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Method Article
ここでは、近接ライゲーションアッセイ(PLA)を使用して、がん遺伝子によって誘導される転写複製コンフリクト(TRC)を検出するための高感度で特異的な方法を紹介します。このアプローチでは、PCNAおよびリン酸化CTD RNAPIIを標的とする特異的抗体を活用し、RNAポリメラーゼII転写とDNA複製機構との間のTRCの有病率の評価を可能にします。
DNA複製とRNA転写はどちらもゲノムDNAをテンプレートとして利用するため、これらのプロセスを空間的および時間的に分離する必要があります。複製機構と転写機構との間の対立は、転写-複製競合(TRC)と呼ばれ、がん発生の重要な要素であるゲノムの安定性にかなりのリスクをもたらします。これらの衝突を制御するいくつかの要因が特定されていますが、直接的な視覚化と明確な解釈のためのツールが限られているため、主な原因を特定することは依然として困難です。本研究では、PCNAに特異的な抗体とRNAポリメラーゼIIのリン酸化CTDを活用して、近接ライゲーションアッセイ(PLA)を用いてTRCを直接可視化します。このアプローチにより、RNAポリメラーゼIIによって媒介される複製プロセスと転写プロセスの間のTRCの正確な測定が可能になります。この方法は、これらの抗体に共有結合したDNAプライマーと蛍光プローブを使用したPCR増幅を組み合わせることでさらに強化され、内因性TRCを検出するための高感度で特異的な手段を提供します。この技術は、直接的なTRC可視化のギャップを埋め、細胞内のゲノム不安定性を引き起こす根本的なプロセスのより包括的な分析と理解を可能にします。
ゲノムは、複製や転写などの重要な生物学的プロセスのテンプレートとして機能します。健康な細胞では、RNA転写機構とDNA複製機構は通常協力し、空間的および時間的に分離されています1,2,3,4。しかし、がん遺伝子の過剰発現などの病理学的条件下では、この調和のとれた協力が損なわれる可能性があります。
がん遺伝子はしばしば転写レベルを上昇させ、転写機構と複製機構との間の衝突の可能性を高めます5。一部のがん遺伝子はクロマチンの構造を変化させ、転写に利用しやすくしますが、複製フォークの進行を妨げる可能性があります5。さらに、がん遺伝子の活性化は、細胞周期を加速することにより複製ストレスを誘発することができます6。RNAポリメラーゼII(RNAPII)の活性は、Rbのサイクリン依存性キナーゼ(CDK)リン酸化によりG1/S相移行中に有意に上昇し、サイクリン、CDK、ハウスキーピング遺伝子などの必須タンパク質の転写を促進するE2F転写因子を放出します7。ヒストン遺伝子の発現はS期にピークに達し、DNA複製と一致します8。さらに、いくつかの非常に長い遺伝子の完全長転写産物を転写するには、複数の細胞周期が必要です9。S期に入るたびに、同じゲノム領域での転写機構と複製機構の同時活動により、有害な出会いが発生し、競合が発生する可能性があります。これらの対立は、ゲノム不安定性の主要な内因性の原因であり、腫瘍形成と密接に関連しています。複製機構がRNAPII転写とどのように連携して有害な衝突を防ぎ、ゲノムの安定性を維持するかは、依然として重要な問題です。したがって、RNAPIIに関連する転写複製コンフリクト(TRC)の直接的な可視化は、これらのコンフリクトを解決する分子メカニズムを理解するために不可欠であり、最終的にはこれらのコンフリクトを治療目的で利用するための基礎を築く可能性があります。
転写複製コンフリクト(TRC)は、転写と複製が互いに進行する「正面」と、同じ方向に進む「共方向」の2つの方向で発生する可能性があります。正面衝突は、同方向の衝突よりもはるかに破壊的です10,11,12,13。DNA-RNAハイブリッド(Rループ)の形成は、TRCの主要なドライバーとして特定されています。したがって、かなりの量の研究が、調節不全の複製および/または転写に応答するRループおよびそれらの領域の発生を評価することにより、TRCの存在を推測してきた10,11。しかし、転写由来のRループの蓄積が複製の比例障害となり、TRCと直接相関するかどうかは未解決の問題です。研究者はまた、複製フォークのダイナミクスを分析することにより、TRCを調査しています。例えば、レポーター遺伝子の二次元ゲル電気泳動は、遺伝子座特異的なレプリソームの一時停止を明らかにすることができ12、DNAファイバーアッセイは、研究者が複製フォーク速度、起源密度、およびフォーク非対称性の変化を調べることを可能にする13。次世代シーケンシング技術の進歩は、岡崎フラグメントシーケンシング(Ok-seq)14,15、開始部位シーケンシング(ini-seq)16,17、短新生鎖シーケンシング(SNS-seq)18、Repli-seq19、ポリメラーゼ使用シーケンシング(Pu-seq)20など、いくつかの革新的な方法の開発につながっています.これらの技術により、複製の起源の使用、フォークの方向性、および複製の終了に関するゲノムワイドなプロファイルが提供され、複製と転写の調整に関与する主要な要因が明らかになりました。TRIPn-seqは、転写および複製の共占有を直接検出できる数少ない方法の1つであり、生理学的および病理学的条件下でのDNA複製および転写の動的組織化についての理解を大幅に拡大する21。これらのシーケンシングベースの方法によって提供される貴重な洞察にもかかわらず、その高コストと時間のかかる性質により、より広範なアプリケーションが制限されます。したがって、シングルセルレベルでTRCを可視化および定量するためには、より決定的で、高感度で、便利で、迅速な検出方法を確立することが重要です。
in situ近接ライゲーションアッセイ(PLA)は、Duolink PLAテクノロジーとも呼ばれ、組織切片や細胞培養物における標的タンパク質の物理的近接性を評価するための強力な方法です。この手法は、2つのタンパク質またはタンパク質複合体が互いに40 nm以内にある場合にのみシグナルを生成します。これには、それぞれ異なる種(マウス/ウサギ、ウサギ/ヤギ、マウス/ヤギなど)由来の標的タンパク質に対する2つの一次抗体が必要です。これらの一次抗体とサンプルをインキュベートした後、PLAプローブ(1つはPLUSおよび1つはMINUS)と呼ばれる二次抗体を塗布します。一次抗体の定常領域に結合する通常の二次抗体とは異なり、PLAプローブは特定のDNAプライマーに共有結合しています。標的タンパク質が近接している(40 nm未満)場合、コネクターオリゴヌクレオチドは両方のPLAプローブとハイブリダイズでき、結合したオリゴヌクレオチドの完全長DNA分子への酵素ライゲーションが容易になります。この新しく形成されたDNAは、検出されたタンパク質相互作用の代理マーカーとして機能し、増幅のテンプレートとして機能します。次に、増幅された生成物は、蛍光標識されたオリゴヌクレオチドプローブを使用して視覚化されます。タンパク質が40 nm以上離れている場合、PLAプローブはDNAテンプレートを形成できず、検出可能なシグナルは得られません。PLAの概略図を図1に示します。近接性および/または相互作用は、蛍光顕微鏡法によって蛍光ドットとして視覚化され、これらのドットの数と強度を定量化できます。2002年の発明以来、PLAはその高い感度と特異性により、タンパク質相互作用のモニタリングに人気を博しています。シーケンシングベースのアッセイとは異なり、PLAは少量のサンプルしか必要としないため、希少なサンプルの分析に適しています。
研究は、発癌性KRAS G12D変異の発現が転写複製コンフリクト(TRC)22,23を引き起こすことを実証しています。例えば、Mengらによって発表された研究23は、ヒト膵管上皮(HPNE)細胞におけるKRAS G12Dの異所性発現がTRCおよびTRC関連Rループを増強することを示しています。細胞株におけるRNAPII転写と複製機構との間の衝突の検出を可能にするために、この目的のために特別に開発されたプロトコルを提供しています。KRAS(G12D)プラスミドとベクターコントロールをヒト肺上皮BEAS-2B細胞にトランスフェクションし、KRAS(G12D)の発現とDNA損傷(γH2AX)をウェスタンブロットで検証します。Rループの蓄積はS9.6ドットブロット解析によって確認され、KRASを発現する細胞(G12D)における複製障害の蓄積とゲノムの不安定性がまとめて示されています。最後に、細胞をスライド上に固定してPLAアッセイを行います。衝突を局所的に検出するために、まず細胞をRNAPIIおよびPCNA一次抗体で染色し、次にPLAプローブで標識した二次抗体で染色します。ライゲーションが成功すると環状DNA分子が形成され、その後のローリングサークル増幅(RCA)のテンプレートとして機能します。次に、スライドを適切な封入剤にマウントし、蛍光顕微鏡で可視化します。ImageJを使用して画像を解析できます。
1. レンチウイルスの産生と標的細胞株への形質導入
2. KRAS(G12D)由来のDNA損傷とRループ形成の検証
3. PLAアッセイ
γH2AXは、DNA損傷のバイオマーカーとして機能します。KRAS(G12D)の過剰発現は、ウェスタンブロット解析におけるγH2AXシグナルの増加によって証明されるように、これらの細胞のゲノム安定性を損ないます(図2A)。さらに、ベクターコントロールと比較してKRAS(G12D)発現細胞におけるS9.6ドットブロットシグナルの強化(図2B)は、?...
RNAPII転写機構は、DNA複製フォークの進行26,27に障害を作り出す可能性があり、特に癌細胞28,29においてTRCとDNA損傷を促進する。TRCを制御するタンパク質を解読し、その詳細なメカニズムを理解することで、これらの有害な事象がどのように発生するのかを理解し、将来の新しい治?...
著者には、開示すべき利益相反はありません。
この研究は、南中国大学のスタートアップ資金によって支援されました。
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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