检测和可视化DNA损伤诱导的蛋白质复合物悬浮细胞培养使用邻近连接测定

Biochemistry

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Summary

在这里,证明了原位邻近连接测定(PLA)如何可以用于检测和可视化暴露于基因毒性应激的悬浮细胞培养物中ATM和p53之间的直接蛋白质 - 蛋白质相互作用。

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Bahjat, M., Bloedjes, T. A., van der Veen, A., de Wilde, G., Maas, C., Guikema, J. E. Detection and Visualization of DNA Damage-induced Protein Complexes in Suspension Cell Cultures Using the Proximity Ligation Assay. J. Vis. Exp. (124), e55703, doi:10.3791/55703 (2017).

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Abstract

DNA损伤反应协调自发发生的DNA损伤的修复,由遗传毒性应激引起,或出现在淋巴细胞中程序性DNA断裂的上下文中。共济失调 - Telangiectasia突变激酶(ATM),ATM-和Rad3相关激酶(ATR)和DNA依赖性蛋白激酶(DNA-PKcs)的催化亚基是首先在DNA损伤诱导时被激活,并且是控制DNA修复,凋亡和细胞存活的网络的中央调节剂。作为肿瘤抑制途径的一部分,ATM和ATR通过磷酸化激活p53,从而调节p53的转录活性。 DNA损伤也导致所谓的电离辐射诱导灶(IRIF)的形成,其代表DNA损伤传感器和在DNA损伤部位积聚的修复蛋白质的复合物,其通过荧光显微镜显现。然而,蛋白质在IRIF中的共定位并不一定意味着d直接的蛋白质 - 蛋白质相互作用,因为荧光显微镜的分辨率是有限的。

原位接近连接测定(PLA)是一种新颖的技术,可以以前所未有的特异性和灵敏度直接显示细胞和组织中的蛋白质 - 蛋白质相互作用。该技术基于与感兴趣的蛋白质结合的特异性抗体的空间接近。当询问的蛋白质在〜40nm内时,扩增反应由与抗体缀合的寡核苷酸引发,扩增产物通过荧光标记显现,产生对应于相互作用蛋白质的亚细胞位置的信号。使用ATM和p53之间建立的功能相互作用作为示例,在此证明PLA如何可用于悬浮细胞培养物中以研究作为DNA损伤反应的组成部分的蛋白质之间的直接相互作用。

Introduction

DNA损伤触发高度受限制的一系列事件,涉及蛋白质 - 蛋白质相互作用和翻译后修饰,可确保DNA的有效快速修复,从而保护基因组完整性1 。通常,通过(共聚焦)荧光显微镜监测所谓的电离辐射诱导病灶(IRIF)的形成,研究暴露于电离辐射的细胞中的DNA修复。许多DNA修复和DNA损伤感应蛋白形成IRIF,其代表在染色质位点成核的蛋白质复合物,其维持DNA损伤2,3 。随着时间的推移,IRIF的位置和分辨率为DNA修复的时空组织提供了重要的见解,并且可能表明不同DNA修复途径的参与。损伤的DNA损伤和细胞周期阶段的性质决定了哪个DNA修复途径被激活。佛 r实例,在积极参与DNA复制(S期)的细胞中,同源重组(HR)是显性DNA修复途径,而在细胞周期的G1-或G2 / M期细胞中,同源末端连接(NHEJ)修复途径占优势。 DNA损伤后的最早事件之一是激活DNA损伤感应激酶共济失调血管扩张 - 突变蛋白(ATM),其主要在细胞周期的G1-和G2 / M期活跃并调节NHEJ,和共济失调血管扩张症和Rad3相关蛋白(ATR),其通过激活HR作用于S期。 ATM和ATR都是非常多效的激酶,磷酸化参与DNA修复,细胞死亡和存活的许多蛋白质4 。已经显示两种激酶在暴露于基因毒性应激后磷酸化并激活肿瘤抑制蛋白p53,表明这些激酶是关键肿瘤抑制信号轴的上游介质“xref”> 5,6

