ここでは、固定哺乳類細胞におけるポリ(ADP-リボース)(PAR)濃縮焦点の細胞ベースの可視化、細胞内局在化、定量解析の方法を説明します。このアッセイにより、ジェノトキシン曝露細胞の核におけるDNA損傷によるPARP活性化部位の定量化が可能となり、塩基切除修復や単鎖断裂修復に関連する部位も含まれます。
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ここでは、固定哺乳類細胞におけるポリ(ADP-リボース)(PAR)濃縮焦点の細胞ベースの可視化、細胞内局在化、定量解析の方法を説明します。このアッセイにより、ジェノトキシン曝露細胞の核におけるDNA損傷によるPARP活性化部位の定量化が可能となり、塩基切除修復や単鎖断裂修復に関連する部位も含まれます。
ポリ(ADP-リボース)(PAR)は、ADP-リボースポリメラーゼファミリーの4つの酵素群—PARP1、PARP2、PARP5a、PARP5b—によって合成されるADP-リボースのポリマーです。しかし、DNA断裂に反応してPARを合成するのはPARP1とPARP2のみです。PARはタンパク質の翻訳後修飾として定義されますが、DNAやRNA修飾としても存在することが示されています。PARのレベルはさらにPARGによって調節されます。PARGはPARグリコヒドラーゼであり、PARP1およびPARP2とともにDNA損傷誘発性PARの細胞レベルを調節します。PARの動的な合成と分解は、DNA修復およびDNA損傷応答における調節的役割に不可欠であり、これがクロマチンの再編成、複製、転写、細胞死に影響を与えます。PARP1/PARP2の活性化およびPARの蓄積は、塩基切除修復またはDNA単一鎖切断修復の部位とみなすことができます。しかし、多数のPARP1/PARP2活性化因子は複製ストレスやその他のDNA代謝過程とも関連しています。PAR鎖が形成されると、PAR鎖はPAR結合ドメイン(PBD)を通じてDNA損傷部位やゲノム損傷部位へのDNA修復およびDNA損傷応答(DDR)因子のリクルートを促進します。10種類の異なるPBDは、PAR結合モチーフ、PAR結合亜鉛指、WWEドメイン、マクロドメインなど、PAR分子のさまざまな領域を認識しています。PARダイナミクスの細胞解析を促進するために、PBDを強化緑色蛍光タンパク質(EGFP)に融合させて、細胞ベースのPAR焦点の定量最適化を行いました。PBD/WWEドメインをコードするRNF146の断片を用いてEGFPに結合し、ゲノム損傷部位および進行中のBERまたはSSBR部位におけるPAR蓄積を可視化・定量化するアッセイを記述します。レンチウイルス粒子の産生、標的細胞株のトランスダクション、哺乳類細胞のゲノム損傷誘導処理、共焦点蛍光顕微鏡の取得、データの半自動化定量化などの実験ステップを説明します。
このプロトコルはLivePARアッセイを説明しており、哺乳類細胞におけるゲノム損傷部位、主に塩基切除修復(BER)または単鎖切断修復(SSBR)に関連する部位におけるポリ(ADP-リボース)(PAR)の可視化と定量解析を可能にします。BERはDNAから損傷または修飾された塩基を除去する重要なDNA修復経路です(BERおよびPARylationのレビューは4,5,6,7参照)。BERは、修飾塩基4を認識・切断し、アピリン系/アピリミジン系(AP)部位を残すDNAグリコシラーゼから始まります。例えば、メチルプリングリコシラーゼ(MPG)はメチル化された塩基8,9を切断し、8-オキソグアニングリコシラーゼ(OGG1)は8-オキソグアニングリコシラーゼ(OGG1)を切除します。その後、AP部位はAPエンドヌクレアーゼ1(APE1)11,12,13によって切断され、DNA骨格に切り欠きが生じます。ポリメラーゼ、すなわちDNAポリメラーゼβ(Polβ)14,15が損傷していない鎖をテンプレートとして調整・埋め、最後にDNAリガーゼが修復された鎖16,17を封じます。例えば、DNAリガーゼIやDNAリガーゼIIIが挙げられます。
