グラム陽性菌におけるRNAシーケンシングと結合したMS2-アフィニティ精製
Summary
MAPS技術は、生体内の特定の調節RNAの標的を精査するために開発されました。目的のsRNAは、そのRNAパートナーの共精製とRNAシーケンシングによるそれらの同定を可能にするMS2アプタマーでタグ付けされます。この改変プロトコルは、特にグラム陽性菌に適しています。
Abstract
小さな調節RNA(sRNA)は、生命の細菌領域の間で広く普及しているが、それらの多くの機能は、彼らのmRNA標的を同定するのが難しいため、特に十分に特徴付けられていない。ここでは、RNAシーケンシング(MAPS)技術と組み合わせたMS2-アフィニティ精製の改変プロトコルについて説明し、インビボで特定のsRNAのすべてのRNAパートナーを明らかにすることを目指した。大まかに言えば、MS2アプタマーは、関心のあるsRNAの5’の端部に融合する。この構築物は、次いで生体内で発現され、MS2-sRNAがその細胞パートナーと相互作用することを可能にする。細菌の収穫後、細胞は機械的に取り付けられる。粗抽出物は、以前にマルトース結合タンパク質に融合したMS2タンパク質でコーティングされたアミロースベースのクロマトグラフィーカラムにロードされます。これにより、MS2-sRNAおよび相互作用RNAの特異的な捕獲が可能になります。溶出後、共精製RNAは、ハイスループットRNAシーケンシングとその後のバイオインフォマティクス解析によって同定されます。以下のプロトコルは、ヒトの植物体の黄色 ブドウ球菌 のグラム陽性で実施されており、原則として、任意のグラム陽性菌にトランスポーザブルである。要するに、MAPS 技術は、特定の sRNA の規制ネットワークを深く探索する効率的な手法を構成し、そのターゲットのスナップショットを提供します。しかし、MAPSによって特定された推定ターゲットは、補完的な実験的アプローチによって検証される必要があることを覚えておいてください。
Introduction
ほとんどの細菌ゲノムでは、何百もの、おそらく何千もの小さな調節RNA(sRNA)が同定されていますが、その大部分の機能は依然として特徴付けられません。全体として、sRNAは短い非コード分子であり、細菌生理学および変動環境への適応において主要な役割を果たしている1、2、3である。確かに、これらの高分子は、代謝経路、ストレス応答だけでなく、毒性および抗生物質耐性にも影響を与え、多数の複雑な調節ネットワークの中心にあります。論理的には、その合成は、特定の環境刺激(例えば、栄養飢餓、酸化または膜ストレス)によって引き起こされる。ほとんどの sRNA は、短いベースペアと非連続的な基本ペアを使用して、転写後レベルで複数のターゲット mRNA を調節します。彼らは通常、翻訳開始領域4のためにリボソームと競合することによって翻訳開始を防ぎます。sRNA:mRNA二重鎖の形成はまた、しばしば特定のRNasesのリクルートによって標的mRNAの活性分解をもたらす。
sRNA標的の特徴付け(すなわち、標的RNAのセット全体)は、それが介入する代謝経路およびそれが応答する潜在的なシグナルを同定することを可能にする。その結果、特定のsRNAの機能は、一般にその標的から推測することができる。この目的のために、インタRNAおよびCopraRNA5、6、7のようなインシリコ予測ツールの幾つかが開発されている。彼らは特に、推定sRNAパートナーを決定するために、潜在的な相互作用部位のエネルギーとアクセシビリティを組み合わせた、シーケンスの相補性に依存しています。しかし、予測アルゴリズムは、RNAシャペロン8の関与が最適でない相互作用または両パートナーの共発現を支持するなど、生体内での塩基対に影響を与えるすべての因子を統合するわけではない。その固有の制限により、予測ツールの誤検出率は依然として高いままです。大部分の実験的大規模アプローチは、sRNA:mRNAカップルがタグ付きRNA結合タンパク質(RBP)6,9と相互作用する共精製に基づいている。例えば、ライゲーションとシーケンシングによるRNA相互作用(RIL-seq)法により、エシェリヒア・コリ10,11におけるHfqおよびProQなどのRNAシャペロンと共精製されたRNA二重鎖を同定した。ハイブリッドのUV架橋、ライゲーションおよびシーケンシング(CLASH)と呼ばれる同様の技術が、大腸菌12,13のRNase E-およびHfq関連sRNAに適用された。複数の細菌におけるsRNA媒介性調節におけるHfqおよびProQの十分に記述された役割にもかかわらず、sRNAベースの調節は、S.アウレウス16、17、18のようないくつかの生物においてRNAシャペロン非依存性であるようである。RNasesに関連するRNA二重鎖の精製がウォーターズと同僚13によって示されるように実現可能であっても、これはRNasesが急速な劣化を引き起こすので難しいままです。したがって、RNAシーケンシング(MAPS)アプローチ19,20と結合したMS2-アフィニティ精製は、このような生物における固体代替を構成する。
上記の方法とは異なり、MAPSは、すべての相互作用RNAを捕捉するために餌として特定のsRNAを使用するため、RBPの関与に依存しません。プロセス全体を 図 1に示します。簡単に言えば、sRNAはMS2コートタンパク質によって特異的に認識されるMS2 RNAアプタマーで5’でタグ付けされます。このタンパク質は、アミロース樹脂上に固定化されるマルトース結合タンパク質(MBP)と融合している。したがって、MS2-sRNAおよびそのRNAパートナーは、アフィニティークロマトグラフィーカラム上に保持されます。マルトースとの溶出後、共精製RNAを、高スループットRNAシーケンシングを用いて、バイオインフォマティクス解析を行って同定する(図2)。MAPS テクノロジーは、最終的に、インビボで発生するすべての潜在的な相互作用の相互作用マップを描画します。
