JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
생화학

マトリックス支援レーザー脱離/イオン化飛行時間型質量分析分析によるウラシル-DNAグリコシラーゼアッセイ

Published: April 22, 2022
doi:
10.3791/63089
, , , , , , ,
1Department of Clinical Laboratory Sciences and Medical Biotechnology, College of Medicine,National Taiwan University, 2Department of Laboratory Medicine,National Taiwan University Hospital, 3Center for Microbial Pathogenesis, Nationwide Children’s Hospital and the Department of Pediatrics,The Ohio State University

Summary

ウラシル-DNAグリコシラーゼ活性をアッセイするための非標識、非放射性同位体法が、直接アプリン/アピリミジン部位含有生成物分析のためのMALDI-TOF質量分析法を用いて開発された。このアッセイは、DNAグリコシラーゼ測定に非常にシンプルで、特異的で、迅速で、使いやすいことが証明されました。

Abstract

ウラシルDNAグリコシラーゼ(UDG)は、シトシンの加水分解脱アミノ化から形成されるウラシルの補正のための塩基切除修復経路における重要な成分である。したがって、ゲノムの完全性の維持には極めて重要です。UDG活性を測定するために、高度に特異的で非標識の非放射性同位体法が開発された。部位特異的ウラシルを含む合成DNA二重鎖をUDGにより切断し、次いでマトリックス支援レーザー脱離/イオン化飛行時間質量分析(MALDI-TOF MS)分析を行った。鎖切断なしにDNA中の非熟菌/アピリミジン部位(AP)産物を保存するためのプロトコルが確立されました。基質から生成物までのm/z値の変化を用いて、UDGによるウラシル加水分解を評価した。UDG速度論的解析にG:U基板を用い、Km = 50 nM、Vmax = 0.98 nM/s、Kcat = 9.31 s-1を得た。ウラシルグリコシラーゼ阻害剤(UGI)アッセイへのこの方法の適用は、7.6pMのIC50値をもたらした。一本鎖および二本鎖DNA基質内の様々な位置でウラシルを用いたUDG特異性は、異なる切断効率を実証した。したがって、この単純で迅速で汎用性の高いMALDI−TOF MS法は、様々な単官能DNAグリコシラーゼの優れた参照法となり得る。また、DNAグリコシラーゼ阻害剤スクリーニングのツールとしての可能性も秘めています。

Introduction

ウラシルはRNAの正常な塩基であるが、ゲノムDNAにおいて一般的で変異原性の高い病変である。ウラシルは、デオキシシチジンの自発的/酵素的加水分解脱アミノ化から生じ得る。各生細胞において、この脱アミノ化は生理学的条件下で1日100〜500回起こる1,2。これらの変化が修復されない場合、DNA配列組成に変化があり、突然変異を引き起こす可能性がある。DNA中のウラシルは複製中にdATPと対合することを好むので、シトシンがウラシルに脱アミノ化する場合、2つの複製事象において、子孫DNAの半分に新しいG:CからA:Tへの移行変異が存在する3。

遺伝的安定性を維持するための細胞戦略の中で、塩基切除修復(BER)は、DNA4のウラシルなどの損傷した塩基を修復する重要なメカニズムである。BERは高度に進化的に保存されたプロセスです。2つの一般的なBER経路がある:単一ヌクレオチドの修復路に至る短いパッチ経路と、少なくとも2ヌクレオチドの修復経路を生成するロングパッチ経路5。BERは、いくつかのステップで発生する調整されたメカニズムです。BERの最初のステップは、損傷特異的DNAグリコシラーゼによる損傷ヌクレオチド塩基の酵素加水分解であり、アプリニン/アピリミジン(AP)中間部位を生成する6。これに続いて、エンドヌクレアーゼによるAP部位の糖リン酸骨格の切断、リアーゼによるDNA末端のクリーンアップ、DNAポリメラーゼによるギャップ充填、およびリガーゼによる最終ニックの封止が続きます5。

