Tandem splicing events occur at sites less than 12 nucleotides apart. Quantifying ratios of such splice variants is feasible using an absolute quantitative PCR approach. This manuscript describes how splice variants of the gene STAT3, in which two splicing events results in Serine-701 inclusion/exclusion and α/β C-termini, can be quantified.
Human signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) is one of many genes containing a tandem splicing site. Alternative donor splice sites 3 nucleotides apart result in either the inclusion (S) or exclusion (ΔS) of a single residue, Serine-701. Further downstream, splicing at a pair of alternative acceptor splice sites result in transcripts encoding either the 55 terminal residues of the transactivation domain (α) or a truncated transactivation domain with 7 unique residues (β). As outlined in this manuscript, measuring the proportions of STAT3‘s four spliced transcripts (Sα, Sβ, ΔSα and ΔSβ) was possible using absolute qPCR (quantitative polymerase chain reaction). The protocol therefore distinguishes and measures highly similar splice variants. Absolute qPCR makes use of calibrator plasmids and thus specificity of detection is not compromised for the sake of efficiency. The protocol necessitates primer validation and optimization of cycling parameters. A combination of absolute qPCR and efficiency-dependent relative qPCR of total STAT3 transcripts allowed a description of the fluctuations of STAT3 splice variants’ levels in eosinophils treated with cytokines. The protocol also provided evidence of a co-splicing interdependence between the two STAT3 splicing events. The strategy based on a combination of the two qPCR techniques should be readily adaptable to investigation of co-splicing at other tandem splicing sites.
Short-Range (Tandem) alternatives Spleißen, wo alternative Akzeptor oder Spenderstellen in unmittelbarer Nähe zueinander sind, ist häufig bei Säugetieren 1, wirbellose Tiere und Pflanzen 2 3. Es wird geschätzt , dass 20% der Säugetiergenen enthalten alternativen Spleißstellen 2-12 Nucleotide auseinander 4. Viele dieser Seiten sind drei Nukleotide voneinander entfernt und in Ein- oder Ausschluss eines einzelnen Codon führen. Es ist über die Natur der Splicing Regulierung an diesen Stellen 5,6 mit etwas Argumentieren Debatte , dass die Splicing – Motiv Unterschiede so subtil sind , dass die Auswahl stochastischen 7 ist, während andere Regelung ableiten basierend auf Gewebespezifität 8.
Tandem Spleißstellenauswahl wurde semi-quantitativ analysiert unter Verwendung modifizierter Kapillarelektrophorese 7 und hochauflösende Gelelektrophorese 8. RNA-Seq (RNA-Sequenzierung) liest, kann verwendet werden, um die Spleiß-Verhältnisse an jeder Spleiß zu quantifizierenStandort. Auf diese Weise RNA-Seq Daten 9 Einblick in die Regulation der Tandem – Spleißstellen vorgesehen. Es wurde auch Vorhersage der erwarteten Splice – Variante Verhältnisse basierend auf Nukleotid Motiv 10 aktiviert. Die meisten der Schwerpunkt auf Spleißen, die ein- bzw. ausschließt ein einziges Codon auf den häufiger vorkommenden Tandem-Akzeptor-Spleißstellen wurde, bekannt als NAGNAGs (wobei N ein beliebiges Nukleotid =).
Tandem Spender alternative Spleißstellen mit oder ohne ein einziges Codon (GYNGYN Erkennungsmotiv, wobei Y = Pyrimidin) sind weniger häufig als Tandem in Betracht. Signalgeber und Aktivator der Transkription 3 (STAT3) ist ein Schlüssel – Gen unterziehen Tandem Spender alternatives Spleißen 1,11. Die Tandem – Donor – Spleißstellen verbinden Exons 21 und 22 und in der Aufnahme oder Ausschluss des Codons für Serine-701 (S oder & Delta; S jeweils) 1,11 führen. Downstream alternative Akzeptorstellen (40 Nukleotiden voneinander) Verbinden Exons 22 und23a / b Ergebnis bei der Aufnahme entweder der 55 terminalen Reste der Transaktivierungsdomäne (α) oder einer verkürzten Transaktivierungsdomäne mit 7 einzigartigen C-terminalen Reste (β) 11. Daher sind vier Spleißvarianten möglich.
