RAD51 核内焦点是同源重组(HR)活性的标志物。本文描述了一种简单的免疫荧光方法,用于检测癌细胞中的这些焦点,从而评估 HR 功能,并支持对 DNA 损伤剂反应的临床前研究。
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RAD51 核内焦点是同源重组(HR)活性的标志物。本文描述了一种简单的免疫荧光方法,用于检测癌细胞中的这些焦点,从而评估 HR 功能,并支持对 DNA 损伤剂反应的临床前研究。
RAD51 是同源重组(HR)通路中的核心蛋白,对DNA双链断裂(DSBs)的准确修复至关重要。在DSB形成后,DNA末端切除产生单链DNA底物,促进RAD51在损伤位点的募集及其核蛋白丝的组装。该过程导致细胞核内形成离散的RAD51焦点结构,这些焦点被广泛用作HR活性的功能性读出指标,也是HR功能完整性的替代标志物。由于HR缺陷在多种恶性肿瘤中较为常见,尤其是卵巢癌和乳腺癌,因此对RAD51焦点形成的评估已成为评价DNA修复能力以及预测肿瘤对DNA损伤类治疗(如铂类化合物和聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)抑制剂)反应的重要手段,这些药物的疗效显著依赖于HR修复状态。本文描述了一种基于免疫荧光的简单、可靠且可重复的实验方案,用于检测和定量培养的卵巢癌细胞中细胞核内的RAD51焦点。该方法包括通过电离辐射(IR)诱导DNA损伤,随后进行固定、使用抗RAD51和γH2AX抗体进行免疫染色、共聚焦显微镜观察,以及对RAD51/γH2AX共定位焦点的手动定量分析。该方案可用于基础条件下的检测,也可在基因或药物干预后应用,以评估这些干预对HR功能的影响。代表性结果表明,在DNA损伤后,HR功能完整的卵巢癌细胞中RAD51焦点显著诱导形成;而在DSB水平相当的情况下,RAD51的缺失则显著减少焦点的形成,从而验证了该检测方法的特异性。总体而言,该方案提供了一种稳健且可重复的功能性检测手段,可用于评估HR功能状态,在临床前乃至转化性癌症研究中具有广泛的应用前景。
DNA 双链断裂(DSBs)是最严重的 DNA 损伤形式之一,因为不准确的修复可能破坏基因组稳定性,并导致肿瘤发生或细胞死亡1,2,3。为了应对这些威胁,细胞采用多种 DNA 修复通路,包括同源重组(HR),该机制被认为是修复 DSBs 最精确的方式2,4,5。与易出错的修复通路不同,HR 利用同源 DNA 序列作为模板,在损伤位点恢复遗传信息。因此,HR 主要在细胞周期的 S 期和 G2 期发挥作用,此时姐妹染色单体可作为修复模板2,5。值得注意的是,HR 对于准确修复内源性因素(如复制应激)以及外源性损伤(包括电离辐射(IR)和 DNA 损伤性化疗药物)所引发的 DSBs 至关重要2,5.
