O objetivo do presente protocolo é quantificar a reparação de ligações cruzadas de ADN-proteína definidas no plasmídeo. Lesado plasmídeos são transfectados em linhas de células de mamíferos destinatário e peso molecular baixo colhidas em vários pontos de tempo pós-transfecção. Cinética de reparo de DNA são quantificados usando a extensão de vertente específica da primeira demão, seguido por qPCR.
A finalidade desse método é fornecer uma técnica quantitativa, rápida e flexível para examinar a cinética de reparo de ADN-proteína crosslink (DPC) em linhas de células de mamíferos. Em vez de globalmente intra remoção de remoção de DPC cromossômica xenobiótico-induzido ou espontânea, este ensaio examina a reparação da lesão homogênea, quimicamente definida especificamente introduzida em um local dentro de uma carcaça de DNA do plasmídeo. Importante, esta abordagem evita o uso de materiais radioactivos e não é dependente de tecnologia altamente especializada ou cara. Em vez disso, ele conta com os procedimentos padrão de DNA recombinante e instrumentação (qPCR) reação em cadeia de polimerase em tempo real, quantitativo amplamente disponível. Dada a flexibilidade inerente da estratégia utilizada, o tamanho da proteína ligação cruzada, bem como a natureza da ligação química e o DNA preciso contexto sequência do site anexo pode ser variado para resolver as respectivas contribuições desses parâmetros para a eficiência global do reparo da DPC. Usando esse método, plasmídeos, que contém um site-specific DPC foram transfectados em células e baixo peso molecular de DNA recuperado em diversas vezes do pós transfection. DNA recuperado é sujeito a extensão de vertente específica da primeira demão (SEPI) usando um primer complementar para o fio danificado do plasmídeo. Desde a DPC lesão blocos Taq DNA polimerase, a proporção de DNA reparado para un-reparado pode ser quantitativamente avaliada utilizando qPCR. Limiares de ciclo (CT) são usados para calcular % reparar em vários pontos de tempo nas linhas respectivas células. Esse método SEPI-qPCR também pode ser usado para avaliar quantitativamente a reparação aduto de cinética de qualquer DNA polymerase de Taq que blocos.
Aqui descritos é um ensaio de PCR-baseados do denominado SEPI-qPCR. A finalidade desse método é quantificar a reparação da DPC no plasmídeo que DNA transfectada em células de mamíferos reparação deficiente e proficiente. Este ensaio é rápido, quantitativo, extremamente flexível, e diretamente medidas reparar a atividade. Enquanto este relatório centra-se sobre a utilização desta metodologia para estudar a reparação de DPCs, os resultados apresentados a seguir ilustram que a reparação de qualquer lesão que bloqueia Taq polimerase pode ser estudada usando esta metodologia.
A lógica por trás do desenvolvimento desse método é obter conhecimento sobre os mecanismos através dos quais pilhas mamíferas reparar DPCs. Ao contrário de outros tipos de dano do ADN, DPCs são maciçamente diversas1,2. Estudos têm demonstrado que centenas de proteínas celulares podem tornar-se ligado ao DNA e que para cada proteína são, em princípio, inúmeras correntes laterais de aminoácido que poderiam tornar-se covalentemente ligadas para o celular de DNA3. Além disso, há numerosos pontos de fixação química de proteínas para a espinha dorsal de DNA, incluindo várias posições sobre as bases de nucleotídeos, bem como sobre a de4,de açúcar ribose5. Esta diversidade química gera a perspectiva de que vias bioquímicas distintas podem ser invocadas para reparar diferentes tipos de DPCs. Foi com esta preocupação em mente, que foi desenvolvido o ensaio da SEPI-qPCR.
Várias técnicas têm sido desenvolvidas para obter conhecimento sobre a biologia molecular do celular reparação DPC. A seguir fornece uma visão geral das principais abordagens que têm sido desenvolvidos, com um resumo dos principais pontos fortes e fracos de cada possui. Vale ressaltar que enquanto este resumo enfoca estudos de reparação DPC em sistemas de cultura de células de mamíferos, contribuições significativas para o modelo atual de reparação DPC foram feitas usando sistemas microbianos e livre de células que não são discutidos neste manuscrito.
