聚焦DNA双链断裂(DSBs)

聚焦DNA双链断裂(DSBs)
聚焦DNA双链断裂(DSBs)

最近,有关DNA双链断裂(DSBs)研究成果相继发表在顶级期刊Nature杂志子刊上。首先科学家提出一种利用全基因组技术进行DNA双链断裂(DSBs)作图新方法,相关研究成果荣登Nature Method杂志。于此同时,Nature杂志另一子刊Nature Neuroscience也刊登了一项成果,讲述了引发DNA双链断裂的因素。

Nature.Med:全基因组DSB作图新方法

近日,科学家提出一种利用全基因组技术进行DNA双链断裂(DSBs)作图新方法,这种作图法以单核苷酸为基本单位,称之为BLESS(direct in situ breaks labeling, enrichment on streptavidin and next-generation sequencing),相关研究论文于2013年3月20日在线发表在Nature Method杂志上。

此项研究由德国法兰克福歌德大学医学院生物化学研究所 II、美国得克萨斯医学科大学转化科学研究院等处研究人员共同完成。

研究人员利用人类和小鼠细胞以及不同的DNA双链断裂(DSBs)诱导因子和测序平台对BLESS法进行验证。BLESS能够识别端粒末端、SCE核酸内切酶诱导的DNA双链断裂以及复杂的DSB全基因组。作为一种原理证明,我们让人类细胞复制压以敏感性基因组为特点,确定了> 2,000非均匀分布的阿非迪霉素敏感区(ASRS),它们中基因过多,富含微卫星重复序列。人类癌症重排区也富含ASRS,许多癌症相关的基因对复制压具有极高的敏感性。

研究人员称,这种新方法适合各种细胞核实验条件下DSBs全基因组作图,其特异性和分辨率是现在的技术无法实现的。

罗格斯大学的神经遗传学家 Karl Herrup表示,这项工作令人惊叹。DNA

损伤对神经元的伤害极其危险。它无可更换,细胞必须从这些断裂中获取某些有价值的物质。Herrup并未参与此项研究。

加州大学神经科医生 Lennart Mucke,在他研究改变阿尔茨海默氏病(AD)基因组稳定性,偶然发现这种逮捕概念:切断和修复DNA是正常大脑活动的一部分。AD特征?是淀粉样蛋白和受损的神经元DNA纠结成块。带着期望了解更多有关DNA损伤及其相关高水平的淀粉样蛋白,Mucke的团队将研究焦点放在双链DNA断裂上,这是神经科学家认为最严重的损伤形式。

此研究小组揭示了一种自然行为,如探索一种新环境,能引起野生型年轻成年小鼠DNA双链断裂(DSBs)。DNA双链断裂(DSBs)发生在多个脑区域,但在海马齿状回神经最丰富。海马齿状回神经参与学习和记忆,能在24小时内修复。感受器或光刺激下增加的神经元活动,增加了相关神经元DNA双链断裂(DSBs),而非不相关的神经网络。

人淀粉样前体蛋白(hAPP)转基因小鼠增加了基线神经元DNA双链断裂(DSBs),且在探索新环境后出现严重和长期的DSBs。其中hAPP可刺激AD关键方面。

hAPP 小鼠中,抑制神经元异常活动的中断以及学习和记忆提高,使小鼠中DNA双链断裂(DSBs)水平正常化。神经细胞培养中,阻断突触外NMDA型谷氨酸

受体能阻止β-淀粉样蛋白(Aβ)诱导的DNA双链断裂(DSBs)。因此,神经细胞DNA双链断裂(DSBs)的明显增加,是由于大脑生理活动引发的,且β-淀粉样蛋白(Aβ)加剧DNA损伤极有可能是由于突触功能障碍引发的。

原文摘要:

