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Method Article
Aqui, descrevemos o procedimento para analisar a progressão da replicação por meio de repetições patogênicas e propensas à estrutura usando eletroforese em gel bidimensional.
A eletroforese em gel bidimensional neutra/neutra (2DGE) surgiu como uma técnica de referência para analisar a replicação do DNA por meio de impedimentos naturais. Este protocolo descreve como analisar a progressão do garfo de replicação por meio de repetições de DNA expansíveis e propensas à estrutura dentro do epissoma baseado no vírus símio 40 (SV40) em células humanas. Em resumo, após a transfecção do plasmídeo em células humanas, os intermediários de replicação são isolados pelo protocolo Hirt modificado e tratados com a enzima de restrição DpnI para remover o DNA não replicado. Os intermediários são então digeridos por enzimas de restrição apropriadas para colocar a repetição de interesse dentro da metade distal de origem de um fragmento de DNA de 3-5 kb de comprimento. Os intermediários de replicação são separados em duas dimensões perpendiculares, primeiro por tamanho e depois por forma. Após a hibridização Southern blot, essa abordagem permite que os pesquisadores observem o travamento do garfo em várias repetições de formação de estrutura na metade descendente do arco Y de replicação. Além disso, esse posicionamento do local de parada permite a visualização de vários resultados da parada do garfo mediada por repetição, como reversão do garfo, o advento de um garfo convergente e a reinicialização do garfo recombinacional.
As repetições curtas em tandem (STR) são pequenas, normalmente de 2 a 9 pares de bases (pb), sequências repetitivas de DNA que constituem cerca de 3% do genoma humano1. STR desempenham um papel importante na regulação gênica2; no entanto, sua composição repetitiva os deixa propensos à formação de estruturas secundárias de DNA não canônicas e subsequente instabilidade genética 3,4. De hélices canhotas a grampos de cabelo / cruciformes, a hélices de três e quatro fitas, essas estruturas alternativas de DNA causam desafios intrínsecos para o replissoma. Um pré-requisito natural para a formação da estrutura secundária é o desenrolamento do DNA, que é um pré-requisito para a replicação do DNA. Isso apresenta um enigma único para o funcionamento do genoma, pois muitas dessas estruturas podem se formar durante a replicação, dificultando a progressão do replissoma e, em última análise, causando a paralisação do garfode replicação 5,6,7 ou, em casos graves, o colapso do garfo e a quebra do DNA 8,9. Tanto o reinício de garfos paralisados quanto as vias de reparo do DNA demonstraram levar à instabilidade repetida, como expansões repetidas10,11 e rearranjos genômicos complexos (CGR) 12 , 13 . Esses eventos podem resultar no desenvolvimento de cerca de 60 doenças humanas conhecidas como distúrbios de expansão de repetição, incluindo a síndrome do X frágil, a doença de Huntington, a ataxia de Friedreich e outras14,15, bem como doenças CGR, como a síndrome de Emmanuel16. Portanto, para entender melhor os mecanismos da doença humana impulsionada pela instabilidade de repetições, é imperativo estudar os detalhes da progressão do garfo de replicação por meio dessas repetições.
Uma técnica para estudar a progressão da replicação surgiu em meados da década de 1980, quando Brewer e Fangman procuraram fornecer evidências diretas de que o início da replicação em Saccharomyces cerevisiae ocorre em elementos de sequência de replicação autônoma (comumente conhecidos como ARS)17. Ao fazer isso, eles separaram estruturas de intermediários de replicação de levedura em agarose, adaptando um método anterior de Bell e Byers conhecido como eletroforese em gel neutra / neutra bidimensional (2DGE) 18 . Essa técnica utilizou o fato de que o DNA não linear viaja de maneira diferente no gel de agarose do que seu equivalente linear da mesma massa. Mais especificamente, em 2DGE, o DNA isolado é separado em duas dimensões perpendiculares, primeiro principalmente por tamanho e depois principalmente por forma, para criar um mapa abrangente de replicação em uma determinada região de interesse. Em seu artigo original, Brewer e Fangman demonstraram isso como um arco composto de estruturas "Y simples" ou garfos de replicação que unem o DNA não replicado às suas contrapartes replicadas. Eles descrevem ainda outros intermediários observados como "bolhas" e "Ys duplos", representando origens de replicação e bifurcações convergentes, respectivamente.