Talvez a estratégia mais fácil que pode ser tomada para obter conhecimento sobre a genética do reparo DPC é avaliar a respectiva sensibilidade à morte celular observada nas células tipo selvagem e mutantes, expostas a agentes que induzem DPCs6,7. Esta estratégia é relativamente rápido, barato e não requer conhecimentos especializados, além da capacidade para executar técnicas de cultura de célula básica. Contrabalançar estas vantagens é inúmeras limitações dessa abordagem, incluindo o seguinte. Primeiro, o ensaio não mede diretamente reparação do DNA. O pressuposto de trabalho subjacente a esta estratégia é que resulta em acúmulo de DNA inactivar as mutações em genes que codificam proteínas de reparação de DNA relevantes dano que desencadeia a morte celular programada. No entanto, mutações em genes que codificam proteínas de reparo de ADN poderiam, em princípio, aumentar (ou reduzir) sensibilidade celular à morte celular induzida por xenobiótico. Em segundo lugar, a agentes que criam DPCs invariavelmente induzem outros tipos de danos ao DNA (uma exceção é 5-aza-2′-deoxycytadine, mas este agente também esgota methyltransferase celular níveis8). Consequentemente, é concebível que a hipersensibilidade celular melhorada para o agente em questão pode refletir defeitos no reparo de interstrand ligações cruzadas ou outras lesões. Em terceiro lugar, como foi mencionado acima, DPCs representam uma classe muito heterogênea composta de diferentes tipos de ligações químicas cruzadas, envolvendo parceiros de diferentes proteínas. É possível que enquanto a reparação de um ou mais subtipos dessas lesões pode ser alterada em um determinado fundo genético, esta diferença pode não ser suficiente para alterar significativamente a hipersensibilidade celular à morte induzido por este agente. Em resumo, enquanto esta estratégia representa um atraente ponto de partida, as limitações acima descritas destacam a importância de perseguir outras formas mais diretas para estudar a cinética de reparação DPC.
Uma série de abordagens relacionadas foram desenvolvida para alcançar este objectivo. Por exemplo, os investigadores desenvolveram métodos para distinguir entre DNA ‘livre’ e ‘ligados a proteína’ DNA9,10,11. Usando essas abordagens, é possível comparar os níveis de estado estacionário de DPCs ou seguir a exposição a um agente DPC-produzindo em diferentes origens genéticas. As duas estratégias que têm sido mais amplamente utilizadas envolvem separar DPC-contendo DNA de DNA gratuito, utilizando uma estratégia de vinculação de membrana de nitrocelulose ou KCl/SDS precipitação12,13. A primeira abordagem células são lysed e passadas através de um filtro de nitrocelulose. Porque nitrocelulose vincula a proteína, o filtro mantém o DNA proteína ligada, permitindo o DNA livre a passagem. Na estratégia de último ligados a proteína DNA é separado do DNA gratuito baseado no fato de que SDS liga a proteína, mas não de DNA e pode ser precipitado pela adição de KCl. Por conseguinte, DNA proteína ligada torna-se insolúvel enquanto desacoplado DNA permanece em solução. DPC-contendo DNA pode então ser quantificado utilizando timidina radiolabeled (se as células metabolicamente inicialmente foram rotuladas) ou por uma tintura fluorescente DNA-seletiva como Hoechst 33258. Esses métodos são reprodutíveis e exigem um pequeno número de etapas. No entanto, eles não fornecem informações sobre a natureza do crosslink química através da qual a proteína é anexada ao DNA. Além disso, é importante observar, estes ensaios podem superestimar DPC reparar marcando falsamente reparo incompleto, ou seja, proteolíticas processamento de ligações cruzadas de DNA-peptídeo menores que não podem ser facilmente preso ou precipitado, como autêntico DNA reparação.
