我们提出了一种技术,可以快速稳定活酵母和哺乳动物细胞中具有甲醛交联的转化(蛋白质生物合成)复合物。该方法能够解剖瞬态中间体和动态RNA:蛋白质相互作用。交联复合物可用于多种下游应用,例如基于深度测序的分析方法、显微镜和质谱分析。
涉及信使(m)RNA的快速再分配和mRNA翻译的改变的快速反应与细胞的持续稳态调整有关。这些调整对于真核细胞的生存能力和”损伤控制”在营养和盐度水平,温度以及各种化学和辐射应激的波动期间至关重要。由于RNA水平反应的高度动态性,以及许多RNA:RNA和RNA:蛋白质中间体的不稳定性,因此只有使用有限数量的方法才能获得细胞质RNA状态的有意义的快照。转录组范围的、基于RNA-seq的核糖体分析型实验是控制翻译的最翔实的数据来源之一。然而,缺乏均匀的RNA和RNA:蛋白质中间体稳定会导致不同的偏差,特别是在快节奏的细胞反应途径中。在本文中,我们提供了适用于不同通透性的真核细胞的快速固定的详细方案,以帮助RNA和RNA:蛋白中间体的稳定。我们进一步提供了基于稳定RNA:蛋白质复合物与核糖体和多(核糖)体质组分共沉淀的分离示例。分离的稳定材料随后可以用作核糖体分析型实验的一部分,例如在翻译复合物分析测序(TCP-seq)方法及其衍生物中。TCP-seq风格方法的多功能性现在已经通过各种生物体和细胞类型的应用得到了证明。稳定的配合物还可以另外进行亲和纯化并使用电子显微镜成像,分离成不同的聚(核糖)体质组分并进行RNA测序,因为交联逆转很容易。因此,基于速冻和甲醛固定的方法,然后是基于沉降或其他类型的RNA:蛋白质复合物富集的方法,对于研究活细胞中快速RNA:蛋白质复合物动力学的更精细细节特别感兴趣。
生物体在其生命周期中受到细胞内和细胞外动态变化的影响,这需要快速反应以维持体内平衡并确保生存。为了适应环境,真核细胞通过基因表达控制来调整其新陈代谢。基因表达控制可以在转录和/或翻译过程中进行;翻译反应通常发生得更快1,2,3,4.例如,翻译变化通常在压力发作后1-30分钟内出现,而转录水平的改变在压力暴露后数小时后出现3,4,5。由于细胞质中信使(m)RNA分子的持续可用性,翻译输出的改变可以更快地实现。相反,在转录水平上,必须合成新的mRNA分子,并且在真核生物中,从细胞核中处理和输出,在响应时间2,4,6,7,8中产生广泛的延迟。
对应激的急性转化反应通常表现为翻译输出总体下降,细胞存活所必需的蛋白质有选择性上调1,3,4,9.由于该过程的高能量消耗,降低蛋白质产量被认为是至关重要的3,7.为了促进选择性抑制和上调,一系列复杂的调节机制为转化反应服务。可以在翻译的所有阶段进行调节:多肽生物合成的启动,伸长,终止和核糖体回收10,11,12,13,但在初始阶段表现最强烈5,7,9,10,13.在起始过程中,小核糖体亚基(SSU)在真核起始因子(eIFs)的辅助下,与mRNA的5’未翻译区域(UTR)结合并扫描,直到识别起始密码子2,5,6,8,11,12,13.监管机制通常针对影响附着、扫描和开始密码子识别的 eIF。例如,起始因子eIF2,一种有助于招募引发剂Met-tRNA的基本翻译因子。iMet 到SSU,通常在压力条件下的真核生物中靶向4,6,11.在酵母中,该因子的磷酸化可以在营养剥夺和渗透应激下诱导1,4,11,14,15,在哺乳动物细胞中,氨基酸饥饿、内质网 (ER) 应激、紫外线应激、病毒感染和氧水平改变可能引发这种反应8,9,11.特异性mRNA翻译的快速上调在哺乳动物细胞对缺氧的反应中是显而易见的,其表现出缺氧诱导因子(HIFs)生物合成的全局快速翻译抑制和选择性上调。HIF是转录因子,然后在DNA转录水平上引发长期的细胞重编程8,9,16.在热应激下,在酵母中观察到类似的反应,热休克蛋白(HSP)的快速翻译表达,随后是延迟的转录水平反应17,18.除了营养剥夺和热休克外,还研究了酵母在不同氧气下转化反应8,19盐度5,磷酸盐,硫磺20,21 和氮气22,23 水平。这项研究对酵母的工业用途具有广泛的意义,例如烘焙和发酵24,25.转化反应也可能有助于进一步了解神经退行性疾病和心脏病等疾病,这些疾病的特征是细胞内应激,如氧化应激。总体而言,转化反应是基因表达控制不可或缺的一部分,有助于快速适应真核生物体中广泛的应激条件。
为了研究翻译响应,需要提供翻译环境最小扭曲快照的方法。多体分析是用于研究跨mRNA翻译的经典方法,涉及通过蔗糖梯度26,27通过超速离心分离mRNA的多(核)体质组分。该方法可用于探索单个mRNA的翻译水平(使用逆转录和聚合酶链反应等检测方法,RT-PCR26),或在全球范围内与高通量技术(微阵列或RNA-seq28,29)结合使用。一种更进化的方法是核糖体分析,它允许在全基因组尺度上研究沿着mRNA分子的细长核糖体的位置,以及推断跨转录组的翻译效率和利用主要和替代起始位点30,31。核糖体分析涉及由核糖体存在的mRNA片段的分离和测序。核糖体分析为许多条件下的翻译动力学提供了相当多的见解,包括缺氧应激,热休克和氧化应激31,32。该技术已适用于多种源材料类型,包括酵母和哺乳动物细胞。