2DGE pode ser usado para estudar as populações relativas de intermediários de replicação de DNA em um determinado momento. Portanto, se uma população de intermediários é mais prevalente do que outra, isso seria evidente na visualização. Isso torna o 2DGE uma ferramenta especialmente útil para estudar a progressão da replicação por meio de sequências desafiadoras, como repetições de formação de estrutura. Por exemplo, se a região analisada contiver uma sequência capaz de induzir a paralisação da bifurcação de replicação, isso se apresentaria como uma protuberância no arco (Figura 1A), indicando um acúmulo de bifurcações de replicação naquele locus. Isso pode ser visto com a replicação de ambas as sequências de repetição formadoras de grampo de cabelo em levedura 19,20,21 e repetições de formação triplex em células humanas 22,23,24. Além de estol, o 2DGE pode ser usado para observar estruturas de DNA que não estão em conformidade com os Ys simples padrão formados durante a replicação, como no caso de intermediários recombinantes25. Esses intermediários têm uma estrutura em forma de X mais pesada e ramificada e, portanto, viajam mais devagar na primeira e na segunda dimensões do que os garfos de replicação padrão. Resultados semelhantes também podem ser observados em relação à reversão do garfo de replicação 20,24,26. Em resposta ao forte estresse de replicação, as células eucarióticas demonstraram utilizar a reversão do garfo de replicação para resgatar garfos parados. Esses garfos invertidos têm peso molecular semelhante aos garfos parados; no entanto, sua estrutura de pé de galinha resulta em mobilidade eletroforética mais lenta na segunda dimensão em relação aos seus complementos em forma de Y, resultando em uma extensão para cima e para fora do arco.
Figura 1: Análise de eletroforese em gel 2D da replicação do DNA. (A) Esquema de um 2DGE típico representando a replicação por meio de uma repetição de formação de estrutura capaz de induzir o travamento do garfo. O tamanho e a estrutura intermediários influenciarão a mobilidade eletroforética. (B) Amostra de arco Y com braços ascendentes e descendentes, respectivamente, rotulados. Abreviatura: 2DGE = Eletroforese em gel bidimensional neutra/neutra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Naturalmente, um dos aspectos mais importantes do 2DGE diz respeito à qualidade e quantidade de intermediários de replicação. No entanto, a resolução da análise 2DGE da replicação através de loci endógenos em células de mamíferos é insuficiente para uma única sequência alvo de cópia dentro do genoma humano diplóide de 6 ×10 9 pb, embora tenha sido feita para genes de múltiplas cópias, como o locus DHFR27 fortemente amplificado ou o RNA ribossômico28. A replicação baseada em SV40 é um meio eficiente e bem caracterizado de estudar a replicação em células eucarióticas29. Ele fornece um modelo confiável de replicação eucariótica que utiliza a maior parte da maquinaria do replissoma do hospedeiro para replicar o genoma viral, que é parcelado em nucleossomos após a infecção30,31. Duas exceções notáveis do replissoma de mamíferos são que o antígeno T (Tag), em vez do complexo CMG hospedeiro, serve como DNA helicase replicativo, e a DNA polimerase delta sintetiza as fitas de DNA principais e atrasadas32. Aproveitamos esse sistema colocando trechos patogênicos de repetições formadoras de estrutura a jusante de uma origem de replicação SV40 dentro de um plasmídeo que foi originalmente criado no laboratório Massimo Lopes22. É importante ressaltar que este plasmídeo também contém o gene que codifica o próprio Tag, resultando em sua replicação constitutiva e extremamente potente após a transfecção em uma variedade de células humanas cultivadas. Esta característica dá origem a uma grande quantidade de produtos, ideal para a análise de 2DGE dos intermediários formados durante e em resposta à replicação de repetições patogênicas em células humanas. Aqui, descrevemos um método detalhado de visualização da replicação de repetições formadoras de estrutura dentro do epissoma humano baseado em SV40 usando eletroforese em gel bidimensional.
NOTA: O plasmídeo projetado para nossa análise 2DGE delineada em células de mamíferos deve conter uma origem de replicação SV40 vários kb a montante de repetições propensas à estrutura (Figura 2). A síntese principal e atrasada deve ser mantida em mente ao escolher a orientação em relação à origem em que as repetições devem ser clonadas no plasmídeo.
Figura 2: Digestão de plasmídeo contendo repetições para análise 2DGE. As repetições propensas à estrutura são representadas vários kb a jusante do garfo de replicação que se move para a direita. A digestão com os cortadores exclusivos 1 e 2 colocará a sequência de repetição no braço descendente do arco Y, dada a sequência além da metade do fragmento digerido. Abreviatura: 2DGE = Eletroforese em gel bidimensional neutra/neutra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
1. Transfecção de plasmídeo em células de mamíferos
2. Isolamento de intermediários de replicação
3. Preparação da amostra e eletroforese em gel bidimensional
Figura 3: Excisão de intermediários de primeira dimensão antes da separação de segunda dimensão. Após a visualização da escada, a mobilidade de fragmentos não replicados pode ser estimada. (I) Este valor pode então ser usado para determinar os locais de corte apropriados (a e b) para excisá-lo e suas contrapartes replicadas (II). A seção do gel deve então ser girada e colocada na posição de poços para a separação de segunda dimensão. Abreviatura: CW = sentido horário. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
4. Southern blotting e hibridização com sonda radiomarcada
Figura 4: Montagem do Southern blot. Esquema abrangente de um aparelho típico usado para transferência de Southern blot de intermediários da segunda dimensão para uma membrana de nylon. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Se for bem-sucedido, após a visualização, um arco agudo de garfos de replicação pode ser observado estendendo-se para cima e para fora do ponto maciço 1n (Figura 5A). O tamanho de um fragmento, ou porcentagem que é replicada, determina a mobilidade do fragmento na primeira dimensão. À medida que os intermediários desenvolvem uma estrutura mais articulada, eles começarão a viajar mais lentamente na segunda dimensão. Portanto, se um intermediário...
O 2DGE fornece uma imagem semiquantitativa e abrangente das populações relativas de intermediários que surgem durante a replicação de uma sequência específica. Dado que as frágeis estruturas moleculares dos garfos de replicação devem ser mantidas durante todo este procedimento, deve-se tomar muito cuidado para evitar cisalhamento físico e desnaturação química. Portanto, é altamente recomendável que qualquer tratamento alcalino seja evitado durante o isolamento do plasmíd...
Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Agradecemos a Jorge Cebrian e Anastasia Rastokina que começaram a desenvolver essa abordagem em nosso laboratório, Massimo Lopes por nos fornecer o plasmídeo pML113 e conselhos inestimáveis, Ylli Doksani por discussões perspicazes e membros do laboratório Mirkin por seu apoio. O trabalho no laboratório de Mirkin é apoiado pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais [R35GM130322] e NSF-BSF [2153071].
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10x TBE Buffer | Bio Rad | 1610733 | |
20x SSC Buffer | Fisher Scientific | BP1325-1 | |
293T cells | ATCC | CRL-3216 | |
a-32P dATP, 3000 Ci/mmol | Revvity | BLU512H250UC | |
Agarose | Fisher Scientific | BP160-500 | |
Amersham Hybond-N+ | Fisher Scientific | RPN303B | |
BAS Storage Phosphor Screens | Fisher Scientific | 28956482 | |
Church and Gibert's hybriddization buffer | Fisher Scientific | 50-103-5408 | |
DecaLabel DNA labeling kit | ThermoFisher Scientific | K0622 | |
DMEM, high gluctose, GltaMAX Supplement, pyruvate | ThermoFisher Scientific | 10569010 | |
DpnI | New England Biolabs | R0176S | Additional restriction enzymes will need to be purchased as well |
EDTA 0.5 M, pH 8 | Fisher Scientific | BP2482500 | |
Ethanol, 70% | Fisher Scientific | BP82031GAL | |
Fetal Bovine Serum | VWR | 97068-085 | |
Hydrochloric acid solution, 12 M | Millipore Sigma | 13-1683 | |
Isopropanol | Fisher Scientific | BP26184 | |
jetPRIME DNA and siRNA Transfection Reagent with Buffer | VWR | 101000027 | |
MycoZap Plus-CL | VWR | 75870-448 | |
NaCl | Millipore Sigma | 746398-500G | |
Nalgene Oak Ridge High-Speed Centrifuge Tubes | ThermoFisher Scientific | 3139-0050 | |
Phosphate Buffer Saline, pH 7.4 | ThermoFisher Scientific | 10010023 | |
Phosphate Buffer Saline, pH 7.5 | ThermoFisher Scientific | 10010024 | |
Proteinase K | ThermoFisher Scientific | EO0491 | |
Proteinase K | ThermoFisher Scientific | EO0492 | |
Pure Cellulose Chromatography Paper | Fisher Scientific | 05-714-4 | |
Pure Cellulose Chromatography Paper | Fisher Scientific | 05-714-5 | |
Ruler | Fisher Scientific | 09-016 | |
Scalpel | Fisher Scientific | 12-460-451 | |
Sodium dodecyl sulfate | Millipore Sigma | 436143-25G | |
Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S25548 | |
Sorval LYNX 4000 Superspeed Centrifuge | ThermoFisher Scientific | 75006580 | |
Sub-cell Horizontal Electrophoresis System | Bio Rad | 1704401 | |
TH13-6 x 50 Swinging Bucket Rotor | ThermoFisher Scientific | 75003010 | |
Tris-HCl 1 M, pH 7.5 | Fisher Scientific | BP1757-500 | |
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | ThermoFisher Scientific | 25200056 |
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