本协议强调了一种改进的方法,用于检测和量化DNA-蛋白质交联(DPC)及其翻译后修饰(PTM),包括由拓扑异构酶抑制剂和甲醛诱导的泛素化,SUMO化和ADP-核糖基化,从而允许研究DPC及其PTM的形成和修复。
DNA-蛋白质交联 (DPC) 是常见、普遍存在且有害的 DNA 病变,由内源性 DNA 损伤、酶(拓扑异构酶、甲基转移酶等)功能障碍或外源性药物(如化疗药物和交联剂)引起。一旦诱导DPC,几种类型的翻译后修饰(PTM)就会迅速结合为早期反应机制。已经表明,DPC可以通过泛素,小泛素样修饰剂(SUMO)和聚ADP-核糖进行修饰,它们启动底物以发出各自指定的修复酶信号,并且在某些情况下以顺序方式协调修复。由于PTM快速发生且具有高度可逆性,因此分离和检测通常保持在低水平的PTM偶联DPC一直具有挑战性。这里介绍的是一种免疫测定法,用于纯化和定量检测 体内泛素化、SUMO化和ADP核糖基化的DPC(药物诱导的拓扑异构酶DPC和醛诱导的非特异性DPC)。该测定源自RADAR(DNA加合物回收快速方法)测定,该测定用于通过乙醇沉淀分离含有DPC的基因组DNA。归一化和核酸酶消化后,通过使用相应的抗体进行免疫印迹检测 DPC 的 PTM,包括泛素化、SUMO化和 ADP-核糖基化。这种稳健的测定可用于鉴定和表征修复酶促和非酶促DPC的新分子机制,并有可能发现针对调节PTM以修复DPC的特定因子的小分子抑制剂。
基因组 DNA 损伤是由于自发衰变、内部损伤和环境因素1 而发生的。由此产生的DNA损伤包括受损的碱基,错配,单链和双链断裂,链间和链内交联以及DNA-蛋白质交联(DPC)。当染色质结合的蛋白质通过共价键捕获在DNA上时,就会形成DPC。DPC由内源性DNA病变和反应性代谢物以及外源性药物(如化疗药物和双功能交联剂)诱导。在某些情况下,酶功能障碍也会导致DPCs的形成2。DPC诱导剂的巨大差异导致共价结合蛋白的身份,形成DPC的染色体区域,与蛋白质交联的DNA的结构类型以及蛋白质与DNA之间共价键的化学性质存在差异2,3,4。
根据其化学性质,DPC通常分为两组:酶促DPC和非酶促DPC。 某些酶(如拓扑异构酶、糖基化酶和甲基/酰基转移酶)在其正常催化反应中通过形成可逆的酶-DNA共价中间体起作用。这些是短寿命的酶-DNA中间体,在被内源性或外源性药物捕获后可以转化为长寿命的酶促DPC,特别是通过化疗药物3。拓扑异构酶 DPC 是真核细胞中最常见的酶促 DPC 之一,可由临床上有用的拓扑异构酶抑制剂(拓扑替康和伊立替康用于拓扑异构酶 I [TOP1] 以及依托泊苷和多柔比星用于拓扑异构酶 II [TOP2])产生,并且是这些抑制剂的主要治疗机制 5,6.DNA 甲基转移酶 (DNMT) 1、3A 和 3B 是 5-氮杂-2′-脱氧胞苷(也称为地西他滨)的靶标,并在暴露于药物时形成 DPC7。反应剂以及紫外线和电离辐射通过非特异性将蛋白质与DNA交联来诱导非酶促DPC。乙醛和甲醛(FA)等活性醛通常作为细胞代谢的副产物产生,其中FA在甲醇代谢,脂质过氧化和组蛋白去甲基化过程中以微摩尔浓度产生。此外,FA是全球生产的大批量生产化学品,许多人在环境和职业上都暴露于其中8,9。
