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生物化学

식물 원형질에서 mRNA Interactome 캡처

Published: July 28, 2017
doi:
10.3791/56011
, , ,
1Department of Biology,KU Leuven

Summary

여기, 우리는 Arabidopsis thaliana 엽초 엽 원형체에 적용된 상호 작용 캡처 프로토콜을 제시한다. 이 방법은 생체 내 UV 가교 결합에 비판적으로 의존하며 생리 환경으로부터 식물 mRNA 결합 단백질의 분리 및 동정을 허용합니다.

Abstract

RNA 결합 단백질 (RBP)은 RNA의 운명을 결정합니다. 그들은 모든 RNA 생합성 경로에 참여하며 특히 mRNA (messenger RNAs)의 전사 후 유전자 조절 (post-transcriptional gene regulation, PTGR)에 기여합니다. 지난 몇 년 동안, 효모 및 포유류 세포주의 많은 mRNA 결합 단백질은 mRNA 결합 단백질 (mRBPs)의 동정을 가능케하는 "mRNA 상호 작용 체 포획 (interaction)"이라는 새로운 방법의 사용을 통해 성공적으로 분리되었다. 생리적 인 환경에서 직접적으로. 이 방법은 올리고 (dT) 비드에 의한 메신저 리보 뉴클레오타이드 복합체 (mRNP)의 생체 내 자외선 (UV) 가교 결합, 풀다운 및 정제, 및 질량 분석기 (MS)에 의한 가교 결합 단백질의 후속 확인으로 구성된다. 아주 최근에 같은 방법을 적용하여 여러 가지 식물 mRNA 결합 프로테옴이 다른 Arabidopsis 조직 공급원에서 동시에보고되었다 : 뿌리 뽑힌 묘목, 잎 조직,엽초 엽 모세포 및 배양 된 뿌리 세포를 포함한다. 여기, 우리는 Arabidopsis thaliana 엽초 엽 원형질에 대한 최적화 된 mRNA 인터랙티브 캡쳐 방법을 제시하는데, 이는 다양한 세포 분석을 포함하는 실험을위한 다용도 도구의 역할을하는 세포 유형이다. 최적의 단백질 수율을위한 조건에는 조직의 시작과 UV 조사 시간이 포함됩니다. 중간 규모 실험 (10 7 세포)에서 얻은 mRNA 결합 프로테옴에서 RNA 결합 능력을 가진 RBP가 과다하게 나타 났으며 많은 새로운 RBP가 확인되었다. 실험을 확대 (10 9 세포) 할 수 있으며 최적화 된 방법을 다른 식물 세포 유형 및 종에 적용하여 식물에서 mRNA 결합 단백질을 광범위하게 분리, 분류 및 비교할 수 있습니다.

Introduction

진핵 생물은 세포 생물학적 과정을 유지하기 위해 다중 RNA 생합성 조절 경로를 사용합니다. 알려진 종류의 RNA 중에서 mRNA는 매우 다양하며 단백질과 그 이소 형의 코딩 용량을 가지고 있습니다 1. PTGR 경로는 pre-mRNA 2 , 3 의 운명을 지시합니다. 서로 다른 유전자 군의 RBP가 RNA의 조절을 조절하고, PTGR에서는 특정 mRBP가 기능적 mRNP를 형성하는 직접적인 물리적 상호 작용을 통해 mRNA를 유도합니다. 따라서, 식별 및 mRBPs의 특성과 mRNPs 것은 지난 30 년 .Over 세포의 mRNA 대사 2의 규정을 이해하는 데 중요하다, 다양한 시험 관내 방법 – RNA 전기 영동 이동성의 변화 (REMSA) 분석, 지수 농축 분석에 의한 리간드의 체계적 발전을 포함하여 (RBNS), 방사성 표지 또는 정량 분석 ​​(RNA Bind-n-Seq, RBNS)형광 RNA 결합 분석, X 선 결정학 및 NMR 분광법은 4, 5, 6, 7, 8, 9 – 널리 주로 포유 동물 세포에서 RBPs 연구에 적용되어왔다. 포유류 RBP에 대한 이러한 연구의 결과는 RNA-binding Protein DataBase (RBPDB)를 통해 검색 할 수 있으며, 이는 공개 된 관측치 10 을 수집합니다.

