Het gebruik van gethioleerd uracil om gevoelig en specifiek zuivert nieuw Getranscribeerd RNA van de gist Saccharomyces cerevisiae.
Het nucleotide-analogon, 4-thiouracil (4tU), wordt gemakkelijk overgenomen door cellen en opgenomen in RNA zoals het in vivo wordt getranscribeerd, waardoor isolatie van het RNA tijdens een korte periode van etikettering mogelijk is. Dit wordt gedaan door het bevestigen van een Biotine deel van de geïncorporeerde thio groep en affiniteit zuiverende, met behulp van streptavidine gecoate kralen. Het bereiken van een goede opbrengst van zuiver, nieuw gesynthetiseerd RNA dat vrij is van reeds bestaand RNA maakt kortere etiketterings tijden mogelijk en zorgt voor een verhoogde temporele resolutie in kinetische studies. Dit is een protocol voor zeer specifieke, hoge opbrengst zuivering van nieuw gesynthetiseerd RNA. Het hier gepresenteerde protocol beschrijft hoe RNA wordt geëxtraheerd uit de gist Saccharomyces cerevisiae. Het protocol voor de zuivering van thiolated RNA uit totaal RNA moet echter effectief zijn met behulp van RNA uit elk organisme zodra het uit de cellen is geëxtraheerd. Het gezuiverde RNA is geschikt voor analyse door vele veelgebruikte technieken, zoals reverse transcriptase-qPCR, RNA-SEQ en SLAM-SEQ. De specificiteit, gevoeligheid en flexibiliteit van deze techniek maken ongeëvenaarde inzichten in RNA metabolisme mogelijk.
RNA heeft een dynamisch karakter; kort na de productie wordt veel RNA snel verwerkt en afgebroken. Momenteel analyseren de meeste onderzoeken naar RNA metabolisme het totale cellulaire RNA, dat meestal volledig is verwerkt en op steady state niveau. Dit niveau is afhankelijk van het evenwicht tussen de percentages van transcriptie, post-transcriptionele rijping en afbraak. Analyse van de processen die leiden tot het steady state evenwicht vereist gespecialiseerde technieken om zeer kortstondige RNA-soorten vast te leggen.
Metabole etikettering van RNA met nucleotide-analogen zoals 4-thiouracil (4tU) of 4-thiouridine (4sU) (Zie Duffy et al.1 voor een uitstekende beoordeling), biedt de mogelijkheid om thio-gelabelde ontluikende rna’s en hun verwerking tussen producten te isoleren. Gepubliceerde protocollen hebben echter betrekking op de etiketterings tijden van een aantal minuten2,3, wat traag is ten opzichte van de productiesnelheid van veel transcripties. Het duurt in de orde van één minuut om het gemiddelde gist-gen te transcriberen, dus het labelen van gist RNA voor minder dan een minuut kan als extreem kort worden beschouwd. Het extreem snelle en specifieke 4 thiouracil Protocol (ers4tU) maximaliseert de signaal-ruis verhouding door het maximaliseren van de 4tU-opname en het minimaliseren van het herstel van ongegelabelde, reeds bestaande RNA, waardoor zeer korte etiketterings tijden mogelijk zijn4.
De thio-gemodificeerde basis moet snel en in voldoende hoeveelheden in de cellen worden geïmporteerd om het nieuw gesynthetiseerde RNA (nsRNA) efficiënt te labelen. Om dit te bevorderen, worden cellen gekweekt in uracil-vrij medium, en expressie van een geschikte permease helpt om 4tU of 4sU opname te stimuleren (Zie tabel 1 voor een lijst van plasmiden die geschikte permease genen en aanvullende figuur 1dragen). 4tU’s oplosbaarheid in natriumhydroxide vermijdt de noodzaak van toxische organische oplosmiddelen die nodig zijn voor andere nucleotide-analogen. Helaas is het kweken van culturen voor lange perioden met thio-gemodificeerde nucleosiden in concentraties groter dan 50 μM waargenomen om ribosomen5te verstoren. Echter, de concentratie (10 μM) hier gebruikt, en de extreem korte etiketterings tijden, minimaliseren van schadelijke effecten5 (Figuur 1a), terwijl nog steeds voldoende RNA voor analyse.