IRIF的形成和组成通常通过使用双色免疫荧光染色和显微镜测定不同蛋白质的共定位来评估,然而,并非所有作为修复蛋白复合物的蛋白质形成IRIF,这限制了该方法的适用性。此外,(共焦)免疫荧光显微镜受光衍射性质的限制,导致约200-300nm的相当差的空间分辨率,超过大多数亚细胞结构的大小,其基本上禁止蛋白质 - 蛋白质相互作用的直接询问分子水平。因此,通过(共焦)荧光显微镜检测的免疫荧光染色模式的共定位不一定表示直接的蛋白质 - 蛋白质相互作用。最近,已经开发了新的超分辨率技术,如三维结构照相显微镜(3D-SIM) 7 ,成功应用于纳米尺度细胞研究53BP1和BRCA1 IRIF形成,揭示了共聚焦激光扫描显微镜无法检测到的这些蛋白质的空间分布特征。

可以使用其他几种方法来检测体内的蛋白质 - 蛋白质相互作用,例如共免疫沉淀,下拉法和酵母双杂交筛选方法。然而,这些技术相当繁琐,需要大量的细胞或蛋白质或涉及蛋白质的过表达,其引入实验工件。最近,已经开发了一种新技术,其允许原位在细胞和组织中)的蛋白质 - 蛋白质相互作用的可视化和定量,称为邻近连接测定(PLA) 9,10 。镨通过与寡核苷酸(所谓的PLA探针)缀合的二级抗体检测识别感兴趣的两种蛋白质的重要​​抗体。如果两种不同的二级抗体由于被第一抗体识别的蛋白质之间的相互作用而足够接近,则缀合的寡核苷酸杂交并连接形成封闭的环状DNA底物。随后通过滚环扩增扩增此圆形底物,并用荧光染料缀合的互补寡核苷酸显色。使用PLA,蛋白质 - 蛋白质相互作用的亚细胞定位被保留,因为荧光标记的滚环扩增产物保持附着于PLA探针。基于抗体直径约为7-10nm 11的发现,该测定法的分辨率<50nm。只有两对抗体(primary + secon)才能进行滚环扩增dary)在由其大小(10 + 10 + 10 + 10 = 40nm)定义的周界内物理相互作用。信号放大步骤增加了PLA测定的灵敏度,并且能够检测到几乎不表达的蛋白质的相互作用。 PLA产生可以在每个细胞基础上量化的点状,类似焦点的信号模式,由此可以评估蛋白质 - 蛋白质相互作用中的细胞内和细胞间变化。

DNA修复复合物和IRIFs的形成和组成主要在贴壁细胞系如人骨肉瘤上皮细胞系U2OS,人胚胎肾细胞系HEK293和视网膜色素上皮细胞系RPE-1中进行研究,生长和易转染。使用诸如淋巴样和骨髓细胞系的悬浮细胞培养物不太频繁,因为它们不易于转染,并且通常不粘附到盖玻片上,因此需要额外的/替代的eps成像。然而,DNA损伤的解决方案在淋巴样和骨髓恶性肿瘤的情况下非常相关,因为DNA损伤反应经常受到这些肿瘤中的基因组(驱动)畸变的影响,在正常淋巴和骨髓的恶性转化中起关键作用(祖细胞) 12,13,14

该协议描述了如何在悬浮细胞培养物中诱导DNA损伤后,如何使用PLA来评估和定量蛋白质 - 蛋白质相互作用。在这里,执行PLA以确定和可视化在诱导经历G1期细胞周期停滞的人B细胞白血病细胞中的DNA损伤时ATM和p53之间的相互作用。值得注意的是,本文提出的方案并不限于研究在G1停滞的白血病细胞中的ATM和p53相互作用,而且还可以用于其他蛋白质 - 蛋白质相互作用在各种细胞类型和悬浮细胞培养物中。