BERおよびSSBRの主要なプレーヤーは、ポリ(ADP-リボース)ポリメラーゼ1および2(PARP1/PARP2)18,19,20で、BERまたはSSBR中にDNA鎖の切断を迅速に検出する酵素です。これらの断裂を検出すると、PARP1/PARP2は自身や他のタンパク質にADPリボースポリマーを付加させる(PARylationと呼ばれ、レビュー参照6参照)。これはNAD+を加水分解することで行われる。これにより動的なタンパク質スキャフォールド(PAR)が形成され、他のDNA修復因子を損傷部位に誘導し、DNA修復の忠実度を高めます。この動的なPARスキャフォールドを管理するために、ADP-リボース受容体ハイドロラーゼ3(ARH3)、末端ADP-リボース糖基ハイドロラーゼ1(TARG1)、モノ-ADP-リボシルハイドロラーゼ1/2(MacroD1/2)、およびポリ(ADP-リボース)グリコハイドローラーゼ(PARG)6,21,22,23,24,25,26など、PAR鎖の加水分解および除去に寄与します.しかし、PARGはこの過程を主に担い、DNA損傷応答(DDR)28,29において重要な役割を果たしています。
したがって、PARGはPARP1およびPARP2の機能と極めて密接に関連しています。PARP1およびPARP2がPARポリマーを生成する一方で、PARGは「クリーンアップ」酵素としてこれらのポリマーを加水分解し、PARylationを効果的に逆転させます。このプロセスはBERとSSBRの両方を完成させ、PARP1/PARP2が新たなDNA損傷に反応するためにリサイクルされるために不可欠です。したがって、PARP1、PARP2、PARylation、PARGは協調的に機能し、BERおよびSSBR 4,6を通じて効率的かつ可逆的なDNA修復を保証します。
PARylationの程度は様々な要因によって影響を受け、DNA損傷応答全体に重要な役割を果たします32。これらの要因には、N-メチル-N'-ニトロ-N-ニトロソグアニジン(MNNG)、メチルメタンスルホン酸塩(MMS)、過酸化水素(H2O2)、またはテルブチルヒドロペルオキシド(tBuOOH)などのDNA塩基に付加するジェノトキシンへの曝露が含まれます。さらに、PARylationの程度は、NAD+の前駆体であるジヒドロニコチンアミドリボシド(NRH)や、NAD+レベルを増加させることでPARP活性化を促進するNAMPT阻害剤FK866など、PARylationプロセスを調節する分子によって影響を受けることがあります。NAND-866はNAD+レベルを低下させ、PARP活性化を負の調節を行います.最後に、PARP1/PARP2、PARG、その他のDNA修復タンパク質(例:BERの欠陥やBRCA1/BRCA2のような相同組換え因子)の遺伝子変異や小分子阻害がPARPの活性化を変化させることができます。
LivePARアッセイは、WWEドメイン(アミノ酸100–182)をコードするリングフィンガータンパク質146(RNF146)の断片を利用し、増強グリーン蛍光タンパク質(EGFP)と結合しています3。WWEドメインは、結合部位37に保存されたトリプトファン(W)とグルタミン酸(E)にちなんで名付けられた球状ドメインです。WWEドメインはPAR鎖内で最も小さい内部構造単位であるiso-ADP-リボースに結合します38,39。RNF146はE3ユビキチンリガーゼで、iso-ADP-リボース38,40を認識し、BERに関与するタンパク質(XRCC1、DNA ligase III、PARP1)を標的化し、プロテアソーム分解を図ると報告されています。このWWEドメインをEGFPに結びつけることで、哺乳類細胞におけるジェノトキシン誘導PARylation部位の可視化と検出が可能になります。本プロトコルでは、LivePARレポーターを発現する安定細胞株の生成(図1A)、PARP1/PARP2を活性化するためのDNA損傷誘導、PARの生成、共焦点蛍光顕微鏡データの取得と解析(図1)を記述します。
