Il seguente protocollo presenta la rilevazione di focolai di DNA a singolo filamento nella fase G1 del ciclo cellulare utilizzando la sincronizzazione del ciclo cellulare seguita dalla colorazione immunofluorescente RPA2.
Il DNA ha vie di riparazione cellulare dedicate in grado di far fronte a lesioni che potrebbero derivare da fonti sia endogene che esogene. La riparazione del DNA richiede la collaborazione tra numerose proteine, responsabili della copertura di un'ampia gamma di compiti, dal riconoscimento e segnalazione della presenza di una lesione del DNA alla sua riparazione fisica. Durante questo processo, vengono spesso create tracce di DNA a singolo filamento (ssDNA), che alla fine vengono riempite da DNA polimerasi. La natura di queste tracce di ssDNA (sia in termini di lunghezza che di numero), insieme alla polimerasi reclutata per colmare queste lacune, sono specifiche del percorso di riparazione. La visualizzazione di queste tracce di ssDNA può aiutarci a comprendere le complicate dinamiche dei meccanismi di riparazione del DNA.
Questo protocollo fornisce un metodo dettagliato per la preparazione di cellule sincronizzate G1 per misurare la formazione di focolai di ssDNA in seguito a stress genotossico. Utilizzando un approccio di immunofluorescenza facile da utilizzare, visualizziamo l'ssDNA colorando per RPA2, un componente del complesso A della proteina di replicazione eterotrimerica (RPA). RPA2 si lega e stabilizza gli intermedi di ssDNA che si verificano in seguito a stress o replicazione genotossici per controllare la riparazione del DNA e l'attivazione del checkpoint del danno al DNA. La colorazione con 5-etinil-2'-desossiuridina (EdU) viene utilizzata per visualizzare la replicazione del DNA per escludere eventuali cellule della fase S. Questo protocollo fornisce un approccio alternativo ai saggi convenzionali non denaturanti a base di 5-bromo-2'-desossiuridina (BrdU) ed è più adatto per la rilevazione di focolai di ssDNA al di fuori della fase S.
Per sostenere la vita, le cellule esaminano e riparano costantemente il DNA per mantenere la loro integrità genomica. Le cellule possono accumulare vari tipi di danni al DNA a causa di fonti di stress del DNA sia endogene (ad esempio, ossidazione, alchilazione, deaminazione, errori di replicazione) che esogene (ad esempio, UV, radiazioni ionizzanti). La mancata riparazione di queste lesioni provoca apoptosi, arresto del ciclo cellulare o senescenza e può portare a malattie1. Le lesioni del DNA possono essere affrontate da una delle seguenti principali vie di riparazione del DNA: DR (direct reversal repair), che ripara principalmente le basi alchilate2; BER (riparazione per escissione di basi), che prende di mira gli errori di basi del DNA non ingombranti e le rotture del DNA a singolo filamento (SSB)3; NER (riparazione per escissione nucleotidica) che corregge le lesioni del DNA voluminose e distorcenti l'elica4; MMR (riparazione del mismatch) che prende di mira principalmente i mismatch del DNA, i loop di inserzione/delezione (IDL) e alcuni danni alla base5; NHEJ (giunzione delle estremità non omologhe) e HRR (riparazione della ricombinazione omologa) che sono entrambi attivi nelle rotture del DNA a doppio filamento (DSB)6; e TLS (sintesi translesionale), che è un meccanismo di bypass della lesione del DNA7. Sebbene questi percorsi abbiano specificità distinte del substrato, ci sono alcune sovrapposizioni tra di loro per garantire la ridondanza per una riparazione efficiente. Comprendere l'azione delle diverse vie di riparazione del DNA nelle varie fasi del ciclo cellulare è fondamentale in quanto questi fattori di riparazione del DNA potrebbero fungere da bersagli essenziali per gli approcci terapeutici per il trattamento del cancro, dell'invecchiamento e dei disturbi neurologici 8,9.
Il DNA a singolo filamento (ssDNA) viene generato durante tutto il ciclo cellulare a causa della riparazione delle lesioni del DNA generate da agenti dannosi per il DNA sia endogeni che esogeni. In seguito a stress genotossico, l'ssDNA viene generato abbondantemente nelle fasi S e G2 in cui HRR e MMR hanno la loro massima attività e quando il meccanismo di replicazione si blocca o collassa quando si incontrano lesioni del DNA 6,10,11. Anche altre vie di riparazione del DNA (ad esempio, NHEJ/giunzione delle estremità mediata dalla microomologia (MMEJ)/ricottura a singolo filamento [SSA]) generano ssDNA durante la riparazioneDSB 12. Queste tracce di ssDNA di solito derivano dalla resezione del DNA, effettuata da esonucleasi come EXO1, DNA2 e CtIP durante HR e MMR, endonucleasi come XPF e XPG durante NER, o attraverso l'azione combinata di POLB e FEN1 durante BER 4,13,14,15,16,17,18,19 . A causa del lavoro del meccanismo di replicazione, le tracce di ssDNA vengono generate anche quando le elicasi del DNA svolgono il DNA davanti alle polimerasi replicative legate al PCNA20. Al contrario, nella fase G1, la mancanza di HRR e di replicazione del DNA e l'attività limitata di MMR riducono l'estensione delle tracce di ssDNA generate e sono quindi più difficili da rilevare 10,11,21.