STAT3 – Protein ist ein Transkriptionsfaktor und Großsignalintegrator in zahlreichen Zelltypen 12 und wenn sie mutiert seine konstitutive Aktivierung trägt zu mehreren Krebs Phänotypen ( beschrieben in Referenz 13). Job-Syndrom, eine Störung , Immundefizienz durch hohe IgE gekennzeichnet auch durch Mutationen in STAT3 verursacht wird ( beschrieben in Referenz 14). Distinct Rollen für STAT3 α und β – Spleißvariante Proteine wurden zuvor beschrieben 15. Zunächst wurde STAT3 β dachte in einer dominant-negative Art und Weise 16 zu handeln, STAT3 α der Transkriptionsaktivität antagonisieren, aber nachfolgende Arbeit vorgeschlagen es 17 unabhängige Zielgene hat </sup>. Trotz der Subtilität von Tandem Spleißen, gibt es Grund der Abwesenheit oder Anwesenheit von Serine-701 (Ser701) Einflüsse Funktion zu glauben. Nicht nur ist Ser701 in der Nähe von Tyrosin-705 (der Rückstand in STAT3 – Aktivierung 18 phosphoryliert), aber eine aktuelle Studie legt nahe , dass STAT3 S und & Delta; S Splice – Varianten erforderlich sind , sowohl für die Lebensfähigkeit von STAT3-süchtig Diffuse Large B – Zell – Lymphom (DLBLCL) Zellen 19. Die biologische Relevanz bleibt, erkundet zu werden. Da die Spleißvariante Zusammensetzung Funktion beeinflussen können, haben wir versucht, um herauszufinden, ob das Verhältnis von Zytokinstimulation in Eosinophilen gestört wurde.
Wir haben versucht , anfänglich unter Verwendung von PCR spezifisch für STAT3 α und β Spleißvarianten, gefolgt von Spaltung der Produkte mit einem Restriktionsenzym spezifisch für die S – Spleißvarianten, AFEI die Verbindung zwischen den beiden Spleißereignisse zu erkunden. Densitometrie der Erzeugnisse muss angegeben Aufnahme von Ser701 war rbeide STAT3 in α und β oughly zehnmal häufiger als seine Auslassung (& Delta; S) (Daten nicht gezeigt). Allerdings ist diese semi-quantitative Ansatz war nicht ausreichend reproduzierbar und nicht effektiv genutzt werden könnten alle vier Splice-Varianten gleichzeitig zu messen. Zu Anteilen von jeder der vier Spleißvarianten zu analysieren, war es notwendig, eine quantitative PCR (qPCR) Protokoll zu schaffen, die tight technischen (mehrere Assays einer gegebenen Probe) ergab repliziert.
Relative qPCR beruht auf dem Vergleich eines Gens von Interesse zu einem Standard oder Housekeeping – Gen bekannt bis 20 auf einer bestimmten Ebene ausgedrückt werden und ist geeignet , wenn das Gen von Interesse und Housekeeping – Gen mit ähnlicher Effizienz verstärkt werden. Eine doppelsträngige (ds) DNA-bindenden Fluoreszenz (Cyanin) Farbstoff bindet an PCR – Amplikons 21, und nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen, ausreichende Verstärkung hat Fluoreszenz detektierbar auftrat. Je höher das Ausgangsniveaudes Transkripts, Wert je niedriger die Schwellenzyklus (Ct). Da die Konzentration der cDNA – Präparate unterscheidet, muss man das Transkript der Konzentration mit der Konzentration eines Transkripts auf ein einheitliches Niveau in allen Proben zu exprimierenden bekannt zu vergleichen, wie Glucuronidase-β (GUSB) in Eosinophilen 22.
Relative qPCR ist nicht möglich für sehr ähnliche Sequenzen, wie in Spleißvarianten gesehen aus tandem Spleißen. Die strengen Bedingungen erforderlich, um speziell die Splice-Varianten verstärken führen zu einer verminderten Leistungsfähigkeit. Stattdessen muss eine absolute Quantifizierung 23 verwendet werden. Dies führt zu einer Standardkurve mit bekannten Konzentrationen des gespleißten Transkript von Interesse Vorbereitung und Sicherstellung PCR – Bedingungen zu optimieren Spezifität 24. Wie beschrieben, absolute und relative qPCR-Daten für ein bestimmtes Gen kann Verständnis des Gens, das die Expression in einem bestimmten Zelltyp zu informieren, zusammengeführt werden, indieser Fall STAT3 in verschiedentlich angeregt Eosinophilen 25.
