* Estos autores han contribuido por igual
Reparación de roturas del DNA de doble cadena es un proceso dinámico, que requiere no sólo la formación de complejos de reparación en los descansos, pero también su resolución después de la lesión se trata. Aquí, utilizamos microscopia de la inmunofluorescencia para roturas de doble hebra transitorias y duradera como una herramienta para diseccionar este mecanismo de mantenimiento del genoma.
La reparación de roturas de doble hebra (distritales) en el ADN es un proceso altamente coordinado, que requiere la formación y resolución de los complejos de multi-proteínas reparación. Este proceso está regulado por una gran variedad de proteínas que promueven la asociación y disociación de las proteínas a estas lesiones. Gracias en gran parte a la capacidad para realizar pantallas funcionales de una vasta biblioteca de proteínas, hay una mayor apreciación de los genes necesarios para la reparación de rotura de ADN de doble cadena. Pantallas a menudo geneticamente o químico inhibidor identifican las proteínas implicadas en procesos de reparación mediante aumento de la toxicidad como un marcador para una proteína que se requiere para la reparación DSB. Aunque útil para identificables nuevas proteínas celulares involucradas en mantener la fidelidad del genoma, análisis funcional requiere la determinación de si la proteína de interés promueve la localización, formación o resolución de los complejos de reparación.
La acumulación de proteínas de reparación puede ser fácilmente detectada como distintos focos nucleares por microscopia de la inmunofluorescencia. Por lo tanto, asociación y disociación de estas proteínas en los sitios de daño del ADN pueden accederse mediante la observación de estos focos nucleares representante a intervalos después de la inducción de roturas del DNA de doble cadena. Este enfoque también puede identificar proteínas de factor de reparación mal localizada, si reparar los defectos no ocurren simultáneamente con incompletos retrasos en la reparación. En este escenario, roturas de DNA de doble cadena larga duración pueden diseñarse expresando una endonucleasa de corte raro (p. ej., SceI) en las células donde el sitio de reconocimiento para la enzima dijo se ha integrado en el genoma celular. La lesión resultante es particularmente difícil de resolver como reparación fiel será reintroducir sitio de reconocimiento de la enzima, lo que provocó otra ronda de escote. Como resultado, se eliminan las diferencias en la cinética de reparación. Si no se forman complejos de reparación, localización ha sido impedida. Este protocolo describe la metodología necesaria para identificar cambios en la cinética de reparación así como localización de la proteína de reparación.
Cada día, cada célula en el cuerpo humano es bombardeado con un estimado 10.000 lesiones de ADN1. Esta amenaza existencial nos pone en riesgo de mutaciones, oncogénesis, así como la célula muerte. Para proteger la fidelidad de genoma, células de mamíferos han evolucionado para responder a daños en el ADN con una compleja serie de asociaciones de proteínas y modificaciones. Esta respuesta está organizada en múltiples vías, conocidas colectivamente como la DNA daños respuesta (DDR)2,3. El DDR consiste en la acumulación de proteínas de reparación del ADN en las lesiones del ADN, coordinadas tanto temporal como espacialmente. DDR con frecuencia induce arresto del ciclo celular para evitar la propagación o la intensificación de los daños que pueden ocurrir durante la replicación del ADN dañado2,de4,5. A su vez, también es necesario para la viabilidad celular desactivar la detención del ciclo celular por desvincularlo complejos de reparación después de concluida la reparación.
Entre los distintos tipos de daños en el ADN, distritales son los más perjudiciales. Distritales de reparación, pueden fallar los cambios del cromosoma o eliminaciones a gran escala tales como la pérdida de los brazos del cromosoma entero. La reparación de los distritales se divide en dos vías6,7,8. Recombinación homóloga (HR) requiere una hermana cromosoma para utilizar como una plantilla de ADN y por lo tanto se limita a últimas fases S y G2/M del ciclo celular9,10. No homólogos se terminan uniendo (NHEJ) no tiene estas restricciones, pero puede causar pequeñas canceladuras al reparar distritales11,12.
