Estudio de interactianos de ARN de la proteína quinasa activada por ARN durante el ciclo de la célula mamífera
Özet
Presentamos aproximaciones experimentales para estudiar interactianos de RNA de doble cadena RNA Unión proteína quinasa RNA-activado (PKR) durante el ciclo celular mamífero con células HeLa. Este método utiliza formaldehído complejos RNA-PKR la reticulación y la inmunoprecipitación para enriquecer PKR-limite RNAs. Estos RNAs pueden analizarse más a través de la secuenciación de alto rendimiento o qRT-PCR.
Abstract
Kinase de proteína RNA-activado (PKR) es un miembro de las proteínas de la respuesta inmune innata y reconoce la estructura secundaria de doble cadena de ARN viral. Cuando se enlaza a los RNAs virales de doble hebra (dsARN), PKR experimenta la dimerización y autophosphorylation posterior. PKR fosforilada (pPKR) se activa e induce la fosforilación de la subunidad alfa del factor de iniciación eucariota 2 (eIF2α) para suprimir el traductor global. Creciente evidencia sugiere que PKR puede activarse en condiciones fisiológicas durante el ciclo celular o bajo diferentes condiciones de estrés sin infección. Sin embargo, nuestra comprensión de los activadores de RNA de PKR es limitado debido a la falta de un método experimental estandarizado para capturar y analizar la interacción PKR dsRNAs. Aquí, presentamos un experimental protocolo específicamente enriquecer y analizar PKR obligado RNAs durante el ciclo celular con células HeLa. Utilizamos la actividad eficiente de la reticulación de formaldehído para fijar complejos ARN-PKR y aislarlos mediante inmunoprecipitación. PKR co-immunoprecipitated RNAs pueden entonces ser procesados para generar una biblioteca de secuenciación de alto rendimiento. Una clase importante de dsRNAs celular interactuando PKR es RNAs mitocondriales (mtRNAs), que pueden existir como dsRNAs intermolecular a través de la interacción complementaria entre la cadena pesada y las RNAs de filamento de la luz. Para estudiar el strandedness de estos mtRNAs duplex, también presentamos un protocolo específico de filamento qRT-PCR. Nuestro protocolo está optimizado para el análisis de PKR-limite RNAs, pero puede ser fácilmente modificado para estudiar celular dsRNAs o RNA-interactianos de otras proteínas de Unión dsRNA.
Introduction
La proteína quinasa RNA-activado (PKR), también conocido como eucariótico de iniciación factor 2-alfa 2 (EIF2AK2), es una quinasa bien caracterizado que transmite informaciones de RNAs. Pertenece a la alfa de la subunidad de iniciación 2 traducción en eucariotas (eIF2α) familia cinasa y fosforila eIF2α en serina 51 en respuesta a la infección para suprimir traductor global1. En este contexto, el PKR es activado por RNAs virales de doble hebra (dsARN), que proporcionan una plataforma para PKR dimerización y autophosphorylation2. Además de eIF2α, PKR puede también fosforilan p53, sustrato del receptor de insulina 1, inhibidor κB y c-Jun N-terminal quinasa (JNK) para regular la actividad de numerosas señales de transducción vías3,4,5, 6.
PKR fue identificado originalmente como una quinasa que fosforila eIF2α durante la infección por poliovirus por reconocimiento dsRNAs7,8 de poliovirus. PKR se encuentra cada vez más para jugar múltiples roles más allá de la respuesta inmune, y su activación aberrante o mal funcionamiento está implicado en numerosas enfermedades humanas. Activado/Phosphorylated PKR (pPKR) se observa con frecuencia durante la apoptosis y es una característica común de pacientes con enfermedades crónico-degenerativas, particularmente las enfermedades neurodegenerativas como la de Huntington, Parkinson y la enfermedad de Alzheimer9 ,10,11,12,13. Además, PKR se activa bajo diferentes condiciones de estrés como la tensión metabólica y calor choque14,15,16,17. Por otra parte, inhibición de PKR resultado creciente de la célula proliferación y transformación maligna hasta18,19. Función PKR también es importante en la función normal del cerebro y durante el ciclo celular como el nivel de pPKR es elevada durante la fase M20,21,22. En este contexto, pPKR suprime traductor global y proporciona señales para sistemas de señalización mitóticos clave que se requieren para la correcta división celular20. Por otra parte, la activación prolongada de PKR resultó en fase G2/M23de las células de la detención del ciclo celular de ovario de hámster chino. En consecuencia, la fosforilación PKR está regulada por el bucle de retroalimentación negativa para asegurar la rápida desactivación durante de transición M/G121.