Nucleotide-resolution DNA double-strand break mapping by

next-generation sequencing

We present a genome-wide approach to map DNA double-strand breaks (DSBs) at nucleotide resolution by a method we termed BLESS (direct in situ breaks labeling, enrichment on streptavidin and next-generation sequencing). We validated and tested BLESS using human and mouse cells and different DSBs-inducing agents and sequencing platforms. BLESS was able to detect telomere ends, Sce endonuclease–induced DSBs and complex genome-wide DSB landscapes. As a proof of principle, we characterized the genomic landscape of sensitivity to replication stress in human cells, and we identified >2,000 nonuniformly distributed aphidicolin-sensitive regions (ASRs) overrepresented in genes and enriched in satellite repeats. ASRs were also enriched in regions rearranged in human cancers, with many cancer-associated genes exhibiting high sensitivity to replication stress. Our method is suitable for genome-wide mapping of DSBs in various cells and experimental conditions, with a specificity and resolution unachievable by current techniques.

Physiologic neuron activity causes DNA double-strand breaks in neurons,

with exacerbation by amyloid-?

We show that a natural behavior, exploration of a novel environment, causes DNA double-strand breaks (DSBs) in neurons of young adult

wild-type mice. DSBs occurred in multiple brain regions, were most abundant in the dentate gyrus, which is involved in learning and memory, and were repaired within 24 h. Increasing neuronal activity by sensory or optogenetic stimulation increased neuronal DSBs in relevant but not irrelevant networks. Mice transgenic for human amyloid precursor protein (hAPP), which simulate key aspects of Alzheimer's disease, had increased neuronal DSBs at baseline and more severe and prolonged DSBs after exploration. Interventions that suppress aberrant neuronal activity and improve learning and memory in hAPP mice normalized their levels of DSBs. Blocking extrasynaptic NMDA-type glutamate receptors prevented amyloid-β (Aβ)-induced DSBs in neuronal cultures. Thus, transient increases in neuronal DSBs occur as a result of physiological brain

activity, and Aβ exacerbates DNA damage, most likely by eliciting synaptic dysfunction.

染色质改构蛋白BRG1在DNA双链断裂修复中的作用及机制研究

染色质改构蛋白BRG1在DNA双链断裂修复中的作用及机制研究基因组是生物遗传信息的载体。基因组的稳定性对于生物个体以及种族的生存与延续都具有至关重要的作用。 然而生物体内的基因组DNA并不是处于一个绝对安全的环境下,细胞内的自身代谢产物以及细胞外的各种毒性因子的刺激都会造成DNA损伤。损伤的DNA 如果不能被及时修复或错误修复就会导致基因突变或缺失,进而危害生物体。 为了维持遗传信息的稳定性,真核生物的DNA通过与组蛋白结合进化出复杂紧密的染色质结构。这种致密的结构虽然可以保护整个基因组尽可能免受内外界刺激因子的影响,但同时,这种结构对于DNA的转录,复制和修复等代谢活动却是一个巨大的障碍。 因此,染色质结构的动态变化在DNA代谢中扮演着重要的角色。DNA双链断 裂(DSBs)是一种严重的致死的DNA损伤类型。 生物体为了应对体内的DNA损伤进化出复杂有序的修复机制,以此来维持机体正常的生命代谢活动。在DNA损伤修复过程中涉及许多蛋白的共同参与,其中包括细胞周期调控蛋白、骨架调节蛋白、DNA损伤修复蛋白、染色质结构调控蛋白等。 BRG1是染色质改构复合物SWI/SNF的核心催化亚基,具有ATP水解酶的活性。已有研究发现,BRG1与肿瘤发生和基因组不稳定性具有紧密联系。 然而,BRG1在DNA双链断裂修复中的作用机制仍不是很明了。本文利用化疗药物依托泊苷(etoposide),博来霉素和紫外激光照射等手段,在体外构建了DNA 双链断裂损伤修复模型。 通过SW13和U2OS细胞存活率实验,我们发现BRG1缺失会明显增加细胞对

