG)、甲基磺酸甲酯(MMS)、过氧化氢(H2O2)或叔丁基过氧化氢(tBuOOH)。此外,PAR修饰的程度还可受到调控PAR修饰过程的分子影响,例如二氢烟酰胺核糖(NRH)——一种NAD+的前体物质,可通过提高NAD+水平来增强PARP的活化;或FK866——一种NAMPT抑制剂,可降低NAD+水平并负向调控PARP的活化3。最后,PARP的活化也可能因基因突变或小分子抑制剂作用于PARP1/PARP2、PARG或其他DNA修复蛋白(例如碱基切除修复或同源重组因子如BRCA1/BRCA2存在缺陷)而发生改变33,34,35,36。
LivePAR 检测利用了环指蛋白 146(RNF146)的一个片段,该片段编码一个WWE结构域(氨基酸100–182),并与增强型绿色荧光蛋白(EGFP)相连3。WWE结构域是一种球状结构域,以其结合位点中保守的色氨酸(W)和谷氨酸(E)残基命名37。WWE结构域可结合iso-ADP-核糖,即PAR链中最小的内部结构单元38,39。RNF146是一种E3泛素连接酶,能够识别iso-ADP-核糖38,40,并被报道可靶向参与碱基切除修复(BER)的蛋白(如XRCC1、DNA连接酶III和PARP1)使其发生蛋白酶体降解41。将该WWE结构域与EGFP连接,可实现对哺乳动物细胞中基因毒素诱导的PAR化位点的可视化和检测。在本实验方案中,我们描述了稳定表达LivePAR报告分子的细胞系的构建(图1A)、通过诱导DNA损伤以激活PARP1/PARP2、PAR的生成,以及共聚焦荧光显微镜图像的采集与分析流程(图1)。
pMD2.g(VSVG) 质粒提供病毒包膜糖蛋白(VSVG),与慢病毒天然包膜蛋白相比,VSVG 可扩大病毒能够感染的细胞范围。pRSV-REV 质粒提供调控元件(REV)蛋白,该蛋白是一种关键的转录激活因子,可结合病毒 RNA 并激活病毒基因的转录,对高效病毒复制至关重要。pMDLg/pRRE 质粒提供多个关键的内部包装组分,包括 gag 基因,其编码基质(MA)、衣壳(CA)和核衣壳(NC)蛋白;pol 基因,其编码病毒复制及整合入宿主细胞基因组所需的酶;以及 RNA 调控元件(RRE),该元件是一种 RNA 结构,可增强病毒 RNA 翻译效率和基因组 RNA 的包装效率。pLV-EF1A-LivePAR-Hygro 质粒(图 1A)包含编码增强型绿色荧光蛋白(EGFP)的 cDNA,该蛋白与 RNF146 蛋白 WWE 结构域(氨基酸 100–182)的 C 末端融合,WWE 结构域可结合聚(ADP-核糖)链,该载体还编码一个潮霉素抗性表达盒。病毒从细胞培养上清中收集,可于 -80 ˚C 保存或直接用于转导实验(图 1B)。
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1. 慢病毒生产
注意:本实验方案采用第三代慢病毒包装系统42,43,以生成表达基因编码的 PAR 报告分子的细胞。慢病毒颗粒在 293FT 细胞中通过四质粒系统产生,该系统包含包膜、调控和包装组分,以及编码 EGFP 标记的 RNF146 WWE 结构域的 pLV-EF1A-LivePAR-Hygro 载体,该结构域能够结合多聚(ADP-核糖)链。所获得的病毒可用于建立稳定细胞系,以实现对 PAR 积累的可视化与定量分析。
2. 转导
注意:本部分概述了用于将外源基因导入细胞系的慢病毒转导实验方案(图1B)。该方法在本实验室中始终表现出良好的转导效果1,3,33,37,44,45。
3. 共聚焦显微镜观察与分析
注意:本实验方案部分详细描述了盖玻片的制备、表达LivePAR的细胞接种、处理因素(tBuOOH、MNNG、PARGi、PARPi 和/或 NRH)的暴露,以及在显微镜载玻片上制备固定细胞以进行共聚焦成像和PAR焦点分析(图1C)。同时介绍了使用ImageJ软件及自定义宏对PAR焦点进行半自动定量分析的方法。该方案可用于研究多种因素(例如小分子化合物、BER通路蛋白基因敲除)对DNA损伤依赖性PAR化修饰的影响,已在本实验室成功应用34,37。
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可通过生成编码RNF146(100-182)-EGFP融合蛋白的慢病毒来获得表达LivePAR探针的细胞(图1A)。转导后,可在短期内进行瞬时表达分析,持续观察长达两周,或经潮霉素筛选后建立稳定细胞系进行检测(图1B)1。经基因毒性药物处理后,可在细胞核内观察到DNA损伤诱导产生的PAR焦点,固定后可通过共聚焦荧光显微镜成像(图1C)。图像显示,对照溶剂处理的细胞呈现全细胞范围的EGFP染色(图2,上图);而经基因毒性药物处理的细胞则显示出核内焦点的聚集,代表RNF146(100-182)-EGFP与PAR结合的定位(图2,下图)。通过在处理前使用PARP1/PARP2抑制剂维利帕尼(Veliparib)预处理,可观察到PAR焦...