Reparación de DSB específicamente y el DDR en general son áreas activas de investigación. A pesar de ser organizados en vías convenientemente separadas, hay una gran cantidad de redundancia. De hecho, muchas proteínas (BRCA1, BRCA2 y el EPR complejo por ejemplo) están implicadas en múltiples vías13,14,15,16. La reparación de una lesión por una vía, puede llevar a un daño intermedio que debe ser reparado por otro camino14. El entrelazamiento de estas vías, combinadas con su compleja tarea de reclutar las proteínas adecuadas para el lugar correcto para la cantidad exacta de tiempo necesario, requiere de un proceso regulador multi-con gradas.
Un informe reciente destaca las complejidades de DDR demostrando la formación de complejos de reparación, la resolución y localización de cada uno por separado que pueden deteriorada17. El objetivo general del siguiente protocolo es diseccionar definitivamente la capacidad de las células para reparación de DSB. Usando microscopia de la inmunofluorescencia, acumulación de proteínas de reparación en los sitios de daño puede ser visualizada en los puntos de tiempo representativo después de la inducción de los consejos escolares distritales.
Esta técnica tiene varias ventajas a los enfoques utilizados. Con frecuencia, es investigado en momentos solo e incapaz de representar el proceso dinámico de ensamblaje y disociación de complejos de reparación. Observar la gama completa de la reparación de la activación inicial de la resolución asegura que un retraso en la reparación no es identificado erróneamente como inhibición completa. Por el contrario, asegura que la inducción de una respuesta de reparación que no es capaz de inactivar dicha respuesta no identificado erróneamente como la normal o la activación excesiva.
Formación de complejos proteína retrasada y la localización errónea de proteínas de reparación, sin embargo, no se puedan claramente distinguir con este enfoque. Para determinar si las proteínas de reparación mal localizadas versus demora en su localización, se puede introducir un OSD de "larga duración" a través de la hendidura enzimática del ADN celular. La lesión resultante se corte de nuevo cada vez que se repara, resultando en un enfoque distinto reparación nuclear grande y eliminar la restricción temporal de contratación. Esto puede lograrse mediante la modificación de lo existente con el uso de una endonucleasa de corte raro (p. ej., SceI) para inducir un DSB de larga duración. La longevidad de los consejos escolares distritales permite la visualización de las proteínas de difícil reparación por microscopia de la inmunofluorescencia. La mayor abundancia también podría mejorar la visualización cuando la detección se ve obstaculizada por la limitación en la calidad de anticuerpos, una característica que puede ser útil cuando menos proteínas estudiadas se identifican como teniendo un impacto en la reparación del ADN.
En particular, ofrecemos instrucciones explícitas de una imagen libre procesamiento y análisis de software (por ejemplo, ImageJ). Esto elimina una barrera financiera importante en análisis de imagen, apertura de la interrogación de la reparación del daño de ADN a un público más amplio.
Nota: el presente Protocolo es escrito para U2OS celdas que contengan un-SceI reconocimiento sitio18. Las células no necesitan ser U2OS pero deben contener el sitio SceI. El protocolo puede necesitar ser ajustado (p. ej., número de células sembradas y tiempos de incubación) dependiendo del tipo de células utilizadas.