DNA损伤药物的敏感性,同时降低受损细胞的生存能力。另外,细胞彗星电泳与免疫荧光实验共同证明了,BRG1对于DNA双链断裂的修复进程具有至关重要的作用。 接下来,我们通过染色质分离提取与染色质免疫共沉淀技术发现,BRG1能够 被募集到DNA损伤位点。真核生物中DNA双链断裂主要有两种修复途径:同源重组修复和非同源重组末端连接修复。 利用DR-GFP与EJ5-GFP报告系统,我们进一步探讨了BRG1参与DNA双链断裂修复的机制。通过流式细胞仪检测DR-GFP与EJ5-GFP报告系统的GFP阳性细胞的比例,我们发现BRG1主要参与同源重组修复途径而不是非同源重组末端连 接修复。 最后,利用免疫荧光,免疫共沉淀以及活细胞示踪观察实验,我们发现BRG1 能够与介导RAD51和RPA替换的RAD52蛋白相互作用,并且调控RAD52在损伤位点的募集,从而调节RPA与RAD51在单链DNA(ssDNA)上的置换过程,进而影响同 源链侵入过程的起始。本文研究揭示了染色质改构因子BRG1参与DNA双链断裂修复的作用机制,为阐明染色质结构与DNA代谢的关系提供了一定的证据。

聚焦DNA双链断裂(DSBs)

最近,有关DNA双链断裂(DSBs)研究成果相继发表在顶级期刊Nature杂志子刊上。首先科学家提出一种利用全基因组技术进行DNA双链断裂(DSBs)作图新方法,相关研究成果荣登Nature Method杂志。于此同时,Nature杂志另一子刊Nature Neuroscience也刊登了一项成果,讲述了引发DNA双链断裂的因素。 Nature.Med:全基因组DSB作图新方法 近日,科学家提出一种利用全基因组技术进行DNA双链断裂(DSBs)作图新方法,这种作图法以单核苷酸为基本单位,称之为BLESS(direct in situ breaks labeling, enrichment on streptavidin and next-generation sequencing),相关研究论文于2013年3月20日在线发表在Nature Method杂志上。 此项研究由德国法兰克福歌德大学医学院生物化学研究所 II、美国得克萨斯医学科大学转化科学研究院等处研究人员共同完成。 研究人员利用人类和小鼠细胞以及不同的DNA双链断裂(DSBs)诱导因子和测序平台对BLESS法进行验证。BLESS能够识别端粒末端、SCE核酸内切酶诱导的DNA双链断裂以及复杂的DSB全基因组。作为一种原理证明,我们让人类细胞复制压以敏感性基因组为特点,确定了> 2,000非均匀分布的阿非迪霉素敏感区(ASRS),它们中基因过多,富含微卫星重复序列。人类癌症重排区也富含ASRS,许多癌症相关的基因对复制压具有极高的敏感性。 研究人员称,这种新方法适合各种细胞核实验条件下DSBs全基因组作图,其特异性和分辨率是现在的技术无法实现的。 罗格斯大学的神经遗传学家 Karl Herrup表示,这项工作令人惊叹。DNA 损伤对神经元的伤害极其危险。它无可更换,细胞必须从这些断裂中获取某些有价值的物质。Herrup并未参与此项研究。 加州大学神经科医生 Lennart Mucke,在他研究改变阿尔茨海默氏病(AD)基因组稳定性,偶然发现这种逮捕概念:切断和修复DNA是正常大脑活动的一部分。AD特征?是淀粉样蛋白和受损的神经元DNA纠结成块。带着期望了解更多有关DNA损伤及其相关高水平的淀粉样蛋白,Mucke的团队将研究焦点放在双链DNA断裂上,这是神经科学家认为最严重的损伤形式。 此研究小组揭示了一种自然行为,如探索一种新环境,能引起野生型年轻成年小鼠DNA双链断裂(DSBs)。DNA双链断裂(DSBs)发生在多个脑区域,但在海马齿状回神经最丰富。海马齿状回神经参与学习和记忆,能在24小时内修复。感受器或光刺激下增加的神经元活动,增加了相关神经元DNA双链断裂(DSBs),而非不相关的神经网络。 人淀粉样前体蛋白(hAPP)转基因小鼠增加了基线神经元DNA双链断裂(DSBs),且在探索新环境后出现严重和长期的DSBs。其中hAPP可刺激AD关键方面。