ウラシルDNAグリコシラーゼ(UDG)は、大腸菌中のBERのウラシル含有DNAからウラシルを加水分解する。異なる分離技術を含む放射性標識DNAを用いた従来のUDGアッセイ6、7、8、9、10、11、12、13は、通常、時間がかかり、労働集約的であり、高価な標識試薬、複雑な手順、および放射性物質への曝露のリスクを低減するために集中的な訓練と実践を必要とする。蛍光測定オリゴヌクレオチドアッセイは、分子ビーコンおよびフェルスター共鳴エネルギー移動技術に加えて、放射性同位元素標識14の代替として開発されている15,16,17,18,19,20。しかしながら、前述の方法の全てに特定の標識が必要である。近年、ラベルフリーバイオセンサアッセイ21、22、23およびG−quadruplex24、25、26の形成に基づく比色法が開発されている。しかし、プローブ内の複数のA:Uペアまたは特別に設計された配列は、酵素単位の定義を複雑にします。

MALDI-TOF MS は、DNA 解析に非常に役立つ可能性のある技術です。開発されたアプリケーションには、一塩基多型ジェノタイピング27,28、改変ヌクレオチド解析29、DNA修復中間体同定30,31,32,33,34が含まれる。MALDI-TOF MS は、AP 部位含有 DNA 産物を検出するための DNA グリコシラーゼ分析に容易に採用する必要があります。しかし、DNA中のAP部位は、多くの実験条件下で鎖が切断されやすい33。ここでは、MALDI-TOF MS を使用して UDG アッセイを行い、大きなストランドブレークノイズなしで AP サイト生産を直接測定します。このラベルフリー法は、取り扱いが容易であり、DNAグリコシラーゼ阻害剤スクリーニングの医薬応用に高い可能性を秘めています。

Protocol

1. 基板/テンプレートの準備 ウラシル基板/テンプレート二重膜は、約50 ± 10%のバランスのとれたG + C含有量と、二重鎖領域の最低溶融温度50°Cで設計します。注:18 nt基板と19 ntテンプレート(表1および図1)の間の1つのヌクレオチド差は、MSシグナルの解釈と適切なアニーリングの改善に役立ちます。鋳型鎖は、A-UまたはG-Uミスマッチを生…

Representative Results

テンプレートと基板中央にU(U+9)をGテンプレートと対にした合成オリゴヌクレオチドを例にとると(図1A)、等モル量のテンプレートとウラシル含有基質のブランク制御を合成オリゴヌクレオチド純度の品質管理に使用できます(図1B;シグナルは指定されたm/zと一致し、低バックグラウンドノイズ)。MSデータ解析のために、ピーク高さを?…

Discussion

このホワイトペーパーでは、UDG MALDI−TOF MSアッセイ法を使用してAP含有DNA産物を直接検出するための詳細な手順を提供する。この方法の主な利点は、ウラシル含有基質がラベルフリーで、スケーラブルで、取り扱いが容易で、基質設計においてより大きな柔軟性を有することである。

UDGサプライヤーが推奨するフェノール/クロロホルム抽出は、酵素の不活性化を可能に?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我々は、NCFPB機能ゲノミクス統合コアファシリティ(台湾・台北)及びNRPBファーマコゲノミクス・ラボ(台湾・台北)の技術支援に感謝する。この研究は、台湾科学技術部(R.O..C.の支援を受けた[助成金番号MOST109-2314-B-002-186からK.-Y.S.、ほとんどが107-2320-B-002-016-MY3からS.Y..C、MOST 110-2320-B-002-043からW.-h.F.へ]。H.-L.C.は国立台湾大学から博士研究員を授与されています。オープンアクセス料金のための資金:科学技術省、R.O..C。

