Summary

Visualisierung der DNA-Reparaturproteine Interaktion durch Immunfluoreszenz

Published: June 26, 2020
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Summary

Nach DNA-Schäden aktivieren menschliche Zellen wichtige Reparaturwege, um die Integrität ihres Genoms wiederherzustellen. Hier beschreiben wir die Methode der indirekten Immunfluoreszenz als Mittel, um DNA-Reparaturproteine zu erkennen, ihre räumliche und zeitliche Rekrutierung zu analysieren und die Protein-Protein-Interaktion an den Stellen von DNA-Schäden zu begutachten.

Abstract

Säugetierzellen sind ständig Chemikalien, Strahlungen und natürlich vorkommenden metabolischen Nebenprodukten ausgesetzt, die bestimmte Arten von DNA-Beleidigungen erzeugen. Genotoxische Wirkstoffe können das DNA-Rückgrat beschädigen, es brechen oder die chemische Natur einzelner Basen verändern. Nach DNA-Beleidigung werden DNA-Schadensreaktionen (DDR) aktiviert und an der Reparatur beteiligte Proteine rekrutiert. Eine Vielzahl von Faktoren sind beteiligt, um die Art des Schadens zu erfassen und die entsprechende Reparaturreaktion zu aktivieren. Wenn DDR-Faktoren nicht richtig aktiviert und rekrutiert werden, kann dies zu genomischer Instabilität führen, die vielen menschlichen Pathologien einschließlich Krebs zugrunde liegt. Studien mit DDR-Proteinen können Einblicke in die genotoxische Arzneimittelreaktion und zelluläre Mechanismen der Arzneimittelresistenz liefern.

Es gibt zwei Hauptmethoden zur Visualisierung von Proteinen in vivo:direkte Beobachtung, indem das Protein von Interesse mit einem fluoreszierenden Protein getagt und ihm durch Live-Bildgebung oder indirekte Immunfluoreszenz auf festen Proben folgt. Während die Visualisierung fluoreszierender Proteine eine präzise Überwachung im Laufe der Zeit ermöglicht, kann die direkte Kennzeichnung in N- oder C-Terminus die Proteinlokalisierung oder -funktion beeinträchtigen. Die Beobachtung von Proteinen in ihrer unveränderten, endogenen Version wird bevorzugt. Wenn DNA-Reparaturproteine zur DNA-Beleidigung rekrutiert werden, erhöht sich ihre Konzentration lokal und sie bilden Gruppen oder “Foci”, die durch indirekte Immunfluoreszenz mit spezifischen Antikörpern visualisiert werden können.

Obwohl der Nachweis von Proteinschwerpunkten keinen endgültigen Beweis für eine direkte Wechselwirkung liefert, weist die Kolokalisierung von Proteinen in Zellen darauf hin, dass sie sich an die Schadensstelle gruppieren und über die Abfolge der Ereignisse informieren können, die für eine komplexe Bildung erforderlich sind. Eine sorgfältige Analyse der räumlichen Überlappung von Brennpunkten in Zellen, die Wildtyp- oder mutierte Versionen eines Proteins exdrücken, kann wertvolle Hinweise auf funktionelle Domänen liefern, die für die DNA-Reparaturfunktion wichtig sind. Schließlich weist die Kolokalisierung von Proteinen auf mögliche direkte Wechselwirkungen hin, die durch Ko-Immunpräzipation in Zellen oder direkten Pulldown mit gereinigten Proteinen verifiziert werden können.

Introduction

Menschliche Zellen sind ständig einer Vielzahl von DNA-schädigenden Wirkstoffen unterschiedlicher Herkunft ausgesetzt. Exogene Quellen bestehen hauptsächlich aus der Exposition gegenüber Strahlungen, Chemikalien (einschließlich Chemotherapeutika und einigen Antibiotika) und Viren, während die wichtigsten endogene Quellen Fehler bei der DNA-Replikation und oxidativem Stress umfassen. Die direkten Auswirkungen einer genotoxischen Exposition können je nach Stress und Expositionsdosis von einer modifizierten Basis bis hin zu einem potenziell tödlichen DNA-Doppelstrangbruch (DSB) reichen. Letztlich können nicht reparierte oder falsch reparierte DNA-Schäden zur Anhäufung von Mutationen, genomischen Umlagerungen, Genominstabilität und schließlich zu Karzinogenese1führen. Säugetierzellen haben komplexe Wege entwickelt, um bestimmte Arten von DNA-Schäden zu erkennen2,3 und reparieren sie rechtzeitig, synchronisiert mit dem Zellzyklusprogression.