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Protocol

1.细胞治疗和DNA损伤诱导

  1. 在补充有20%FCS,50μMβ-巯基乙醇,2mM L-谷氨酰胺,100U / mL青霉素和100μg/ mL链霉素的IMDM中培养人BCR-ABL + B细胞急性成淋巴细胞细胞系BV173或SUP-B15在5%CO 2的气氛中37℃。在6孔板中以5mL /孔计数细胞并以2×10 6细胞/ mL平板。
    注意:任选地,可以使用各种来源的悬浮细胞系。
  2. 为了阻止细胞周期G1期的BCR-ABL + B-ALL细胞,加入5μM的伊马替尼甲磺酸盐(STI571),并孵育过夜。
    1. 任选地,当研究整个细胞周期或BCR-ABL阴性细胞类型中的蛋白质 - 蛋白质相互作用时,省略此步骤。
  3. 通过向培养物中加入50ng / mL新卡那霉素(NCS)诱导DNA损伤,并孵育2小时。
    1. 或者,通过使用放射源[ 137 Cs]以0.5Gy / min以5Gy的剂量照射细胞来诱导DNA损伤。照射后,让细胞在37℃,5%CO 2气氛中恢复2小时。
  4. 任选地,为了评估ATM激酶活性对DNA损伤的反应,在加入NCS或照射治疗之前加入5μM的ATM激酶抑制剂KU55933。
  5. 通过在烧杯或锥形烧瓶中的50mL 1x PBS的顶部层叠5g级分的V BSA,制备1×PBS + 10%BSA,并放置在室温下直到BSA溶解。不要摇晃或搅拌,因为会引起大量的起泡。缓慢过滤0.22μm过滤器并保持在冰上。
  6. 收获细胞,用冰冷的1x PBS洗涤两次。计数细胞并在1×PBS + 10%BSA中以2×10 6 / mL重悬。保持细胞在冰上。

细胞离心,固定和渗透

  1. 准备4%多聚甲醛溶液1倍PBS新鲜。加入2 g PFA至50 mL 1x PBS,并在55°C振荡水浴中孵育,直至溶液澄清。通过0.22μm过滤器过滤溶液,并在RT存储下使用。
    注意:任选地,4%PFA固定剂可以在-20°C下冷冻保存。冻结后,解冻一次即可使用。否则,PBS中的4%PFA溶液可以直接购买。
  2. 仔细研磨76毫米×26毫米的显微镜幻灯片与无绒组织,并通过将其放置在Coplin罐中的96%乙醇中5分钟来脱脂。让显微镜空气干燥10分钟。
  3. 将显微镜载玻片放入面积为6 mm的细胞离心/细胞学漏斗中。通过将50μL1×PBS + 10%BSA移液到每个漏斗中预先涂覆载玻片,并以500rpm离心1分钟。
  4. 向每个漏斗加入100μL细胞悬浮液(等于0.2×10 6个细胞),并以500rpm离心5分钟。对于每种抗体组合,需要ast 4制剂(双抗体实验;两个单抗体对照;无抗体对照)。
  5. 小心地拆卸漏斗,并确保不要触摸点。立即进行样品固定。
    1. 任选地,将载玻片风干至少30分钟。风干后,将薄片单独包裹在铝箔中,储存于-20°C直至使用。当使用冷冻制剂时,请确保解冻用纸巾包裹的载玻片,以防止幻灯片上露出冷凝。
  6. 使用PAP笔式液体阻塞剂(5mm尖端)在斑点周围绘制一个圆圈(大约直径15-20 mm)。
  7. 向每个斑点加入50μL的4%PFA固定溶液,并在室温下孵育30分钟。
  8. 在轻轻搅拌下,在室温下,在Coplin罐中用1x PBS洗涤细胞3次5分钟。
  9. 使用无绒毛组织将斑块周围的斑块干燥,并使用pI从尽可能多的液体中除去尽可能多的液体宠物没有触摸现场,或通过倾斜幻灯片。向每个斑点加入50μL的0.25%Triton-X在1×PBS中,并在室温下不搅拌孵育10分钟。
  10. 在轻轻搅拌下,在Coplin罐中,在TBS(TBS-T)中的约50-60mL的0.05-60ml的Tween-20中洗涤载玻片3次5分钟。可以以这种方式同时处理10个幻灯片。

