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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Questo protocollo presenta una tecnica per la mappatura ad alta risoluzione dei siti di replicazione in cromatina strutturalmente conservata in situ che impiega una combinazione di marcatura EdU-streptavidin-Nanogold pre-incorporante e ChromEMT.
I principi del ripiegamento del DNA nel nucleo cellulare e le sue trasformazioni dinamiche che avvengono durante l'adempimento delle funzioni genetiche di base (trascrizione, replicazione, segregazione, ecc.) rimangono poco compresi, in parte a causa della mancanza di approcci sperimentali alla visualizzazione ad alta risoluzione di specifici loci di cromatina in nuclei strutturalmente conservati. Qui presentiamo un protocollo per la visualizzazione di domini replicativi in colture cellulari monostrato in situ, combinando l'etichettatura EdU del DNA appena sintetizzato con la successiva rilevazione dell'etichetta con Ag-amplificazione delle particelle Nanogold e colorazione ChromEM della cromatina. Questo protocollo consente l'etichettatura pre-incorporamento ad alto contrasto e ad alta efficienza, compatibile con la tradizionale fissazione della glutaraldeide che fornisce la migliore conservazione strutturale della cromatina per l'elaborazione dei campioni a temperatura ambiente. Un altro vantaggio dell'etichettatura pre-incorporante è la possibilità di preselezionare le celle di interesse per il sezionamento. Ciò è particolarmente importante per l'analisi di popolazioni cellulari eterogenee, nonché per la compatibilità con gli approcci di tomografia elettronica all'analisi 3D ad alta risoluzione dell'organizzazione della cromatina nei siti di replicazione e all'analisi del riarrangiamento della cromatina post-replicativa e della segregazione cromatidica sorella nell'interfase.
La replicazione del DNA è un processo biologico di base necessario per la copia fedele e la trasmissione delle informazioni genetiche durante la divisione cellulare. Negli eucarioti superiori, la replicazione del DNA è soggetta a una stretta regolazione spazio-temporale, che si manifesta nell'attivazione sequenziale delle origini di replicazione1. Le origini di replica vicine che sparano in modo sincrono formano cluster di replicons2. A livello di microscopia ottica, i siti di replicazione del DNA in corso vengono rilevati come focolai di replicazione di vari numeri e dimensioni. I focolai di replicazione mostrano modelli specifici di distribuzione spaziale all'interno del nucleo cellulare a seconda dei tempi di replicazione del DNA marcato 3,4, che, a sua volta, è strettamente correlato con la sua attività genica. Grazie a una sequenza ben definita di replicazione del DNA, rigorosamente ordinata nello spazio e nel tempo, l'etichettatura replicativa è un potente metodo di marcatura precisa del DNA non solo per lo studio del processo di replicazione in sé, ma anche per discriminare una specifica sottofrazione del DNA con attività di trascrizione e livello di compattazione definiti. La visualizzazione della cromatina replicante viene solitamente eseguita attraverso la rilevazione dei principali componenti proteici del meccanismo di replicazione del DNA (mediante immunocolorazione o espressione di tag proteici fluorescenti 5,6) o mediante incorporazione di precursori di sintesi del DNA modificati 7,8,9,10 . Di questi, solo i metodi basati sull'incorporazione di nucleotidi modificati nel DNA appena replicato consentono la cattura di cambiamenti conformazionali nella cromatina durante la replicazione e tracciano il comportamento dei domini replicativi dopo che la loro replicazione è stata completata.
Negli eucarioti superiori, il confezionamento del DNA in cromatina aggiunge un altro livello di complessità alla regolazione delle funzioni genetiche di base (trascrizione, replicazione, riparazione, ecc.). Il ripiegamento della cromatina influisce sull'accessibilità del DNA ai fattori trans regolatori e ai cambiamenti conformazionali del DNA (svolgimento a doppia elica) necessari per la sintesi del modello. Pertanto, è generalmente accettato che i processi sintetici dipendenti dal DNA nel nucleo cellulare richiedano una transizione strutturale della cromatina dal suo stato condensato e repressivo a una conformazione più accessibile e aperta. Citologicamente, questi due stati della cromatina sono definiti come eterocromatina ed eucromatina. Tuttavia, non c'è ancora consenso riguardo alla modalità di ripiegamento del DNA nel nucleo. Le ipotesi vanno da un modello di "fusione polimerica"11, in cui la fibra nucleosomiale si comporta come un polimero casuale per il quale la densità di impacchettamento è controllata da meccanismi di separazione di fase, a modelli gerarchici di piegatura postulando la formazione sequenziale di strutture simili a fibre di cromatina di spessore crescente12,13. I modelli di ripiegamento gerarchico hanno recentemente ottenuto il supporto di approcci molecolari basati sull'analisi dei contatti DNA-DNA in situ (cattura della conformazione cromosomica, 3C), dimostrando l'esistenza della gerarchia dei domini strutturali della cromatina14. È importante notare che le unità di replicazione sono correlate molto bene a questi domini della cromatina15. La principale critica di questi modelli si basa sulla potenziale aggregazione di cromatina artificiale causata da procedure di preparazione del campione, come la permeabilizzazione delle membrane cellulari e la rimozione di componenti non cromatinici, al fine di migliorare il contrasto della cromatina per studi ultrastrutturali migliorando al contempo l'accessibilità della cromatina per varie sonde (ad esempio, anticorpi). I recenti progressi tecnici nella colorazione selettiva del DNA per la microscopia elettronica mediante foto-ossidazione mediata da fluoroforo-legante il DNA della diaminobenzidina (ChromEMT6) hanno permesso l'eliminazione di questo ostacolo. Tuttavia, le stesse considerazioni valgono per la visualizzazione al microscopio elettronico del DNA replicante17,18. Qui descriviamo una tecnica che consente la mappatura ultrastrutturale simultanea ad alta risoluzione del DNA appena sintetizzato e della cromatina totale in cellule aldeidi-reticolate intatte. La tecnica combina il rilevamento del DNA marcato edU mediante Click-chemistry con sonde biotinilate e streptavidina-Nanogold e ChromEMT.
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Il protocollo è ottimizzato per le cellule aderenti ed è stato testato su linee cellulari HeLa, HT1080 e CHO.
1. Etichettatura e fissazione delle celle
2. Click-reazione
Nota : questa procedura viene modificata da un protocolloprecedentemente pubblicato 19.
3. Ag-amplificazione
NOTA: Questa procedura è stata modificata da Gilerovitch et al., 1995 (vedi 20,21).
4. Tonificazione dell'oro
NOTA: Al fine di proteggere le nanoparticelle d'argento dalla dissoluzione mediante ossidazione OsO4 nelle procedure successive, in questa fase viene utilizzata un'impregnazione con oro (Sawada, Esaki, 1994)22.
5. ChromEM
NOTA: Questo protocollo è stato modificato da Ou et al., 201716.
6. Disidratazione e incorporamento di resina epossidica
7. Tomografia elettronica
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I focolai di replicazione nei nuclei cellulari di mammifero mostrano modelli distinti di distribuzione all'interno del nucleo a seconda della progressione della fase S. Questi modelli sono correlati all'attività trascrizionale dei loci replicati. Poiché il metodo qui presentato utilizza una procedura di fissazione piuttosto forte, è abbastanza semplice utilizzare l'etichettatura replicativa degli impulsi per il rilevamento specifico dei loci della cromatina in vari stati trascrizionali, anche in condizioni che offrono...
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Il metodo qui descritto presenta diversi vantaggi rispetto ai protocolli pubblicati in precedenza. In primo luogo, l'uso della Chimica del clic per etichettare il DNA replicato elimina la necessità del prerequisito di denaturazione del DNA per il rilevamento di BrdU con anticorpi, preservando così meglio l'ultrastruttura della cromatina.
In secondo luogo, l'utilizzo della biotina come ligando secondario generato dopo la fissazione della glutaraldeide e la corretta tempra dei gruppi aldeidic...
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Gli autori non hanno nulla da rivelare
Questo lavoro è stato supportato in parte da RSF (grant #17-15-01290) e RFBR (grant #19-015-00273). Gli autori ringraziano il programma di sviluppo della Lomonosov Moscow State University (PNR 5.13) e il Nikon Center of Excellence in correlative imaging presso il Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology per l'accesso alla strumentazione di imaging.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagent | |||
5-ethynyl-2`-deoxyuridine (EdU) | Thermo Fisher | A10044 | |
2-(4-Morpholino)ethane Sulfonic Acid (MES) | Fisher Scientific | BP300-100 | |
AlexaFluor 555-azide | Termo Fisher | A20012 | |
biotin-azide | Lumiprobe | C3730 | |
Bovine Serum Albumine | Boval | LY-0080 | |
DDSA | SPI-CHEM | 26544-38-7 | |
DMP-30 | SPI-CHEM | 90-72-2 | |
DRAQ5 | Thermo Scientific | 62251 | |
Epoxy resin monomer | SPI-CHEM | 90529-77-4 | |
Glutaraldehyde (25%, EM Grade) | TED PELLA, INC | 18426 | |
Gum arabic | ACROS Organics | 258850010 | |
Magnesium chloride | Panreac | 141396.1209 | |
NaBH4 | SIGMA-ALDRICH | 213462 | |
NMA | SPI-CHEM | 25134-21-8 | |
N-propyl gallate | SIGMA-ALDRICH | P3130 | |
PBS | MP Biomedicals | 2810305 | |
Silver lactate | ALDRICH | 359750-5G | |
Streptavidin-AlexaFluor 488 conjugate | Termo Fisher | S11223 | |
Streptavidin-Nanogold conjugate | Nanoprobes | 2016 | |
tetrachloroauric acid | SIGMA-ALDRICH | HT1004 | |
Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris) | CHEM-IMPEX INT'L | 298 | |
Triton X-100 | Fluka Chemica | 93420 | |
Instruments | |||
Carbon Coater | Hitachi | ||
Copper single slot grids | Ted Pella | 1GC10H | |
Cy5 fluorescence filter set (Ex620/60 DM660 Em700/75) | Nikon | Cy5 HQ | Alternatives: Zeiss, Leica, Olympus |
Diamond knife Ultra Wet 45o | Diatome | DU | Alternatives: Ted Pella |
Fluorescent microscope | Nikon | Ti-E | Alternatives: Zeiss, Leica, Olympus |
High-tilt sample holder | Jeol | ||
Rotator | Biosan | Multi Bio RS-24 | |
Transmission electron microscope operating at 200 kV in EFTEM mode, with high-tilt goniometer | Jeol | JEM-2100 | Alternatives: FEI, Hitachi |
Tweezers | Ted Pella | 523 | |
Ultramicrotome | Leica | UltraCut-E | Alternatives: RMC |
Software | |||
Image acquisition | Open Source | SerialEM (https://bio3d.colorado.edu/SerialEM/) | |
Image processing | Open Source | IMOD (https://bio3d.colorado.edu/imod/) |
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