تقنية البيوتينيل المعززة بالإضاءة المحددة بالموقع الخاصة ب AviTag (ALIBi) هي طريقة جديدة مفعلة بصريا تم تطويرها لوضع وسم وتنقية تجمعات الخلايا الفرعية للريبوسومات لأغراض التسلسل اللاحق والتحليل البروتيومي.
مقالة منهجية
تقنية البيوتينيل المعززة بالإضاءة المحددة بالموقع الخاصة ب AviTag (ALIBi) هي طريقة جديدة مفعلة بصريا تم تطويرها لوضع وسم وتنقية تجمعات الخلايا الفرعية للريبوسومات لأغراض التسلسل اللاحق والتحليل البروتيومي.
تشير الأدلة المتزايدة إلى أن ترجمة mRNA هي عملية مقسمة للغاية داخل الخلية، وأن انتقال وتوطين mRNA تحت الخلية هو المفتاح لضمان إنتاج البروتينات ذات الوظائف الخاصة بكل قسم في البيئة المثالية وبكميات مناسبة. ومع ذلك، فإن تقنيات عزل الخلايا تحت الخلوية وتوصيف الريبوسومات التي تترجم هذه ال mRNA كانت محدودة حتى الآن، بحيث لا يزال هناك الكثير غير معروف حول كيفية مساهمة تركيب الآليات الانتقالية في تنظيم ترجمة mRNA الموضعية.
هنا، نعرض طريقة AviTag الخاصة ب AviTag Selected Limited Illumin-Enhanced - الإضاءة (ALIBi)، وهي طريقة تجمع بين وسم الحواتم البصرية، وتقنية التحليل البصري المنشط حديثا من نوع البيوتين المنقسم، وتنقية الألفة لتحديد وعزل الريبوسومات المتمركزة في أي قسم خلوي تحت محدد للاهتمام. أولا، يستخدم تحرير كريسبر/كاس9 لدمج ببتيد أفيتاج، وموقع انقسام بروتيز فيروس تبغ (TEV)، وعلامة حواجز FLAG مع بروتين ريبوسومي. يعبر عن ليغاز البيوتين المنقسم، المندمج مع مجال استهداف العضيات، في هذا الخط الخلوي ويكون غير نشط تحت تركيزات البيوتين الطبيعية. عند التنشيط بواسطة البيوتين التكميلي وإضاءة الضوء الأزرق، يقوم بيوتينيل الليغاز بتركيب ريبوسومات Avi Tagged في المنطقة المحيطة مباشرة، مما يسمح بتنقية الألفة للريبوسومات البيوتينيلية والبروتينات والmRNA المرتبطة بها على الخرزات المغطاة بالستربتافيدين. الاستلقاء غير الحساس عبر تقسيم بروتياز TEV ينتج عينات مناسبة لتوصيف البروتينات الريبوسومية الأساسية، والبروتينات المرتبطة بالريبوسوم، والmRNA المرتبطة بالريبوسوم عبر تسلسل الحمض النووي الريبي أو بروتيوميات مطيافية الكتلة.
في هذا البروتوكول، نراجع مبادئ التصميم لدمج AviTag مع بروتين ريبوزومي واستهداف إنزيم ليغاز البيوتين المنقسم إلى العضية المعنية. نظهر تنشيط نظام ALIBi، وتحليل الخلايا، وتنقية الألفة، واستنتاج العينات. وأخيرا، نناقش النتائج النموذجية وحل المشكلة.