3.阻断和一级抗体孵育

  1. 点击TBS-T,用无棉绒纸巾围绕斑点干燥。使用移液管尽可能多地从现场清除液体,而不必接触该位置,或通过倾斜滑块。短暂旋转阻塞溶液,并向每个点加入一滴(约40μL)。在预热的加湿室中在37℃下孵育1小时。
  2. 在商业抗体稀释剂,涡旋抗体稀释剂使用前,以1:100混合山羊抗ATM和1:100的兔抗磷酸化Ser15-p53,制备抗体混合物。用于控制实验制备仅含有山羊抗ATM和仅抗兔抗磷酸化Ser15-p53抗体(单抗体对照)的抗体稀释液。
  3. 点击阻塞溶液,但注意不要让细胞在加入抗体稀释液之前干燥。加入30μL每种抗体混合液稀释液,并在4℃下在加湿室中孵育过夜。
  4. 通过将一袋缓冲液A和缓冲液B混合物的内容物溶解在最终体积为1000mL的水中来原位洗涤缓冲液A和洗涤缓冲液B。
    1. 或者,通过将8.8g NaCl,1.2g Tris-碱和0.5mL Tween-20溶解在800mL水中来制备洗涤缓冲液A。使用HCl将pH调节至7.4,加入最终体积为1000 mL。
    2. 或者,通过将5.84g NaCl,4.24 Tris-碱和26.0g Tris-HCl溶于500mL水中制备洗涤缓冲液B.使用HCl将pH调节至7.5。加入水至最终体积为1000 mL。
    3. 过滤两种溶液通过0.22μm过滤器。
  5. 用轻轻搅拌的室温下,在Coplin罐中用1x 原位洗涤缓冲液A洗涤载玻片2次5分钟。

4. PLA探针,连接和扩增

  1. 通过在商业抗体稀释液中稀释1:5的抗山羊PLUS和抗兔MINUS来制备PLA探针。从幻灯片中抽出1x 原位洗涤缓冲液A,并向每个斑点加入30μLPLA探针混合物。在预热的加湿室中37℃孵育1小时。
    注意:只要所应用的一抗在不同的物种中升高,PLA二级抗体PLUS和MINUS PLA探针的组合也可以使用(抗小鼠,抗兔,抗山羊)包含一个PLUS探针和一个MINUS探针。
  2. 在轻轻摇动的同时,在Coplin罐中用〜50-60mL 1x 原位洗涤缓冲液A洗涤载玻片2次5分钟。/ LI>
  3. 通过向39μL的连接溶液中加入1μL的连接酶,在冰上准备连接连接酶溶液,并向每个点加入40μL的连接连接酶溶液。在预热的加湿室中在37℃下孵育30分钟。
  4. 在轻轻搅拌下,在Coplin罐中用〜50-60mL 1x 原位洗涤缓冲液A洗涤载玻片2次5分钟。
  5. 将放大聚合酶混合物在冰上通过在水中1:5稀释扩增储备溶液来制备。然后向每个斑点的39.5μL的1x扩增溶液中加入0.5μL的聚合酶。
    注意:扩增试剂是光敏感的,应防止直接照射。扩增试剂有四种不同的颜色(RED:激发594nm,发射624nm; FarRED:激发644nm,发射669nm; ORANGE:激发554nm,发射576nm; GREEN:激发501nm,发射523nm)确保显微镜设置可用适当的激发特性和滤镜来对这些颜色进行成像。
  6. 点击1x 原位洗涤缓冲液A,每个点加入40μL的Amplification-Polymerase混合物。在预热的加湿室中在37℃下孵育100分钟。

5.安装和成像

  1. 通过向99 mL水中加入1 mL 1x洗涤缓冲液B来制备0.01x 原位洗涤缓冲液B。
  2. 点击放大聚合酶混合物,并用轻轻搅拌的RT在Coplin罐中用1x 原位洗涤缓冲液B洗涤载玻片2次10分钟。
  3. 在0.01x洗涤缓冲液B中洗涤载玻片1分钟
  4. 分离多余的0.01x洗涤缓冲液B,并用无绒纸巾将斑块周围的玻片干燥。使用移液管尽可能多地从现场清除液体,而不必接触该位置,或通过倾斜滑块。
  5. 在不含DAPI的安装介质中稀释含DAPI的安装介质1:5,以避免核的过度染色。
  6. 将25-30μL含有DAPI的1:5 DAPI安装介质添加到24 mm x 24 mm的盖玻片上,并用滑块拾起盖板,施加轻微的压力,以确保没有被困的气泡。用指甲油密封盖玻片,并在成像前等待至少15分钟。
  7. 使用(共焦)荧光显微镜分析载玻片。
    1. 在至少4个获取的图像场中计数每个细胞的点状PLA信号的数目(20x目标,基于使用处理的细胞中7±5个信号的预期平均值的功率计算,每个条件或抗体组合计数至少20个细胞,和未经处理的细胞中的2±2个信号,I型误差的概率为0.05,功率为80%,如前所述15 )。
      注意:最佳分辨率是通过使用软件包( 例如 ,ImageJ,Leica Acquisition Suite(LAS))获取Z-stack和去卷积来实现的。信号在DAPI染色定义的核周期内,ls应该很容易识别。
    2. 不要计数出现在细胞核外的信号。通常,NCS处理或γ照射导致每个细胞约5-10个phosho-p53 / ATM PLA信号。 “单抗体”对照可能会产生一些背景信号,但每20个细胞中每1个不得超过1-2个PLA信号。
    3. 出版和演示目的,使用40X或63X浸油目标拍摄图像。幻灯片可以在4°C储存,并应防止曝光。