A pesar de la función de la amplia gama de PKR, nuestro entendimiento de la activación de PKR es limitado debido a la falta de un enfoque experimental estandarizado de alto rendimiento para capturar e identificar los dsRNAs que puede activar PKR. Estudios anteriores han demostrado que PKR puede interactuar con dsRNAs formado por dos invertido Alu repeticiones (IRAlus)20,24, pero la posibilidad de la existencia de dsRNAs celular adicional que puede activar PKR durante el ciclo celular o bajo condiciones de estrés en células humanas era inexplorado. El enfoque convencional en la identificación de RNA-interactianos de una proteína de unión a RNA (RBP) utiliza luz ultravioleta para reticulación RNA-RBP complejos25,26,27. Un estudio reciente había aplicado este método de reticulación UV en un sistema de ratón e identificó que RNAs nucleolares pequeño pueden regular la activación de PKR durante el estrés metabólico16. Utilizando eficiencia alta reticulación de formaldehído, presentamos un método alternativo para identificar RNAs PKR interactuando durante el ciclo celular en células de HeLa28. Un enfoque similar se ha aplicado para estudiar otras dsRBPs como Staufen y Drosha29,30,31. Encontramos que PKR puede interactuar con varios tipos de RNAs noncoding como corto elemento nuclear entremezclado (seno), largo había entremezclado elemento nuclear (línea), el elemento de retrovirus endógeno (ERV) y RNAs incluso alfa satélite. Además, nos demostró que PKR puede interactuar con el ARN mitocondrial (mtRNAs), que forma de dsRNAs intermolecular a través de la interacción complementaria entre la cadena pesada y la luz del filamento RNAs28. Una publicación reciente apoyado nuestros datos que algunos mtRNAs en forma de dos caras y puede activar sensores de dsARN como melanoma diferenciación asociada a proteina 5 inducir interferones32. Más importante aún, la expresión y localización subcelular de mtRNAs son moduladas durante el ciclo celular y por diversos factores de estrés, que puede ser importante en su capacidad para regular la activación de PKR28.
En este artículo, presentamos un protocolo detallado para una reticulación de formaldehído desarrollado recientemente y la inmunoprecipitación (fCLIP) método para capturar y analizar RNAs PKR interactuando durante el ciclo celular. Se demuestra el método para preparar muestras de detención del ciclo celular mediante timidina y nocodazole. A continuación presentamos el proceso de fCLIP para aislar RNAs PKR-limite y un método para preparar la biblioteca de secuenciación de alto rendimiento para identificar estos RNAs. Además, delinean los procedimientos detallados para analizar RNAs PKR-limita uso de qRT-PCR. En concreto, presentamos un procedimiento de transcripción reversa filamento específico para analizar el strandedness de mtRNAs. El protocolo descrito está optimizado para las células HeLa y PKR, pero pasos como la preparación de la muestra del ciclo celular, fCLIP y análisis específicos de filamento qRT-PCR pueden modificarse fácilmente para estudiar celular dsRNAs o identificar interactianos de RNA de otros dsRBPs.
Protocol
Representative Results
Discussion
El proceso de preparación de muestras detenidas en fase S o M se ilustra en la figura 1. Para detener las células en la fase S, se utilizó un método de doble bloque de timidina donde tratamos las células con timidina dos veces con un lanzamiento de 9 h en el medio para asegurar eficacia de detención alto (figura 1A). De detención de la fase de M, tratamos a las células una vez con timidina seguido de un lanzamiento de 9 h y después se aplicaron nocodazo…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el programa de investigación de ciencia básica a través de la nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el gobierno de Corea Ministerio de ciencia y TIC (NRF-2016R1C1B2009886).