RAD51 是同源重组(HR)通路的核心效应蛋白,在 DSBs 介导的 HR 修复过程中的同源性搜索和链侵入中发挥关键作用2,5。DSB 形成后,DNA 末端经历切除过程,该过程由 MRE11–RAD50–NBS1(MRN)复合物及相关因子启动,产生 3′ 单链 DNA 突出端。这些单链区域最初被复制蛋白 A(RPA)包裹,以防止二级结构形成并稳定修复中间体4,5,6。随后,在 BRCA1、PALB2 和 BRCA2 的协同作用下启动 HR,这些蛋白促进 RAD51 被招募并加载到已切除的 DNA 上,取代 RPA,并促进含 RAD51 的核蛋白丝状结构的形成4,5,6。一旦组装完成,这些丝状结构会搜索姐妹染色单体内的同源 DNA 序列,并催化链交换,从而实现对受损 DNA 的准确修复4,5,6。RAD51 在 DSB 位点的聚集在显微镜下表现为点状核焦点,可通过免疫荧光检测7,8,9,10。由于这些焦点的形成反映了 HR 机制的成功激活,RAD51 焦点分析已成为评估细胞 HR 能力和 DNA 修复功能的常用方法7,8,9,10。重要的是,该检测方法测量的是细胞在 DNA 损伤后执行 HR 反应的能力,而不仅仅依赖于 HR 相关基因或蛋白的表达水平。
同源重组(HR)缺陷在癌症中经常被观察到,尤其是在携带BRCA1、BRCA2、RAD51 旁系同源基因或其他参与HR通路的基因发生改变的肿瘤中,这类缺陷在卵巢癌和乳腺癌中尤为常见4,11,12,13,14。HR缺陷具有重要的治疗意义,因其通过合成致死效应使肿瘤细胞对DNA损伤剂(如铂类化疗药物)以及聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)抑制剂表现出更高的敏感性4,11,12,13,14,15。因此,可靠的功能性检测方法用于评估HR活性,对于机制研究和转化医学研究均至关重要。
本方案描述了一种基于免疫荧光的检测与定量方法,用于检测DNA损伤后卵巢癌细胞中核内RAD51灶状聚集物的形成。该实验流程包括利用电离辐射(IR)诱导DNA双链断裂(DSBs),随后通过免疫荧光技术检测RAD51和γH2AX,并利用共聚焦显微镜对共定位的核灶状结构进行定量分析。本方案以同源重组(HR)功能完整的OVCAR-8细胞及获得性PARP抑制剂耐药的ABTR2细胞为例进行演示,提供了一种可重复的功能性方法,用于评估DSB形成后的HR活性。尽管RAD51灶状结构分析被广泛用作HR活性的功能性指标,但现有方法通常局限于特定实验条件,且常缺乏关于可控DNA损伤诱导、DNA双链断裂形成确认、实验验证对照以及标准化图像定量分析的详细指导。此外,其他评估HR功能的方法,如基因组疤痕检测、突变特征分析以及基因或蛋白表达分析,仅能间接反映HR状态,无法直接评估细胞将RAD51募集至DNA损伤位点的能力。基于报告基因的检测方法(如DR-GFP)虽可直接测量HR活性,但需要稳定的基因工程改造,难以广泛适用于多种实验模型。因此,本文所述流程结合了电离辐射诱导的DNA损伤与双标记RAD51/γH2AX免疫荧光染色,可同时验证DSB的形成并定量RAD51在受损染色质上的募集情况。该方法提供了一种实用、生物学相关性强且适用范围广泛的直接功能性评估手段,可用于培养的癌细胞中HR功能的评估,同时整合了实验对照、验证步骤以及标准化的灶状结构定量流程。
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本方案中使用的所有材料和试剂均列于材料表中,包括生产厂家信息、目录编号以及抗体稀释比例。图1展示了本方案的总体流程。
注意:本方案中使用的卵巢癌细胞系为 OVCAR-8 和 ABTR2,这些细胞系此前已有描述15,16,17,18,19,20。OVCAR-8 细胞由 Larry Karnitz 博士(梅奥诊所)惠赠,其最初来源于 Dominic Scudiero 博士(美国国家癌症研究所,美国国立卫生研究院)。ABTR2 细胞由 Scott Kaufmann 博士(梅奥诊所)惠赠20。ABTR2 是一种对 PARP 抑制剂(PARPi)耐药的细胞系,源自携带 BRCA2 基因突变的卵巢癌细胞系 PEO1,其耐药性通过恢复 BRCA2 的表达而获得。由于 BRCA2 表达的恢复重新建立了 RAD51 的加载以及同源重组(HR)活性,因此 ABTR2 细胞可作为同源重组功能完整(HR-proficient)的代表性模型。细胞系的身份通过来源信息及文献中已报道的特征进行验证15,16,17,18,19,20。实验使用低代次细胞(第 3–12 代),解冻后培养时间不超过 1 个月。每 6 个月使用支原体检测试剂盒对细胞系进行常规支原体污染检测,本研究中所用的所有培养物均确认无支原体污染。
注意:多聚甲醛具有毒性,应在经认证的化学通风橱内配制和操作,并穿戴适当的个人防护装备。人源性细胞系应根据机构的生物安全规程,采用适当的 containment 操作规范进行处理。Triton X-100、封片剂和指甲油应按照制造商的安全建议进行操作。电离辐射(IR)仅可由经过培训的人员操作,并须遵守机构的辐射安全政策。化学、生物和放射性相关废弃物应根据当地机构和监管要求进行处置。
1. 细胞培养与维持
2. 细胞接种
3. 通过电离辐射诱导DNA损伤
4. 固定与通透处理
5. 封闭
6. 一抗孵育
7. 二抗孵育
8. 细胞核复染与封片
9. DSB 处 RAD51 焦点的成像与定量分析
10. 统计分析
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电离辐射在 OVCAR-8 细胞中诱导 DNA 双链断裂处形成 RAD51 焦点
为了功能性评估同源重组(HR)活性,在通过电离辐射(IR)诱导 DNA 双链断裂后,检测了同源重组功能完整的 OVCAR-8 卵巢癌细胞中 RAD51 焦点的形成。为建立检测的特异性,并证实所观察到的焦点代表真正的依赖 RAD51 的同源重组事件,细胞在 IR 处理前分别转染了非靶向对照 luciferase siRNA(siLUC)或靶向 RAD51 的 siRNA(siRAD51)15,16,17。
在无电离辐射(IR)的情况下,转染siLUC和siRAD51的OVCAR-8细胞均表现出极少的γH2AX和RAD51焦点,表明在未受应激条件下基础DNA损伤水平较低,且...