虽然多体和核糖体分析是扩展翻译研究能力的基础,但翻译过程包括各种翻译中间体和复合物,这些方法难以捕获11,13。另一个局限性源于缺乏研究快速反应类型的能力,因为转化复合物要么通过添加特异性翻译抑制剂(抗生素)在体内稳定,导致某些核糖体分布伪影,要么在细胞特异性裂解时离体(抗生素)或非特异性(高盐或镁离子),导致短寿命或不太稳定的中间体的剥夺33, 34,35.
甲醛广泛用于交联核酸和蛋白质,例如染色质免疫沉淀(ChIP)和交联免疫沉淀(CLIP)研究。其小尺寸和优异的细胞通透性允许在36中快速的体内作用。基于甲醛的快速交联,核糖体分析方法已经扩展为翻译复合物谱测序(TCP-seq)10,36,37,38,39,40。TCP-seq,首先在酵母中开发,允许捕获所有翻译中间体,包括扫描或终止后SSU复合物和多个核糖体构型37,38,41,42。该方法已在若干研究10、38、39、41、42中使用,其中一些使用翻译抑制剂和甲醛交联的组合方法来促进翻译的停滞。该技术的进一步修改版本,选择性TCP-seq39,最近已被用于包括交联复合物的免疫纯化,扩大了TCP-seq应用的范围。甲醛交联的快速、高效和可逆特性使这些方法适用于研究瞬态mRNA:翻译复合相互作用,特别是在高度动态的翻译水平响应途径的背景下。
在这里,我们详细介绍了 体内 甲醛交联的过程,以达到综合转化复合物稳定和分离的目的。我们为酵母细胞和哺乳动物细胞提供了细微差别的单独方案(图1)。我们进一步概述了随后使用交联稳定材料的示例(图1),例如使用免疫印迹(免疫印迹)进行共纯化的蛋白质因子检测,免疫辅助纯化(或”免疫沉淀”;IP)和富集含有特定目标因子的翻译复合物,电子显微镜和RNA测序。
图1:典型实验设置概述的示意图。 转化复合物 体内 甲醛稳定化的主要步骤被描述为流程图,并辅以有关关键必要仪器的信息。本文概述了交联材料的潜在下游应用,包括已成功使用但未在本方案中直接涵盖的示例,例如RNA的SPRI珠纯化,RNA测序和质谱分析。 请点击此处查看此图的放大版本。
甲醛固定是实现生物分子10、36、45、46、47、48体内快速交联的一种方便而流行的方法。与其他潜在的生物分子靶标相比,成功捕获转化复合物需要在细胞或其他材料的快速冷却期间立即固定。如果没有未完成的稳定性,则有可能继续进行与翻译相关的不同过程,从而将复杂分布从未扰动的体内状态49转移开来。与其他转化停滞和核糖体复合物稳定化方法相比,甲醛作用在细胞膜上的迅速性和交联的不加区分性保证了翻译复合物中间体的最大多样性,更接近其天然分布状态50。
这里介绍的方法已经在酵母和哺乳动物细胞中建立和优化,并且现在已经被其他组衍生出来用于更多样化的生物材料,例如在整个脊椎动物(例如,斑马鱼胚胎)10,38,39,49,51,52.虽然这些工作共同保证了该方法的多功能性和广泛适用性,但由于需要优化和调整,翻译复合物的快速甲醛交联可以被认为是难以转置到新型生物材料上的。
该方法成功的首要要求是重新优化甲醛浓度以及细胞收集和破坏技术。渗透性较差,小而圆的酵母细胞需要更高(至少10倍)甲醛浓度和固定细胞的物理破坏。相比之下,培养物中大型和扁平的贴壁哺乳动物细胞很容易过度固定,并且在固定时需要轻柔处理,而固定复合物的提取可以使用洗涤剂通过膜破坏进行化学操作。交联不足可能允许不太稳定或寿命较短的中间体解离或泄漏到较晚的状态。过度交联可能会对分离和研究核糖体组分的能力产生负面影响,并可能产生选择性偏倚,例如重质复合物的更深层消耗。在我们的观察中,即使是微小的改变,例如所使用的贴壁人细胞的类型,也会影响回收的交联复合物的产量,并且可能需要重新优化交联方案。我们还可以预测具有实质上不同渗透性性质的细胞,例如植物细胞,将需要对固定条件进行额外的广泛优化52。然而,很难想象一种生物材料会与这种方法完全不相容。
与哺乳动物固定方案相关的一个考虑因素是用作输入的细胞材料的密度和数量。建议让细胞连续生长,无需重新接种或其他干扰至少2天,以避免对细胞翻译动力学的外部影响。适用于大多数细胞类型,但对于大多数贴壁细胞,始终如一地达到不超过70%的汇合水平将确保没有主要的接触抑制作用,这些效应会对翻译速率产生负面影响和不可预测的影响。