Le tracce cellulari di ssDNA sono strutture altamente sensibili che devono essere protette per evitare la formazione di DSB. Ciò si ottiene rivestendo le tracce di ssDNA con RPA. L'RPA è un abbondante complesso proteico eterotrimerico composto da più subunità (RPA1, RPA2 e RPA3, note anche come RPA70, RPA32 e RPA14, rispettivamente), che sono ubiquitariamente espresse durante tutto il ciclo cellulare22. Ogni subunità RPA contiene un dominio di legame al DNA (DBD), in grado di interagire con 4-6 nucleotidi, e le subunità combinate formano un nucleo di trimerizzazione stabile. Complessivamente, l'RPA si lega a circa 20-30 nucleotidi con affinità sub-nanomolare23,24.
I metodi convenzionali utilizzano la microscopia a immunofluorescenza (IF) per visualizzare i focolai di ssDNA marcando la 5-bromo-2'-deossiuridina (BrdU) incorporata nel DNA genomico utilizzando gli anticorpi BrdU25. Questo approccio si basa sul fatto che gli anticorpi BrdU possono rilevare BrdU solo nell'ssDNA25 esposto. Sebbene questo approccio sia semplice, presenta anche alcune limitazioni. Ad esempio, le cellule vengono pretrattate per incorporare BrdU prima dell'inizio dell'esperimento, il che richiede molto tempo e può interferire con gli effettori a valle. Pertanto, il rilevamento dell'ssDNA basato su BrdU è limitato alle cellule in replicazione e non può essere utilizzato per le cellule quiescenti. Ciò esclude l'applicazione di questo metodo per studiare la riparazione del DNA in cellule non replicanti, nonostante la sua importanza in diverse malattie come il cancro e la neurodegenerazione 5,26. Inoltre, poiché le strutture di BrdU e EdU sono molto simili, la maggior parte degli anticorpi BrdU mostra una crossreattività nei confronti di EdU, che deve essere presa in considerazione quando si mirano a esperimenti di doppia marcatura27. La colorazione RPA è stata precedentemente utilizzata per mostrare i focolai di ssDNA principalmente nelle cellule in fase S; tuttavia, alcuni articoli lo hanno utilizzato con successo anche al di fuori della fase S 28,29,30,31,32,33,34,35. Il seguente protocollo utilizza in modo efficiente le proprietà dell'RPA, consentendo la visualizzazione dei focolai di ssDNA a seguito di danni al DNA nella fase G1 del ciclo cellulare (sebbene possa essere utilizzato in tutte le fasi del ciclo cellulare).
1. Mantenimento delle cellule epiteliali pigmentate retiniche immortalizzate hTERT (RPE1)
2. Knocking del gene di interesse da parte dei siRNA (GOI)
3. Sincronizzazione delle celle RPE1 in fase G0
4. Rivestimento del vetrino coprioggetto e rilascio delle cellule in fase G1
5. Colorazione in immunofluorescenza dell'ssDNA
6. Acquisizione e quantificazione delle immagini
Per superare i limiti del rilevamento di ssDNA in G1, abbiamo utilizzato RPA2, che migliora sia la specificità che l'intensità del rilevamento dei focolai di ssDNA35. Per ottenere una sincronizzazione precisa delle cellule, abbiamo utilizzato cellule RPE1 che possono essere affamate di siero in modo efficiente e sincronizzate nella fase G0. Possono quindi essere indotti a rientrare nel ciclo cellulare mediante l'aggiunta di siero dopo la privazione del siero. Per confermare l'efficienza di sincronizzazione, abbiamo etichettato le cellule con EdU e il loro contenuto di DNA con ioduro di propidio. Abbiamo inoltre raccolto risultati qualitativi e quantitativi tramite citometria a flusso (Figura supplementare S1A). I dot-plot mostrano che dopo 72 ore di fame sierica, ~98% delle cellule sono in fase G0. Dopo l'aggiunta di terreni contenenti siero per 6 ore, le cellule rientrano nel ciclo cellulare (come si vede dall'aumento dei livelli di p27 nella Figura 1A), avendo ~ 97% di cellule in G1, mentre hanno solo il <1% di cellule in fase S e <2% di cellule in fase G2 (Figura supplementare S1A). Dopo 20-28 ore di aggiunta di siero alle cellule, queste passano gradualmente attraverso la fase S, come mostrato dai grafici della citometria a flusso (Figura supplementare S1A). Questo protocollo di sincronizzazione cellulare fornisce una popolazione G1 pura ~97% (6 ore dopo l'aggiunta di siero dopo 72 ore di fame sierica). Per convalidare ulteriormente l'efficienza della sincronizzazione, abbiamo confrontato l'espressione dei marcatori del ciclo cellulare dopo il rilascio di siero utilizzando il western blotting (Figura 1A e Figura supplementare S1B) e, in parallelo, abbiamo eseguito un test di incorporazione EdU per visualizzare la replicazione del DNA. La colorazione EdU evidenzia anche l'efficienza di sincronizzazione e la mancanza di replicazione del DNA in fase G1 (Figura 1B,C).