Ensaios de cometa podem ser usados para visualizar a formação da DPC em células14. Nesses experimentos, a presença de DPCs diminuir a migração do DNA que então pode ser revertida por pretreating com proteinase K. Portanto, o comprimento da cauda pode ser usado para estimar a formação de DPC. No entanto, como mencionado acima, drogas formadoras de DPC criam outros tipos de danos no DNA que poderiam alterar o comprimento da cauda. Este protocolo também é altamente técnico e exige especialização e treinamento em imagiologia confocal.
Espectrometria de massa pode ser usada para estudar a cinética de reparação DPC após o tratamento com agentes de reticulação15,16,17. Estas experiências tratam células com DPC-formando agentes e isolar DPCs através de extração de biotina captura ou fenol: clorofórmio (1:1). Espectrometria de massa, em seguida, pode ser usada para identificar as proteínas de ligação cruzada ou dosar a quantidade de DPCs formado ao longo do tempo. A principal vantagem desta abordagem é a natureza dos dados produzidos. É possível precisamente catálogo dos tipos de proteínas que se tornam quitosana após a exposição a um xenobiótico, no entanto, este protocolo é caro, demorado e é limitada pelo tipo de referência cruzada que pode ser detectado.
Et al . Maizels desenvolveu um RADAR’ sensível’ (aproximação rápida de DNA aduto recuperação) ensaio para dosar immunodetection de ADN-proteína adutos bem como um ensaio de ELISA-baseado RADAR18,19. Estes ensaios são especialmente úteis para aprisionando intermediários de ADN-proteína que transitoriamente formam-se nas células e geram amostras adequadas para espectroscopia de massa identificar a nova proteína adutos. Este ensaio de immunodetection depende da disponibilidade de anticorpos para capturar o crosslink ADN-proteína e, portanto, pode não ser capaz de detectar DNA degradado-peptídeo adutos que se formam durante a reparação. Recentemente, um DPC específica reparação via ligada à replicação do DNA e um DNA-dependente metalloprotease Spartan foi descoberto quais DPCs são proteolyzed péptidos menores durante a reparação20,21. Mutações herdadas neste gene estão associadas com síndrome Ruijs-Aalfs em humanos, uma doença caracterizada pela instabilidade genômica, envelhecimento prematuro e câncer de fígado22. Ratos com o gene espartano geneticamente defeitos exibem semelhante fenótipos23.
Reativação de célula hospedeira de atividade transcricional tem sido usada para estudar a reparação de lesões definidas presentes no DNA de plasmídeo transfectadas substratos24,25. Nesses experimentos, o plasmídeo contendo DPCs (ou outros tipos de lesões do ADN) que bloqueiam a transcrição de um repórter, como a luciferase, são transfectadas em células. Medições de luminescência tomado 24-72 h depois então estão correlacionados com DPC reparar. No entanto, estes ensaios de reparação indirecta são incapazes de detectar eventos de reparo mais cedo do que de transfeccao pós 24h e não conseguem distinguir entre RNA polimerase bypass de substratos parcialmente reparados e reparo completo.
Cada um dos métodos descritos acima tem vantagens e tem contribuído para o atual modelo de reparação DPC. No entanto, o ensaio da SEPI-qPCR contorna várias das limitações associadas com estas outras abordagens e, consequentemente, pode fornecer insights mais específico sobre mecanismos de reparo do DPC. Por exemplo, o ensaio da SEPI-qPCR diretamente pode medir reparação de DPCs site-specific no DNA em células de mamíferos intactas. Este método é versátil e tem sido usado para obter resultados de reparação após transfecção em hamster e linhas de células humanas. Transfecção do plasmídeo pode ser executada usando lipofection ou eletroporação em linhas de células de mamíferos cultivadas. Ele também garante que a única reparação de DPCs definidos é medida, e não outros tipos de danos no DNA induzidos por maioria DPC-formação de agentes. A SEPI-qPCR é rápida, barata e fácil de executar. Os resultados obtidos neste ensaio detectaram reparação eventos tão cedo quanto do pós-transfection 2h. Usando esse método, variáveis que podem influenciar os resultados de reparação DPC podem ser estudadas de forma sensível e eficiente. Por exemplo, o papel da transcrição em reparação DPC ainda tem que ser rigorosamente avaliados. Devido à flexibilidade do ensaio SEPI-qPCR, o site de reticulação da DPC pode ser manipulado para abordar esta questão. Além disso, a introdução de uma origem de replicação para o plasmídeo DPC-rolamento pode ser usada para abordar a influência da replicação em reparação DPC. Além disso, várias ligações cruzadas podem ser criadas no plasmídeo para examinar diferenças na reparação de um único DPC contra várias ligações cruzadas. Estas são perguntas que seriam difícil de responder usando DNA cromossômico, mas podem ser facilmente resolvidas usando o ensaio de SEPI-qPCR. No geral, o ensaio da SEPI-qPCR requer purificado, DNA do plasmídeo em quantidades micrograma contendo uma lesão de um local conhecido. Adutos além de DPC pode ser usado neste ensaio, no entanto, a lesão deve ser capaz de bloquear a extensão pelo polymerase de Taq.