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本文所述基于免疫荧光法检测细胞核内RAD51灶性聚集,为评估培养的卵巢癌细胞中同源重组(HR)活性提供了一种可靠且功能性的方法。与通过基因组或转录组分析间接推断HR状态的方法不同,RAD51灶的形成直接反映了细胞在DNA双链断裂(DSB)位点招募并组装核心HR机制的能力。因此,该检测方法可作为DNA损伤后HR功能状态的敏感读出手段,适用于研究HR修复调控机制或治疗反应的机理性研究。本方案中采用电离辐射(IR)诱导可控且可重复水平的DSB,从而引发γH2AX形成及随后的RAD51募集。选用6 Gy剂量并设置6小时恢复期,已优化至可在活跃的HR修复过程中捕获RAD51灶形成的峰值21。这些参数可能需根据细胞类型、增殖速率或基础DNA修复能力进行调整,当将该方案应用于其他细胞系模型时,建议进行条件优化。
该实验的成功实施需考虑若干关键技术要点。固定和通透条件必须在保持细胞核结构完整性的同时,允许抗体充分渗透;因为固定条件不佳可能导致RAD51染色弥散或信号微弱。此外,使用高质量且经过充分验证的RAD51抗体至关重要,非特异性核染色会干扰焦点...
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作者声明不存在潜在的利益冲突。
本工作部分得到了NIH R37 CA261854、梅奥诊所卵巢癌SPORE(P50 CA136393)、明尼苏达卵巢癌联盟以及梅奥诊所综合癌症中心新兴领导者支持(以上均授予A.K.)的资助。我们感谢梅奥诊所显微镜与细胞分析核心设施提供的协助,该核心设施是梅奥诊所综合癌症中心(NCI P30 CA15083)的共享资源。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10% 聚丙烯酰胺凝胶配方(下层胶缓冲液 20 ml,ddH2O 33.4 mL,30% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺(29:1)26.6 mL,10% 过硫酸铵(新鲜配制)200 µL TEMED 70 µL) | 自制 | NA | SDS-PAGE 分离胶 |
| 10% 聚丙烯酰胺凝胶配方(上层胶缓冲液 10 mL,ddH2O 23.6 mL,30% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺(29:1)6.4 mL,10% 过硫酸铵(新鲜配制)160 µL TEMED 40 µL) | 自制 | NA | SDS-PAGE 浓缩胶 |
| 100 mL 胰蛋白酶 EDTA 1×,含 0.25% 胰蛋白酶/2.21 mM EDTA 的碳酸氢钠溶液 | Corning | 25-053-C1 | 用于常规传代及细胞接种前使贴壁细胞脱落 |
| 10× 磷酸盐缓冲液(PBS) | Bio-Rad | 1610780 | 稀释至 1× 后用于洗涤步骤、封闭液、抗体稀释、固定和通透处理 |
| 10× 电泳缓冲液(6 L):Tris 181.8 g + 甘氨酸 864.0 g + SDS 60 g | 自制 | NA | 用于在凝胶中电泳分离蛋白质样品 |
| 10× 转膜缓冲液(6 L):Tris 181.8 g + 甘氨酸 864 g | 自制 | NA | 用于将蛋白质从凝胶转移至膜上 |
| 10× Tris 缓冲盐水 | Bio-Rad | 1706435 | 缓冲液 |
| 30% (w/v)丙烯酰胺;0.8(w/v)/双丙烯酰胺储存液(37.5:1) | Ultrapure EC-890 | EC-890 | 用于 SDS-PAGE |
| ABTR2 细胞 | 梅奥诊所(Mayo Clinic) | NA | 获得性 PARP 抑制剂耐药的卵巢癌细胞系 |
| AKT 裂解缓冲液配方(50 mM HEPES(pH 7.6),150 mM NaCl,1 mM EDTA,1% Triton X-100,10 mM NaF,30 mM 焦磷酸钠,1 mM Na3VO4,10 mM 2-磷酸甘油,10 μg/mL 亮抑蛋白酶肽,5 μg/mL 抑肽酶,5 μg/mL 胃蛋白酶抑制剂,以及 20 mM 微囊藻毒素-LR) | 自制 | NA | 细胞裂解缓冲液 |
