方法論記事

抗原タグ付きブロッキング病変とのレプリソーム遭遇の可視化

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DOI：

10.3791/61689

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2021年7月27日

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1Laboratory of Molecular Gerontology, National Institute on Aging, National Institutes of Health, 2Institute of Chemical Biology and Nanomedicine, State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics, College of Biology, Hunan University, 3Department of Molecular Biology and Genetics, Cornell University, 4Department of Cellular and Molecular Medicine, University of Copenhagen, 5Horizon Discovery, 6Boston University School of Medicine

* These authors contributed equally

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サマリー

DNA付加体との複製フォーク衝突は二本鎖切断を誘発する可能性がありますが、レプリソームとブロッキング病変の間の相互作用についてはあまり知られていません。近接ライゲーションアッセイを使用して、これらの遭遇を視覚化し、レプリソーム組成の結果を特徴付けました。

要約

ヌクレアーゼ、放射線、およびその他のDNAブレーカーによって誘発される二本鎖切断(DSB)に対する細胞応答については、かなりの洞察が存在します。部分的には、これは、ブレークサイトを特定するための方法の利用可能性、およびそれらのシーケンスでDSBに採用された要因の特性評価を反映しています。ただし、DSBは、切断を直接引き起こさず、特定の配列部位で反応しない化合物によって形成されるDNA付加体の処理中に中間体としても現れます。したがって、これらの薬剤のほとんどについて、応答因子および修復タンパク質との結合相互作用の解析を可能にする技術は不明である。たとえば、DNA鎖間架橋(ICL)は、複製フォークに遭遇した後に切断を引き起こす可能性があります。がん化学療法薬として広く使用されている薬剤によって形成されていますが、複製タンパク質との相互作用をモニタリングするための方法論はありませんでした。

ここでは、これらの困難な付加体とのフォーク衝突に対する細胞応答を追跡するための戦略について説明します。我々は、ステロイド抗原を、生細胞の核内で光活性化依存性ICLを形成するソラレンに結合させた。ICLは、抗原タグに対する免疫蛍光によって視覚化されました。タグは、2つの抗原の密接な関連を報告する近接ライゲーションアッセイ(PLA)のパートナーにすることもできます。PLAは、タグ付けされたICLと密接に関連しているタンパク質とそうでないタンパク質を区別するために利用されました。ICLとの遭遇後に保持されたレプリソームタンパク質を定義し、失われた他のタンパク質を特定することができました。このアプローチは、免疫学的に検出できるあらゆる構造またはDNA付加体に適用できます。

概要

二本鎖切断に対する細胞応答は、切断を特定のゲノム部位に向けるための一連のますます強力な方法のために十分に文書化されています1,2,3。位置の確実性により、部位に蓄積してDNA損傷応答(DDR)に関与するタンパク質やその他の要因の明確な特性評価が可能になり、それによって切断を修復する非相同末端結合(NHEJ)および相同組換え(HR)経路が促進されます。もちろん、特定の配列を攻撃しない放射線や化学種などの薬剤によって多くのブレークが導入されます4。ただし、これらのために、端をタグ付けとローカリゼーションに適した構造に変換できる手順があります5,6。ブレークは、免疫グロブリンの再配列などの生物学的プロセスによっても導入され、最近の技術では、それらの局在化も可能になっています7。次に、応答因子とそれらのサイトとの関係を決定できます。

ブレークは、固有のブレーカーではないが転写や複製などのDNAトランザクションを妨害する化合物によって形成される付加物の間接的な結果としても現れます。それらは、おそらく修復中に、またはヌクレアーゼ攻撃に対して脆弱な構造を誘発するために、これらの障害物に対する細胞応答の特徴として形成され得る。通常、付加体、ブレーク、および応答因子との関連の間の物理的関係は推論的です。例えば、ICLは、シスプラチンおよびマイトマイシンC8などの化学療法剤によって、および非塩基性部位9の反応生成物として形成される。ICLは、複製フォーク10に対する強力なブロックとしてよく知られており、それによってヌクレアーゼ11によって切断され得るフォークを失速させる。鎖間の共有結合は、中間体12,13として絶対的な切断を有する経路によってしばしば緩和され、複製フォーク14を再構築するために相同組換えを必要とする。ほとんどの実験では、研究者は、レプリケーションフォークとICLの衝突の下流に形成されるブレークに対する関心のある要因の応答を追跡します。しかし、誘発性病変の局在化のための技術がなかったため、リプリソームとその構成部分がICLに近接していることしか想定できません。

