La combinaison de préparations de halo d’ADN avec l’hybridation in situ par fluorescence permet une analyse à haute résolution des interactions génomiques avec le nucléosquelette. Le génome attaché conduit à des signaux fluorescents hybridés situés dans les noyaux extraits résiduels, tandis que le génome non attaché est dans le halo d’ADN entourant les noyaux résiduels.
Le génome est associé à plusieurs structures à l’intérieur des noyaux cellulaires, afin de réguler son activité et de l’ancrer à des endroits spécifiques. Ces structures sont collectivement connues sous le nom de nucléosquelette et comprennent la lame nucléaire, les nucléoles et les corps nucléaires. Bien qu’il existe de nombreuses variantes de l’hybridation in situ en fluorescence (FISH) pour étudier le génome et son organisation, elles sont souvent limitées par la résolution et fournissent des informations insuffisantes sur l’association du génome avec les structures nucléaires. La méthode du halo d’ADN utilise des concentrations élevées de sel et des détergents non ioniques pour générer des boucles d’ADN qui restent ancrées aux structures des noyaux par le biais de régions d’attachement dans le génome. Ici, les protéines nucléaires solubles, telles que les histones, les lipides et l’ADN qui ne sont pas étroitement liés à la matrice nucléaire, sont extraites. Cela conduit à la formation d’un halo d’ADN non attaché entourant un noyau résiduel qui contient lui-même de l’ADN étroitement associé à des structures nucléaires internes et à des protéines résistantes à l’extraction. Ces brins d’ADN étendus permettent une résolution accrue et peuvent faciliter la cartographie physique. En combinaison avec FISH, cette méthode présente l’avantage supplémentaire d’étudier les interactions génomiques avec toutes les structures par lesquelles le génome est ancré. Cette technique, appelée HALO-FISH, est très polyvalente où les halos d’ADN peuvent être couplés à des sondes d’acide nucléique pour révéler les loci de gènes, les chromosomes entiers, les satellites alpha, les télomères et même l’ARN. Cette technique donne un aperçu de l’organisation et de la fonction nucléaires dans les cellules normales et de la progression de la maladie comme avec le cancer.
La « matrice nucléaire » a été décrite pour la première fois par Berezney et Coffey en 19741. Après avoir effectué des extractions avec des molarités salines élevées et un traitement par nucléase sur des noyaux de foie de rat, ils ont identifié un cadre structurel protéique. La procédure du halo d’ADN a ensuite été adaptée à partir de cette méthode et implique l’élimination des protéines solubles de sorte que seules la matrice nucléaire (NM) et les protéines et chromosomes associés au NM persistent. Les régions d’attachement de l’ADN sont situées à la base des boucles d’ADN et sont appelées régions attachées à la matrice (MAR) ou régions d’attache d’échafaudage (SAR), qui sont résistantes à l’extraction avec des concentrations élevées de sel et de détergent ionique lithium-3,5-diiodosalicylate (LIS) respectivement. Dans les halos d’ADN, l’ADN associé aux MAR/SAR est lié dans le noyau résiduel tandis que les boucles d’ADN s’étendent loin de ces sites et forment le halo d’ADN. Nous savons maintenant que le génome est ancré via des domaines associés à la lame nucléaire (LAD) à la lame nucléaire et à travers des régions associées nucléolaires (NAD) et éventuellement à travers d’autres structures nucléaires telles que des corps nucléaires spécifiques.
La méthode du halo d’ADN peut être utilisée pour la cartographie physique de l’ADN, des gènes et des régions chromosomiques car l’ADN étendu et la chromatine offrent une plus grande résolution car la chromatine est dépouillée des histones et l’ADN est étiré 2,3,4,5,6. Cependant, il existe certaines limitations lors de l’utilisation de halos d’ADN pour cette application. Par exemple, l’ADN étroitement associé aux noyaux résiduels des halos d’ADN peut être inaccessible aux sondes, ce qui l’empêche de procéder à l’analyse et à la cartographie physique6. D’autres techniques telles que la fibre-FISH 2,4,5,7 et le peignage moléculaire 8 permettent également une cartographie physique et ont l’avantage d’être relativement rapides et faciles à réaliser. Les deux sont utilisés de préférence pour la cartographie de l’ADN des gènes sur les halos d’ADN. Ces méthodes extraient les fibres de chromatine via l’utilisation d’extractions par solvant ou sel du noyau, cependant, le peignage moléculaire tend à avoir une meilleure reproductibilité 8,9.