هناك حاجة مهمة لأدوات يمكنها عزل العينات البيولوجية من أقسام تحت الخلية المحددة لدراسة كيفية تأثير تنظيم وحركة الخلايا تحت الخلوية في العمليات الخلوية. تعد ترجمة mRNA مثالا رئيسيا على مثل هذه العملية: تشير الأدلة المتزايدة إلى أن الترجمة مقسمة بشكل كبير، وبشكل خاص أن العديد من mRNA موضعية في العضيات حيث ستقيم بروتيناتها المشفرة 1,2. ومع ذلك، لا يعرف الكثير عن التموقع تحت الخلوي للآليات الانتقالية. تبدأ الريبوسومات وجودها في النواة والنواة، حيث يبدأ التجمع من بروتينات الريبوسوم (RPs) والريبوسوم الريبوزومي (rRNAs). ثم يتم تصديرها إلى السيتوبلازم للمراحل النهائية من التجميع، وبعدها تبدأ في ترجمة mRNA 3,4. تشمل المواقع القانونية للترجمة السيتوبلازم والشبكة الإندوبلازمية؛ الأخير هو حيث يتم تصنيع بروتينات الغشاء المتكاملة والبروتينات المخصصة للعضيات المرتبطة بالغشاء أو الإفراز خارج الخلية5. تشمل المواقع الحديثة للترجمة المحلية الميتوكوندريا، البيروكسسوم، والعمليات العصبية 6,7,8,9,10,11,12. ومن المثير للاهتمام أن الأدلة تظهر أيضا على أن ميزات الآلية الانتقالية مثل البروتينات المرتبطة بالريبوسوم، والتعديلات بعد الترجمة، وتعديلات rRNA، والقياس غير القانوني للبروتينات الريبوسومية الأساسية تشارك في آليات تنظيمية تحكم ترجمة mRNA محددة ومعايير مثل دقة الترجمة ومعدل 13,14,15,16,17,18، 19، 20. على سبيل المثال، تم تحديد مئات البروتينات التي تتفاعل مع الريبوسوم وقد تؤدي إلى اختلافات في تركيب الريبوسوم تحت الخلوي13. ومع ذلك، فإن تقنيات عزل تجمعات الريبوسومات تحت الخلوية كانت محدودة حتى الآن؛ لذا، لا يزال الكثير مجهولا حول كيفية مساهمة تركيب الآليات الانتقالية في تنظيم ترجمة mRNA الموضعية. سيسمح ظهور طرق متعددة الاستخدامات لعزل مجموعات الريبوسومات تحت الخلية، خاصة تلك المتوافقة مع أنظمة نماذج الثدييات، باستكشاف هذه الميزات لآلية الترجمة على المستوى تحت الخلوي.
كانت الطرق الأولى لعزل الكسور تحت الخلوية التي تحتوي على الريبوسومات تعتمد على مبادئ التحلل المتسلسل والطرد المركزي21,22. عادة ما تقتصر هذه الطرق على بعض العضيات وغالبا ما تتطلب أوقات معالجة طويلة. طريقة أحدث تعتمد على بيوتين ليغاز بيرا، الذي يقوم تحديدا ببيوتنيل ركيزة ببتيد AviTag 10,23,24. يمكن تحديد موقع BirA جينيا في العضية المهمة في الخلايا التي تم وسم الريبوسومات فيها ب AviTag. ومع ذلك، نظرا لأن BirA نشط عند تركيزات فسيولوجية من البيوتين، فمن الضروري زراعة الخلايا في ظروف استنزاف البيوتين لتجنب التكوين البيوتينيلي غير المحددي للريبوسومات الحاملة ل AviTag10,24. هذا يحد من استخدام بيرآ في أنواع الخلايا الحساسة لاستنزاف البيوتين25. وأخيرا، تم تطوير طرق بيوتينيليشن متعددة تستخدم إنزيمات هندسة مثل BioID وTurboID وAPEX 26,27,28. عند التحفيز، تنتج هذه الإنزيمات وسيطا تفاعليا للبيوتين يقوم بتعديل أي بقايا ليسين ضمن نصف قطر الإنزيم بشكل تساهمي. طرق البيوتينيل المختلطة مفيدة جدا لرسم خرائط البروتينات تحت الخلية، لكنها أقل فائدة في تمييز البروتينات في المنطقة العامة من الريبوسومات المحلية مقارنة بالبروتينات الأقرب إليها.
هنا، نعرض طريقتنا التي طورناها مؤخرا لوضع وسم وعزل تجمعات الريبوسومات تحت الخلية، والتي تسمى ALIBi (ALIBi) الخاصة ب AviTag (ALIBi). تستفيد هذه الطريقة من تقسيم BirA مهندس ملتصق بمفاتيح مغناطيس معززة بصرية (eMag) (الشكل 1A) التي تتحول إلى تغاير تحت إضاءة الضوء الأزرق29؛ وعلامة ببتيدية تتكون من حواتم FLAG، وموقع انقسام بروتياز، وفيروس تبغ (TEV)، وAviTag (FTA) ملتصق ببروتين Rpl31 الريبوزومي (الشكل 1B). يمكن توجيه الإنزيم المنقسم وراثيا إلى عضيات محددة، ويكون غير نشط عند تركيزات فسيولوجية من البيوتين، ويمكن إعادة تشكيله خلال دقائق عند إضاءة الضوء الأزرق وإضافة البيوتين التكميلي (الشكل 1C-E). تنتج التحلل الخلوي اللاحق، وتنقية الألفة، والاستبعاد الإنزيمي غير المتحول عبر تقسيم بروتياز TEV ريبوسومات وجزيئات تنقية مشتركة مثل mRNA والبروتينات المرتبطة بالريبوسومات، وهي مناسبة للطرق التحليلية اللاحقة مثل تسلسل RNA وبروتيوميات مطيافية الكتلة (الشكل 1A). لذلك، تكشف هذه الطريقة ليس فقط عن تركيب الريبوسومات بل أيضا عن ال mRNA التي ترتبط بها الريبوسومات. في مقال حديث يصف التطبيق الأساسي ل ALIBi لتوصيف تجمعات الريبوسومات تحت الخلية، نجحنا في استهداف الإنزيم المنقسم إلى السيتوبلازم، والنواة، والنواة، والشبكة الإندوبلازمية، وغشاء البلازما، والميتوكوندريا (الجدول 1)30. أدى المقارنة الناتجة بين الآليات الانتقالية بين هذه الأقسام تحت الخلوية إلى اكتشافات جديدة وغير متوقعة حول الترجمة في الشبكة الإندوبلازمية والميتوكوندريا، بالإضافة إلى خيوط محتملة للتحقيق المستقبلي لعوامل تكوين الريبوسوم في النواة والنواة.
