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G1/S‐Checkpoint‐Messung mittels PCNA in der Immunfluoreszenz‐Mikroskopie

4  Ergebnisse

4.2  Charakterisierung des G1/S‐Checkpoints mittels Durchflusszytometrie und

4.2.2  G1/S‐Checkpoint‐Messung mittels PCNA in der Immunfluoreszenz‐Mikroskopie

Seite 101  den Reparaturdefekt von 2BNhTert zurückzuführen sein. Die Zellen reparierten DSBs nicht so effizi‐

ent wie 82‐6hTert‐Zellen, es zeigte sich ein höheres Schadenslevel, wodurch die Zellen vermutlich  länger am G1/S‐Checkpoint arretierten bzw. langsamer durch die S‐Phase prolifierierten. 

Diese Experimente zeigten nach Bestrahlung zunächst nur eine dosisabhängige Verlangsamung des  S‐Phase‐Eintritts der Zellen und ein Einsetzen des G1/S‐Checkpoints nach 6 h, unabhängig von der  Höhe der Bestrahlung. Zudem gab es erste Hinweise, dass die Dauer der Aufrechterhaltung von der  Dosis abhängt. Über den Reparaturdefekt der XLF‐defizienten Zellen konnte gezeigt werden, dass  die zeitliche Regulation des Einsetzens des G1/S‐Checkpoints anscheinend unabhängig vom Scha‐

denslevel der Zellen stattfand. 

 

Abb. 35: Kolokalisation von BrdU und PCNA 

Zur Überprüfung des S‐Phase‐Markers PCNA (Proliferating Cell Nuclear Anti‐

gen) wurde eine Immunfluoreszenz‐Doppelfärbung mit BrdU vorgenommen. 

Exponentiell wachsende 82‐6hTert‐Zellen wurden für 15 min mit BrdU puls‐

markiert. Die Zellen wurden anschließend fixiert und es erfolgte eine Immun‐

fluoreszenz‐Färbung von PCNA (rot) und BrdU (grün). Zudem wurde eine  unspezifische Kernfärbung mit DAPI (blau) vorgenommen. Die Aufnahme  erfolgte bei 630‐facher Vergrößerung. Eine Kolokalisation zwischen PCNA und  BrdU war erkennbar, zudem wiesen nur S‐Phase‐Zellen ein BrdU‐Muster auf,  welches dem PCNA‐Muster der S‐Phase entsprach (Maßstab = 10 µm).  

     

Anschließend wurde der prozentuale Anteil der PCNA‐positiven Zellen an der Gesamtzellzahl gegen  die  Zeit  nach  Bestrahlung  quantifiziert  (Abb.  36).  Der  Ausgangswert  bei  bestrahlten  und  unbestrahlten Proben lag zwischen 14 % und 16 % PCNA‐positive Zellen. Hierin zeigt sich ein Unter‐

schied zur Durchflusszytometrie zum Zeitpunkt 0 h,  denn bei der Quantifizierung der PCNA‐

positiven Zellen wurden alle S‐Phase‐Zellen zu den entsprechenden Zeitpunkten berücksichtigt und  es wurde keine Population durch vorherige Markierung wie bei der Durchflusszytometrie ausge‐

schlossen. Dieser Ausgangswert blieb bei der unbestrahlten Kontrolle über 16 h konstant, da ein  gleichmäßiges Ein‐ und Austreten von G1‐Phase‐Zellen in die S‐Phase bzw. von der S‐Phase in die  G2‐Phase stattfand. Die bestrahlten Proben zeigten ab einer Reparaturzeit von 6 h eine Abnahme  der S‐Phase‐Zellen, was auf das Einsetzen des G1/S‐Checkpoints hindeutete. 10 h nach Bestrahlung  lag der S‐Phase‐Anteil der mit 2 Gy und 5 Gy bestrahlten Zellen bei etwa 2 %, der Anteil der mit  0,5 Gy und 1 Gy bestrahlten Zellen bei etwa 5 %. Nach 12 h bei 0,5 Gy, 1 Gy und 2 Gy bzw. nach 14 h  bei Bestrahlung mit 5 Gy nahm die Population der S‐Phase‐Zellen wieder zu, wobei der Anteil der in  die S‐Phase eintretenden Zellen mit steigender Dosis abnahm. 

