Dieses Protokoll beschreibt einen biochemischen Gel-Shift-Assay zur Messung der FEN1-Aktivität (Flap-Endonuklease 1) und der Inhibitorentwicklung.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Dieses Protokoll beschreibt einen biochemischen Gel-Shift-Assay zur Messung der FEN1-Aktivität (Flap-Endonuklease 1) und der Inhibitorentwicklung.
FEN1 (Flap-Endonuklease 1) ist eine wichtige DNA-Nuklease, die an der DNA-Replikation und Schadensreparatur beteiligt ist und eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der genomischen Stabilität spielt. Erhöhte FEN1-Aktivitäten sind eng mit der Entwicklung verschiedener Krebsarten verbunden, was FEN1 zu einem anerkannten Biomarker und Wirkstoffziel für Lungen-, Brust- und Prostatakrebs macht. Herkömmliche Radioisotopenmarkierungsmethoden zum Nachweis der FEN1-Nukleaseaktivität stellen Herausforderungen in Bezug auf Komfort und Sicherheit dar. In dieser Arbeit wurde ein DNA-Fragmentsubstrat mit einer Lappenstruktur in vitro synthetisiert. Dieses Substrat ist mit einem Fluorophor am 5'-Ende des Lappens markiert, so dass die FEN1-Nuklease die angegebene Stelle spezifisch erkennen und spalten kann. Die FEN1-Aktivität wurde dann durch Detektion des Fluorophorsignals nach der Gelelektrophorese bestimmt. Diese Methode ermöglicht eine schnelle und effektive Beurteilung der FEN1-Nukleaseaktivität und das Screening ihrer Inhibitoren. Es bietet einen sensitiven und spezifischen Ansatz zur Analyse der FEN1-Aktivität und zur Bewertung der Wirksamkeit von niedermolekularen Inhibitoren. Darüber hinaus leistet es einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der Reparatur von DNA-Schäden und der Krebsentstehung und bietet eine neuartige Strategie für die klinische Erforschung von Krankheitsmechanismen und den Nachweis genotoxischer Substanzen.
Die DNA-Replikation ist nicht immer fehlerfrei und kann sowohl durch interne als auch durch externe Faktoren gestört werden. Folglich sind die Mechanismen der DNA-Replikation und der Schadensreparatur entscheidend für das Überleben der Zellen und die Stabilität des Genoms. Dabei spielt die humane verzweigungsstrukturspezifische Endonuklease FEN1 (Flap Endonuclease 1), eine Kern-DNA-Nuklease, eine entscheidende Rolle 1,2,3.
FEN1 ist primär an der DNA-Replikation beteiligt und für die Reifung von Okazaki-Fragmenten auf dem nacheilenden Strang 4,5 unverzichtbar. Dies gewährleistet das effiziente Fortschreiten der DNA-Replikation und die genaue Reparatur beschädigter DNA. Ein abnormaler Anstieg des FEN1-Spiegels ist jedoch eng mit der Entwicklung verschiedener Krebsarten wie Lungen- und Brustkrebsverbunden 6,7. Somit ist FEN1 nicht nur essentiell für die DNA-Replikation und -Reparatur, sondern hat auch als Biomarker für die Krebsdiagnose und als potenzielles therapeutisches Ziel große Aufmerksamkeit erregt 8,9. Der Nachweis der FEN1-Aktivität ist für die Früherkennung von Krebserkrankungen und für die Förderung der Forschung an zielgerichteten Therapien von entscheidender Bedeutung.
Angesichts der Bedeutung von FEN1 und der Notwendigkeit, seine Aktivität für die Krebsfrüherkennung und die gezielte Therapieentwicklung zu untersuchen, bestand das Hauptziel der in diesem Experiment entwickelten Methode darin, die Aktivität der FEN1-Nuklease genau und effizient zu messen. Diese Methode zielt darauf ab, eine zuverlässige Plattform für das Screening von niedermolekularen Inhibitoren zu bieten, die auf FEN1 abzielen. Durch das Erreichen dieser Ziele soll die Studie zu einem besseren Verständnis der Rolle von FEN1 bei Krebs beitragen und die Entdeckung neuer therapeutischer Strategien erleichtern.