甲醛固定的另一个有趣且可能特别方便的特征源于其不分青红皂白的反应性,即混合分类学系统中对转化复合物的稳定作用。细菌,尤其是线粒体、叶绿体和不同细胞内寄生虫的转化复合物,一直难以用特定的翻译抑制剂靶向。相反,在TCP-seq数据中,映射到线切割转录组的足迹在数据38,39,50中很容易观察到。一个有趣的后续发展可能是使用这种方法来研究整个微群落中的翻译,例如在土壤,水或肠道样本中,可靠的快速翻译停滞和使用任何其他手段的复杂稳定将是有问题的。
还应该提到的是,对于最复杂的材料(例如坚硬和/或笨重的组织),没有什么可以阻止在细胞破碎和材料均质化后立即使用甲醛稳定。这种方法已经经常用于消除用特定的小分子抑制剂33,53,54,55稳定翻译复合物时的细胞进入延迟。鉴于甲醛固定传统上在电子显微镜45,56,57,58等应用中用于体外/体外样品稳定具有出色的效果,在这种情况下,我们可以预期更少的负面影响,特别是那些与从完全固定的细胞中提取转化复合物的不良相关的负面影响。
我们的发现证实了快速甲醛固定的可用性,以稳定高度瞬态的复合物,例如那些含有eIF4A的复合物。值得注意的是,与哺乳动物相比,酵母eIF4A与盖结合复合物eIF4F的相关性要弱得多,因此通常与转化复合物相关。eIF4A通常在酵母29,59,60,61,62,63中的核糖体材料的任何广泛纯化过程中丢失。然而,在体内固定酵母材料中,可以在预期其存在的所有转化配合物中实现eIF4A的可靠富集。先前发表的Sel-TCP-seq数据已经证明了eIF2和eIF3的富集,它们与核糖体更强地结合(但也揭示了短暂发生的共翻译蛋白复合物组装)39。因此,该方法适用于检测两者,更强和较弱的附着成分的平移配合物。
总而言之,我们提出了一种方法,主要用于深入了解翻译起始阶段发生的变化,以及何时需要在mRNA上进行最小扰动的核糖体分布。重要的是,该方法适用于平移复合物(如eIF4A)中相对不稳定和动态的组分的稳定,并且可以广泛用于必要的优化。我们还提供了甲醛固定在翻译快速动态变化的情况下的有用性的证据,开辟了研究领域,例如快节奏的细胞对环境变化或应激条件的反应。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了澳大利亚研究委员会发现项目赠款(DP180100111至T.P.和N.E.S.),国家卫生和医学研究委员会研究员资助(GNT1175388至N.E.S.)和研究奖学金(APP1135928至T.P.)的支持。作者承认澳大利亚国立大学高级显微镜中心的澳大利亚显微镜设施,该设施由大学和联邦政府资助。
Yeast extract | Merck, Sigma-Aldrich | 70161 | |
Peptone | Merck, Sigma-Aldrich | 70178 | |
D-Glucose (Dextrose) | Merck, Sigma-Aldrich | 49139 | |
Adenine sulphate | Amresco | 0607-50G | |
Formaldehyde solution | Merck Sigma-Aldrich | F11635-500ML | ACS reagent, 37 wt. % in H2O, contains 10-15% Methanol as stabiliser (to prevent polymerisation) |
RNaseOUT™ Recombinant Ribonuclease Inhibitor | Invitrogen™ byThermo Fischer Scientific | 10777019 | |
cOmplete™, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | COEDTAF-RO Roche by Merck | 11873580001 | |
Magnesium chloride solution | (Merck/Sigma-Aldrich) | M1028 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid solution | (Merck/Sigma-Aldrich) | E7889 | |
Ambion™ RNase I, cloned, 100 U/µL | Ambion | AM2294 | |
SUPERase•In™ RNase Inhibitor (20 U/μL) | Invitrogen™ by Thermo Fisher Scientific | AM2694 | |
Acidic phenol:chlorophorm:isoamyl alcohol 125:24:1 (pH 4.0-5.0) | (Merck/Sigma-Aldrich) | P1944-100ML | |