Hierin wird STAT3 Spleißvariante Quantifizierung mit der Erwartung , beschrieben , dass das Verfahren zur gezielten Studien anderer tandem Spleißereignisse angepasst werden kann. Optimierung war ein langwieriger Prozess, wo mehrere Primerpaare in verschiedenen Konzentrationen und zahlreiche Iterationen der Zyklusparameter wurden im Verlauf von einigen Monaten getestet. Die wichtigsten Merkmale des Protokolls sind die Primer-Spezifität Validierung und Quantifizierung auf Basis von Standardkurven mit bekannten Konzentrationen der Splice-Varianten. Relative qPCR in Verbindung erwies sich als hilfreich für unsere Anwendung ist aber nicht notwendig.
Wir entwickelten dieses Protokoll, um die Höhe und die Anteile von STAT3 Spleißvariante Transkripte in Eosinophilen und Lymphomzellen und erfahren, ob Zytokinstimulation die Ebenen und Proportionen betroffen zu beurteilen. STAT3 ist von besonderem Interesse wegen seiner pleiotropen und unsicheren Funktionalität mit widersprüchliche Berichte darüber , ob es als ein Onkoprotein oder Tumorsuppressor in Krebs ( beschrieben in Referenz 33). Unterschiede in STAT3 α und β Spleißvariante Funktion zuvor 34,35 und unser Protokoll erleichtert ein Knock-down / re-expression Analyse charakterisiert worden , daß ein Bedarf für ein optimales Verhältnis von S und & Dgr; S Transkripte 19 schlägt.
Eine genaue Quantifizierung der unterschiedlichen Splice-Varianten erleichtern weitere Untersuchungen im Zusammenhang heterogenen STAT3 Funktionsvariante Zusammensetzung Spleiß. Das Protokoll integriert absolute und relative qPCR-Daten, die Fähigkeit ab Kombinationsolute qPCR Spleißvariante Proportionen und die relative qPCR zu messen Veränderungen in der Gesamt STAT3 Ausdruck zu berechnen. Dieser Ansatz ermöglicht eine feine Unterschiede in der Sequenz zu unterscheiden und gleichzeitig Splicing-Verhältnisse bei zwei alternativen Spleißstellen mehr als 50 Nukleotide auseinander zu messen. Die Bestimmung der Verhältnisse der Splicingereignisse hätte einzeln nicht die bemerkenswerte Befund ergab , dass ein Co-Splicing – Bias existiert , so dass ΔSβ Spiegel höher als erwartet , wenn Verwendungen der beiden Standorte werden 25 zufällig gespleißt.
Entscheidend ist, absolute qPCR mit der Verwendung von Plasmid-Eichkurven wird eine Quantifizierung (bei suboptimaler Wirkungsgrad) von splice Variationen, die in sehr ähnlicher Sequenzen führen. Wir erwarten eine neuartige subtile Spleißen qPCR-Assay sollte etwa zwei Monate in Anspruch nehmen zu optimieren. Die wichtigsten Schritte in der Assay – Entwicklung sind die Schaffung von STAT3 Plasmide bei der Erzeugung von Standardkurven für absolute qPCR verwendet; versuchsweiseBestimmung der optimalen Primersequenzen und Zyklierungsparameter Spezifität und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten; und die Integration der relativen qPCR-Daten, die von der Quantifizierung pan-STAT3-Expression im Vergleich zu GAPDH Ausdruck. Die Korrelation der Kopienzahl quantifiziert durch STAT3 gegen kumulative Quantifizierung Pan- (Sα + ΔSα + Sβ + ΔSβ) zeigt , dass das Protokoll zuverlässige Ergebnisse liefert.
Eine Einschränkung der Technik ist die umfassende Validierungsprozess. Es ist notwendig, Intra-Assay-Variabilität (Wiederholbarkeit), Intervariabilität (Reproduzierbarkeit) und Spezifität zu beurteilen. Das Protokoll zeigt Wege numerische Ausgänge für diese Parameter zu erhalten. Wir gelten als Wirkungsgrad ≥75%, Spezifität Faktor ≥4, Variationskoeffizient (Reproduzierbarkeit) ≤10% und Ct Standardabweichung (Wiederholbarkeit) ≤0.2 als geeignete Schwellenwerte 30. Mutationen oder Deletionen in den STAT3-Sequenz Aminosäuren 1-690 nicht discove seinrot durch dieses Protokoll, obwohl sie Splicing Verhältnisse beeinflussen können. Transcript Anteile möglicherweise nicht proportional sein 36 Proportionen proteoform.
