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Biochemistry

Détection quantitative des réticulations ADN-protéines et de leurs modifications post-traductionnelles

Published: April 21, 2023 doi: 10.3791/65315
Automatic Translation
1
1Developmental Therapeutics Branch, Center for Cancer Research, National Cancer Institute, National Institutes of Health

Summary

Le présent protocole met en évidence une méthode modifiée pour détecter et quantifier les réticulations ADN-protéines (DPC) et leurs modifications post-traductionnelles (PTM), y compris l’ubiquitylation, la SUMOylation et l’ADP-ribosylation induites par les inhibiteurs de la topoisomérase et par le formaldéhyde, permettant ainsi l’étude de la formation et de la réparation des DPC et de leurs PTM.

Abstract

Les réticulations ADN-protéines (DPC) sont des lésions fréquentes, omniprésentes et délétères de l’ADN, qui résultent de lésions endogènes de l’ADN, d’un dysfonctionnement des enzymes (topoisomérases, méthyltransférases, etc.) ou d’agents exogènes tels que les agents chimiothérapeutiques et les agents de réticulation. Une fois que les DPC sont induits, plusieurs types de modifications post-traductionnelles (PTM) leur sont rapidement conjugués en tant que mécanismes de réponse précoce. Il a été démontré que les DPC peuvent être modifiés par l’ubiquitine, le petit modificateur de type ubiquitine (SUMO) et le poly-ADP-ribose, qui amorcent les substrats à signaler leurs enzymes de réparation respectives et, dans certains cas, coordonnent la réparation de manière séquentielle. Étant donné que les PTM se manifestent rapidement et qu’ils sont hautement réversibles, il a été difficile d’isoler et de détecter les DPC conjugués au PTM qui restent généralement à de faibles niveaux. Il s’agit d’un test immunologique permettant de purifier et de détecter quantitativement les DPC ubiquitylés, SUMOylés et ADP-ribosylés (DPC topoisomérases induites par le médicament et DPC non spécifiques induites par les aldéhydes) in vivo. Ce test est dérivé du test RADAR (approche rapide de la récupération des adduits d’ADN) qui est utilisé pour l’isolement de l’ADN génomique contenant des DPC par précipitation d’éthanol. Après normalisation et digestion des nucléases, les PTM des DPC, y compris l’ubiquitylation, la SUMOylation et l’ADP-ribosylation, sont détectés par immunotransfert à l’aide de leurs anticorps correspondants. Ce test robuste peut être utilisé pour identifier et caractériser de nouveaux mécanismes moléculaires qui réparent les DPC enzymatiques et non enzymatiques et a le potentiel de découvrir de petites molécules inhibitrices ciblant des facteurs spécifiques qui régulent les PTM pour réparer les DPC.

Introduction

Les dommages génomiques à l’ADN sont dus à la désintégration spontanée, à des dommages internes et à des facteurs environnementaux1. Les lésions de l’ADN qui en résultent comprennent des bases endommagées, des discordances, des cassures simple et double brin, des réticulations inter- et intra-brin et des réticulations ADN-protéines (DPC). Un DPC est formé lorsqu’une protéine liée à la chromatine est piégée sur l’ADN par liaison covalente. Les CPD sont induites par des lésions endogènes de l’ADN et des métabolites réactifs, ainsi que par des agents exogènes tels que des agents chimiothérapeutiques et des agents de réticulation bifonctionnels. Dans certaines circonstances, un dysfonctionnement enzymatique peut également conduire à la formation de DPC2. La grande différence dans les inducteurs de DPC se traduit par une différence dans l’identité de la protéine liée à la covalence, la région chromosomique où la DPC est formée, le type de structure de l’ADN réticulé à la protéine et la propriété chimique de la liaison covalente entre la protéine et l’ADN 2,3,4.

Sur la base de leur nature chimique, les DPC sont généralement classés en deux groupes : les DPC enzymatiques et les DPC non enzymatiques. Certaines enzymes telles que les topoisomérases, les glycosylases et les méthyl/acyltransférases agissent en formant des intermédiaires covalents enzyme-ADN réversibles au cours de leurs réactions catalytiques normales. Il s’agit d’intermédiaires enzyme-ADN à courte durée de vie qui peuvent être convertis en DPC enzymatiques à longue durée de vie lors de leur piégeage par des agents endogènes ou exogènes, en particulier par des agents chimiothérapeutiques3. Les DPC de la topoisomérase sont parmi les DPC enzymatiques les plus fréquentes dans les cellules eucaryotes, qui peuvent être générées par des inhibiteurs de la topoisomérase cliniquement utiles (topotécan et irinotécan pour la topoisomérase I [TOP1] et étoposide et doxorubicine pour la topoisomérase II [TOP2]) et sont les principaux mécanismes thérapeutiques de ces inhibiteurs 5,6. Les ADN méthyltransférases (DNMT) 1, 3A et 3B sont la cible de la 5-aza-2'-désoxycytidine (également connue sous le nom de décitabine) et forment des DPC lors de l’exposition au médicament7. Les agents réactifs, ainsi que la lumière ultraviolette et les rayonnements ionisants, induisent des DPC non enzymatiques en réticulant de manière non spécifique des protéines à l’ADN. Les aldéhydes réactifs tels que l’acétaldéhyde et le formaldéhyde (AG) sont souvent générés en tant que sous-produits des métabolismes cellulaires, parmi lesquels l’AG est produit à des concentrations micromolaires pendant le métabolisme du méthanol, la peroxydation lipidique et la déméthylation des histones. De plus, l’AF est un produit chimique de production à grande échelle fabriqué dans le monde entier, auquel de nombreuses personnes sont exposées à la fois sur le plan environnemental et professionnel 8,9.

Les DPC enzymatiques et non enzymatiques sont hautement toxiques pour les cellules car leurs composants protéiques volumineux entravent efficacement presque tous les processus à base de chromatine, y compris la réplication et la transcription, entraînant l’arrêt du cycle cellulaire et l’apoptose s’ils ne sont pas réparés. Au cours des deux dernières décennies, la réparation des DPC a été vigoureusement étudiée, et plusieurs protéines/voies ont été identifiées comme des facteurs clés qui réparent directement les DPC ou modulent leurs processus de réparation. Par exemple, il a été bien établi que la protéolyse de la masse protéique d’un DPC est une étape cruciale de la réparation du DPC, et que la protéolyse peut être catalysée par les protéases SPRTN 10,11,12,13,14, FAM111A15, GCNA 16,17 ou le complexe protéasome26S 18,19,20,21,22 ,23,24,25,26,27 d’une manière dépendante du type de cellule ou du contexte cellulaire. L’identification et la caractérisation de ces protéases se sont largement appuyées sur le complexe in vivo du test enzymatique (ICE)28,29 et le test RADAR (Rapid Approach to DNA Adduit Recovery)30,31, qui isolent tous deux les molécules d’ADN et leurs protéines liées covalentes à partir de protéines cellulaires libres pour permettre la détection des DPC par slot-blot à l’aide d’anticorps ciblant les protéines réticulées. De plus, le test d’immunomarquage de l’ADN d’agarose piégée (TARDIS) a été utilisé comme moyen de détecter et de quantifier les DPC au niveau de la cellule unique32. À l’heure actuelle, les chercheurs choisissent le test RADAR plutôt que le test ICE pour mesurer les DPC, car le test ICE repose sur la purification des acides nucléiques à l’aide de l’ultracentrifugation par gradient de chlorure de césium, ce qui prend énormément de temps, tandis que le test RADAR précipite les acides nucléiques à l’aide d’éthanol dans un délai beaucoup plus court.

Au cours des dernières années, de plus en plus de preuves ont émergé que de multiples modifications post-traductionnelles (PTM) sont impliquées dans la signalisation et le recrutement de protéases ciblant les DPC 3,33,34,35. Par exemple, les DPC TOP1 et TOP2 se sont avérés être conjugués par un petit modificateur de type ubiquitine (SUMO)-2/3, puis SUMO-1 par la ligase SUMO E3 PIAS4, indépendamment de la réplication et de la transcription de l’ADN. Les modifications séquentielles de SUMO semblent être une cible de l’ubiquitine, qui est déposée dans les TOP-DPC SUMOylés et forme des chaînes polymères à travers son résidu lysine 48 par une ubiquitine ligase ciblée par SUMO appelée RNF4. Par la suite, le polymère ubiquitine émet un signal et recrute le protéasome 26S vers les TOP-DPCs23,36. Il a récemment été démontré que la même voie SUMO-ubiquitine agit sur les DNMT1-DPC ainsi que sur les complexes PARP-ADN pour leur réparation37,38. De plus, l’ubiquitylation indépendante de SUMO par l’ubiquitine E3 ligase TRAIP a été rapportée pour amorcer les DPC pour la dégradation protéasomale d’une manière couplée à la réplication39. À l’instar de la dégradation protéasomale des TOP-DPC, la protéolyse des DPC enzymatiques et non enzymatiques par la métalloprotéase couplée à la réplication SPRTN nécessite également l’ubiquitylation des substrats de DPC en tant que mécanisme d’engagement de SPRTN40,41. La délimitation du rôle de la SUMOylation et de l’ubiquitylation nécessite la détection des DPC marqués avec ces PTM. Étant donné que les tests ICE et RADAR originaux reposent sur des appareils à fente/taches/points pour mesurer des échantillons d’ADN non digérés, aucun de ces deux tests n’est capable de résoudre et de visualiser des espèces de DPC conjuguées PTM avec des poids moléculaires différents. Pour pallier ce problème, nous avons digéré les échantillons d’ADN après leur purification par précipitation à l’éthanol et leur normalisation avec une nucléase micrococcique, une endo-exonucléase d’ADN et d’ARN pour libérer les protéines réticulées, ce qui nous a permis de résoudre les protéines ainsi que leurs PTMs covalents avec l’électrophorèse sur gel de polyacrylamide dodécylsulfate de sodium (SDS-PAGE). L’électrophorèse nous a permis de détecter et de quantifier les DPC conjugués PTM à l’aide d’anticorps spécifiques ciblant les PTM. Nous avons d’abord nommé cette méthode améliorée le test DUST, afin de mettre en évidence sa robustesse dans la détection des TOP-DPC ubiquitylés et SUMOylés23. Plus tard, nous avons élargi l’utilisation du test pour évaluer quantitativement l’ADP-ribosylation des TOP1-DPC in vivo, en utilisant des anticorps dirigés contre les polymères poly-ADP-ribose20.

Nous présentons ici un protocole détaillé pour le test qui détecte et mesure les DPC ubiquitylés, SUMOylés et ADP-ribosylés, qui a été optimisé pour les TOP-DPC modifiés qui sont induits par leurs inhibiteurs et les DPC non spécifiques/non enzymatiques qui sont induits par FA. Ce test isole les DPC conjugués PTM en lyquant les cellules avec un agent chaotropique, en précipitant l’ADN avec de l’éthanol et en libérant les protéines autrement réticulées et leurs modificateurs avec la nucléase micrococcique. Les protéines autrement liées à l’ADN et leurs PTM sont quantifiées par immunotransfert à l’aide d’anticorps spécifiques. Ce test ouvre une nouvelle voie pour élucider les mécanismes moléculaires par lesquels la cellule répare les DPC enzymatiques et non enzymatiques. Plus précisément, il permet d’étudier en détail l’induction et la cinétique des PTMs importants pour la régulation de la dégradation et de la réparation des TOP-DPC, et permet ainsi la découverte de nouveaux facteurs tels que les ligases E3 dictant les PTM. ainsi que des inhibiteurs ciblant ces facteurs. Étant donné que certains des PTM responsables de la réparation des TOP-DPC sont probablement impliqués dans la réparation des DPC induites par d’autres agents chimiothérapeutiques, tels que les médicaments à base de platine22, ce test a également le potentiel d’être appliqué à la découverte de nouveaux médicaments et à l’optimisation rationnelle des thérapies combinatoires avec des inhibiteurs de la topoisomérase ou des antinéoplasiques à base de platine dans les cellules des patients pour guider les schémas thérapeutiques.

Protocol

1. Culture cellulaire et traitement médicamenteux dans la lignée cellulaire du rein embryonnaire humain 293 (HEK293)

  1. Préparer le milieu de culture, le milieu d’aigle modifié de Dulbecco (DMEM), complété par 10 % de sérum de veau fœtal, 1 % de L-glutamine de 2 mM et 100 unités/mL de pénicilline-streptomycine.
  2. Semer 1 x 106 cellules dans une plaque de 60 mm ou une plaque à 6 puits selon les conditions de traitement et le contrôle.
  3. Le lendemain, traitez les cellules avec les inducteurs DPC de votre choix.
    1. Pour induire les TOP1-DPC et leur ubiquitylation et SUMOylation, ajoutez l’inhibiteur de TOP1 camptothécine à 20 μM aux cellules et collectez les cellules à 20, 60 et 180 min.
    2. Pour induire les TOP2α et les β-DPC et leur ubiquitylation et SUMOylation, exposez les cellules pour ajouter l’étoposide inhibiteur de TOP2 à 200 μM aux cellules et collectez les cellules à 20, 60 et 180 min.
    3. Pour induire des DPC non enzymatiques et leur ubiquitylation et SUMOylation, ajouter de l’AG à 1 mM et prélever les cellules 2 h après l’exposition.
    4. Pour induire la PARylation des TOP1-DPC, prétraiter les cellules pendant 1 h pour bloquer la déPARylation avec un inhibiteur de la poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG) PDD00017273 à 10 μM, suivi d’un co-traitement avec 20 μM de camptothécine pendant 20, 60 et 180 min.

2. Isolement et normalisation de l’ADN contenant des protéines réticulées

  1. Aspirez rapidement le milieu à l’aide d’une pipette aspirante après le traitement et rincez les cellules avec une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) glacée et glacée. Lyser immédiatement les cellules dans 600 μL de réactif DNAzol contenant 1x inhibiteur du cocktail de protéases, 1 mM de dithiothréitol (DTT) et 20 mM de N-éthylmaléimide (inhibiteur des enzymes déSUMOylantes et déubiquitylantes).
  2. Agiter lentement la plaque sur une plate-forme vibrante pendant 10 min à 4 °C.
  3. Ajouter 1/2 volume d’éthanol froid à 100 % (0,3 ml) directement dans la plaque et répéter l’étape 2.2 jusqu’à ce que l’agrégat d’acide nucléique opaque devienne visible. Transférez le lysat cellulaire dans un tube de microcentrifugation de 1,5 mL et soumettez le tube à une centrifugation à vitesse maximale (20 000 x g) pendant 15 min à 4 °C pour précipiter l’acide nucléique et ses protéines réticulées.
  4. Aspirer le surnageant à l’aide d’une pipette aspirante et laver la pastille d’acide nucléique dans 1 mL d’éthanol à 75 % suivi de 2 min de centrifugation à 20 000 x g à 4 °C.
  5. Aspirez le surnageant, essorez à la même vitesse et retirez le liquide restant à l’aide d’une pipette P20. Séchez le granulé à l’air libre pendant 5 min.
  6. Dissoudre rapidement la pastille d’acide nucléique dans 0,1 mL de ddH2O. Remettre la pastille en suspension par pipetage répété, puis incuber au bain-marie à 37 °C jusqu’à ce que la pastille gonfle au moins trois fois plus (environ 30 min).
  7. Soniser les échantillons à l’aide d’une sonde à processeur à ultrasons à 30 % d’amplitude pendant 10 s pour dissoudre complètement la pastille.
  8. Étape facultative : Traiter les échantillons avec le mélange RNase A/T1 (10 μg de RNase A et 25 U de RNase T1) et incuber à 37 °C pendant 15 min. Ajouter 1/10 de volume d’acétate de sodium 3 M et deux volumes d’éthanol 100 % glacé dans le tube, suivi d’une centrifugation à 20 000 x g pendant 10 min pour récupérer l’ADN. Retirer le surnageant et dissoudre l’ADN précipité dans 0,1 mL de ddH2O.
  9. Étape facultative : Centrifuger l’échantillon pendant 5 min à 20 000 x g et transférer le surnageant dans un nouveau tube.
  10. Quantifier la concentration d’ADN à l’aide d’un spectromètre ultraviolet-visible (UV-Vis). Le rendement typique en ADN est d’environ 600-800 ng/μL. Le rapport A260/A280 doit être réduit de 2,0-2,1 à 1,8-1,9 après l’élimination de l’ARN.
  11. Ajustez la concentration de l’ADN à 400-500 ng/μL dans 0,12 mL de ddH 2 O. Transférez 20 μL de l’échantillon dans un nouveau tube de microcentrifugation pour contrôler la charge d’ADN non digéré (voir l’étape2.4).
  12. Pour digérer l’ADN dissous dans les 100 μL restants de ddH 2 O, ajoutez2000 unités de gel de nucléase micrococcique ainsi que 1/10 de volume (~11 μL) de tampon de réaction de nucléase micrococcique calcique 10x à l’échantillon. Incuber à 37 °C pendant 30 min.

3. Western blot d’échantillons d’ADN digérés

  1. Ajouter 4x tampon d’échantillon Laemmli, puis faire bouillir l’échantillon pendant 5 min.
  2. Charger 5 à 6 μg d’échantillon digéré (~15 μL) sur un gel de polyacrylamide à 4 % à 20 %, suivi d’une FDS-PAGE42 pour résoudre les DPC non modifiés et conjugués au PTM.
  3. Pour détecter les espèces de DPC non enzymatiques induites par l’AF, incuber le gel avec la coloration bleue de Coomassie pendant la nuit à température ambiante. Lavez le gel avec du ddH 2 O pendant2h et obtenez une image à l’aide d’un système d’imagerie.
  4. Transférez le gel et incubez les membranes pendant une nuit à 4 °C avec des dilutions appropriées d’anticorps primaires dans un tampon bloquant.
    1. Pour détecter l’ubiquitylation, faites une dilution de 1 :100 d’anticorps anti-ubiquitine.
    2. Pour détecter une modification SUMO-1 ou SUMO-2/3, faites une dilution de 1 :250 d’anticorps anti-SUMO-1 ou anti-SUMO-2/3.
    3. Pour détecter la ribosylation de l’ADP, faites une dilution de 1 :500 de l’anticorps anti-PAR.
    4. Pour détecter les TOP1-, TOP2α- ou TOP2β-DPC totaux, faites une dilution de 1 :500 d’anticorps anti-TOP1, anti-TOP2α ou anti-TOP2β.
      REMARQUE : Reportez-vous au tableau des matériaux pour plus de détails sur la dilution des anticorps.
  5. Incuber une membrane lavée 1x PBS-T (0,1 % tween 20) avec un anticorps secondaire dilué 5 000 fois dans un tampon bloquant pendant 60 min à température ambiante.
  6. Développez la membrane avec un réactif de chimiluminescence améliorée (ECL) et obtenez une image à l’aide du système d’imagerie.

4. Transfert d’échantillons d’ADN non digérés

  1. Diluer l’échantillon d’ADN non digéré de 20 μL dans 180 μL de tampon phosphate de sodium (25 mM, pH 6,6).
  2. Couper la membrane de nitrocellulose (0,45 μm) et l’équilibrer pendant 5 min dans le tampon phosphate de sodium.
  3. Assemblez l’appareil de transfert à fente conformément aux instructions du fabricant et connectez-le à un système d’aspiration.
  4. Lavez les puits avec un tampon de phosphate de sodium en appliquant le vide. Assurez-vous qu’il n’y a pas de fuite des puits.
  5. Arrêtez le vide et chargez 200 μL d’ADN par échantillon (1 μg). Remplir les puits vides avec 200 μL de tampon phosphate de sodium.
  6. Appliquez l’aspirateur.
  7. Lorsque tous les puits sont complètement vides, arrêtez le vide, chargez 200 μL de tampon de phosphate de sodium dans chaque puits et répétez l’étape 4.6.
  8. Récupérez la membrane et bloquez avec un tampon bloquant à 5 % pendant 0,5 h à température ambiante.
  9. Sonde avec anticorps anti-ADN double brin (ADNdb) à une dilution de 1 :5 000 pendant la nuit à 4 °C.
  10. Laver 3 fois avec 1 PBS-T et incuber avec 1 :5 000 anticorps secondaire anti-souris dilué lié à la peroxydase de raifort (HRP).
  11. Développez la membrane avec un réactif de chimiluminescence améliorée (ECL) et obtenez une image à l’aide du système d’imagerie.

5. Analyse densitométrique

  1. À l’aide d’ImageJ, calculez le rapport de l’intensité de chaque bande/frottis par rapport à l’intensité de la fente d’ADN non digéré et normalisez le rapport à celui des cellules sans/avant traitement médicamenteux.

Representative Results

Les résultats représentatifs présentés dans la figure 1 montrent la formation et la cinétique des TOP1-DPC induites par les médicaments, ainsi que leur SUMOylation et leur ubiquitylation. TOP1 a clivé un brin du duplex de l’ADN et a formé un intermédiaire covalent enzyme-ADN, appelé complexe de clivage TOP1 (TOP1cc). Le traitement de la camptothécine (CPT), un inhibiteur de TOP1, lié et stabilisé TOP1cc, conduisant à la formation de TOP1-DPC à longue durée de vie. On a observé que les TOP1-DPC étaient induits et qu’ils atteignaient un pic 20 minutes après l’exposition à la CPT. Simultanément, les TOP1-DPC ont été modifiés par SUMO-2/3, qui a également atteint un pic 20 minutes après le traitement par CPT. Comme SUMO-2 et SUMO-3 partagent 95 % d’identité de séquence, l’anticorps ne les distingue pas l’un de l’autre. À 60 min, les TOP1-DPC et leur modification SUMO-2/3 ont diminué, accompagnés de l’aboutissement de leur modification SUMO-1 et de leur ubiquitylation. Après le traitement médicamenteux de 60 minutes, les niveaux de modification et d’ubiquitylation de TOP1-DPC SUMO-1 ont commencé à diminuer. Chez les mammifères, les isoenzymes TOP2 α et β agissent en introduisant une cassure double brin de l’ADN, ainsi que via la formation d’un complexe enzymatique-ADN covalent transitoire et réversible (TOP2cc). Les inhibiteurs de TOP2, tels que l’étoposide (ETOP), convertissent TOP2cc en TOP2-DPC et induisent leur SUMOylation et leur ubiquitylation. À l’instar de la cinétique des TOP1-DPC et de leurs PTM, les TOP2α- et β-DPC et leur modification SUMO-2/3 ont atteint un pic à 20 min, puis ont commencé à diminuer ; pendant ce temps, leurs modifications SUMO-1 et ubiquitine ont culminé à 60 minutes (Figure 2). Il a été démontré que la clairance des TOP-DPC résulte de la dégradation protéasomale, et la clairance de la SUMOylation et de l’ubiquitylation de TOP-DPC est probablement due au recyclage par déSUMOylation et déubiquitylation, respectivement, par leurs enzymes inverses. Les expériences de la figure 3 ont examiné les DPC non enzymatiques induits par l’AF et leurs PTM. Il a été observé que les DPC et leur SUMO-2/3, SUMO-1 et ubiquitylation se formaient et s’accumulaient d’une manière dose-dépendante de l’AG. Enfin, la PARylation des TOP1-DPC a été détectée quantitativement avec un anticorps anti-PAR en utilisant la même méthode (Figure 4). La PARylation TOP1-DPC n’était pas détectable à moins qu’un inhibiteur de PARG ne soit ajouté à la cellule, ce qui suggère que la PARylation se produit rapidement et est très dynamique. Conformément à la découverte précédente, l’inhibition de la déPARylation par PARGi semble accumuler des TOP1-DPC, probablement en bloquant la dégradation protéolytique.

Figure 1
Figure 1 : Analyses quantitatives de la formation et de la cinétique des TOP1-DPC et de leur SUMOylation et ubiquitylation lors d’un traitement CPT dans des cellules HEK293. (A) Les cellules HEK293 ont été traitées avec 20 μM CPT pendant des périodes de temps indiquées. Les lysats cellulaires ont été prélevés et soumis au test RADAR modifié et au western blot avec des anticorps indiqués. Des échantillons d’ADN non digérés ont été soumis à un transfert par fente en utilisant des anticorps anti-ADNdb comme contrôle de charge. (B) Les intensités de bande ont été quantifiées à l’aide du logiciel ImageJ et tracées à l’aide du logiciel Prism. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Analyses quantitatives de la formation et de la cinétique des TOP2-DPC et de leur SUMOylation et ubiquitylation lors du traitement ETOP dans les cellules HEK293. (A) Les cellules HEK293 ont été traitées avec 200 μM d’ETOP pendant des périodes de temps indiquées. Les lysats cellulaires ont été prélevés et soumis au test RADAR modifié et au western blot avec des anticorps indiqués. Des échantillons d’ADN non digérés ont été soumis à un transfert par fente en utilisant des anticorps anti-ADNdb comme contrôle de charge. (B) Les intensités de bande ont été quantifiées à l’aide du logiciel ImageJ et tracées à l’aide du logiciel Prism. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Analyses quantitatives des DPC non enzymatiques et de leur SUMOylation et ubiquitylation lors d’un traitement par FA dans des cellules HEK293. (A) Les cellules HEK293 ont été traitées avec des FA aux concentrations indiquées pendant 2 h. Les lysats cellulaires ont été prélevés et soumis au test RADAR modifié et au western blot avec des anticorps indiqués. Des échantillons d’ADN non digérés ont été soumis à un transfert par fente en utilisant des anticorps anti-ADNdb comme contrôle de charge. (B) Les intensités de bande ont été quantifiées à l’aide du logiciel ImageJ et tracées à l’aide du logiciel Prism. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Analyses quantitatives des TOP1-DPCs et de leur PARylation lors d’un traitement CPT dans des cellules HEK293. (A) Les cellules HEK293 ont été prétraitées avec 10 μM de PARGi pendant 1 h, puis co-traitées avec CPT pendant des périodes de temps indiquées. Les lysats cellulaires ont été prélevés et soumis au test RADAR modifié et au western blot avec des anticorps indiqués. Des échantillons d’ADN non digérés ont été soumis à un transfert par fente en utilisant des anticorps anti-ADNdb comme contrôle de charge. (B) Les intensités de bande ont été quantifiées à l’aide du logiciel ImageJ et tracées à l’aide du logiciel Prism. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

La méthode décrite permet de mesurer les réticulations enzymatiques et non enzymatiques ADN-protéines dans les cellules de mammifères et constitue la seule approche appropriée pour étudier leur ubiquitylation, leur SUMOylation et leur ADP-ribosylation. Le slot-blot suivant le test ICE ou RADAR permet la détection rapide de DPC enzymatiques spécifiques tels que les TOP-DPC à l’aide de leurs anticorps. Cependant, une mise en garde à cette méthode est son incapacité à séparer des protéines de poids moléculaires différents, ce qui rend impossible la détermination de la taille des DPC conjugués PTM. La méthode décrite résout le problème en libérant des protéines réticulées avec des nucléases micrococciques, qui dégradent l’ADN en oligonucléotides avec des phosphates 3' terminaux, permettant ainsi la séparation complète des protéines (conjuguées avec des oligonucléotides) par SDS-PAGE. Les DPC modifiés avec des monomères d’ubiquitine, de SUMO ou d’ADP-ribose et des polymères de différentes tailles peuvent donc être visualisés et quantifiés par des anticorps ciblant ces PTM, ce qui permet d’étudier en détail leur formation et leur cinétique. Pour assurer la reproductibilité et calculer la signification statistique, des répétitions biologiques des expériences sont nécessaires.

L’un des problèmes les plus courants de ce test est le faible rendement en ADN après précipitation de l’éthanol. D’une part, le rendement en ADN peut être augmenté avec plus de matériel de départ (cellules). D’autre part, l’incubation de lysats cellulaires avec de l’éthanol dans une plaque plate plutôt que dans un tube d’Eppendorf peut améliorer considérablement l’agrégation des molécules d’ADN et ainsi faciliter leur précipitation. Des signaux non spécifiques observés dans des échantillons sans traitement médicamenteux peuvent indiquer une contamination protéique non covalente. Si tel est le cas, on peut envisager de laver les pastilles d’ADN avec un tampon à haute teneur en sel pour éliminer les contaminants avant la sonication. Il est également recommandé de faire tourner les échantillons d’ADN après la sonication et la digestion de la nucléase micrococcique et de jeter tout insoluble. En cas de signal faible ou nul, plusieurs solutions potentielles peuvent être tentées. Tout d’abord, on peut augmenter la quantité de charge d’ADN pour SDS-PAGE et l’immunoblotting. Pour rendre les espèces de DPC SUMOylées et ubiquitylées détectables, il est recommandé de charger au moins 4 μg d’ADN sur le gel. Deuxièmement, il est possible d’augmenter les concentrations de médicaments pour induire des niveaux plus élevés de DPC et de PTM associés. Troisièmement, il est suggéré d’incuber des transferts avec des anticorps primaires pendant un autre jour si les bandes/frottis semblent faibles. Une incubation de 2 jours peut potentialiser considérablement le signal et ainsi réduire la variabilité biologique des expériences indépendantes23. Le décapage de la membrane pour la recoloration entraîne inévitablement la perte d’une certaine quantité d’espèces de DPC conjuguées PTM qui sont déjà en faible abondance. Par conséquent, il est fortement recommandé d’utiliser des gels séparés pour la détection de l’ubiquitine et du SUMO plutôt que de resonder un seul ballon. De plus, les pastilles d’ADN doivent être lavées avec de l’éthanol à 75 % pour éliminer le reste du DNAzol contenant du sel de guanidine avant la dissolution dans H2O ou tout autre solvant, ce qui provoque sinon la cristallisation de l’échantillon après l’ajout de tampon de chargement Laemmli.

Le flux de travail de la méthode décrite est beaucoup plus rapide que le test ICE fastidieux, car il repose sur une précipitation rapide de l’éthanol au lieu de l’ultracentrifugation fastidieuse au chlorure de césium pour isoler l’ADN génomique. À un prix, la purification à base d’éthanol permet d’obtenir une faible quantité de contaminants protéiques qui sont normalement négligeables pour l’immunodétection. Cependant, lorsqu’il s’agit d’études analytiques, telles que l’analyse protéomique basée sur la spectrométrie de masse ou le séquençage de nouvelle génération qui nécessitent exactitude et précision, la centrifugation à gradient de densité de chlorure de césium reste une approche plus fiable pour isoler l’ADN pur et surabondant. Cette méthode peut également être appliquée au profilage des sites de modification sur les protéines réticulées et à la détermination des types de liaison de la poly-ubiquitylation et de la poly-SUMOylation à l’aide de méthodes appropriées basées sur la spectrométrie de masse.

Il est à noter que ce test permet d’identifier et de caractériser les facteurs régulant les PTM pour la réparation des DPC. Par exemple, les méthodes de criblage à haut débit non biaisées (interférence ARN et CRISPR) sont des outils puissants pour découvrir les ligases de l’ubiquitine E3, les ligases SUMO E3 et leurs cofacteurs associés atténuant la cytotoxicité des inducteurs de DPC. La méthode décrite permet la validation moléculaire de ces protéines en déterminant si elles aident les cellules à survivre aux inducteurs de DPC en réparant les DPC. De nouveaux inhibiteurs de petites molécules ciblant ces protéines identifiées, par exemple, par criblage virtuel, peuvent également être validées à l’aide de ce protocole. Étant donné que les inhibiteurs de la topoisomérase sont parmi les agents chimiothérapeutiques les plus prescrits, ce test robuste peut être développé comme outil pour le développement de médicaments qui agissent en synergie avec les inhibiteurs cliniques de la topoisomérase.

Disclosures

L’auteur déclare qu’il n’y a pas d’intérêts concurrents.

Acknowledgments

Ce travail a été en partie soutenu par le Centre de recherche sur le cancer du National Cancer Center for Cancer Research Excellence in Postdoctoral Research Transition Award.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10x Phosphate buffered saline (PBS) Thermo Fisher 70011069
4–20% precast polyacrylamide gel Bio-Rad 4561096
4x Laemmli Sample Buffer Bio-Rad 1610747
AcquaStain (coomassie blue) Bulldog Bio AS001000
anti-dsDNA (mouse monoclonal) Abcam 27156 1: 5,000 dilution is recommended
anti-PAR (mouse monoclonal) R&D systems 4335-MC-100 1: 500 dilution is recommended
anti-SUMO-1(rabbit monoclonal) Cell Signaling Technology 4940 1: 250 dilution is recommended
anti-SUMO-2/3 (rabbit monoclonal) Cell Signaling Technology 4971 1: 250 dilution is recommended
anti-TOP1 (mouse monoclonal) BD Biosciences 556597 1: 500 dilution is recommended
anti-TOP2α (mouse monoclonal) Santa Cruz Biotechnology SC-365799 1: 250 dilution is recommended
anti-TOP2β (mouse monoclonal) Santa Cruz Biotechnology SC-25330 1: 250 dilution is recommended
anti-ubiquitin (mouse monoclonal) Santa Cruz Biotechnology SC-8017 1: 100 dilution is recommended
Calcium chloride Sigma-Aldrich 499609 Used for micrococcal nuclease digestion
Camptothecin Sigma-Aldrich PHL89593
ChemiDo MP imaging system Bio-Rad 12003154
Disodium phosphate Sigma-Aldrich 5438380100 Used to make sodium phosphate buffer
DNAzol Thermo Fisher 10503027
DTT (dithiothreitol) Thermo Fisher R0861
Dulbecco's modified eagle's medium Sigma-Aldrich 11965084
Ethyl alcohol, 200 proof Sigma-Aldrich E7023
Etoposide Sigma-Aldrich 1268808
Formaldehyde Sigma-Aldrich 47608
Graphpad Prism Software GraphStats Prism 9.0.0
HRP-linked Mouse IgG Cytiva NA931 1: 5,000 dilution is recommended
HRP-linked Rabbit IgG Cytiva NA934 1: 5,000 dilution is recommended
ImageJ Software NIH, USA ImageJ 1.53e
L-Glutamine Fisher Scientific 25030081
Maximum sensitivity ECL substrate Thermo Fisher 34095
Micrococcal nuclease New England BioLabs M0247S
Monosodium phosphate Sigma-Aldrich S3139 Used to make sodium phosphate buffer
NanoDrop 2000 spectrophotometer Thermo Scientific ND-2000
N-ethylmaleimide Thermo Fisher 23030 DeSUMOylation/deubiquitylation inhibitor
Nitrocellulose membrane, 0.45 µm Bio-Rad 1620115
Non-fat dry milk Bio-Rad 1706404XTU
PDD00017273 Selleckchem S8862 Poly(ADP-ribose) glycohydrolase inhibitor
Penicillin-Streptomycin Thermo Fisher 15140122
Protease inhibitor cocktail Thermo Fisher 78430
Q700 sonicator Qsonica Q700-110
Ready-to-assemble PVDF transfer kit Bio-Rad 1704274
Slot-blot apparatus Bio-Rad 1706542
Slot-blot filter paper Bio-Rad 1620161
Trans-Blot turbo transfer system Bio-Rad 1704150
Tris/Glycine/SDS electrophoresis buffer Bio-Rad 1610732
Tween-20 Sigma-Aldrich P3179
Vertical electrophoresis cell Bio-Rad 1658004

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References

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Biochimie n° 194
Détection quantitative des réticulations ADN-protéines et de leurs modifications post-traductionnelles
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Sun, Y. Quantitative Detection of DNA-Protein Crosslinks and Their Post-Translational Modifications. J. Vis. Exp. (194), e65315, doi:10.3791/65315 (2023).

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