5.15
إن تحديد ملامح الريبوسوم أو تسلسل الريبو هو تقنية تسلسل عميق تنتج لقطة من الترجمة النشطة في الخلية. فهو يقوم بشكل انتقائي بتسلسل الرنا المرسال المحمي…
تحديد المناطق في الجينوم التي يتم نسخها وترجمتها إلى بروتينات خطوة حيوية في فهم الجينوم وتعبيره.
يتم تحقيق ذلك باستخدام تقنية تسمى تنميط الريبوسوم ، والتي يشار إليها أيضا باسم ريبو-سيك. يرسم خريطة لمواقع الريبوسومات على mRNA ويحدد mRNAs التي يتم ترجمتها بنشاط إلى بروتينات.
لعزل الحمض النووي الريبي ، يجب أولا تحلل الخلايا للوصول إلى الجزيئات الموجودة بداخلها. ثم يتم معالجة المحللة باستخدام RNases. تشق هذه الإنزيمات الرنا المرسال غير المغطاة بالريبوسومات ، تاركة فقط شظايا الرنا المرسال المحمية.
ثم يتم فصل الشظايا المحمية بالريبوسوم عن الأجزاء غير المحمية المشقوقة باستخدام تدرج السكروز.
ثم تتم إزالة الريبوسومات من شظايا الرنا المرسال ، ويتم تحويل الحمض النووي الريبي إلى حمض نووي بواسطة RT-PCR ، باستخدام النسخ العكسي للإنزيم.
بعد ذلك ، يتم تسلسل الحمض النووي وتعيينه على الجينوم المرجعي. هذا يحدد الموقع الدقيق للريبوسوم على طول كل mRNA.
يمكن أن يساعد توصيف الريبوسوم أيضا في تحديد إطارات القراءة المفتوحة غير المعترف بها. ORF هي منطقة من الحمض النووي بين كودون البداية وكودون التوقف الذي يمكن ترجمته إلى بروتين. يمكن أن يكون العثور على ORFs مفيدا في تحديد الجينات الجديدة.
ضع في اعتبارك دراسة أنماط التعبير الجيني في خط خلايا الثدييات. يتضمن الإجراء التجريبي تعريض الخلايا للمنبهات التي قد تؤدي إلى تشغيل التعبير الجيني وبدء تخليق mRNA.
يتم تحديد mRNAs التي تتم ترجمتها بنشاط باستخدام توصيف الريبوسوم.
تكشف هذه التجربة أن الجين B يتم ترجمته بينما الجينات A و C ليست كذلك.
كما يظهر منطقة صغيرة إضافية من الجينوم يتم ترجمتها بنشاط حوالي مائة نيوكليوتيد.
هذه المنطقة غير المعترف بها عبارة عن إطار قراءة مفتوح قد يرمز لبروتين جديد يتم تنظيمه بواسطة المحفزات التجريبية.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is ribosome profiling and what does it measure?
Ribosome profiling, also called ribo-seq, is a deep sequencing technique that maps ribosome positions on mRNA to identify actively translated genes. It produces a snapshot of the translation landscape in a cell at any given moment by selectively sequencing mRNAs protected by ribosomes, revealing which genes are being translated into proteins.
Q2: How does ribosome profiling isolate and protect mRNA fragments?
Cells are lysed to access internal molecules, then the lysate is treated with RNases that cleave unprotected mRNAs. Ribosomes shield their bound mRNA from cleavage, leaving only ribosome-protected fragments. These protected fragments are then separated from cleaved fragments using a sucrose gradient for further analysis.
Q3: What role do open reading frames play in ribosome profiling analysis?
Ribosome profiling identifies open reading frames (ORFs), which are DNA regions between start and stop codons that can be translated into proteins. Discovering unrecognized ORFs helps identify new genes and novel proteins. In experimental studies, ribosome profiling can reveal previously unknown translated regions upregulated by specific cellular stimuli.
Q4: How is ribosomal RNA contamination addressed in ribosome profiling?
Ribosomal RNA (rRNA) that binds to mRNA is typically removed during ribosome profiling. However, rRNA contaminants sometimes persist. Researchers use the duplex-specific nuclease (DSN) enzyme, isolated from the Kamchatka crab hepatopancreas, which cleaves dsDNA and DNA-RNA hybrids to reduce rRNA contamination in samples.
Q5: What technical challenges does ribosome profiling face?
Ribosome profiling requires large sample amounts, timely translation inhibition, and managing RNA contamination. Flash-freezing efficiently captures ribosome distribution compared to elongation inhibitors like cycloheximide. Data analysis also demands bioinformatics expertise; the riboSeqR R package helps overcome this limitation by providing methods for resolving profiling data across multiple samples.
Q6: How does ribosome profiling convert mRNA to DNA for sequencing?
After ribosomes are removed from protected mRNA fragments, the RNA is converted into DNA using reverse transcriptase through RT-PCR. The resulting DNA is then sequenced and mapped onto a reference genome to determine the exact ribosome location along each mRNA molecule.
Q7: What applications does ribosome profiling have in studying gene expression?
Ribosome profiling enables in vivo monitoring of translation in specific organs or tissues and quantifies new protein synthesis levels. It discovers translated products including short peptides and protein isoforms with unknown functions. The technique also identifies mRNAs that remain untranslated until receiving external signals, revealing dynamic translation regulation.