يحتوي هذا البروتوكول على عرض تفصيلي للنقل وتنشيط نظام ALIBI، وتحليل الخلايا، وتنقية الألفة، وإزالة العينات. نناقش أيضا كيفية التحقق من نجاح تنقية الألفة عبر ويسترن بلوت ونقدم توصيات لإجراء تسلسل الحمض النووي الريبي اللاحق أو تحليل بروتيومية الكتلة (MS) (انظر الملف التكميلي 1). تم كتابة هذا البروتوكول للتجارب التي تستخدم خلايا جذعية جنينية للفئران (mESCs) تعبر عن Rpl31 الاندماج مع FTA (L31-FTA) بشكل متماثل الزواج من موقع Rpl31 الداخلي؛ هذه السلسلة متاحة من المؤلفين عند الطلب. تم وصف استراتيجية توليد هذا الخط الخلوي في الملف التكميلي 1 وفي الشكل التكميلي S1 والشكل التكميلي S2. تتوفر البلازميدات التي تشفر الإنزيمات المقسمة الموجهة إلى عدة عضيات على Addgene (أرقام الفهرس #235608 إلى 235643). تم وصف مبادئ التصميم لاستهداف الإنزيمات المنقسمة إلى هذه العضيات في الملف التكميلي 1. يفترض البروتوكول أن كل عينة تنشأ من قطع mESC مزروعة في صفيحة بحجم 10 سم. وجدنا أن مقياس 10 سم ينتج مادة كافية لبروتيوميات مطيافية الكتلة، بينما مقياس 6 آبار كاف لتسلسل البقع الغربية أو RNA.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. زراعة الخلايا mESC
ملاحظة: قبل تنشيط ALIBi وتحليل الخلية، يجب التعامل مع الخلايا العصبية المتوسطة باستخدام تقنية التعقيم القياسية لزراعة الخلايا. يجب إجراء الطرد المركزي للميكروفونات السليمة على حرارة 200 × جرام لمدة 3 دقائق في درجة حرارة الغرفة ما لم يذكر خلاف ذلك. الوسط المسبق يسخن إلى 37 درجة مئوية في حمام ماء قبل الاستخدام ما لم يذكر خلاف ذلك. يجب تمرير الخلايا العصبية إلى صفيحة زراعة أنسجة جديدة تم تحويلها إلى جيلاتين خلال الليل (انظر الخطوة 1.1).
2. النقل
ملاحظة: قم بإجراء النقل في يوم تكون فيه أجهزة mESC جاهزة للمرور. قد تبدأ البلازميدات في التعبير في وقت مبكر من 3-5 ساعات بعد النقل. بعد التعبير، نوصي بالتعامل مع الخلايا في الظلام وتقليل التعرض لدرجات حرارة أقل من 37 درجة مئوية لمنع التنشيط المبكر، حيث أظهرت أبحاث سابقة أن مجالات البصريات المغناطيسية تتلاشى ليس فقط تحت إضاءة الضوء الأزرق بل أيضا عند التعرض للبرودة31. احتفظ بالألواح في حاضنة مخصصة أو احمي رفا في الحاضنة المشتركة من الضوء باستخدام رقائق الألمنيوم. عند التعامل مع الخلايا خارج الحاضنة، قم بإطفاء أو حجب جميع أضواء الغرفة والنوافذ مسبقا، واستخدم مصباح أمامي بالضوء الأحمر للنظر. لا تترك باب الحاضنة مفتوحا لفترة أطول من اللازم. خذ دفعات صغيرة فقط من الألواح من الحاضنة في كل مرة، ووضع الألواح على سطح عازل (أي غطاء صندوق ستايروفوم نظيف) أثناء التعامل لتقليل ملامسة أسطح العمل بدرجة حرارة الغرفة. الوسط الدافئ بالكامل قبل الاستخدام. لا تفحص الألواح تحت مجهر يصدر الضوء.