Dynabeads™ Goat Anti-Mouse IgG | Invitrogen™ by Thermo Fisher Scientific) | 11033 | |
Sodium Acetate (3 M), pH 5.5 | Invitrogen™ by Thermo Fisher Scientific) | AM9740 | |
Glycogen (5 mg/ml) | Invitrogen™ by Thermo Fisher Scientific) | AM9510 | |
Ethyl alcohol, Pure | Merck; Sigma Aldrich | E7023 | |
Amersham™ Hybond® P Western blotting membranes, PVDF | Merck | GE10600023 | PVDF membrane for western blotting |
Bolt™ 4 to 12%, Bis-Tris, 1.0 mm, Mini Protein Gel | Invitrogen™ by ThermoFischer Sientific | NW04120BOX | Protein gel |
4X Bolt™ LDS Sample Buffer | Invitrogen™ by ThermoFischer Sientific | B0007 | LDS sample loading buffer |
Precision Plus Protein™ Kaleidoscope™ Prestained Protein Standards | BioRad | 1610375 | Protein ladder |
20X Bolt™ MES SDS Running Buffer | ThermoFischer Scientific | B0002 | PAGE runninjg buffer |
Intercept® (PBS) Blocking Buffer | LI-COR | 927-70001 | Odyssey Blcoking buffer (PBS) |
IRDye® 800CW Goat anti-Mouse IgG Secondary Antibody | LI-COR | 92632210 | |
IRDye® 800CW Goat anti-Rabbit IgG Secondary Antibody | LI-COR | 92632211 | |
TAP Tag Polyclonal Antibody | Invitrogen™ by ThermoFischer Sientific | CAB1001 | |
Anti-beta Actin antibody | Abcam | ab8227 | |
Sucrose | (Merck/Sigma-Aldrich) | 84097 | BioUltra, for molecular biology, ≥99.5% (HPLC) |
DL-Dithiothreitol solution | (Merck/Sigma-Aldrich) | 43816 | BioUltra, for molecular biology, ~1 M in H2O |
Terumo Syringe 1CC/mL | Terumo Syringe | 878499 | |
Potassium chloride | (Merck/Sigma-Aldrich) | 60128 | |
HEPES | (Merck/Sigma-Aldrich) | H3375 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium – high glucose | Sigma Aldrich | D5796 | |
Fetal Bovine Serum | Sigma Aldrich | 12003C | |
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | Gibco | 25300062 | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline with Calcium and magnesium | Sigma-Aldrich | D8662 | |
Glycine | Sigma-Aldrich | G7126 | |
Tris hydrochloride | Merck/Sigma-Aldrich | 10812846001 | |
