The ability of cells to adapt to stress is crucial for their survival. Regulation of mRNA translation is one such adaptation strategy, providing for rapid regulation of the proteome. Here, we provide a standardized polysome profiling protocol to identify specific mRNAs that are selectively translated under stress conditions.
단백질 합성의 규정은 스트레스에 대한 세포 반응의 핵심 제어 지점을 나타냅니다. 특히 신중한 RNA 조절 요소는 전형적 특정 스트레스 반응에 필요한 단백질 인코딩 특정 mRNA를, 선택적으로 번역 할 수 있도록 도시 하였다. 이들의 mRNA뿐만 아니라 선택적 번역에 대한 책임을 규제 메커니즘의 특성의 확인은 시간에 대한 분자 생물학의 최전선에있다. Polysome 프로파일 링은이 연구의 초석 방법이다. polysome 프로파일의 목적은 서로 다른 사체에 적극적 번역 변이를 고정화함으로써 mRNA의 번역을 캡처하고, 따라서 높은 번역 사체 저조한 번역들 사이의 구별을 허용 자당 구배 초 원심 분리에 의해 얻어진 polyribosomes를 분리하는 것. 이것들은 추가의 전통적인 생화학 및 분자 생물학 방법을 특징으로 할 수있다. 중요한 것은, 결합 P높은 처리량 게놈 접근 방식과 olysome 프로파일 링은 번역 규제의 대규모 분석을 할 수 있습니다.
단백질 합성 (번역)의 규정은 밀접하게 세포의 생존에 연결된 키 세포 과정이다. 번역은 세포의 에너지의 50 % 이상을 소비하는 감안할 때, 그것은 번역이 밀접하게 규제되어 있고 번역의 동요가 잘 용납하지 않는 것은 놀라운 일이 아니다. 반대로, 많은 비정상적인 세포 과정은 번역 기계 및 변환 출력 (즉, 프로테옴)을 수정해야 할 것을 요구하고 있습니다. 이것은 종종 다양한 스트레스 반응 및 질병 상태에있는 경우, 그리고 아마도 가장 좋은 암을들 수있다. 병진 제어의 주요 이점은 빠르게 다양한 내부 및 외부 트리거에 응답하여 단백질 출력을 재 프로그래밍하는 세포의 능력하여 미세 조정기구 인 것을 조언 세포 생존 및 사망 한 간의 균형.
번역 제어의 두 가지 측면이 특히 재미있다; 규제 MEC의 본질에 대한 이해처음에 선택적 번역을 유발하는 특정 트리거에 대한 세포 반응에 참여 hanism (들) 및 제어 특정 번역을 허용 요소, 특정의 mRNA의 식별과 단백질 제품. Polysome 프로파일 링은 두 프로세스의 효과적인 학습을 할 수있는 기술이다.
polysome 프로파일 링 기술의 전반적인 목표는 공부하고 다른 세포 조건에서 특정의 mRNA의 번역 상태를 정량화하는 것입니다. 기술의 원리에 따라서, 수 크로스 구배에서 초 원심 분리에 의해 얻어진 polyribosomes를 '동결'다른 사체에 적극적 번역 리보솜과 분리 '(몇 리보솜에 의해 결합) 높은 변환 전 사체 사이의 구별을 허용함으로써 mRNA의 번역을 캡처하는 것 가난 (하나 또는 두 개의 리보솜에 의해 구속) 사람들을 번역했다. 이 특정 프로토콜에서, 항생제 사이클로 헥시 미드는 결합이60S 리보솜 아 단위 및 블록 리보솜 E 사이트 2에서 탈 아세틸 화의 tRNA의 출시는, 리보솜 전좌를 억제하고 번역의 mRNA에 리보솜 실속하는 데 사용됩니다. 그러나, 블록 변환 신도 3, 사용될 수있다 emetine 다른 차단제.
웨스턴 블 롯팅 및 번역 처리의 최종 출력을 측정 35 S-메티오닌 표지 기술과는 달리, 따라서 다른 조건 하에서 번역 메커니즘의보다 상세한 연구를 허용 프로파일 적극적 번역의 mRNA와 리보솜 연계를 측정하는 장점을 갖는다 polysome. 따라서,이 기술을 쉽게 구체적 번역 4-6의 다양한 모드를 연구하기에 적합 할 수있는, 단백질 인자 번역 조절 7-9, 단백질 합성 1,10,11 또는 상류 IRES 또는 mRNA의 구조의 효과에 영향을 미치는 스트레스 조건에 관여 단백질 신디사이저에 개방 판독 프레임ESIS 12-14. 요즘, polysome 프로파일 응용 프로그램도 넓은 polysomes 관련의 mRNA를 분석 할 수있는 DNA 마이크로 어레이 (15) 또는 차세대 시퀀싱 16, 17의 사용에 있습니다.