私たちは、ICLによってここに示されているように、非配列特異的共有付加体とのタンパク質関連の分析を可能にする戦略を開発しました。私たちのシステムでは、これらは皮膚疾患の治療薬として何千年もの間使用されている光活性天然物であるソラレンによって導入されます15。私たちのアプローチは、ソラレンの2つの重要な特徴に基づいています。1つ目は、シスプラチンやマイトマイシンC 8,16などの一般的な化合物によって形成される10%未満とは対照的に、付加物の90%を超える可能性のある架橋形成の頻度が高いことです。2つ目は、架橋能力を失うことなく、化合物のコンジュゲート化へのアクセシビリティです。私たちは、トリメチルソラレンを、古くから確立された免疫タグであるジゴキシゲニン(Dig)と共有結合させました。これにより、Digタグの免疫染色によるゲノムDNA中のソラレン付加体の検出、および従来の免疫蛍光法による可視化が可能になります17。

この試薬は、以前の研究で、DNAファイバーベースのアッセイ16を使用して、ICLとの複製フォークの遭遇の分析に適用されました。その作業では、レプリケーションが無傷のICLを過ぎても継続できることがわかりました。これは、複製ストレスによって活性化されるATRキナーゼに依存していた。複製の再開は、CMG複製ヘリカーゼの構造を考えると予想外でした。これは、GINS複合体(G、PSF1、2、3、およびSLD5からなる)およびCDC45(C)18のタンパク質によってロックされた、リーディングストランド合成のためのテンプレート鎖の周りにオフセットギャップリングを形成するMCMヘテロ六量体(M)で構成されています。複製がリプリソーム衝突の側のICL遠位側で再開できるという提案は、レプリソームの構造の変更を主張した。ICLとの遭遇時にどのコンポーネントが応答に含まれていたかという問題に対処するために、ここで説明するアプローチを開発しました。近接ライゲーションアッセイ(PLA)19 のパートナーとしてDigタグを利用して、ICLとレプリソーム20のタンパク質との密接な関連を調べました。

