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

Uracil-DNA Glycosylase בדיקה על ידי טיהור לייזר בסיוע מטריקס / יינון זמן טיסה ניתוח ספקטרומטריה מסה

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

שיטה לא מתויגת, לא רדיו-איזוטופית כדי לבדוק פעילות גליקוסילאז uracil-DNA פותחה באמצעות ספקטרומטריית מסה MALDI-TOF לניתוח מוצר ישיר apurinic / apyrimidinic המכיל אתרים. הבדיקה הוכיחה להיות די פשוט, ספציפי, מהיר, וקל לשימוש עבור מדידת גליקוזילאאז DNA.

Abstract

Uracil-DNA גליקוסילאז (UDG) הוא מרכיב מפתח במסלול תיקון כריתת הבסיס לתיקון של אורסיל שנוצר מ deamination הידרוליטי של ציטוזין. לכן, זה חיוני לתחזוקת שלמות הגנום. פותחה שיטה ספציפית מאוד, שאינה מתויגת, שאינה רדיו-איזוטופית, למדידת פעילות UDG. דופלקס דנ”א סינתטי המכיל אורסיל ספציפי לאתר נבקע על ידי UDG ולאחר מכן היה נתון לפירוק לייזר בסיוע מטריקס / יינון זמן טיסה ספקטרומטריה מסה (MALDI-TOF MS) ניתוח. הוקם פרוטוקול לשימור המוצר של האתר האפוריני/אפירימידיני (AP) בדנ”א ללא שבירת גדילים. השינוי בערך m/z מהמצע למוצר שימש להערכת הידרוליזת אורסיל על ידי UDG. מצע G:U שימש לניתוח קינטי של UDG שהניב את ה- Km = 50 nM, Vmax = 0.98 nM/ s, ו– Kcat = 9.31 s-1. יישום של שיטה זו למעכב גליקוסילאז uracil (UGI) בדיקה הניבה ערך IC50 של 7.6 pM. הספציפיות של UDG באמצעות uracil בעמדות שונות בתוך מצעים DNA חד גדילי כפול תקוע כפול הדגים יעילות מחשוף שונה. לפיכך, שיטת MALDI-TOF MS פשוטה, מהירה ורב-תכליתית זו יכולה להיות שיטת התייחסות מצוינת לגליקוסילות DNA מונו-תעשייתיות שונות. יש לו גם את הפוטנציאל ככלי עבור DNA גליקוסילאז מעכב הקרנה.

Introduction

למרות uracil הוא בסיס נורמלי ב RNA, זה נגע נפוץ מאוד mutagenic מאוד בדנ”א גנומי. אורסיל יכול לנבוע מזיהום הידרוליטי ספונטני/אנזימטי של דיאוקסיציטדין. בכל תא חי, זיהום זה מתרחש 100-500 פעמים ביום בתנאים פיזיולוגיים1,2. אם שינויים אלה אינם מתוקנים, יכול להיות שינוי בהרכב רצף ה- DNA, גרימת מוטציה. כמו uracil ב- DNA מעדיף לזווג עם dATP במהלך השכפול, אם ציטוסין deaminates כדי uracil, בשני אירועי שכפול, תהיה מוטציה חדשה G:C כדי A:T מעבר במחצית DNA הצאצאים3.

בין האסטרטגיות התאיות לשמירה על יציבות גנטית, תיקון כריתת בסיס (BER) הוא מנגנון חיוני המתקנת בסיסים פגומים, כגון אורסיל, ב- DNA4. BER הוא תהליך שמור מאוד אבולוציונית. ישנם שני מסלולי BER כלליים: מסלול התיקון הקצר המוביל למערכת תיקון של נוקלאוטיד יחיד ומסלול התיקון הארוך המייצר מערכת תיקון של לפחות שני נוקלאוטידים5. BER הוא מנגנון מתואם המתרחש במספר שלבים. הצעד הראשון ב- BER הוא ההידרוליזה האנזימטית של בסיס הנוקלאוטיד הפגוע על ידי גליקוסילאז DNA ספציפי לנזק כדי ליצור אתר ביניים אפורני /אפירימידיני (AP)6. זה ואחריו המחשוף של עמוד השדרה סוכר-פוספט באתר AP על ידי אנדונוקלאז, ניקוי של ה- DNA מסתיים על ידי ליאז, מילוי פערים על ידי פולימראז DNA, ואיטום הניק הסופי על ידי ligase5.