| 过硫酸铵 | Bio-Rad | 16107000 | 分子生物学中用作凝胶聚合的氧化剂,作为自由基引发剂 |
| 抗磷酸化组蛋白 H2A.X(Ser139)抗体,克隆 JBW301 | Sigma-Aldrich | 05-636 | 一抗,用于检测 γH2AX 焦点,使用稀释比例为 1:1000 |
| 抗 Rad51(Ab-1)兔多克隆抗体 | Sigma-Aldrich | PC130 | 一抗,用于检测作为同源重组活性标志的 RAD51 核焦点,使用稀释比例为 1:1000 |
| 无蛋白酶牛血清白蛋白 | GoldBio | A-420-250 | 用于配制封闭液(PBS 中含 5% BSA),以减少免疫荧光染色过程中非特异性抗体结合 |
| ChemiDoc 成像系统 | Bio-Rad | 12003154 | 成像系统 |
| 共聚焦激光扫描显微镜 | ZEISS | Zeiss LSM 780 | 用于免疫荧光成像、γH2AX 焦点分析、RAD51 焦点定量、蛋白共定位及三维图像采集 |
| Countess II FL 自动细胞计数仪 | Life Technologies | AMQAF1000 | 自动细胞计数仪 |
| 盖玻片 | Cardinal Health | M6045-10A | 覆盖在封片样本上,以保护染色细胞并实现高分辨率成像 |
| ECM 830 方波电穿孔系统 | Hbio-BTX | 45-2052 | 适用于哺乳动物细胞基因递送的电穿孔系统 |
| 胎牛血清 | Corning | 35-010-CV | 添加至 RPMI-1640 培养基中(终浓度 8%),以支持细胞生长和存活 |
| 甘氨酸 | Thermo Fisher Scientific | A13816.0C | 缓冲液 |
| 山羊抗小鼠 IgG(H+L)高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor™ 594 | Thermo Fisher Scientific | A-11032 | 二抗,用于检测 γH2AX 一抗,使用稀释比例为 1:350 |
| 山羊抗兔 IgG(H+L)高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor™ 488 | Thermo Fisher Scientific | A-11034 | 二抗,用于检测 RAD51 一抗,使用稀释比例为 1:350 |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | version 10.6.1 | 用于统计分析、图表生成和数据可视化 |
| HEPES 1 M | Corning | 25060-C1 | 用于维持 pH 在 7.2–7.6 范围内的缓冲液 |
| Hoechst 33342 溶液(20 mM,5 mL) | Thermo Fisher Scientific | 62249 | 用于细胞核染色 |
| 辣根过氧化物酶标记的抗小鼠免疫球蛋白 G | Cell Signaling Technology | 7076S | 二抗,用于 Western 印迹中检测小鼠(β-actin)一抗 |
| 辣根过氧化物酶标记的抗兔免疫球蛋白 G | Cell Signaling Technology | 7074S | 二抗,用于 Western 印迹中检测兔一抗(RAD51) |
| 即溶脱脂奶粉 | Hyvee | G461A323 | 封闭试剂 |
| Laemmli 样品缓冲液(4×) | Bio-Rad | 1610747 | 样品缓冲液 |
| Lonza MycoAlert 支原体检测试剂盒 | Lonza Bioscience | LT07-218 | 用于常规确认细胞培养物无支原体污染 |
| 下层胶配方(1 L):Tris 181.7 g + SDS 4.0 g,用浓 HCl 调 pH 至 8.8 | 自制 | NA | SDS-PAGE 分离胶 |
| 小鼠单克隆抗 β-肌动蛋白抗体 | Abcam | ab8226 | 一抗,用于 Western 印迹中检测 β-actin 作为上样对照 |
