Ce protocole illustre modifications essentielles de polyribosome fractionnement afin d'étudier la translatome de vivo échantillons dans le SNC. Il permet une évaluation globale de la régulation de la traduction et de la transcription par l'isolement et la comparaison de l'ARN total à ribosome fractions d'ARN liés.
Plusieurs processus sont impliqués dans l'expression du gène y compris la transcription, la traduction et la stabilité des ARNm et des protéines. Chacune de ces étapes sont strictement réglementées, affectant la dynamique finales de protéines abondance. Divers mécanismes réglementaires existent à l'étape de traduction, ce qui rend les taux d'ARNm seul un indicateur fiable de l'expression des gènes. En outre, la réglementation locale de la traduction des ARNm a été particulièrement impliquée dans les fonctions neuronales, décalage »translatomics» au centre de l'attention en neurobiologie. La méthode présentée peut être utilisée pour la transcriptomique de pont et de la protéomique.
Nous décrivons ici des modifications essentielles à la technique de fractionnement polyribosome, qui interroge le translatome basée sur l'association d'ARNm traduits activement à plusieurs ribosomes et leur sédimentation différentielle dans des gradients de sucrose. Traditionnellement, travailler avec des échantillons in vivo, en particulier de la central Système nerveux central (SNC), s'est avérée difficile en raison des montants limités de matériel et la présence de composants de tissus gras. Pour résoudre ce problème, le protocole décrit est spécifiquement optimisé pour une utilisation avec une quantité minimale de matière CNS, comme en témoigne l'utilisation de simple moelle épinière et le cerveau de souris. En bref, les tissus du système nerveux central sont extraites et ribosomes traduisant sont immobilisés sur des ARNm avec cycloheximide. Myéline flottation est ensuite effectuée pour éliminer les composants riches en lipides. Le fractionnement est effectué sur un gradient de saccharose où les ARNm sont séparés selon leur chargement ribosomique. Fractions isolées sont adaptés à une gamme d'essais en aval, y compris les nouvelles technologies d'analyse du génome entier.
L'expression génique est déterminée par l'action combinée de la transcription, la traduction et la stabilité de l'ARNm et des protéines, avec la traduction en gardant l'effet le plus prédominant 1. Il est maintenant évident que chacune de ces étapes est très réglementé. Micro-ARN, la formation de granules d'ARN alternatif, et la polyadénylation cytoplasmique quelques exemples de régulation post-transcriptionnelle de l'expression génique 2,3. Chacun de ces mécanismes découple la transcription de la traduction et influe sur le protéome dans le système biologique d'intérêt. Ainsi, sans surprise, seuls les niveaux d'ARNm sont une lecture imparfaite des niveaux de protéines 4. Protéomique quantitative fournit l'évaluation la plus directe de l'expression génique, mais malgré les progrès récents, il ya encore des limitations considérables sur la sensibilité et la résolution de la séquence de la protéine. Par conséquent, l'adressage translatome, le répertoire des ARNm traduire, offre un excellent compromis entre l'étude de latranscriptome et protéome. Il est plus précis que la transcriptomique en évaluer l'expression finale de gène, et fournit à la fois une couverture plus élevée et la résolution de la séquence de la protéomique.
Dans les systèmes de mammifères, la plupart des événements de la traduction commence par l'initiation de cap-dépendante. Un groupe de facteurs d'initiation eucaryote avec la petite sous-unité ribosomique 40S assembler à la coiffe 5 'd'un ARNm. Le complexe balaie ensuite l'ARNm et en atteignant le codon AUG, recrute la grande sous-unité ribosomique 60S pour former un ribosome 80S complets. Le produit de l'étape d'élongation avec le ribosome se déplaçant le long de l'ARNm, avec des facteurs d'élongation aider l'incorporation d'acides aminés à partir des ARNt chargés à la chaîne peptidique naissante. Ribosomes multiples peuvent passer le long d'un seul ARNm simultanément et le nombre de ribosomes associés a été démontré que la corrélation avec le taux de synthèse des protéines 5,6. Cela rend le chargement ribosomique une indication fiable pour translation et permet la séparation de la traduction des ARNm activement sur la base de la vitesse de sédimentation. En plus de la quantification de la traduction des ARNm, des informations de séquence peut être obtenue à identifier des motifs impliqués dans la régulation de la traduction. Aussi ARN des protéines de liaison et d'autres facteurs de traduction peuvent être isolés à partir de différentes fractions, ce qui facilite l'étude et à la découverte de protéines régulatrices associées.
