Etter DNA-skade aktiverer menneskelige celler viktige reparasjonsveier for å gjenopprette integriteten til genomet. Her beskriver vi metoden for indirekte immunofluorescence som et middel til å oppdage DNA-reparasjonsproteiner, analysere deres romlige og timelige rekruttering, og bidra til å avhøre proteinproteininteraksjon på DNA-skadestedene.
Pattedyrceller blir stadig utsatt for kjemikalier, stråling, og naturlig forekommende metabolske byprodukter, som skaper bestemte typer DNA-fornærmelser. Gentoksiske midler kan skade DNA-ryggraden, bryte den eller endre den kjemiske karakteren til individuelle baser. Etter DNA-fornærmelse aktiveres DNA-skaderespons (DDR) veier og proteiner som er involvert i reparasjonen, rekrutteres. En mengde faktorer er involvert i å føle typen skade og aktivere riktig reparasjonsrespons. Unnlatelse av å aktivere og rekruttere DDR-faktorer på riktig måte kan føre til genomisk ustabilitet, noe som ligger til grunn for mange menneskelige patologier, inkludert kreft. Studier av DDR-proteiner kan gi innsikt i gentoksisk legemiddelrespons og cellulære mekanismer for legemiddelresistens.
Det er to viktige måter å visualisere proteiner in vivo: direkte observasjon, ved å merke protein av interesse med et fluorescerende protein og følge det ved levende avbildning, eller indirekte immunofluorescens på faste prøver. Mens visualisering av fluorescerende merkede proteiner tillater nøyaktig overvåking over tid, kan direkte merking i N- eller C-terminus forstyrre protein lokalisering eller funksjon. Observasjon av proteiner i deres umodifiserte, endogene versjon foretrekkes. Når DNA reparasjon proteiner er rekruttert til DNA fornærmelse, deres konsentrasjon øker lokalt og de danner grupper, eller “foci”, som kan visualiseres ved indirekte immunofluorescence ved hjelp av bestemte antistoffer.
Selv om påvisning av proteinfoci ikke gir et definitivt bevis på direkte interaksjon, indikerer samtidig lokalisering av proteiner i celler at de omgrupperer seg til skadestedet og kan informere om hendelsesforløpet som kreves for kompleks dannelse. Nøye analyse av foci romlig overlapping i celler som uttrykker vill type eller muterte versjoner av et protein kan gi dyrebare ledetråder om funksjonelle domener som er viktige for DNA reparasjon funksjon. Sist, co-lokalisering av proteiner indikerer mulige direkte interaksjoner som kan verifiseres ved co-immunoprecipitation i celler, eller direkte pulldown ved hjelp av rensede proteiner.
Menneskelige celler blir stadig utsatt for en rekke DNA-skadelige midler av forskjellig opprinnelse. Eksogene kilder består for det meste av eksponering for stråling, kjemikalier (inkludert kjemoterapeutiske midler og noen antibiotika), og virus, mens de viktigste endogene kildene inkluderer feil i DNA-replikering og oksidativt stress. De direkte effektene av gentoksisk eksponering kan variere fra en modifisert base til en potensielt dødelig DNA-dobbelttrådbrudd (DSB), avhengig av stress og eksponeringsdose. Til syvende og sist kan ureparerte eller feilreparerte DNA-skader føre til akkumulering av mutasjoner, genomiske omorganiseringer, ustabilitet i genomet og til slutt føre til karsinogenese1. Pattedyrceller har utviklet komplekse veier for å gjenkjenne bestemte typer DNA-skade2,3 og reparere dem i tide, synkronisert med cellesyklusprogresjonen.