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Representative Results

残留Ser15上p53的磷酸化显示依赖于ATM激酶活性16 。为了证明和证实PLA技术对悬浮细胞培养物细胞分裂素制剂的特异性,表明通过在细胞周期G1期停滞的BCR-ABL + B-ALL细胞2小时NCS处理诱导DNA损伤导致ATM和磷酸化Ser15-p53之间的特异性相互作用,如预期的那样。在用NCS处理的大多数细胞的细胞核中观察到点状PLA信号( 图1B ),每个细胞平均具有7个PLA信号15 ,而在未用NCS处理的细胞中未检测到这些信号( 图1A ) 。在诱导DNA损伤前用特异性ATM激酶抑制剂KU55933预处理细胞明显减少了PLA信号的平均数2 PLA信号/单元( 图1C )。正如预期的那样,在细胞核中唯一检测出ATM-phospho-Ser15-p53 PLA信号。省略了山羊抗ATM或兔抗磷酸化Ser15-p53抗体的PLA实验(“单抗”对照)不产生任何具体的PLA信号( 图1D1E )。这些结果的定量和统计分析见图1F (改编自Ochodnicka 等人, J.Immunol。2016) 15

图1
图1:BV173人BCR-ABL +细胞中ATM /磷酸-Ser15-p53相互作用的原位 PLA。A )用5μM伊马替尼(特异性Abl激酶抑制剂,激发G1期细胞周期在NCS处理之前,用伊马替尼和50ng / mL NCS诱导DNA损伤( B )或伊马替尼并用5μM特异性ATM激酶抑制剂KU55933预处理( C ) 。显示了针对山羊抗ATM(D)和兔抗磷酸化Ser15-p53抗体( E )的单抗体对照PLA实验。红色荧光点状信号代表ATM和磷酸化-Ser15-p53蛋白的原位蛋白接近度(<50nm)。刻度棒=5μm(白线)。 ( F )显示在不同实验条件下处理的至少20个细胞中PLA信号数量的定量。水平线代表手段;统计学意义通过单因素方差分析(ANOVA; *** p <0.001)确定。 请点击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

在本报告中,证明PLA可用于确定和可视化悬浮细胞培养物中蛋白质之间的特异性相互作用。值得注意的是,这里描述的方案不限于DNA修复复合物的研究,而且还适用于可视化和定量悬浮细胞培养物中的其他蛋白质 - 蛋白质相互作用。显示当暴露于DNA损伤诱导剂时,ATM激酶与G1-阻滞的BCR-ABL + B-ALL细胞中的磷酸化p53相互作用。以前,我们使用PLA技术来表明ATM和FOXO1转录因子在BCR-ABL + B-ALL细胞中相互作用,然而,这种相互作用最有可能不会导致FOXO1的ATM依赖性磷酸化。支持PLA数据,通过内源性ATM / ATR-磷酸化蛋白质的免疫沉淀证实,与已建立的ATM底物p53和NBS1相反,FOXO1在诱导D时被ATM磷酸化NA伤害15 。此外,PLA方法成功应用于研究各种人B细胞淋巴瘤细胞系中错配修复复合物( 例如 MSH2和MSH6之间的相互作用)相互作用的形成(数据未显示)。在这些特殊情况下,解放军技术提供了一种替代方法来支持我们的发现。已经证明,PLA允许对实验条件之间的蛋白质 - 蛋白质相互作用的半定量评估,并且提供对这些相互作用中细胞间细胞变化的洞察。