酶促和非酶促DPC对细胞都有剧毒,因为它们庞大的蛋白质成分有效地阻碍了几乎所有基于染色质的过程,包括复制和转录,如果不修复,会导致细胞周期停滞和凋亡。在过去的二十年中,DPC的修复得到了积极的研究,并且已经确定了几种蛋白质/途径是直接修复DPC或调节其修复过程的关键因素。例如,已经确定DPC蛋白质体积的蛋白水解是DPC修复的关键步骤,并且蛋白水解可以由蛋白酶SPRTN 10,11,12,13,14,FAM111A15,GCNA 16,17或26S蛋白酶体复合物18,19,20,21,22催化。,23,24,25,26,27以细胞类型或细胞上下文依赖的方式。这些蛋白酶的鉴定和表征在很大程度上依赖于酶的体内复合物(ICE)测定28,29和DNA加合物回收(RADAR)测定30,31的快速方法,两者都从游离细胞蛋白中分离DNA分子及其共价结合蛋白,以允许使用靶向交联蛋白的抗体通过槽印迹检测DPC。此外,捕获的琼脂糖DNA免疫染色(TARDIS)测定被用作在单细胞水平32检测和定量DPC的手段。目前,研究人员选择RADAR测定而不是ICE测定来测量DPC,因为ICE测定依赖于使用氯化铯梯度超速离心纯化核酸,这非常耗时,而RADAR测定使用乙醇在更短的时间内沉淀核酸。
近年来,越来越多的证据表明,DPC靶向蛋白酶3,33,34,35的信号传导和募集涉及多种翻译后修饰(PTM)。例如,发现TOP1-和TOP2-DPC均由小泛素样修饰剂(SUMO)-2/3偶联,然后由SUMO E3连接酶PIAS4偶联SUMO-1偶联,与DNA复制和转录无关。顺序的SUMO修饰似乎是泛素的靶标,泛素沉积到SUMO化的TOP-DPC上,并通过称为RNF4的SUMO靶向泛素连接酶通过其赖氨酸48残基形成聚合链。随后,泛素聚合物引发信号并将26S蛋白酶体募集到TOP-DPC23,36。相同的SUMO-泛素途径最近被证明作用于DNMT1-DPC以及PARP-DNA复合物以修复它们37,38。此外,据报道,泛素 E3 连接酶 TRAIP 的 SUMO 非依赖性泛素化以复制偶联方式用于蛋白酶体降解的 DPC39。与 TOP-DPC 的蛋白酶体降解类似,复制偶联金属蛋白酶 SPRTN 对酶促和非酶促 DPC 的蛋白水解也需要 DPC 底物的泛素化作为参与 SPRTN40,41 的机制。描述SUMO化和泛素化的作用需要检测用这些PTM标记的DPC。由于原始的ICE测定和RADAR测定依赖于槽印迹/点印迹设备来测量未消化的DNA样品,因此这两种测定都无法分离和可视化具有不同分子量的PTM偶联DPC物种。为了克服这个问题,我们在通过乙醇沉淀纯化DNA样品并用微球菌核酸酶(一种DNA和RNA内切核酸外切酶)进行样品归一化以释放交联蛋白后消化DNA样品,这使我们能够用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)分离蛋白质及其共价PTM。电泳使我们能够使用靶向PTM的特异性抗体检测和定量PTM偶联的DPC。我们最初将这种改进的方法命名为DUST测定,以突出其在检测泛素化和SUMO化TOP-DPCs中的稳健性23。后来,我们扩大了该测定的使用范围,以定量评估体内TOP1-DPC的ADP核糖基化,使用针对聚ADP-核糖聚合物的抗体20。
这里介绍的是检测和测量泛素化、SUMO化和ADP核糖基化DPC的测定的详细方案,该方案针对由其抑制剂诱导的修饰的TOP-DPC和由FA诱导的非特异性/非酶促DPC进行了优化。该测定通过用离液剂裂解细胞,用乙醇沉淀DNA并用微球菌核酸酶释放其他交联蛋白及其修饰剂来分离PTM偶联的DPC。其他DNA结合的蛋白质及其PTM通过使用特异性抗体的免疫印迹进行定量。该测定为阐明细胞修复酶促和非酶促DPC的分子机制铺平了一条新途径。 具体而言,它能够详细研究对调节TOP-DPC降解和修复很重要的PTM的诱导和动力学,从而允许发现新的因素,例如决定PTM的E3连接酶, 以及针对这些因素的抑制剂。由于一些负责TOP-DPC修复的PTM可能参与由其他化疗药物(例如铂类药物22)诱导的DPC的修复,因此该测定也有可能应用于发现新药和合理优化与拓扑异构酶抑制剂或铂基抗肿瘤药物在患者细胞中的组合疗法以指导治疗方案。
