Birleştirme Verimliliğini İzlemek için Muhabir Tabanlı Hücresel Test
Summary
Bu protokol, 5′-splice bölgesi mutasyonlarının birleştirme üzerindeki etkisini izlemek için bir minigene muhabiri testini açıklar ve mutasyona bağlı birleştirme inhibisyonunun kurtarılması için bastırıcı U1 snRNA geliştirir. Muhabir ve bastırıcı U1 snRNA yapıları HeLa hücrelerinde ifade edilir ve birleştirme astar uzantısı veya RT-PCR ile analiz edilir.
Abstract
Gen ekspresyonu sırasında, mRNA öncesi birleştirmenin hayati adımı, olgun mRNA’nın sitoplazmik ihracatından önce eksonları birleştirmek ve intronları çıkarmak için spliceosomal komplekslerin doğru tanınmasını ve spliceosomal komplekslerin verimli bir şekilde birleştirilmesini içerir. Birleştirme verimliliği, splice bölgelerinde mutasyonların varlığı, trans-etkili birleştirme faktörlerinin etkisi veya terapötiklerin aktivitesi ile değiştirilebilir. Burada, herhangi bir eksonun birleştirme verimliliğini izlemek için uygulanabilecek hücresel bir test protokolünü açıklıyoruz. Tahlil, memeli hücrelerinde geçici transfeksiyon ile ifade edilebilen uyarlanabilir bir plazmid kodlu 3-exon/2-intron minigene reporter kullanır. Transfeksiyon sonrası, toplam hücresel RNA izole edilir ve muhabir mRNA’daki ekson birleştirmenin verimliliği primer uzatma veya yarı nicel ters transkriptaz-polimeraz zincir reaksiyonu (RT-PCR) ile belirlenir. 5′ splice-site mutasyonları ile ilişkili hastalığın etkisinin muhabirde tanıtılarak nasıl belirlenebileceğini anlatıyoruz; ve bu mutasyonların bastırılmasının U1 küçük nükleer RNA (snRNA) yapısı ile birlikte transfeksiyon ile nasıl sağlanabileceği, mRNA öncesi bölgelerdeki exon-intron kavşaklarında 5′-splice bölgeleri ile temel alan 5′ bölgesinde telafi edici mutasyonlar taşıyan yapı. Böylece, muhabir mutant 5′ splice-sites tanıma geliştirmek için terapötik U1 parçacıklarının tasarımı için kullanılabilir. Artırıcı veya susturucu dizilerini birleştirme gibi CIS etkili düzenleyici sitelerin muhabire eklenmesi, U1 snRNP’nin belirli bir alternatif birleştirme faktörünün aracılık ettiği düzenlemedeki rolünü incelemek için de kullanılabilir. Son olarak, hücreleri ifade eden muhabir, potansiyel terapötiklerin konsitutive pre-mRNA birleştirme veya mutant taşıyan eksonlar üzerindeki etkisini belirlemek için küçük moleküllerle inkübe edilebilir 5′ splice siteleri. Genel olarak, muhabir tahlilleri, temel birleştirme mekanizmalarını ve birleştirme ile ilişkili hastalıkları incelemek için çeşitli koşullarda birleştirme verimliliğini izlemek için uygulanabilir.
Introduction
Pre-mRNA birleştirme, kodlamayan intronları kaldıran ve olgun mRNA oluşturmak için kodlama eksonlarını hassas bir şekilde lige eden önemli bir işlem adımıdır. Ekson-intron kavşaklarında konsensüs dizilerinin tanınması, 5′-splice bölgesi ve 3′-splice bölgesi olarak adlandırılır, birleştirme makinelerinin bileşenleri tarafından birleştirme işlemini başlatır. U1 küçük nükleer ribonükleoprotein (snRNP), U1 snRNA’nın mRNA1 öncesi ile baz eşleşmesi ile 5′-splice bölgesini tanır. 5′-splice bölge dizilerini değiştiren genetik kalıtsal mutasyonlar birçok hastalıkla ilişkilidir2,3. U1 snRNA’nın mutant 5′-splice siteleri ile temellenme kaybının, etkilenen transkriptin çevirisini tehlikeye atabilecek sapkın birleştirmeye neden olduğu öngörülebilir. Birleştirme kusurlarını düzeltmek için potansiyel bir terapötik yaklaşım, 5′–splice bölgesi ile temel alan 5′-bölgesinde telafi edici nükleotid değişiklikleri taşıyan modifiye U1 snRNA tarafından mutasyonların bastırılmasını içerir. Ekson spesifik U1 snRNA’ları olarak da adlandırılan bu tür modifiye U1 snRNA’larının, ekstifleme kusurlarının tersine çevrilmesinde etkili olduğu ve kurtarılan mRNA4,5,6,7,8’den protein ekspresyonunda artışa neden olduğu bulunmuştur.
