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Method Article
En este trabajo se presenta un método sensible y específico para detectar conflictos de transcripción-replicación (TRCs) inducidos por oncogenes mediante el ensayo de ligadura de proximidad (PLA). Este enfoque aprovecha los anticuerpos específicos dirigidos a PCNA y fosfo-CTD RNAPII, lo que permite evaluar la prevalencia de TRC entre la transcripción de la ARN polimerasa II y la maquinaria de replicación del ADN.
Tanto la replicación del ADN como la transcripción del ARN utilizan el ADN genómico como plantilla, lo que requiere la separación espacial y temporal de estos procesos. Los conflictos entre la replicación y la maquinaria de transcripción, denominados conflictos de transcripción-replicación (TRC), representan un riesgo considerable para la estabilidad del genoma, un factor crítico en el desarrollo del cáncer. Si bien se han identificado varios factores que regulan estas colisiones, sigue siendo difícil identificar las causas primarias debido a las limitadas herramientas para la visualización directa y la interpretación clara. En este estudio, visualizamos directamente las TRC utilizando un ensayo de ligadura de proximidad (PLA), aprovechando los anticuerpos específicos contra el PCNA y la CTD fosforilada de la ARN polimerasa II. Este enfoque permite la medición precisa de las TRC entre los procesos de replicación y transcripción mediados por la ARN polimerasa II. El método se mejora aún más a través de cebadores de ADN conjugados covalentemente con estos anticuerpos, junto con la amplificación por PCR mediante sondas fluorescentes, proporcionando un medio altamente sensible y específico para detectar TRC endógenos. La microscopía de fluorescencia permite la visualización de estos conflictos, ofreciendo una poderosa herramienta para estudiar los mecanismos de inestabilidad del genoma asociados con el cáncer. Esta técnica aborda la brecha en la visualización directa de TRC, lo que permite un análisis y una comprensión más completos de los procesos subyacentes que impulsan la inestabilidad del genoma en las células.
El genoma sirve como plantilla para los procesos biológicos esenciales, incluida la replicación y la transcripción. En las células sanas, la transcripción del ARN y la maquinaria de replicación del ADN suelen cooperar y están segregadas espacial y temporalmente 1,2,3,4. Sin embargo, en condiciones patológicas, como la sobreexpresión de oncogenes, esta cooperación armoniosa puede verse interrumpida.
Los oncogenes a menudo conducen niveles elevados de transcripción, lo que aumenta la probabilidad de colisiones entre la maquinaria de transcripción y replicación5. Algunos oncogenes alteran la arquitectura de la cromatina, haciéndola más accesible para la transcripción, pero potencialmente dificultando la progresión de la horquilla de replicación5. Además, la activación de oncogenes puede inducir estrés de replicación al acelerar el ciclo celular6. La actividad de la ARN polimerasa II (RNAPII) se eleva significativamente durante la transición de fase G1/S debido a la fosforilación de Rb de la quinasa dependiente de ciclina (CDK), que libera factores de transcripción E2F que promueven la transcripción de proteínas esenciales, incluidas ciclinas, CDK y genes de mantenimiento7. La expresión génica de las histonas alcanza su punto máximo durante la fase S, coincidiendo con la replicación del ADN8. Además, la transcripción completa de algunas transcripciones muy largas requiere más de un ciclo celular9. Con cada entrada en la fase S, la actividad simultánea de la maquinaria de transcripción y replicación en las mismas regiones genómicas puede dar lugar a encuentros perjudiciales, lo que conduce a conflictos. Estos conflictos son una fuente intrínseca primaria de inestabilidad del genoma, que está estrechamente asociada con la tumorigénesis. La forma en que la maquinaria de replicación se coordina con la transcripción de RNAPII para evitar choques dañinos y mantener la estabilidad genómica sigue siendo una pregunta importante. Por lo tanto, la visualización directa de los conflictos de transcripción-replicación (TRC) asociados a RNAPII se ha vuelto esencial para comprender los mecanismos moleculares que resuelven estos conflictos y, finalmente, puede sentar las bases para aprovechar estos conflictos con fines terapéuticos.