MAPS技術は、もともと非病原性グラム陰性細菌大腸菌21に実装されました。驚くべきことに、MAPSは、RyhBおよびRybB sRNAの両方と特異的に相互作用するtRNA由来の断片を同定し、非誘導条件でmRNA標的を調節するためのsRNA転写ノイズを防止するのに役立った。その後、MAPSはDsrA 22、RprA 23、CyaR23およびGcvB24のような他の大腸菌sRNAに正常に適用された(表1)。MAPS は、以前に知られていた標的を確認した上で、これらの既知の sRNA のターゲットを拡張しました。最近、MAPSはサルモネラ・チフィムリウムで行われ、SraL sRNAがrho mRNAに結合することを明らかにし、転写終結因子25に対するコード化を行う。この組み合わせを通じて、SraLはRho自体によって引き起こされる早期転写終結からrho mRNAを保護する。興味深いことに、この技術はsRNAに限定されず、tRNA由来フラグメント26およびmRNA2の5’未翻訳領域の使用によって例示されるあらゆるタイプの細胞RNAに適用することができる(表1)。
MAPS法は、病原性グラム陽性菌S.アウレウス19にも適応されている。具体的には、リシスプロトコルは、グラム陰性細菌よりも細胞壁が厚いため、細胞を効率的に破壊し、RNAの完全性を維持するために広く改変されている。この適応プロトコルは、すでにRsaA 27、RsaI28とRsaC29の相互作用を解明しました。このアプローチは、細胞表面特性、グルコース取り込み、および酸化ストレス応答の調節機構におけるこれらのsRNAの重要な役割に関する洞察を与えた。
2015年に 大腸菌 で開発され実装されたプロトコルは、最近では非常に詳細に説明されています30.ここでは、非病原性または病原性(安全上の注意)にかかわらず、グラム陽性(より厚い細胞壁)細菌におけるsRNA調節ネットワークの研究に特に適した改変MAPSプロトコルを提供する。
Protocol
Representative Results
Discussion
グラム陽性菌の改変プロトコル
MAPSの初期プロトコルは、モデル生物大腸菌20,30におけるsRNA相互作用を研究するために開発された。ここでは、日和見ヒト病原体S.アウレウスにおけるsRNA依存的調節ネットワークの特性評価に適し、他のグラム陽性菌、病原性であろうと確実にトランスポーズ可能な改変プロトコルについ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、「アジェンス・ナショナル・デ・ラ・レシェルシュ」(ANR、グラントANR-16-CE11-0007-01、RIBOSTAPH、およびANR-18-CE12-002-002-04、CoNoCo、PR)によってサポートされました。また、将来のプログラムへの投資の一環としてANRが管理する国家からの資金として、LabEx NetRNA ANR-10-LABX-0036およびANR-17-EURE-0023(PRへ)の枠組みの下で出版されています。DLは、マリー・スウォトフスカ・キュリー補助金第753137-SaRNARegの下で欧州連合のHorizon 2020研究・イノベーションプログラムによって支援されました。E.マッセラボでの作業は、カナダ保健研究所(CIHR)、カナダ自然科学工学研究評議会(NSERC)、国立衛生研究所NIHチームグラントR01 GM092830-06A1からの助成金を運営することによって支援されています。
Materials
| 1.5 mL microcentrifuge tube | Sarstedt | 72.690.001 | |
| 15 mL centrifuge tubes | Falcon | 352070 | |
| 2 mL microcentrifuge tube | Starstedt | 72.691 | |
| 2100 Bioanalyzer Instrument | Agilent | G2939BA | RNA quantity and quality |
| 250 mL culture flask | Dominique Dutscher | 2515074 | Bacterial cultures |
| 50 mL centrifuge tubes | Falcon | 352051 | Culture centrifugation |
| Absolute ethanol | VWR Chemicals | 20821.321 | RNA extraction and purification |
| Allegra X-12R Centrifuge | Beckman Coulter | Bacterial pelleting | |
| Ampicilin (amp) | Sigma-Aldrich | A9518-5G | Growth medium |
| Amylose resin | New England BioLabs | E8021S | MS2-affinity purification |
| Anti-dioxigenin AP Fab fragment | Sigma Aldrich | 11093274910 | Northern blot assays |
| Autoradiography cassette | ThermoFisher Scientific | 50-212-726 | Northern blot assays |
| BamHI | ThermoFisher Scientific | ER0051 | Plasmid construction |
| BHI (Brain Heart Infusion) Broth | Sigma-Aldrich | 53286 | Growth medium |
| Blocking reagent | Sigma Aldrich | 11096176001 | Northern blot assays |
| CDP-Star | Sigma Aldrich | 11759051001 | Northern blot assays (substrate) |
