Este protocolo ilustra modificaciones esenciales de fraccionamiento polyribosome con el fin de estudiar la translatome in vivo de muestras del SNC. Permite la evaluación global de la traducción y transcripción de regulación a través del aislamiento y la comparación de ARN total a ribosoma ARN fracciones unidas.
Varios procesos están implicados en la expresión génica, incluyendo la transcripción, la traducción y la estabilidad de los ARNm y proteínas. Cada uno de estos pasos están fuertemente regulados, lo que afecta la dinámica finales de la abundancia de proteínas. Existen diversos mecanismos de regulación en el paso de traducción, lo que hace los niveles de mRNA solo un indicador fiable de la expresión génica. Además, la regulación local de la traducción del ARNm se ha visto especialmente implicado en las funciones neuronales, cambiando 'translatomics' para el centro de atención en la neurobiología. El método presentado puede utilizarse para transcriptómica puente y la proteómica.
Aquí se describe modificaciones esenciales a la técnica de fraccionamiento polyribosome, que interroga la translatome basado en la asociación de mRNAs traducidos activamente a múltiples ribosomas y su sedimentación diferencial en gradientes de sacarosa. Tradicionalmente, se trabaja con muestras in vivo, en particular de la Central sistema nervioso (CNS), ha demostrado ser un desafío debido a las cantidades limitadas de material y la presencia de los componentes del tejido graso. Para hacer frente a esto, el protocolo descrito se ha optimizado específicamente para su uso con la cantidad mínima de material del SNC, como se demuestra por el uso de ratón única de la médula espinal y el cerebro. Brevemente, los tejidos del SNC se extraen y la traducción de los ribosomas se inmovilizan en los ARNm con cicloheximida. A continuación se realiza la flotación mielina para eliminar los componentes ricas en lípidos. El fraccionamiento se realiza en un gradiente de sacarosa en donde los ARNm se separan de acuerdo con su carga ribosómico. Fracciones aisladas son adecuados para una amplia gama de ensayos de aguas abajo, incluyendo las nuevas tecnologías de ensayo del genoma de ancho.
La expresión génica se determina por la acción combinada de la transcripción, la traducción y la estabilidad de ARNm y proteínas, con la traducción teniendo el efecto más predominante 1. Ahora es evidente que cada uno de estos pasos es altamente regulado. Micro-RNAs, formación de gránulos de ARN, alternativa y poliadenilación citoplasmática son algunos ejemplos de la regulación post-transcripcional de la expresión génica 2,3. Cada uno de estos mecanismos desacopla la transcripción de la traducción e influye en el proteoma en el sistema biológico de interés. Por lo tanto, como era de esperar, los niveles de ARNm solos son una lectura imperfecta de los niveles de proteína 4. Proteómica cuantitativa proporciona la evaluación más directa de la expresión de genes, sin embargo a pesar de los avances recientes, aún existen limitaciones considerables en la sensibilidad y la resolución de proteínas secuencia. Por lo tanto frente a la translatome, el repertorio de los ARNm traducción, ofrece un excelente compromiso entre el estudio de latranscriptoma y el proteoma. Es más preciso que transcriptómica en la evaluación de la expresión génica final, y proporciona tanto una mayor cobertura y la resolución de la secuencia de la proteómica.
En los sistemas de mamíferos, la mayoría de los eventos a través de la iniciación de traducción comienza cap-dependiente. Un grupo de factores de iniciación eucarióticos junto con el 40S subunidad pequeña ribosomal montar en la tapa 5 'de un ARNm. El complejo luego escanea el ARNm y al llegar al codón de inicio AUG, recluta del 60S subunidad ribosomal grande para formar un completo 80S ribosoma. La etapa de elongación procede con el ribosoma se mueve a lo largo del ARNm, con factores de elongación ayudar a la incorporación de aminoácidos de ARNt cargados a la cadena de péptido naciente. Múltiples ribosomas pueden proceder a lo largo de un único ARNm simultáneamente y el número de ribosomas asociados se ha demostrado que se correlaciona con la tasa de síntesis de proteínas 5,6. Esto hace ribosomal carga una indicación fiable para translation y permite la separación de la traducción de ARNm activamente sobre la base de la velocidad de sedimentación. Además de la cuantificación de la traducción de ARNm, información de la secuencia se puede obtener para identificar los motivos implicados en la regulación de la traducción. También ARN proteínas de unión y otros factores de traducción se pueden aislar de diferentes fracciones, facilitar el estudio y descubrimiento de proteínas reguladoras relacionadas.
En el sistema nervioso, control de la traducción se ha relacionado con procesos tales como ARNm de almacenamiento, el transporte y la síntesis proteica local. Los conos de crecimiento se ha demostrado que albergar una piscina localizada específica de los ARNm distintos del resto del axón 7. Además, los axones poseen la capacidad de sintetizar proteínas localmente 8,9. Como resultado, el control local de la traducción se ha convertido en un tema crucial de estudio en la neurobiología. El potencial de fraccionamiento polyribosome para abordar este ha sido ilustrada en varios estudios, en los que se utilizó la técnica deinvestigar axón orientación en el desarrollo de la médula espinal, y demostró la traducción dependiente de la actividad de BDNF en el cerebro 10,11.