이러한 in vitro 접근법은 강력한 도구이지만 주어진 RNA 풀 시퀀스로부터 결합 된 RNA 모티프를 결정하므로 새로운 표적 RNA를 발견 할 수있는 능력이 제한적입니다. 계산 전략은 단백질 서열의 보존을 기반으로 게놈 전체의 RBPs을 예측하고 (15)를 구성하는 마찬가지입니다. 이를 극복하기 위해 새로운 실험 방법 인 ha이는 관심의 RBP가 상호 작용하는 RNA 모티프의 식별 및 결합의 정확한 위치 결정을 가능하게합니다. "crosslinking and immunoprecipitation"(CLIP)이라고 불리는이 방법 은 생체 내 UV 가교 결합 후 면역 침전 11로 구성 됩니다. 초기 연구에 따르면 245 nm보다 큰 자외선 파장에서 DNA 및 RNA 뉴클레오티드의 광 활성화가 발생할 수 있습니다. 티미 딘을 통한 반응이 선호되는 것으로 보인다 (광 반응성 감소 순서 : dT ≥ dC> rU> rC, dA, dG) 12 . 파장이 254 nm (UV-C) 인 UV 광을 사용하여 단 몇 옹스트롬 (Å) 범위에서 RNA 뉴클레오타이드와 단백질 잔기 사이의 공유 결합이 생성되는 것으로 관찰되었습니다. 따라서이 현상을 RNA와 RBP의 "zero-length"가교라고합니다. 이것은 엄격한 정화 과정 배경이 거의없는 채약 13 , 14 .

CLIP에 보완적인 전략은 RBP의 풍경을 기술하기 위해 단백질 확인과 생체 내 UV 교차 결합을 결합하는 것입니다. 이러한 게놈 전체 mRNA에 결합 된 프로테옴의 수는, "mRNA의 상호 작용 체 캡처"(18)라고, 효모 세포, 배아 줄기 세포 (는 ESC),이 새로운 실험 방법을 사용하여 인간의 세포 라인 (즉, HEK293와 헬라)에서 분리 된 19 , 20 , 21 . 이 방법은 생체 내 UV 가교 결합과 mRNP 정제 및 MS 기반 프로테오믹스로 구성됩니다. 이 전략을 적용함으로써, 비표준 RBD를 포함하는 많은 새로운 "달빛"RBP가 발견되었고, 더 많은 단백질이 이전에 상상했던 것보다 RNA 결합 능력을 가지고 있음이 분명 해졌다"> 15, 16, 17.이 방법의 사용은 새로운 애플리케이션과 RBPs을 조사 할 때 새로운 생물학적 질문에 대답 할 수있는 기능을 허용합니다. 예를 들어, 최근의 연구는 mRNA에 결합 된 프로테옴 (핵심 RBP의 보존을 조사하고있다 proteome) 22 .

식물 RBP는 이미 성장과 발달에 관여하고있다 ( 예 : 개화시기의 후 전사 조절, 24 시간주기, 미토콘드리아와 엽록체의 유전자 발현) 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 . 또한, 그들은 비 생물 적 스트레스에 반응하는 세포 과정에서 기능을 수행하는 것으로 생각된다 ( 예, 감기, 가뭄, salinity 및 abscisic acid (ABA)) 31 , 32 , 33 , 34 . RNA 인식 모티프 (RRM) 및 K 상 동성 (KH) 도메인 서열 모티프에 기초하여 애기 장대 게놈에 200 개 이상의 예측 된 RBP 유전자가 존재하며; 쌀에는 대략 250 개가 35 , 36 으로 기록되어있다. 예상되는 많은 RBP가 식물에만 고유 한 것으로 여겨지는 것은 주목할 만하다. ( 예를 들어, RRM 도메인을 포함하는 예측 된 Arabidopsis RBP의 약 50 %에 걸친 metazoan ortholog는 없다) 35) , 이는 많은 사람들이 새로운 기능을 수행 할 수 있음을 시사한다. 대부분의 예측 RBPs의 기능은 23지지 않은 남아있다.

