Введение
Одноклеточный гелевой электрофорезный анализ (SCGE, также известный как кометальный анализ) является несложным и чувствительным методом для обнаружения повреждения ДНК на уровне отдельной эукариотической клетки. Впервые он был разработан Östling & Johansson в 1984 году, а затем модифицирован Singh et al. В 1988 году. С тех пор он приобрел популярность как стандартный метод оценки повреждения / восстановления ДНК, биомониторинга и тестирования генотоксичности. Она включает в себя инкапсулирование клеток в суспензии агарозы с низкой температурой плавления, лизис клеток в нейтральных или щелочных условиях (pH>13) и электрофорез суспендированных лизированных клеток. Термин "комета" относится к модели миграции ДНК через гель электрофореза, который часто напоминает комету. Кометный анализ (одноклеточный гелевый электрофорез) - это простой метод измерения разрывов нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в эукариотических клетках. Клетки, встроенные в агарозу на микроскопическом слайде, лизируются с помощью моющего средства и высокой соли для образования нуклеоидов, содержащих суперсверленные петли ДНК, связанные с ядерной матрицей. Электрофорез при высоком рН приводит к структурам, напоминающим кометы, наблюдаемым с помощью флуоресцентной микроскопии; интенсивность хвоста кометы относительно головы отражает количество разрывов ДНК. Вероятная причина этого заключается в том, что петли, содержащие разрыв, теряют свою суперсмотку и становятся свободными для расширения в сторону анода. Затем проводится визуальный анализ с окрашиванием ДНК и расчетом флуоресценции для определения степени повреждения ДНК. Это может быть выполнено путем ручного подсчета или автоматически с помощью программного обеспечения для визуализации.
Инкапсулирование
Образец клеток, полученный из клеточной культуры in vitro или из испытуемого in vivo, рассеивается в отдельные клетки и суспендируется в расплавленной агарозе с низкой температурой плавления при 37 °C. Эта моносуспензия отливается на микроскопическую подложку. Стеклянный крышка под углом, а моноподвеска наносится на точку контакта между крышками и слайдом. По мере того, как покрытие опускается на слайд, расплавленная агароза рассеивается, образуя тонкий слой. Агарозу гелируют при 4 °C и снимают покрытие. Агароза образует матрицу углеводных волокон, которые заключают клетки, закрепляя их на месте. Агароза считается осмотически нейтральной, поэтому растворы могут проникать в гель и воздействовать на клетки без изменения положения клеток. В исследовании in vitro клетки подвергаются воздействию исследуемого агента - обычно ультрафиолетового излучения, ионизирующего излучения или генотоксического химического вещества - для вызова повреждения ДНК в инкапсулированных клетках. Для калибровки обычно используется перекись водорода, чтобы обеспечить стандартизированный уровень повреждения ДНК.
Лизис
Затем слизи погружают в раствор, который вызывает лизирование клеток. Раствор лизиса, часто используемый в анализе кометы, состоит из высококонцентрированной водной соли (часто может использоваться обычная поваренная соль) и моющего средства (такого как Triton X 100 или саркозинат). pH раствора лизиса может быть скорректирован (обычно между нейтральным и щелочным pH) в зависимости от типа повреждения, которое исследует исследователь. Водная соль разрушает белки и их связывающие структуры внутри клетки, а также нарушает содержание РНК клетки. Моющее средство растворяет клеточные мембраны. В результате действия раствора лизиса клетки разрушаются. Все белки, РНК, мембраны и цитоплазматические и нуклеоплазматические компоненты разрушаются и диффундируются в агарозовую матрицу. Остается только ДНК клетки, которая расширяется, чтобы заполнить полость в агарозе, которую раньше заполняла вся клетка. Эта структура называется нуклеоидом (общий термин для структуры, в которой сосредоточена ДНК).
Электрофорез
После лизиса клеток (обычно 1 - 2 часа при 4 °C) слиды промывают в дистиллированной воде для удаления всех солей и погружают во второй раствор - раствор электрофореза. Опять же, этот раствор может иметь свойство pH, регулируемое в зависимости от типа повреждения, которое исследуется. Перед применением электрического поля слайды оставляют в растворе электрофореза ~20 минут. В щелочных условиях двойная спираль ДНК денатурируется, и нуклеоид становится одноцепочечным. Электрическое поле (обычно 1 В/см) подается в течение ~20 минут. Затем слайды нейтрализуются до pH 7, окрашиваются специальным для ДНК флуоресцентным красителем и анализируются с помощью микроскопа с присоединенным CCD (устройство с соединенным зарядом, по сути, цифровой камерой), подключенным к компьютеру с программным обеспечением для анализа изображений.
Предыстория
Концепция, лежащая в основе анализа SCGE, заключается в том, что неповрежденная ДНК сохраняет высокоорганизованную связь с белками матрицы в ядре. Когда она повреждается, эта организация разрушается. Отдельные нити ДНК теряют свою компактную структуру и расслабляются, выходя из полости в агарозу. При воздействии электрического поля ДНК, которая имеет отрицательный заряд, тянется к положительно заряженному аноду. Неповрежденные нити ДНК слишком велики и не покидают полости, тогда как чем меньше фрагменты, тем дальше они могут свободно двигаться за определенный промежуток времени. Поэтому количество ДНК, которое покидает полость, является мерой количества повреждения ДНК в клетке. Анализ изображения измеряет общую интенсивность флуоресценции для всего нуклеоида и флуоресценции мигрировавшей ДНК и сравнивает два сигнала. Чем сильнее сигнал от перемещенной ДНК, тем больше повреждений. Общая структура напоминает комету (отсюда и "анализ кометы") с круглой головой, соответствующей неповрежденной ДНК, которая остается в полости, и хвостом поврежденной ДНК. Чем ярче и длиннее хвост, тем выше уровень повреждения. Кометный анализ является универсальным методом для обнаружения повреждений и с корректировкой протокола может быть использован для количественного определения наличия широкого спектра повреждений, изменяющих ДНК (повреждения). Обычно обнаруживаются одноцепочечные и двойные повреждения. Иногда утверждается, что для обнаружения одноцепочечных разрывов необходимы щелочные условия и полная денатурация ДНК. Однако это не так, как одно- так и двойные разрывы нитей также обнаруживаются в нейтральных условиях. Однако в щелочных условиях дополнительные структуры ДНК обнаруживаются как повреждение ДНК: участки АП (абазные участки, в которых отсутствует пиримидин или пуринный нуклеотид) и участки, где происходит иссечение. Кометный анализ - это очень чувствительный анализ повреждения ДНК. С этой чувствительностью нужно обращаться осторожно, поскольку она также уязвима для физических изменений, которые могут повлиять на воспроизводимость результатов. По сути, следует избегать всего, что может вызвать повреждение или денатурацию ДНК, за исключением исследуемого фактора. Наиболее распространенной формой анализа является щелочная версия, хотя до сих пор нет окончательного протокола щелочного анализа. Благодаря простой и недорогой настройке, он может использоваться в условиях, когда более сложные анализы недоступны.
Приложения
К ним относятся тестирование генотоксичности, биомониторинг человека и молекулярная эпидемиология, экогенотоксикология, а также фундаментальные исследования по повреждению и восстановлению ДНК. Например, Свен и Рао, используя анализ кометы, сообщили о заметном увеличении нескольких типов повреждений ДНК в нейронах мозга крысы и астроцитах во время старения, включая одноцепочечные разрывы, двойные разрывы и модифицированные основания (8 OHdG и урацил).