Visualisierung von Proteinen zur Reparatur von DNA-Schäden in patienteneigenen Ovarialkarzinom-Organoiden mittels Immunfluoreszenz-Assays
Summary
Das vorliegende Protokoll beschreibt Methoden zur Bewertung von DNA-Schadensreparaturproteinen in von Patientinnen stammenden Ovarialkarzinom-Organoiden. Dazu gehören umfassende Plattierungs- und Färbemethoden sowie detaillierte, objektive Quantifizierungsverfahren.
Abstract
Die Immunfluoreszenz ist eine der am weitesten verbreiteten Techniken zur Visualisierung von Zielantigenen mit hoher Sensitivität und Spezifität, die die genaue Identifizierung und Lokalisierung von Proteinen, Glykanen und kleinen Molekülen ermöglicht. Während diese Technik in der zweidimensionalen (2D) Zellkultur gut etabliert ist, ist weniger über ihre Verwendung in dreidimensionalen (3D) Zellmodellen bekannt. Ovarialkarzinom-Organoide sind 3D-Tumormodelle, die die klonale Heterogenität von Tumorzellen, die Tumormikroumgebung sowie Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen rekapitulieren. Damit sind sie Zelllinien bei der Bewertung von Wirkstoffsensitivität und funktionellen Biomarkern überlegen. Daher ist die Fähigkeit, Immunfluoreszenz an primären Ovarialkarzinom-Organoiden zu verwenden, äußerst vorteilhaft für das Verständnis der Biologie dieses Krebses. Die aktuelle Studie beschreibt die Technik der Immunfluoreszenz zum Nachweis von Proteinen zur Reparatur von DNA-Schäden in hochgradigen serösen, von Patientinnen stammenden Ovarialkarzinom-Organoiden (PDOs). Nachdem die PDOs ionisierender Strahlung ausgesetzt wurden, wird eine Immunfluoreszenz an intakten Organoiden durchgeführt, um Kernproteine als Herde zu bewerten. Die Bilder werden mit Hilfe der Z-Stack-Bildgebung auf konfokaler Mikroskopie gesammelt und mit einer automatisierten Herdzählsoftware analysiert. Die beschriebenen Methoden ermöglichen die Analyse der zeitlichen und speziellen Rekrutierung von DNA-Schadensreparaturproteinen und die Kolokalisation dieser Proteine mit Zellzyklusmarkern.
Introduction
Eierstockkrebs ist die häufigste Todesursache aufgrund gynäkologischer Malignität. Die Mehrzahl der Patienten wird mit DNA-schädigenden Medikamenten wie Carboplatin behandelt, und Patienten mit Tumoren mit homologer Rekombinationsreparatur (HRR) können Poly (ADP-Ribose) Polymerase (PARP) –Inhibitoren 1,2 verabreicht werden. Die meisten Patienten entwickeln jedoch eine Resistenz gegen diese Therapien und sterben innerhalb von 5 Jahren nach der Diagnose. Eine Dysregulation der DNA-Schadensantwort (DDR) wurde mit der Entwicklung von Eierstockkrebs und sowohl Chemotherapie als auch PARP-Inhibitor-Resistenz in Verbindung gebracht3. Daher ist die Untersuchung der DDR unerlässlich, um die Pathophysiologie von Eierstockkrebs, potenzielle Biomarker und neuartige zielgerichtete Therapien zu verstehen.
Aktuelle Methoden zur Bewertung der DDR verwenden Immunfluoreszenz (IF), da dies die genaue Identifizierung und Lokalisierung von DNA-schädigenden Proteinen und Nukleotidanaloga ermöglicht. Sobald es einen Doppelstrangbruch (DSB) in der DNA gibt, wird das Histonprotein H2AX schnell phosphoryliert und bildet einen Fokus, in dem sich DNA-Schadensreparaturproteine versammeln4. Diese Phosphorylierung kann leicht mit Hilfe von IF identifiziert werden; Tatsächlich wurde der ɣ-H2AX-Assay üblicherweise verwendet, um die Induktion eines DSB 5,6,7,8,9 zu bestätigen. Erhöhte DNA-Schäden wurden mit der Platinsensitivität und Wirksamkeit von DNA-schädigenden Stoffen in Verbindung gebracht 10,11,12, und ɣ-H2AX wurde als Biomarker vorgeschlagen, der mit dem Ansprechen auf eine Chemotherapie bei anderen Krebsbehandlungen assoziiert ist 13. Bei einem DSB führt eine Zelle, die HRR beherrscht, eine Reihe von Ereignissen durch, die dazu führen, dass BRCA1 und BRCA2 RAD51 rekrutieren, um das Replikationsprotein A (RPA) zu ersetzen und an die DNA zu binden. Bei der HRR-Reparatur wird eine DNA-Vorlage verwendet, um das DSB originalgetreu zu reparieren. Wenn Tumoren jedoch einen Mangel an HRR aufweisen, sind sie auf alternative Reparaturwege wie die nicht-homologe Endverbindung (NHEJ) angewiesen. Es ist bekannt, dass NHEJ fehleranfällig ist und eine hohe Mutationslast für die Zelle erzeugt, die 53BP1 als positiven Regulator verwendet14. Diese DNA-schädigenden Proteine können alle mit Hilfe von IF genau als Herde identifiziert werden. Zusätzlich zur Färbung von Proteinen kann IF verwendet werden, um den Gabelschutz und die Bildung einzelsträngiger DNA-Lücken zu untersuchen. Die Fähigkeit, stabile Gabeln zu haben, wurde mit dem Ansprechen von Platin korreliert, und in jüngster Zeit haben Gap-Assays das Potenzial gezeigt, das Ansprechen auf PARP-Inhibitoren 6,15,16,17 vorherzusagen. Daher ist die Färbung der Nukleotidanaloga nach der Einführung in das Genom eine weitere Möglichkeit, die DDR zu untersuchen.
