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이 방법론은 나노 입자가 있는 상태에서 DNA 복제 역학의 변화를 분석하는 데 도움이 됩니다. 관심 물질의 세포독성 수준에 따라 다양한 방법론을 채택할 수 있습니다. 또한, DNA 섬유 분석에 도움을 주기 위해 이미지 분석에 대한 설명이 제공된다.
나노 물질 노출은 세포에서 복제 스트레스와 게놈 불안정성을 유발할 수 있습니다. 불안정성의 정도는 나노 물질의 화학, 크기 및 농도, 노출 시간 및 노출 된 세포 유형에 따라 다릅니다. 내인성/외인성 물질이 글로벌 복제에 미치는 영향을 설명하기 위해 몇 가지 확립된 방법이 사용되었습니다. 그러나 DNA 섬유 분석과 같은 레플리콘 수준 분석은 이러한 에이전트가 복제 시작, 종료 및 복제 포크 진행에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 필수적입니다. 이것을 알면 나노 물질이 돌연변이 고정 및 게놈 불안정성의 가능성을 증가시키는 방법을 더 잘 이해할 수 있습니다. RAW 264.7 대식세포를 모델 세포로 사용하여 그래핀 옥사이드 나노입자 노출 하에서 복제 역학을 연구했습니다. 여기에서는 뉴클레오티드 유사체를 사용한 펄스 라벨링, 세포 용해, 펄스 라벨링된 DNA 섬유를 슬라이드에 확산, DNA 섬유 내 뉴클레오티드 유사체의 형광 면역염색, 컨포칼 현미경을 사용한 DNA 섬유 내 복제 중간체 이미징, 컴퓨터 지원 스코어링 및 분석(CASA) 소프트웨어를 사용한 복제 중간 분석을 포함하는 DNA 섬유 분석의 기본 프로토콜을 시연합니다.
각 세포 주기 동안 DNA 복제는 정확한 게놈 복제를 보장합니다1. 진핵 염색체 복제는 본질적으로 세 가지 요인, 즉 다중 복제 기원의 발사 시기, 발사된 기원에서 나오는 포크의 속도, 인접한 기원의 두 복제 분기점이2를 충족할 때 복제 프로세스의 종료에 따라 달라집니다. 딸 세포에 대한 유전 정보의 충실도 높은 전송과 유전적 무결성의 보존을 위해서는 정확한 DNA 복제가 중요합니다. 규칙적인 신진 대사에서 발생하거나 인공 또는 자연 환경 물질로 인한 약제는 지속적으로 게놈을 공격합니다. 이러한 내인성 및 외인성 인자는 이러한 인자에 의한 DNA 손상으로 인해 복제 포크가 느려지거나 멈추게 하며, 이러한 어려움에 대응하여 일시적으로 속도를 늦추거나 멈추는 포크를복제 스트레스3라고 한다. 복제 스트레스에 대한 반응으로, 세포는 교란된 복제 포크의 안정성을 유지하고 다시 시작할 수 있도록 하는 몇 가지 분자 경로를 개발했다4. 유전적 안정성, 세포 생존 및 인간 질병 측면에서 이러한 복제 스트레스 반응 메커니즘은 건강한 게놈을 유지하고 세포 생존을 보장하며 질병 형성 가능성을 감소시키는 핵심 요소로 부상했습니다5.
복제 스트레스를 생성할 수 있는 외인성 제제 중 하나는 나노입자입니다. 나노 입자는 크기가 1 nm 내지 100 nm6 범위인 입자이다. 높은 표면적, 독특한 모양 및 독특한 화학적 특성으로 인해 나노 입자는 다양한 의료, 제약, 환경 및 산업 응용 분야에서 활용됩니다 7,8. 나노 입자는 많은 잠재적 이점을 가지고 있지만, 그 중 일부는 (유전 적 성질이나 수명으로 인해) 독성을 가질 수 있습니다. 나노 입자는 또한 의료용 임플란트의 자연적인 마모로 인해 형성 될 수 있으며 보철 주위 영역(9,10)으로 방출 될 수 있습니다.