Burada, U1 snRNP tamamlama testini, 5′-ss mutasyonunun bir ekzonun bir eklenmesi üzerindeki etkisinin değerlendirilmesine izin veren ve ayrıca akson dahil etmenin kurtarılmasını sağlamak için değiştirilmiş U1 snRNA’larının geliştirilmesi için de kullanılabilen muhabir tabanlı bir hücresel birleştirme tahlili olarak tanımlıyoruz. Ayrıca, bir aradaki muhabir transkriptlerinin primer uzantısı ve RT-PCR ile izlenmesi ve değiştirilmiş U1 snRNA’ların primer uzantısı ve RT-qPCR ile ifadesinin belirlenmesi için protokoller sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Test, HeLa dışındaki hücre hatlarında birleştirme analizi için uyarlanabilir, ancak hücre konflüensi ve DNA miktarı gibi transeksiyon verimliliğini etkileyen faktörlerin optimize edilmesi gerekebilir. Muhabirden U1 yapı oranına, diğer hücre türlerinde gözlenen ifade düzeylerine bağlı olarak belirlenmesi gerekebilecek başka bir kritik parametredir. Çıkarılan RNA’nın kalitesi birleştirme analizi için kritik öneme sahiptir; bu nedenle, RNaz içermeyen su kullanımı ve RNase inaktivasyon ajanlar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri (R21CA170786 ve R01GM127464) ve Amerikan Kanser Derneği’nden (Kurumsal Araştırma Hibesi 74-001-34-IRG) ve Vadi Araştırma Ortaklığı Programı’ndan (P1-4009 ve VRP77) S.S. ve W.M.’ye fonlarla desteklendi. İçerik sadece yazarların sorumluluğundadır ve Ulusal Sağlık Enstitülerinin resmi görüşlerini temsil etmek zorunda değildir.
Materials
| Reagent Grade Deionized Water | ThermoFisher Scientific | 23-751628 | |
| Diethyl pyrocarbonate (DEPC) | Sigma-Aldrich | D5758-25ML | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) powder packet | Gibco | 12100-046 | |
| Sodium Bicarbonate | ThermoFisher Scientific | S233-500 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS), Australian Source, Heat Inactivated | Omega Scientific | FB-22 | |
| Penicillin-Streptomycin (P/S) | Sigma-Aldrich | P4458-100ML | |
| Sodium Hydroxide, Standard Solution 1.0N | Sigma-Aldrich | S2567-16A | |
| Hydrochloric Acid, Certified ACS Plus, 36.5 to 38.0% | ThermoFisher Scientific | A144-500 | |
| Disposable PES Bottle Top Filters | ThermoFisher Scientific | FB12566510 | |
| EDTA Disodium Salt Dihydrate | Amresco | 0105-2.5KG | |
| 2.5% Trypsin (10x), no phenol red | ThermoFisher Scientific | 15090046 | |
| Sodium Chloride | Fisher Bioreagent | BP358-212 | |
| Potassium Chloride | Fisher Bioreagent | BP366-1 | |
| Disodium Hydrogen Phosphate Heptahydrate | Fisher Bioreagent | BP332-1 | |
| Potassium Dihydrogen Phosphate | Fisher Bioreagent | BP362-1 | |
| Transfection medium – Opti-MEM™ I Reduced Serum Medium, no phenol red | ThermoFisher Scientific | 11058021 | |
| Transfection Reagent – Lipofectamine™ 2000 | ThermoFisher Scientific | 13778150 | |
| TRIzol™ Reagent | ThermoFisher Scientific | 15596018 | |
| Chloroform (Approx. 0.75% Ethanol as Preservative/Molecular Biology) | ThermoFisher Scientific | BP1145-1 | |
| Ethanol, Absolute (200 Proof), Molecular Biology Grade, Fisher BioReagents | ThermoFisher Scientific | BP2818-4 | |