3. تنشيط ALIBi وتحليل الخلايا
ملاحظة: استمر في التعامل مع الخلايا/العينات في الظلام حتى بداية الاستشعار (الخطوة 5.4). بمجرد تبريد الخلايا على الثلج (الخطوة 3.15)، احتفظ بالعينات باردة واستخدم فقط المواد المبردة حتى بداية عملية الاستنتاج. تأكد من أن الأسطح العملية، والمعدات، والكواشف، والبلاستيك خالية من الحمض النووي الريبي باستخدام العناصر المفتوحة حديثا ومسح أو شطف الأسطح الصلبة بمحلول تعقيم RNAse و70٪ إيثانول. ارتد القفازات عند التعامل مع العينات أو المعدات. بالنسبة للعينات المخصصة لبروتيميكس التصلب المتعدد، يجب أيضا تقليل تلوث الكيراتين من خلال إبقاء مساحة العمل خالية من الغبار؛ غطي الجلد العاري، واربط الشعر الطويل للخلف.
4. تنقية الألفة
5. الشفافية
6. البقعة الغربية
ملاحظة: حتى يتم تهيئة عينات الليزات والتدفق عبر العينات في مخزن لايملي، نوصي بالاستمرار في تجنب التعرض للضوء. نستخدم جل مسبقا، ومخزن نقل متوفر تجاريا ومخزن تشغيلي، ونظام نقل شبه جاف (انظر جدول المواد). يتم تنفيذ SDS-PAGE وWestern Blot وفقا لتعليمات الشركة المصنعة لهذه المكونات، ما لم يذكر خلاف ذلك أدناه.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النقطة الغربية (القسم 6 من البروتوكول) هي الطريقة الأكثر سرعة لتقييم نجاح التجربة بشكل أولي. عند فحص الأغشية باستخدام ستربتافيدين-HRP، يجب أن يحتوي الليزات من الخلايا التي توجد فيها جميع مكونات النظام على شريط يتوافق مع L31-FTA البيوتينيلية (الشكل 2A، الخط 20). يجب أن يكون نفس النطاق موجودا، عادة بكثافة أعلى، إذا تم تحويل الخلايا إلى بيرآ كامل الطول كضابط إيجابي (الشكل 2A، المسارات 1–4). يجب أن يكون هذا النطاق أضعف أو غائبا في ا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يقدم ALIBi عدة مزايا مقارنة بالتقنيات الحالية لدراسة الترجمة تحت الخلوية وله تطبيقات محتملة مستقبلية في بيولوجيا الريبوسوم وما بعدها. يتطلب هذا البروتوكول وقتا مشابها أو أقل مقارنة بالتحليل المتسلسل والطرد المركزي21,22، ويمكن تطبيقه على أي قسم خلوي تحت الخلوي يمكن استهدافها جينيا بتسلسل ببتيدات موضعي. مقارنة ب BirA10,24 النشط بشكل مستمر، لا تتطلب هذه الطريقة زراعة الخلايا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المؤلفون لا يفرضون أي تضارب مصالح.