다양한 응용 분야를 위해 생산된 무수한 나노입자에 인간이 노출됨에 따라 지난 10년 동안 나노입자 독성 분야의 연구가 엄청나게 증가했다11. 이러한 연구 노력으로 나노 입자가 인체 건강에 미치는 잠재적 위협에 대한 정보가 풍부하게 밝혀졌지만 나노 입자가 유전 독성을 유발할 가능성에 대한 지식은 여전히 제한적입니다. 지금까지 밝혀진 것은 이러한 나노 입자가 DNA와 물리적으로 상호 작용하고 DNA 손상을 촉진하며 DNA 복구 또는 복제를 담당하는 단백질을 손상 시키거나 방해 할 수 있다는 것입니다12. 이들이 DNA 복제를 어떻게 방해하는지 검출하기 위해, DNA 섬유 빗질, 방사선 내성 DNA 합성 (RDS) 및 DNA 섬유 분석이 전형적으로 사용된다13,14,15,16.
DNA 섬유 빗질 방법은 유연하며 단일 분자 수준17에서 복제 포크 역학에 대한 정보를 제공합니다. 본질적으로, 염분화된 커버슬립은 DNA 말단이 결합하면 DNA 용액에서 부드럽게 빼냅니다. DNA 분자는 용액의 반월판에 의해 곧게 펴지고 정렬됩니다. DNA 섬유의 균질성, 간격 및 정렬은 정확하고 신뢰할 수 있는 섬유관 길이 측정을 지원합니다. 스트레스나 손상을 유발하는 데 사용되는 치료 및 약물의 길이와 순서를 조정함으로써 이 응용 프로그램을 사용하여 포크 발전의 여러 측면을 모니터링할 수 있습니다. 이 방법에서, 이중 라벨링 시스템이 사용되며, 이를 통해 복제 포크의 속도 및 진행이 평가된다(17,18). 반면에, 2D 겔 전기영동은 아가로스 겔 전기영동에서 분지 DNA 구조가 동일한 질량의 선형 DNA 분자보다 더 느리게 이동하여 2D 실행에서 둘을 깨끗하게 분리할 수 있다는 사실을 이용합니다. 사실, 이 방법은 첫 번째 실행에서 질량을 기반으로 DNA 분자를 분리하고 두 번째 직교 실행에서 모양을 기반으로 DNA 분자를 분리하는 것으로 조사됩니다. 게놈 DNA 단편화 후, 흔하지 않은 복제 및 재조합 중간체는 분지 형태를 발달시키고, 이들은 2D 겔19에서 보다 일반적인 선형 분자와 구별될 수 있다.
RDS 방법은 글로벌 DNA 합성이 어떻게 영향을 받는지 결정하는 데 사용됩니다. 이 방법에서, 글로벌 복제의 억제 정도는 처리되지 않은 세포와 처리된 세포에서 [14C] 티미딘과 같은 방사성 표지된 뉴클레오티드의 혼입된 양을 비교하여 결정됩니다14,20. 처리되지 않은 세포와 처리 된 세포 사이의 방사성 표지의 백분율 차이는 DNA 손상 물질이 DNA 합성에 영향을 미치는 정도를 나타냅니다. 이와 유사하게, 또 다른 방법은 DNA 합성의 전체 속도를 측정하기 위해 유세포 분석을 위해 BrdU(5-브로모-2′-데옥시우리딘)와 같은 뉴클레오티드 유사체를 통합하는 세포의 능력을 사용합니다21,22. 이러한 방법은 DNA 손상 물질이 글로벌 DNA 합성에 어떤 영향을 미치는지 보여주지만 개별 레플리콘이 어떻게 영향을 받는지는 보여주지 않습니다. 실제로, 레플리콘 수준의 분석은 독성 입자(나노 물질) 노출 시 게놈 불안정성의 시작과 정도를 더 잘 이해하는 데 필수적입니다. DNA 섬유 자가방사선 촬영 및 전자 현미경은 이23,24,25,26을 결정하는 데 사용되는 몇 가지 방법입니다.
불균일한 간격의 소스에서 복제 기포 및 양방향 복제의 개념은 전자 현미경 및 DNA 섬유 자가방사선 촬영과 같은 단일 분자 테스트를 사용하여 처음 개발되었습니다27,28. 탄소 코팅 그리드에 분산된 특정 분자에서 분지 복제 중간체의 직접적인 관찰은 전자 현미경에 의해 크게 촉진됩니다. 복제 포크에서 병리학적 변화를 추적하기 위해 오늘날에도 여전히 사용되고 있는 이 방법은 DNA 복제의 첫 번째 진핵생물 기원을 찾는 데 사용되었습니다28. 섬유 자가방사선 촬영은 새로 복제된 영역의 자가방사선 식별과 삼중수소화 티미딘이 있는 염색체의 펄스 태깅 개념을 중심으로 합니다. 후생동물 게놈 서열에서 기원 밀도 및 복제 포크 속도에 대한 최초의 정량적 평가는 DNA 섬유 자가방사선 촬영에 의해 가능했습니다29.
현재 섬유 형광 검사 방법이 자가방사선 촬영을 대신하고 있는데, 이는 주로 섬유 형광 검사가 자가방사선 촬영보다 훨씬 빠르기 때문입니다. 섬유 형광 검사에서, 브로모- (Br), 클로로 (Cl) 또는 요오도데옥시우리딘 (IdU)과 같은 두 개의 할로겐화 뉴클레오티드 유도체를 순차적으로 새로 복제된 DNA에 혼입시킨 다음, 항체를 이용한 간접 면역형광법에 의해 확인된다30. 하나 또는 두 개의 유사체를 통합한 초기 DNA의 현미경 관찰은 유사체 중 하나를 한 색상으로, 다른 유사체를 다른 색상으로 면역염색함으로써 가능합니다(예: IdU 적색 및 통합 CldU 녹색으로 초기 DNA 면역염색)(그림 1)21. 많은 상이한 유형의 복제 중간체가 DNA 섬유 분석에 의해 확인될 수 있다. 가장 일반적으로 연구되는 것은 개별 연신율 포크, 개시 및 종단입니다. 개별 길쭉한 포크는 빨간색과 녹색(빨간색-녹색; 그림 2A). 13 이러한 중간체의 길이는 포크 속도(즉, 포크 길이/펄스 시간) 또는 트랙 단축을 통한 초기 DNA의 외핵분해 분해를 측정하는 데 자주 사용됩니다(그림 2E)30,31,32. Mimitou et al.의 연구에서, DNA에서 이중 가닥 절단을 일으키는 복제 독인 하이드록시우레아에 장기간 노출되면 RE11이 모집되는 것으로 밝혀졌습니다33. MRE11은 3'-5' 엑소뉴클레아제 활성으로 알려진 엑소뉴클레아제이며 복구를 위해 DNA의 말단을 절단할 수 있습니다. 그러므로, 독성 물질에 노출될 때, DNA 손상 물질(34)에 대한 노출로 인해 DNA 가닥이 짧아지는 초기 DNA의 외핵분해 분해를 관찰할 수 있다.
물리적 장애(DNA-단백질 복합체 또는 DNA 병변), 화학적 장애 또는 돌연변이로 인한 복제 포크 파손은 복제를 중지하고 복제를 다시 시작하기 위해 상동 재조합이 필요할 수 있습니다. 이를 포크 진행 장애라고 합니다. 수많은 시험관내 및 생체 내 조사는 전사가 때때로 이러한 방식으로 복제 포크 진행을 방지할 수 있음을 나타냅니다35.
시작은 첫 번째 또는 두 번째 펄스 중에 시작되고 실행되는 복제 원본입니다. 첫 번째 펄스 동안 발사되고 계속 활성화되는 복제 포크가 있는 오리진은 녹색-빨간색-녹색 패턴을 갖습니다(그림 2B, 아래). 두 번째 펄스 동안 시작되는 원점은 녹색 전용 패턴(그림 2B, 위)을 가지며 새로 시작된 원점이라고도 하므로 이러한 원점을 첫 번째 펄스 동안 시작되는 원점과 구별할 수 있습니다. 두 실험 조건 사이에서 새로 발사된 기원의 상대적 비율을 비교하면 세포가 DNA 손상 인자 또는 단백질의 존재 또는 부재에 어떻게 반응하는지 이해할 수 있습니다. 종료는 인접한 replicon의 두 복제 분기가 병합될 때 생성되며 빨간색-녹색-빨간색 패턴이 있습니다(그림 2D)30.
위에서 설명한 사실을 바탕으로 DNA 섬유 분석은 현재 나노 물질과 같은 독성 물질로 인한 DNA 복제 역학의 변화를 연구하는 데 선호되는 방법으로 간주됩니다. 연구자들은 이제 이 기술의 발견으로 인해 진핵생물에서 양적으로나 질적으로 게놈 전체의 DNA 복제 역학에 대해 잘 이해하고 지식을 갖게 되었습니다36. 결과 변수에 따라 몇 가지 방법론을 채택할 수 있습니다. 외부 작용제/나노입자에 의해 유도된 DNA 손상의 변화를 연구하는 방법의 몇 가지 예가 그림 3에 나와 있습니다. 이 연구에서 설명한 DNA 섬유 분석 방법의 전반적인 목표는 나노 입자가 시험관 내 복제 과정에 어떻게 영향을 미치고 다양한 조직에 차별적으로 영향을 미치는지를 결정하는 것입니다.
1. 항체 및 완충액의 제조
2. 섬유 분석을 위한 준비
3. DNA 섬유 분석 수행
4. 이미지 획득
충분한 이미지(조건당 20-100개의 이미지)를 얻은 후 복제 중간체를 식별, 측정 및 계수해야 합니다. 섬유를 수동 또는 프로그램(38)을 통해 자동으로 분석하든, 섬유가 계수 또는 점수(또는 계수 또는 측정되지 않음)하기 위해 어떤 특성을 가져야 하는지 명확하게 정의할 필요가 있다(39). 예를 들어, 다음과 같은 질문들을 고려해 볼 수 있습니다. (1) 섬유 전?...
여기서는 DNA 섬유 분석을 통해 나노입자가 존재할 때 DNA 복제 역학의 변화를 분석하는 데 도움이 되는 방법에 대해 논의합니다. 표준 분석과 관련된 주요 중요 단계는 프로토콜(단계 2.2.2 및 단계 3.1.3)에 설명되어 있습니다. 슬라이드에서 빛으로 인한 DNA 파손을 방지하고 재현성을 높이기 위해 항상 머리 위의 빛 노출이 제한되고 공기 흐름이 일정한 영역을 사용하는 것이 좋습니다. 슬라이드 상의...
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
저자는 Blazer 재단, Biomedical Sciences의 Medical Biotechnology Program, UIC Rockford 및 UIC Rockford의 보건 과학 교육부의 재정 지원을 인정합니다. 저자는 프로젝트에 기여한 Ananya Sangineni와 James Bradley에게 감사를 표합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
24 well plate | Fisher brand | FB012929 | |
Acetic Acid | Sigma Aldrich | 695092 | |
Alexa flour 594 goat anti-rabbit | Invitrogen | A11037 | |
Alexa fluor 488 chicken anti-rat | Invitrogen | A21470 | |
Alexa fluor 488 goat anti-chicken | Invitrogen | A11039 | |
Alexa fluor 594 rabbit anti-mouse | Invitrogen | A11062 | |
BSA | Sigma Aldrich | A2153 | |
CldU | Sigma Aldrich | 50-90-8 | |
Coverslips (22 x 50 mm) | Fisher brand | 12-545-EP | |
EDTA | Fisher Scientific | 15575020 | |
Frosted Microscope Slides | Fisher brand | 12-550-11 | |
Hydrochloric Acid | Sigma Aldrich | 320331 | |
IdU | Sigma Aldrich | 54-42-2 | |
Methanol | Fisher Scientific | A454-4 | |
Mouse Anti-BrdU | BD Biosciences | 347580 | |
Phosphate Buffer Saline | Gibco | 10010072 | |
Rat anti-BrdU | Abcam | BU1--75(ICR1) | |
Raw 264.5 macrophage cells | ATCC | TIB-71 | |
SDS | Sigma Aldrich | L3771 | |
Silane-Prep slides | Sigma Aldrich | S4651-72EA | |
Superfrost gold plus slides | Fischer scientific | 22-035813 | |
Tris pH 7.4 | Sigma Aldrich | 77861 | |
Tween 20 | Sigma Aldrich | P9416 |
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