Dans le système nerveux, le contrôle traductionnel a été liée à des processus tels que le stockage de l'ARNm, le transport et la synthèse des protéines local. cônes de croissance se sont avérés héberger un pool d'ARNm spécifique localisée distinctes du reste de l'axone 7. En outre, les axones possèdent la capacité de synthétiser localement des protéines 8,9. En conséquence, le contrôle local de la traduction est devenue un sujet crucial de l'étude en neurobiologie. Le potentiel de polyribosome fractionnement pour traiter cela a été illustré dans plusieurs études, dans lequel la technique a été utilisée pourexaminer le guidage axonal dans le développement de la moelle épinière, et a démontré la traduction dépendante de l'activité de BDNF dans le cerveau de 10,11.
Bien polyribosome fractionnement n'est pas une nouvelle technique, il demeure une question particulièrement difficile. Sur la base du matériau d'entrée, l'optimisation substantielle peut être nécessaire. Cela est particulièrement le cas pour les échantillons in vivo dans le SNC, où la quantité de matière est souvent une limitation et gras composants des tissus entravent l'isolement des ARNm de traduction. La plupart des protocoles de fractionnement publiés portent sur des levures ou des lignées de cellules de mammifères, et il existe des protocoles établis pour le cerveau 12,13,14. En revanche, il n'y a pratiquement plus de publications décrivant le fractionnement de la moelle épinière, et les protocoles précédents nécessitent la moelle épinière d'un grand nombre d'animaux à mettre en commun 15. Pour ces raisons, plusieurs modifications essentielles ont été apportées pour adapter le protocole de fractionnement pour les tissus du système nerveux central, y compris la simple moelle épinière de souris. Immobilisation ribosome avec cycloheximide est effectuée pendant la perfusion de l'animal pour éviter la dissociation des ribosomes During le long processus d'extraction de tissu. Par la suite, les ARN polysomique sont extraits d'une manière spécifique afin de maximiser le rendement en polyribosome. Tout d'abord, contrôlée homogénéisation du tissu par douncing, maintient le noyau intact et empêche la contamination de l'ADN. Le noyau est ensuite retiré de manière fiable par centrifugation. La combinaison de détergents NP-40 et le désoxycholate de sodium assure une lyse du réticulum endoplasmique et la libération de ses membranaires associées ribosomes. En outre, les composants absorbant les UV dans la myéline riche lipides masquent les profils de polyribosome. Myéline flottation est donc nécessaire, où les composés denses tels que polyribosomes sont culottées et composés plus légers tels que la myéline flotteur et 16 sont supprimés. Polyribosomes sont ensuite sédimentés sur un gradient de saccharose à 17,5% à 50%. Au lieu de la superposition et le gel manuellement chaque couche de saccharose, des gradients peuvent également être préparés en utilisant un mélangeur à gradient. Extraction d'ARN à partir de fractions à l'aide acide phénol / chloroforme permet DNA pour être enlevée avec un minimum de perte de l'ARN. Cependant, l'inversion de phase peut se produire à des fractions de saccharose denses (ci-dessus fraction 16).