Ionisierende Strahlung (IR) schädigt die DNA-Doppelhelix und erzeugt Doppelstrangbrüche (DSBs), eine der schädlichsten Formen von DNA-Schäden. Der MRN-Komplex (MRE11, RAD50, NBS1) fungiert als Sensor der DNA endet und aktiviert die Proteinkinase ataxia telangiectasia mutiert (ATM)4,5. Nach der ersten Aktivierung von ATM durch DNA-Ende löst ATM eine Kaskade von DDR-Ereignissen am Ort der Pause aus, die mit einem Schlüsselereignis die Phosphorylierung der Histonvariante H2AX6einlöst. Die H2AX-Phosphorylierung auf Rückstand S139 aktiviert sie in die Region H2AX und spannt Regionen bis zu Megabasen um die DNA-Läsion6,7,8,9. Dieses Ereignis erhöht die Zugänglichkeit der DNA, was zur Rekrutierung und Akkumulation anderer DNA-Reparaturproteine führt7. Da h2AX reichlich und spezifisch um d.B. heruminduziert ist, kann es mit spezifischen Antikörpern leicht visualisiert werden und wird häufig als Ersatzmarker für DSBs im DNA-Reparaturfeld verwendet. Sobald der Bruch signalisiert ist, aktivieren Zellen ihre DNA-Reparaturwege und verarbeiten die DNA-Schäden. Das Protein MDC1 (Mediator des DNA-Schadens-Checkpoint-Proteins101) bindet direkt mit AtM11 und auch mit NBS112,13. Es trägt dazu bei, die Konzentration des MRN-Komplexes am DSB zu erhöhen und eine positive ATM-Rückkopplungsschleife zu starten. H2AX wird nach der Reparatur des Bruchs schnell entfernt, so dass die DSB-Freigabe überwacht werden kann. Gefolgt von der Mikroskopie, bietet die Abnahme von H2AX im Laufe der Zeit eine indirekte Messung von Restbrüchen und DNA-Reparatureffizienz.

Eukaryotische Zellen können DSBs durch mehrere Wege reparieren, wobei die beiden wichtigsten nicht-homologe Endverbindung (NHEJ) und homologe Rekombination (HR)(Abbildung 1) sind. NHEJ liiert im Wesentlichen DNA-Doppelstrangenden ohne die Verwendung von erweiterter Homologie und arbeitet im gesamten Zellzyklus14,15. HR überwiegt in S- und G2-Phasen und wird ansonsten unterdrückt, da es ein Schwesterchromatid als homologe Schablone für die Reparatur14,16benötigt. Die Wahl des Weges zwischen NHEJ und HR hängt nicht nur von der physischen Nähe des Schwesterchromatids ab, sondern auch von der Ausdehnung der DNA-Endresektion17, die NHEJ hemmt.

Die homologieabhängige DSB-Reparatur initiiert durch nukleolytische Degradation des 5′-Strangs von den Bruchenden, um 3′ einsträngige DNA-Schwänze (ssDNA) zu erzeugen, ein Prozess, der als 5′-3′-Resektion bezeichnet wird. Der MRN-Komplex initiiert die DNA-Endresektion und weitere Resektion wird in Kombination mit BLM/EXO1 (Bloom-Syndrom-Protein/Exonuklease 1) oder BLM/DNA2 (DNA-Replikation ATP-abhängige Helicase/Nuklease)18,19,20,21,22verarbeitet. Die DNA-Endresektion wird durch CtIP (CtBP-interagierendes Protein) durch seine direkte Interaktion mit dem MRN-Komplex23 und die Rekrutierung von BRCA1 (Brustkrebs Typ 1 Anfälligkeitsprotein)24,25verstärkt. Replikationsprotein A (RPA) bindet sich prompt an die ssDNA exponiert und wird dann durch das rekombinante Protein RAD51 zu einem Nukleoprotein-Filament verdrängt, das homologe Suche und Stranginvasion katalysiert26,27,28.