Arabidopsis 에서 발현 된 mRNA- 결합 된 프로테옴의 분리는 모종, 잎 조직, 배양 된 뿌리 세포 및 잎의 엽초 원형질체를mRNA의 상호 작용 체 캡처은 최근 39 (38)보고되었다. 이 연구는 가까운 장래에 식물에서 기능적 RBP를 체계적으로 목록화할 강력한 가능성을 보여줍니다. 여기, 우리는 식물 protoplasts ( 즉, 세포 벽이없는 세포)에서 mRNA interactome 캡처에 대한 프로토콜을 제시한다. Arabidopsis thaliana 엽초 엽 원형 엽 세포는 잎 세포의 주요 유형이다. 분리 된 원형질체는 세포에 자외선을 최적으로 닿게합니다. 이 세포 유형은 기능적 특성을 위해 단백질을 일시적으로 발현하는 분석법에서 사용할 수 있습니다 40 , 41 . 또한 protoplasting 다른 여러 식물 세포 종류 및 종을 42, 43, 44에 적용되어왔다 (., Bargmann 바움 및 2010; 예를 들어, 피터슨 등, 2009 년 홍콩 등, 2012)..

<p class = "jove_content">이 방법은 총 11 단계 ( 그림 1A )를 포함합니다. Arabidopsis 엽초 엽 원형체를 먼저 단리하고 (단계 1) UV 조사를하여 가교 결합 된 mRNP를 형성한다 (단계 2). 원형질체가 변성 조건 (단계 3) 하에서 용해 될 때, 가교 결합 된 mRNP는 용해 / 결합 완충액에서 방출되고 oligo-d (T) 25 비드에 의해 당겨진다 (단계 4). 몇 차례의 엄격한 세척 후에, mRNP를 정제하고 추가로 분석한다. mRBPs의 변성 펩티드는 가교 결합 mRNA가 정제되기 전에 프로 테이나 제 K에 의해 분해되고 RNA 품질은 qRT-PCR (단계 5 및 6)에 의해 검증된다. RNase 처리 및 단백질 농도 (단계 7) 후에, 단백질 품질은 SDS 폴리 아크릴 아미드 겔 전기 영동 (SDS-PAGE) 및은 염색 (단계 8)에 의해 조절된다. 단백질 밴드 패턴의 차이점은 가교 샘플 (CL)과 비가 교 샘플 (non-crosslinked sample) 사이에서 쉽게 시각화 될 수 있습니다.UV 조사를받지 않은 원형질체로부터의 음성 대조군 샘플). 단백질의 확인은 MS 기반 프로테오믹스를 통해 이루어집니다. CL 샘플의 단백질은 1 차원 폴리 아크릴 아미드 겔 전기 영동 (1D-PAGE)으로 분리되어 가능한 배경 오염을 제거하고, 트립신을 사용하여 짧은 펩타이드로 "in-gel digestion"되고 정제됩니다 (9 단계). 질량 분광기 (nano-LC-MS)에 결합 된 나노 역상 액체 크로마토 그래피는 mRNA- 결합 프로테옴에서 결정적인 단백질의 양을 결정할 수있게합니다 (단계 10). 마지막으로, 확인 된 mRBPs는 생물 정보학 분석을 사용하여 특성화되고 목록 화됩니다 (11 단계).

Protocol

1. Arabidopsis Leaf Mesophyll 원형질체 단리 참고 : 유 등의 알에 의해 설명 된 애기 장대 잎의 엽육의 원형질체는 기본적으로 격리되어, 2007, 몇 가지 수정 (40).. 식물의 성장 성층화를 위해 어둠 속에서 4 ℃에서 2 일 동안 약 200 개의 애기 장대 Col-0 에코 타입 종자를 멸균 수에 담근다. 참고 :이 시드 수는 …

Representative Results

우리는 세척 버퍼 2 ( 그림 1B )와 함께 세척 단계 4.3에서 CL 샘플의 비드 펠렛을 둘러싼 특징적인 후광을 관찰했습니다. 그것이 조사되지 않았지만,이 현상은 자성 포획 동안 가교 결합 된 mRNP 복합체가 비드 응집체와 간섭하여보다 확산 된 응집체가 형성되는 것으로 설명 될 수있다. 그것은 (T) (25)의 비드 포착 올리고 D 14 효?…

Discussion

우리는 성공적으로 효모 및 인간 세포를 위해 개발 된 mRNA 상호 작용 포획을 엽초 엽 원형 엽록체에 적용했다. 잎 초 필 세포는 식물 잎의 지상 조직의 주요 유형입니다. 이 방법의 가장 큰 장점은 생체 환경에서 단백질을 발견하기 위해 생체 내 가교 결합을 사용한다는 것입니다.