Materials

2-Amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol (Tris base) J.T baker Protocol 1,2
Autoclaved deionized water MILLIPORE Protocol 1,2
EDTA J.T Baker Protocol 1,2
Gloves AQUAGLOVE Protocol 1,2,3
Hydrochloric acid (HCl) SIGMA Protocol 1,2
Ice bucket Taiwan.Inc Protocol 2
Low retention pipette tips(0.5-10 µL) extra gene Protocol 1,2
Low retention pipette tips(1,250 µL) national scientific supply co, Inc. Protocol 1,2
Low retention pipette tips(200 µL) national scientific supply co, Inc. Protocol 1,2
MassARRAY  Agena Bioscience, CA Protocol 4, 5
Mass spectrometry control programs include Typer Chip Linker, SpectroACQUIRE, and Start RT Process.
MassARRAY Nanodispenser AAT Bioquest, Inc. RS1000 Protocol 3
Microcentrifuge Kubota Protocol 2
Microcentrifuge Clubio Protocol 2
Microcentrifuge tube (1.5 mL) National scientific supply co, Inc. Protocol 2
Microcentrifuge tube rack Taiwan.Inc Protocol 1,2
Micropipette  (P1000) Gilson Protocol 1,2
Micropipette  (P2) Gilson Protocol 1,2
Micropipette (P10) Gilson Protocol 1,2
Micropipette (P100) Gilson Protocol 1,2
Micropipette (P200) Gilson Protocol 1,2
Micropipette (SL2) Rainin Protocol 1,2
Oligonucleotides Integrated DNA Technologies (Singapore) Protocol 1,2
Quest Graph IC50 Calculator (v.1) AAT Bioquest, Inc. Fig. 4
https://www.aatbio.com/tools/ic50-calculator-v1
Sodium hydroxide (NaOH) WAKO Protocol 2
SpectroCHIP array  Agena Bioscience, CA #01509 Protocol 3, 5
Timer Taiwan.Inc Protocol 2
Typer 4.0 software  Agena Bioscience, CA #10145 Protocol 6
Typer 4.0 consists four programs including Assay Designer, Assay Editor, Plate Editor, and Typer Analyzer.
UDG Reaction Buffer (10x) New England Biolabs, MA B0280S Protocol 2
Uracil Glycosylase Inhibitor New England Biolabs, MA M0281S Protocol 2
Uracil-DNA Glycosylase New England Biolabs, MA M0280L Protocol 2
UV-VISBLE spectrophotometer UV-1601 SHIMADZU Protocol 1
Water bath ZETA ZC-4000 (Taiwan.Inc) Protocol 2
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Frederico, L. A., Kunkel, T. A., Shaw, B. R. A sensitive genetic assay for the detection of cytosine deamination: determination of rate constants and the activation energy. 생화학. 29 (10), 2532-2537 (1990).
  2. Kavli, B., Otterlei, M., Slupphaug, G., Krokan, H. E. Uracil in DNA-General mutagen, but normal intermediate in acquired immunity. DNA Repair. 6 (4), 505-516 (2007).
  3. Duncan, B. K., Miller, J. H. Mutagenic deamination of cytosine residues in DNA. Nature. 287 (5782), 560-561 (1980).
  4. Gros, L., Saparbaev, M. K., Laval, J. Enzymology of the repair of free radicals-induced DNA damage. Oncogene. 21 (58), 8905-8925 (2002).
  5. Robertson, A. B., Klungland, A., Rognes, T., Leiros, I. Base excision repair: The long and short of it. Cellular and Molecular Life Sciences. 66 (6), 981-993 (2009).
  6. Lindahl, T. An N-glycosidase from Escherichia coli that releases free uracil from DNA containing deaminated cytosine residues. Proceedings of The National Academy of Sciences of the United States of America. 71 (9), 3649-3653 (1974).
  7. Caradonna, S. J., Cheng, Y. C. Uracil DNA-glycosylase. Purification and properties of this enzyme isolated from blast cells of acute myelocytic leukemia patients. Journal of Biological Chemistry. 255 (6), 2293-2300 (1980).
  8. Krokan, H., Urs Wittwer, C. Uracil DNA-glycosylase from HeLa cells: general properties, substrate specificity and effect of uracil analogs. Nucleic Acids Research. 9 (11), 2599-2614 (1981).
  9. Tchou, J., et al. 8-oxoguanine (8-hydroxyguanine) DNA glycosylase and its substrate specificity. Proceedings of The National Academy of Sciences of the United States of America. 88 (11), 4690-4694 (1991).
  10. Knævelsrud, I., et al. Excision of uracil from DNA by the hyperthermophilic Afung protein is dependent on the opposite base and stimulated by heat-induced transition to a more open structure. Mutation Research-DNA Repair. 487 (3-4), 173-190 (2001).
