本文介绍了一种基于细胞的可视化、亚细胞定位及定量分析固定哺乳动物细胞中多(ADP-核糖)(PAR)富集灶的方法。该检测法能够定量DNA损伤诱导PARP激活的位点,包括与碱基切除修复或单股断裂修复相关的部位,均发生在基因毒素暴露细胞的细胞核中。
方法文章
本文介绍了一种基于细胞的可视化、亚细胞定位及定量分析固定哺乳动物细胞中多(ADP-核糖)(PAR)富集灶的方法。该检测法能够定量DNA损伤诱导PARP激活的位点,包括与碱基切除修复或单股断裂修复相关的部位,均发生在基因毒素暴露细胞的细胞核中。
聚(ADP-核糖)(PAR)是一种由ADP-核糖聚合酶家族的四个成员——PARP1、PARP2、PARP5a和PARP5b合成的ADP-核糖聚合物。然而,只有PARP1和PARP2会在DNA断裂时合成PAR。PAR被定义为蛋白质翻译后修饰,但也被证明存在于DNA或RNA修饰中。PAR的水平还由PARG进一步调控,PARG是一种PAR糖水解酶,与PARP1和PARP2一起调节DNA损伤诱导PAR的细胞水平。PAR的动态合成和降解对其在DNA修复及DNA损伤反应中的调控作用至关重要,进而影响染色质的重组、复制、转录和细胞死亡。PARP1/PARP2的活化及PAR的积累可视为持续的碱基切除修复或DNA单链断裂修复的部位;然而,许多PARP1/PARP2激活因子也与复制应激及其他DNA代谢过程相关。一旦形成,PAR链通过其PAR结合结构域(PBD)促进DNA修复和DNA损伤响应(DDR)因子的招募,目标为DNA损伤或基因组损伤部位。十种不同的 PBD 识别 PAR 分子的不同区域,包括 PAR 结合基序、PAR 结合锌指、WWE 结构域和宏域等。为促进细胞对PAR动力学的分析,我们使用融合于增强绿色荧光蛋白(EGFP)的PBDs,优化基于细胞的PAR焦点定量。我们描述了一种检测方法,利用编码PBD/WWE结构域的RNF146片段,与EGFP相关,以可视化和量化基因组损伤及持续BER或SSBR位点的PAR积累。我们描述了实验步骤,包括生成慢病毒颗粒、目标细胞系的转导、对哺乳动物细胞进行基因组损伤处理、获取共聚焦荧光显微照片以及数据的半自动定量。
该方案描述了LivePAR测定法,该方法允许在哺乳动物细胞中基因组损伤部位(主要与碱基切除修复(BER)或单链断裂修复(SSBR)相关的多核糖(ADP-核糖)(PAR)进行可视化和定量分析,1,2,3。BER是DNA修复途径,可去除DNA中受损或修饰的碱基(关于BER和PARylation的综述,见4,5,6,7)。BER始于DNA糖苷酶,识别并切除修饰碱基4,留下apurinic/apyrimidin酸(AP)位点,例如甲基嘌呤糖苷酶(MPG),切除甲基化碱基8,9,或8-氧鸟嘌呤糖苷酶(OGG1),切除8-氧氧鸟嘌呤糖苷酶9,10。随后,AP位点被AP内切酶1(APE1)11,12,13切割,在DNA骨架上形成缺口。聚合酶,即DNA聚合酶β(Polβ)14,15,利用未受损的链作为模板来调整并填补缝隙,最后DNA连接酶封闭修复链16,17,例如DNA连接酶I或DNA连接酶III。
BER和SSBR的关键参与者是多(ADP-核糖)聚合酶1和2(PARP1/PARP2)18,19,20,这些酶能在BER或SSBR期间快速检测DNA链断裂。检测到这些断裂后,PARP1/PARP2催化ADP核糖聚合物添加到自身及其他蛋白质中——这一过程称为PARylation(详见综述,见6)——通过水解NAD+实现。这形成了一个动态的蛋白质支架(PAR),能够招募其他DNA修复因子到损伤部位,从而增强DNA修复的保真度。为管理这一动态PAR支架,多种蛋白质参与PAR链的水解和去除,包括ADP-核糖受体水解酶3(ARH3)、末端ADP-核糖糖基水解酶1(TARG1)、单-ADP-核糖水解酶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主要负责这一过程21,27,并在DNA损伤反应(DDR)28,29中起着关键作用。
因此,PARG与PARP1和PARP2的功能密切相关。PARP1和PARP2合成PAR聚合物,PARG则作为“清理”酶,水解这些聚合物,有效逆转PARylation30,31。这一过程对于完成BER和SSBR以及允许PARP1/PARP2被回收以应对新的DNA损伤至关重要。因此,PARP1、PARP2、PARylation和PARG协同工作,确保通过BER和SSBR 4,6实现高效且可逆的DNA修复。