Da Proben beginnen Mengen an Gesamt-cDNA, absolute qPCR unterschiedliche haben, ist geeignet zum Vergleich Vergleich Kopienzahlen von Splice-Varianten in einer Probe, aber nicht für die Zwischen Probe gekoppelt, es sei denn mit relativ qPCR ein etabliertes Housekeeping-Gen verwendet wird. Das beschriebene Verfahren Konform MIQE qPCR Richtlinien für die Reproduzierbarkeit 30. PCR Zyklusparameter und Primerkonzentrationen müssen möglicherweise geändert werden, reproduzierbare Daten zu erhalten, wenn andere Geräte verwendet wird. Perfekte Spezifität ohne drastisch beeinträchtigen die Effizienz nicht möglich, aber das Ziel amplifiziert effizienter um mehr als vier Grßenordnungen.
Lineare DNA ist leichter als Kreis verstärkt. Wenn ein alternatives Plasmid nicht zufriedenstellend Kurven Standard stellt (R 2 <; 0,95), betrachten die Plasmid durch Single-Site-Beschränkung Quantifizierung vor Linearisieren. QPCR Optimierung ist von entscheidender Bedeutung für den Erhalt der Daten von guter Qualität (Abbildung 1). Die meisten qPCR-Protokolle basieren auf zweistufigen Radfahren und Maschinen entsprechend optimiert. Ungleichmäßige Erwärmung des Heizblocks kann in dreistufiger cycling verschlimmert werden, zu einer schlechten Reproduzierbarkeit bei. Die Tests müssen eingerichtet werden unter sterilen Bedingungen mit Filter Pipettenspitzen und Reinstwasser, idealerweise in einem speziellen Laminarströmungsabzug. Da Verunreinigungen zu inkonsistenten Ergebnissen führen können, sollten Tests bis unter sterilen Bedingungen mit Filter Pipettenspitzen und Reinstwasser, idealerweise in einem speziellen Laminarströmungsabzug eingestellt werden. Weitere Informationen über die qPCR – Optimierung finden Sie in Bustin et al. 32
STAT3 Quantifizieren kann in einer Reihe von Zusammenhängen zu mehr Einsicht führen. STAT3 automatisch regelt seine eigenen Ausdruck 37, und die oben beschriebenen Protokoll kann helfenzu klären , ob Verhältnisse von STAT3 Splice – Varianten dazu beitragen , dieses positive Feedback – Schleife zu regulieren. Das Protokoll könnte verwendet werden , Verschiebungen in Spleißvariante Verhältnisse zu untersuchen , wie in Zellen bei unterschiedlichen Dichten 38 oder im Laufe der Entwicklung zu beobachten: es ist bekannt , dass die STAT3 α / β Verhältnis ändert auf der Proteinebene während der Hämatopoese 16. Sundin et al. festgestellt , dass ein Intron single nucleotide polymorphism voreingenommen Spleißen von Exon 12 in STAT3 eines Patienten mit Job-Syndrom 39. Es ist denkbar, dass einer der vielen SNPs, die in den Introns zwischen Exon 21 und 22 oder Exons 22 und 23 können jeweils mit Splicing-Verhältnisse von & Dgr; S / S und α / β beitragen. Der Test könnte dazu verwendet werden , um STAT3 – Transkripte in Krebszellen zu quantifizieren, wo Mutationen oder Veränderungen der Splicing Regulierung Vorspannung an den Splicing 40 einführen kann. Mutationen in Spleißfaktoren (wie SF3B1), wie observed in myelodysplastischen Syndromen 41 kann auch zu Veränderungen führen, die von diesem Protokoll gemessen werden kann.
Allgemeiner gesagt, erkennt dieser Ansatz speziell Co-Verband in Spleißen, die mit herkömmlichen RNA-Seq, noch Standard-qPCR nicht möglich ist. Während das Phänomen der sich gegenseitig ausschließe Exon Spleißen Koordination von Spleißen Entscheidungen zeigt, hat sich die Co-Assoziation von anderen Splicingereignisse nicht gut recherchiert. Eine kürzlich beschriebene alternative Verfahren, bei dem RNA-Seq modifiziert wurde , um Volllängen – cDNA zu befragen, schlägt entfernten Spleißereignisse mehr co abhängig sind als bisher 42 gedacht.