 

Abb. 36: Quantifizierung von S‐Phase‐Zellen anhand  des PCNA‐Musters 

Exponentiell wachsende 82‐6hTert‐Zellen wurden mit  0,5 Gy, 1 Gy, 2 Gy oder Gy bestrahlt, anschließend  wurde Nocodazol zugegeben. Nach 0 h bis 16 h Repa‐

raturzeit wurden die Zellen fixiert und eine Immunflu‐

oreszenz‐Färbung  gegen  PCNA  als  S‐Phase‐Marker  durchgeführt.  Anschließend  wurde  der  Anteil  der  PCNA‐positiven S‐Phase‐Zellen an der gesamten Zell‐

population bestimmt und im Diagramm aufgetragen. 

Die Fehlerbalken entsprechen dem Standardfehler der  Messungen aus drei unabhängigen Experimenten. 

   

 

Die bestrahlten Proben zeigten einen Rückgang des Eintritts von G1‐Phase‐Zellen in die S‐Phase ab  dem Zeitpunkt 6 h nach Bestrahlung, was auf das Einsetzen des G1/S‐Checkpoints zurückzuführen  war. Das Aufheben des G1‐Arrests fand 12‐14 h nach Bestrahlung statt. Diese Ergebnisse sind kon‐

sistent mit den Daten, die mittels Durchflusszytometrie gewonnen wurden (Kapitel 4.2.1). 

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

% S-Phase-Zellen

Zeit nach Bestrahlung [h]

0 Gy 0,5 Gy 1 Gy 2 Gy 5 Gy

Seite 103  Eine Stärke der Immunfluoreszenz‐Färbung gegen PCNA besteht in der Möglichkeit, aufgrund des  sich im Laufe der S‐Phase ändernden PCNA‐Musters zwischen frühen, mittleren und späten S‐

Phase‐Zellen zu unterscheiden (Abb. 37). Da zunächst Chromosomen mit weniger stark kondensier‐

tem Euchromatin, welches sich in der Mitte des Zellkerns befindet, repliziert werden, ist die frühe S‐

Phase durch kleine, über den gesamten Zellkern verteilte Replikationsfoci gekennzeichnet. Das stär‐

ker kondensierte Heterochromatin wird während der mittleren S‐Phase repliziert. Es ist vorwiegend  am Rand des Zellkerns und um die Nucleoli zu finden. Auch in der späten S‐Phase wird Heterochro‐

matin repliziert. Die klare Verteilung von randständigen und Nucleoli‐assoziierten Foci löst sich al‐

lerdings auf, und große Replikationsfoci sind über den gesamten Zellkern verteilt zu finden (Rottach  et al., 2008).  

 

Abb.  37:  Darstellung  des  PCNA‐Musters  nach  Immunfluoreszenz‐Färbung  in  ver‐

schiedenen Abschnitten der S‐Phase  Die Unterscheidung von früher, mittlerer und  später S‐Phase war durch Färbung mit einem  Antikörper gegen das Protein PCNA möglich. 

Exponentiell  wachsende  82‐6hTert‐Zellen  wurden fixiert und es erfolgte eine Immun‐

fluoreszenz‐Färbung gegen PCNA (rot) und  eine  unspezifische  Kernfärbung  mit  DAPI  (blau). In Zellen außerhalb der S‐Phase lag  das Protein im gesamten Zellkern verteilt  vor. Während der frühen S‐Phase akkumu‐

lierte PCNA an Orten der DNA‐Replikation. 