  11. Minko, I. G., et al. Recognition of DNA adducts by edited and unedited forms of DNA glycosylase NEIL1. DNA Repair. 85, 102741 (2020).
  12. Bennett, S. E., Sanderson, R. J., Mosbaugh, D. W. Processivity of Escherichia coli and rat liver mitochondrial uracil-DNA glycosylase is affected by NaCl concentration. 생화학. 34 (18), 6109-6119 (1995).
  13. Xia, L., O’Connor, T. R. DNA glycosylase activity assay based on streptavidin paramagnetic bead substrate capture. Analytical Biochemistry. 298 (2), 322-326 (2001).
  14. Kreklau, E. L., et al. A novel fluorometric oligonucleotide assay to measure O(6)-methylguanine DNA methyltransferase, methylpurine DNA glycosylase, 8-oxoguanine DNA glycosylase and abasic endonuclease activities: DNA repair status in human breast carcinoma cells overexpressing methylpurine DNA glycosylase. Nucleic Acids Research. 29 (12), 2558-2566 (2001).
  15. Liu, B., et al. Real-time monitoring of uracil removal by uracil-DNA glycosylase using fluorescent resonance energy transfer probes. Analytical Biochemistry. 366 (2), 237-243 (2007).
  16. Zhang, L., Zhao, J., Jiang, J., Yu, R. A target-activated autocatalytic DNAzyme amplification strategy for the assay of base excision repair enzyme activity. Chemical Communications. 48 (70), 8820-8822 (2012).
  17. Zhou, D. M., et al. Graphene oxide-hairpin probe nanocomposite as a homogeneous assay platform for DNA base excision repair screening. Biosensors and Bioelectronics. 41, 359-365 (2013).
  18. Wang, X., Hou, T., Lu, T., Li, F. Autonomous exonuclease iii-assisted isothermal cycling signal amplification: A facile and highly sensitive fluorescence DNA glycosylase activity assay. Analytical Chemistry. 86 (19), 9626-9631 (2014).
  19. Wu, Y., Wang, L., Zhu, J., Jiang, W. A DNA machine-based fluorescence amplification strategy for sensitive detection of uracil-DNA glycosylase activity. Biosensors and Bioelectronics. 68, 654-659 (2015).
  20. Xi, Q., Li, J. J., Du, W. F., Yu, R. Q., Jiang, J. H. A highly sensitive strategy for base excision repair enzyme activity detection based on graphene oxide mediated fluorescence quenching and hybridization chain reaction. Analyst. 141 (1), 96-99 (2016).
  21. Liu, X., et al. A novel electrochemical biosensor for label-free detection of uracil DNA glycosylase activity based on enzyme-catalyzed removal of uracil bases inducing strand release. Electrochimica Acta. 113, 514-518 (2013).
  22. McWilliams, M. A., Anka, F. H., Balkus, K. J., Slinker, J. D. Sensitive and selective real-time electrochemical monitoring of DNA repair. Biosensors and Bioelectronics. 54, 541-546 (2014).
  23. Jiao, F., et al. A novel and label-free biosensors for uracil-DNA glycosylase activity based on the electrochemical oxidation of guanine bases at the graphene modified electrode. Talanta. 147, 98-102 (2016).
  24. Liu, X., et al. Label-free colorimetric assay for base excision repair enzyme activity based on nicking enzyme assisted signal amplification. Biosensors and Bioelectronics. 54, 598-602 (2014).
  25. Nie, H., Wang, W., Li, W., Nie, Z., Yao, S. A colorimetric and smartphone readable method for uracil-DNA glycosylase detection based on the target-triggered formation of G-quadruplex. Analyst. 140 (8), 2771-2777 (2015).
  26. Du, Y. C., Jiang, H. X., Huo, Y. F., Han, G. M., Kong, D. M. Optimization of strand displacement amplification-sensitized G-quadruplex DNAzyme-based sensing system and its application in activity detection of uracil-DNA glycosylase. Biosensors and Bioelectronics. 77, 971-977 (2016).
  27. Haff, L. A., Smirnov, I. P. Single-nucleotide polymorphism identification assays using a thermostable DNA polymerase and delayed extraction MALDI-TOF mass spectrometry. Genome Research. 7 (4), 378-388 (1997).
  28. Blondal, T., et al. A novel MALDI-TOF based methodology for genotyping single nucleotide polymorphisms. Nucleic Acids Research. 31 (24), 155 (2003).