גליקוסיל-DNA (UDG) עובר הידרוליזה של האורסיל מדנ”א המכיל אורסיל עבור BER באשריצ’יה קולי. בדיקות UDG קונבנציונליות באמצעות DNA עם תווית רדיואקטיבית הכוללות טכניקות הפרדה שונות6,7,8,9,10,11,11,12,13 הן בדרך כלל גוזלות זמן, דורשות עבודה אינטנסיבית, עתירות עבודה, עם ריאגנטים יקרים לתיוג, הליכים מסובכים, ודורש הכשרה ותרגול אינטנסיביים כדי להפחית את הסיכונים של חשיפה לחומרים רדיואקטיביים. בדיקות oligonucleotide פלואורומטריות פותחו כתחליף לתיוג רדיואיזוטופ14, בנוסף למשואות מולקולריות וטכנולוגיית העברת אנרגיה תהודה של Förster15,16,17,18,19,20. עם זאת, תיוג ספציפי נדרש עבור כל השיטות הנ”ל. לאחרונה פותחו ביו-סנסורים נטולי תוויות21,22,23 ושיטות צבע המבוססות על היווצרות של G-quadruplex24,25,26. עם זאת, זוגות A:U מרובים או רצפים שתוכננו במיוחד בבדיקות מסבכים את הגדרת יחידת האנזים.

מלדי-TOF טרשת נפוצה היא טכנולוגיה שיכולה להיות שימושית מאוד בניתוח DNA. יישומים שפותחו כוללים גנוטיפינג נוקלאוטיד יחיד-נוקלאוטיד27,28, ניתוח נוקלאוטיד שונה29, וזיהוי ביניים של תיקון DNA30,31,32,33,34. MALDI-TOF MS צריך להיות מאומץ בקלות לניתוח גליקוסילאז DNA כדי לזהות מוצרי DNA המכילים אתר AP. עם זאת, אתרי AP בדנ”א נוטים להישבר בתנאים ניסיוניים רבים33. בדיקת UDG מוצגת כאן באמצעות MALDI-TOF MS כדי למדוד ישירות את הייצור באתר AP ללא רעש משמעותי של שבירת גדילים. שיטה זו ללא תוויות קלה לעבודה ויש לה פוטנציאל גבוה ליישום התרופות של הקרנת מעכבי גליקוזילאאז DNA.

Protocol

1. הכנת מצע/תבנית עיצוב מצע /תבנית דופלקס עם תוכן G+C מאוזן של ~ 50 ± 10% וטמפרטורת ההיתוך המינימלית של 50 °C (50 °F) עבור אזור הדופלקס.הערה: הבדל נוקלאוטיד אחד בין מצעים של 18 nt לבין תבניות 19 nt (טבלה 1 ואיור 1) מסייע לפרשנות טובה יותר של אותות טרשת נפוצה וחישול מ?…

Representative Results

תבניות ומצעיםאם ניקח אוליגונוקלאוטידים סינתטיים עם U במרכז (U+9) בשילוב עם תבנית G כדוגמה (איור 1A), בקרה ריקה של כמויות שיווימולריות של תבנית ומצע המכיל אורסיל יכולה לשמש לבקרת איכות של טוהר אוליגונוקלאוטיד סינתטי (איור 1B; האותות תואמים ל- m/z המיועד …

Discussion

מאמר זה מספק הליך מפורט לשימוש בשיטת בדיקת MS UDG MALDI-TOF MS לזיהוי ישיר של מוצרי DNA המכילים AP. היתרונות העיקריים של שיטה זו הם כי מצעים המכילים uracil הם ללא תוויות, מדרגי, קל לעבוד עם, ולאפשר גמישות רבה יותר בעיצוב מצע.

מיצוי פנול/כלורופורם המומלץ על ידי ספק UDG מאפשר השבתה של האנזים כד?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מודים למתקן הליבה המשולב NCFPB לגנומיקה פונקציונלית (טאיפיי, טייוואן) ולמעבדת הפרמקוגנומיקה של NRPB (טאיפיי, טייוואן) על התמיכה הטכנית שלהם. עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע והטכנולוגיה, טייוואן, R.O.C. [מספר מענק MOST109-2314-B-002-186 ל- K.-Y.S., רוב 107-2320-B-002-016-MY3 ל- S.-Y.C., MOST 110-2320-B-002-043 ל- W.h.F.]. H.-L.C. הוא מקבל מלגת דוקטורט מאוניברסיטת טייוואן הלאומית. מימון תשלום בגין גישה פתוחה: משרד המדע והטכנולוגיה, 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

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