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Method Article
我们提出了一种通过天然 γH2A.X 染色质免疫沉淀 (ChIP) 检测常见脆弱位点突破的快速有效方法。这种方法显著减少了与传统 γH2A.X ChIP 检测相关的时间和人力,同时保持了结果的高重现性和可靠性。
暴露于外源性试剂诱导的复制应激可导致常见脆弱位点的 DNA 断裂,这些位点是基因组中已知容易出现结构不稳定的区域。γH2A.X 染色质免疫沉淀 (ChIP) 检测是遗传毒性研究的有力工具,因为 γH2A.X 磷酸化是 DNA 双链断裂的公认标志物。然而,传统的 γH2A.X ChIP 检测通常是劳动密集型的,并且涉及多个耗时的步骤。在这项研究中,我们提出了一种简化但有效的方法,该方法将亚细胞分级分离与天然 ChIP 相结合,以分离 γH2A.X 相关复合物。这种方法特别适用于分析 γH2A.X-染色质相互作用,具有更高的特异性和效率。使用亚细胞组分分离,可有效去除未结合的染色质物质,从而得到纯化的染色质组分。随后在温和条件下进行微球菌核酸酶 (MNase) 消化允许染色质碎裂,同时保留 γH2A.X 与其相关蛋白质复合物之间的生理相互作用。这种保存对于研究参与 DNA 损伤反应通路的天然相互作用伴侣至关重要。这种优化的天然 ChIP 方案大大减少了与传统 γH2A.X ChIP 检测相关的时间和劳动力。简化的程序不仅简化了工作流程,而且产生了高度可重现的结果,使其在需要高通量处理多个样品的环境中特别有利。该方法在专注于基因组稳定性、DNA 修复和染色质生物学的研究中具有广泛的适用性,在这些研究中,准确有效地检测 DNA 损伤位点至关重要。通过采用优化的方案和简化的步骤,该方法能够以更高的灵敏度和最少的样品处理检测脆弱位点的 DNA 损伤,使其成为研究基因组稳定性和 DNA 损伤反应的宝贵工具。
常见脆弱位点 (CFS) 是在每条人类染色体上发现的大染色体区域,在中期容易断裂。在复制应激下,这些区域的复制会显著延迟,从而阻止它们在有丝分裂进入1 之前完全复制,从而最终导致位点特异性的间隙和断裂。CFS 是染色体不稳定的热点,是癌症早期发展过程中染色体重排的主要原因。复制应激通常存在于致瘤条件下,可导致肿瘤抑制基因的丢失和癌基因的扩增,统称为拷贝数变异 (CNV)2,3,4,5,6。此外,CFS 极易发生病毒整合,进一步促进癌症发展 7,8,9,10。在原发性肿瘤的泛癌分析过程中,已在 CFS 区域检测到肿瘤抑制基因的多个纯合缺失。癌症中最常受影响的 CFS 包括 FRA2F、FRA3B、FRA4F、FRA5H 和 FRA16D11。CFS 在外源性致癌剂存在下特别容易破损12。为了评估环境污染物的有害致癌作用,需要一种快速可靠的方法来量化 CFS 破损的发生。
H2A 的磷酸化。共济失调毛细血管扩张症和 Rad3 相关蛋白 (ATR) 或共济失调毛细血管扩张症突变 (ATM) 在丝氨酸残基 139 (γH2A.X) 处的 X 是信号复制叉停滞的关键事件13。γH2A.X 可作为双链断裂 (DSB) 形成前停滞复制叉的指标13,创造有利的染色质环境,以促进修复蛋白有效募集到停滞位点。此外,γH2A.X 可以在前叉塌陷后被招募到破损部位 14,15,这与它在 DSB 修复中的主要作用一致。由于 CFS 断裂与驱动癌症进展的染色体畸变密切相关,因此检测这些断裂有助于了解肿瘤发生的早期阶段。CFS 中 γH2A.X 的存在可用作检测基因组不稳定早期事件的生物标志物。这些信息可以帮助识别潜在的致癌物并评估与接触各种外源性物质相关的风险。通过测量外源性药物诱导的 CFS 处的 DNA 断裂,γH2A.X 染色质 IP (ChIP) 可以深入了解这些药物如何促进肿瘤发生的潜在机制。