细胞中特定蛋白质 - 蛋白质相互作用的分析(暴露于不同的实验条件)通常是具有挑战性的,并且受到实验工件的影响。通常,蛋白质共免疫沉淀是选择的方法,但需要大量的细胞和/或蛋白质,基本上禁止分析稀有细胞中的蛋白质 - 蛋白质相互作用类型或在低水平表达的蛋白质之间。此外,蛋白质在(不相关的)细胞系模型中的过度表达通常导致过表达伪像,并且结果可能非常难以在体内或相关细胞类型中进行确认/验证。此外,共免疫沉淀需要细胞裂解和蛋白质溶解,当蛋白质 - 蛋白质相互作用较弱时,可能导致信号丢失。重要的是,蛋白质共免疫沉淀和酵母双杂交方法无法检测蛋白质 - 蛋白质相互作用中的细胞内和细胞间变化。 PLA技术为这些技术提供了一个有吸引力和简便的选择,并提供了重要的额外的见解。 PLA可用于标准(诊断)实验室设置,因为它不需要高度专业的技能,超出进行免疫组织化学的能力。

超分辨率显微镜的发展已经深入人心分析蛋白质复合物的分子结构。然而,这种技术并不容易获得,涉及专门的研究基础设施。 PLA为蛋白质复合物形成研究提供了一种方便,简单和便宜的替代方法,具有可比较的分辨率。 PLA技术的明显限制是在不同物种中提供的特异性一抗。然而,几家公司现在提供专门的(经验证的)抗体组合,可以简化PLA技术的使用。

关于蛋白质参与DNA损伤修复和DNA损伤反应的研究主要依赖于IRIF形成和组成的分析。然而,必须指出,蛋白质在IRIF中的共定位并不一定意味着直接的蛋白质 - 蛋白质相互作用。 PLA技术提供了一个独特的机会来更详细地研究DNA修复蛋白和修复复合物的形成。 sp可以使用PLA更详细地映射这种复合物的形成的等时分析。此外,它将允许研究人员评估已经用DNA损伤剂或治疗方法治疗的患者的组织和临床标本中修复复合体的形成,这可能提供这些治疗方式的功效的重要见解,甚至可以帮助选择的患者将从这些治疗中获益最多。

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Disclosures

作者没有什么可以披露的。

Acknowledgments

Guikema实验室的研究由荷兰科学研究组织(VIDI授权016126355)和“Stichting Kinderen Kankervrij”KiKA(项目252)的创新研究奖励计划资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BV173 cell line DSMZ AC-20 BCR-ABL+ B-ALL cell line
SUP-B15 cell line DSMZ ACC-389 BCR-ABL+ B-ALL cell line
Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMDM) Gibco (Life Technologies) 21980-032
Fetal Calf Serum Sigma Aldrich F7524 lot #: 064M3396
L-glutamine Gibco (Life Technologies) 25030-024
penicillin/streptomycin Gibco (Life Technologies) 15140-122
imatinib methanesulfonate LC Laboratories I-5508 Dissolve in DMSO, prepare 10 mM stock solution
neocarzinostatin Sigma Aldrich N9162 Mutagenic/teratogenic, handle with care
KU55933 Selleckchem S1092 Dissolve in DMSO, prepare 5 mM stock solution
Starfrost Microscopy Slides Waldemar Knittel VA11200 003FKB
PAP pen liquid blocker Sigma Aldrich Z377821-1EA
Cytospin funnel Q Path Labonord SAS 003411324
Duolink In Situ Red Starter Kit Goat/Rabbit Sigma Aldrich DUO92105 Available for different species/combinations, also available in FarRED, Orange and Green
goat-anti-ATM Bethyl Laboratories A300-136A PLA-grade; we succesfully used lot#A300-136A-1 in our studies
rabbit-anti-phospho-Ser15-p53 Cell Signaling Technology 9284 We succesfully used lot #9284-4 in our studies
Vectashield antifading mounting medium with DAPI Vector Labs H-1200
Vectashield antifading mounting medium Vector Labs H-1000
4% paraformaldehyde in PBS Santa Cruz Biotechnology sc-281692 Also available from various other vendors

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References

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