Il existe de plus en plus de preuves que le nucléosquelette joue un rôle dans le soutien de processus nucléaires clés, tels que les sites de fixation de l’ADN, le remodelage de la chromatine, la transcription de l’ADN, la réparation de l’ADN et la réplication de l’ADN11,12. En tant que telle, la technique du halo d’ADN a été développée pour étudier les interactions entre le nucléosquelette et le génome au cours de ces activités cellulaires et a été couramment utilisée et rapportée dans la recherche. Cette technique a également été utilisée pour étudier les interactions entre le génome et le nucléosquelette en relation avec la progression de la maladie avec des changements associés à la malignité dans la structure nucléaire identifiés11.
La technique du halo d’ADN a également été utilisée pour étudier la relation entre le génome et le nucléosquelette au cours du développement et de la différenciation12. Un certain nombre d’études ont utilisé une variante de la technique du halo d’ADN connue sous le nom d’halosperme13 ou SpermHalo-FISH si elle est couplée à FISH14. La chromatine des spermatozoïdes est étroitement liée aux protéines connues sous le nom de protamines et cette technique a été développée pour améliorer l’accès à l’ADN des spermatozoïdes. L’halosperme a été utilisé pour étudier l’intégrité de l’ADN des spermatozoïdes et déterminer si des dommages à l’ADN sont présents. Les spermatozoïdes avec moins de dommages à l’ADN sont corrélés à une plus grande taille de halo d’ADN, tandis que les spermatozoïdes avec des niveaux accrus d’ADN fragmenté et endommagé avaient de petits halos ou pas du tout. Ainsi, l’halosperme peut être utilisée comme marqueur pronostique potentiel de la qualité de l’embryon et de la réussite de la grossesse avec la FIV13. Cet exemple met l’accent sur les applications cliniques potentielles de cette technique. Dans notre travail, nous avons utilisé HALO-FISH pour évaluer les changements dans le comportement du génome et l’effet de traitements médicamenteux spécifiques dans la maladie du vieillissement prématuré Syndrome de Hutchinson-Gilford Progeria (HGPS)15.
Ensemble, ces études, et d’autres, mettent en évidence l’étendue des processus / applications que la technique du halo d’ADN peut être utilisée pour étudier et l’utilité de la technique.
La méthode du halo d’ADN est une excellente méthode de choix pour analyser les interactions entre le nucléosquelette et le génome, mais certaines étapes critiques doivent également être respectées. L’un des paramètres les plus importants est l’optimisation de la densité d’ensemencement cellulaire. Si les cellules deviennent confluentes, les halos d’ADN se chevaucheront avec les cellules voisines, ce qui rendra impossible l’analyse. Le CSK et les tampons d’extraction doivent toujours être renouvelés le jour de l’utilisation avec de la spermine, de la spermidine et de la digitonine ajoutées au tampon d’extraction à la fin du processus de préparation pour maintenir leur activité biologique. Si vous effectuez Halo-FISH, il est extrêmement important d’utiliser la température de dénaturation correcte des halos d’ADN pour permettre à la sonde ou à la peinture de s’hybrider par la suite.
La microscopie électronique a été utilisée pour visualiser la matrice nucléaire, les structures filamenteuses étant identifiées20. Cependant, la microscopie électronique est limitée car les associations matricielles avec la chromatine ne peuvent pas être facilement déduites. En effet, la méthode DNA Halo est plus polyvalente que la microscopie électronique car des gènes, des chromosomes et des états cellulaires spécifiques peuvent tous être examinés. En outre, l’analyse protéomique des protéines de la matrice nucléaire est à l’étude21,22. Cette méthode est bonne pour comparer les composants de la matrice nucléaire, en particulier lors de la comparaison de cellules malades, mais elle ne fournit pas la distribution spatiale et les attachements mis en évidence par la technique standard DNA Halo.
Les tests ADN Halo ont des limites. Tout d’abord, lorsque la matrice est extraite, cela ne peut être effectué que sur des cellules fixes, de sorte que l’imagerie en direct n’est pas possible. Bien que la méthode DNA Halo soit relativement rapide et facile à réaliser, le processus global peut prendre beaucoup de temps lorsque la culture cellulaire, la génération de sonde, Halo-FISH et l’analyse sont toutes prises en compte.
La capture d’images de DNA Halos et de HALO-FISH à l’aide de la microscopie à super-résolution améliorerait considérablement la résolution des sondes et des anticorps spécifiques à l’ADN. En outre, comme les fluorochromes peuvent être résolus plus facilement spectralement, il peut être possible d’utiliser un certain nombre de sondes ADN dans une seule expérience, fournissant encore plus d’informations. Des améliorations dans les techniques de biologie moléculaire telles que la capture de conformation chromosomique (3C) ont été utilisées pour déterminer les interactions des loci de gènes et analyser l’organisation spatiale de la chromatine dans la cellule. Les tests DNA Halo et 3C peuvent être combinés, un terme connu sous le nom de M3C23, démontrant à nouveau l’adaptabilité de la technique DNA Halo.
