Niniejszy protokół opisuje metodę wizualizacji białka sygnałowego pęknięć dwuniciowych DNA, aktywowanego w odpowiedzi na uszkodzenie DNA, a także jego lokalizacji podczas mitozy.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Niniejszy protokół opisuje metodę wizualizacji białka sygnałowego pęknięć dwuniciowych DNA, aktywowanego w odpowiedzi na uszkodzenie DNA, a także jego lokalizacji podczas mitozy.
Pęknięcia obu nici (DSBs) są najbardziej szkodliwymi uszkodzeniami DNA, z jakimi może spotkać się komórka. Jeśli nie zostaną naprawione, DSBs niosą ze sobą ogromny potencjał do generowania mutacji i aberracji chromosomowych1. Aby zapobiec katalizowaniu niestabilności genomowej przez te uszkodzenia, kluczowe jest, aby komórki wykryły DSBs, aktywowały odpowiedź na uszkodzenia DNA (DDR) i naprawiły DNA. Po stymulacji DDR działa w celu zachowania integralności genomu, wywołując zatrzymanie cyklu komórkowego, aby umożliwić przeprowadzenie naprawy, lub wymuszając przejście komórki w apoptozę. Dominujące mechanizmy naprawy DSB zachodzą poprzez niehomologiczne łączenie końców (NHEJ) oraz naprawę poprzez rekombinację homologiczną (HRR) (przegląd w2). Istnieje wiele białek, których aktywność musi być precyzyjnie skoordynowana, aby DDR funkcjonował prawidłowo. W niniejszej pracy opisujemy metodę dwu- i trójwymiarowej (D) wizualizacji jednego z tych białek, 53BP1.
Białko wiążące p53 1 (53BP1) lokalizuje się w obszarach DSB poprzez wiązanie zmodyfikowanych histonów3,4, tworząc ogniska w ciągu 5-15 minut5. Przyjmuje się, że modyfikacje histonów oraz rekrutacja 53BP1 i innych białek DDR do miejsc DSB ułatwiają reorganizację strukturalną chromatyny wokół obszarów uszkodzeń i przyczyniają się do naprawy DNA6. Poza bezpośrednim udziałem w naprawie, opisano dodatkowe role 53BP1 w DDR, takie jak regulacja punktu kontrolnego wewnątrz fazy S, punktu kontrolnego G2/M oraz aktywacja białek DDR działających w dalszej kaskadzie7-9. Niedawno odkryto, że 53BP1 nie tworzy ognisk w odpowiedzi na uszkodzenia DNA indukowane podczas mitozy, lecz oczekuje na wejście komórek w fazę G1 przed lokalizacją w pobliżu DSB6. Stwierdzono, że białka DDR, takie jak 53BP1, łączą się ze strukturami mitotycznymi (takimi jak kinetochory) podczas postępu mitozy10.
W niniejszym protokole opisujemy zastosowanie obrazowania żywych komórek w 2D i 3D do wizualizacji tworzenia się ognisk 53BP1 w odpowiedzi na działanie czynnika uszkadzającego DNA, kamptotecyny (CPT), a także zachowania 53BP1 podczas mitozy. Kamptotecyna jest inhibitorem topoizomerazy I, który powoduje przede wszystkim powstawanie DSB podczas replikacji DNA. W tym celu wykorzystaliśmy wcześniej opisany konstrukt białka fuzyjnego 53BP1-mCherry, składający się z domeny białka 53BP1 zdolnej do wiązania się z DSB11. Dodatkowo zastosowaliśmy konstrukt białka fuzyjnego histony H2B-GFP, umożliwiający monitorowanie dynamiki chromatyny w całym cyklu komórkowym, a w szczególności podczas mitozy12. Wielowymiarowe obrazowanie żywych komórek jest doskonałym narzędziem pozwalającym pogłębić naszą wiedzę na temat funkcji białek DDR w komórkach eukariotycznych.
A. Przygotowanie komórek
B. Konfiguracja mikroskopu i akwizycja obrazów
Protokół ten opracowano przy użyciu konfokalnego mikroskopu z dyskiem wirującym Zeiss Cell Observer SD, wyposażonego w statyw AxioObserver Z1, dwukanałową jednostkę dysku wirującego Yokagawa CSU-X1A 5000, dwie kamery emCCD Photometrics QuantEM 512SC, iluminator światłowodowy HXP 120C, 4 lasery (wielolinijny laser argonowy Lasos 100mW [458, 488, 514 nm], diodę 50 mW 405 nm, diodę 40 mW 561 nm oraz diodę 30 mW 635 nm), AOTF, system inkubacji stołu Pecon XL multiS1, moduły inkubacyjne Zeiss (O2 Module S, CO2 Module S, TempModule S, Heating Unit XL S) oraz zmotoryzowany stół XY firmy Prior z wkładką piezoelektryczną NanoScanZ Z. Aby zminimalizować aberracje sferyczne podczas obrazowania żywych komórek w medium wodnym, zastosowano obiektyw C-Apochromat 63x/1.20 Water/Corr oraz ciecz imersyjną Zeiss Immersol W (o współczynniku refrakcji n = 1.334). Do dwukanałowego obrazowania konfokalnego użyto lustra dichroicznego RQFT 405/488/568/647 oraz filtrów emisyjnych BP525/50 (zielony) i BP629/62 (czerwony). Wykorzystano oprogramowanie systemowe Zeiss Axiovision (ver. 4.8.2.0) z modułami AV4 Multi-channel/Z/T, Fast Imaging, Physiology, MosaiX, Mark & Find, Dual Camera, Inside 4D, Autofocus oraz 3-D Deconvolution.