I metodi convenzionali per rilevare l'ssDNA nelle cellule di mammifero si basano sul rilevamento di BrdU nell'ssDNA. La Figura 2A mostra che dopo il trattamento con H2O2 e neocarzinostatina (NCS), i focolai di BrdU erano rilevabili solo nelle cellule in fase S, mentre nessun focolaio di ssDNA era rilevabile nelle cellule in fase non S. La colorazione degli anticorpi BrdU ha anche mostrato una notevole colorazione di fondo nucleolare che poteva essere rilevata in tutti i nuclei, indipendentemente dalla fase del ciclo cellulare o dai trattamenti applicati. Utilizzando il protocollo click EdU qui descritto, non siamo stati in grado di rilevare focolai co-localizzanti di EdU e BrdU, che è evidente nei campioni non trattati della Figura 2A. Per escludere completamente qualsiasi segnale BrdU derivante dalla cross-reattività, abbiamo evitato la marcatura EdU e abbiamo piuttosto utilizzato la ciclina A2 come marcatore S-G2. Tuttavia, la colorazione della ciclina A2 non ha permesso la pre-estrazione di CSK e, in questa condizione, non abbiamo visto alcun focolaio di BrdU, anche dopo stress genotossico (Figura supplementare S2A). Ciò evidenzia il fatto che la pre-estrazione di CSK è necessaria per la colorazione dell'ssDNA a base di anti-BrdU. Come controllo, abbiamo testato la colorazione degli anticorpi BrdU in condizioni di denaturazione. Questo apre il DNA per esporre il BrdU incorporato, che rivela che BrdU è stato incorporato uniformemente (Figura supplementare S2B).
Al contrario, la colorazione di RPA2 mostra la formazione di focolai dipendenti da NCS e H2O2 non solo nella fase S ma anche in altre fasi del ciclo cellulare (Figura 2B). Come controllo, abbiamo anche trattato le cellule con HU, che provoca solo l'accumulo di ssDNA nelle cellule in fase di replicazione. Come previsto, abbiamo rilevato un aumento del segnale solo dopo il trattamento con HU con l'anticorpo RPA2 nelle cellule EdU-positive, evidenziando la specificità di questo approccio. L'anticorpo RPA2 è anche in grado di rilevare la formazione naturale di ssDNA durante la replicazione in assenza di stress genotossico esogeno (Figura 2B). La natura altamente sensibile dell'anticorpo RPA2 ci ha spinto a provare a utilizzarlo nella fase G1 in cui la colorazione convenzionale di BrdU non è riuscita a rilevare alcun segnale in seguito a stress genotossico (Figura supplementare S2C). La Figura 3A mostra che la formazione di focolai di ssDNA dopo il trattamento con H2O2 era rilevabile quando si utilizzava un anticorpo anti-RPA2, anche in G1. C'è stato un aumento significativo del numero di focolai di RPA2 in questi nuclei dopo il trattamento con H2O2 (Figura 3B). Questi focolai erano specifici per RPA2 poiché il silenziamento di RPA2 aboliva il segnale IF (Figura 3A,B). La Figura 3C e la Figura supplementare S1C mostrano l'efficienza del silenziamento RPA2 in queste celle. Rispetto ai metodi convenzionali, la rilevazione dell'ssDNA basata su RPA2 è altamente sensibile e la sua applicazione può quindi essere estesa alle cellule in fase G1.