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プロトコル

1.細胞調製

  1. 1日目
    1. 35 mmガラス底培養皿を細胞接着剤溶液で前処理します。
    2. 処理の1日前に前処理皿中の細胞を平板化する。細胞は実験当日に活発に分裂し、50〜70%コンフルエントでなければなりません。
      注:HeLa細胞は、10%ウシ胎児血清、1xペニシリン/ストレプトマイシンを添加したダルベッコ改変イーグル培地DMEMでこの実験で使用されました。接着細胞株に制限はありません。ただし、非接着性細胞は、PLAによる分析の前にスライド上に遠心分離し、固定する必要があります。
  2. 2日目
    1. 以前に合成したDig-TMPの凍結アリコートを1:1 EtOH:H2Oに再懸濁することにより、ジゴキシゲニントリメチルソラレン(Dig-TMP)のストック溶液を調製します。 溶解したDig-TMPの100倍希釈(H2O)の250 nmでODを測定することにより、濃度を決定します。Dig-TMPの吸光係数は25,000です。各使用前に250nmでODを測定して濃度を確認し、ストック濃度を計算します:Abs x 100 x 106/25,000 =濃度(μM)。一般的に、ストック溶液は約3mMです。溶液は–20°Cで約1ヶ月間保存できます。
      注:Dig-TMPは、ここで説明されている手順に従って、事前に化学合成する必要があります。4'-クロロメチル-4,5',8-トリメチルソラレンをトルエン中で4,7,10-トリオキサ-1,13-トリデカンジアミンと窒素下で12時間還流させる。溶媒を除去し、シリカゲルクロマトグラフィーにより4'-[N-(13-アミノ-4,7,10-トリオキサトリデカ)]アミノメチル-4,5',8-トリメチルソラレン生成物を回収した。生成物をジメチルホルムアミドおよびトリエチルアミン中のジゴキシゲニンNHSエステルに50°Cで18時間結合させます。溶媒を除去し、残渣を分取薄層シリカゲルクロマトグラフィーで精製する。生成物バンドをクロロホルム:メタノール:28%水酸化アンモニウム(8:1:0.1)混合物で溶出します。溶媒を蒸発させ、ペレットを50%EtOH:H2Oに溶解する。
    2. 50%EtOH:H2O中のDig-TMPストックを最終濃度5 μMになるまで細胞培養培地に加え、培地を37°Cにします。 プレートから培地を吸引し、予め温めたDig-TMP含有培地を加え、プレートをインキュベーター(37°C、5%CO2)に30分間入れて、Dig-TMPを平衡化させます。
    3. 細胞がインキュベートしている間に、UVボックス( 材料の表を参照)を37°Cに予熱します。
    4. プレートを予熱したUVボックスに置き、この実験のために細胞を3 J / cm2 のUVA光の線量に5分間さらします。プレートは、照射中、37°Cに維持したサーモブロックの上に置いた。次の式を使用して時間を計算します。
      figure-protocol-1
    5. ピペットを使用して培地を吸引し、新鮮な予熱培地を加え、プレートを37°C、5%CO2 のインキュベーターに1時間戻します。
    6. メディアを取り出し、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)で皿を少し洗ってください。
    7. PBSを除去し、PBSに0.1%ホルムアルデヒド(FA)を加え、室温(RT)で5分間添加します。これにより、細胞質要素を抽出し、PLAバックグラウンドを低減するために必要なCSK-R(RNaseを含む細胞骨格抽出バッファー、1.2.9に記載)の前処理中の細胞剥離が防止されます。
    8. FAを吸引し、PBSで一度皿を洗います。
    9. CSK-Rバッファーを加え、RTで5分間インキュベートして細胞質を除去します[CSK-Rバッファー:10 mM PIPES、pH 7.0、100 mM NaCl、300 mM スクロース、3 mM MgCl2、0.5%トリトンX-100、300 μg/mL RNase A]。バッファーを吸引し、新鮮なCSK-Rを添加し、RTで5分間インキュベートします。
      注:CSKバッファーのストックは4°Cで保存でき、使用直前にトリトンXとRNaseAを添加します。
    10. PBSで3回洗ってください。
    11. 細胞をPBS中の4%ホルムアルデヒドでRTで10分間固定します。
    12. 細胞をPBSで洗浄します。この手順を 3 回実行します。
    13. 冷した100%メタノールを加え、-20°Cで20分間インキュベートします。
    14. 細胞をPBSで3回洗浄します。この時点で、細胞は4°Cの湿潤チャンバー内のPBSに最大1週間保存できます。
    15. 細胞を80 μLの5 mM TritonX-100中で4°Cで10分間インキュベートします。
    16. 100 μLの5 mM EDTAを添加したPBS中で、1 μLの100 mg/mL RNase Aを添加した細胞を37°Cで30分間インキュベートします。
    17. 細胞をPBSで3回洗浄します。
    18. 細胞をブロッキングバッファー(PBS中の5%BSAおよび10%ヤギ血清)の湿潤チャンバー内、4°Cで一晩保存します。