所述方法允许测量哺乳动物细胞中的酶促和非酶促DNA-蛋白质交联,并且是研究其泛素化,SUMO化和ADP-核糖基化的唯一合适方法。ICE或RADAR测定后的槽印迹允许使用其抗体快速检测特定的酶促DPC,例如TOP-DPC。然而,该方法需要注意的是它无法分离不同分子量的蛋白质,因此无法确定PTM偶联DPC的大小。所述方法通过释放与微球菌核酸酶的交联蛋白来解决问题,微球菌核酸酶将DNA降解为具有末端3′-磷酸的寡核苷酸,从而允许SDS-PAGE完全分离蛋白质(与寡核苷酸偶联)。因此,用泛素、SUMO 或 ADP-核糖单体和不同尺寸的聚合物修饰的 DPC 可以通过靶向这些 PTM 的抗体进行可视化和定量,从而能够详细研究它们的形成和动力学。为了确保可重复性并计算统计学意义,需要对实验进行生物学重复。
该测定最常见的问题之一是乙醇沉淀后DNA产量低。一方面,DNA产量可以通过更多的起始材料(细胞)来提高。另一方面,在平板而不是Eppendorf管中用乙醇孵育细胞裂解物可以显着改善DNA分子的聚集,从而促进其沉淀。在未经药物治疗的样品中观察到的非特异性信号可能表明非共价蛋白污染。如果是这种情况,可以考虑在超声处理之前用高盐缓冲液洗涤DNA沉淀以去除污染物。还建议在超声处理和微球菌核酸酶消化后旋转DNA样品,并丢弃任何不溶物。在信号差或没有信号的情况下,可以尝试几种潜在的解决方案。首先,可以增加用于SDS-PAGE和免疫印迹的DNA上样量。为了使 SUMOylized 和泛素化的 DPC 物种可检测,建议将至少 4 μg DNA 加载到凝胶上。其次,可以增加药物浓度以诱导更高水平的DPC及其相关的PTM。 第三,如果条带/涂片看起来较弱,建议将印迹与一抗一起孵育一天。2天的孵育可以显着增强信号,从而减少独立实验的生物变异性23。用于重新染色的膜剥离不可避免地会导致一定量的PTM偶联DPC物种的损失,这些物质已经处于低丰度。因此,强烈建议使用单独的凝胶进行泛素和SUMO检测,而不是重新探测一个印迹。此外,DNA沉淀必须用75%乙醇洗涤,以除去剩余的含有胍盐的DNAzol,然后再溶解在H 2 O或任何其他溶剂中,否则在加入Laemmli上样缓冲液后会导致样品结晶。
与繁琐的ICE测定相比,所述方法的工作流程更具时间效率,因为它依赖于快速乙醇沉淀而不是耗时的氯化铯超速离心来分离基因组DNA。以一定的代价,基于乙醇的纯化带来了少量的蛋白质污染物,这些污染物对于免疫检测来说通常可以忽略不计。然而,当涉及到分析研究时,例如基于质谱的蛋白质组学分析或需要准确性和精密度的下一代测序,氯化铯密度梯度离心仍然是分离纯、高丰度DNA的更可靠方法。该方法还可以潜在地应用于分析交联蛋白上的修饰位点,以及使用适当的基于质谱的方法测定多泛素化和多SUMO化的连接类型。
值得注意的是,该测定允许识别和表征调节PTM的因子以进行DPC修复。例如,无偏高通量筛选方法(RNA干扰和CRISPR)是发现泛素E3连接酶,SUMO E3连接酶及其相关辅助因子减轻DPC诱导剂细胞毒性的有力工具。所描述的方法通过确定它们是否通过修复DPC来帮助细胞存活DPC诱导剂,从而能够对这些蛋白质进行分子验证。 靶向这些蛋白质的新型小分子抑制剂,例如,通过虚拟筛选,也可以使用该协议进行验证。鉴于拓扑异构酶抑制剂是最常用的化疗药物之一,这种强大的测定可以开发为开发与临床拓扑异构酶抑制剂协同作用的药物的工具。
The authors have nothing to disclose.