Iioniserende stråling (IR) skader DNA dobbel helix og skaper dobbel-strand pauser (DSBs), en av de mest skadelige former for DNA-skade. MRN (MRE11, RAD50, NBS1) komplekset fungerer som en sensor av DNA-ender og aktiverer protein kinase ataksi telangiectasia mutert (ATM)4,5. Etter den første aktiveringen av ATM av DNA-ender, atm utløser en kaskade av DDR hendelser på stedet av pausen, initiere med en viktig hendelse, fosforylering av histone variant H2AX6. H2AX fosforylering på rester S139 aktiverer den i γH2AX, som strekker seg over regioner opp til megabaser rundt DNA-lesjonen6,,7,,8,,9. Denne hendelsen øker DNA tilgjengelighet, fører til rekruttering og akkumulering av andre DNA reparasjon proteiner7. Fordi γH2AX er rikelig og spesielt indusert omkringliggende DSBer, det kan lett visualiseres ved hjelp av bestemte antistoffer, og brukes vanligvis som en surrogat markør for DSBs i DNA reparasjon feltet. Når pausen er signalisert, aktiverer cellene sine DNA-reparasjonsveier og behandler DNA-skaden. Proteinet MDC1 (mediator av DNA skade sjekkpunkt protein 1) binder direkte γH2AX10,samhandler med ATM11 og også med NBS112,13. Det bidrar til å øke konsentrasjonen av MRN-komplekset ved DSB og initiere en positiv tilbakemeldingssløyfe i minibanker. γH2AX fjernes raskt når pausen er reparert, slik at overvåking av DSB-clearance. Etterfulgt av mikroskopi gir reduksjonen i γH2AX over tid en indirekte måling av restpauser og DNA-reparasjonseffektivitet.
Eukaryotiske celler kan reparere DSBs ved flere veier, de to viktigste er ikke-homolog ende-joining (NHEJ) og homolog rekombinasjon (HR) (Figur 1). NHEJ i hovedsak ligates DNA dobbel-tråd ender uten bruk av utvidet homologi og opererer gjennom celle syklus14,15. HR blir dominerende under S- og G2-faser, og er ellers undertrykt, siden det krever en søsterkromtid som homolog mal for reparasjon14,16. Pathway valg mellom NHEJ og HR ikke bare avhenger av den fysiske nærheten til søsteren chromatid, men også på utvidelse av DNA end resection17, som hemmer NHEJ.
Homologi-avhengig DSB reparasjon initierer ved nukleolytisk nedbrytning av 5 ‘strand fra break endene for å generere 3′ single-strand DNA (ssDNA) haler, en prosess referert til som 5’-3 ‘reseksjon. MRN-komplekset initierer DNA-sluttreseksjon og ytterligere reseksjon behandles i kombinasjon med BLM/EXO1 (Bloom syndrom protein/exonuclease 1) eller BLM/DNA2 (DNA-replikering ATP-avhengig helikase/kjerne)18,,19,,20,,21,,22. DNA end resection forsterkes av CtIP (CtBP-interagerende protein) gjennom sin direkte interaksjon med MRN kompleks23 og rekruttering av BRCA1 (brystkreft type 1 følsomhet protein)24,,25. Replikering protein A (RPA) binder seg umiddelbart til ssDNA eksponert og blir deretter forskjøvet av rekombinaseproteinet RAD51 for å danne en nukleoproteinfilament som katalyser homolog søk og strandinvasjon26,27,28.
Initiering av reseksjon er et kritisk skritt for reparasjonsveivalg. Når reseksjon har initiert, DNA-endene blir fattige substrater for binding av Ku70/Ku80 heterodimer (komponent av NHEJ pathway) og celler er forpliktet til HR17,29,30. Ku70/Ku80 heterodimer binder seg til DSB-endene, rekrutterer DNA-PKcer og p53 Binding Protein 1 (53BP1)29,,30. 53BP1 fungerer som en barriere for reseksjon i G1, og blokkerer dermed HR mens du fremmer NHEJ31,32, men det fjernes på en BRCA1-avhengig måte i S-fase, slik at reseksjon kan skje33,34. Derfor spiller 53BP1 og BRCA1 motstridende roller i DSB reparasjon, med 53BP1 som en NHEJ tilrettelegger mens BRCA1 fungerer slik at pauser for å reparere gjennom HR.