O método SEPI-qPCR oferece inúmeras vantagens sobre outras abordagens examinando-se a reparação de uma população homogênea, contendo uma única lesão DPC definida. Vale ressaltar que além de controlar a identidade da proteína e o tipo de crosslink química usada para se conectar a proteína ao DNA, é possível manipular facilmente no contexto de sequência em que a lesão DPC é introduzida. Nós exploramos a influência na reparação do DPC de introdução a lesão em qualquer modelo ou codificação vertente de um plasmídeo a jusante de um locus promotor ativo. Da mesma forma, estamos no processo de investigar a influência na reparação do DPC de replicação usando um plasmídeo M13 que contém uma origem de replicação transfectada em células HEK293T do SV40. O ensaio aqui descritos, diretamente, reparação DPC medidas, ao contrário de outras estratégias como a reativação de célula do hospedeiro que indiretamente estimativas reparar atividade24,25. Além disso, o sistema é robusto, sensível e quantitativa. Ao contrário de outros sistemas, que medem a remoção da DPC, este ensaio só detecta eventos de reparo completo, ou seja, exige não só que a lesão DPC ser removidos, mas que a integridade do DNA duplex estar totalmente restaurada17. Isso ocorre porque sites básica e cortes ou quebras na espinha dorsal fosfodiéster bloqueiam o ensaio tão eficazmente como o original de lesão DPC29.
Enquanto este relatório se concentra em um determinado tipo de DPC, que foi criado por interceptação de boro-hidreto de uma reacção enzimática intermediária, estamos atualmente desenvolvendo abordagens para estudar o reparo de DPCs envolvendo outras proteínas e lesões em que a ligação de proteínas para o DNA ocorre através da base nucleosídeo, ao invés da posição de ribose. Usando aminação redutora, criamos ligações cruzadas de proteínas e peptídeos ligadas à guanina ou citosina base de um DNA primer30. Estes oligonucleotídeos foram purificados de homogeneidade e usados para gerar supercoiled plasmídeos contendo ligações cruzadas do DNA-proteínas e DNA-peptídeo. Enquanto a eficiência destas reações é um pouco reduzida em relação ao que da oxoguanine glycosylase crosslink abordagem descrita no detalhe acima, eles, no entanto, foram bem sucedidos e permitem a análise da reparação destes substratos em selvagem-tipo e linhas de reparação deficiente pilha mamífera nucleotídeo excisão. Também usamos o ensaio da SEPI-qPCR para estudar a reparação de lesões oxoguanine e um conjugado de ribose-colesterol sintético, que anteriormente foi mostrado para ser reparado através do nucleotídeo celular excisão reparação máquinas31. Conforme a Figura 2 mostra graficamente, reparação de qualquer lesão que extensão da primeira demão de blocos pelo polymerase de Taq pode, em princípio, ser medido usando o ensaio de SEPI-qPCR.
Modelos atuais de reparação DPC sugerem que maiores DPCs (> 10 kDa) estão sujeitos a processamento proteolítica menor lesão de peptídeo antes da remoção de32,33,34. Candidatos mais prováveis responsáveis por esta proteólise são a Proteassoma ou uma protease específica em células humanas, chamado Spartan20,21,35,36,37, 38. outras investigações sobre os papéis dessas proteases podem ser realizadas usando o ensaio de SEPI-qPCR. Inibidores do Proteassoma poderiam ser usados para o pré-tratamento de células antes de transfecção com substratos contendo DPC. Alternativamente, linhas celulares knockdown espartano poderiam transfected com plasmídeos danificados para elucidar seu papel na proteólise de DPCs maiores.