pMD2.g(VSVG)プラスミドはウイルスエンベロープ糖タンパク質(VSVG)を提供し、ウイルスが感染可能な細胞の範囲をネイティブのレンチウイルスエンベロープタンパク質と比較して拡大します。pRSV-REVプラスミドは調節要素(REV)タンパク質を提供し、これはウイルスRNAに結合しウイルス遺伝子の転写を活性化する重要なトランスアクチベーターです。効率的なウイルス複製に不可欠です。pMDLg/pRREプラスミドは、マトリックス(MA)、カプシド(CA)、ヌクレオカプシド(NC)タンパク質をコードするgag、ウイルス複製と宿主細胞ゲノムへの統合に必要な酵素をコードするpol、そしてウイルスRNAの翻訳効率とゲノムRNAパッケージングの効率を高めるRNA調節要素(RRE)という、いくつかの重要な内部パッケージングコンポーネントを提供します。pLV-EF1A-LivePAR-Hygroプラスミド(図1A)は、RNF146(アミノ酸100–182)のWWEドメインC末端に融合した強化緑色蛍光タンパク質(EGFP)をコードするcDNAを含み、またベクターはポリ(ADP-リボース)鎖に結合するタンパク質ドメインです。また、ベクターはヒグロマイシン抵抗性カセットもコードしています。ウイルスは細胞培養上清液から分離され、-80°Cで保存するか、すぐに転移に使用されます(図1B)。
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1. レンチウイルスの産生
注:このプロトコルは、遺伝的にコードされたPARレポーターを発現する細胞を生成するために、第3世代レンチウイルスパッケージングシステム42,43を使用しています。レンチウイルス粒子は、エンベロープ、調節、パッケージングからなる4つのプラスミドシステムと、RNF146のEGFPタグ付きWWEドメインをコードするpLV-EF1A-LivePAR-Hygro構成体を用いて293FT細胞で作製され、これはポリ(ADP-リボース)鎖に結合します。得られたウイルスは、PAR蓄積の可視化と定量化のための安定した細胞株を生成するために使用されます。
2. トランスダクション
注:この節では、細胞株にトランス遺伝子を導入するためのレンチウイルストランスデューションプロトコルを概説しています(図1B)。私たちのラボでは1、3、33、37、44、45で一貫して効果的でした。
3. 共焦点顕微鏡および解析
注:このプロトコルのセクションでは、カバースリップの準備、LivePAR発現細胞のシーディング、処理(tBuOOH、MNNG、PARGi、PARPi、および/またはNRH)への曝露、および顕微鏡スライド上の固定細胞の共焦点イメージングおよびPAR焦点解析の準備について詳述しています(図1C)。また、ImageJソフトウェアとPAR焦点の半自動定量化のためのカスタムマクロの使用についても説明しています。このプロトコルは、DNA損傷依存的なPARylationに与える様々な因子(例:小分子、BERタンパク質ノックアウトなど)の影響を調査するために用いられ、当研究室で成功裏に運用されています。
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LivePARプローブを発現する細胞は、RNF146(100-182)-EGFP融合タンパク質をコードするレンチウイルスを産生することで生成されます(図1A)。細胞は、トランスダクション後最大2週間の一時的な発現後、またはヒグロマイシンで選択後の安定した細胞株として評価することができます(図1B)1。ジェノトキシン処理後、DNA損傷誘発性PAR焦点を核内で可視化し、固定後は共焦点蛍光顕微鏡で画像化されます(図1C)。画像は車両制御セルにおける汎細胞間のEGFP染色を明らかにしています(図2、上部)。しかし、ジェノトキシン処理細胞は核焦点の蓄積を示し、これはPARに結合したRNF146(100-182)-EGFPの局在を示しています(
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LivePARアッセイは、PARP1/PARP2がPAR鎖を積極的に合成している核ゲノムDNA損傷部位を検出するために開発されました。これを達成するために、WWEドメイン(アミノ酸100–182)をコードするRNF146の断片をEGFP 1,2,3,37に融合させました。私たちが記述した追加のPARプローブは、DTX4のアミノ酸残基1から166、PARP11のアミノ酸残基22から112、DTX2のアミノ酸1から178に融合したEGFPをコードし、それぞれ拡張されたWWEドメイン37をコードし、PARのiso-ADP-リボース部分を認識しています。さらに、最近では、EGFPがAf152137の遺伝子操作マクロドメインに融合し...
