Translating Ribosome Affinity Purification (TRAP) is able to capture cell-type-specific translation of mRNA. Here we report the first TRAP protocol dedicated to isolation of mRNA in rare cell populations of Drosophila embryos.
Measuring levels of mRNAs in the process of translation in individual cells provides information on the proteins involved in cellular functions at a given point in time. The protocol dubbed Translating Ribosome Affinity Purification (TRAP) is able to capture this mRNA translation process in a cell-type-specific manner. Based on the affinity purification of polysomes carrying a tagged ribosomal subunit, TRAP can be applied to translatome analyses in individual cells, making it possible to compare cell types during the course of developmental processes or to track disease development progress and the impact of potential therapies at molecular level. Here we report an optimized version of the TRAP protocol, called TRAP-rc (rare cells), dedicated to identifying engaged-in-translation RNAs from rare cell populations. TRAP-rc was validated using the Gal4/UAS targeting system in a restricted population of muscle cells in Drosophila embryos. This novel protocol allows the recovery of cell-type-specific RNA in sufficient quantities for global gene expression analytics such as microarrays or RNA-seq. The robustness of the protocol and the large collections of Gal4 drivers make TRAP-rc a highly versatile approach with potential applications in cell-specific genome-wide studies.
Comprendre comment les cellules acquièrent des propriétés spécifiques au cours du développement est cruciale afin d'apprécier la complexité des organes et de leur potentiel d'évolution vers des conditions pathologiques. Il ya un gros effort de recherche à déchiffrer les réseaux de régulation des gènes qui sous-tendent la spécification et la différenciation cellulaire par des profils d'expression génique mondiaux unrevealing, caractère contraignant Pol II, transcription du facteur d'occupation sur des séquences régulatrices ou des modifications post-traductionnelles des histones.
Pour évaluer l'expression de gène à puces mondiales de niveau et des approches d'ARN-Seq sont utilisés. Les puces à ADN permettent de détecter l'ARNm abondance, tandis que l'ARN-Seq est mieux adapté à l'information sur les différents types d'ARN, y compris le codage et non codantes ARN comme microARN, lncRNAs ou ARNsn. Cependant, ces techniques ne peuvent pas différencier activement transcrites, l'état d'équilibre de l'ARNm, activement traduction de l'ARNm, et l'ARNm entrant dans le processus de dégradation. Mesure constante st-mangé niveaux d'ARNm est connu pour être une mauvaise estimation de la composition du protéome 1-3. En revanche, d'identifier activement la traduction de l'ARNm donne une image plus précise de la production de protéines.
Cependant, des études transcriptomiques ont été principalement mené au niveau organisme entier en comparant gain ou la perte de la fonction d'un facteur spécifique au type sauvage état 4-7 ou sur le tissu disséqué, rendant les profils d'expression génique difficiles à interpréter. Les progrès récents dans les outils de ciblage cellulaire, de purification par affinité et des améliorations de sensibilité permettent désormais d'effectuer des analyses du génome entier sur les populations de petites cellules ou des cellules, même simples dans un organisme vivant.
Chez la drosophile, de grandes collections de lignées transgéniques permettent un ciblage spécifique temporelle et spatiale des différents tissus et des sous-populations de cellules par le système GAL4 / UAS 8-10 donnant une quantification plus précise des mécanismes moléculaires nécessaires à la fonction cellulaire.