Les données originales présentées ici visent à démontrer les possibilités d’interrogation du comportement du génome et comment présenter ces données. Avec ces données, nous avons démontré qu’il est possible de déterminer des différences significatives dans l’attachement du génome en utilisant (1) des sondes de peinture chromosomique, dans cette étude révélant que le chromosome 18 est le chromosome le moins attaché parmi ceux analysés (Figure 3); (2) Loci géniques présentant des différences significatives entre deux loci géniques et (Figure 4) (3) Télomères, qui sont moins fortement attachés dans les cellules quiescentes que les cellules proliférantes et sénescentes (Figure 5). Nous sommes en mesure de différencier les cellules proliférantes et non proliférantes grâce à la présence du marqueur de prolifération antigène Ki67 qui est une protéine insoluble qui reste donc avec les noyaux résiduels ou en utilisant l’incorporation de nucléotides pour mettre en évidence les cellules qui ont traversé la phase S dans un laps de temps spécifique (Figure 2). Cette technique nous a également permis d’analyser le comportement du génome dans les cellules qui sont compromises dans leurs nucléo-squelettes, c’est-à-dire les cellules de laminopathie, et ici et dans Bikkul et al., 2018, nous révélons que le génome peut être moins étroitement attaché par rapport aux cellules témoins et peut être restauré lors du traitement avec des médicaments spécifiques qui améliorent l’effet de la mutation lamin A dans les cellules HGPS classiques15. Cependant, nous montrons ici de nouvelles données pour les cellules HGPS AGO8466 atypiques, dépourvues d’une mutation lamin A mais contenant une forme inhabituelle de la protéine complexe LINC SUN1 19 dans laquelle le chromosome13 est moins étroitement attaché (Figure 6).
HALO-FISH est une méthode unique qui permet l’étude des interactions génomiques avec le nucléosquelette en combinaison avec l’immunofluorescence indirecte pour résoudre les protéines non retirées de la procédure d’extraction. Il a été démontré que le nucléosquelette est modifié dans diverses maladies telles que certains types de cancer19 et l’importance de certaines protéines associées au nucléosquelette comme biomarqueurs diagnostiques24,25. Ainsi, cette technique a un rôle important dans l’examen de l’effet du nucléosquelette sur l’organisation/désorganisation de la chromatine dans la maladie 15,24,25,27 et n’est pas limitée aux cellules humaines, avec des sondes de peinture chromosomique d’autres animaux, le même protocole ADN-halo pourrait être utilisé 28.
The authors have nothing to disclose.
Nous tenons à remercier le professeur Michael Bittner pour l’aimable cadeau des sondes de peinture de bras chromosomiques. LG a été soutenu par le projet EURO-Laminopathies financé par l’UE et le Fonds de recherche Brunel Progeria.
10X PBS | Thermo Fisher Scientific | 10388739 | Used to create DNA halos |
5-bromo-2′-deoxy-uridine | Sigma-Aldrich | B5002-100MG | Labelled nucleotide |
5-Fluoro-2′-deoxyuridine | Sigma-Aldrich | F0503-100MG | Labelled nucleotide |
Agar Technical | Thermo Fisher Scientific | 15562141 | DNA isolation of BAC clones |
Agarose | Sigma-Aldrich | A939-50G | Check product size of DOP-PCR and nick translation |
Atypical type 2 HGPS fibroblasts (AG08466) | Coriell Institute | AG08466 | Cell line |
Bacto tryptone | Thermo Fisher Scientific | 16269751 | DNA isolation of BAC clones |
Biotin-16-dUTP | Roche Diagnostics | 11093711103 | Labelled nucleotides |
Chloramphenicol | Sigma-Aldrich | C0378-25G | DNA isolation of BAC clones |
Classical Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) fibroblasts (AG06297) | Coriell Institute | AG0297 | Cell line |
Coplin jar | Thermo Fisher Scientific | 12608596 | Holds 5 slides or 8 slides back to back |
Cot-1 DNA | Thermo Fisher Scientific | 15279011 | Block nonspecific hybridization in HALO FISH |
DEPC-treated water | Sigma-Aldrich | 693520-1L | DNA isolation of BAC clones |