Die Einleitung der Resektion ist ein entscheidender Schritt für die Reparaturwegwahl. Sobald die Resektion eingeleitet wurde, werden die DNA-Enden zu schlechten Substraten für die Bindung durch Ku70/Ku80-Heterodimer (Komponente des NHEJ-Signalwegs) und Zellen werden HR17,29,30verschrieben. Der Ku70/Ku80 Heterodimer bindet an DSB-Enden und rekrutiert DNA-PKcs und p53 Binding Protein 1 (53BP1)29,30. 53BP1 wirkt als Hemmungshindernis in G1 und blockiert damit HR beigleichzeitigerFörderung von NHEJ 31,32, wird aber in der S-Phase in BRCA1-abhängiger Weise entfernt, so dass eine Resektion33,34möglich ist. Daher spielen 53BP1 und BRCA1 bei der DSB-Reparatur eine gegensätzliche Rolle, wobei 53BP1 ein NHEJ-Moderator ist, während BRCA1-Akte Pausen für die Reparatur durch HR ermöglichen.

Im Labor kann die DSB-Bildung durch ionisierende Strahlung (IR) induziert werden. Während dieses Beispiel eine hohe Dosis von 4 Gy verwendet, 1 Gy und 2 Gy auch eine signifikante Menge an DSBs erstellen, geeignet für die Analyse der Foci-Bildung durch reichliche Proteine. Es ist wichtig zu beachten, dass die Art und Dosis der verwendeten Strahlung zu verschiedenen Läsionen in der DNA und in der Zelle führen kann: Während IR DSBs induziert, kann es auch einzelne Strangbrüche oder Base-Modifikation verursachen (siehe35,36 für einen Verweis auf bestrahlung lineare Energieübertragung (LET) und Art der DNA-Schäden). Um die Kinetik der ionisierenden strahlungsinduzierten Brennweite (IRIF) Bildung und deren Clearance zu bestimmen, die auf die Reparatur des Schadens und die Umkehrung der aktivierten DDR8,9,37,38hinweist, kann die Brennpunktbildung zu verschiedenen Zeitpunkten nach ionisierender Strahlung überwacht werden. Timing der Aktivierung und Clearance aller wichtigen DNA-Schäden Proteine ist bekannt39, und viele werden als Ersatzmarker für Schlüsselereignisse untersucht. Beispielsweise wird pRPA, das eine hohe Affinität zu ssDNA besitzt, als Ersatz für die Bruchresektion verwendet, MRN-Proteine (MRE11, RAD50, NBS1) und Exonukleasen können auch verwendet werden, um die Resektionseffizienz zu bewerten. Während RAD51, BRCA1, BRCA2 (Brustkrebs Typ 2 Anfälligkeitsprotein) und PALB2 (Partner und Lokalisierer von BRCA2) überwacht werden können, um die HR-Effizienz zu bewerten, wird das Vorhandensein der Ku-Proteine oder 53BP1 als Marker von NHEJ(Abbildung 1)verwendet.