| Isopropanol, Molecular Biology Grade, Fisher BioReagents | ThermoFisher Scientific | BP2618-212 | |
| Glycogen (5 mg/ml) | ThermoFisher Scientific | AM9510 | |
| Direct-zol RNA Miniprep Kit | Zymo Research | R2052 | |
| ATP, [γ-32P]- 6000Ci/mmol 150mCi/ml Lead, 1 mCi | PerkinElmer | NEG035C001MC | |
| T4 Polynucleotide Kinase | New England Biolabs | M0201L | |
| Size exclusion beands – Sephadex® G-25 | Sigma-Aldrich | G2580-10G | |
| Size exclusion mini columns | USA Scientific | 1415-0600 | |
| pBR322 DNA-MspI Digest | New England Biolabs | N3032S | |
| Low Molecular Weight Marker, 10-100 nt | Affymetrix | 76410 100 UL | |
| Rnase inactivating reagents – RNaseZAP™ | Sigma-Aldrich | R2020-250ML | |
| dNTP Mix (10 mM ea) | ThermoFisher Scientific | 18427013 | |
| RNaseOUT™ Recombinant Ribonuclease Inhibitor | ThermoFisher Scientific | 10777019 | |
| Reverse Transcriptase – M-MLV Reverse Transcriptase | ThermoFisher Scientific | 28025013 | used for primer extension |
| Taq DNA Polymerase | ThermoFisher Scientific | 10342020 | |
| Random Hexamers (50 µM) | ThermoFisher Scientific | N8080127 | |
| Real time PCR mix – SYBR™ Select Master Mix | ThermoFisher Scientific | 4472903 | |
| SuperScript™ III Reverse Transcriptase | ThermoFisher Scientific | 18080093 | used for cDNA preparation |
| Dithiothreitol (DTT) | ThermoFisher Scientific | 18080093 | |
| 5X First-Strand Buffer | ThermoFisher Scientific | 18080093 | |
| Formamide (≥99.5%) | ThermoFisher Scientific | BP228-100 | Review Material Safety Data Sheets |
| Bromophenol Blue sodium salt | Sigma-Aldrich | 114405-5G | |
| Xylene Cyanol FF | Sigma-Aldrich | 2650-17-1 | |
| Tris Base (White Crystals or Crystalline Powder/Molecular Biology) | ThermoFisher Scientific | BP152-5 | |
| Boric Acid (Crystalline/Electrophoresis) | ThermoFisher Scientific | BP168-500 | |
| Acrylamide: Bis-Acrylamide 19:1 (40% Solution/Electrophoresis) | ThermoFisher Scientific | BP1406-1 | Review Material Safety Data Sheets |
| Urea (Colorless-to-White Crystals or Crystalline Powder/Mol. Biol.) | ThermoFisher Scientific | BP169-212 | |
| Ammonium peroxodisulphate (APS) ≥98%, Pro-Pure, Proteomics Grade | VWR | M133-25G | |
| Sigmacote | Sigma-Aldrich | SL2-100ML | |
| N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMED) ≥99%, Ultrapure | VWR | 0761-25ML | Review Material Safety Data Sheets |
| Adjustable Slab Gel Systems, Expedeon | VWR | ASG-400 | |
| Vertical Gel Wrap™ Glass Plate Sets, 16.5 x 14.5cm | VWR | NGP-125NR | |
| Vertical Gel Wrap™ Glass Plate Sets, 16.5 x 22.0cm | VWR | NGP-200NR | |
| Vertical Gel Wrap™ Glass Plate Sets, 16.5 x 38.7cm | VWR | NGP-400NR | |
| GE Storage Phosphor Screens | Sigma-Aldrich | GE28-9564 | |
| Typhoon™ FLA 7000 Biomolecular Imager | GE Healthcare | 28-9610-73 AB | |
| Beckman Coulter LS6500 Liquid Scintillation Counter | GMI | 8043-30-1194 | |
| C1000 Touch Thermal Cycler | ThermoFisher Scientific | ||
| QuantStudio 6 Flex Real-Time PCR Systems | ThermoFisher Scientific |
References
- Zhuang, Y., Weiner, A. M. A compensatory base change in U1 snRNA suppresses a 5′ splice site mutation. Cell. 46 (6), 827-835 (1986).