Materials
| 0.5 M EDTA, pH 8.0 | Thermo Fisher Scientific | AM9260G | |
| 1 M Tris, pH 7.0 | Thermo Fisher Scientific | AM9855G | |
| 1 M Tris, pH 8.0 | Thermo Fisher Scientific | AM9855G | |
| 1.7 mL microcentrifuge tube | Axygen | MCT-175-C | |
| 10% Nonidet-p40 (NP-40) | Biosolution | BN015 | |
| 10% Urea-acrylamide gel solution | 7 M (w/v) Urea and 0.5X TBE, stored protected from light at 4 °C | ||
| 10X DNA loading buffer | TaKaRa | 9157 | |
| 15 mL conical tube | SPL | 50015 | |
| 3' adaptor | 5'-rApp NN NNT GGA ATT CTC GGG TGC CAA GG/3ddC/-3' | ||
| 3 M Sodium Acetate pH 5.5 | Thermo Fisher Scientific | AM9740 | |
| 5' adaptor | 5'-GUU CAG AGU UCU ACA GUC CGA CGA UCN NNN-3' | ||
| 5 M NaCl | Thermo Fisher Scientific | AM9760G | |
| 50 mL conical tube | SPL | 50050 | |
| Acid-phenol chloroform, pH 4.5 | Thermo Fisher Scientific | AM9722 | |
| Agencourt AMPure XP | Beckman Coulter | A63881 | Magnetic beads DNA/RNA clean up |
| Antarctic alkaline phosphatase | New England Biolabs | M0289S | |
| Anti-DGCR8 | Made in house | ||
| Anti-PKR (D7F7) | Cell signaling technology | 12297S | |
| Anti-PKR (Milli) | Millipore EMD | 07-151 | |
| ATP (100 mM) | GE Healthcare | GE27-2056-01 | |
| Bromophenol blue sodium salt | Sigma-aldrich | B5525 | |
| Calf intestinal alkaline phosphatase | TaKaRa | 2250A | |
| Cell scraper 25 cm 2-position | Sarstedt | 83.183 | |
| CMV promoter sequence | 5'-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3' | ||
| Dulbecco's modified eagle medium | Welgene | LM001-05 | |
| dNTP mixture (2.5 mM) | TaKaRa | 4030 | |
| Ethanol, Absolute, ACS Grade | Alfa-Aesar | A9951 | |
| Fetal bovine serum | Merck | M-TMS-013-BKR | |
| Formamide | Merck | 104008 | |
| Glycine | Bio-basic | GB0235 | |
| GlycoBlue coprecipitant (15 mg/mL) | Thermo Fisher Scientific | AM9516 | |
| Isopropanol | Merck | 8.18766.1000 | |
| NEBNext rRNA Depletion Kit | New England Biolabs | E6318 | rRNA Depletion Kit |
| Nocodazole | Sigma-Aldrich | M1404 | |
| Normal rabbit IgG | Cell signaling technology | 2729S | |
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 6148 | |
| PCR forward primer (RP1) | 5'-AAT GAT ACG GCG ACC ACC GCG ATC TAC ACG TTC AGA GTT CTA CAG TCC GA-3' | ||
| PCR index reverse primer (RPI) | 5'-CAA GCA GAA GAC GGC ATA CGA GAT NNN NNN GTG ACT GGA GTT CCT TGG CAC CCG AGA ATT CCA-3' | ||
| PCR tubes with flat cap, 0.2 mL | Axygen | PCR-02-C | |
| Phosphate bufered saline (PBS) Tablet | TaKaRa | T9181 | |
| Phusion high-fidelity DNA polymerase | New England Biolabs | M0530 | High-fidelity polymerase |
| PlateFuge microcentrifuge with swing-out rotor | Benchmark | c2000 | |
| Polynucleotide kinase (PNK) | TaKaRa | 2021A | |
| Protease inhibitor cocktail set III | Merck | 535140-1MLCN | |
| Proteinase K, recombinant, PCR Grade | Sigma-Aldrich | 3115879001 | |
| qPCR primer sequence: CO1 Heavy | Forward/Reverse: 5′-GCCATAACCCAATACCAAACG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: CO1 Light | Forward/Reverse: 5′-TTGAGGTTGCGGTCTGTTAG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: CO2 Heavy | Forward/Reverse: 5′-CTAGTCCTGTATGCCCTTTTCC-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: CO2 Light | Forward/Reverse: 5′-GTAAAGGATGCGTAGGGATGG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: CO3 Heavy | Forward/Reverse: 5′-CCTTTTACCACTCCAGCCTAG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: CO3 Light | Forward/Reverse: 5′-CTCCTGATGCGAGTAATACGG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: CYTB Heavy | Forward/Reverse: 5′-CAATTATACCCTAGCCAACCCC-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: CYTB Light | Forward/Reverse: 5′-GGATAGTAATAGGGCAAGGACG -3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: GAPDH | Forward/Reverse: 5′-CAACGACCACTTTGTCAAGC-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: ND1 Heavy | Forward/Reverse: 5′-TCAAACTCAAACTACGCCCTG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: ND1 Light | Forward/Reverse: 5′-GTTGTGATAAGGGTGGAGAGG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: ND4 Heavy | Forward/Reverse: 5′-CTCACACTCATTCTCAACCCC-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: ND4 Light | Forward/Reverse: 5′-TGTTTGTCGTAGGCAGATGG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: ND5 Heavy | Forward/Reverse: 5′-CTAGGCCTTCTTACGAGCC-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: ND5 Light | Forward/Reverse: 5′-TAGGGAGAGCTGGGTTGTTT-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: ND6 Heavy | Forward/Reverse: 5′-TCATACTCTTTCACCCACAGC-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| qPCR primer sequence: ND6 Light | Forward/Reverse: 5′-TGCTGTGGGTGAAAGAGTATG-3′/5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTG-3′ | ||