I laboratoriet kan DSB-formasjon induseres ved irasjonsstråling (IR). Mens dette eksemplet benytter en høy dose av 4 Gy, 1 Gy og 2 Gy også skape en betydelig mengde DSBs, egnet for analyse av foci dannelse av rikelig proteiner. Det er viktig å merke seg at typen og dosen av stråling som brukes kan føre til forskjellige lesjoner i DNA og i cellen: mens IR induserer DSBer, kan det også føre til enkelt trådbrudd eller basemodifisering (se35,36 for en referanse på bestråling lineær energioverføring (LET) og type DNA-skade). For å bestemme kinetikken til irioniseringsstråleindusert foci (IRIF) formasjon og deres klaring, noe som indikerer reparasjon av skade og reversering av den aktiverte DDR8,9,,37,,38,kan foci formasjon overvåkes på forskjellige tidspunkter etter irioniserende stråling. Tidspunktet for aktivering og clearance av alle store DNA-skadeproteiner erkjent 39, og mange undersøkes som surrogatmarkører for viktige hendelser. For eksempel brukes pRPA, som har høy affinitet for ssDNA som surrogat for bruddreseksjonen, MRN-proteiner (MRE11, RAD50, NBS1) og exonucleases kan også brukes til å vurdere reseksjonseffektivitet. Mens RAD51, BRCA1, BRCA2 (brystkreft type 2 følsomhet protein), og PALB2 (partner og lokalisator av BRCA2) kan overvåkes for å evaluere HR effektivitet, tilstedeværelsen av Ku proteiner eller 53BP1, brukes som markører av NHEJ (Figur 1).
Som proteiner av DNA reparasjon maskiner rekruttere hverandre til pause og montere i super-komplekser, DNA-protein og protein-protein interaksjoner kan utledes ved å følge sin individuelle lokalisering over tid og analysere co-lokalisering av proteiner, som visualisert ved overlappende signaler i celle40,41,42. I cellelinjer tillater innføring av punktmutasjoner eller sletting i spesifikke DNA-reparasjonsgener enten gjennom genomredigering, eller ved overuttrykk av plasmidbaserte mutanter, undersøkelse av spesifikke rester og deres mulige rolle i anerkjennelse av DNA-skade (f.eks. sam lokalisering med γH2AX) eller kompleks montering (sam lokalisering med en annen, eller flere, proteiner), samt deres innvirkning på DNA-reparasjon. Her bruker vi indirekte immunofluorescence som et middel til å undersøke dannelsen og oppløsningen av DSBer ved å følge γH2AX foci over tid. Vi presenterer også ett eksempel på foci dannelse og co-lokalisering analyse av en stor aktør i DSB reparasjon: p53 Binding Protein 1 (53BP1)32. Som nevnt tidligere, 53BP1 anses sentralt for DNA reparasjon pathway valg. Etter 53BP1 akkumulering og dens co-lokalisering med γH2AX gir dyrebar informasjon om celle syklus fase, DNA skade akkumulering, og veien som brukes til å reparere DSBs. Formålet med indirekte immunolokalisering er å vurdere effektiviteten av DNA-skadereparasjon i cellelinjer, etter IR som i denne studien, eller etter eksponering for ulike påkjenninger i cellen, fra DNA-krysskobling til blokkering av replikeringsgaffelen (en liste over DNA-skadelige midler er gitt i tabell 1).
Figur 1: DNA dobbel tråd bryter (DSB) reparasjonsveier.