Los conflictos de transcripción-replicación (TRC) pueden surgir en dos orientaciones: frontal, donde la transcripción y la replicación progresan entre sí, y codireccional, donde se mueven en la misma dirección. Las colisiones frontales son mucho más destructivas que las codireccionales 10,11,12,13. La formación de híbridos ADN-ARN (R-loops) se ha identificado como uno de los principales impulsores de las TRC; así, una cantidad considerable de investigaciones han inferido la presencia de TRCs evaluando la ocurrencia de R-loops y sus regiones en respuesta a la replicación y/o transcripción desregulada 10,11. Sin embargo, si la acumulación de bucles R derivados de la transcripción sirve como un obstáculo proporcional para la replicación y se correlaciona directamente con las TRC sigue siendo una cuestión no resuelta. Los investigadores también han investigado las TRC mediante el análisis de la dinámica de las horquillas de replicación. Por ejemplo, la electroforesis bidimensional en gel de genes reporteros puede descubrir el replicsoma específico del locus en pausa12, mientras que los ensayos de fibras de ADN permiten a los investigadores examinar las alteraciones en la velocidad de la horquilla de replicación, la densidad de origen y la asimetría de la horquilla13. El avance de la tecnología de secuenciación de próxima generación ha llevado al desarrollo de varios métodos innovadores, como la secuenciación de fragmentos de Okazaki (Ok-seq)14,15, la secuenciación del sitio de iniciación (ini-seq)16,17, la secuenciación de cadenas nacientes cortas (SNS-seq)18, Repli-seq19 y la secuenciación de uso de la polimerasa (Pu-seq)20. Estas técnicas han proporcionado perfiles de todo el genoma del uso del origen de la replicación, la direccionalidad de la horquilla y la terminación de la replicación, revelando factores clave involucrados en la coordinación de la replicación y la transcripción. TRIPn-seq es uno de los pocos métodos capaces de detectar directamente la co-ocupación de la transcripción y la replicación, ampliando significativamente nuestra comprensión de la organización dinámica de la replicación y transcripción del ADN en condiciones fisiológicas y patológicas21. A pesar de los valiosos conocimientos que proporcionan estos métodos basados en la secuenciación, su alto costo y su naturaleza intensiva en tiempo limitan su aplicación más amplia. Por lo tanto, es crucial establecer un método de detección más definitivo, altamente sensible, conveniente y rápido para visualizar y cuantificar las TRC a nivel de una sola célula.
El ensayo de ligadura de proximidad (PLA) in situ , también conocido como tecnología PLA Duolink, es un método potente para evaluar la proximidad física de las proteínas objetivo en secciones de tejido o cultivos celulares. Esta técnica genera una señal solo cuando dos proteínas o complejos de proteínas están a menos de 40 nm entre sí. Requiere dos anticuerpos primarios contra las proteínas objetivo, cada uno de una especie diferente (por ejemplo, ratón/conejo, conejo/cabra o ratón/cabra). Después de incubar la muestra con estos anticuerpos primarios, se aplican anticuerpos secundarios conocidos como sondas PLA (uno PLUS y otro MINUS). A diferencia de los anticuerpos secundarios regulares que se unen a las regiones constantes de los anticuerpos primarios, las sondas PLA se unen covalentemente a cebadores de ADN específicos. Cuando las proteínas objetivo están muy cerca (menos de 40 nm), un oligonucleótido conector puede hibridarse con ambas sondas de PLA, lo que facilita la ligadura enzimática de sus oligonucleótidos unidos en una molécula de ADN de longitud completa. Este ADN recién formado sirve como un marcador sustituto para la interacción de proteínas detectada y actúa como un molde para la amplificación. A continuación, el producto amplificado se visualiza utilizando sondas de oligonucleótidos marcadas con fluorescencia. Si las proteínas están separadas por más de 40 nm, las sondas PLA no pueden formar una plantilla de ADN, lo que resulta en una señal no detectable. El diagrama esquemático del PLA se muestra en la Figura 1. La proximidad y/o interacción se visualizan mediante microscopía de fluorescencia como puntos fluorescentes, y se puede cuantificar el número y la intensidad de estos puntos. Desde su invención en 2002, el PLA se ha vuelto popular para monitorear las interacciones de las proteínas debido a su alta sensibilidad y especificidad. A diferencia de los ensayos basados en secuenciación, el PLA requiere solo pequeñas cantidades de muestras, lo que lo hace favorable para analizar muestras escasas.