Polysomal 프로파일은 상이한 처리 조건 하에서 특정 전 사체의 번역의 상태를 정량화 할 수있는 강력한 기술이다. 그것은 원칙적으로 매우 간단한 기술이다 그러나 그것은 좋은 polysome 프로필을 생성에 중요한 일부 실행의 여러 단계가 필요합니다. 1)의 RNase가없는 화학 물질과 plasticware에를 사용, 2) (좋은 자당 그라디언트를 준비하는 우리의 경험에 10-50% 자당 그라디언트를 효율적으로 결합 리보솜 40 / 60S 서브 유닛과의 mRNA)을 해결하기위한 가장 좋은 일, 3 : 다음과 같은 주요 단계는 ) 번역의 최고 속도를 캡처하기 위해 지수 적으로 성장 세포와 더 이상 80 % 합류를 사용. 이러한 유전자 과발현 또는 최저 한 세포 치료제를 수행 할 때 플레이트에 세포의 양이 세포가 엔드 포인트에서 컨 플루 언트 될 정도의 함수일 수 있도록 이러한 후자 단계는, 고려되어야한다.
결과에서 presen와여기 테드, polysome 프로필 분석을 IRES-숨겨의 mRNA XIAP와 Bcl-xL 발현 (12)의 번역 조절에 PDCD4의 역할을 평가하기위한 중요한 도구였다. 우리가 PDCD4 노크 다운 (그림 1B)에 따라 일반 polysome 프로파일의 변화를 관찰하지 않은 사실은 우리가 PDCD4 실험의 조건에서 글로벌 휴대폰 번역을 손상하지 않았다고 결론을 내릴 수있었습니다. 우리는 다음 PDCD4 또는 제어 siRNA를 처리 한 세포에서 XIAP와 Bcl-xL 발현의 mRNA의 분포를 결정하기 위해 RT-qPCR에 분석을 사용 하였다. 이 mRNA의 분포의 정량적보다는 반 정량 분석과 치료 사이의 번역 효율에 미묘한 변화의 검출을 허용하기 때문에 qPCR에은, 표준 RT-PCR 또는 노던 블롯 반대로, polysome 프로파일을 분석하기위한 선택 방법이다. 이 기술을 사용하여, 우리는 XIAP와 Bcl-xL 발현의 mRNA의 분포가 (gr에 걸쳐 총 타깃 mRNA를 백분율로 표시 것을 보여줄 수 있었다adient)는 크게, 따라서 이들의 mRNA의 번역의 증가를 나타내는, PDCD4 노크 다운 (그림 1D, E) 후 그와 관련된 리보솜의 큰 숫자)와 함께 무거운 polyribosomes (의 mRNA로 이동했다. 이는 더욱 XIAP 및 Bcl-xL 발현 단백질 수준에서 아니지만 그들의 정상 RNA 수준 (도 1F, G)의 상승에 의해 확인 하였다. 중요한 것은, XIAP의 비 IRES 변이체의 polysome 분포는 처리 및 미처리 세포 (도 1C) 사이에서 불변이었다. 대안으로, 번역 효율은 14 (일반적으로 2-4을 분획) 대 monosomes polysomes mRNA의 함량의 비 (일반적으로 5-10 분획)로 제시 될 수있다.
254 nm에서 흡광도 판독 값에서 피크가 관찰이 독자적으로 리보솜 RNA (세제에 기인 할 수 없기 걸쳐 제어 프로토콜의 사용은 결과를 프로파일 링하는 polysome 검증 중요예컨대 트리톤 X-100 등의 강하게) 스펙트럼의이 영역에서 흡수하고 구배 상단 40 / 60S 피크를 가릴 수있다. 해물없이 및 / 또는 해물 버퍼 빈 그라데이션을 254 nm에서의 흡광도에 버퍼의 상대적 기여도를 결정하기 위해 실행해야합니다. Artefactual 고차 구조는 사실 없음에 (예 : "의사 polysomes"20)가 polysomes의 잘못된 해석으로 이어질 수 있습니다. 마그네슘 금속 이온 봉쇄 2가 양이온의 킬레이트 EDTA와 (80S 리보솜을 안정화하는 절차 전반에 걸쳐 사용은) 큰 (60S를 그 구성 요소 작은 (40S)에 리보솜의 분리를 일으킬 것 해물과 그라데이션 버퍼 (15 분 20 mM의)에 추가 ) 서브 유닛. 260 nm에서 기록 된 흡광도 피크 polysomes 실제로 경우 따라서, EDTA 처리를 단일 최대의 mRNA 리보좀 단위를 자유롭게 대응 구배의 상단 부근에 관측 될되도록 프로파일을 축소한다 (데이터는 미도시). 일치하는프로파일의 EDTA에 의한 붕괴, qPCR에 의해 분석 특정 대상의 모든 이제 그라데이션의 맨 위에 있어야합니다.