Während sich Proteine der DNA-Reparaturmaschinen gegenseitig bis zum Bruch rekrutieren und in Superkomplexen zusammensetzen, können DNA-Protein- und Protein-Protein-Wechselwirkungen abgeleitet werden, indem man ihrer individuellen Lokalisierung im Laufe der Zeit folgt und die Kolokalisierung von Proteinen analysiert, wie durch überlappende Signale in Zelle40,41,42visualisiert. In Zelllinien ermöglicht die Einführung von Punktmutationen oder das Löschen in bestimmten DNA-Reparaturgenen entweder durch Genombearbeitung oder durch Überexpression plasmidbasierter Mutanten die Untersuchung spezifischer Rückstände und ihre mögliche Rolle bei der Erkennung von DNA-Schäden (z. B. Kolokalisierung mit H2AX) oder komplexer Montage (Kolokalisierung mit einem anderen oder mehreren Proteinen) sowie deren Auswirkungen auf die DNA-Reparatur. Hier verwenden wir die indirekte Immunfluoreszenz als Mittel, um die Bildung und Auflösung von DSBs zu untersuchen, indem wir im Laufe der Zeit den H2AX-Brennpunkten folgen. Wir stellen auch ein Beispiel für die Foci-Bildung und Co-Lokalisierungsanalyse durch einen wichtigen Akteur in der DSB-Reparatur vor: p53 Binding Protein 1 (53BP1)32. Wie bereits erwähnt, 53BP1 gilt als zentral für DNA-Reparatur-Pfad Wahl. Nach 53BP1 Akkumulation und seine Co-Lokalisierung mit H2AX liefert wertvolle Informationen über Zellzyklusphase, DNA-Schadensakkumulation, und Weg verwendet, um DSBs zu reparieren. Der Zweck der indirekten Immunlokalisierung besteht darin, die Effizienz der REPARATUR von DNA-Schäden in Zelllinien nach IR wie in dieser Studie oder nach Exposition gegenüber verschiedenen Belastungen in der Zelle von der DNA-Vernetzung bis zur Blockierung der Replikationsgabel zu bewerten (eine Liste der DNA-schädlichen Mittel ist in Tabelle 1enthalten).

Figure 1
Abbildung 1: DNA Double Strand Breaks (DSB) Reparaturwege.
Die DSB-Reparatur umfasst zwei Hauptwege: Homologe Rekombination (HR, links) und Non-Homologous End-Joining (NHEJ, rechts). Nach der Pause werden Proteine aktiviert, um den Bruch zu markieren (H2AX), an der Endresektion (MRN) teilnehmen, die resezierte ssDNA (pRPA) beschichten, die Rekombination fördern (BRCA1, PALB2, BRCA2, RAD51) oder die Resektion begrenzen und NHEJ (53BP1) fördern. Andere Proteine nehmen an der Schadensreparatur teil, aber die aufgeführten Proteine werden routinemäßig mit indirekter Immunfluoreszenz gefolgt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

DNA-schädigendes Mittel Wirkmechanismus Empfohlene Dosis
A-Strahlen/Röntgenstrahlen Strahlung
Bildung von doppelsträngigen Brüchen mit einigen unkontrollierten zellulären Effekten
1-4 Gy
36 Ar ionen Strahlung
Bildung von Doppelstrandedpausen
270 keV/m
•Partikel Strahlung
Bildung von Doppelstrandedpausen
116 keV/m
Bleomycin Inhibitor der DNA-Synthese 0,4-2 g/ml
Camptothecin Inhibitor der Topoisomerase I 10-200 nM
Cisplatin Alkylierungsmittel
(induzierenintrastrande Querverbindungen)
0,25-2 m
Doxorubicin Intercalating-Agent
Inhibitor der Topoisomerase II
10-200 nM
Etoposide Inhibitor der Topoisomerase II 10 m
Hydroxyurea Inhibitor der DNA-Synthese
(durch Ribonukleotid-Reduktase)
10-200 m
Methylmethansulfonat Alkylierungsmittel 0,25-2 mM
Mitomycin C Alkylierungsmittel 0,25-2 m
Ultraviolettes (UV) Licht Bildung von Thymidin-Dimeren
(Erzeugung von Verzerrungen der DNA-Kette)
50-100 mJ/cm2

Tabelle 1: Genotoxische Mittel. Beispiele für DNA-schädigende Mittel, deren Wirkmechanismus und der verursachte Schaden auf der Grundlage der vorgeschlagenen Arbeitskonzentration.

