Questo protocollo illustra le modifiche essenziali della polyribosome frazionamento, al fine di studiare la translatome di vivo campioni SNC in. Permette valutazione globale della regolamentazione traduzione e trascrizione attraverso l'isolamento e il confronto di RNA totale di ribosoma frazioni di RNA legati.
Più processi sono coinvolti nell'espressione genica tra cui trascrizione, traduzione e stabilità di mRNA e proteine. Ognuno di questi passaggi sono strettamente regolati, influenzando le dinamiche finali di proteine abbondanza. Esistono vari meccanismi di regolazione nella fase di traduzione, rendendo livelli di mRNA solo un indice affidabile della espressione genica. Inoltre, la regolazione locale della traduzione dell'mRNA è stata particolarmente coinvolta nelle funzioni neuronali, spostando «translatomics 'al centro dell'attenzione in neurobiologia. Il metodo proposto consente di trascrittomica ponte e proteomica.
Qui descriviamo modifiche essenziali alla tecnica di polyribosome frazionamento, che interroga il translatome basato sull'associazione di mRNA tradotte attivamente a più ribosomi e la loro sedimentazione differenziale gradienti di saccarosio. Tradizionalmente, lavorando con campioni in vivo, in particolare del central sistema nervoso (CNS), si è dimostrato impegnativo a causa della quantità limitate di materiale e la presenza di componenti di tessuto adiposo. Per risolvere questo problema, il protocollo descritto è specificamente ottimizzato per l'uso con minima quantità di materiale CNS, come dimostra l'uso di singolo mouse midollo spinale e cervello. In breve, i tessuti del sistema nervoso centrale vengono estratte e ribosomi traduzione sono immobilizzati su mRNA con cycloheximide. Mielina flottazione viene poi eseguita per rimuovere ricchi componenti lipidici. Frazionamento viene eseguita su un gradiente di saccarosio, laddove mRNA sono separati in base alla loro ribosomiale carico. Isolato frazioni sono adatti per una vasta gamma di test a valle, comprese le nuove tecnologie di analisi del genoma di larghezza.
L'espressione genica è determinata dall'azione combinata di trascrizione, traduzione e stabilità di mRNA e proteine, con traduzione recanti l'effetto più predominante 1. E 'ormai evidente che ognuno di questi passi è altamente regolamentato. Micro-RNA, formazione di granuli di RNA, alternativa e poliadenilazione citoplasmatica alcuni esempi di regolazione post-trascrizionale dell'espressione genica 2,3. Ciascuno di questi meccanismi disaccoppia trascrizione da traduzione e influenza il proteoma nel sistema biologico di interesse. Così, ovviamente, i livelli di mRNA da soli sono una lettura imperfetta dei livelli della proteina 4. Proteomica quantitativa fornisce la valutazione più diretta dell'espressione genica, ma nonostante i recenti progressi, vi sono ancora notevoli limitazioni sulla sensibilità e risoluzione sequenza proteica. Affrontando quindi il translatome, il repertorio di mRNA traduzione, offre un ottimo compromesso tra lo studio dellatrascrittoma e proteoma. E 'più preciso di trascrittomica nella valutazione dell'espressione genica finale, e fornisce sia una maggiore copertura e una risoluzione sequenza di proteomica.
Nei mammiferi, la maggior parte degli eventi di traduzione inizia con apertura cap-dipendente. Un gruppo di fattori di inizio eucariotiche insieme alla subunità ribosomiale 40S piccola assemblare al tappo 5 'di un mRNA. Il complesso poi esegue la scansione del mRNA e al raggiungimento del codone di inizio agosto, recluta la subunità ribosomiale 60S grande per formare un completo 80S dei ribosomi. Il ricavato della fase di allungamento con il ribosoma si muove lungo l'mRNA, con fattori di allungamento assistere l'incorporazione di aminoacidi da tRNA caricati alla catena peptidica nascente. Diverse ribosomi possono procedere lungo un singolo mRNA simultaneamente e il numero di ribosomi associato è stato dimostrato essere correlato con il tasso di sintesi proteica 5,6. Questo rende ribosomiale carico un'indicazione affidabile per translation e permette la separazione di tradurre attivamente mRNA basato su tasso di sedimentazione. Oltre alla quantificazione di tradurre mRNA, informazioni di sequenza può essere ottenuta per identificare motivi coinvolti nella regolazione traduzione. RNA anche proteine leganti ed altri fattori di traduzione possono essere isolati da differenti frazioni, facilitando lo studio e la scoperta di proteine regolatrici correlate.
Nel sistema nervoso, controllo traduzionale è stato collegato a processi quali mRNA stoccaggio, trasporto e sintesi proteica locale. Coni di crescita hanno dimostrato di ospitare una determinata piscina localizzata di mRNA distinte dal resto dell'assone 7. Inoltre, assoni possiedono la capacità di sintetizzare localmente proteine 8,9. Come risultato, il controllo locale della traduzione è diventato un tema cruciale di studio in neurobiologia. Il potenziale di polyribosome frazionamento per affrontare questo è stato illustrato in diversi studi, in cui la tecnica è stata utilizzata perindagare guida degli assoni nello sviluppo del midollo spinale, e dimostrato la definizione attività-dipendente di BDNF nel cervello 10,11.