Dextran sulphate | Sigma-Aldrich | S4030 | Hybridisation mixture |
Digitonin | Sigma-Aldrich | D141 | Component of extraction buffer |
Digoxigenin-11-dUTP | Sigma-Aldrich | 11093088910 | Labelled nucleotides |
Donkey anti-mouse Cy3 | Jackson Laboratory | 715-165-150 | Secondary antibody |
EDTA | Sigma-Aldrich | E6758 | Component of extraction buffer |
Ethanol | Component of extraction buffer | ||
Ethanol | Sigma-Aldrich | 443611 | Probe precipitation and HALO FISH |
Fetal bovine system | Thermo Fisher Scientific | 26140079 | Cell culture serum |
Formamide | Thermo Fisher Scientific | 10523525 | 2D FISH of DNA halos |
Glass wool | Sigma-Aldrich | 18421 | Spin column |
Herring sperm | Sigma-Aldrich | D7290 | Probe precipitation |
HXP™ Lamp (metal halide microscope lamp) | OSRAM | HXP-R120W45C VIS | Image capture of DNA halos |
Hydrochloric acid | Thermo Fisher Scientific | 10313680 | Cleaning microscope slides |
Isopropanol | Sigma-Aldrich | I9516-25ML | DNA isolation of BAC clones |
KAPA HiFi PCR Kit | KAPA Biosystems | KK2103 | PCR Kit |
Leica DM4000 fluorescent microscope with DFC365 FX camera and LAS AF (Version: 4.5.0) image acquisition software. | Leica Microsystems | Image capture of DNA halos | |
Luria-Bertani agar | Thermo Fisher Scientific | 13274843 | DNA isolation of BAC clones |
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M8266 | Component of CSK buffer |
Methanol | Thermo Fisher Scientific | 10284580 | Cleaning and sterilizing microscope slides |
Mouse anti-BrdU antibody | BD Pharmingen | B2531-100UL | BrdU visualisation |
Newborn calf serum | Thermo Fisher Scientific | 16010159 | Cell culture serum and blocking reagent |
Nick translation kit | Invitrogen | ||
PCR grade water | Sigma-Aldrich | 693520-1L | PCR and DNA isolation of BAC clones |
PCR Primers | Sigma-Aldrich | ||
PIPES | Sigma-Aldrich | P1851 | Component of CSK and extraction buffers |
Potassium acetate | Sigma-Aldrich | P1190-100G | DNA isolation of BAC clones |
QuadriPERM® 4 X 12 | SARSTEDT | 94.6077.307 | Square cell culture dish, polysterene with four compartments. This has hydrophobic surface, is sterile, non-pyrogenic/endotoxin-fee and non-cytotoxic. |
Rabbit Anti-Ki67 antibody | Sigma-Aldrich | ZRB1007-25UL | Proliferation marker |
Rnase A | Sigma-Aldrich | R6513 | DNA isolation of BAC clones |
Rubber cement | Halford's | 101836 | 2D FISH of DNA halos |
Sephadex G-50 | Sigma-Aldrich | S6022-25G | Spin column |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | Probe precipitation |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S5886 | Component of CSK, extraction and SSC buffers |
Sodium citrate | Sigma-Aldrich | C8532 | Component of SSC buffer |
Sodium dodecyl sulphate | L3771-100G | DNA isolation of BAC clones | |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S8045-500G | DNA isolation of BAC clones |
Spermidine | Sigma-Aldrich | S2626 | Component of extraction buffer |
Spermine | Sigma-Aldrich | S4264 | Component of extraction buffer |
Streptavidin-Cy3 | Amersham Life Sciences Ltd, Scientific Laboratory Supplies | pa43001 | Probe antibody |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | Component of CSK buffer |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | CSK buffer+A66:D68 |
SuperFrost™ microscope slides | Thermo Fisher Scientific | 12372098 | Microscope slides: 1 mm thickness, 76 mm length, 26 mm width. Uncoated. |
Swine anti-rabbit TRITC | Dako | ||
TELO-PNA FISH KIT | Agilent Dako | K532511-8 | Delineation of telomeres |
Tris-HCl | Sigma-Aldrich | T3253-100G | Column buffer |
Triton™ X-100 | Sigma-Aldrich | T9284 | Component of CSK buffer |
Tryptone | Thermo Fisher Scientific | 10158962 | DNA isolation of BAC clones |
Tween-20 | Sigma-Aldrich | P9416- 100ML | Detergent |
Vectashield mountant containing DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | 2D FISH of DNA halos |
Whole human chromosome probes | Calbiochem | 2D FISH of DNA halos | |
Yeast extract | Thermo Fisher Scientific | 10108202 | DNA isolation of BAC clones |