이 프로토콜에서, 우리는 주로 최적의 실험 조건 (50) (예를 들…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리는 기존 UV 램프가 장착 된 UV 가교 장치를 제공 한 Joris Winderickx 교수의 실험실을 인정합니다. KG는 KU Leuven 연구 기금이 지원하며 FWO 교부금 G065713N의 지원을 인정합니다.

Materials

REAGENTS
0.8 M Mannitol Sigma M1902-500G Primary isotonic Enzyme solution &
MMg solution
2M KCl MERCK Art. 4935 Primary isotonic Enzyme solution &
W5 buffer
0.2 M MES (pH 5.7)
(4-morpholineethanesulfonic acid)		 Sigma-aldrich M2933 Primary isotonic Enzyme solution,
W5 buffer &
MMg solution,
Filtration sterilization
Cellulase R10 Yakult Pharmaceutical Industry Co., Ltd. CELLULASE
“ONOZUKA”
R-10, 10 g		 Final isotonic enzyme solution
Macerozyme R10 Yakult Pharmaceutical Industry Co., Ltd. MACEROZYME R-10, 10g Final isotonic enzyme solution
10% (w/v) BSA
(Bovine Serum Albumin)		 Sigma-aldrich A7906-100G Final isotonic enzyme solution &
Filtration sterilization
1M CaCl2 Chem-Lab NV CL00.0317.1000 Final isotonic enzyme solution,
W5 buffer &
Digestion buffer
1M NaCl Fisher Chemical S/3160/60 W5 buffer
2M MgCl2 Sigma M8266-100G MMg solution
1M LiCl
(Lithium Chloride)		 Acros 199885000 Lysis/binding buffer,
Wash buffer 1,
Wash buffer 2 &
Low salt buffer
5% (w/v) LiDS
(Lithium Dodecyl Sulphate)		 Sigma-aldrich L4632-25G Lysis/binding buffer,
Wash buffer 1 &
Filtration sterilization
1M DTT
(Dithiothreitol)		 Thermo Fisher Scientific
Wash buffer 1 &
Wash buffer 2		 307866 Lysis/binding buffer,
1M Tris-HCl (pH 7.5) (Tris(hydroxymethyl)aminomethane, Hydrochloric acid S.G. (HCl)) Acros &
Fisher Chemical		 167620010 &
H/1200/PB15		 Lysis/binding buffer,
Wash buffer 1,
Wash buffer 2,
Low salt buffer &
Elution buffer
0.5 M EDTA (pH 8.0) (Ethylenediaminetetraacetic acid) Sigma-aldrich ED-500G Lysis/binding buffer,
Wash buffer 1,
Wash buffer 2,
Low salt buffer &
Elution buffer
Tween 20 MERCK 8.22184.0500 Regeneration of oligo-d(T)25 beads
0.1 M NaOH VWR PROLABO CHEMICALS 28244.295 Regeneration of oligo-d(T)25 beads
1X PBS (pH 7.4)
(Phosphate Buffered Saline)
containing
(NaCl; KCl; Na2HPO4; KH2PO4)		 Fisher Chemical, MERCK,
Sigma-aldrich & SAFC		 S/3160/60,
Art. 4935,
71640-250G &
60230		 Regeneration of oligo-d(T)25 beads
Proteinase K solution (2 μg/μL) Thermo Fisher Scientific 11789020 Protein digestion
Loading dye Invitrogen LC5925 SDS-PAGE
qPCR master mix Promega A6001 qRT-PCR assay
RNase Cocktail Thermo Fisher Scientific AM2286 RNA digestion
Methanol Sigma-aldrich 322415 Gel fixation and gel destaining
Acetic acid Sigma-aldrich 537020 Gel fixation and gel destaining
Coomassie Brilliant Blue R-250 Thermo Fisher Scientific 20278 Gel staining
1M NH4HCO3
(Ammonium bicarbonate)
 		 Sigma-aldrich 09830-500G Gel hydration &
Digestion buffer
CH3CN
(Acetonitrile)		 Sigma-aldrich 34851-100ML Gel dehydration &
Peptide dissolving solution
IAA
(Iodoacetic acid)		 Sigma-aldrich I4386-10G Alkylating agent
TFA
(Trifluoroacetic acid)		 Sigma-aldrich 302031-10X1ML Peptide dissolving solution
FA
(Formic acid)		 Sigma-aldrich 06554-5G Peptide extraction