2.近接ライゲーションアッセイ

注:3日目に近接ライゲーションアッセイを実行します。

  1. 抗体染色
    1. プレートあたり40 μLの一次抗体溶液を調製:目的の希釈を達成するために適切な量の一次抗体(マウス抗ジゴキシゲニンおよびMCM5、CDC45、PSF1またはpMCM2などのレプリソーム成分に対するウサギ抗体、 材料の表で指定された希釈液)をブロッキングバッファーに追加します(最終容量24 μLに達するため)。軽くたたいて混ぜ、RTで20分間放置します。 複数のサンプルのマスターミックスを準備し、ウェルに適用する前に軽くたたいて混ぜます。
    2. ウェルの中央に40 μLの一次抗体溶液を加え、湿潤チャンバー内で37°Cで1時間インキュベートします。 染色中は、PLAプローブとブロッキングバッファーを室温まで温めます。
    3. RTでPBS-T[PBS-T:0.05%トゥイーン-20 in 1X PBS]で細胞を洗浄します。 この手順を3回実行します。
    4. 洗浄しながら、ディッシュあたり40 μLのPLAプローブ溶液を調製します(PLAプローブは、ウサギまたはマウスIgGを認識する二次抗体で構成され、PLUSまたはMINSオリゴヌクレオチドに共有結合しています):8 μLのPLAプローブ抗マウスPLUS+ 8 μLのPLAプローブ抗ウサギ-マイナス抗体+ 24 μLのブロッキングバッファー。混合し、RTで20分間放置します。 複数のサンプル用のマスターミックスを準備し、ウェルに適用する前によく混合します。プレート内のウェルの中央に溶液を置きます。
    5. 最後の洗浄液を取り出し、40 μLのPLAプローブ溶液をウェルの中央に加え、湿潤チャンバー内で37°Cで1時間インキュベートします。
    6. バッファーAで、RTの傾斜プラットフォームでそれぞれ10分間、3回洗浄します。洗浄中に、ライゲーションミックスをRTに持ち込みます。
  2. ライゲーションと増幅
    1. プレートあたり40 μLのライゲーションミックスを準備します:8 μL(5x)のライゲーションストック+ 31 μLの蒸留水+ 1 μLのリガーゼ。複数のプレート用のマスターミックスを準備し、ウェルに適用する前によく混ぜます。
    2. 各プレートに40 μLのライゲーション溶液を加え、湿潤チャンバー内で37°Cで30分間インキュベートします。
    3. 細胞をバッファーAで3回、それぞれ2分間、RTの傾斜プラットフォームで洗浄します。
    4. ディッシュあたり40 μLの増幅溶液を調製します:8 μL(5x)の増幅ストック+ 31.5 μLの蒸留水+ 0.5 μLのDNAポリメラーゼ。複数のサンプル用のマスターミックスを準備し、ウェルに適用する前によく混合します。
    5. 各プレートに40 μLの増幅溶液を加え、37°Cの湿潤チャンバーで100分間インキュベートします。
    6. 増幅溶液を吸引し、バッファーBで洗浄します。 RTの傾斜プラットフォームで、それぞれ6回の洗浄を10分間実行します。
    7. 0.01倍バッファーBでRTで1分間1回洗浄します。
    8. バッファーBを吸引し、二次抗体であるAlexa Fluor 488抗マウスIgGおよびAlexa Fluor 568抗ウサギIgGを含むプレートをブロッキング溶液中で、ブロッキングバッファー中の適切な希釈率で、湿潤チャンバー内で、37°Cで30分間、または4°Cで一晩インキュベートします。
    9. 細胞をPBS-Tで3回、RTの傾斜プラットフォームでそれぞれ10分間洗浄します。
    10. PBS-Tを吸引し、DAPIで封入剤にマウントします。取り付けたプレートは、すぐにイメージングすることも、イメージング前に4°Cで暗所で4日以内保存することもできます。

3. イメージングと定量

  1. エピ蛍光顕微鏡または共焦点顕微鏡でイメージングを実行します(3Dイメージングが望ましい場合は、15スタックで少なくとも3 μmをカバーします)。3連で実験を実行し、サンプルまたは条件ごとに少なくとも100個の観測を行うのに十分な数のフィールドを画像化します。コントロールを含むすべてのフィールドとサンプルを、同じ露出設定で画像化します。
  2. 適切な画像解析ソフトウェアを使用して定量化します(単一または複数の平面画像でこの解析を実行できるオープンソースおよび商用ソフトウェアについては、 部品表 を参照してください)。
    1. DAPI染色に基づいて細胞核をセグメント化します。核PLAドットの検出を実行します。PLAドットを対応する核に割り当てます。核ごとのPLAドットをcsvファイルとしてエクスポートします(補足ファイル1および補足ファイル2を参照)。
  3. 統計分析(推奨されるオープンソースおよび商用ソフトウェアについては 、資料表 を参照してください)。
    1. サンプルが正規分布に従うかどうかをシャピロ-ウィルク検定で確認します。
    2. Student-t検定(正規分布の仮定が満たされた場合)またはWilcoxon-Rank Sum検定(サンプルの正規分布の仮定に違反している場合)を使用して、2つのサンプル間に有意差があるかどうかを判断します。
  4. データの視覚化:箱ひげ図と組み合わせてドットプロットを生成し、さまざまなサンプルのデータ分布、中央値(Q2)、25パーセンタイル(Q1)、および75パーセンタイルを視覚化します(推奨されるオープンソースおよび商用ソフトウェアについては、資料の表を参照してください)。