Sebbene polyribosome frazionamento non è una tecnica innovativa, rimane particolarmente impegnativo. Sulla base del materiale in ingresso, sostanziale ottimizzazione può essere necessario. Questo è soprattutto il caso di campioni in vivo del sistema nervoso centrale, in cui la quantità di materiale è spesso un limite e grassi componenti del tessuto ostacolano l'isolamento di mRNA traduzione. Protocolli di frazionamento maggior parte pubblicati trattano lievito o linee cellulari di mammifero, e ci sono protocolli stabiliti per il cervello 12,13,14. Al contrario, ci sono a malapena eventuali pubblicazioni che descrivono frazionamento del midollo spinale, e precedenti protocolli richiedono midollo spinale da un gran numero di animali da pool 15. Per queste ragioni, sono state apportate diverse modifiche necessarie per adattare il protocollo di frazionamento per tessuti SNC, inclusa singolo mouse midollo spinale. Immobilizzazione ribosoma con cycloheximide viene eseguita durante la perfusione degli animali al fine di evitare la dissociazione dei ribosomi During il lungo processo di estrazione del tessuto. Successivamente, RNA polisomi vengono estratti in modo specifico per massimizzare la resa polyribosome. Primo, controllata omogeneizzazione del tessuto da douncing, mantiene il nucleo intatto e previene la contaminazione del DNA. Il nucleo viene quindi rimosso in modo affidabile mediante centrifugazione. La combinazione dei detergenti NP-40 e sodio desossicolato assicura lisi del reticolo endoplasmatico e rilascio dei suoi ribosomi membrana associata. Inoltre, i componenti di assorbimento UV all'interno del ricco mielina lipidi oscurano i profili polyribosome. La mielina flottazione è quindi necessario, dove i composti densi come poliribosomi sono pellet e composti leggeri, come mielina galleggiante e vengono rimossi 16. Poliribosomi vengono sedimentate su un gradiente di saccarosio 17,5% al 50%. Invece di stratificazione manualmente e congela ogni strato saccarosio, gradienti possono anche essere preparati utilizzando un mixer gradiente. Estrazione di RNA da frazioni utilizzando acido fenolo / cloroformio permette DNA essere rimosso con una minima perdita di RNA. Tuttavia, inversione di fase può verificarsi in frazioni di saccarosio dense (sopra frazione 16).
Questo protocollo fornisce vantaggi rispetto ad altri metodi convenzionali che affrontano il livello di traduzione. Ad esempio, sia la misura di S6 fosforilata (un marcatore traduzione prominente) e etichettatura di catene nascenti con radioisotopi forniscono informazioni sui livelli di traduzione globali ma rivelano poco su quale importo viene tradotto. Polyribosome frazionamento, invece, permette non solo la valutazione della traduzione globale, ma anche l'identità di mRNA traduzione e le relative proteine regolatrici. Real time PCR può essere eseguita su RNA isolato per una rapida lettura su mRNA selezionate e microarray e sequenziamento di prossima generazione RNA può essere eseguita per studi genome wide. Le ottimizzazioni qui presentati permettono la tecnica per essere utilizzato con minime quantità di tessuto cerebrale, quindi diminuiscezione il numero di animali necessari e migliorare la qualità sperimentale complessivo riducendo il tempo di lavorazione del tessuto. D'altra parte, questa tecnica non può distinguere ribosomi in stallo da quelle traduzione. Trascrizioni che trasportano ribosomi stallo si sedimenta in frazioni pesanti, e questo dovrebbe essere tenuto presente quando si interpretano i dati.
Ci sono recenti tecniche riportate, vale a dire RiboTaq e TRAP, in cui ribosomi sono etichettati con tag o giornalisti epitopi rispettivamente in modo specifico tipo di cellula e mRNA isolati mediante immunoprecipitazione 17,18 associati. Questa tecnica può essere accoppiato a polyribosome frazionamento di offrire alta risoluzione leggere per specifiche popolazioni cellulari. Ribosoma piede-stampa è un'altra tecnica innovativa che coinvolge nucleasi digestione per generare piccoli frammenti, o "impronte", di mRNA che sono protetti dai ribosomi. Le biblioteche sono poi generati da queste impronte e sequenziati. Questo metodo provIDES tutta l'analisi del genoma specifico codone sulla traduzione ed è in grado di identificare i ribosomi fase di stallo, non-agosto avviare codoni e piccoli a monte di lettura aperta, che non possono essere raggiunti da polyribosome frazionamento 19. Tuttavia, polyribosome frazionamento può essere accoppiato a profilatura ribosoma per l'isolamento di frammenti digeriti contenenti singoli ribosomi, arricchendo così le specie molecolari necessari per la preparazione raccolta in cui è spesso richiesta un'elevata purezza del campione. Presi insieme, polyribosome frazionamento è un metodo flessibile con importanza durevole e può essere accoppiato a varie applicazioni a valle, compresi ampi saggi genoma come sequenziamento di prossima generazione.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto dal ministero federale tedesco dell'Istruzione e della ricerca (BMBF), la Systems Biology di segnalazione in Cancro (Helmholtz Alliance on Systems Biology) e il tedesco Cancer Research Center (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 |