  29. Cui, Z., Theruvathu, J. A., Farrel, A., Burdzy, A., Sowers, L. C. Characterization of synthetic oligonucleotides containing biologically important modified bases by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Analytical Biochemistry. 379 (2), 196-207 (2008).
  30. Darwanto, A., Farrel, A., Rogstad, D. K., Sowers, L. C. Characterization of DNA glycosylase activity by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Analytical Biochemistry. 394 (1), 13-23 (2009).
  31. Redrejo-Rodríguez, M., et al. New insights in the removal of the Hydantoins, oxidation product of pyrimidines, via the base excision and Nucleotide incision repair pathways. PLoS ONE. 6 (7), 21039 (2011).
  32. Prorok, P., et al. Uracil in duplex DNA is a substrate for the nucleotide incision repair pathway in human cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (39), 3695-3703 (2013).
  33. Alexeeva, M., et al. Excision of uracil from DNA by hSMUG1 includes strand incision and processing. Nucleic Acids Research. 47 (2), 779-793 (2019).
  34. Thapar, U., Demple, B. Deployment of DNA polymerases beta and lambda in single-nucleotide and multinucleotide pathways of mammalian base excision DNA repair. DNA Repair. 76, 11-19 (2019).
  35. Su, K. Y., et al. Proofreading and DNA repair assay using single nucleotide extension and MALDI-TOF mass spectrometry analysis. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (136), e57862 (2018).
  36. Hillenkamp, F., Karas, M., Beavis, R. C., Chait, B. T. Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry of biopolymers. Analytical Chemistry. 63 (24), 1193-1202 (1991).
  37. Brammer, K. W., Jones, A. S., Mian, A. M., Walker, R. T. Study of the use of alkaline degradation of DNA derivative as a procedure for the determination of nucleotide distribution. Biochimica et Biophysica Acta. 166 (3), 732-734 (1968).
  38. Lindahl, T., Ljungquist, S., Siegert, W., Nyberg, B., Sperens, B. DNA N-glycosidases: properties of uracil-DNA glycosidase from Escherichia coli. Journal of Biological Chemistry. 252 (10), 3286-3294 (1977).
  39. Rashtchian, A., Buchman, G. W., Schuster, D. M., Berninger, M. S. Uracil DNA glycosylase-mediated cloning of polymerasechain reaction-amplified DNA: Application to genomic and cDNA cloning. Analytical Biochemistry. 206 (1), 91-97 (1992).
  40. Varshney, U., van de Sande, J. H. Specificities and kinetics of uracil excision from uracil-containing DNA oligomers by Escherichia coli uracil DNA glycosylase. 생화학. 30 (16), 4055-4061 (1991).
  41. Delort, A. M., et al. Excision of uracil residues in DNA: Mechanism of action of Escherichia coli and Micrococcus luteus uracil-DNA glycosylases. Nucleic Acids Research. 13 (2), 319-335 (1985).
  42. Wang, Z. G., Smith, D. G., Mosbaugh, D. W. Overproduction and characterization of the uracil-DNA glycosylase inhibitor of bacteriophage PBS2. Gene. 99 (1), 31-37 (1991).
  43. Chang, H. L., et al. Measurement of uracil-DNA glycosylase activity by matrix assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry technique. DNA Repair. 97, 103028 (2021).
  44. Minko, I. G., et al. Catalysts of DNA strand cleavage at apurinic/apyrimidinic sites. Scientific Reports. 6 (1), 28894 (2016).
  45. Lindahl, T. Uracil-DNA glycosylase from Escherichia coli. Methods in Enzymology. 65, 284-290 (1980).

Tags

Uracil-DNA GlycosylaseMALDI-TOF Mass SpectrometryDNA RepairAP ProductLabel-freeEnzyme Activity AssayGuanine-uracil BaseReaction BufferSubstrate PreparationReaction Termination
check_url/kr/63089?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Chang, H., Su, K., Goodman, S. D., Cheng, W., Lin, L., Yang, Y., Chang, S., Fang, W. Uracil-DNA Glycosylase Assay by Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-flight Mass Spectrometry Analysis. J. Vis. Exp. (182), e63089, doi:10.3791/63089 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image