Aunque polyribosome fraccionamiento no es una nueva técnica, sigue siendo un uno particularmente difícil. Basado en el material de entrada, la optimización sustancial puede ser necesario. Este es especialmente el caso de las muestras in vivo del SNC, donde la cantidad de material es a menudo una limitación y componentes del tejido graso dificultan el aislamiento de ARNm traducción. Protocolos de fraccionamiento mayoría de las publicaciones se ocupan de levadura o líneas celulares de mamíferos, y hay protocolos establecidos para el cerebro 12,13,14. Por el contrario, casi no hay publicaciones que describen el fraccionamiento de la médula espinal, y los protocolos anteriores requieren la médula espinal de un gran número de animales que deben ser agrupados 15. Por estas razones, se hicieron varias modificaciones esenciales para adaptar el protocolo de fraccionamiento para los tejidos del SNC, incluyendo ratón única de la médula espinal. Inmovilización del ribosoma con cicloheximida se lleva a cabo durante la perfusión de los animales para evitar la disociación de los ribosomas During el largo proceso de extracción de tejido. Posteriormente, los ARN polysomal se extraen de una manera específica para maximizar el rendimiento polyribosome. En primer lugar, controlado homogeneización del tejido por douncing, mantiene el núcleo intacto y evita la contaminación de ADN. El núcleo se retira a continuación de forma fiable por centrifugación. La combinación de los detergentes NP-40 y desoxicolato de sodio asegura la lisis del retículo endoplásmico y la liberación de su membrana asociada ribosomas. Además, los componentes de absorción de UV dentro de la mielina rica en lípidos oscurecen los perfiles polyribosome. Por lo tanto, la flotación mielina es necesaria, donde se sedimentan compuestos densos tales como polirribosomas y compuestos más ligeros tales como flotador de mielina y se eliminan 16. Polirribosomas A continuación, se sedimentan sobre un gradiente de sacarosa 17,5% a 50%. En lugar de capas de forma manual y congelación de cada capa de sacarosa, gradientes también se pueden preparar usando un mezclador de gradiente. Extracción de ARN a partir de fracciones usando ácido fenol / cloroformo permite DNA a ser retirado con una pérdida mínima de ARN. Sin embargo, la inversión de fase puede tener lugar en fracciones de sacarosa densos (por encima de la fracción 16).
Este protocolo proporciona ventajas sobre otros métodos convencionales que abordan el nivel de la traducción. Por ejemplo, tanto la medición de la S6 fosforilado (un marcador traducción prominente), así como el etiquetado de las cadenas nacientes con radioisótopos dan información sobre los niveles de traducción global, pero revelan muy poco sobre lo que específicamente se está traduciendo. Polyribosome fraccionamiento, por otro lado, permite no sólo la evaluación de la traducción global, pero también de la identidad de los ARNm y la traducción de las proteínas reguladoras relacionadas. PCR cuantitativa en tiempo real se puede realizar en RNAs aislados para una lectura rápida de los ARNm seleccionados y microarrays y la secuenciación de próxima generación de ARN se puede realizar para los estudios amplios del genoma. Las optimizaciones presentados aquí permiten la técnica para ser utilizado con cantidades mínimas de tejidos del SNC, por lo tanto, disminuyeing el número de animales necesarios y mejorar la calidad experimental global al reducir el tiempo de procesamiento de tejido. Por otro lado, esta técnica no puede distinguir estancado ribosomas de traducir queridos. Las transcripciones que llevan estancado ribosomas sedimentarán en las fracciones pesadas, y esto debe ser tenido en cuenta al interpretar los datos.
Hay técnicas reportadas recientes, a saber RiboTaq y TRAP, en el que los ribosomas son etiquetados con etiquetas de epítopo o reporteros respectivamente de una manera específica del tipo de célula y los ARNm aislados por inmunoprecipitación 17,18 asociadas. Esta técnica puede ser acoplado a polyribosome fraccionamiento para ofrecer alta resolución leer para poblaciones celulares específicas. Pies de impresión ribosoma es otra novedosa técnica que involucra la digestión nucleasa para generar fragmentos pequeños, o "huellas", de los ARNm que están protegidos por los ribosomas. Bibliotecas continuación, se generan a partir de estas huellas y secuenciados. Este método provIdes un análisis de todo el genoma-codón específico en la traducción y es capaz de identificar estancado ribosomas, no agosto codones de inicio y pequeños marcos de lectura abierta aguas arriba, que no pueden ser alcanzados por polyribosome fraccionamiento 19. Sin embargo, polyribosome fraccionamiento puede estar acoplado a perfiles de ribosoma para el aislamiento de fragmentos digeridos que contienen ribosomas individuales, enriqueciendo así para las especies moleculares necesarios para la preparación de la biblioteca en la que a menudo se requiere una alta pureza de la muestra. Tomados en conjunto, fraccionamiento polyribosome es un método flexible con significación duradera y se puede acoplar a diferentes aplicaciones posteriores, incluyendo ensayos de genoma de ancho como la secuenciación de próxima generación.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF), la Biología de Sistemas de Señalización el Cáncer (Helmholtz Alianza en Biología de Sistemas) y el Centro Alemán de Investigación Oncológica (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 |