| Centrifuge 5415 R | Eppendorf | RNA extraction and purification | |
| Chloroform | Dominique Dutscher | 508320-CER | RNA extraction and purification |
| DIG-RNA labelling mix | Sigma-Aldrich | 11277073910 | Northern blot assays |
| DNase I | Roche | 4716728001 | DNase treatment |
| Erythromycin (ery) | Sigma-Aldrich | Fluka 45673 | Growth medium |
| FastPrep device | MP Biomedicals | 116004500 | Mechanical lysis |
| Guanidium Thiocyanate | Sigma-Aldrich | G9277-250G | Northern blot assays |
| Hybridization Hoven Hybrigene | Techne | FHB4DD | Northern blot assays |
| Hybridization tubes | Techne | FHB16 | Northern blot assays |
| Isoamyl alcohol | Fisher Scientific | A/6960/08 | RNA extraction and purification |
| LB (Lysogeny Broth) | Sigma-Aldrich | L3022 | Growth medium |
| Lysing Matrix B Bulk | MP Biomedicals | 6540-428 | Mechanical lysis |
| MicroPulser Electroporator | BioRad | 1652100 | Plasmid construction |
| Milli-Q water device | Millipore | Z00QSV0WW | Ultrapure water |
| NanoDrop spectrophotometer | ThermoFisher Scientific | RNA/DNA quantity and quality | |
| Nitrocellulose membrane | Dominique Dutsher | 10600002 | Northern blot assays |
| Phembact Neutre | PHEM Technologies | BAC03-5-11205 | Cleaning and decontamination |
| Phenol | Carl Roth | 38.2 | RNA extraction and purification |
| Phusion High-Fidelity DNA Polymerase | New England Biolabs | M0530 | Plasmid construction |
| pMBP-MS2 | Addgene | 65104 | MS2-MBP production |
| Poly-Prep chromatography column | BioRad | 7311550 | MS2-affinity purification |
| PstI | ThermoFisher Scientific | ER0615 | Plasmid construction |
| Qubit 3 Fluorometer | Invitrogen | 15387293 | RNA quantity |
| RNAPro Solution | MP Biomedicals | 6055050 | Mechanical lysis |
| ScriptSeq Complete Kit | Illumina | BB1224 | Preparation of cDNA librairies |
| Spectrophotometer Genesys 20 | ThermoFisher Scientific | 11972278 | Bacterial cultures |
| SpeedVac Savant vacuum device | ThermoFisher Scientific | DNA120 | RNA extraction and purification |
| Stratalinker UV Crosslinker 1800 | Stratagene | 400672 | Northern blot assays |
| T4 DNA ligase | ThermoFisher Scientific | EL0014 | Plasmid construction |
| TBE (Tris-Borate-EDTA) | Euromedex | ET020-C | Northern blot assays |
| ThermalCycler T100 | BioRad | 1861096 | Plasmid construction |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | P9416-100ML | Northern blot assays |
| X-ray film processor | hu.q | HQ-350XT | Northern blot assays |
| X-ray films Super RX-N | FujiFilm | 4741019318 | Northern blot assays |
References
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