1. definir la cinética de formación de complejos de reparación DSB
2. Análisis de localización a una rotura de ADN de doble cadena de larga duración
La figura 1 muestra la selección de la discriminación de ruido correcto para la cuantificación de maxima/focos con ImageJ. Las imágenes combinadas de DAPI y la proteína de reparación del interés están en el panel izquierdo. Figura 1A muestra una discriminación de ruido de 90 y marca el número correcto de focos. Los núcleos en el borde (representado con una flecha de color rosa) y focos fuera de los núcleos (representados con una flecha amarilla) no cuentan en la cuantificación. Figura 1B representa una tolerancia de bajo nivel de ruido de 50. Numerosos máximos son identificados fuera del núcleo y dentro del núcleo. Figura 1 muestra una tolerancia de ruido alta de 220. Se detectó un solo foco (una flecha blanca). Para ofrecer al lector un sentido de "positivo" y resultados "negativos", también hemos recopilado resultados representativos en la figura 2. Específicamente, la figura 2A representa colocalización entre un foco de γ-H2AX (verde) y una proteína de reparación de interés (rojo). Asimismo, en la parte superior izquierda de este panel se muestra una célula untransfected y un celular con un enfoque no-nucleares (false) γ-H2AX se muestra en la parte superior derecha. Por favor nota que los micronúcleos asocian con maquinaria de daño del ADN son una fuente probable de estos focos no nuclear19. Figura 2B proporciona un aumento mayor de las dos células de la derecha de la figura 2A para proporcionar claridad en cómo se determinaron a ser interiores y exteriores al núcleo, respectivamente. En la figura 2se muestra un ejemplo de un enfoque de γ-H2AX nuclear sin la localización de una proteína de reparación. Un esquema de este protocolo se proporciona en la figura 3 que resume esta aproximación a la caracterización de reparación del ADN.
Figura 1 : Representante análisis de cinética de reparación de doble cadena DNA rotura. Imágenes representativas de γ-H2AX cuantificación de focos usando el software ImageJ (con formatos de Bio plugin). Los paneles de la izquierda son imágenes compuestas de núcleos (40 aumentos), teñidos azul DAPI y verde para γ-H2AX. Paneles central muestran referencia núcleos no analizados con γ-H2AX focos/maxima. (A) el panel de la derecha muestra la detección del maxima/focos con una tolerancia de ruido de 90 y es representante de la estimación real del número de focos dentro del núcleo. (B) el derecho panel muestra la cuantificación máxima con una tolerancia de poco ruido (50). Focos de maxima puede ser detectados fuera del núcleo (flecha amarilla), mientras que la mayoría de los máximos situados en el núcleo son las señales de fondo no específica. (C) el derecho panel muestra cuantificación maxima tolerancia de ruido alto (220). Sólo un máximo/foco (flecha blanca) se detecta dentro del núcleo y no es representativo de los focos dentro del núcleo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Representante SceI inducida por roturas de DNA de doble cadena. Imágenes representativas de los núcleos de las células cultivadas en cubreobjetos (40 aumentos). Los núcleos se tiñen de azul. Una proteína de reparación (RAD51) se tiñe de rojo y γ-H2AX se tiñe de verde. (A) los tres paneles mostrar los mismo tres células. En la izquierda panel de mayoría, los núcleos son visibles. En el panel central, se muestra coloración para RAD51. En el panel derecho, γ-H2AX coloración aparece. El núcleo en la esquina superior derecha no muestra que ningún signo de SceI inducida distritales. El núcleo en el centro (flecha rosa) representa un verdadero evento positivo ya que tiene un foco nuclear grande γ-H2AX y un foco nuclear de RAD51 Co localizado. El núcleo en el lado derecho tiene un enfoque falso grande γ-H2AX como extranuclear. Focos fuera del núcleo no deben utilizarse para el análisis de colocalización. (B) se trata de un aumento mayor de la imagen fusionada en parte A (centro y derecha mayoría de las células). El foco amarillo nuclear grande que indica la superposición de señal RAD51 y H2AX es denotado por la flecha rosa. (C) A imagen representativa de un foco nuclear de γ-H2AX