- Scotti, M. M., Swanson, M. S. RNA mis-splicing in disease. Nature Review Genetics. 17 (1), 19-32 (2016).
- Ward, A. J., Cooper, T. A. The pathobiology of splicing. Journal of Pathology. 220 (2), 152-163 (2010).
- Scalet, D., et al. Disease-causing variants of the conserved +2T of 5′ splice sites can be rescued by engineered U1snRNAs. Human Mutatation. 40 (1), 48-52 (2019).
- Yamazaki, N., et al. Use of modified U1 small nuclear RNA for rescue from exon 7 skipping caused by 5′-splice site mutation of human cathepsin A gene. Gene. 677, 41-48 (2018).
- Yanaizu, M., Sakai, K., Tosaki, Y., Kino, Y., Satoh, J. I. Small nuclear RNA-mediated modulation of splicing reveals a therapeutic strategy for a TREM2 mutation and its post-transcriptional regulation. Science Reports. 8 (1), 6937 (2018).
- Balestra, D., et al. Splicing mutations impairing CDKL5 expression and activity can be efficiently rescued by U1snRNA-based therapy. International Journal of Molecular Sciences. 20 (17), 20174130 (2019).
- Donadon, I., et al. Exon-specific U1 snRNAs improve ELP1 exon 20 definition and rescue ELP1 protein expression in a familial dysautonomia mouse model. Human Molecular Genetics. 27 (14), 2466-2476 (2018).
- Desjardins, P., Conklin, D. NanoDrop microvolume quantitation of nucleic acids. Journal of Visualized Experiments. (45), e2565 (2010).
- Summer, H., Gramer, R., Droge, P. Denaturing urea polyacrylamide gel electrophoresis (Urea PAGE). Journal of Visualized Experiments. (32), e1485 (2009).
- Dominski, Z., Kole, R. Selection of splice sites in pre-mRNAs with short internal exons. Molecular Cell Biology. 11 (12), 6075-6083 (1991).
- Amir-Ahmady, B., Boutz, P. L., Markovtsov, V., Phillips, M. L., Black, D. L. Exon repression by polypyrimidine tract binding protein. RNA. 11 (5), 699-716 (2005).
- Le Guedard-Mereuze, S., et al. Sequence contexts that determine the pathogenicity of base substitutions at position +3 of donor splice-sites. Human Mutation. 30 (9), 1329-1339 (2009).
- Sharma, S., Wongpalee, S. P., Vashisht, A., Wohlschlegel, J. A., Black, D. L. Stem-loop 4 of U1 snRNA is essential for splicing and interacts with the U2 snRNP-specific SF3A1 protein during spliceosome assembly. Genes and Development. 28 (22), 2518-2531 (2014).
- Steitz, J. A., et al. . Functions of the abundant U-snRNPs. Structure and function of major and minor small nuclear ribonucleoprotein particles. , 115-154 (1988).
- Fortes, P., et al. Inhibiting expression of specific genes in mammalian cells with 5′ end-mutated U1 small nuclear RNAs targeted to terminal exons of pre-mRNA. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 100 (14), 8264-8269 (2003).
- Roca, X., et al. Widespread recognition of 5′ splice sites by noncanonical base-pairing to U1 snRNA involving bulged nucleotides. Genes and Development. 26 (10), 1098-1109 (2012).
- Roca, X., Krainer, A. R. Recognition of atypical 5′ splice sites by shifted base-pairing to U1 snRNA. Nature Structural Molecular Biology. 16 (2), 176-182 (2009).
- Taladriz-Sender, A., Campbell, E., Burley, G. A. Splice-switching small molecules: A new therapeutic approach to modulate gene expression. Methods. 167, 134-142 (2019).
- Hamid, F. M., Makeyev, E. V. A mechanism underlying position-specific regulation of alternative splicing. Nucleic Acids Research. 45 (21), 12455-12468 (2017).
- Martelly, W., et al. Synergistic roles for human U1 snRNA stem-loops in pre-mRNA splicing. RNA Biology. , 1-18 (2021).