<p class = "jove_content"> Parmi les approches nouvellement développés polysome profilage par fractionnement a été décrit comme un moyen de capturer activement la traduction de l'ARN 11. Cette méthode basée sur la centrifugation sur gradient de saccharose permet la sélection de la fraction de polysomes et la détermination de l'ARNm traduit l'échelle du génome lorsqu'on l'analyse avec puces à ADN ou un séquençage de profondeur. Polysomes isolement peut être couplé avec la nuclease digestion pour identifier des empreintes ribosomiques correspondant à des fragments d'ARN par les ribosomes protégées pendant le processus de traduction 12. Empreinte ribosomique augmente la précision de la quantification de la traduction de l'ARN et la résolution de niveau séquence ARN et le positionnement ribosome, permet de mesurer le taux de la traduction. Cependant, à ce jour, il n'a pas été appliquée à l'isolement spécifique de la cellule de translatomes, principalement en raison de la forte diminution du rendement d'ARN obtenu à la fin du processus de l'empreinte ribosome. Étant donné que la sélection de la taille de l'ARN peut générer potentiel faux-positives de différentes RNP qui pourrait également être protégeaient l'ARN d'une manière similaire, d'autres développements sont nécessaires pour améliorer l'empreinte ribosomal et l'adapter à des approches spécifiques des cellules.Une de ces méthodes, appelé le Translating ribosome Affinity Purification (TRAP) a été décrite en 2008 par Heiman et al. et appliqué à isoler le translatome de sous-ensemble de neurones chez la souris. Par marquage d'epitope d'une protéine ribosomique dans une cellule de type manière spécifique, polysomes peuvent être purifiés de manière sélective sans l'étape laborieuse de dissociation des cellules et le tri. Dans ce cas, les 60S ribosomique L10a à protéines de la surface du ribosome a été taggés avec eGFP 13. Depuis 2008, plusieurs études ont utilisé cette méthode dans différentes espèces, à partir de souris 14-19 à X. laevis 20,21, 22,23 et le poisson zèbre Arabidopsis thaliana 24. La méthode TRAP a également été adapté au modèle de Drosophila et utilisé pour puritype de cellule spécifiques fy ARNm de cellules neuronales 25 et 26 astrocytes. Le système binaire polyvalent GAL4 / UAS a été utilisé pour exprimer la GFP-tagged RpL10A d'une manière tissu-spécifique. Chefs de mouches adultes ont été disséqués pour effectuer une sélection d'polysome de cellules neuronales (ciblés par pan-neuronal pilote Elav-Gal4) et des ARN isolés ont été séquencés. Le grand nombre de gènes régulés à la hausse correspondait à ceux connus pour être exprimés dans le système nerveux, ce qui indique que l'approche a une bonne spécificité et nous incitant à l'adapter aux populations de cellules rares (moins de 1% des cellules) présente dans le développement des embryons de drosophile .
Dans le modèle de drosophile, le stade embryonnaire est un modèle de choix pour l'étude des processus de développement, comme les acteurs moléculaires et mouvements morphogénétiques sont évolutives conservées. Les approches transcriptomiques seulement tissulaires spécifiques menées jusqu'à présent dans ce modèle ont été effectuées en utilisant cellulaire ou nucléaire afinrter et ont seulement été capables d'étudier l'état d'équilibre transcriptome 27-31, créant un besoin de méthodes dédiées au tissu / cellule-spécifique translatome profilage dans l'embryon de mouche. Nous rapportons ici le premier protocole TRAP dédiée aux embryons de drosophile. Avec cette méthode, engagée en translation de l'ARNm dans une population de cellules très limité de l'ordre de 100 cellules musculaires par embryon a été isolé avec succès avec la qualité et la spécificité. Le / système de SAMU GAL4 binaire est utilisé pour entraîner l'expression de RpL10A GFP marqués dans la sous-population des muscles sans aucune toxicité, aucun phénotypes apparentes ou un retard de développement, comme indiqué précédemment 25. Embryons de drosophile possèdent 30 muscles par hemisegment qui donneront lieu à la musculature de la larve. En utilisant une région régulatrice découvert à proximité du gène d'une identité en reste, 6 des 30 muscles multi-nucléées sont ciblés. Dans cet essai, les ribosomes sont immobilisés sur de l'ARNm en utilisant l'allongement de traductioninhibiteur cycloheximide. Extraits cytosoliques sont ensuite utilisés pour la purification par affinité avec des billes magnétiques recouvertes d'anticorps GFP. Qualité de l'ARN purifié a été validée à l'aide bioanalyseur. Transcription inverse quantitative PCR (RT-qPCR) a été utilisé pour déterminer la spécificité et la sensibilité de l'ARNm et de l'isolement a démontré que notre protocole optimisé est très efficace.
Ce document décrit une Translating ribosome Affinity protocole modifié d'épuration (surnommé «TRAP-rc ') dédié à l'étude des populations de cellules rares dans embryons de drosophile. L'information est fournie sur les étapes clés pour l'isolement de l'ARN spécifique succès avec un rendement adéquat pour les puces à ADN ou d'ARN-analyse suivants, à savoir 1) la quantité de matériel biologique nécessaire et la procédure optimisée pour embryon lyse et l'extraction de polysome; 2) perles / anticorps à-lysat ratios pour immunoprécipitation optimale; 3) les étapes permettant de réduire de fond, y compris la composition du tampon de lavage de manière à réaliser des expériences TRAP-rc avec une haute spécificité et la sensibilité.