Deze techniek kan worden gecombineerd met een snelle en specifieke door auxine gemedieerde depletie van een doelwit proteïne6,7 (Figuur 2), aangeduid als het “β-est Aid 4U”-protocol, waarin de β-Estradiol gereguleerde expressie van de auxine induceerbare cytochromen degron (hulp) systeem wordt gecombineerd met 4tu-labeling. Met de β-est AID 4U-benadering kan een doel proteïne worden uitgeput en het effect op het RNA-metabolisme nauwlettend worden gemonitord (Figuur 2). De timing is van cruciaal belang; het is raadzaam om de begeleidende video te bekijken en aandacht te besteden aan Figuur 2 en zijn geanimeerde vorm (Zie aanvullende figuur 2).
De verwerking en afbraak van RNA moeten extreem snel worden gestopt voor een nauwkeurige tijdresolutie. Dit wordt bereikt met methanol op lage temperatuur, dat de celinhoud zeer snel oplost en het celmembraan degradeert met behoud van het nucleïnezuur gehalte8. De RNA-extractie moet efficiënt zijn en het RNA niet beschadigen. Mechanische lysis is effectief in de afwezigheid van chaotrope agenten (vaak deze bevatten thio groepen, dus moet worden vermeden). Lithium chloride precipitatie van RNA heeft de voorkeur, omdat Trna’s minder efficiënt worden neergeprecipiteerd. Trna’s worden snel getranscribeerd en natuurlijk gethioleerd9, dus het verwijderen van trnas vermindert de concurrentie voor het biotinylation reagens. Als kleine, sterk gestructureerde Rna’s van belang zijn, worden op alcohol gebaseerde RNA-precipitatie methoden aanbevolen.
Om het thiolated RNA te herstellen, wordt Biotine met 4tU covalent bevestigd via de thio-groepen die in het RNA zijn opgenomen. Het gebruik van gemodificeerde biotine, die hecht via een splijtbaar bisulfide binding (bijv. hpdp-Biotine (N-[6-(biotinamido)hexyl]-3 ́-(2 ́-pyridyldithio)propionamide) of MTS-Biotine (methaan thiosulfonaat)) wordt aanbevolen omdat het de vrijlating van het RNA mogelijk maakt door toevoeging van een reduceermiddel. De biotinyleerd RNA is affiniteit gezuiverd op streptavidine gekoppeld aan magnetische kralen. Dit protocol is vergelijkbaar met anderen die eerder zijn vermeld10 , maar is intensief geoptimaliseerd om de achtergrond te verminderen.
Er zijn twee soorten thiol-etiketterings experimenten die kunnen worden uitgevoerd, continue en niet-doorlopende etikettering. Elk heeft zijn eigen voordelen. Bij continue etikettering wordt de 4tU toegevoegd aan de cultuur en monsters genomen met regelmatige tussenpozen. Dit type experiment laat zien hoe het RNA wordt verwerkt en hoe de niveaus in de loop van de tijd veranderen. Voorbeelden hiervan zijn de vergelijking van mutant met wild-type experimenten en een Pulse-Chase experiment. De experimenten getoond in Figuur 3b, c zijn van dit type. Voor niet-continue etikettering wordt een verandering in het systeem geïnduceerd en het RNA bewaakt. Zodra de verandering is teweeggebracht, moet de cultuur worden opgesplitst in verschillende subculturen, en op bepaalde tijdstippen wordt elk voor een korte periode een thio-label genoemd. Een voorbeeld is β-est AID 4U, zoals weergegeven in Figuur 27. Dit type experiment is vooral handig voor het monitoren van het effect van een metabole verandering op RNA-verwerking (Zie figuur 3D).
Een grafische weergave van een thio-labeling-experiment wordt weergegeven in Figuur 4 en Figuur 5, en een werkblad dat de prestaties van het protocol aanzienlijk vereenvoudigt, is beschikbaar (Zie 4tu-experiment sjabloon. xlsx). Naast deze bevat de aanvullende informatie een uitgebreide probleemoplossingsgids. Zie Figuur 2 en aanvullend figuur 2voor het β-est Aid 4U-protocol dat 4tu-etikettering integreert met de auxin Surgery-depletie-protocol. Zie Barrass et al.7 voor het gedetailleerde hulp-depletie-protocol.
Dit artikel presenteert een protocol voor zeer snelle en specifieke 4tU-etikettering, voor herstel van ontluikende, nieuw gesynthetiseerde RNA van S. cerevisiae na slechts 15 S van de etikettering, met zeer lage verontreiniging door niet-gelabelde RNA.
