Tutaj pokazano, jak test ligacji zbliżeniowej in situ (PLA) może być wykorzystany do wykrywania i wizualizacji bezpośrednich interakcji białko-białko między ATM i p53 w hodowlach komórek zawiesinowych narażonych na stres genotoksyczny.
Method Article
Tutaj pokazano, jak test ligacji zbliżeniowej in situ (PLA) może być wykorzystany do wykrywania i wizualizacji bezpośrednich interakcji białko-białko między ATM i p53 w hodowlach komórek zawiesinowych narażonych na stres genotoksyczny.
Odpowiedź na uszkodzenie DNA koordynuje naprawę uszkodzeń DNA, które pojawiają się spontanicznie, są spowodowane stresem genotoksycznym lub pojawiają się w kontekście zaprogramowanych pęknięć DNA w limfocytach. Kinaza zmutowana ataksja-teleangiektazja (ATM), kinaza związana z ATM i Rad3 (ATR) oraz podjednostka katalityczna kinazy białkowej zależnej od DNA (DNA-PKcs) są jednymi z pierwszych, które są aktywowane po indukcji uszkodzenia DNA i są centralnymi regulatorami sieci kontrolującej naprawę DNA, apoptozę i przeżycie komórki. Jako część szlaku supresyjnego nowotworu, ATM i ATR aktywują p53 poprzez fosforylację, regulując w ten sposób aktywność transkrypcyjną p53. Uszkodzenie DNA powoduje również powstawanie tzw. ognisk wywołanych promieniowaniem jonizującym (IRIF), które reprezentują kompleksy białek czujnika uszkodzenia i naprawy DNA, które gromadzą się w miejscach uszkodzenia DNA, które są wizualizowane za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej. Kolokalizacja białek w IRIF nie musi jednak oznaczać bezpośrednich interakcji białko-białko, ponieważ rozdzielczość mikroskopii fluorescencyjnej jest ograniczona.
Test ligacji zbliżeniowej in situ (PLA) to nowatorska technika, która pozwala na bezpośrednią wizualizację interakcji białko-białko w komórkach i tkankach z niespotykaną specyficznością i czułością. Technika ta opiera się na przestrzennej bliskości specyficznych przeciwciał wiążących się z białkami będącymi przedmiotem zainteresowania. Gdy badane białka znajdują się w zakresie ~ 40 nm, reakcja amplifikacji jest wyzwalana przez oligonukleotydy, które są sprzężone z przeciwciałami, a produkt amplifikacji jest wizualizowany przez znakowanie fluorescencyjne, dając sygnał odpowiadający subkomórkowej lokalizacji oddziałujących białek. Na przykładzie ustalonej interakcji funkcjonalnej między ATM a p53 pokazano, w jaki sposób PLA można wykorzystać w hodowlach komórek zawiesinowych do badania bezpośrednich interakcji między białkami, które są integralną częścią odpowiedzi na uszkodzenie DNA.
Uszkodzenie DNA uruchamia wysoce regulowaną serię zdarzeń obejmujących interakcje białko-białko i modyfikacje potranslacyjne, które zapewniają efektywną i szybką naprawę DNA, chroniąc w ten sposób integralność genomu1. Zazwyczaj naprawę DNA bada się w komórkach wystawionych na promieniowanie jonizujące poprzez monitorowanie powstawania tzw. ognisk wywołanych promieniowaniem jonizującym (IRIF) za pomocą (konfokalnej) mikroskopii fluorescencyjnej. Wiele białek naprawczych i wykrywających uszkodzenia DNA tworzy IRIF, które reprezentują kompleksy białkowe, które zarodkują w miejscach chromatyny, powodując uszkodzenie DNA2,3. Lokalizacja i rozdzielczość IRIF w czasie daje ważny wgląd w czasoprzestrzenną organizację naprawy DNA i może wskazywać na udział różnych szlaków naprawy DNA. Charakter uszkodzenia DNA i etap cyklu komórkowego, w którym dochodzi do uszkodzenia, określają, który szlak naprawy DNA jest aktywowany. Na przykład w komórkach aktywnie zaangażowanych w replikację DNA (faza S) rekombinacja homologiczna (HR) jest dominującym szlakiem naprawy DNA, podczas gdy w komórkach w fazie G1 lub G2/M cyklu komórkowego dominuje niehomologiczny szlak naprawy łączenia końców (NHEJ). Jednym z najwcześniejszych zdarzeń następujących po uszkodzeniu DNA jest aktywacja kinaz wykrywających uszkodzenia DNA: białka z mutacją ataksji teleangiektazji (ATM), które jest głównie aktywne w fazach G1 i G2/M cyklu komórkowego i reguluje NHEJ, oraz ataksji teleangiektazji i białka związanego z Rad3 (ATR), które działa w fazie S poprzez aktywację HR. Zarówno ATM, jak i ATR są bardzo plejotropowymi kinazami, które fosforylują wiele białek, które biorą udział w naprawie DNA, śmierci komórki i przeżyciu4. Wykazano, że obie kinazy fosforylują i aktywują białko supresorowe p53 po ekspozycji na stres genotoksyczny, co wskazuje, że kinazy te są mediatorami kluczowej osi sygnalizacji supresyjnej nowotworu5,6.