Los estudios han demostrado que la expresión de la mutación oncogénica KRAS G12D conduce a conflictos de transcripción-replicación (TRCs)22,23. Por ejemplo, la investigación presentada por Meng et al.23 indica que la expresión ectópica de KRAS G12D en células epiteliales ductales pancreáticas humanas (HPNE) aumenta las TRC y los R-loops relacionados con TRC. Para permitir la detección de colisiones entre la transcripción de RNAPII y la maquinaria de replicación en líneas celulares, proporcionamos un protocolo desarrollado específicamente para este propósito. El plásmido KRAS (G12D) y el control del vector se transfectan en células epiteliales BEAS-2B del pulmón humano, y la expresión de KRAS (G12D), junto con el daño en el ADN (γH2AX), se verifica mediante Western blot. La acumulación de R-loop se confirma mediante el análisis de transferencia de puntos S9.6, que en conjunto indica la acumulación de obstáculos de replicación e inestabilidad del genoma en células que expresan KRAS (G12D). Finalmente, las células se fijan en portaobjetos para el ensayo de PLA. Para la detección localizada de colisiones, las células se tiñen primero con anticuerpos primarios RNAPII y PCNA, seguido de una tinción con anticuerpos secundarios conjugados con sondas de PLA. Una molécula circular de ADN se forma a través de una ligadura exitosa, que sirve como molde para la posterior amplificación del círculo rodante (RCA). A continuación, los portaobjetos se montan con los medios de montaje adecuados y se visualizan bajo un microscopio de fluorescencia. Las imágenes se pueden analizar con ImageJ.
1. Producción y transducción de lentivirus a la línea celular diana
2. Verificación del daño en el ADN derivado de KRAS (G12D) y formación de bucles R
3. Ensayo de PLA
γH2AX sirve como biomarcador para el daño del ADN. La sobreexpresión de KRAS (G12D) perjudica la estabilidad genómica en estas células, como lo demuestra el aumento de la señal γH2AX en el análisis de Western blot (Figura 2A). Además, la intensificación de la señal de transferencia de puntos S9.6 en las células que expresan KRAS (G12D) en comparación con los controles vectoriales (Figura 2B) indica que la expresión...
La maquinaria de transcripción RNAPII puede crear un obstáculo para la progresión de la horquilla de replicación del ADN26,27, promoviendo TRCs y daño al ADN, especialmente en células cancerosas28,29. Descifrar las proteínas que regulan las TRC y comprender los mecanismos detallados puede ayudarnos a comprender cómo ocurren estos eventos dañinos y guiar el desarr...
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Este trabajo contó con el apoyo de la financiación inicial de la Universidad del Sur de China.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Clarity Western ECL Substrate | Bio-Rad | 1705061 | |
Duolink In Situ Detection Reagents Green | Sigma | DUO92014 | |
FLAG antibody | Millipore | F7425 | |
gamma H2AX antibody | Cell Signaling | 25955 | |
Glycogen, molecular biology grade | ThermoFisher | R0561 | |
Image J | NIH | https://imagej.net/ij/ | |
nitrocellulose membranes | Amersham | 10600004 | |
PCNA antibody | Cell Signaling | 13110 | |
pLVX-Kras G12D | N/A | N/A | |
pMD2.G | Addgene | 12259 | |
Proteinase K, recombinant, PCR grade | ThermoFisher | EO0491 | |
psPAX2 | Addgene | 12260 | |
RNAPII antibody | SCBT | sc-56767 | |
S9.6 antibody | Active motif | 65683 | |
UV crosslinkers | Fisher Scientific | FB-UVXL-1000 |
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