Sodium dodecyl sulfate | Merck/Sigma-Aldrich | 436143 | |
IGEPAL CA-630 | Merck/Sigma-Aldrich | I3021 | |
Rnasin Ribonuclease Inhibitor | Promega | N2111 | |
Stainless steel grinding jar | Retsch | 02.462.0059 | |
MM400 mixer mill | Retsch | 20.745.0001 | |
Gradient Fractionator | Brandel | BRN-BR-188 | |
Thermomixer R | Eppendorf | Z605271 | |
Nanodrop spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | |
0.5-ml microcentrifuge tubes with locking devices | Eppendorf Safe-Lock | 30121023 | |
Mini Gel Tank | (Thermo Fisher Scientific) | A25977 | PAGE running tank |
5 mL, Open-Top Thinwall Ultra-Clear Tube, 13 x 51mm | Beckman-Coulter | 344057 | |
13.2 mL, Certified Free Open-Top Thinwall Polypropylene, 14 x 89mm – 50Pk | Beckman-Coulter | 331372 | |
Amicon Ultra-0.5 ultrafiltration devices | Merck | UFC5030 | Ultracel-30 regenerated cellulose membrane, 0.5 mL sample volume |
Thermo Sorvall Evolution RC Floor Super Speed Centrifuge | Cambridge Scientific | 15566 | |
Beckman Coulter Optima L-90K | GMI | 8043-30-1191 | |
Nunc EasYFlask 175cm2 | Thermofisher Scientific | 159910 | |
Falcon 50 mL Conical Centrifuge Tubes | Thermofisher Scientific | 14-432-22 | |
25 mL Serological Pipette | Sigma-Aldrich | SIAL1250 | |
10 mL Serological Pipette | Sigma-Aldrich | SIAL1100 | |
DNA lobind tubes | Eppendorf | 30108051 | |
Cold Centrifuge 5810 R | Eppendorf | EP022628188 | for 50 mL tubes |
Orbital Shaking Incubator | Ratek | OM11 | |
Frezco 17 Microcentrifuge | Thermofisher Scientific | 75002402 | |
Eppendorf DNA lo-bind tubes | Merck/Sigma-Aldrich | EP0030108051 | |
Eppendorf® Protein LoBind tubes | Merck/Sigma-Aldrich | EP0030108116 | |
SW 41 Ti Swinging bucket rotor | Beckman-Coulter | 331362 | |
Heracell™ 150i CO2 Incubator, 150 L | Thermofisher Scientific | 51026282 | |
0,3 mL ultra-fine II short insulin syringe | BD Medical | 328822 | |
3 mL syringe with Luer Lok tip | BD Medical | 302113 | |
25 G x 16 mm Hypodermic Needle | Terumo | TUAN2516R1 |