De gebruiker moet altijd zorg dragen voor het behoud van de integriteit van het RNA door het gebruik van koude temperaturen en DEPC-behandelde reagentia. Streptavidin kraal zuivering is over het algemeen betrouwbaar; echter, de kraal buffer is moeilijk te hanteren; het moet vers worden gemaakt, met de onderdelen toegevoegd in de juiste volgorde, en niet gekoeld of autoclaved. Veelvoorkomende tekortkomingen zijn dat het RNA niet volledig is opgelost na de neerslag stappen, en dus ofwel niet biotinyated of anderszins verloren is gegaan tijdens de verwerkingsstappen. Er is uitgebreide hulp bij het oplossen van problemen in het aanvullende materiaal.
Er zijn enkele beperkingen om op te letten in ers4tU. Een reeds genoemde is dat 4tU de groei van de gist vertraagt (Figuur 1a). Naast endogeen gethioleerd RNAs9kunnen alleen rna’s die tijdens de etiketterings periode zijn getranscribeerd, met deze methode worden gezuiverd. Polymerasen die tijdens de thiolatie tijd op genen zijn onderbroken, produceren geen gethioleerde transcripten die kunnen worden gezuiverd, hoewel transcripten die gedeeltelijk zijn gelabeld als gevolg van polymerasen die tijdens het thiolatie een onderbroken toestand binnenkomen of verlaten, kunnen worden hersteld. Stammen die slecht transcriberen, hetzij vanwege mutatie-of groeiomstandigheden, produceren weinig nsRNA, hoewel de hier gebruikte technieken niettemin het herstel van nsRNA in vergelijking met andere methoden zullen verbeteren. In deze stammen en omstandigheden kan het nodig zijn langere tijden en meer kweek volumes te hebben. Merk op dat uracil een goede bron van stikstof is en dus deze methode moet worden proefgedraaid voordat het wordt gebruikt voor studies waarbij stikstof verhongering.
Het ers4tU-protocol is vooral nuttig voor de analyse van kortstondige Rna’s, waarvan er vele zo snel zijn aangetast dat ze niet kunnen worden geïdentificeerd zonder de afbraak machines te verlammen. Voorbeelden zijn cryptische instabiele transcripten (CUTs)4en korte transcripten die worden geproduceerd door vroegtijdige beëindiging of Promoter proximale onderbreken18 en antisense transcriptie “upstream” van een organisator (PROMPTs)19. De tussen producten die worden geproduceerd tijdens de verwerking van stabiele RNA-soorten zijn ook van voorbijgaande aard, maar kunnen worden verrijkt met ers4tU transcriptie4. Het ers4tU-protocol is daarom uitzonderlijk in het toestaan van zeer voorbijgaande RNA-soorten die moeten worden geanalyseerd en gevangen onder in de buurt van fysiologische omstandigheden, wat een enorm voordeel is ten opzichte van andere methoden. Deze techniek is gebruikt om transcriptie en downstream RNA-verwerkings kinetiek te bestuderen in RNA-polymerase mutanten die sneller of langzamer dan normaal20verlengen.
Thiolation is ook compatibel met RNA-SEQ en SLAM-SEQ21, waardoor alle RNA geproduceerd binnen een zeer korte tijdvenster om te worden gekenmerkt in exquise details.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door Wellcome-financiering aan JB [104648]. Het werk in het Wellcome Center for Cell Biology wordt ondersteund door Wellcome kernfinanciering [092076]. De auteurs erkennen leden van het lab voor hun hulp: Bella Maudlin, Emanuela Sani, Susanna de Lucas-Arias en shiney George. De schrijvers willen ook Patrick Cramer bedanken voor de plasmide YEpEBI31111.