Ce protocole donne des données reproductibles qui rend facilement appliquée à d'autres types de cellules. Cette technique permet d'analyser l'expression différentielle des gènes au niveau de l'ARNm activement la traduction et ouvrir ainsi la voie à la compréhension de l'expression des protéines dans un spec IFIC type de cellule à une fenêtre de temps spécifique. On notera cependant que l'abondance des protéines dépendra de la vitesse des processus de dégradation et de la traduction. Une limitation majeure de la méthode TRAP est son incapacité à mesurer la teneur en protéines d'une manière quantitative précise ou pour détecter modification post-traductionnelle. Amélioration de la quantification en mesurant la densité des ribosomes le long du corps ARNm et, ce faisant, d'une manière type de cellule spécifique peut faire TRAP combiné avec ribosome empreinte un outil très puissant. Dans un récent article 34, cette combinaison a été réalisée dans des cellules embryonnaires de rein humaines 293. Les auteurs ont couru empreinte nucléase suivie par purification par affinité d'une forme biotinylé inductible de RpL10A utilisant des billes de streptavidine. Ceci est une preuve de principe qu'il est possible de réaliser l'empreinte ribosome dans un organisme entier tout en ciblant un type de cellule spécifique, la limitation étant la quantité de matériel biologique nécessaire à cet effet.
"> Spectacle expériences TRAP en parallèle avec les analyses transcriptomiques mondiaux, il sera possible de suivre les proportions entre nouvellement transcrit et actively- traduire ARN. Ce sera très instructif des mécanismes post-transcriptionnel potentiels qui se déroulent dans des contextes de développement spécifiques ou des populations cellulaires spécifiques microARN -par par exemple.En conclusion, TRAP est une méthode très efficace, spécifique et sensible pour l'identification des ARN liés à des ribosomes activement traduire d'une manière spécifique à la cellule. Cette méthode peut être utilisée dans une grande variété d'organismes et de types de tissus. Le nouveau protocole TRAP-rc décrit ici a été optimisé pour les populations de cellules rares (moins de 1% du nombre total de cellules) et pour une quantité de matériau final suffisante pour des analyses ultérieures au niveau du génome entier.
Une éventuelle limitation de cette méthode est l'exigence d'un puissant moteur pour produire ribosomes marquées en quantité suffisante pour compete avec celles non marquées endogènes dans le type de cellule ciblée. Dans une étude récente 25, les auteurs estimés à 10-30% le ratio d'marqué contre ribosomes non balisés.
Pour surmonter ce problème croissant-EGFP UAS-RpL10A nombre de copies devraient considérablement améliorer cet équilibre. Alternativement, en ajoutant à l'arrière-plan génétique décrit un transgène UAS-GAL4 va amplifier la production de la protéine GAL4 et augmenter indirectement expression de RpL10A-EGFP. Cela devrait favoriser une meilleure occupation des ribosomes marqués sur l'ARNm.
Notez que cette approche déjà efficace peut être rendue encore plus puissante en adaptant les méthodes complémentaires pour apporter un aspect plus quantitative ou à découvrir et élucider les mécanismes moléculaires qui sont essentiels pour le contrôle de l'expression des gènes.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Nicolas Allegre, Maud Peyny and Jean-Philippe Da Ponte for their excellent technical assistance. This work was supported by the Agence Nationale de la Recherche (ANR-JC-CARDIAC-SPE), the INSERM starting grant, ANR ID-CELL-SPE grant, Equipe FRM and the AFM 15845 grant.
HEPES | Sigma | H4034-1006 | |
1,2-diheptanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids | 850306P | |
Glycogen | thermo scientific | R0561 | |
Purified BSA 100X | Biolabs | B9001 | |
Yeast tRNA | Sigma | R5636 | |
Super RNase In | Ambion | AM2694 | |
Antibody GFP clone N86/38 | UC DAVIS/NIH Neuromab Faculty Antibodies Incorporated | 75-132 | |
Nonidet P40 | Roche | 11754595001 | |
Precellys 24 Lysis homogenisation | Bertin Technology | ||
Nuclease free water | Nalgene | ||
Dynabeads ProteinG | Invitrogen | 10004D | |
Potassium chloride (KCl) | Applied Biosystem | AM96406 | |
Magnesium Chloride (MgCl2) | Applied Biosystem | AM95306 | |
Cellulose waddin unbleached | VWR | 115-2597 | |
Sieves 112, 355, 710 um | Retsch | ||
TRiZol | Invitrogen | 15596-018 | |
MagRack 6 | GE HealthCare | 28948964 | |
Low binding filter tips | ClearLine | ||
Rnase free tube 1,5 mL | ClearLine | 390689DD | |
Tween 20 | Fischer Bioreagent | BP337-500 | |
Cycloheximide | Sigma | C1985 | |
Protease inhibitor tablets, Mini-Complete, EDTA-free | Roche | 11836170001 |