Independentemente do método usado para criar o crosslink ou da natureza da lesão do DNA, é salientar que a metodologia SEPI-qPCR depende criticamente a capacidade de gerar quantidades substanciais de substrato de DPC-plasmídeo homogênea. Passos essenciais para esta análise incluem purificação de covalentemente, plasmídeo circular fechado após a extensão da primeira demão para eliminar qualquer cortado ou moléculas lineares do plasmídeo. Estes contaminantes devem ser eliminados para garantir que qualquer reparação DPC subsequente observada não é devido a processos de reparação de ruptura-dirigido dirigido por nick ou dobro-costa. Falha ao obter quantidades suficientes de DNA supercoiled seguindo as reacções de extensão da primeira demão pode ser superada variando a razão do oligonucleotide para single-stranded DNA. Mais um importante passo para o método SEPI-qPCR, é a eficiência de reticulação da proteína para o plasmídeo. Neste estudo, utilizou-se uma reação enzimática, eficiente para crosslink a proteína de glycosylase de oxoguanine para uma lesão de 8-oxo-guanina. Reticulação sub ideal pode ser melhorada, variando a quantidade de proteína adicionada para a reação.
Enquanto os resultados descritos neste relatório baseou-se na lipofection para introduzir substratos de reparação DPC em células destinatários, não há nenhuma razão, a priori, outros métodos de transfections não podem ser empregados. Nós temos realizado estudos preliminares e observou que aquele electroporation39 também pode ser usado. No entanto, é interessante notar que em nossa experiência, eficiência de transfeccao eletroporação é reduzida em comparação com lipofection, e achamos necessário usar DNA portador (até 5 µ g) Além a 1,5 µ g de DPC substrato para obter dados de reparação. No geral, o método SEPI-qPCR descrito acima fornece uma forma inovadora de exclusivamente examinar reparação DPC no plasmídeo e gerar novos insights sobre a resposta de dano do ADN.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi financiado pelo National Institutes of Health (ES023350). Lisa Chesner é suportado pelo subsídio de formação 5T32HL007741. Agradecemos a Natalia Tretyakova (Universidade de Minnesota) e Ashis Basu (Universidade de Connecticut) e seus membros de laboratório para apoio e aconselhamento técnico durante o início e estágios intermediários deste trabalho.
8-oxoguanine modified oligo | Midland Certified Reagent Company | NA | Sequence: 5’AGGGTTTTCCA (8-oxo-dG)TCACGACGTT 3’ |
T4 PNK | NEB | M0201S | |
Single-stranded M13 | NEB | N4040S | |
Taq polymerase | NEB | M0267L | |
ATP, 100mM | Thermo Scientific | R0441 | |
dNTP Mix, 10mM each | Thermo Scientific | R0192 | |
BSA | NEB | B9001S | |
T4 polymerase | NEB | M0203L | |
T4 ligase | NEB | M0202L | |
β-agarase | NEB | M0392S | |
Oxoguanine glycosylase 1 | NEB | M0241S | |
SYBR Green PCR Master Mix | Applied Biosystems | 4309155 | green PCR master mix |
Primer R | UMN Genomic Center | NA | 5’CGGCTCGTATGTTGTGTG 3’ |
Primer L | UMN Genomic Center | NA | 5’ GCTGCAAGGCGATTAAGT 3’ |
Lipofectamine Reagent | Invitrogen | 18324-012 | transfection reagent |
BspD1 | NEB | R0557S | |
NEB buffer 2 | NEB | B7002S | |
StepOnePlus Real Time PCR System | Applied Biosystems | 4376600 | |
UltraPure Buffer-Saturated Phenol | Invitrogen | 15513-047 | |
Chloroform, reagent ACS, spectro grade | ACROS | 40463-5000 |