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LivePAR 检测法旨在检测细胞核基因组 DNA 损伤位点,这些位点处 PARP1/PARP2 正在活跃合成 PAR 链。为实现这一目标,将编码 RNF146 WWE 结构域(氨基酸 100–182)的片段与 EGFP 融合1,2,3,37。我们此前描述的其他 PAR 探针包括:EGFP 与 DTX4 的氨基酸残基 1–166、PARP11 的氨基酸残基 22–112 以及 DTX2 的氨基酸残基 1–178 的融合蛋白,这些均编码一个扩展的 WWE 结构域37,可识别 PAR 中的异-ADP-核糖基团。此外,我们近期还报道了一种类似的 PAR 探针,其中 EGFP 与来自 Af1521 的工程化大结构域(macrodomain)融合37,后者最初由 Nowak 等人开发,作为与 IgG...
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R.W.S. 是 Canal House Biosciences, LLC 的联合创始人,担任科学顾问委员会成员并持有该公司股权,但该公司未参与本研究,相关咨询工作也与本研究无关。作者声明不存在利益冲突。
特别感谢南阿拉巴马大学的Marie Migaud多年来在NRH供应方面的持续支持以及她提供的专业建议。Sobol实验室在DNA修复、DNA损伤分析以及基因毒性暴露影响方面的研究 & 复制应激研究获得了美国国立卫生研究院(NIH)[ES029518、ES028949、CA238061、CA236911、AG069740 和 ES032522] 及美国国家科学基金会(NSF)[NSF-1841811] 的资助。R.W.S. 还获得了 Legoretta 癌症中心捐赠基金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂、化学品和多肽 | |||
| 0.45 µm Durapore 无菌滤器 | Sigma-Aldrich | Cat# SE1M003M00 | |
| 20 x 20 mm 显微镜盖玻片 | Thermo Fisher Scientific | Cat# 22-170-371 | |
| 丙酮 | Thermo Fisher Scientific | Cat# A18-1 | |
| 细胞培养皿,100 mm | VWR | Cat# 25382-166 | |
| 细胞培养皿,60 mm | Fisher Scientific | Cat# 430166 | |
| 细胞培养板,6 孔 | VWR | Cat# 62406-161 | |
| 冻存管,2 mL | VWR | Cat# 89499-722 | |
| 乙醚 | Thermo Fisher Scientific | Cat# 60-29-7 | |
| 二甲基亚砜 | Thermo Fisher Scientific | Cat# BP231-1 | |
| 一次性无菌滤器,0.45 µm | Sigma-Aldrich | Cat# SE1M003M00 | |
| DMEM | Corning | Cat# 15-017-CV | |
| 乙醇,200 证明 | Decon Labs | Cat# 2701 | |
| 玻璃显微镜载玻片 | Thermo Fisher Scientific | Cat# 12-544-4 | |
| 热灭活胎牛血清 | Atlanta Biologics | Cat# S11150 | |
| 盐酸 | Thermo Fisher Scientific | Cat# A144-212 | |
| 潮霉素 | Thermo Fisher Scientific | Cat# 10687010 | |
| 大号 Kim Wipes 擦拭纸 | Kimberly-Clark | Cat# 34256 | |
| Lenti-X GoStix Plus 试剂盒 | Takara | Cat# 631280 | |
| 甲醇 | Thermo Fisher Scientific | Cat# A452SK-4 | |
| MNNG | Molport | Cat# N493990 | |
| NRH(1-[(2R,3R,4S,5R)-3,4-二羟基-5-(羟甲基)四氢呋喃-2-基]-4H-吡啶-3-甲酰胺) | Marie Migaud 或 NuChem Sciences Inc | ||
| PARG 抑制剂(PDD00017273) | Sigma-Aldrich | Cat# SML1781 | |
| PARPi 抑制剂(Veliparib, ABT-888) | MedChemExpress | Cat# HY-10129 | |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | Cat# 15140-122 | |
| 聚凝胺 | Sigma-Aldrich | Cat# TR-1003-G | |
| tBuOOH | Thermo Fisher Scientific | Cat# 180345000 | |
| TransIT-x2(转染试剂) | Mirus | Cat# MIR-6006 | |
| Triton-X100 | VWR | Cat# 0694 | |
| 胰蛋白酶-EDTA | Thermo Fisher Scientific | Cat# 25200-056 | |
| Vectashield(H-1000)抗荧光淬灭封片剂 | Thermo Fisher Scientific | Cat# NC1695563 | |
| 细胞系 | |||
| 293-FT | Thermo Fisher Scientific | Cat# R70007 | |
| (源自经 SV40 大 T 抗原转化的人胚胎肾细胞) | Thermo Fisher Scientific | Cat# R70007 | |
| LN428 | 由 | N/A | |
| (人胶质母细胞瘤肿瘤细胞系) | Dr. Ian Pollack(匹兹堡大学)惠赠 | N/A | |
| RPE-1 | ATCC | Cat# CRL-4000 | |
| (人端粒酶逆转录酶永生化视网膜色素上皮细胞) | ATCC | Cat# CRL-4000 | |
| U2OS | ATCC | Cat# HTB-96 | |
| (人骨肉瘤细胞系) | ATCC | Cat# HTB-96 | |
| 重组 DNA | |||
| pMDLg/pRRE | 实验室库存编号 253 | Addgene, Cat# 12251 | |
| pRSV-Rev | 实验室库存编号 254 | Addgene, Cat# 12253 | |
| pMD2.G | 实验室库存编号 252 | Addgene, Cat# 12259 | |
| pLV-EF1A-LivePAR-Hygro (LivePAR 为 RNF146 的 WWE 结构域,氨基酸残基 100-182,与 EGFP 融合;含有潮霉素抗性盒) | 实验室库存编号 1727 | Addgene, Cat# 176063 | |
| 软件与算法 | |||
| Adobe Illustrator(用于图表制作) | Adobe Systems | 版本 2024 | |
| GraphPad Prism | GraphPad | 版本 10.5.0 (Mac OS X) | |
| ImageJ | NIH | https://imagej.net/ij/download.html |
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