PA调节的程度受多种因素影响,并在整体DNA损伤反应中起着关键作用32。这些因素包括暴露于在DNA碱基中添加加合物的杰诺毒素,如N-甲基-N'-硝基-N-亚硝基鸟苷(MNNG)、甲基甲烷磺酸盐(MMS)、过氧化氢(H2O2)或叔丁基过氧化氢(tBuOOH)。此外,PARylation的程度还可能受到调节PARylation过程的分子影响,如二氢烟酰胺核苷(NRH),它是NAD+的前体,通过增加NAD+水平增强PARP激活;或FK866(NAMPT抑制剂,能降低NAD+水平并负向调控PARP激活3).最后,PARP1/PARP2、PARG或其他DNA修复蛋白(如BER缺陷或同源重组因子如BRCA1/BRCA2)的遗传突变或小分子抑制,可以改变PARP的激活33,34,35,36。
LivePAR检测利用无名指蛋白146(RNF146)的一段,该片段编码WWE结构域(氨基酸100–182),并与增强绿色荧光蛋白(EGFP)3相连。WWE结构域是一个球状结构域,以其结合位点37中保守的色氨酸(W)和谷氨酸(E)残基命名。WWE结构域结合异-ADP-核糖,PAR链中最小的内部结构单元38,39。RNF146是一种E3泛素连接酶,识别iso-ADP-核糖38,40,据报道能靶向与BER(XRCC1、DNA连接酶III和PARP1)相关的蛋白酶降解蛋白酶41。将该WWE结构域与EGFP连接,使得哺乳动物细胞中由GENOTOXIN诱导的PARylation位点的可视化和检测成为可能。在本协议中,我们描述了表达LivePAR报告蛋白的稳定细胞系的生成(见图1A)、诱导DNA损伤以激活PARP1/PARP2、PAR的产生,以及共聚焦荧光显微镜数据的获取和分析(见图1)。
pMD2.g(VSVG)质粒提供病毒包膜糖蛋白(VSVG),使病毒可感染的细胞范围相较于原生的焦病毒包膜蛋白更广泛。pRSV-REV质粒提供调控元件(REV)蛋白,这是一种关键的转激活因子,能结合病毒RNA并激活病毒基因的转录;它对于病毒复制的高效至关重要。pMDLg/pRRE质粒提供若干关键的内部包装成分,即gag,编码基质(MA)、衣壳(CA)和核衣壳(NC)蛋白;pol,编码病毒复制和整合入宿主细胞基因组所需的酶;以及RNA调控元件(RRE),这是一种增强病毒RNA翻译和基因组RNA包装效率的RNA元素。pLV-EF1A-LivePAR-Hygro质粒(图1A)含有编码增强绿色荧光蛋白(EGFP)的cDNA,该蛋白与RNF146(氨基酸100–182)WWE结构域的C端融合,该蛋白结构域结合多(ADP-核糖)链,载体还编码一个抗性菌素盒。病毒从细胞培养上清液中分离出来,可在-80°C下储存,或立即用于转导(见图1B)。
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1. 慢病毒的产生
注意:该方案采用第三代慢病毒包装系统42,43,生成表达遗传编码PAR报告蛋白的细胞。在293FT细胞中,利用由包膜、调控和包装组成的四质粒系统,以及编码EGFP标记的RNF146 WWE结构域的pLV-EF1A-LivePAR-Hygro构造体,该结构结合多(ADP-核糖)链。所得病毒用于生成稳定细胞系,用于PAR积累的可视化和定量化。
2. 传导
注意:本节概述了将转基因引入细胞系的蚿病毒转导方案(见图1B)。在我们的实验室1、3、33、37、44、45中一直有效。
3. 共焦显微镜与分析
注意:本节详细说明了覆盖片的制备、LivePAR表达细胞的播种、暴露于处理方法(tBuOOH、MNNG、PARGi、PARPi和/或NRH),以及在显微镜载玻片上制备固定细胞以进行共軛焦成像和PAR焦点分析(见图1C)。它还描述了ImageJ软件和自定义宏用于半自动量化PAR焦点的方法。该方案可用于研究多种因素(如小分子、BER蛋白敲除)对DNA损伤依赖性PARy化的影响,并已在我们实验室成功应用,34,37。
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表达LivePAR探针的细胞可以通过产生编码RNF146(100-182)-EGFP融合蛋白的慢病毒(见图1A)来生成。细胞可以在转导后短暂表达长达两周后评估,或作为在菌素中选择后稳定的细胞系进行评估(见图1B)1。在基因毒素处理后,DNA损伤引起的PAR焦点可在细胞核内被观察到,固定后通过共聚焦荧光显微镜进行成像(见图1C)。图像显示车辆控制细胞内的全细胞EGFP染色(见图2,顶部)。然而,基因毒素处理的细胞显示核灶细胞细胞核灶的积累,代表RNF146(100-182)-EGFP与PAR结合的定位(见图2,底部)。PARP1/PARP2依赖性也通过PARP1/...