Powstawanie i skład IRIF jest zazwyczaj oceniane poprzez określenie kolokalizacji różnych białek za pomocą dwukolorowego barwienia immunofluorescencyjnego i mikroskopii, jednak nie wszystkie białka, które są częścią kompleksów białek naprawczych, tworzą IRIFs, co ogranicza możliwość zastosowania tego podejścia. Co więcej, mikroskopia immunofluorescencyjna (konfokalna) jest ograniczona przez właściwości dyfrakcyjne światła, co skutkuje raczej słabą rozdzielczością przestrzenną około 200-300 nm, przekraczającą rozmiar większości struktur subkomórkowych, co zasadniczo uniemożliwia bezpośrednie badanie interakcji białko-białko na poziomie molekularnym. W związku z tym kolokalizacja wzorców barwienia immunofluorescencyjnego wykrytych przez (konfokalną) mikroskopię fluorescencyjną niekoniecznie wskazuje na bezpośrednie interakcje białko-białko. Ostatnio opracowano nowe technologie superrozdzielczości, takie jak trójwymiarowa mikroskopia oświetlenia strukturalnego (3D-SIM)7, która została z powodzeniem wykorzystana do zbadania powstawania IRIF 53BP1 i BRCA1 w nanoskali, ujawniając charakterystykę rozkładu przestrzennego tych białek, której nie można było wykryć za pomocą konfokalnej laserowej mikroskopii skaningowej8.
Do wykrywania interakcji białko-białko in vivo można użyć kilku innych metod, takich jak koimmunoprecypitacja, metody pull-down i metody badań przesiewowych drożdży. Techniki te są jednak dość kłopotliwe, wymagają dużej ilości komórek lub białek lub wiążą się z nadekspresją białek, co wprowadza artefakty eksperymentalne. Niedawno opracowano nowatorską technikę, która umożliwia wizualizację i kwantyfikację interakcji białko-białko in situ (tj. w komórkach i tkankach), która jest określana jako test ligacji zbliżeniowej (PLA)9,10. Przeciwciała pierwszorzędowe, które rozpoznają dwa interesujące białka, są wykrywane przez przeciwciała drugorzędowe, które są sprzężone z oligonukleotydami (tak zwane sondy PLA). Jeśli dwa różne przeciwciała drugorzędowe są wystarczająco blisko siebie ze względu na interakcje między białkami rozpoznawanymi przez przeciwciała pierwszorzędowe, sprzężone oligonukleotydy hybrydyzują i mogą być ligowane, tworząc zamknięty kolisty substrat DNA. Ten kołowy substrat jest następnie amplifikowany przez amplifikację tocznego koła i wizualizowany za pomocą komplementarnych oligonukleotydów sprzężonych z fluorochromem. Używając PLA, subkomórkowa lokalizacja interakcji białko-białko jest zachowana, ponieważ znakowany fluorescencyjnie produkt amplifikacji toczącego się koła pozostaje podłączony do sond PLA. Rozdzielczość tego testu wynosi <50 nm, w oparciu o ustalenie, że średnica przeciwciała wynosi około 7-10 nm11. Amplifikacja tocznego koła może mieć miejsce tylko w przypadku, gdy dwie pary przeciwciał (pierwszorzędowa + drugorzędowa) fizycznie oddziałują w obrębie obwodu określonego przez ich rozmiar (10 + 10 + 10 + 10 = 40 nm). Etap wzmacniania sygnału zwiększa czułość testu PLA i umożliwia wykrywanie oddziaływań białek o niskiej ekspresji. PLA generuje punktowe, podobne do ognisk wzorce sygnałów, które można określić ilościowo dla każdej komórki, za pomocą których można ocenić wewnątrz- i międzykomórkową zmienność interakcji białko-białko.
Tworzenie i skład kompleksów naprawczych DNA i IRIF-ów jest głównie badany w przylegających liniach komórkowych, takich jak ludzka linia komórek nabłonkowych kostniakomięsaka U2OS, ludzka embrionalna linia komórkowa nerki HEK293 i linia komórek nabłonka barwnikowego siatkówki RPE-1, które są szybko rosnące i łatwe do transfekcji. Hodowle komórek zawiesinowych, takie jak linie komórek limfoidalnych i szpikowych, są stosowane rzadziej, ponieważ są one mniej podatne na transfekcję i na ogół nie przylegają do szkiełek nakrywkowych, co wymaga dodatkowych/alternatywnych etapów obrazowania. Ustąpienie uszkodzeń DNA jest jednak bardzo istotne w kontekście nowotworów złośliwych limfoidalnych i szpikowych, ponieważ na odpowiedź na uszkodzenie DNA często wpływają aberracje genomowe (napędzające) w tych nowotworach, odgrywając kluczową rolę w złośliwej transformacji prawidłowych komórek limfatycznych i szpikowych (progenitorowych)12,13,14.