Protocol

1. HeLa Zellkultur Rundglasabdeckungen mit 1 M HCl bei 50 °C für 16-18 Stunden vorbehandeln. Mit ddH2O abspülen und in 100% EtOH lagern. Zellkulturmedium vorbereiten: 10% (v/v) FBS zu DMEM medium hinzufügen. 4,0 x 104 Zellen/gut in steriler 12-Well-Platte mit einem 18 mm runden Glasdeckel bei 37 °C und 5%CO2 in einem befeuchteten Inkubator anbauen. Wachsen Sie Zellen bis zu 80% Koninfluenza (ca. 24 Stunden). 2. Zellbehandl…

Representative Results

Am Tag 2 oder 24 h nach der Aussaat von Zellen auf Deckellips haben die Zellen eine Teilung durchlaufen und sind zu 80% konfluent. Spezifische Knockdowns oder Mutationen in DNA-Reparaturproteinen können die Verdoppelungszeit erhöhen oder Zellen für eine genotoxische Behandlung sensibilisieren, und die Saatdichte sowie die Behandlungsdosen sollten entsprechend angepasst werden. Um die besten Arbeitsbedingungen zu bestimmen, kann der Zeitpunkt der Reaktion auf DNA-Schäden durch Western-Blotting von H2AX im Laufe der Ze…

Discussion

Die Analyse des Timings und der Effizienz der Reparatur von DNA-Schäden durch Mikroskopie hat sich als wesentlich erwiesen, um zu verstehen, wie die DNA-Reparaturmaschinerie funktioniert, in normalen Zellen und in menschlichen Pathologien wie Krebs.

Die Entwicklung spezifischer Antikörper, die den Nachweis aktivierter Proteine in ihrer phosphorylierten Version ermöglichen (z. B. H2AX, pRPA, pRAD50 und andere10,23,<sup cla…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium der San Antonio Area Foundation unterstützt. Das Mays Cancer Center wird vom NCI Cancer Center Support Core Grant P30 CA054174 unterstützt. Wir danken Stephen Holloway für seine Hilfe bei der Beschaffung der Reagenzien und dem Sung-Labor für die Bereitstellung von Platz- und Mikroskopiekapazitäten.

Materials

16% (v/v) paraformaldehyde (PFA) aqueous solution Electron Microscopy Sciences 15710 Microscopy quality of the PFA ensures best images. If using "home-made PFA", filter prior to use.
Bovine serum albumin (BSA) Sigma-Aldrich A3059 Heat-shock fraction is recommended, to avoid precipitation/background.
Coverglass #1, 18 mm round (coverslips) Neuvitro NC0308920 Coverslips need to be cleaned and sterilized prior using, with HCl or ethanol.
DMEM, High Glucose [(+) 4.5 g/L D-Glucose, (+) L-Glutamine, (-) Sodium Pyruvate] Gibco 11965118 Adjust the growing media to the needs of cell line used.
DPBS, no calcium, no magnesium Gibco 14190144 PBS for tissue culture.
Ethylene glycol-bis(β-aminoethyl ether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid (EGTA) Research Products International E57060 Nuclear extraction buffer.
Fetal Bovine Serum (FBS) Life Technologies 104370028 The quality of FBS can be assessed by testing gH2AX foci formation. If traces of genotoxic endotoxin are present in the batch, gH2AX will be positive in the absence of stress.
Magnesium chloride (MgCl2) Research Products International M24000 Nuclear extraction buffer.
Piperazine-N,N′-bis(2-ethanesulfonic acid) (PIPES) Research Products International P40150 Nuclear extraction buffer.
SlowFade Diamond Antifade Mountant with DAPI Invitrogen S36973 300 nM DAPI with VECTASHIELD Antifade Mounting Medium can be used instead.
Sodium chloride (NaCl) Research Products International S23020 Nuclear extraction buffer.
Sucrose Research Products International S24060 Nuclear extraction buffer.
Superfrost Plus Microscope Slides Fisherbrand 1255015 Polysine Slides can be used instead.
TC-Treated Multiple Well Plates, size 12 wells Costar 3513 Seeding on coverslips is done in 12-wells plate.
Triton X-100 AmericanBio AB02025 Nuclear extraction buffer.
TrypLE Express Enzyme (1X), No Phenol Red Gibco 12604021 Trypsin-EDTA can be used instead.
Trypsin-EDTA (0.5%), No Phenol Red Gibco 15400054 TrypLE can be used instead.

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de la Peña Avalos, B., Dray, E. Visualization of DNA Repair Proteins Interaction by Immunofluorescence. J. Vis. Exp. (160), e61447, doi:10.3791/61447 (2020).

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