mRNA의 리보솜과 연관된 수는 항상 특정의 mRNA가 번역되는 것을 얼마나 효율적의 지표 아니다. 실제로, polysomes에 활성 번역은 독자가 알아야 할 21, 22 정체가되는 특정 상황이 있습니다. 성적표 적극적 EDTA 달리 '유거수'적극적 mRNA에 걸쳐 전좌되는 리보솜 발생 퓨로 마이신으로 샘플을 처리)하여 수행 할 수 번역 기계 결합, 또는 b) 샘플을 처리할지 여부를 결정 다시 다운 스트림 전좌 리보솜의 '실행 – 오프'를 일으키는 원인이되는 개시 코돈에서 첫 번째 리보솜의 전위를 억제 homoharringtonine와.
qPCR의 분석을위한 제어 사체의 사용은 중요하다. SELEC이러한 XIAP IRES의 비 IRES 변형 일부 가사 유전자 (GAPDH, 액틴, 튜 불린, 뉴 클레), 리보솜의 mRNA (18S, RPL13A) 나이 경우 다른 처리 조건에 의해 영향을받지 않는 성적 증명서의 기는 중요하다 검증 번역에 대한 치료의 효과는 특정 또는 일반화 된 경우. 이러한 제어 사체 여기 행해졌으로 분석의 mRNA의 분포를 정규화하는데 사용될 수있다 (XIAP와 Bcl-xL 발현의 mRNA는 GAPDH의 mRNA로 정규화하고 각 분획의 mRNA 함량의 합으로 표시되는 총 mRNA의 함량의 백분율로 표현 하였다 ) 또는 대안 적으로, 제어 대상의 mRNA가 절대 값으로 표현하고 개별적으로 도시 될 수있다. 입력 용 해물 (총 용적의 통상 10 %)의 qPCR의 분석은 특정의 mRNA 분포를 통제 할 다른 공정이다. 이상적으로는, 입력 용 해물에서 특정 mRNA의 전사의 함유량을 분석 한 10 개의 분획의 mRNA 함량의 합과 비교되어야한다. 최종적으로, 옵션 단계를 페놀 제어 : 클로로포름 추출 단계 (CAT는, 클로람페니콜 아세틸 트랜스퍼 라제와 같은) 후속 qPCR에 의해 정량화 될 심지어 사용할 수 정상화 관내 전사 리포터 mRNA를 각각 polysome 분획 스파이크하는 데이터 (14).
어떤 기술과 마찬가지로, polysome 프로파일 링은 몇 가지 제한 사항을 제시한다. 통상 10 분은 최소 좋은 polysome 분포를 갖기 위해 수집 할 필요가 (변환 효율의 미묘한 변화가 20 이상이 필요할 수 있음)이 있다는 사실이 단계 4 샘플 만 최대가 될 수 있다는 점에서, 제한적인 만든다 한 번에 분석하는 것이 편안 한번에 RNA 추출 및 40 샘플 4 입력 컨트롤 qPCR의 분석을 처리 할 수 있어야한다. 샘플 크기는 쉽게 qPCR을 수행하는 복제 얼마나 많은 성적을 분석 할 수 있습니다 얼마나 많은에 추가 할 수 있습니다, 이것은 비용이 많이들 수 있습니다. qPCR에 기반 polysomal 프로파일 링의 또 다른 제한nalysis 그것만 (성적이 미리 공지되어 분석 될 수있는)와 번역의 전체 게놈 분석에 적용 할 수없는 후보 기반의 접근법에서 수행 될 수 있다는 것이다. 그러나, 21 세기의 시작 부분에, 연구자들은 DNA를 사용하여 게놈 수준에서 자신의 polysomal의 RNA를 심문하기 시작 차세대 시퀀싱 (16, 17)와 함께 최근에는 15을 마이크로 어레이. 오히려 개별 분수의 qPCR에 분석을 수행하는 것보다 것을 제외하고는이 프로토콜에 설명 된대로이 강력한 접근 방식에서, polysomal 프로파일 링을 수행 할 글로벌 번역 분수 (일반적으로 분수 2-4)와 polysomes 분수 (일반적으로 분수) 함께 풀링 및 변형 분석 monosomes DNA 마이크로 어레이 또는 전체 게놈 RNA 서열 분석에 의해. 따라서이 방법, 그것을 평가하기 위해 가능한 모든 누구의 분포 변화 polysomes에서 monosomes에 (번역 감소) 또는 반대 (번역 증가) 특정 치료시의 mRNA, 표준. 특정 mRNA의 polysomes 분포의 확인 및 정량화는 다음 qPCR을 수행 할 수 있습니다. polysomal 프로파일 원리의 더 강력한 사용 리보솜 프로파일입니다. 이 기술의 더 높은 처리량 확장 polysome 분수 (23)의 수백을 동시에 모니터링 할 수가 최근에보고되었다. 돌연변이의 수집 또는 대규모의 RNAi 화면에서 병진 효율 프로빙 때 명확한 이점을 제공한다. 리보솜 프로파일은 단백질 합성에 관여 24,25 리보솜 (리보솜 발자국)에 의해 보호 RNA 단편을 매핑 차세대 시퀀싱을 활용하는 기술이다. 이 기술에서, 리보솜 전좌는 사이클로 헥시 미드 (양면) 또는 emetine (돌이킬 수없는) 리보솜 발자국의 인구를 산출하기 위해 세포 용해 및 RNA 분해 효소 소화 다음으로 억제 할 수있다. 리보솜은 충실 총 RNA는 고립되고, 오염 리보솜과 미토콘드리아 리보솜 RNA가 제거됩니다.약 26 ~ 28 뉴클레오티드 RNA 발자국이 절연되어, cDNA 라이브러리로 변환, 전사 26 염기 서열을 리버스. 표준 polysome 프로파일과는 달리,이 방법뿐만 아니라 병진 규제 특정의 mRNA를 식별뿐만 아니라, 특정 성적 증명서를 따라 정확한 직업과 리보솜의 밀도 코돈 해상도에서 mRNA의 관련 정보를 얻을 수 있습니다. 이 발생하는 경우 성적 증명서 리보좀 모집에 대한 자세한 정보를 제공 할 수 있기 때문에 이것은, 특히 IRES-숨겨의 mRNA로 번역의 특정 모드와의 mRNA에 대한 관심이다.