Es gibt zahlreiche Techniken zum Nachweis der FEN1-Nuklease-Aktivität, jede mit unterschiedlichen Eigenschaften, Prinzipien, Vorteilen, Einschränkungen und anwendbaren Szenarien. So liefern beispielsweise die Gelelektrophorese und HPLC-basierte Substrattrennungsmethoden intuitive Ergebnisse, sind aber mit umständlichen Verfahren und geringem Durchsatz verbunden10,11. Fluoreszenzpolarisationsassays (FP) stehen bei der Bewertung der FEN1-Aktivität aufgrund von Interferenzen durch Autofluoreszenz oder Lichtstreuung, die die FP-Signale beeinflussen, vor Herausforderungen. Obwohl Anti-Screening-Strategien falsch positive Ergebnisse teilweise ausschließen können, werden etwa 15 % der primären Wirkstoffe aufgrund technischer Interferenzen immer noch falsch identifiziert12. Die kombinierte Verwendung von Fluoreszenzdonor/Quencher-Paaren (z. B. TAMRA/BHQ-2) und AlphaScreen-Chemilumineszenz bringt Nachteile mit sich, wie z. B. die hohen Synthesekosten komplexer Fluoreszenzsubstrate mit drei Lappen, was insbesondere ihren Nutzen beim großflächigen Screening einschränkt. Darüber hinaus kann die Dual-Flap-Struktur von Substraten eine optimale Bindung an FEN1 behindern, was die enzymatische Spaltungseffizienz verringert und die Nachweisempfindlichkeit beeinträchtigt. Darüber hinaus stützt sich dieser Ansatz stark auf spezialisierte Instrumente (z. B. ViewLux, EnVision), was seine Anwendung in Laboren mit begrenzten Ressourcen einschränkt 13,14,15. Fluoreszenzdetektionsmethoden, die auf hantelförmigen DNA-Nanosonden mit Doppellappen basieren, die mit Silbernanoclustern (DNA-AgNCs) funktionalisiert sind, leiden aufgrund ihrer Abhängigkeit von präzisem Annealing und in situ Nukleationsschritten unter einer Variabilität von Charge zu Charge, was die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit behindert. Hohe Kosten und langwierige Verfahren schränken ihre praktische Anwendung zusätzlich ein16.
In diesem Artikel wird ein auf Fluoreszenzmarkierung basierender Assay entwickelt, um die aktuellen technischen Einschränkungen zu überwinden und der wachsenden Nachfrage nach sichereren, benutzerzugänglichen Methoden zur Untersuchung der FEN1-Aktivität gerecht zu werden. Diese Technik nutzt die Spezifität und hohe Empfindlichkeit der Fluoreszenzdetektion sowie die Fähigkeit, DNA-Substrate mit definierten Strukturen zu entwickeln, die von FEN1 erkannt und gespalten werden können (Abbildung 1). Diese Methode vereinfacht die experimentellen Verfahren und behält gleichzeitig eine hohe Genauigkeit bei der Beurteilung der FEN1-Nukleaseaktivität bei. Im Vergleich zu herkömmlichen Gelelektrophorese- und HPLC-basierten Techniken bietet es eine vereinfachte Bedienung und eine schnellere Durchlaufzeit. Im Gegensatz zu Fluoreszenzpolarisationsassays ermöglicht dieser Ansatz ein schnelles qualitatives Screening von Verbindungen und etabliert eine effiziente Strategie für die vorläufige enzymatische Bewertung.
Diese Methode eignet sich für die Untersuchung der FEN1-Nukleaseaktivität in Laborumgebungen, in denen der Zugang zu radioaktivem Material eingeschränkt ist. Es eignet sich auch gut für das Screening einer großen Anzahl von niedermolekularen Inhibitoren in relativ kurzer Zeit, insbesondere wenn eine hohe Sensitivität und Spezifität erforderlich ist. Es ist jedoch nicht ideal für Studien, die eine absolute Quantifizierung mit sehr hoher Präzision erfordern, oder für Labore, denen es an grundlegenden Fluoreszenzdetektionsgeräten und Fachwissen in der Fluoreszenzsignalanalyse mangelt. Für Studien, die sich auf In-vivo-Anwendungen konzentrieren, bei denen das Verhalten von FEN1 durch komplexe biologische Faktoren beeinflusst werden kann, die in aktuellen In-vitro-Assay-Designs nicht repliziert werden, können weitere Verfeinerungen oder alternative Methoden erforderlich sein.