| 非靶向对照荧光素酶 siRNA(siLUC):5′-CUUACGCUGAGUACUUCGA-3′ | Horizon Discovery | NA | 工作浓度为 20 nmol |
| Nunc Lab Tek II,8 孔带盖玻片玻璃培养皿,无菌 | Thermo Fisher Scientific | 154534 | 用于细胞接种和培养,以进行免疫荧光染色和共聚焦成像 |
| OVCAR-8 细胞 | 美国国家癌症研究所(NIH) | NA | 卵巢癌细胞系 |
| 16% 甲醛水溶液,电镜级 | Electron Microscopy Sciences | 15710-S | 稀释至 3% 后用于免疫荧光染色前的细胞固定 |
| Prolong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Thermo Fisher Scientific | P36930 | 用于封片并保持共聚焦成像过程中的荧光信号 |
| 蛋白酶抑制剂 | Roche / Sigma-Aldrich | 11836170001 | 蛋白酶抑制剂混合物 |
| 蛋白检测试剂浓缩液 | Bio-Rad | 5000006 | 蛋白质定量 |
| PVDF 膜(Immobilon-P,0.45 µm) | Millipore | IPVH00010 | 转膜用膜 |
| RAD51 siRNA(siRAD51):5′-GGGAUUUGUGAAGCCAAA-3 | Horizon Discovery | NA | 工作浓度为 20 nmol |
| RPMI-1640(含 L-谷氨酰胺和葡萄糖) | Corning | 10-041-CV | 用作培养卵巢癌细胞系(OVCAR-8 和 ABTR2)的基础生长培养基 |
| 氯化钠(NaCl) | Fisher Scientific | S271-500 | 缓冲液 |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | Bio-Rad | 1610302 | 缓冲液 |
| 氟化钠 | Sigma-Aldrich | S7920 | 磷酸酶抑制剂 |
| 正钒酸钠 | Sigma-Aldrich | S6508-50G | 磷酸酶抑制剂 |
| 焦磷酸钠十水合物 | Sigma-Aldrich | 221368 | 缓冲液 |
| 磷酸甘油钠五水合物β | Thermo Scientific Chemicals(原 Alfa Aesar) | L03425.22 | 磷酸酶抑制剂 |
| SuperSignal™ West Pico PLUS 化学发光底物 | Thermo Fisher Scientific | 34580 | 检测系统 |
| TEMED 50 mL | Bio-Rad | 1610801 | 在分子生物学中与 10% APS 配合使用,作为聚丙烯酰胺凝胶聚合的催化剂 |
| Topcoat 快干透明指甲油 | Electron Microscopy Sciences | 72180 | 用于密封盖玻片边缘,防止封片样本干燥或移动 |
| Triton X-100 | Bio-Rad | 1610407 | 用于固定细胞的通透处理,使抗体能够进入细胞核蛋白 |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P1379-1L | 缓冲液 |
| UltraPure EDTA | Thermo Fisher Scientific | 15576028 | 二价金属阳离子螯合剂,适用于生物化学或分子生物学应用 |
| 上层胶配方(1 L):Tris 60.6 g + SDS 4.0 g,用浓 HCl 调 pH 至 6.8 | 自制 | NA | SDS-PAGE 浓缩胶 |
| Zeiss LSM 780 激光扫描共聚焦显微镜 | Carl Zeiss, Germany | NA | 用于获取高分辨率共聚焦图像,以可视化和定量分析 RAD51 和 γH2AX 核焦点 |
| β-巯基乙醇 | Bio-Rad | 1610710 | 还原剂 |
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