DSB reparasjon innebærer to store veier: Homolog rekombinasjon (HR, venstre) og ikke-homolog end-joining (NHEJ, høyre). Etter pausen aktiveres proteiner for å markere pausen (γH2AX), delta i sluttreseksjon (MRN), belegge den nye sekteringen ssDNA (pRPA), fremme rekombinasjon (BRCA1, PALB2, BRCA2, RAD51) eller begrense reseksjon og fremme NHEJ (53BP1). Andre proteiner deltar i skadereparasjon, men proteiner som er oppført, etterfølges rutinemessig av indirekte immunofluorescence. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
DNA-skadelig middel | Virkningsmekanisme | Anbefalt dose |
γ-stråler / røntgenstråler | Stråling Dannelse av dobbelttrådet pauser med noen ukontrollerte cellulære effekter |
1-4 Gy |
36. Ar ioner | Stråling Dannelse av dobbelttrådet pauser |
270 keV/μm |
α-partikler | Stråling Dannelse av dobbelttrådet pauser |
116 keV/μm |
Bleomycin | Hemmer av DNA-syntese | 0,4-2 μg/ml |
Camptothecin | Hemmer av topoisomerase I | 10-200 nM |
Cisplatin (andre enn de 1500 | Alkylating agent (indusere intrastrand krysskoblinger) |
0,25-2 μM |
Doksorubicin | Intercalating agent Hemmer av topoisomerase II |
10-200 nM |
Etoposide | Hemmer av topoisomerase II | 10 μM |
Hydroksyurea | Hemmer av DNA-syntese (ved ribonucleotide reduktase) |
10-200 μM |
Metylmetansulfonat | Alkylating agent | 0,25-2 mM |
Mitomycin C | Alkylating agent | 0,25-2 μM |
Ultrafiolett (UV) lys | Dannelse av tymidin dimers (genererer forvrengning av DNA-kjede) |
50-100 mJ/cm2 |
Tabell 1: Gentoksiske midler. Eksempler på DNA-skadelige midler, deres virkningsmekanisme og skaden indusert basert på foreslått arbeidskonsentrasjon.
Analyse av tidspunktet og effektiviteten av DNA-skadereparasjon ved mikroskopi har vist seg å være avgjørende for å forstå hvordan DNA-reparasjonsmaskineriet fungerer, i normale celler og i menneskelige patologier som kreft.
Utviklingen av spesifikke antistoffer som tillater påvisning av aktiverte proteiner i deres fosforylert versjon (som γH2AX, pRPA, pRAD50 og andre10,23,39,<sup cl…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av et stipend fra San Antonio Area Foundation. Mays Cancer Center støttes av NCI kreftsenter støtte kjerne tilskudd P30 CA054174. Vi vil gjerne takke Stephen Holloway for hans hjelp til å skaffe reagensene, og Sung-laboratoriet for å gi plass og mikroskopikapasitet.
16% (v/v) paraformaldehyde (PFA) aqueous solution | Electron Microscopy Sciences | 15710 | Microscopy quality of the PFA ensures best images. If using "home-made PFA", filter prior to use. |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A3059 | Heat-shock fraction is recommended, to avoid precipitation/background. |
Coverglass #1, 18 mm round (coverslips) | Neuvitro | NC0308920 | Coverslips need to be cleaned and sterilized prior using, with HCl or ethanol. |
DMEM, High Glucose [(+) 4.5 g/L D-Glucose, (+) L-Glutamine, (-) Sodium Pyruvate] | Gibco | 11965118 | Adjust the growing media to the needs of cell line used. |
DPBS, no calcium, no magnesium | Gibco | 14190144 | PBS for tissue culture. |
Ethylene glycol-bis(β-aminoethyl ether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid (EGTA) | Research Products International | E57060 | Nuclear extraction buffer. |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Life Technologies | 104370028 | The quality of FBS can be assessed by testing gH2AX foci formation. If traces of genotoxic endotoxin are present in the batch, gH2AX will be positive in the absence of stress. |
Magnesium chloride (MgCl2) | Research Products International | M24000 | Nuclear extraction buffer. |
Piperazine-N,N′-bis(2-ethanesulfonic acid) (PIPES) | Research Products International | P40150 | Nuclear extraction buffer. |
SlowFade Diamond Antifade Mountant with DAPI | Invitrogen | S36973 | 300 nM DAPI with VECTASHIELD Antifade Mounting Medium can be used instead. |
Sodium chloride (NaCl) | Research Products International | S23020 | Nuclear extraction buffer. |
Sucrose | Research Products International | S24060 | Nuclear extraction buffer. |
Superfrost Plus Microscope Slides | Fisherbrand | 1255015 | Polysine Slides can be used instead. |
TC-Treated Multiple Well Plates, size 12 wells | Costar | 3513 | Seeding on coverslips is done in 12-wells plate. |
Triton X-100 | AmericanBio | AB02025 | Nuclear extraction buffer. |
TrypLE Express Enzyme (1X), No Phenol Red | Gibco | 12604021 | Trypsin-EDTA can be used instead. |
Trypsin-EDTA (0.5%), No Phenol Red | Gibco | 15400054 | TrypLE can be used instead. |