DNA双链断裂与同源重组修复机理研究进展

DNA双链断裂与同源重组修复机理研究进展 卞广兴 郭葆玉 第二军医大学药学院生化药学教研室(上海,200433) 摘要 双链断裂(doub le strand b reak s,D SB s)是细胞染色体复制过程中经常出现的DNA损伤,它的修复过程在真核生物中以同源重组(homo logy recom b inati on,HR)修复为主。正常机体中有着一系列的基因和蛋白及时修复这些损伤,这些蛋白归属于RAD52上位性集团(RAD52ep istasis group)。它们对细胞发挥功能和维持生存意义重大,近来国外研究十分活跃。 关键词 同源重组;双链断裂 1 与HR有关的基因和蛋白 在多种多样的生物体中,基因组保持完整具有极为重要的意义。它是细胞发挥功能和维持生存的必要条件。生物体基因组暴露于离子射线或者受内切酶作用,特别是在染色体自我复制过程中都会出现双链断裂。如果这些断裂未能及时修复就会引起细胞的染色体丢失或导致细胞的死亡。修复不正确也会引起基因的突变和染色体的重组。真核生物对这些断裂的修复有两种机理:非同源末端连接(non2 hom o logy end j o in ing,N H EJ)和同源重组(hom o l2 ogy recom b inati on,HR)。 同源重组是发生在DNA的同源序列之间的重组方式。真核生物非姊妹染色子体的交换,姊妹染色子体的交换,细菌及某些低等真核生物的转化,细菌的转导,接合,噬菌体的重组等都属于这一类型。有人认为,在原核生物中D SB s的修复以HR方式为主;而对于真核生物,其它的修复方式才是主要的。但近几年对酵母和哺乳动物细胞的研究发现,真核生物中的HR不仅在机理上与原核相似,而且具有同等的重要性[1]。 在HR中起重要作用的蛋白归属于R ec A家族,其中R ec A是其中的第一个成员,它是一个由R ec A基因编码的蛋白,在E.coli的HR和DNA复制中起重要作用。近几年来,研究发现了R ec A的很多同源蛋白,如T4噬菌体中的U vsX和哺乳动物细胞中的R ad51等。它们被统称为RAD52上位性集团。包括:RAD50、RAD51、RAD52、RAD54、RAD55、RAD57、RAD59、M R E11和XR S2、XRCC2等。它们的突变缺失细胞都表现出对离子射线的敏感和有丝分裂 无丝分裂缺陷,表明它们是D SB s修复的某条途径的组成部分[2]。其中的不少成员就是在研究射线照射对生物体的作用(radiati on sen si2 tive m u tati on)中发现的,其命名也沿袭了原来的名称(RAD)。从酵母到脊椎动物基因序列的高度保守性表明它们在HR中有着类似的功能。研究中,符合这两者的因子大都可归于RAD52上位性集团。这其中最重要的是RAD51、RAD52和RAD54。 RAD51在所有的细胞中都表达,可能执行链交换的功能。它的作用同R ec A相似,但又不完全相同。Sonoda等[3]把人的RAD51转入鸡B细胞系的D T40细胞发现,RAD51缺失的细胞静息在细胞周期的G2 M期,累积对细胞有毒害作用的染色体断裂并最终死亡。同时发现大多数可探测到的染色体缺失是异染色质型的缺口或断裂,同一染色体的姊妹染色单体在同样的基因座断裂。这表明很多不可修复的裂隙是复制过程中产生的双链断裂的可能原因。尽管RAD51的分布远比其它因子广泛,研究表明它并不是D SB s诱导的所有重组修复形式中应用最广的因子[4]。RAD51在D SB s诱导的同源染色体交换中是必须的,但它对于其他形式的重组,如自发重组(spon taneou s recom b inati on),却并不是必须的。不过,RAD52在已知的这些重组形式中却都是必须的。 RAD52是重组中最重要的蛋白,它在真核细胞中进化保守,原核中基因序列差别较大。R ad52在体内形成多聚体的环,既可以连接DNA链末端又可促进互补链的退火。人的R ad52具有类似的特性。细胞在缺失RAD52的情况下几乎所有形式的HR 都被阻断了[4]。但是研究发现,剔除了RAD52的脊椎动物细胞可以存活而不会象剔除了RAD51等那样严重(死亡),有人认为这可能是细胞中还有其它起类似作用的因子未被发现[5]。 RAD55和RAD57同RAD51具有某些同源