Figura 1: Efficienza di sincronizzazione delle cellule RPE1 dopo la fame sierica. (A) Gli immunoblot mostrano i livelli proteici indicati nelle cellule RPE1 sincronizzate in fase Asincrona, G1 e S. (B) Le immagini rappresentative mostrano cellule RPE1 asincrone, sincronizzate in fase G1 e S che sono state esposte a 10 μM EdU per 30 minuti prima della fissazione e visualizzate mediante reazione Click-IT. Il DAPI è stato utilizzato per contrastare il DNA nucleare. Barre della scala = 50 μm. (C) Il grafico mostra la percentuale di cellule EdU-positive sulla popolazione cellulare totale valutata da DAPI. La barra di errore rappresenta l'errore standard della media, e i numeri di nuclei analizzati sono stati i seguenti: AS n = 219, G1 n = 630, S n = 437. Abbreviazioni: RPE1 = cellule epiteliali pigmentate retiniche immortalizzate hTERT; AS = asincrono; EdU = 5-etinil-2'-deossiuridina; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Rilevamento di ssDNA con anticorpo BrdU o anticorpo RPA2 in caso di danno al DNA. (A) Le immagini rappresentative illustrano i focolai di ssDNA utilizzando αBrdU (verde), le cellule della fase S sono evidenziate da EdU (viola) e DAPI è stato utilizzato per contrastare il DNA nucleare (blu). Le cellule RPE1 sono state mantenute in 10 μM BrdU per 48 ore prima di qualsiasi trattamento aggiuntivo. Dopo 48 ore, le cellule sono state pulsate con 10 μM EdU per 30 minuti, seguite da un trattamento di H2O2 (250 μM) per 1 ora o Neocarzinostatina (0,5 μg/mL) per 4 ore. Le cellule sono state fissate dopo la pre-estrazione di CSK. Una linea tratteggiata bianca indica il bordo di ciascun nucleo. Barra della scala = 5 μm. Nei pannelli a destra sono rappresentate immagini ingrandite dei nuclei della fase S o non S indicati. (B) Immagini rappresentative illustrano i focolai di ssDNA utilizzando l'anticorpo αRPA2 (verde). Le cellule della fase S sono evidenziate da EdU (viola) e DAPI è stato utilizzato per contrastare la colorazione del DNA nucleare (blu). Le cellule RPE1 sono state pulsate con 10 μM EdU per 30 minuti seguite da 1 ora H2O2 (250 μM), 4 ore di idrossiurea (2 mM) o 4 ore di NCS (0,5 μg/mL). Le cellule sono state fissate dopo la pre-estrazione di CSK. Una linea tratteggiata bianca indica il bordo di ciascun nucleo. Barra della scala = 10 μm. Nei pannelli a destra sono rappresentate immagini ingrandite dei nuclei della fase S o non S indicati. Abbreviazioni: ssDNA = DNA a singolo filamento; BrdU = 5-bromo-2'-desossiuridina; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindolo; RPE1 = cellule epiteliali pigmentate retiniche immortalizzate hTERT; EdU = 5-etinil-2'-deossiuridina; NCS = Neocarzinostatina; HU = idrossiurea. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Rilevamento di focolai di ssDNA in fase G1 utilizzando l'anticorpo RPA2. (A) Le cellule RPE1 sono state trasfettate con siRNA mirati a RPA2 o a un controllo siRNA non mirato, e successivamente sincronizzate in G1 e marcate a impulsi con 10 μM EdU per 30 minuti prima di trattarle con H2O2 (250 μM) per 1 ora dove indicato. Il DAPI è stato utilizzato per contrastare il DNA nucleare. Le cellule sono state fissate dopo la pre-estrazione di CSK. Una linea tratteggiata bianca indica il bordo di ciascun nucleo. Barra di scala = 5 μm. (B) Le misurazioni per il numero di fuochi/nuclei RPA2 sono state effettuate da due esperimenti indipendenti. Durante l'analisi sono state prese in considerazione solo le cellule EdU-negative. Le linee rappresentano il valore medio sui grafici. Per l'analisi statistica è stato eseguito un test ANOVA non parametrico (Kruskal-Wallis). Le stelle indicano P < 0,0001. Il numero di nuclei analizzati è stato il seguente: siNT no H2O2 n = 513, siNT H2O2 n = 603, siRPA2 no H2O2 n = 266, siRPA2 H2O2 n = 536. (C) L'efficienza del knockdown del siRNA è dimostrata nell'immunoblotting. Abbreviazioni: siNT = controllo siRNA non mirato; BrdU = 5-bromo-2'-desossiuridina; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindolo; RPE1 = cellule epiteliali pigmentate retiniche immortalizzate hTERT; EdU = 5-etinil-2'-deossiuridina. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Quantificazione dei focolai di ssDNA utilizzando le Figi. Passaggi dettagliati nelle Figi che mostrano come valutare i numeri dei focolai RPA2 nel nucleo. (A-E) La creazione di una maschera nucleare utilizzando il canale DAPI. (F-H) Soglia per identificare i singoli focolai di ssDNA nucleare dal segnale di fondo. Abbreviazioni: ssDNA = DNA a singolo filamento; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tampone citoscheletrico (CSK) | |
TUBI pH 7.0 | 10 milioni di metri |
NaCl | 100 mM |
EDTA pH 8 | 1 millimetro |
MgCl2 | 3 milioni di minuti |
D-saccarosio | 300 mM |
Tritone X-100 | 0.20% |
Cocktail di inibitori della fosfatasi | 1 compressa per 10 mL |
Cocktail di inibitori della proteasi | 1 compressa per 10 mL |
diluito in ddH2O | n/a |
Tampone di lavaggio | |
Tritone X-100 | 0.05% |
diluito in PBS | n/a |
Tampone di permeabilizzazione | |
Tritone X-100 | 0.50% |
diluito in PBS | n/a |
Soluzione di fissaggio | |
Paraformaldeide | 3.60% |
Tritone X-100 | 0.05% |
diluito in PBS | n/a |
Buffer di blocco | |
Albumina sierica bovina (BSA) | 5% |
Tritone X-100 | 0.10% |
diluito in PBS | n/a |
Cocktail di reazione Click-iT Plus | |
1x tampone di reazione Click-iT | 435 ml |
Soluzione Alexa Fluor PCA | 5 mL |
Premiscelato protettivo CuSO 4-rame | 10 ml |
1x additivo tampone Click-iT | 50 ml |
Volume totale | 500 ml |
Tabella 1: Composizione dei tamponi utilizzati in questo protocollo.
Figura supplementare S1. (A) Le cellule RPE1 sono state sincronizzate con la fase G0 utilizzando la fame di siero per 72 ore e successivamente rilasciate in diverse fasi del ciclo cellulare reintroducendo il siero. I dot plot mostrano le cellule nelle fasi G0/G1, S o G2/M, dove le ore indicano il tempo dopo la re-aggiunta del siero dopo la fame di siero. Il grafico a destra mostra la percentuale di celle G0/G1, S e G2/M in ciascuna condizione. L'analisi FACS è stata effettuata utilizzando un kit di proliferazione cellulare disponibile in commercio utilizzando EdU e ioduro di propidio secondo le raccomandazioni del produttore. (B) Scansioni western blot non ritagliate per la Figura 1. I numeri mostrano i marcatori di peso molecolare in kDa. PARP1 è stato utilizzato come controllo di carico e caricato sul gel che è stato sviluppato anche contro CCNA2, p27 (ulteriormente spogliato per PCNA) e pH3 (S10) (ulteriormente spogliato per H3) tagliando la membrana. CCNB1 e RPA2 sono stati caricati su un gel separato, utilizzando la stessa quantità di lisato proteico per garantire la comparabilità. (C) Scansioni western blot non ritagliate per la Figura 3. I numeri mostrano i marcatori di peso molecolare in kDa. Abbreviazione: EdU = 5-etinil-2'-deossiuridina. Fare clic qui per scaricare il file.
Figura supplementare S2: (A) Immagini rappresentative illustrano i focolai di ssDNA utilizzando l'anticorpo BrdU (verde); Le celle della fase S sono evidenziate dalla ciclina A2 (rosso); e DAPI è stato usato per contrastare il DNA nucleare (blu). Le cellule RPE1 sono state mantenute in 10 μM BrdU per 48 ore prima di un ulteriore trattamento. Dopo 48 ore, le cellule sono state trattate con H2O2 (250 μM) per 1 ora o Neocarzinostatina (0,5 μg/mL) per 4 ore prima della fissazione. Una linea tratteggiata bianca indica il bordo di ciascun nucleo. Barra di scala = 5 μm. (B) Colorazione BrdU delle cellule RPE1 con e senza condizione di denaturazione. Le cellule asincrone RPE1 sono state pretrattate con 10 μM di BrdU per 48 ore. Barra della scala = 10 μm. (C) Le misurazioni per il numero di fuci/nuclei BrdU sono state effettuate da due esperimenti indipendenti in cellule RPE1 sincronizzate G1. Durante l'analisi sono state prese in considerazione solo le cellule EdU-negative. Le linee rappresentano il valore medio sui grafici. Per l'analisi statistica è stato eseguito un test ANOVA non parametrico (Kruskal-Wallis). La 'ns' indica una differenza non significativa. Il numero di nuclei analizzati è stato il seguente: NT n = 52, NCS n = 105, H2O2 n = 82. Abbreviazioni: siNT = controllo siRNA non mirato; BrdU = 5-bromo-2'-desossiuridina; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindolo; RPE1 = cellule epiteliali pigmentate retiniche immortalizzate hTERT; NCS = Neocarzinostatina. Fare clic qui per scaricare il file.
Video supplementare S1: Registrazione dello schermo dell'analisi dei focolai RPA2 basata sulle Figi. Fare clic qui per scaricare il file.
Il mantenimento di una coltura cellulare sana e priva di micoplasmi è fondamentale per tutti gli esperimenti sopra descritti. Le cellule RPE1 hanno un forte attaccamento alla plastica trattata con colture tissutali in normali terreni di coltura; tuttavia, le loro caratteristiche di legame diminuiscono significativamente se mantenute in condizioni prive di siero. Inoltre, per catturare immagini ad alta risoluzione dei focolai di ssDNA al microscopio, le cellule devono essere placcate su un vetro di copertura di 0,17 mm di spessore, che non è abbastanza idrofilo per supportare il corretto attacco delle cellule RPE1. Senza cellule adeguatamente appiattite e distribuite uniformemente, è molto difficile visualizzare i singoli focolai di ssDNA. Pertanto, è fondamentale scegliere il materiale di rivestimento appropriato (ad esempio, vitronectina) e lasciare un tempo adeguato (6-12 ore) affinché le cellule si diffondano e si attacchino dopo averle rilasciate in fase G1.
Una parte impegnativa del protocollo consiste nell'ottenere cellule RPE1 sincronizzate G1 omogenee. Ciò richiede due passaggi critici. Innanzitutto, per un'efficiente carenza di siero, le cellule devono essere tripsinizzate, lavate accuratamente con PBS e seminate direttamente su nuove piastre di coltura tissutale utilizzando terreni privi di siero. Il lavaggio delle cellule direttamente nelle piastre di coltura tissutale per rimuovere il siero non produrrà un'efficiente sincronizzazione G0. In secondo luogo, quando si rilasciano le cellule in fase G1, le cellule devono essere nuovamente tripsinizzate e seminate su piastre di coltura tissutale fresche. Allo stesso modo, la semplice modifica del terreno e l'aggiunta di terreno di coltura contenente siero alle cellule non comporterà un ingresso sincrono di G1. Inoltre, per un corretto ingresso di G1, la densità di semina delle cellule sui vetri di copertura rivestiti deve essere a determinati livelli di confluenza. Mentre la perfetta sincronizzazione cellulare è generalmente irraggiungibile, questo protocollo di sincronizzazione qui descritto fornisce una popolazione G1 pura ~97%. La densità di semina consigliata per RPE1 su un vetrino coprioggetto di 12 mm di diametro è ~4 × 104 per acquisire un campo visivo omogeneo per l'imaging, con una confluenza di circa il 70%. Una maggiore densità di semina provoca il distacco e il "peel-off" delle cellule dopo l'estrazione di CSK e si tradurrà in un segnale di fondo più elevato durante l'acquisizione dell'immagine.
Per ridurre qualsiasi segnale di fondo e ottenere un rapporto segnale/rumore favorevole, è essenziale un lavaggio accurato dopo l'incubazione degli anticorpi primari e secondari. Poiché devono essere applicate numerose fasi di lavaggio, è anche essenziale evitare che il pozzetto si secchi durante ogni fase di lavaggio. Riduciamo al minimo questo artefatto applicando un minimo dello 0,05% di Triton X-100 in tutte le fasi di lavaggio e incubazione. Una volta che i pozzi si sono asciugati, le celle hanno mostrato un rapporto segnale/rumore alterato; Questo porta a un modello simile a un mosaico al microscopio e potrebbe interferire con la valutazione. L'acquisizione di immagini Z-stack combinata con la deconvoluzione può aiutare a catturare i fuochi in diversi piani focali per migliorare l'analisi.
I metodi convenzionali si basano sul rilevamento di BrdU incorporato in condizioni non denaturanti. Questi metodi, tuttavia, dipendono dal pretrattamento delle cellule con alti dosaggi di BrdU per almeno 1-2 giorni (o tempo equivalente a un ciclo cellulare completo nella linea cellulare utilizzata) per garantire un'incorporazione genomica uniforme. Indesiderabilmente, un'ampia incorporazione di BrdU può causare interferenze nel ciclo cellulare36. Per affrontare queste limitazioni, questo metodo utilizza RPA2 endogeno per rilevare i focolai di ssDNA. Questo approccio non richiede l'incorporazione di BrdU guidata dalla replicazione, ma può essere utilizzato anche nelle cellule post-mitotiche. Poiché non è necessaria un'ampia incorporazione di BrdU, ciò consente di risparmiare tempo e riduce la complessità sperimentale. Utilizzando la colorazione RPA2 per visualizzare l'ssDNA, possiamo utilizzare la 2′-deossi-5-etiniluridina (EdU) e la click-chemistry per marcare la replicazione del DNA evitando la possibile crossreattività degli anticorpi BrdU contro EdU 27,37,38. Particolare attenzione deve essere prestata per mascherare adeguatamente l'EdU incorporata durante la reazione di clic in modo che gli anticorpi BrdU non reagiscano in modo incrociato con l'EdU27,39.
Infine, un importante vantaggio dell'utilizzo di RPA2 al posto di BrdU è semplicemente quello di avere un rapporto segnale/rumore superiore rispetto alla colorazione di BrdU al di fuori della fase S. Abbiamo scoperto che la colorazione BrdU non denaturante e la sua capacità di visualizzare l'ssDNA sono limitate alla fase S anche nelle cellule in replicazione (Figura 2). L'anticorpo BrdU si lega solo al BrdU sufficientemente esposto negli allungamenti di ssDNA. Il legame delle proteine di riparazione, tra cui RPA2, ai tratti di ssDNA può sopprimere o ostacolare l'esposizione sufficiente di BrdU nell'ssDNA. Abbiamo anche scoperto che la pre-estrazione di CSK è necessaria per la visualizzazione dell'ssDNA utilizzando l'anticorpo BrdU. Ciò è possibile perché le tracce di ssDNA non sono accessibili per l'anticorpo senza rimuovere da esse i componenti proteici leggermente legati.
Tuttavia, ci sono alcune limitazioni associate a questo protocollo. Un limite dell'utilizzo di RPA2 per il rilevamento di ssDNA è la necessità di ottimizzare la fase di pre-estrazione CSK. L'RPA2 in eccesso non legato deve essere lavato via dal DNA prima di fissare le cellule. Da un lato, la sottoestrazione porta a un elevato background a causa della frazione proteica RPA2 che non è legata all'ssDNA. D'altra parte, l'estrazione eccessiva porterà alla perdita del segnale. Per il rilevamento di BrdU, questa non è una variabile poiché BrdU è stabilmente incorporato nel DNA e non può essere lavato via dalla pre-estrazione. Pertanto, è necessario considerare attentamente il tempo di pre-estrazione CSK, la quantità di Triton X-100 nel tampone, il volume e la temperatura alla quale viene eseguita la pre-estrazione. La preestrazione CSK limita anche l'uso delle dimensioni del nucleo per discriminare le cellule G0/G1 dalle cellule S/G2.
Inoltre, non possiamo escludere la possibilità che parte del segnale che proviene da RPA2 provenga dal suo legame con altri interattori proteici leganti la cromatina. Bisogna anche considerare la specificità di specie dell'anticorpo RPA2. L'anticorpo utilizzato in questo protocollo è in grado di riconoscere l'RPA2 umano, il topo, il ratto, il criceto e la scimmia. Un'altra limitazione di questo approccio è che non tutte le linee cellulari possono essere affamate di siero per la sincronizzazione G0. La maggior parte delle linee cellulari tumorali può bypassare i checkpoint del ciclo cellulare e proliferare anche in terreni privi di siero. Sebbene la fame di siero sia benefica, poiché non provoca danni al DNA, è necessario monitorare attentamente la loro efficienza di sincronizzazione cellulare per assicurarsi che venga raggiunto un corretto arricchimento della fase del ciclo cellulare. Per le cellule che non rispondono alla deprivazione sierica, devono essere presi in considerazione altri metodi di sincronizzazione cellulare (ad esempio, shake off mitotico, inibizione di CDK1 per l'arresto di G2 o tecniche non invasive come l'elutriazione centrifuga). Un altro metodo possibile è l'utilizzo dell'imaging ad alto contenuto per misurare il contenuto di EdU e DNA nucleare per la profilazione del ciclo cellulare delle cellule asincrone31. È necessario considerare le implicazioni dell'utilizzo di metodi di sincronizzazione alternativi per evitare interferenze con l'analisi a valle. Ad esempio, l'uso del doppio blocco di timidina o dell'afidicolina, spesso utilizzata in letteratura, provocherà stress da replicazione e danno al DNA40.
Lo studio dei meccanismi di riparazione del DNA continua ad essere un punto focale di discussione nel campo del cancro e della biologia cellulare. Il protocollo qui presentato offre un approccio prezioso per la preparazione delle cellule, consentendo la visualizzazione e l'analisi quantitativa dell'ssDNA in seguito all'esposizione ad agenti dannosi per il DNA. In particolare, questo protocollo evidenzia l'utilizzo della proteina legante l'ssDNA, RPA2, dimostrando la sua elevata specificità per visualizzare piccole quantità di focolai di ssDNA evitando reattività crociate indesiderate in tutte le fasi del ciclo cellulare. L'utilizzo di RPA2 conferisce numerosi vantaggi, in particolare per i ricercatori che mirano ad analizzare le cellule nella fase G1 del ciclo cellulare. Questo protocollo prende in considerazione diverse limitazioni e affronta le preoccupazioni relative all'interferenza del segnale, al rumore di fondo indesiderato e alla reattività incrociata quando si utilizza la colorazione RPA2 o BrdU per rilevare l'ssDNA.
Gli autori non hanno interessi contrastanti da dichiarare.
Gli autori ringraziano Michele Pagano per il suo supporto e le sue utili intuizioni, Ashley Chui e Sharon Kaisari per la lettura critica del manoscritto, e Jeffrey Estrada e Vilma Diaz per il loro continuo supporto. Questo lavoro è stato sostenuto da un supplemento sulla diversità al National Institutes of Health Grant GM136250.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Alpha-tubulin antibody | Sigma-Aldrich | T6074 | primary antibody (1:5,000) |
Axio Observer Inverted Microscope | Zeiss | na | microscope |
Bis-Tris Plus Mini Protein Gels, 4-12% | Invitrogen | NW04127BOX | Western Blot |
Bovine Serum Albumin | Jackson ImmunoResearch | 001-000-162 | blocking |
BrdU (5-Bromo-2'-deoxyuridine) | Sigma-Aldrich | B5002-100MG | nucleotide analogue |
BrdU antibody BU1/75 | Abcam | ab6326 | primary antibody (1:500) |
CellAdhere Dilution Buffer | Stemcell Technologies | 07183 | coating reagent |
Click-iT Plus EdU Flow Cytometry Assay Kits | Invitrogen | C10632 | flow cytomery |
Click-iT Plus EdU Cell Proliferation Kit for Imaging, Alexa Fluor 647 dye | Thermo Fisher Scientific | C10640 | click-reaction kit |
cOmplete ULTRA Protease inhibitor tablets | Sigma-Aldrich | 5892791001 | reagent |
Countess 3 Automated cell counter | Thermo Scientific | AMQAX2000 | cell counter |
Coverslip | neuVitro | GG12PRE | tissue culture |
Cyclin A2 antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-271682 | primary antibody (1:1,000) for IF and WB |
Cyclin B1 antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-245 | primary antibody (1:5,000) |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D2650-100ML | vehicle control |
DMEM, high glucose, with HEPES | Gibco | 12430051 | cell culture medium for RPE cells |
DPBS, no calcium, no magnesium | Gibco | 14190144 | the PBS used throughout the protocol |
D-Sucrose | Thermo Fisher Scientific | bp220-1 | reagent |
Eclipse Ti2 Series Epifluorescent Microscope | Nikon | na | microscope |
EdU (5-Ethynyl-2'-deoxyuridine) | Thermo Fisher Scientific | C10637 | nucleotide analog |
Falcon 24-well plate | Corning | 351147 | tissue culture |
Falcon Cell Culture Dishes 100 mm | Corning | 353003 | tissue culture |
Fetal Bovine Serum, heat inactivated | Gibco | 16140071 | media supplement |
Fiji (ImageJ) | NIH | version 1.54f | software and algorithms |
FxCycle PI/RNase Staining Solution | Invitrogen | F10797 | PI staining |
Goat anti-mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 555 | Thermo Fisher Scientific | A21422 | secondary antibody (1:1,000) |
Goat anti-rat IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 488 | Thermo Fisher Scientific | A48262 | secondary antibody (1:1,000) |
Histone H3 antibody | Abcam | ab1791 | primary antibody (1:10,000) |
hTERT RPE1 | ATCC | CRL-3216 | cell line |
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | H1758-100ML | reagent |
Hydrogen peroxide 30% soultion | Sigma-Aldrich | H1009-100ML | reagent |
Hydroxyurea,98% powder | Sigma-Aldrich | H8627-5G | reagent |
Invitrogen Ultra Pure 0.5 M EDTA pH 8.0 | Thermo Fisher Scientific | 15-575-020 | reagent |
Lipfectamine RNAiMAX Transfection Reagent | Invitrogen | 13778150 | transfection reagent |
Magnesium chloride solution 1 M | Sigma-Aldrich | M1028-100ML | reagent |
MycoFluor | Thermo Fisher | M7006 | Mycoplasma Detection Kit |
Neocarzinostatin from Streptomyces carzinostaticus | Sigma-Aldrich | N9162-100UG | reagent |
NuPage MES SDS Running Buffer (20x) | Invitrogen | NP0002 | Western Blot |
onTARGETplus Human RPA2 siRNA | Dharmacon | L-017058-01-0005 | siRNA |
p27 antibody | BD Biosciences | 610241 | primary antibody (1:1,000) |
Paraformaldehyde aqueous solution (32%) | Electron Microscopy Sciences | 50-980-494 | fixative |
PARP1 antibody | Cell Signaling Technology | 9542S | primary antibody (1:1,000) |
PCNA antibody | Cell Signaling Technology | 13110S | primary antibody (1:2,000) |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140163 | media supplement |
pH3 antibody | Cell Signaling Technology | 3377S | primary antibody (1:2,000) |
PhosSTOP phosphatase inhibitor tablets | Sigma-Aldrich | 4906837001 | reagent |
PIPES Buffer 0.5 M solution, pH 7.0 | Bioworld | 41620034-1 | reagent |
Precision Plus Protein Kaleidoscope Prestained Protein Standards | Bio-Rad | 1610395 | Western Blot |
Prism | GraphPad | version 10 | statistical analysis and graph |
ProLong Diamond Antifade Mountant | Thermo Scientific | P36961 | mounting media |
Reduced serum media (Opti-MEM) | Gibco | 31985070 | used for transfection |
Rpa32/rpa2 antibody (mouse) | EMD Millipore | NA19L | primary antibody (1:1,000) for WB |
Rpa32/rpa2 antibody (rat) | Cell Signaling Technology | 2208S | primary antibody (1:1,000) for IF |
Sodium Chloride solution (5 M) | Sigma-Aldrich | S5150 | reagent |
Sodium Pyruvate (100 mM) | Gibco | 11360070 | media supplement |
Sodium tetraborate decahydrate | Sigma-Aldrich | B3535-500G | reagent |
Thermo Scientific Pierce DAPI Nuclear Counterstain | Thermo Scientific | 62248 | nucleic acid stain |
Thymidine,powder | Sigma-Aldrich | T1985-1G | reagent |
Triton X-100 aqueous solution (10%) | Sigma-Aldrich | 11332481001 | detergent |
Trypsin-EDTA (0.5%), no phenol red | Gibco | 1540054 | cell dissociation agent |
Vitronectin XF | Stemcell Technologies | 07180 | coating reagent |
ZE5 Cell Analyzer | Bio-Rad | na | flow cytomery |
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