Bisher war die Bewertung der DDR bei Ovarialkarzinomen weitgehend auf homogene 2D-Zelllinien beschränkt, die die klonale Heterogenität, Mikroumgebung oder Architektur von In-vivo-Tumoren nicht rekapitulieren18,19. Neuere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Organoide 2D-Zelllinien bei der Untersuchung komplexer biologischer Prozesse wie DDR-Mechanismen überlegen sind6. Die vorliegende Methodik bewertet RAD51, ɣ-H2AX, 53BP1, RPA und Geminin in PDOs. Diese Methoden beurteilen das intakte Organoid und ermöglichen die Untersuchung von DDR-Mechanismen in einer Umgebung, die der Mikroumgebung des In-vivo-Tumors ähnlicher ist. Zusammen mit der konfokalen Mikroskopie und der automatisierten Herdzählung kann diese Methodik dazu beitragen, den DDR-Signalweg bei Eierstockkrebs zu verstehen und Behandlungspläne für Patienten zu personalisieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die DNA-Schadensantwort spielt eine wesentliche Rolle sowohl bei der Entwicklung von Eierstockkrebs als auch bei der Chemotherapieresistenz. Daher ist ein gründliches Verständnis der DNA-Reparaturmechanismen unerlässlich. Hier wird eine Methodik vorgestellt, um DNA-Schadensreparaturproteine in intakten 3D-Organoiden zu untersuchen. Es wird ein reproduzierbares, zuverlässiges Protokoll entwickelt, das charakteristische Antikörper verwendet, um DNA-Schäden, homologe Rekombination, nicht-homologe Endverbindungen und R…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir sind dankbar für die Anleitung von Pavel Lobachevsky, PhD, bei der Erstellung dieses Protokolls. Wir möchten uns auch bei der School of Medicine der Washington University in St. Louis, der Abteilung für Geburtshilfe und Gynäkologie und der Abteilung für gynäkologische Onkologie, dem Dean’s Scholar Program der Washington University, der Gynäkologischen Onkologie Group Foundation und dem Reproductive Scientist Development Program für ihre Unterstützung dieses Projekts bedanken.
Materials
| 1x phosphate buffered saline with calcium and magnesium (PBS++) | Sigma | 14-040-133 | |
| 1x phosphate buffered saline without calcium and magnesium (PBS) | Fisher Scientific | ICN1860454 | |
| Ant-53BP1 Antibody | BD Biosciences | 612522 | diluted to 1:500 in staining buffer |
| Ant-Geminin Antibody | Abcam | ab104306 | diluted to 1:200 in staining buffer |
| Anti-Geminin Antibody | ProteinTech | 10802-1-AP | diluted to 1:400 in staining buffer |
| Anti-RAD51 Antibody | Abcam | ab133534 | diluted to 1:1000 in staining buffer |
| Anti-yH2AX Antibody | Millipore-Sigma | 05-636 | diluted to 1:500 in staining buffer |
| Ant-phospho-RPA32 (S4/S8) Antibody | Bethyl Laboratories | A300-245A-M | diluted to 1:200 in staining buffer |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Fisher Scientific | BP1605 100 | |
| Centrifuge; Sorvall St 16R Centrifuge | Thermo Scientific | 75004240 | |
| Confocal Microscope, Leica SP5 confocal system DMI4000 | Leica | 389584 | |
| Conical Tubes, 15 mL | Corning | 14-959-53A | |
| Countess 3 FL Automated Cell Counter (Cell Counting Machine) | Thermo Scientific | AMQAF2000 | |
| Countess Cell Counting Chamber Slides | Thermo Scientific | C10228 | |
| Cover Slip | LA Colors | Any clear nail polish will suffice | |
| Cultrex RGF Basement Membrane Extract, Type 2 | R&D Systems | 3533-010-02 | Could probably use Matrigel or other BME Matrix |
| DAPI | Thermo Scientific | R37606 | NucBlue Fixed Cell ReadyProbes Reagent, Diluted in 1x PBS |
| Glycine | Fisher Scientific | NC0756056 | |
| JCountPro | JCountPro | For access to the software, Email: jcountpro@gmail.com | |
| Microcentrifuge Tubes | Fisher Scientific | 07-000-243 | |
| Nail Polish | StatLab | SL102450 | |
| Parafomraldehyde (PFA), 2% | Electron Microscopy Sciences | 157-4 | Dilute to 4% PFA in PBS++ to obtain 2% PFA |
| Permeabilization Buffer | Made in Lab | 0.2% X-100 Triton in PBS++ | |
| Pipette | Rainin | 17014382 | |
| Pipette Tips | Rainin | 17014967 | |
| ProLong Gold Antifade Mountant | Thermo Scientific | P36930 | |
| Staining Buffer | Made in Lab | 0.5% BSA, 0.15% Glycine, 0.1% X-100 Triton in PBS++ | |
| Thermo Scientific Nunc Lab-Tek II Chamber Slide System | Thermo Scientific | 12-565-8 | |
| Triton X-100 | Sigma-Alderich | 11332481001 | |
| Trypan Blue Solution, 0.4% | Thermo Scientific | 15250061 | |
| TrypLE Express | Invitrogen | 12604013 | animal origin-free, recombinant enzyme |
| X-RAD 320 Biological Irradiator | Precision X-Ray Irradiation | X-RAD320 |
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