4.3D pMCM2の表示:ICL相互作用

  1. PLAプレートをスピニングディスク共焦点顕微鏡で、プラン蛍光60倍/1.25開口オイル対物レンズを使用して画像化します。1.6 mmをカバーする16のスタックを取得し、適切な画像解析ソフトウェアを使用して3D再構成を生成します( 材料表を参照)。

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結果

レプリソームタンパク質を用いたDig-TMPのPLA
Dig-TMPの構造を図1に示します。トリメチルソラレンをグリコールリンカーを介してジゴキシゲニンに結合させた合成の詳細は、以前に議論されている17,21。細胞を化合物と一緒にインキュベートした後、365 nm光(UVA)に曝露すると、化合物が光活性化され、架橋反応が促進されます。付加物の90%強がICLです16。Digタグは、核全体にICLが存在することを示す免疫蛍光法によって視覚化できます(図2)。MCM2などのレプリソームタンパク質の免疫蛍光も、ICLの導入の影響を受けない分布である核全体の分布を示しています。これらの結果は、DSBに対するDNA損傷応答(DDR)に見られるような応答タンパク質の焦点の出現は、レプリソームの特徴ではないことを示しました:ICL...

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ディスカッション

人民解放軍は非常に強力な技術ですが、明確で再現性のある結果を得るために解決しなければならない技術的な懸念があります。抗体は高い親和性と特異性でなければなりません。さらに、非特異的なバックグラウンド信号をできるだけ減らすことが重要です。膜や細胞の破片が背景に寄与していることを発見し、可能な限り除去しました。固定前のバッファーを含む洗剤による洗浄、および固定後のメタノールによる洗浄は、非特異的結合を減らすのに役立ちます。注意点は、固定前の洗剤処理は細胞剥離を引き起こす可能性があることです。CSK処理の前にプレートを細胞接着剤で処理し、0.1%FAを接頭辞にすることで、この問題が軽減されることがわかりました。

また、S期固有の事象をモニターする際に、非S期セルを識別することも有用です。これは、PCNAやNPAT24,25などの細胞周期マーカーによるPLA後染色によって行うことができます。これらのマーカーは、S期の現象を確認するだけでなく、非特異的相互作用の内部生物学的制御...