SCGE法检测DNA损伤(包括DNA单链断裂和DNA交联)

SCGE法检测DNA损伤 SCGE的原理(中性电泳液,高盐和变性剂检测双链断裂;碱性检测单链,双链断裂和碱不稳定性) SCGE技术是一种在单细胞水平上检测有核细胞DNA损伤和修复的方法。该技术的原理是基于有核细胞的DNA分子量很大,DNA超螺旋结构附着在核基质中,用琼脂糖凝胶将细胞包埋在载玻片上,在细胞裂解液作用下,细胞膜、核膜及其它生物膜破坏,使细胞内的RNA、蛋白质及其它成分进入凝胶,继而扩散到裂解液中,唯独核DNA仍保持缠绕的环区(Loop)附着在剩余的核骨架上,并留在原位。如果细胞未受损伤,电泳中核DNA因其分子量大停留在核基质中,经荧光染色后呈现圆形的荧光团,无拖尾现象。 若细胞受损,在中性电泳液(pH8)中,核DNA仍保持双螺旋结构,偶有单链断裂(SSBs)并不影响DNA双螺旋大分子的连续性。只有当DNA双链断裂(DSBs)时,其断片进入凝胶中,电泳时断片向阳极迁移,形成荧光拖尾现象,形似彗星。如果在碱性电泳液(pH>13)中,先是DNA双链解螺旋且碱变性为单链,单链断裂的碎片分子量小即可进入凝胶中,在电泳时断链或碎片离开核DNA向阳极迁移,形成拖尾。细胞核DNA受损愈重,产生的断链或碱易变性断片就愈多,其断链或断片也就愈小,在电场作用下迁移的DNA量多,迁移的距离长,表现为尾长增加和尾部荧光强度增强。因此,通过测定DNA迁移部分的光密度或迁移长度就可定量测定单个细胞DNA损伤程度。 1. 仪器及试剂 冰箱,载玻片,水平电泳槽,荧光显微镜。 不含Ca2+、Mg2+的PBS (PH=7.4);正常溶点琼脂糖(NMA)及低溶点琼脂糖(LMA)(0.6%溶于PBS);细胞裂解液(2.5 M NaCl, 100 mM Na2EDTA, 10 mM Tris-HCl, 1%肌氨酸钠, PH=10, 用前加1%TritonX-100, 10% 二甲亚砜(DMSO));电泳缓冲液(0.3 M NaOH, 1 mM Na2EDTA, PH=13);0.4 M Tris-HCl(PH=7.5);无水乙醇;20-30μg/mL 溴化乙锭(EB)。 2. 方法 1.在体外实验中,将对数期生长的细胞用0.25%胰蛋白酶消化,收集细胞备用。在体内实验中,取需测试的脏器或组织,用磷酸缓冲液( PBS,PH 7.4) 洗净后,剪至糜状滴加PBS(PH 7.4) 研磨,过300 目筛子,收集细胞,悬浮于PBS(PH 7.4) 中, 细胞密度为(1-5) x 104-6个/ mL (血细胞计数板最中央每小格0.5个细胞),台盼蓝染色、镜检、细胞存活率90 %以上,即可进行以下操作。 2.样品处理: 1)通过尾动脉取血,肝素或枸椽酸钠抗凝,800r/min离心5min,加等体积无钙镁磷酸缓冲液,获得细胞悬液。 a.枸椽酸钠抗凝:有2Na 3C 6 H 5 O 7 。和2Na 3 C 6 H 5 ·11H2O等多种晶体。通常用前者配成 109mmol/l(32g/l)水溶液(也有用106mmol/l浓度),与血液按1:9或1:4比例使用。枸椽钠对凝血V因子有较好的保护作用。 b.肝素(heparin)每毫升血液抗凝需要持素15±2.5Iu.

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