C. Przetwarzanie i analiza obrazu
Protokół ten został opracowany przy użyciu oprogramowania Volocity (PerkinElmer). Oprogramowanie wykorzystane do pozyskania tych danych (AxioVision) posiada również funkcję przetwarzania i analizy obrazów. Zachęca się użytkowników do korzystania z dostępnego im oprogramowania oraz zapoznania się z odpowiednią literaturą dotyczącą jego zastosowania.
D. Reprezentatywne wyniki
Przykład tworzenia się ognisk 53BP1 w odpowiedzi na CPT przedstawiono na Rysunku 1. Komórki poddane działaniu CPT tworzą ogniska w ciągu 5-10 min i utrzymują je przez cały czas rejestracji. Jak pokazano na Rysunku 2, 53BP1 dysocjuje z chromatyny na początku mitozy, tworząc cienką mgiełkę wokół kondensujących się chromosomów. Wraz z nastąpieniem telofazy i zakończeniem mitozy, 53BP1 ponownie agreguje w wyraźne ogniska. Choć komórki HEK293 nie były eksponowane na CPT, mimo to tworzyły liczne, spontaniczne ogniska naprawcze 53BP1 powstałe w wyniku endogennych uszkodzeń DNA. Obserwacja ta pozwoliła nam wyciągnąć wniosek, że 53BP1 nie tworzy ognisk we wczesnej fazie mitozy, co jest zgodne z wcześniejszym doniesieniem wykazującym podobny efekt po narażeniu komórek na promieniowanie jonizujące i leki radiomimetyczne 5.

Rycina 1. Kamptotecyna (10 μM) indukuje pęknięcia dwuniciowe (DSBs) oraz tworzenie się ognisk 53BP1 w cyklujących fibroblastach w ciągu 30 min od dodania leku do medium.

Rycina 2. Białko 53BP1 nie tworzy ognisk podczas mitozy aż do telofazy/G1 w komórkach HEK293.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Utrzymanie integralności genomu jest kluczowe dla przeżycia komórek. Brak ochrony genomu prowadzi do przedwczesnego starzenia się, kancerogenezy lub śmierci 8. Istnieje duże zainteresowanie poznaniem mechanizmów funkcjonowania DDR, co wynika z jego znaczenia zarówno dla badań podstawowych, jak i klinicznych. Na przestrzeni lat opracowano wiele technik wspomagających badanie sposobów, w jakie komórki wykrywają i naprawiają uszkodzenia DNA. Tradycyjne metody, takie jak immunocytochemia i western blotting, stanow...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.
Wspierane częściowo przez granty R01NS064593 i R21ES016636 (K.V.). Mikroskopia została przeprowadzona w VCU - Department of Neurobiology & Anatomy Microscopy Facility, wspieranej częściowo z funduszy z grantu rdzeniowego NIH-NINDS 5P30NS047463. Konfokalny mikroskop z wirującym dyskiem został zakupiony dzięki dotacji NIH-NCRR (1S10RR027957).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| szalki hodowlane CellStar | Greiner Bio-One | ||
| szalki z przeszklonym dnem FluroDish | World Precision Instruments, Inc. | ||
| pożywka MEM | GIBCO | ||
| Aminokwasy nieessentialne | GIBCO | ||
| Aminokwasy | GIBCO | ||
| Witaminy | GIBCO | ||
| pirowinian sodu | Invitrogen | ||
| Penicylina/Streptomycyna | HyClone | ||
| płodowa surowica bydlęca | GIBCO | ||
| N-Myc-53BP1 WT pLPC-Puro; plazmid 19836 | Addgene | ||
| pCLNR-H2BG; plazmid 17735 | Addgene | ||
| SuperFect | Qiagen | ||
| System obrazowania Zeiss Cell Observer SD | Zeiss | ||
| AxioVision (wersja 4.8.2) | Zeiss | ||
| Olej immersyjny Zeiss Immersol W | Zeiss | ||
| oprogramowanie Volocity (wersja 6.0) | PerkinElmer |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.