sin co la coloración de la proteína de reparación de ADN de interés. A diferencia del enfoque que se denota con una flecha blanca en (A) y (B), la flecha amarilla muestra resultados típicos cuando las proteínas de reparación se impiden localizar a los sitios de daño. Barra de escala = 15 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Representación visual del protocolo para el análisis de reparación de rotura de doble cadena ADN. Pasos (1) representación del protocolo 1.1 para la siembra de células sobre cubreobjetos vidrio inferior placas. (2) ilustración de la inducción de doble cadena se rompe por tratamiento con peróxido de hidrógeno (derecha) o inducción de larga duración double-strand breaks por transferencia 3 μg de SceI. (3) representación de los pasos del protocolo 1.4 a 1.5.3 para visualización de roturas de doble cadena. (4a) imagen de microscopía confocal de células teñidas con DAPI (azul) y γ-H2AX focos (verde). (4b) imagen de singular γ-H2AX grandes focos (verde) otra vez núcleos tinción DAPI (azul). (5a) representación del análisis de focos de γ-H2AX con ImageJ (1.10.1–1.11.5 pasos de protocolo). (5b) Descripción de la cuenta manual de grandes focos de γ-H2AX duradero (paso de protocolo 2.4). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El análisis de ADN reparación de daños en general y la reparación de roturas del DNA de doble hebra es específicamente un área activa de investigación porque sus consecuencias abarcan tumorigenesis biología básica6,20. Datos de este manuscrito un enfoque que disecciona con precisión la contribución de proteínas RAD51 y H2AX γ a la resolución de los consejos escolares distritales a través de horas esperando, este método puede utilizarse para aclarar funciones adicionales de proteínas de reparación a los consejos escolares distritales14. La comparación de la cinética de reparación y la contratación de maquinaria de reparación-SceI inducida distritales entre las células control y las células con la proteína de interés noqueado, definiría la contribución de esa proteína a la selección, localización, y resolución de los factores de reparación para distritales.
Visualizar reparación cinética tiene varias ventajas sobre los métodos utilizados. Con frecuencia, reparación es investigada en puntos del tiempo solo, que es incapaz de representar el proceso dinámico de ensamblaje y disociación de complejos de reparación. Observar toda la gama de reparación de activación inicial a máxima resolución asegura que un retraso en la reparación no es identificado erróneamente como inhibición completa. Por el contrario, asegura la inducción de una respuesta de reparación sin la capacidad de inactivar que respuesta no es identificado erróneamente como activación normal o excesiva. Estos son en gran parte cambios en la aplicación de un enfoque establecido, pero el uso de una endonucleasa de corte raro para inducir un DSB de larga duración es una novedosa herramienta. Permite al investigador a determinar claramente si la localización de una proteína de reparación se inhibe en lugar de su reclutamiento se retrasó un período corto de tiempo, más allá de la conclusión del experimento. SceI inducida puede OSD persiste durante días y teóricamente como la enzima se expresa (la célula permanezcan viable). También se pueden observar la cinética de reparación DSB vía proyección de imagen de células vivas. Sin embargo, aunque en proyección de imagen de célula permite la detección de los eventos de reparación en tiempo real, su aplicación se ve obstaculizada por el requisito de que las proteínas marcado con un fluoróforo como GFP. Tal manipulación genética tiene el potencial de alterar la función de la proteína y representa una barrera técnica adicional.
Análisis de la imagen mediante software ImageJ pueden resultar engorroso para maestro. Las instrucciones paso a paso de reparación foco reconocimiento y cuantificación utilizando este software se proporcionan con la esperanza de eliminar este obstáculo para otros grupos. Esto podría llevar a la mayor utilización de lo software de gran alcance y eliminar el costo de los programas más caros en un momento de contracción de grupos de apoyo de subsidio federal.