Ten protokół opisuje, jak można wykorzystać PLA do oceny i ilościowego określenia interakcji białko-białko po indukcji uszkodzenia DNA w zawiesinowych hodowlach komórkowych. W tym przypadku PLA jest wykonywany w celu określenia i wizualizacji interakcji między ATM i p53 po uszkodzeniu DNA w ludzkich komórkach białaczki B-komórkowej, które są indukowane do zatrzymania cyklu komórkowego w fazie G1. Warto zauważyć, że przedstawiony tutaj protokół nie ogranicza się do badania interakcji ATM i p53 w komórkach białaczki zatrzymanych przez G1, ale może być również wykorzystany do wizualizacji innych interakcji białko-białko w różnych typach komórek i hodowlach komórek zawiesinowych.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Leczenie komórek i indukcja uszkodzeń DNA
2. Cytowirowanie, utrwalanie i przepuszczalność
3. Blokowanie i inkubacja przeciwciał pierwotnych
4. Sondy PLA, ligacja i amplifikacja
5. Montaż i obrazowanie
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Wykazano, że fosforylacja p53 na reszcie Ser15 jest zależna od aktywności kinazy ATM16. Aby zademonstrować i potwierdzić specyficzność techniki PLA na preparatach cytospinowych zawiesinowych kultur komórkowych, wykazano, że indukcja uszkodzenia DNA przez 2-godzinną obróbkę NCS komórek BCR-ABL+ B-ALL zatrzymanych w fazie G1 cyklu komórkowego spowodowała specyficzną interakcję między ATM a fosfo-Ser15-p53, zgodnie z oczekiwaniami. Punktowe sygnały PLA zaobserwowano w...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
W niniejszym raporcie wykazano, że PLA może być używany do określania i wizualizacji specyficznej interakcji między białkami w zawiesinowych hodowlach komórkowych. Warto zauważyć, że opisany tutaj protokół nie ogranicza się do badania kompleksów naprawczych DNA, ale ma również zastosowanie do wizualizacji i ilościowego określania innych interakcji białko-białko w hodowlach komórek zawiesinowych. Wykazano, że kinaza ATM oddziałuje z fosforylowanym p53 w komórkach B-ALL BCR-ABL+ zatrzymanych przez G1 pod wpływem czynnika i...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Badania w laboratorium Guikema są finansowane przez Innovational Research Incentives Scheme od The Netherlands Organization for Scientific Research (grant VIDI 016126355) oraz 'Stichting Kinderen Kankervrij' KiKA (projekt 252).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Linia komórkowa BV173 | DSMZ | AC-20 | BCR-ABL+ Linia komórkowa B-ALL |
| Linia komórkowa SUP-B15 Linia komórkowa | DSMZ | ACC-389 | BCR-ABL+ Linia komórkowa B-ALL |
| Zmodyfikowana przez Iscove'a Pożywka Dulbecco (IMDM) | Gibco (Life Technologies) | 21980-032 | |
| Surowica cielęca płodu | Sigma Aldrich | F7524 | lot #: 064M3396 |
| L-glutamina | Gibco (życie Technologie) | 25030-024 | |
| penicylina/streptomycyna | Gibco (Life Technologies) | 15140-122 | |
| metanosulfonian imatynibu | LC Laboratories | I-5508 | Rozpuścić w DMSO, przygotować 10 mM roztwór podstawowy |
| neokarzinostatyna | Sigma Aldrich | N9162 | Mutagenne/teratogenne, należy obchodzić się z |
| KU55933 | Selleckchem | S1092 | Rozpuścić w DMSO, przygotować 5 mM roztwór podstawowy |
| Starfrost Preparaty mikroskopowe | Waldemar Knittel | VA11200 003FKB | |
| Długopis PAP bloker płynów | Sigma Aldrich | Z377821-1EA | |
| Lejek cytospinowy | Q Path Labonord SAS | 003411324 | |
| Duolink In Situ Czerwony zestaw startowy Koza/Królik | Sigma Aldrich | DUO92105 | Dostępne dla różnych gatunków/kombinacji, dostępne również w FarRED, Orange i Green |
| goat-anti-ATM | Bethyl Laboratories | A300-136A | PLA-grade; z powodzeniem użyliśmy lot#A300-136A-1 w naszych badaniach |
| sygnalizacji komórkowej | anty-fosfo-Ser15-p53 | 9284 | Z powodzeniem wykorzystaliśmy partię #9284-4 w naszych badaniach |
| Przeciwblaknięcie przeciwblaknięcia medium montażowego Vectashield z DAPI | Vector Labs | H-1200 | |
| Vectashield antiblading podłoże montażowe | Vector Labs | H-1000 | |
| 4% paraformaldehyd w PBS | Santa Cruz Biotechnology | sc-281692 | Dostępne również u różnych innych dostawców |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission