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Method Article
Aqui, apresentamos um método sensível e específico para detectar conflitos de transcrição-replicação induzidos por oncogenes (TRCs) usando o ensaio de ligação de proximidade (PLA). Essa abordagem aproveita anticorpos específicos direcionados a PCNA e fosfo-CTD RNAPII, permitindo a avaliação da prevalência de TRC entre a transcrição da RNA polimerase II e a maquinaria de replicação do DNA.
Tanto a replicação do DNA quanto a transcrição do RNA utilizam o DNA genômico como modelo, necessitando da separação espacial e temporal desses processos. Os conflitos entre a maquinaria de replicação e transcrição, denominados conflitos de replicação de transcrição (TRCs), representam um risco considerável para a estabilidade do genoma, um fator crítico no desenvolvimento do câncer. Embora vários fatores que regulam essas colisões tenham sido identificados, a identificação das causas primárias continua difícil devido às ferramentas limitadas para visualização direta e interpretação clara. Neste estudo, visualizamos diretamente os TRCs usando um ensaio de ligação de proximidade (PLA), aproveitando anticorpos específicos para PCNA e CTD fosforilada da RNA polimerase II. Essa abordagem permite a medição precisa de TRCs entre os processos de replicação e transcrição mediados pela RNA polimerase II. O método é aprimorado por meio de primers de DNA conjugados covalentemente a esses anticorpos, juntamente com a amplificação por PCR usando sondas fluorescentes, fornecendo um meio altamente sensível e específico de detectar TRCs endógenos. A microscopia de fluorescência permite a visualização desses conflitos, oferecendo uma ferramenta poderosa para estudar os mecanismos de instabilidade do genoma associados ao câncer. Essa técnica aborda a lacuna na visualização direta do TRC, permitindo uma análise e compreensão mais abrangentes dos processos subjacentes que impulsionam a instabilidade do genoma nas células.
O genoma serve como modelo para processos biológicos essenciais, incluindo replicação e transcrição. Em células saudáveis, a transcrição do RNA e a maquinaria de replicação do DNA normalmente cooperam e são segregadas espacial e temporalmente 1,2,3,4. No entanto, sob condições patológicas, como a superexpressão de oncogenes, essa cooperação harmoniosa pode ser interrompida.
Os oncogenes geralmente conduzem a níveis elevados de transcrição, aumentando a probabilidade de colisões entre a maquinaria de transcrição e replicação5. Alguns oncogenes alteram a arquitetura da cromatina, tornando-a mais acessível para transcrição, mas potencialmente dificultando a progressão do garfo de replicação5. Além disso, a ativação do oncogene pode induzir estresse de replicação, acelerando o ciclo celular6. A atividade da RNA polimerase II (RNAPII) é significativamente elevada durante a transição de fase G1 / S devido à fosforilação de Rb da quinase dependente de ciclina (CDK), que libera fatores de transcrição E2F que promovem a transcrição de proteínas essenciais, incluindo ciclinas, CDKs e genes de manutenção7. A expressão gênica das histonas atinge o pico durante a fase S, coincidindo com a replicação do DNA8. Além disso, transcrever as transcrições completas de alguns genes muito longos requer mais de um ciclo celular9. A cada entrada na fase S, a atividade simultânea da maquinaria de transcrição e replicação nas mesmas regiões genômicas pode resultar em encontros prejudiciais, levando a conflitos. Esses conflitos são uma fonte intrínseca primária de instabilidade do genoma, que está intimamente associada à tumorigênese. Como a maquinaria de replicação se coordena com a transcrição de RNAPII para evitar conflitos prejudiciais e manter a estabilidade genômica continua sendo uma questão importante. Portanto, a visualização direta dos conflitos de transcrição-replicação associados a RNAPII (TRCs) tornou-se essencial para a compreensão dos mecanismos moleculares que resolvem esses conflitos e pode, eventualmente, estabelecer as bases para o aproveitamento desses conflitos para fins terapêuticos.
Os conflitos de transcrição-replicação (TRCs) podem surgir em duas orientações: frontal, onde a transcrição e a replicação progridem uma em direção à outra, e codirecionais, onde se movem na mesma direção. As colisões frontais são muito mais destrutivas do que as codirecionais 10,11,12,13. A formação de híbridos de DNA-RNA (R-loops) foi identificada como um dos principais impulsionadores dos TRCs; assim, uma quantidade considerável de pesquisas inferiu a presença de TRCs avaliando a ocorrência de R-loops e suas regiões em resposta à replicação e/ou transcrição desregulada10,11. No entanto, se o acúmulo de loops R derivados da transcrição serve como um obstáculo proporcional à replicação e se correlaciona diretamente com os TRCs permanece uma questão não resolvida. Os pesquisadores também investigaram os TRCs analisando a dinâmica do garfo de replicação. Por exemplo, a eletroforese em gel bidimensional de genes repórteres pode descobrir a pausa do replissoma específico do locus12, enquanto os ensaios de fibra de DNA permitem que os pesquisadores examinem alterações na velocidade do garfo de replicação, densidade de origem e assimetria do garfo13. O avanço da tecnologia de sequenciamento de última geração levou ao desenvolvimento de vários métodos inovadores, como sequenciamento de fragmentos de Okazaki (Ok-seq) 14 , 15 , sequenciamento de local de iniciação (ini-seq) 16 , 17 , sequenciamento de fita nascente curta (SNS-seq) 18 , Repli-seq19 e sequenciamento de uso de polimerase (Pu-seq) 20. Essas técnicas forneceram perfis de todo o genoma do uso da origem da replicação, direcionalidade do fork e terminação da replicação, revelando fatores-chave envolvidos na coordenação da replicação e transcrição. O TRIPn-seq é um dos poucos métodos capazes de detectar diretamente a co-ocupação da transcrição e replicação, expandindo significativamente nossa compreensão da organização dinâmica da replicação do DNA e da transcrição em condições fisiológicas e patológicas21. Apesar dos valiosos insights fornecidos por esses métodos baseados em sequenciamento, seu alto custo e natureza demorada limitam sua aplicação mais ampla. Portanto, é crucial estabelecer um método de detecção mais definitivo, altamente sensível, conveniente e rápido para visualizar e quantificar as TRCs no nível de uma única célula.
O ensaio de ligação de proximidade in situ (PLA), também conhecido como tecnologia Duolink PLA, é um método poderoso para avaliar a proximidade física de proteínas-alvo em seções de tecido ou culturas de células. Essa técnica gera um sinal apenas quando duas proteínas ou complexos de proteínas estão a 40 nm uma da outra. Requer dois anticorpos primários contra as proteínas-alvo, cada um de uma espécie diferente (por exemplo, camundongo/coelho, coelho/cabra ou camundongo/cabra). Depois de incubar a amostra com esses anticorpos primários, anticorpos secundários conhecidos como sondas PLA (um PLUS e um MINUS) são aplicados. Ao contrário dos anticorpos secundários regulares que se ligam às regiões constantes dos anticorpos primários, as sondas PLA estão covalentemente ligadas a primers de DNA específicos. Quando as proteínas-alvo estão próximas (menos de 40 nm), um oligonucleotídeo conector pode hibridizar com ambas as sondas PLA, facilitando a ligação enzimática de seus oligonucleotídeos ligados em uma molécula de DNA de comprimento total. Este DNA recém-formado serve como um marcador substituto para a interação proteica detectada e atua como um modelo para amplificação. O produto amplificado é então visualizado usando sondas de oligonucleotídeos marcadas com fluorescência. Se as proteínas estiverem separadas por mais de 40 nm, as sondas PLA não podem formar um molde de DNA, resultando em nenhum sinal detectável. O diagrama esquemático do PLA é representado na Figura 1. A proximidade e/ou interação são visualizadas por microscopia de fluorescência como pontos fluorescentes, e o número e a intensidade desses pontos podem ser quantificados. Desde sua invenção em 2002, o PLA tornou-se popular para monitorar interações proteicas devido à sua alta sensibilidade e especificidade. Ao contrário dos ensaios baseados em sequenciamento, o PLA requer apenas pequenas quantidades de amostras, tornando-o favorável para a análise de amostras escassas.
Estudos demonstraram que a expressão da mutação oncogênica KRAS G12D leva a conflitos de transcrição-replicação (TRCs)22,23. Por exemplo, a pesquisa apresentada por Meng et al.23 indica que a expressão ectópica de KRAS G12D em células epiteliais ductais pancreáticas humanas (HPNE) aumenta as TRCs e as alças R relacionadas à TRC. Para permitir a detecção de colisões entre a transcrição de RNAPII e a maquinaria de replicação em linhagens celulares, fornecemos um protocolo desenvolvido especificamente para esse fim. O plasmídeo KRAS (G12D) e o controle vetorial são transfectados em células BEAS-2B epiteliais do pulmão humano, e a expressão de KRAS (G12D), juntamente com danos ao DNA (γH2AX), é verificada por Western blot. O acúmulo de R-loop é confirmado pela análise de dot blot S9.6, que juntos indicam o acúmulo de bloqueios de replicação e instabilidade do genoma em células que expressam KRAS (G12D). Finalmente, as células são fixadas em lâminas para o ensaio de PLA. Para detecção localizada de colisões, as células são primeiro coradas com anticorpos primários RNAPII e PCNA, seguidas de coloração com anticorpos secundários conjugados com sondas PLA. Uma molécula circular de DNA se forma por meio de ligação bem-sucedida, servindo como modelo para a amplificação subsequente do círculo rolante (RCA). As lâminas são então montadas com mídia de montagem apropriada e visualizadas sob um microscópio de fluorescência. As imagens podem ser analisadas usando ImageJ.
1. Produção e transdução de lentivírus em linhagem celular alvo
2. Verificação de danos no ADN derivados do KRAS (G12D) e formação de R-loop
3. Ensaio PLA
γH2AX serve como um biomarcador para danos ao DNA. A superexpressão de KRAS (G12D) prejudica a estabilidade genômica nessas células, como evidenciado pelo aumento do sinal γH2AX na análise de Western blot (Figura 2A). Além disso, o sinal intensificado de S9.6 dot blot em células que expressam KRAS (G12D) em comparação com controles vetoriais (Figura 2B) indica que a expressão oncogênica de KRAS leva ao acúmulo de lo...
A maquinaria de transcrição RNAPII pode criar um obstáculo à progressão do garfo de replicação do DNA26,27, promovendo TRCs e danos ao DNA, especialmente em células cancerígenas28,29. Decifrar as proteínas que regulam as TRCs e entender os mecanismos detalhados pode nos ajudar a compreender como esses eventos prejudiciais ocorrem e orientar o desenvolvimento de ...
Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Este trabalho foi apoiado pelo financiamento inicial da Universidade do Sul da China.
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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