Durch Replikation des gesamten Genoms im  Verlauf der S‐Phase änderte sich das Muster  der PCNA‐Verteilung. Die mittlere S‐Phase  war gekennzeichnet durch Verlagerung der  Replikationsfoci an den Rand des Zellkerns  und um die Nucleoli. Während der späten S‐

Phase fanden sich große PCNA‐Foci, die über  den gesamten Zellkern verteilt waren (Maß‐

stab = 10 µm). 

 

Die Klassifizierung der in Abb. 38 ausgewerteten S‐Phase‐Zellen in frühe, mittlere und späte S‐Phase  zeigte keine wesentliche Veränderung an der Zusammensetzung der S‐Phase über einen Zeitraum  von 16 h. Frühe S‐Phase‐Zellen hatten einen Anteil von knapp 9 %, mittlere von etwa 6 % und späte  von 2 % an der gesamten S‐Phase‐Population. Während die Gesamtpopulation der S‐Phase‐Zellen  6 h nach Bestrahlung abnahm, war eine Verringerung der frühen S‐Phase‐Zellen interessanterweise  bereits 4 h nach Bestrahlung zu erkennen. Eine signifikante Verringerung der mittleren S‐Phase  ergab sich nach 8 h, der späten S‐Phase nach ca. 10 h. Dies spiegelt die Progression durch die S‐

Phase und die verzögerte Auswirkung des G1/S‐Checkpoints auf spätere Zellzyklus‐Phasen wider. 

Danach erfolgte eine erneute Zunahme der Population, was sich vor allem in einer Zunahme der  frühen S‐Phase‐Zellen zeigte, welche den G1/S‐Checkpoint überwunden hatten. 

     

 

        0 Gy 

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

% PCNA-positive Zellen

Zeit nach Bestrahlung [h]

späte S-Phase mittlere S-Phase frühe S-Phase

          0,5 Gy               1 Gy  

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

% PCNA-positive Zellen

Zeit nach Bestrahlung [h]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

% PCNA-positive Zellen

Zeit nach Bestrahlung [h]

      2 Gy                5 Gy   

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

% PCNA-positive Zellen

Zeit nach Bestrahlung [h]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

% PCNA-positive Zellen

Zeit nach Bestrahlung [h]

Abb. 38: Quantitative Analyse des Anteils früher, mittlerer und später S‐Phase‐Zellen an  der gesamten Zellpopulation  mittels PCNA 

Exponentiell wachsende 82‐6hTert‐Zellen wurden mit 0,5 Gy, 1 Gy, 2 Gy und 5 Gy bestrahlt oder unbestrahlt belassen und  anschließend Nocodazol zugegeben. Nach 0 h, 2 h, 4 h, 6 h, 8 h, 10 h, 12 h, 14 h und 16 h Reparaturzeit wurden die Zellen  fixiert und eine Immunfluoreszenz‐Färbung gegen PCNA durchgeführt. Der Anteil der frühen, mittleren und späten S‐

Phase‐Zellen an der gesamten Population der Zellen wurde anhand ihres spezifischen PCNA‐Musters bestimmt. Die ein‐

zelnen Fraktionen wurden jeweils als prozentualer Anteil der gesamten Zellen gegen die Zeit nach Bestrahlung aufgetra‐

gen. Die Fehlerbalken entsprechen dem Standardfehler aus drei unabhängigen Experimenten. 

 

Durch die Unterteilung in frühe, mittlere und späte S‐Phase‐Zellen gelang es somit, die zeitliche  Regulation des Einsetzens des G1/S‐Checkpoints genauer zu charakterisieren. Die alleinige Betrach‐

tung des Verhaltens der frühen S‐Phase‐Zellen ließ darauf schließen, dass der G1/S‐Checkpoint nicht 

Seite 105  – wie mittels Durchflusszytometrie gemessen – erst nach 6 h, sondern bereits nach ca. 4 h einsetzte. 

Desweiteren zeigte sich erneut, dass die Dauer der Aufrechterhaltung von der Dosis abhängig ist.