The authors have nothing to disclose.
We are grateful to the past and present members of the laboratory, in particular Urszula Liwak, for critical discussion regarding polysome profiling protocols and sharing of data. This work was supported by operating grants from the Canadian institutes of Health Research, Cancer Research Society, and the National Science and Engineering Research Council of Canada to MH. MDF was supported by the Vanier Canada Graduate Scholarship Doctoral Award and the Ontario Graduate Scholarship, and this work forms part of her Ph.D. dissertation.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Gradient Master 108 automated gradient maker | BIOCOMP | 107-201M | |
Auto Densi-Flow two-chamber gradient maker | LABCONCO | 4517000 | |
Beckman Ultracentrifuge | Beckman Coulter | Model # L-100-XP | |
Density gradient fractionator | TELEDYNE ISCO | 69-3873-246 | Composed of: tube piercing system, peristaltic pump, UA-6 Detector with 254 and 280nm filters and Foxy R1 Fraction Collector |
WinDaq data acquisition software | DATAQ INSTRUMENTS | WINDAQ/LITE | http://www.dataq.com/products/software/acquisition.htm |
Pollyallomer ultracentrifuge tubes (for SW41, 14×89 mm) | Beckman Coulter | 331372 | |
Nuclease-free 2-ml centrifuge tubes (dolphin nose) | DiaMed | PRE1900-N | |
Nuclease-free 2-ml centrifuge tubes (flat bottom) | SafeSeal | 12000 | |
Sucrose (nucleases-free) | Calbiochem | 573113 | MW = 342.3 g/mol |
Cycloheximide | SIGMA | C7698 | MW = 281.4 g/mol. Resuspend in DMSO and keep at -80C for long term sotrage. Caution: TOXIC! Can cause repiratory tracts and skin irritation. Wear mask when weighing. |
Sodium chloride (nucleases-free) | OmniPur | 7710 | MW = 58.44 g/mol |
MgCl2.6H2O (nucleases-free) | OmniPur | 5980 | MW = 203.3 g/mol |
Tris Base (nucleases-free) | J.T. Baker | 4109-01 | MW = 121.14 g/mol |
Triton X-100 | OmniPur | 9400 | Caution: TOXIC! Can cause repiratory tracts and skin irritation |
Recombinant RNasin Ribonuclease Inhibitor | Promega | N2515 | |
RNaseZap Rnase inactivation solution | Ambion, Life Technologies | AM9780 | |
GlycoBlue Coprecipitant (15 mg/mL) | Invitrogen, Life Technologies | AM9516 | |
Acid-Phenol:Chloroform, pH 4.5 (with IAA, 125:24:1) | Ambion, Life Technologies | AM9722 | Caution: TOXIC ! Can cause repiratory tracts irritation as well as skin irritation and corrosion |