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R.W.S.はCanal House Biosciences, LLCの共同設立者であり、科学諮問委員会のメンバーであり、株式も持っていますが、この会社は本研究に関与せず、コンサルティング業務も関係ありません。著者たちは利益相反はないと述べています。
NRHの供給に関して長年にわたり絶え間なく支援し、専門的な助言をしてくださったマリー・ミゴー(サウスアラバマ大学)に特別な感謝を申し上げます。Sobol研究室でのDNA修復、DNA損傷の解析、遺伝子毒性曝露および複製ストレスの影響に関する研究は、NIHの助成金(ES029518、ES028949、CA238061、CA236911、AG069740、ES032522)およびNSF(NSF-1841811)からの助成金によって資金提供されました。また、レゴレッタがんセンター基金(R.W.S.への支援)からも支援が提供されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 試薬、化学薬品、ペプチド | |||
| 0.45 µm Durapore steriflip フィルター | Sigma-Aldrich | Cat# SE1M003M00 | |
| 20 x 20 mm 顕微鏡カバーガラス | Thermo Fisher Scientific | Cat# 22-170-371 | |
| アセトン | Thermo Fisher Scientific | Cat# A18-1 | |
| 細胞培養皿、100 mm | VWR | Cat# 25382-166 | |
| 細胞培養皿、60 mm | Fisher Scientific | Cat# 430166 | |
| 細胞培養プレート、6ウェル | VWR | Cat# 62406-161 | |
| Cryovials、2 mL | VWR | Cat# 89499-722 | |
| ジエチルエーテル | Thermo Fisher Scientific | Cat# 60-29-7 | |
| ジメチルスルホキシド | Thermo Fisher Scientific | Cat# BP231-1 | |
| 使い捨て滅菌フィルター、0.45 µm | Sigma-Aldrich | Cat# SE1M003M00 | |
| DMEM | Corning | Cat# 15-017-CV | |
| エタノール、200プルーフ | Decon Labs | Cat# 2701 | |
| ガラス顕微鏡スライド | Thermo Fisher Scientific | Cat# 12-544-4 | |
| 熱処理された胎児ウシ血清 | Atlanta Biologics | Cat# S11150 | |
| 塩酸 | Thermo Fisher Scientific | Cat# A144-212 | |
| ハイグロマイシン | Thermo Fisher Scientific | Cat# 10687010 | |
| 大型キムワイプ | Kimberly-Clark | Cat# 34256 | |
| Lenti-X GoStix Plus キット | Takara | Cat# 631280 | |
| メタノール | Thermo Fisher Scientific | Cat# A452SK-4 | |
| MNNG | Molport | Cat# N493990 | |
| NRH (1-[(2R,3R,4S,5R)-3,4-ジヒドロキシ-5-(ヒドロキシメチル)テトラヒドロフラン-2-イル]-4H-ピリジン-3-カルボキサミド) | Marie Migaud または NuChem Sciences Inc | ||
| PARG 阻害剤 (PDD00017273) | Sigma-Aldrich | Cat# SML1781 | |
| PARPi 阻害剤 (Veliparib、ABT-888) | MedChemExpress | Cat# HY-10129 | |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | Gibco | Cat# 15140-122 | |
| ポリブレン | Sigma-Aldrich | Cat# TR-1003-G | |
| tBuOOH | Thermo Fisher Scientific | Cat# 180345000 | |
| TransIT-x2 (トランスフェクション試薬) | Mirus | Cat# MIR-6006 | |
| Triton-X100 | VWR | Cat# 0694 | |
| トリプシン-EDTA | Thermo Fisher Scientific | Cat# 25200-056 | |
| Vectashield (H-1000) アンチフェードマウンティングメディア | Thermo Fisher Scientific | Cat# NC1695563 | |
| 細胞株 | |||
| 293-FT | Thermo Fisher Scientific | Cat# R70007 | |
| (SV40 大T 抗原で形質転換されたヒト胚腎細胞由来) | Thermo Fisher Scientific | Cat# R70007 | |
| LN428 | 提供いただいた | N/A | |
| (ヒトグリoblastoma 腫瘍細胞株) | Ian Pollack 博士 (ピッツバーグ大学) | N/A | |
| RPE-1 | ATCC | Cat# CRL-4000 | |
| (ヒト hTERT 不死化網膜色素上皮細胞) | ATCC | Cat# CRL-4000 | |
| U2OS | ATCC | Cat# HTB-96 | |
| (ヒト骨肉腫細胞株) | ATCC | Cat# HTB-96 | |
| 組換えDNA | |||
| pMDLg/pRRE | ラボ在庫# 253 | Addgene, Cat# 12251 | |
| pRSV-Rev | ラボ在庫# 254 | Addgene, Cat# 12253 | |
| pMD2.G | ラボ在庫# 252 | Addgene, Cat# 12259 | |
| pLV-EF1A-LivePAR-Hygro (LivePAR は RNF146 の WWE ドメイン、アミノ酸残基 100-182、EGFP に融合; ハイグロマイシン耐性カセットを含む) | ラボ在庫# 1727 | Addgene, Cat# 176063 | |
| ソフトウェアとアルゴリズム | |||
| Adobe Illustrator (図の準備用) | Adobe Systems | バージョン 2024 | |
| GraphPad Prism | GraphPad | バージョン 10.5.0 (Mac OS X) | |
| ImageJ | NIH | https://imagej.net/ij/download.html |
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