Ce protocole offre des avantages sur les autres méthodes classiques qui traitent le niveau de la traduction. Par exemple, à la fois la mesure de phosphorylée S6 (un marqueur de traduction de premier plan) ainsi que l'étiquetage des chaînes naissantes avec des radio-isotopes fournissent des informations sur les niveaux de traduction mondiales mais révèlent peu sur ce qui est spécifiquement en cours de traduction. Polyribosome fractionnement, d'autre part, permet non seulement l'évaluation globale de la traduction, mais également de l'identité de traduction et les ARNm des protéines régulatrices associées. PCR quantitative en temps réel peut être réalisée sur des ARN isolés pour une lecture rapide de ARNm sélectionnés, et les microréseaux et le séquençage de prochaine génération ARN peut être réalisée pour des études larges de génome. Les optimisations présentées ici permettent la technique pour être utilisé avec des quantités minimes de tissus du système nerveux central, donc diminuement le nombre d'animaux nécessaires et améliorer la qualité expérimentale globale en réduisant le temps de traitement des tissus. D'autre part, cette technique ne peut pas distinguer les ribosomes au point mort de ceux traduction. Transcriptions portant ribosomes bloqués seront sédiments dans les fractions lourdes, et cela doit être gardé à l'esprit lors de l'interprétation des données.
Il existe des techniques récentes communiquées, à savoir RiboTaq et TRAP, dans laquelle les ribosomes sont étiquetés avec des étiquettes ou des journalistes épitopes respectivement d'une manière spécifique de type cellulaire et ARNm isolé par immunoprécipitation 17,18 associés. Cette technique peut être couplé à polyribosome fractionnement d'offrir une grande résolution lire des populations cellulaires spécifiques. Pied-impression ribosome est une autre technique nouvelle qui implique la digestion de nuclease pour générer des petits fragments, ou «traces», des ARNm qui sont protégées par les ribosomes. Les bibliothèques sont ensuite générés à partir de ces empreintes et séquencés. Cette méthode provIdes une analyse complète du génome spécifique de codon sur la traduction et est en mesure d'identifier les ribosomes bloqués, non-AUG codons et les petits amont cadres de lecture ouverts, qui ne peuvent être atteints par polyribosome fractionnement 19. Cependant, polyribosome fractionnement peut être couplé à un profilage ribosome pour l'isolement des fragments digérés contenant des ribosomes simples, enrichissant ainsi les espèces moléculaires nécessaires à la préparation de bibliothèque dans lequel la pureté élevée de l'échantillon est souvent nécessaire. Pris ensemble, polyribosome fractionnement est une méthode souple et durable avec la signification peut être couplé à diverses applications en aval, y compris des dosages génomiques telles que le séquençage de largeur de la prochaine génération.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par le Ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF), la biologie des systèmes de signalisation dans le cancer (Helmholtz Alliance sur la biologie des systèmes) et le Centre de recherche allemand contre le cancer (DKFZ).
Hank’s balanced salts solution | Gibco | 14170-138 | |
Tube, Thinwall, Polyallomer, 14 mL, 14 x 95mm | Beckman Coulter | 331374 | |
Diethylpyrocarbonate | Sigma | D5758 | caution |
Cycloheximide | Sigma | C7698 | danger |
Dithiothreitol | Sigma | 43815 | warning |
cOmplete Protease Inhibitor Cocktail Tablets | Roche | 11697498001 | |
Phenylmethanesulfonyl fluoride solution | Sigma | 93482 | danger |
RNasin Plus RNase Inhibitor | Promega | N2611 | |
Nonidet P-40 | Roche | 11332473001 | danger |
Sodium deoxycholate | Sigma | D6750 | warning |
Acid-Phenol:Chloroform, pH 4.5 (with IAA, 125:24:1) | Ambion | AM9722 | danger |
GlycoBlue | Invitrogen | AM9516 | |
Equipment | |||
Dounce Tissue Grinder, 1mL/7ml | Wheaton | 357538/357542 | |
Nanodrop 2000 | Thermo Scientific | ||
SW 40 Ti Rotor, Swinging Bucket, Titanium, 6 x 14 mL, 40,000 rpm, 285,000 x g | Beckman Coulter | 331302 | |
Density Gradient Fractionator | Teledyne Isco | ||
2100 Bioanalyzer | Agilent Technologies |