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LivePAR检测法旨在检测PARP1/PARP2活跃合成PAR链的核基因组DNA损伤位点。为此,编码WWE结构域(氨基酸100–182)的RNF146片段被融合到EGFP 1,2,3,37。我们描述的其他PAR探针编码EGFP,融合于DTX4的氨基酸残基1至166、PARP11的氨基酸残基22至112,以及DTX2的氨基酸1至178,每个探针编码扩展的WWE结构域37,识别PAR的iso-ADP-核糖基团。此外,我们最近描述了一种类似的PAR探针,其中EGFP融合到Af152137的工程巨结构域,后者最初由Nowak等人开发为与IgG2a的Fc结构域融合蛋白,通过免疫荧光在细胞中检测PARylation效果显著增强,相较...
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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,并持有股权,但该公司未参与本研究,也未参与本研究的咨询工作。作者表示不存在利益冲突。
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的专业建议。索博尔实验室关于DNA修复、DNA损伤分析以及基因毒性暴露和复制应激影响的研究,得到了美国国立卫生研究院(NIH)[ES029518、ES028949、CA238061、CA236911、AG069740和ES032522]以及美国国家科学基金会(NSF)[NSF-1841811]的资助。Legoretta癌症中心捐赠基金(对R.W.S.)也提供了支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| <强>试剂、化学品和肽 | |||
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| 乙酮 | 赛莫飞世尔科学 | 猫#A18-1 | |
| 细胞培养皿,100毫米 | VWR | 猫#25382-166 | |
| 细胞培养皿,60毫米 | 费舍尔科学 | 猫# 430166 | |
| 细胞培养板,6孔 | VWR | 猫号#62406-161 | |
| 冷冻瓶,2毫升 | VWR | 猫号#89499-722 | |
| 二乙醚 | 赛莫飞世尔科学 | 猫#60-29-7 | |
| 二甲基亚砾 | 赛莫飞世尔科学 | 编号#BP231-1 | |
| 一次性无菌滤芯,0.45和微型;m | 西格玛-奥尔德里奇 | 猫#SE1M003M00 | |
| DMEM | 科宁 | 目录# 15-017-CV | |
| 乙醇,200 proof。 | Decon实验室 | 猫#2701 | |
| 玻璃显微镜载玻片 | 赛莫飞世尔科学 | 猫#12-544-4 | |
| 热灭活胎牛血清 | 亚特兰大生物制品 | 猫号#S11150 | |
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| 大号金氏湿巾 | 金伯利-克拉克 | 猫号#34256 | |
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| 甲醇 | 赛莫飞世尔科学 | 编号#A452SK-4 | |
| MNNG | 莫尔波特 | 猫# 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-羧酰胺) | 玛丽·米戈,或称;核化学科学公司 | ||
| PARG抑制剂(PDD00017273) | 西格玛-奥尔德里奇 | 猫# SML1781 | |
| PARPi抑制剂(Veliparib,ABT-888) | MedChemExpress | 编号# HY-10129 | |
| 青霉素/链霉素 | 吉布科 | 目录#15140-122 | |
| 聚布林 | 西格玛-奥尔德里奇 | 编号# TR-1003-G | |
| 不 | 赛莫飞世尔科学 | 猫#180345000 | |
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| (人类hTERT不朽化视网膜色素上皮细胞) | 空军交通管制委员会 | 编号# CRL-4000 | |
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| pLV-EF1A-LivePAR-Hygro (LivePAR是RNF146的WWE结构域,氨基酸残基100-182,融合于EGFP;含有Hygromycin抗性磁带) | 实验室库存#1727 | Addgene,Cat# 176063 | |
| <强>软件与算法 | |||
| Adobe Illustrator(用于准备图表) | Adobe 系统 | 2024年版本 | |
| GraphPad 棱镜 | GraphPad | 版本 10.5.0 (Mac OS X) | |
| 图片J | 美国国立卫生研究院 | https://imagej.net/ij/download.html |
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