β-mercaptoethanol (βME) | Sigma-Aldrich | M3148 | CAUTION toxic. Stock solutions are aproximatly 14 M, make at 1/20 dilution for use |
Chloroform | Sigma-Aldrich | 25668 | CAUTION toxic |
Diethyl pyrocarbonate (DEPC) | Sigma-Aldrich | D5758 | add 1/1000 volume to a solution, leave at room temperature for 24 h, then autoclave |
DMF (N,N-dimethylformamide) | Sigma-Aldrich | 227056 | CAUTION toxic |
EDTA | Sigma-Aldrich | 3609 | Make 0.5 M and pH to 8.0 with sodium hydroxide |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 29221 | |
EZ-link HPDP Biotin | Thermo scientific | 21341 | Store protected from light. Disolve all the vial contents in 22.7 mL DMF (to make a 4 mM stock solution). Store away from water, in the dark & at -20 °C. Check the solution before using, as some batches of HPDP precipitate in storage; heat at 42 °C to resuspend. |
Glucose | Fisher Scientific | G/0500/60 | |
Glycogen [20 mg/mL] | Sigma-Aldrich | 10901393001 | Store at -20 °C |
Immobilised TCEP Disulfide Reducing Gel | Thermo Scientific | 77712 | Optional |
LiCl | Sigma-Aldrich | 793620 | 10 M solution. CAUTION: this gets very hot as is dissolves and can even boil at greater than 100 oC, add the LiCl crystals to the water slowly. |
Magnesium chloride (MgCl2) | Sigma-Aldrich | 63033 | 1 M solution. CAUTION: this gets very hot as is dissolves and can even boil at greater than 100 oC, add the MgCl2 crystals to the water slowly. |
Methanol | Fisher Scientific | M/4000/PC17 | CAUTION Toxic and flammable |
NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S3139 | Make 1 M solutions of each and mix in equal amount to obtain a solution of the appropriate pH |
Na2HPO4 | Sigma-Aldrich | S3264 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S9888-M | 5 M solution |
Phenol, low pH. | Sigma-Aldrich | P4682 | Store in the dark at 4 °C. CAUTION toxic |
Phenol Chloroform 5:1 (125:24:1) low pH. | Sigma-Aldrich | P1944 | Store in the dark at 4 °C. CAUTION toxic |
Pierce Spin Columns | Thermo Scientific | 69702 | Optional |
SCSM single drop-out –ura | Formedium | DSCS101 | |
Sodium Acetate | Sigma-Aldrich | 32318-M | Make a 3 M solution and pH to 5.3 with acetic acid |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 795429 | CAUTION corrosive |
SDS (Sodium dodecyl sulfate) | Sigma-Aldrich | 436143 | CAUTION irritant, do not inhale |
Streptavidin Magnetic beads | NEB | 1420S | Store at 4°C |
SUPERase-In, RNase inhibitor | Life technologies | AM2696 | Store at -20°C |
Thiolated Schizosaccharomyces pombe for spike | See section 1.7 of the protocol | ||
4-thiouracil (4tU) | ACROS ORGANICS | 359930010 | Store in the dark. Make 100 mM Stock in 1M NaOH, store solutions at -20°C. |
Tris base | Sigma-Aldrich | 93362 | 1 M solutions at various pH |
tRNA | Sigma-Aldrich | 10109541001 | 5mg/ml, store at -20°C |
Uridine | Sigma-Aldrich | U3750 | Make 1 M solution in H2O. Split into 2 mL aliquots and store at -20 C. |
Yeast nitrogen base without amino acids with amonium sulphate | Formedium | CYN0410 | |
Zeba Columns 0.5ml | Thermo Scientific | 89882 | Store at 4 °C |
Zirconia beads | Thistle Scientific | 110791052 | |
Equipment and Consumables | |||
Beadbeater | Biospec | 112011EUR | Other homogenisers can be used; the correct conditions for each homogeniser and strain must be established. |
Bioanalyser (Agilent) or similar to assess RNA quality. If this is not important a spectrophotometer is useful to quantify the RNA. | |||
Centrifuge: capable of spinning cultures at 4 °C and at least 3000 g. Pre-chill if possible. | |||
Centrifuge: capable of spinning up to 2 mL tubes at variable speeds upto 13,000 g and down to 1000 g | |||
Magnetic rack for separating the beads from the sample. The one used in the paper is 3D printed, available from Thingiverse (thing:3562952). Comercially available racks exist | |||
PCR machine with a heated lid that will allow incubation in the dark. | |||
Rotating wheel to rotate 1.5 mL tubes end over end | |||
Shaking heating block (such as Eppendorf Thermomixer) is recomended | |||
Tubes, centrifuge, Low retention, RNase free 0.5mL | Eppendorf | H179467N | |
Tubes, centrifuge, Low retention, RNase free 1.5mL | Ambion | AM12350 | |
Tubes, centrifuge, 50 mL | Sarstedt | 62.547.004 | Other centrifuge tubes are not gas proof allowing CO2 to disolve in the methanol, this comes out of solution vigorously on adding warm culture, leading to sample loss |
Tubes, centrifuge, 15 mL | Sarstedt | 62.554.001 | |
Tubes, 2 mL, screw cap | Greiner | 723361 | |
Tubes 0.2 mL strip of 8 with integral lids | Brand | 781332 |