| Random hexamer | Thermo Fisher Scientific | SO142 | |
| Recombinant Dnase I (Rnase-free) (5 U/μL) | TaKaRa | 2270A | |
| Recombinant Rnase inhibitor (40 U/μL) | TaKaRa | 2313A | |
| Ribo-Zero rRNA Removal Kit | Illumina | MRZH116 | rRNA Removal Kit |
| Rotator | FINEPCR, ROTATOR AG | D1.5-32 | |
| RT primer sequence: CO1 Heavy | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGTTGAGGTTGCGGTCTGTTAG-3′ | ||
| RT primer sequence: CO1 Light | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGGCCATAACCCAATACCAAACG-3′ | ||
| RT primer sequence: CO2 Heavy | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGGTAAAGGATGCGTAGGGATGG-3′ | ||
| RT primer sequence: CO2 Light | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGCTAGTCCTGTATGCCCTTTTCC-3′ | ||
| RT primer sequence: CO3 Heavy | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGCTCCTGATGCGAGTAATACGG-3′ | ||
| RT primer sequence: CO3 Light | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGCCTTTTACCACTCCAGCCTAG-3′ | ||
| RT primer sequence: CYTB Heavy | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGGGATAGTAATAGGGCAAGGACG-3′ | ||
| RT primer sequence: CYTB Light | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGCAATTATACCCTAGCCAACCCC-3′ | ||
| RT primer sequence: GAPDH | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGTGAGCGATGTGGCTCGGCT-3′ | ||
| RT primer sequence: ND1 Heavy | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGGTTGTGATAAGGGTGGAGAGG-3′ | ||
| RT primer sequence: ND1 Light | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGTCAAACTCAAACTACGCCCTG-3′ | ||
| RT primer sequence: ND4 Heavy | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGTGTTTGTCGTAGGCAGATGG-3′ | ||
| RT primer sequence: ND4 Light | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGCCTCACACTCATTCTCAACCC-3′ | ||
| RT primer sequence: ND5 Heavy | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGTTTGGGTTGAGGTGATGATG-3′ | ||
| RT primer sequence: ND5 Light | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGCATTGTCGCATCCACCTTTA-3′ | ||
| RT primer sequence: ND6 Heavy | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGGGTTGAGGTCTTGGTGAGTG-3′ | ||
| RT primer sequence: ND6 Light | 5′-CGCAAATGGGCGGTAGGCGTGCCCATAATCATACAAAGCCCC-3′ | ||
| Siliconized polypropylene 1.5 mL G-tube | Bio Plas | 4167SLS50 | |
| Sodium dedecyl sulfate | Biosesang | S1010 | |
| Sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | D6750 | |
| SUPERase In Rnase inhibitor | Thermo Fisher Scientific | AM2694 | |
| SuperScript III reverse transcriptase | Thermo Fisher Scientific | 18080093 | Reverse transcriptase for library preparation |
| SuperScript IV reverse transcriptase | Thermo Fisher Scientific | 18090010 | Reverse transcriptase for qRT-PCR |
| SYBR gold nucleic acid gl stain | Thermo Fisher Scientific | S11494 | |
| T4 polynucleotide kinase | New England Biolabs | M0201S | |
| T4 RNA ligase 1 (ssRNA Ligase) | New England Biolabs | M0204 | |
| T4 RNA ligase 2, truncated KQ | New England Biolabs | M0373 | |
| Thermomixer | Eppendorf ThermoMixer C with ThermoTop | ||
| Thymidine | Sigma-Aldrich | T9250 | |
| Tris-borate-EDTA buffer (TBE) | TaKara | T9122 | |
| Triton X-100 | Promega | H5142 | |
| Ultralink Protein A sepharose beads | Thermo Fisher Scientific | 22810 | Protein A beads |
| Ultrasonicator | Bioruptor | ||
| Urea | Bio-basic | UB0148 | |
| Vortex mixer | DAIHAN Scientific | VM-10 | |
| Xylene cyanol | Sigma-Aldrich | X4126 | |
| γ-32P-ATP (10 μCi/μL, 3.3 μM) | PerkinElmer | BLU502A100UC |
Referanslar
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