Trypsin solution (6 ng/μL) Promega V5280 Digestion buffer
Name Company Catalog Number Comments
EQUIPMENT
Soil Peltracom LP2D Plant growth
Vermiculite 3 Sibli AS 05VERMICULIET Plant growth
Petri dish (150 x 20 mm) Sarstedt 82.1184.500 Carrier for protoplast suspension
0.22 μm filter Millipore SE2M229104 Homogenization of final isotonic enzyme solution
Razorblade Agar Scientific T585 Rosette leaf strips
35-75 μm nylon mesh SEFAR NITEX 74010 Protoplast suspension filtration
50 mL round bottom tubes Sigma-aldrich T1918-10EA Carrier for protoplast suspension
Hemocytometer
(Bürker hemocytometer)		 MARIENFELD 650030 Protoplast cell counting
UV crosslinking apparatus
(HL-2000 HybriLinker)		 UVP, LLC UVP95003101 in vivo UV crosslinking
UV lamp
(Sankyo-Denki G8T5)		 SANKYO
DENKI		 SD G8T5 in vivo UV crosslinking
50 mL glass syringe FORTUNA Optima Z314560 Homogenization of protoplast lysate
Narrow needle (0.9 x 25 mm) Becton Dickinson microlance 3 2021-04 Homogenization of protoplast lysate
Rotator Model L26 Labinco BV 26110912 Sample incubation by rotating
Oligo-d(T)25 magnetic beads
(5 mg/mL)		 New England BioLabs S1419S mRNPs and mRNAs binding and pull-down
Magnetic rack Invitrogen CS15000 mRNPs and mRNAs binding and pull-down
Centrifugal filter units
(Amicon Ultra-4 centrifugal filter units)		 EMD Millipore UFC800308 mRBP concentration
Pierce Silver Stain Kit Thermo Fisher Scientific 24612 Silver-staining assay
RNA purification kit
(InviTrap Spin Plant RNA Mini Kit)		 STRATEC Molecular 1064100300 RNA purification
Spectrophotometer device (NanoDrop 1000 Spectrophotometer) Thermo Fisher Scientific ND-1000 RNA quality and quantity
Real-Time PCR cycler
(StepOne Real-Time PCR cycler)		 Thermo Fisher Scientific 4376600 cDNA quantification
µ-C18 columns
(Millipore Zip Tip µ-C18 columns)		 Sigma-aldrich 720046-960EA Peptide purification
Mass spectrometer
(Q Exactive Hybrid Quadrupole-Orbitrap Mass Spectrometer)		 Thermo Fisher Scientific IQLAAEGAAPFALGMAZR Mass spectrometry-based proteomics
Liquid chromatography instrument (Ultimate 3000 ultra-high performance liquid chromatography (UHPLC) instrument) Thermo Fisher Scientific ULTIM3000RSLCNANO Mass spectrometry-based proteomics
C18 column
(Easy Spray Pepmap RSLC C18 column)		 Thermo Fisher Scientific ES800 Mass spectrometry-based proteomics
C18 precolumn
(Acclaim Pepmap 100 C18 precolumn)		 Thermo Fisher Scientific 160321 Mass spectrometry-based proteomics
Name Company Catalog Number Comments
Primers for qRT-PCR assay Sequences
UBQ10 mRNA
(Li et al., 2014)		 Fw: AACTTTGGTGGTTTGTGTTTTGG
Rv: TCGACTTGTCATTAGAAAGAAAGAGATAA
18S rRNA
(Durut et al., 2014)		 Fw: CGTAGTTGAACCTTGGGATG
Rv: CACGACCCGGCCAATTA
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References

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Zhang, Z., Boonen, K., Li, M., Geuten, K. mRNA Interactome Capture from Plant Protoplasts. J. Vis. Exp. (125), e56011, doi:10.3791/56011 (2017).
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