Dieser Fluoreszenzassay ist hochempfindlich und spezifisch und bietet ein sicheres, bequemes und effektives Werkzeug für die Untersuchung der FEN1-Aktivität und die Entwicklung seiner Inhibitoren.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Reinigung der FEN1-Proteinexpression
2. Vorbereitung des FEN1 TAMRA-markierten DNA-Substrats
3. FEN1-Nuklease-Aktivitäts-Assay
4. Screening von niedermolekularen Inhibitoren der FEN1-Nuklease
5. Bewertung der inhibitorischen Wirksamkeit des niedermolekularen Inhibitors FEN1--IN-4
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Wie in Abbildung 2A gezeigt, bindet das Färbereagenz an das Protein, wodurch das Protein als blaue Bande auf dem Gel erscheint. Die erste Spur enthält das markierte Protein, das als Molekulargewichtsreferenz verwendet wird, wobei die BSA-Standardproteinbande einem Molekulargewicht von 70 kDa und die FEN1-Nukleinsäureproteinbande einem Molekulargewicht von 45 kDa entspricht. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die FEN1-Nuklease bei etwa 45 kDa als klare Bande erschien, was auf eine e...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Der FEN1-Nuklease-Aktivitäts-Assay und das Screening von niedermolekularen Inhibitoren sind von zentraler Bedeutung für die Erforschung der Reparatur von DNA-Schäden und der Krebsentstehung. Im Vergleich zu herkömmlichen Radiomarkierungstechniken bietet die vorliegende Methode eine kostengünstige, effiziente, einfach zu bedienende und sicherere Alternative. Darüber hinaus bietet dieser Ansatz im Gegensatz zu Fluoreszenz-Burst-basierten FEN1-Assays eine intuitivere Visualisierung der Subs...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Diese Arbeit wurde unterstützt durch das innovative Forschungsteam für Wissenschaft und Technologie der Jiangsu Higher Education Institution (2021), das Programm des Jiangsu Vocational College Engineering Technology Research Center (2023), das Schlüsseltechnologieprogramm der Suzhou People's Livelihood Technology Projects (SYWD2024099), das Projekt des State Key Laboratory of Radiation Medicine and Protection, Soochow University (GZK12023013), Programme des Suzhou Vocational Health College (SZWZYTD202201, SZWZYTD202205) und das Qing-Lan-Projekt in der Provinz Jiangsu in China (2021, 2022).
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 1 M Tris-HCL | Beyotime | ST774 | |
| 30% Acr-Bis (29:1) | Beyotime | ST003-500ml | |
| 5M Nacl | Beyotime | ST347 | |
| BeyoBlue Plus | Beyotime | P0003S | |
| BL21(DE3)-FEN1 | Vazyme | C504-F1 | |
| BSA | Beyotime | Nr. P0007 | |
| Entfärbender Shaker | Kylin-Glocke | TS-100 | |
| DL-Dithiothreitol | Beyotime | ST041 | |
| Inkubator für Trockenbad | RUICHENG | DH200 | |
| Elektrophorese-Gerät | Bei jing Liuyi Biotechnologie | DDY-6D | |
| FEN1-IN-4 | ZielMOL | Nr. T8545 | |
| IPTG (IPTG) | Takaba | 9030 | |
| Kanamycin Slufate | Bioscharf | Nr. BS152 | |
| Labor-Zentrifuge | Thermo | SL 16R | |
| LB Brühe | Solarbio GmbH | Nr. L8291 | |
| Ni-NTA Sein Bindeharz | 7SE Biotechnologie | PANF001-001C | |
| Odyssey FC | ODYSSEE | LI-COR | |
| SDB-SEITE | Beyotime | P0015L | |
| Trition-x-100 | Shyuanye | Nr. S15022 |
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragen