$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Yaygın kırılgan bölgeler (CFS'ler), metafaz sırasında kırılmaya eğilimli her insan kromozomunda bulunan büyük kromozomal bölgelerdir. Replikasyon stresi altında, bu bölgelerdeki replikasyon önemli ölçüde gecikir ve mitotik giriş1'den önce bunların tamamen tekrarlanması önlenir ve bu da sonuçta sahaya özgü boşluklar ve kırılmalarla sonuçlanır. CFS'ler kromozomal instabilite için sıcak noktalardır ve erken kanser gelişimi sırasında kromozomal yeniden düzenlemelerin önemli bir nedenidir. Genellikle tümörjenik koşullar altında mevcut olan replikasyon stresi, tümör baskılayıcı genlerin kaybına ve topluca kopya sayısı varyasyonu (CNV) olarak adlandırılan onkogenlerin amplifikasyonuna yol açabilir - 2,3,4,5,6. Ek olarak, CFS'ler viral entegrasyona oldukça yatkındır ve kanser gelişimini daha da teşvik eder 7,8,9,10. Primer tümörlerin pan-kanser analizleri sırasında CFS bölgelerinde tümör baskılayıcı genlerin çoklu homozigot delesyonları tespit edilmiştir. Kanserde en sık etkilenen CFS'ler FRA2F, FRA3B, FRA4F, FRA5H ve FRA16D'dir11. CFS'ler, ekstrinsik kanserojen ajanların varlığında kırılmaya karşı özellikle hassastır12. Çevresel kirleticilerin zararlı kanserojen etkilerini değerlendirmek için, CFS kırılma oluşumunu ölçmek için hızlı ve güvenilir bir yönteme ihtiyaç vardır.
H2A'nın fosforilasyonu. Ataksi Telenjiektazi ve Rad3 ile İlgili Protein (ATR) veya Ataksi Telenjiektazi Mutasyona Uğramış (ATM) serin kalıntısı 139'daki (γH2A.X) X, sinyal replikasyon çatalının durmasında önemli bir olaydır13. γH2A.X, çift iplikli kopma (DSB) oluşumundan13 önce durmuş replikasyon çatallarının bir göstergesi olarak hizmet eder ve onarım proteinlerinin durmuş bölgelere verimli bir şekilde alınmasını kolaylaştırmak için uygun bir kromatin ortamı yaratır. Ek olarak, γH2A.X, DSB onarımındaki birincil rolüyle tutarlı olarak, çatal çökmesi 14,15'in ardından sahaları kırmak için işe alınabilir. Kronik Yorgunluk Sendromu kırılmaları, kanserin ilerlemesini sağlayan kromozomal anormalliklerle yakından ilişkili olduğundan, bu kırılmaların tespit edilmesi, tümör oluşumunun erken evrelerinin anlaşılmasında etkili olabilir. CFS'lerde γH2A.X'in varlığı, genomik instabilitenin erken olaylarını tespit etmek için bir biyobelirteç olarak kullanılabilir. Bu bilgi, potansiyel kanserojenlerin tanımlanmasına ve çeşitli dışsal ajanlara maruz kalmayla ilişkili riskin değerlendirilmesine yardımcı olabilir. γH2A.X kromatin IP (ChIP), ekstrinsik ajanlar tarafından indüklenen CFS'lerde DNA kırılmalarını ölçerek, bu tür ajanların tümörigenezin altında yatan mekanizmalara nasıl katkıda bulunduğuna dair fikir verebilir.
Konvansiyonel ChIP'de (yani, Çapraz bağlı ChIP, X-ChIP), γH2A.X'in hedef DNA dizileri ile ilişkisi, tersinir formaldehit çapraz bağlama ile stabilize edilir. Kromatin daha sonra sonikasyon yoluyla yaklaşık 500 baz çiftinin (bp) parçalarına kesilir ve elde edilen çözelti sedimantasyon 16,17,18 ile döküntülerden arındırılır. Daha sonra temizlenmiş kromatin fraksiyonuna bir ChIP dereceli γH2A.X antikoru eklenir, ardından γH2A.X'e bağlı kromatin bölgeleri 16,17,18 için zenginleştirmek üzere Protein A/G agaroz boncukları eklenir. Bağışıklık kompleksleri (yani, boncuk-antikor-γH2A.X-hedefli DNA kompleksi), spesifik olarak bağlı olmayan DNA parçalarını çıkarmak için sıkı yıkama tamponları ile birçok kez yıkanır 16,17,18. Yıkandıktan sonra, spesifik olarak bağlı DNA, bağışıklık komplekslerinden ayrıştırılır. Formaldehit çapraz bağları daha sonra tersine çevrilir, ardından proteinaz K kullanılarak protein sindirimi yapılır, ardından zenginleştirilmiş DNA saflaştırılır ve konsantreedilir 16,17,18. γH2A.X ile ilişkili bölgeleri değerlendirmek için PCR, kantitatif PCR (qPCR) veya doğrudan dizileme kullanılır 16,17,18. γH2A.X'in CFS gibi belirli bölgelerdeki doluluğu, o konuma bağlı γH2A.X miktarı ile orantılı olan PCR veya qPCR sinyalinin yoğunluğu ile belirlenir ve bölgeye özgü DNA hasarı ve onarım olayları hakkında bilgi sağlar 16,17,18.
Güçlü bir deneysel yaklaşım olmasına rağmen, X-ChIP'nin birkaç önemli sınırlaması vardır: (i) fiksasyonla ilişkili antikor çökelmesinin verimsizliği nedeniyle, tipik olarak 1 x 107 ila 5 x 107 aralığında çok sayıda hücre gerektirir, bu da deneyin toplam maliyetini artırır19; (ii) formaldehit çapraz bağlarının tersine çevrilmesi ve müteakip DNA saflaştırılması süreci zaman alıcı ve emek yoğundur, bu da sonuçlarda tutarlılığı ve güvenilirliği korumayı zorlaştırır; ve (iii) küçük işlevsel öneme sahip γH2A.X-DNA etkileşimleri, daha büyük öneme sahip olanlardan ayırt edilemeyebilir, çünkü çapraz bağlama adımı geçici etkileşimleri stabilize edebilir ve biyolojik olarak ilgili olmayabilecek etkileşimlerin saptanmasına yol açabilir19.
Doğal kromatin immünopresipitasyonu (Native ChIP veya N-ChIP), fizyolojik tuz koşulları altında doğal kromatin bağlamında protein-DNA etkileşimlerini incelemek için kullanılan temel bir biyokimyasal tekniktir. Kromatinin uzamsal ve zamansal organizasyonunu, transkripsiyon faktörü bağlanmasını ve histon modifikasyonlarını aydınlatmada etkili olmuştur. Native ChIP, daha geniş kromatin biyolojisi ve epigenetik alanında uzun süredir devam eden bir role sahiptir ve X-ChIP'ye kıyasla benzersiz avantajlar ve sınırlamalar sağlar. 1980'lerin sonlarındatanıtılan bu yöntem20, kromatinin mikrokokal nükleaz (MNase) 21 ile sindirim gibi doğal yapısını koruyan yöntemlerle hücrelerden izole edilmesini içerir. Bu, doğal protein-DNA ve histon-DNA temaslarını korur, bu da Native ChIP'yi doğal kromatin ayarlarında histon modifikasyonlarını ve nükleozom konumlandırmasını incelemek için özellikle uygun hale getirir22. Yüksek çözünürlüklü Yerel ChIP çalışmaları, kromatini tek tek nükleozomlara indirgemek için MNaz sindiriminin kullanıldığını göstermiştir, bu da histon modifikasyonlarının daha yüksek doğrulukla haritalanmasını kolaylaştırır23. Ayrıca, hiçbir kimyasal çapraz bağlanma söz konusu olmadığından, protein-DNA etkileşimlerini yanlış temsil edebilecek önyargılar veya artefaktlar ortaya çıkma riski en aza indirilir24.
Protein-DNA etkileşimlerini sabitlemek için formaldehit veya diğer çapraz bağlama ajanlarının kullanıldığı X-ChIP'nin aksine, Native ChIP, potansiyel çapraz bağlama artefaktlarından kaçınarak kromatinin daha gerçekçi bir görünümünü sağlar. Bununla birlikte, X-ChIP genellikle DNA ve düzenleyici proteinler25 arasındaki geçici veya dinamik etkileşimleri tespit etmek için daha uygun olsa da, Native ChIP, histonlar veya diğer kromatine bağlı proteinler26,27 gibi kararlı protein-DNA etkileşimleri için idealdir. Yerel ChIP için belirtilen sınırlamalardan biri, genellikle X-ChIP25'te çapraz bağlama yoluyla stabilize edilen düşük afiniteli veya geçici bağlanma olaylarını yakalayamamaktır.
Epigenetikte önemli bir çalışma grubu, çeşitli biyolojik ortamlarda histon modifikasyonlarını ortaya çıkarmak için Native ChIP'den yararlanmıştır28. Bu çabalar, gen ekspresyonunu ve kromatin dinamiklerini düzenleyen histon modifikasyonlarının modeli olan histon kodunu tanımlamada çok önemli olmuştur29. Her ne kadar H2A. X, daha az güçlü bir şekilde ilişkili bir bağlayıcı histon, yerel H2A'dır. X ChIP yöntemi embriyonik kök hücrelerde30 adet başarıyla uygulanmıştır. Bu çalışmada, insan 293T hücrelerinde γH2A.X'in Doğal ChIP'sini gerçekleştirmek için bir kromatin ekstraksiyon prosedürünü optimize ettik (Şekil 1). Hidroksiüre ve aphidikolin, DNA replikasyon stresi, hasarı ve genomik kararsızlığı araştırmak için araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır31. Bu çalışmada, bu ajanlar hücrelere replikasyon stresini indüklemek ve CFS'de DNA kırılmaları oluşturmak için uygulandı.
Yaklaşık 1 x 106 ila 5 x 106 hücreli başlangıç materyali kullanılarak, bu yöntem dört ana aşamaya ayrılabilir: (i) kromatini izole etmek için hücre altı fraksiyonlama, (ii) kromatini parçalamak için mikrokokal nükleaz (MNaz) sindirimi, (iii) immünopresipitasyon ve elüsyon ve (iv) kantitatif PCR (qPCR) ile DNA analizi. Hücre altı fraksiyonlamayı takiben ChIP'nin yürütülmesi çeşitli faydalar sağlar ve çok sayıda çalışmada iyi belgelenmiştir 32,33,34,35. Bu yaklaşım, kromatine bağlı olmayan proteinlerin ve diğer hücresel kalıntıların uzaklaştırılmasına izin vererek, yüksek oranda saflaştırılmış bir kromatin fraksiyonu ile sonuçlanır. İmmünopresipitasyondan önce kromatini izole ederek, hücre altı fraksiyonlama, doğal kromatin etkileşimlerinin korunmasına yardımcı olur ve kromatinle ilişkili olmayan proteinlerden gelen arka plan gürültüsünü azaltır, bu da analiz için yalnızca kromatine bağlı kompleksler tutulduğundan daha spesifik ve güvenilir sonuçlara yol açar. Ayrıca, hücre altı fraksiyonlama, kromatin sindirimi için daha hafif koşullar sağlar, böylece fizyolojik protein-DNA etkileşimlerini korur ve doğal hücresel ortamda kromatin dinamiklerinin daha doğru bir temsilini sunar.
Ekstrinsik ajanların yaygın kırılgan bölge kırılması üzerindeki etkisini ölçmek için γH2AX'in doğal ChIP'sini kullanmak, kanser araştırmaları için önemli bir potansiyele sahiptir. Bu teknik, çevresel kanserojenlere maruz kalmanın neden olduğu DNA hasarının tespit edilmesini sağlayarak, kirleticilerin genomik kararsızlığa ve kanser gelişimine katkıda bulunduğu moleküler mekanizmalar hakkında bilgi sağlar. Bu yöntem, doğal kromatin bağlamını koruyarak, kanserojen maruziyetle ilişkili DNA hasar modellerinin doğru bir şekilde değerlendirilmesini kolaylaştırır, çevresel risklerin değerlendirilmesine ve kirliliğe bağlı tümör oluşumunun incelenmesine yardımcı olur.