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開示事項

著者は開示するものは何もありません。

謝辞

この研究の一部は、米国国立老化研究所のNIHの壁内研究プログラム(Z01-AG000746–08)によってサポートされました。J.H.は、中国国家自然科学財団(21708007および31871365)の支援を受けています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Alexa Fluor 568、ヤギ抗ウサギIgG(H + L)交差吸着二次抗体InvitrogenA-100111 in 1000
35 mmプレート、ガラス付き1.5カバースリップMatTekP35-1.5-14-Cガラス底マイクロウェルディッシュ35mmペトリ皿マイクロウェル
Alexa Fluor 488、ヤギ抗マウスIgG(H + L)交差吸着二次抗体InvitrogenA-100011 in 1000
ウシ血清アルブミン(BSA)SeraCare1900-0012ブロッキング溶液、試薬は4°Cで保存する必要があります。C
CDC45抗体(ウサギ)Abcamab1267621 in 200
接着剤ライフサイエンス354240TAK溶液
共焦点顕微鏡コンニコンTE2000回転ディスク顕微鏡Volocityソフトウェア
ジゴキシゲニン(Dig)抗体(マウス)Abcamab4201 in 200
Dig-TMPで合成Seidman Lab
Duolink増幅試薬(5回;)Sigma-AldrichDUO82010試薬は-20°Cで保存する必要があります。C
Duolink in situ検出試薬Sigma-AldrichDUO92007試薬は-20°Cで保存する必要があります。C
Duolink in situ オリゴヌクレオチド PLA プローブ MINUSSigma-AldrichDUO92004抗マウス MINUS、試薬は 4 °C で保存する必要があります。C
Duolink in situ オリゴヌクレオチド PLA プローブ PLUSSigma-AldrichDUO92002抗ウサギ PLUS、試薬は 4 °C で保存する必要があります。C
Duolink in situ 洗浄バッファー ASigma-AldrichDUO82046Duolink 洗浄バッファー、試薬は 4 °C で保存する必要があります。C
Duolink in situ洗浄バッファー BSigma-AldrichDUO82048Duolink洗浄バッファー、試薬は4°Cで保存する必要があります。C
エピ蛍光顕微鏡ツァイアクシオーバート 200M顕微鏡アクシオビジョンソフトウェアパッケージを装備(ツァイス、ドイツ)
ホルムアルデヒド 16%フィッシャーサイエンティフィックPI28906固定溶液
ヤギ血清サーモ31873ブロッキング溶液、試薬は4°Cで保存する必要があります。C
画像解析ソフトウェアオープンソースセルプロファイラーは、単一平面画像の解析に対応
画像解析ソフトウェアのライセンスが必要BitplaneImarisCell Biology モジュールが必要です。画像スタック内のPLAドット/核を定量化(3D)し、3D再構成を行うことができます
Ligase (1 unit/μl)Sigma-AldrichDUO82029試薬は-20°Cで保存する必要があります。C
ライゲーション試薬 (5回;)Sigma-AldrichDUO82009試薬は-20°Cで保存する必要があります。C
MCM2 抗体 (ウサギ)Abcamab44611 in 200
MCM5 抗体 (ウサギモノクローナル)AbcamAb759751 in 1000
MethanolLab ALLEYA2076pre-cold at -20°C;C 使用前の
リン酸化MCM2S108 抗体 (ウサギ)Abcamab1092711 in 200
ポリメラーゼ (10 unit/μl)Sigma-AldrichDUO82030試薬は-20°Cで保存する必要があります。DAPI
ThermoFisher ScientificP36935
PSF1 抗体 (ウサギ)Abcamab1811121 in 200
RNAse A 100 mg/mlQiagen19101は、4 °Cで保存する必要があります。C
統計解析・データ可視化ソフトオープン・ソースR studioggplot2 ドットプロット・ボックスプロット生成パッケージ
統計解析・データ可視化ソフトウェア-ライセンスが必要Systat ソフトウェアSigmaplot V13
TMP (トリオキサレン)Sigma-AldrichT6137_1G
TritonX-100Sigma-AldrichT8787_250ML
Tween 20Sigma-AldrichP9416_100ML
UV boxSouthern New England Ultraviolet販売終了。可能な交換用UVテストチャンバーとしてOpsytec UVテストチャンバーを参照してください
テストチャンバーOpsytecUVテストチャンバー BS-04
VE-821SelleckchemS8007最終濃度は1µです。メートル
細胞細胞ニッス 試薬を含む C Prolong 金封入剤UV

参考文献

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Formal Correction: Erratum: Visualization of Replisome Encounters with an Antigen Tagged Blocking Lesion
Posted by JoVE Editors on 1/09/2023. Citeable Link.

An erratum was issued for: Visualization of Replisome Encounters with an Antigen Tagged Blocking Lesion.

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Jing Zhang*1
Jing Huang*2
Ryan C. James3
Julia Gichimu1
Manikandan Paramasivam4
Durga Pokharel5
Himabindu Gali6
Marina A. Bellani1
Michael M Seidman1
1Laboratory of Molecular Gerontology, National Institute on Aging, National Institutes of Health
2Institute of Chemical Biology and Nanomedicine, State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics, College of Biology, Hunan University
3Department of Molecular Biology and Genetics, Cornell University
4Department of Cellular and Molecular Medicine, University of Copenhagen
5Horizon Discovery
6Boston University School of Medicine
* These authors contributed equally

to:

Jing Zhang*1
Jing Huang*2
Ishani Majumdar1
Ryan C. James3
Julia Gichimu1
Manikandan Paramasivam4
Durga Pokharel5
Himabindu Gali6
Marina A. Bellani1
Michael M Seidman1
1Laboratory of Molecular Gerontology, National Institute on Aging, National Institutes of Health
2Institute of Chemical Biology and Nanomedicine, State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics, College of Biology, Hunan University
3Department of Molecular Biology and Genetics, Cornell University
4Department of Cellular and Molecular Medicine, University of Copenhagen
5Horizon Discovery
6Boston University School of Medicine
* These authors contributed equally

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