在传统的 ChIP(即交联 ChIP,X-ChIP)中,γH2A.X 与其靶 DNA 序列的结合通过可逆甲醛交联来稳定。随后通过超声处理将染色质剪切成约 500 个碱基对 (bp) 的片段,并通过沉降清除所得溶液中的碎片 16,17,18。然后将 ChIP 级 γH2A.X 抗体添加到澄清的染色质组分中,然后添加蛋白 A/G 琼脂糖珠以富集 γH2A.X 结合的染色质区域16、17、18。免疫复合物(即珠子抗体-γH2A.X 靶向 DNA 复合物)用严格的洗涤缓冲液多次洗涤,以去除非特异性结合的 DNA 片段 16,17,18。洗涤后,从免疫复合物中洗脱特异性结合的 DNA。然后逆转甲醛交联,然后使用蛋白酶 K 进行蛋白质消化,然后纯化和浓缩富集的 DNA 16,17,18。为了评估 γH2A.X 相关区域,使用 PCR、定量 PCR (qPCR) 或直接测序 16,17,18。γH2A.X 在特定区域(如 CFS)的占有率由 PCR 或 qPCR 信号的强度决定,该信号与在该位置结合的 γH2A.X 量成正比,从而提供对位点特异性 DNA 损伤和修复事件的见解 16,17,18。
尽管 X-ChIP 是一种强大的实验方法,但它有几个明显的局限性:(i) 由于与固定相关的抗体沉淀效率低下,它需要大量细胞,通常在 1 x 107 到 5 x 107 的范围内,这增加了实验的总体成本19;(ii) 逆转甲醛交联和随后的 DNA 纯化过程既耗时又费力,因此难以保持结果的一致性和可靠性;(iii) 具有次要功能意义的 γH2A.X-DNA 相互作用可能无法与具有更大意义的相互作用区分开来,因为交联步骤可以稳定瞬时相互作用,从而导致检测到可能没有生物学相关性的相互作用19。
天然染色质免疫沉淀(天然 ChIP 或 N-ChIP)是一种重要的生化技术,用于研究生理盐条件下天然染色质环境中的蛋白质-DNA 相互作用。它有助于阐明染色质的时空组织、转录因子结合和组蛋白修饰。天然 ChIP 在更广泛的染色质生物学和表观遗传学领域发挥着长期作用,与 X-ChIP 相比具有独特的优势和局限性。这种方法于 1980 年代后期推出20,涉及通过保留其天然结构的方法从细胞中分离染色质,例如用微球菌核酸酶 (MNase) 消化21。这保留了固有的蛋白质-DNA 和组蛋白-DNA 接触,这使得 Trans ChIP 特别适合研究组蛋白修饰和天然染色质环境中的核小体定位22。高分辨率天然 ChIP 研究表明,使用 MNase 消化将染色质还原为单个核小体,这有助于更准确地定位组蛋白修饰23。此外,由于不涉及化学交联,因此引入可能歪曲蛋白质-DNA 相互作用的偏差或伪影的风险被降至最低24。
与使用甲醛或其他交联剂修复蛋白质-DNA 相互作用的 X-ChIP 相比,天然 ChIP 通过避免潜在的交联伪影,提供更真实的染色质视图。然而,虽然 X-ChIP 通常更适合检测 DNA 和调节蛋白之间的瞬时或动态相互作用25,但天然 ChIP 是稳定蛋白质-DNA 相互作用的理想选择,例如组蛋白或其他染色质结合蛋白26,27。天然 ChIP 的局限性之一是无法捕获低亲和力或瞬时结合事件,这些事件通常通过 X-ChIP25 中的交联来稳定。
表观遗传学领域的重要工作利用天然 ChIP 来揭示不同生物环境中的组蛋白修饰28。这些努力对于定义组蛋白密码至关重要,组蛋白密码是调节基因表达和染色质动力学的组蛋白修饰模式29。虽然 H2A.X 是一种相关性较低的连接组蛋白,即天然 H2A。X ChIP 方法已成功应用于胚胎干细胞30.在这项研究中,我们优化了染色质提取程序,以在人 293T 细胞中进行 γH2A.X 的天然 ChIP(图 1)。羟基脲和哼虫素广泛用于研究 DNA 复制应激、损伤和基因组不稳定性31。在这项研究中,这些药物被应用于细胞以诱导复制应激并在 CFS 产生 DNA 断裂。