STAT3 enthält eine Spleißstelle Spender Tandem. Acceptor Tandem – Spleißstellen sind häufiger 43 und die Prinzipien der skizzierten Protokoll als Ausgangspunkt für die Entwicklung von Assays für die Koinzidenzdetektion von NAGNAG Spleißen und andere Splicingereignisse innerhalb von 200 Nukleotiden dienen könnte. Andere potenliche Anwendungen umfassen die Quantifizierung von Koinzidenz von anderen subtilen Sequenzunterschiede, wie indels oder Doppel / Dreifach – Nukleotid – Polymorphismen 44.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren möchten die National Institutes of Health-NHLBI für das Programm Projektstipendium über die Rolle der Eosinophilen in Atemwegsentzündung und Remodeling zu bestätigen: P01HL088584 (PI: N. Jarjour) und der University of Wisconsin Carbone Cancer Center und Department of Medicine für intra-Finanzierung. Wir danken Douglas Annis für die vier STAT3 Varianten klonen.
MJ Research PTC-200 Thermal Cycler | GMI | N/A | Used for standard PCR |
7500 Real-Time PCR System | Applied Biosystems | N/A | qPCR machine |
GS-6R | Beckman Coulter | N/A | centrifuge for 96-well plates |
Nanodrop 2000 sprectrophotometer | ThermoFisher Scientific | N/A | |
RPMI-1640 medium | Sigma Aldrich | R8758 | cell culture medium |
PfuTurbo DNA Polymerase | Agilent Technologies | 600410 | DNA polymerase for standard PCR |
KpnI | New England Biosciences | R0142S | |
NheI | New England Biosciences | R0131S | |
SYBR Green PCR Master Mix | Qiagen | 330523 | qPCR, DNA polymerase/dsDNA-binding dye mix |
Rneasy Mini Kit | Qiagen | 74204 | RNA extraction kit |
SuperScript III First-Strand Synthesis System | Invitrogen (ThermoFisher Scientific) | 18080-044 | cDNA synthesis kit |
Primers | Integrated DNA Technology | N/A | |
NEBuffer 1.1 | New England Biosciences | B7201S | |
GenePure LE Agarose | ISC BioExpress | E-3120-500 | component of TAE gel |
Pipettors | Major lab suppliers (MLS) | N/A | |
Filter pipette tips | Neptune Scientific | BT10XL, BT20, BT200 | |
EU One Piece Thin Wall Plate | MidSci | ABI7501 | |
ThermalSeal A Sealing Film | MidSci | TSA-100 | 96 well plate seal |
pET-Elmer (variant of pET-28a) | Novagen; modified in Mosher lab | N/A | Details in PMID: 20947497 |
Wizard Plus SV Minipreps DNA purification system | Promega | A1460 | Plasmid purification |
BigDye Terminator v3.1 Cycle Sequencing Kit | ThermoFisher Scientific | 4337455 | Sequencing kit |
QIAEX II Gel Extraction kit | Qiagen | 20021 | Amplicon purification |
DH5α competent cells | ThermoFisher Scientific | 18265-017 | available from several providers, see PMID: 2162051 |
kanamycin | Research Products International Corp. | K22000-5.0 | |
Tris base | ThermoFisher Scientific | BP152-5 | component of TAE buffer |
Acetic acid, glacial | ThermoFisher Scientific | A38C-212 | component of TAE buffer |
EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid) | Sigma Chemical Company (Sigma Aldrich) | E-5134 | component of TAE buffer |
Bacto Tryptone | BD Biosciences | 211705 | component of Luria Broth |
Bacto Yeast extract, technical | BD Biosciences | 288620 | component of Luria Broth |
Sodium chloride | ThermoFisher Scientific | S271-10 | component of Luria Broth |
Sodium hydroxide | ThermoFisher Scientific | SS255-1 | component of Luria Broth |
Bacto Agar | BD Biosciences | 214010 | component of Luria Broth plate |
Lasergene SeqBuilder | DNASTAR | Figure 1 generated using Lasergene SeqBuilder software version 12.2.0 (DNASTAR) |