这项工作部分得到了国家癌症研究所癌症研究中心博士后研究过渡奖的大力支持。
10x Phosphate buffered saline (PBS) | Thermo Fisher | 70011069 | |
4–20% precast polyacrylamide gel | Bio-Rad | 4561096 | |
4x Laemmli Sample Buffer | Bio-Rad | 1610747 | |
AcquaStain (coomassie blue) | Bulldog Bio | AS001000 | |
anti-dsDNA (mouse monoclonal) | Abcam | 27156 | 1: 5,000 dilution is recommended |
anti-PAR (mouse monoclonal) | R&D systems | 4335-MC-100 | 1: 500 dilution is recommended |
anti-SUMO-1(rabbit monoclonal) | Cell Signaling Technology | 4940 | 1: 250 dilution is recommended |
anti-SUMO-2/3 (rabbit monoclonal) | Cell Signaling Technology | 4971 | 1: 250 dilution is recommended |
anti-TOP1 (mouse monoclonal) | BD Biosciences | 556597 | 1: 500 dilution is recommended |
anti-TOP2α (mouse monoclonal) | Santa Cruz Biotechnology | SC-365799 | 1: 250 dilution is recommended |
anti-TOP2β (mouse monoclonal) | Santa Cruz Biotechnology | SC-25330 | 1: 250 dilution is recommended |
anti-ubiquitin (mouse monoclonal) | Santa Cruz Biotechnology | SC-8017 | 1: 100 dilution is recommended |
Calcium chloride | Sigma-Aldrich | 499609 | Used for micrococcal nuclease digestion |
Camptothecin | Sigma-Aldrich | PHL89593 | |
ChemiDo MP imaging system | Bio-Rad | 12003154 | |
Disodium phosphate | Sigma-Aldrich | 5438380100 | Used to make sodium phosphate buffer |
DNAzol | Thermo Fisher | 10503027 | |
DTT (dithiothreitol) | Thermo Fisher | R0861 | |
Dulbecco's modified eagle's medium | Sigma-Aldrich | 11965084 | |
Ethyl alcohol, 200 proof | Sigma-Aldrich | E7023 | |
Etoposide | Sigma-Aldrich | 1268808 | |
Formaldehyde | Sigma-Aldrich | 47608 | |
Graphpad Prism Software | GraphStats | Prism 9.0.0 | |
HRP-linked Mouse IgG | Cytiva | NA931 | 1: 5,000 dilution is recommended |
HRP-linked Rabbit IgG | Cytiva | NA934 | 1: 5,000 dilution is recommended |
ImageJ Software | NIH, USA | ImageJ 1.53e | |
L-Glutamine | Fisher Scientific | 25030081 | |
Maximum sensitivity ECL substrate | Thermo Fisher | 34095 | |
Micrococcal nuclease | New England BioLabs | M0247S | |
Monosodium phosphate | Sigma-Aldrich | S3139 | Used to make sodium phosphate buffer |
NanoDrop 2000 spectrophotometer | Thermo Scientific | ND-2000 | |
N-ethylmaleimide | Thermo Fisher | 23030 | DeSUMOylation/deubiquitylation inhibitor |
Nitrocellulose membrane, 0.45 µm | Bio-Rad | 1620115 | |
Non-fat dry milk | Bio-Rad | 1706404XTU | |
PDD00017273 | Selleckchem | S8862 | Poly(ADP-ribose) glycohydrolase inhibitor |
Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher | 15140122 | |
Protease inhibitor cocktail | Thermo Fisher | 78430 | |
Q700 sonicator | Qsonica | Q700-110 | |
Ready-to-assemble PVDF transfer kit | Bio-Rad | 1704274 | |
Slot-blot apparatus | Bio-Rad | 1706542 | |
Slot-blot filter paper | Bio-Rad | 1620161 | |
Trans-Blot turbo transfer system | Bio-Rad | 1704150 | |
Tris/Glycine/SDS electrophoresis buffer | Bio-Rad | 1610732 | |
Tween-20 | Sigma-Aldrich | P3179 | |
Vertical electrophoresis cell | Bio-Rad | 1658004 |