En principio, la duración de estos distritales debe permitir la visualización de las proteínas de difícil reparación por microscopia de la inmunofluorescencia. Este podría ser el caso para proteínas que son difíciles de ver porque no acumulan en un alto suficiente concentración para ser detectado, por ejemplo, la persistencia de los resultados de OSD-SceI inducida en una mayor que la típica acumulación de proteínas de reparación en la lesión. La mayor abundancia también podría mejorar la visualización cuando la detección se ve obstaculizada por una limitación en la calidad de anticuerpos; una característica que podría ser particularmente útil cuando menos proteínas estudiadas se identifican como teniendo un impacto en el ADN de la reparación. Hasta la fecha, este enfoque ha sido verificado por 4 proteínas, es decir, RAD51 RPA70, BRCA1 y BRCA2 de reparación del ADN (datos no mostrados, figura 2y referencia17)
Por último, hay modificaciones que podrían introducirse en el presente Protocolo para ampliar los tipos de daños en el ADN que puede ser interrogado así como los ambientes celulares. La modificación más evidente sería cambiar la fuente o el tipo de daño del ADN inducido. La prueba del principio para el uso de UVB, radiación ionizante o radiomimetics (phleomycin, bleomicina y etopósido) para estudiar la cinética de reparación del ADN ya ha sido publicado18,19,23,24 , 25. con ligera modificación, este enfoque puede dilucidar respuesta de proteínas de reparación por NHEJ a distritales. alternativamente, Britton et al. describen una técnica de extracción previa que podría ser utilizado26. Además, son homing endonucleasas (-HmuI o BasI) que tienen sitios de reconocimiento extenso, similares a-SceI27de mellar. Distinguiéndolos de SceI, estas enzimas causan rupturas monocatenarias de DNA (SSBs). Introduciendo el sitio de reconocimiento para estas enzimas en una línea celular permitiría el análisis de la reparación SSB que es paralelo al protocolo descrito en este manuscrito para interrogar duradero distritales. en particular, el proceso de integración el reconocimiento SceI sitio y verificación de la introducción del sitio pueden ser laboriosos. Afortunadamente los avances en tecnología (tales como sistemas de verduras/Cas9) de edición genómica han facilitado esta carga28. También hay un campo de investigación activo que ha tenido éxito en ingeniería endonucleases autoguiados hacia el blanco en una genoma ubicación deseada, que sugiere que en el futuro, estos avances de la ingeniería y el uso de CRISPR/Cas9 puede llevar esta clonación paso a ser prescindible28,29.
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecemos a Joel Sanneman y Dr. Philine Wangemann de la base de la microscopia Confocal, financiado por el Kansas estado Universidad Universidad de medicina veterinaria, por su apoyo de los esfuerzos para desarrollar esta técnica. pCBASceI fue un regalo de Maria Jasin (plásmido Addgene # 26477) 30. Las células U2OS DR-GFP eran un regalo bueno Maria Jasin18.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
12mm Coverslips | VWR | 89015-725 | |
16% Paraformaldehyde (PFA) | ThermoFisher Scientific | 28908 | |
24-well plate | VWR | 82050-892 | |
96-well glass bottom plate | Cellvis | P96-1.5H-N | |
Anti-H2AX Alexa488 | EMD Millipore | 05-636-AF488 | |
Anti-Rad51 (D4B10) | Cell Signaling Technology | 8875S | |
Bio-formats plugin for ImageJ | National Institute of Health (NIH) | https://imagej.nih.gov/ij/plugins/index.html | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | VWR | 97061-416 | |
DAPI | ThermoFisher Scientific | D1306 | |
DMEM, High Glucose | ThermoFisher Scientific | 12100046 | |
EDTA | Invitrogen | 15576-028 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | VWR | 89510-194 | |
Goat Anti-Rabbit IgG Alexa594 | ThermoFisher Scientific | A-11012 | |
Hydrogen Peroxide | sigma-Aldrich | 216763-100ML | |
ImageJ Software | National Institute of Health (NIH) | https://imagej.nih.gov/ij/ | |
I-SceI Expression Vector | Addgene | 26477 | |
Nail Polish- Insta Dri | Sally and Hansen | Clearly Quick (103) | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Bio Basic | PD8117 | |
ProLong Gold Antifade Reagent | Life Technologies | P36930 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100-100ML | |
Trypsin-EDTA | Sigma-Aldrich | T4049-500ML | |
TurboFect Transfection Reagent | ThermoFisher Scientific | R0531 | |
Tween-20 | Fisher Scientific | BP337-500 |
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