使用大约 1 x 106 至 5 x 106 个细胞的起始材料,该方法可分为四个主要阶段:(i) 亚细胞分级分离以分离染色质,(ii) 微球菌核酸酶 (MNase) 消化以片段化染色质,(iii) 免疫沉淀和洗脱,以及 (iv) 通过定量 PCR (qPCR) 进行 DNA 分析。在亚细胞分级分离后进行 ChIP 具有多种益处,并且已在众多研究中得到充分证明 32,33,34,35。这种方法可以去除染色质未结合的蛋白质和其他细胞碎片,从而获得高度纯化的染色质部分。通过在免疫沉淀前分离染色质,亚细胞组分分离有助于维持天然染色质相互作用并减少非染色质相关蛋白的背景噪音,从而获得更特异性和可靠的结果,因为仅保留染色质结合的复合物进行分析。此外,亚细胞组分分离为染色质消化提供了更温和的条件,从而保留了生理性蛋白质-DNA 相互作用,并提供了天然细胞环境中染色质动力学的更准确表示。
使用 γH2AX 的天然 ChIP 来测量外源性药物对常见脆弱部位破损的影响,在癌症研究中具有重要潜力。该技术能够检测因暴露于环境致癌物而诱导的 DNA 损伤,从而深入了解污染物导致基因组不稳定性和癌症发展的分子机制。通过保留天然染色质背景,该方法有助于准确评估与致癌暴露相关的 DNA 损伤模式,有助于评估环境风险和研究污染驱动的肿瘤发生。
1. 细胞收获
2. 亚细胞分级分离
3. 染色质片段化的验证
4. 免疫沉淀
5. 洗脱和 DNA 沉淀
注:不同批次的抗体效率可能有所不同。通过 Western blot 分析检查免疫沉淀的样品来确认新抗体的结合亲和力非常重要。
6. qPCR 定量
染色质片段的大小对于天然 ChIP 的成功至关重要,因为它直接影响抗体结合的 DNA 区域的可及性。为了确定染色质碎裂的最佳 MNase 浓度,我们制备了一系列微量离心管,其中含有不同浓度的 MNase(即每个反应 0.0625 U、0.125 U、0.25 U、0.5 U、1 U、2 U、4 U、8 U)和 40 μL 分离的细胞核。每个反应应在 37 °C 下孵育 5 分钟,以获得一系列染色质片段大小。 MNase
环境污染是导致人类癌症的重要因素。许多污染物是致癌物,这意味着它们会导致遗传损伤,从而导致癌症的发展40,41。然而,确定特定物质是否致瘤是一项具有挑战性的任务。一种快速、可靠且经济高效的识别潜在致癌物的方法将使科学家能够有效地筛选环境污染物并评估它们对基因组稳定性的影响。在这项研究中,我们专?...
作者没有需要披露的利益冲突。
这项工作得到了南华大学的启动资金支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 µm nitrocellulose membrane | Amersham | 10600011 | |
Actin B | proteintech | 20536-1-AP | |
Aphidicolin | MedChemExpress | HY-N6733 | |
ChIP-grade magnetic Protein A/G beads | ThermoFisher | 26162 | |
Clarity Western ECL Substrate | Bio-Rad | #1705061 | |
Glycogen, molecular biology grade | ThermoFisher | Cat. No. R0561 | |
HRP-conjugated secondary antibody | proteintech | SA00001-2 | |
hydroxyurea | MedChemExpress | HY-B0313 | |
Micrococcal Nuclease | NEB | M0247S | |
normal IgG | Santa Cruz | sc-2025 | |
Taq Universal SYBR Green Supermix | BioRad | 1725120 | |
γH2A.X antibody (for ChIP) | Sigma-Aldrich | 05-636 | |
γH2A.X antibody (for WB) | Cell Signaling | #25955 |
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