يشكر المؤلفون أعضاء مختبر بارنا على مناقشاتهم المفيدة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| -80 °C storage | للزراعة الخلوية | ||
| 0.1% جيلاتين في الماء | MilliporeSigma | ES-006-B | للزراعة الخلوية |
| وحدات فلتر 0.2 µm | Fisher | 04-977-158 | للزراعة الخلوية |
| 0.5% trypsin-EDTA (10X) | ThermoFisher | 15400-054 | للزراعة الخلوية |
| 1 M MgCl2 | ThermoFisher | AM9010 | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| 1 M Tris pH 7.5 | ThermoFisher | 15567027 | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| 1 M Tris pH 8 | ThermoFisher | AM9855G | اختياري: لإدخال FTA في موقع بروتين ريبوزومي داخلي |
| أنابيب طرد مركزي 1.5 و 2 مل، معقمة | للتحفير | ||
| أنابيب طرد مركزي 1.5 و 2 و 5 مل للبروتينات منخفضة الارتباط | Eppendorf | 022431081, 022431102, 0030108302 | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| صفائح زراعة الأنسجة مقاس 10 سم | للزراعة الخلوية | ||
| 10 M NaOH | MilliporeSigma | 72068-100ML | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| مخفف تشغيل Tris/glycine/SDS مركّز 10x | Bio-Rad | 1610772 | للغربلة المناعية |
| غرفة زراعة أنسجة 37 °C x 2 | للزراعة الخلوية. واحدة من هذه تستخدم كمحضنة رئيسية لزراعة الخلايا وإضاءة الخلايا المتحولة. هناك حاجة لمساحة مؤقتة في المحضنة الثانية في يوم تفعيل ALIBi لإيواء الخلايا المتحولة أثناء إعداد جهاز الإضاءة في المحضنة الرئيسية. | ||
| حمام مائي 37 °C | للزراعة الخلوية | ||
| 5 M NaCl | ThermoFisher | AM9010 | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| 50 mM biotin | ThermoFisher | B20656 | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| محلول Laemmli 6x | FIsher | 50-196-784 | للغربلة المناعية |
| 70% إيثانول | للتطهير | ||
| الأسيتونيتريل | Fisher | A955 | اختياري: لتحضير عينات مطيافية الكتلة |
| مجموعة AcTEV protease | ThermoFisher | 12575015 | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| بلازميد C-fragment من ALIBi | Addgene | #235615, 235636 – 235641 | مطلوب مقياس Midi-prep للتحفير |
| بلازميد N-fragment من ALIBi | Addgene | #235614, 235635, 235642, 235643 | مطلوب مقياس Midi-prep للتحفير |
| ورق الألمنيوم | للتحلل والتنقية بالانتحاب | ||
| بيكربونات الأمونيوم | MilliporeSigma | 5.3305 | اختياري: لتحضير عينات مطيافية الكتلة |
| جسم مضاد anti-FLAG | MilliporeSigma | F3165 | للغربلة المناعية |
| جسم مضاد anti-GAPDH | Cell Signaling | 5174 | للغربلة المناعية |
| جسم مضاد ثانوي anti-mouse | GE Healthcare | NA931V | للغربلة المناعية |
| جسم مضاد ثانوي anti-rabbit | GE Healthcare | NA934V | للغربلة المناعية |
| جسم مضاد anti-Rpl12 | Abcam | ab175219 | للغربلة المناعية |
| جسم مضاد anti-Rpl31 | Abcam | ab103991 | للغربلة المناعية |
| جسم مضاد anti-Rpl5 | ProteinTech | 15430-1-AP | للغربلة المناعية |
| جسم مضاد anti-V5 | ThermoFisher | R960-25 | للغربلة المناعية |
| Apyrase | NEB | M0398L | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| بيتا-ميركابتو إيثانول (55 ملي مولار) | ThermoFisher | 21985-023 | للزراعة الخلوية |
| جهاز إرسال الضوء الأزرق | Clare Research Chemical | DR46B (صغير) أو DR196 (كبير) | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| البومين مصل الثور (BSA) | Fisher | BP1600-100 | للغربلة المناعية |
| نصائح C18 (نصائح OMIX C18) | Agilent | A57003100 | اختياري: لتحضير عينات مطيافية الكتلة |
| حاوية تجميد الخلايا | للزراعة الخلوية | ||
| طارد مركزي مناسب للأنابيب المخروطية 15 مل و/أو 50 مل | للزراعة الخلوية | ||
| طارد مركزي لأنابيب الطرد المركزي 1.5-2 مل | للتحلل والتنقية بالانتحاب. يجب أن يكون قادرًا على التبريد إلى 4 C وسرعات تصل إلى 17000 g. من الناحية المثالية، يكون موجودًا في غرفة يمكن تعتيمها مؤقتًا أثناء نقل الأنابيب إلى الداخل والخروج. | ||
| مجموعة Clarity ECL | Bio-Rad | 170-5061 | للغربلة المناعية |
| خزان جل Criterion | Bio-Rad | 1656001 | للغربلة المناعية |
| جل Criterion TGX المصبوغ مسبقًا، 4-20% | Bio-Rad | 5671095 | للغربلة المناعية. تتوفر أحجام وتخطيطات إضافية للبئر |
| Cycloheximide | MilliporeSigma | C7698-5G | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| Deoxycholate | MilliporeSigma | S1827 | للتحلل والتنقية بالانتحاب |
| Dithiothreitol | ThermoFisher | PIA39255 | اختياري: لتحضير عينات مطيافية الكتلة |
| DPBS، بدون كالسيوم، بدون مغنيسيوم | ThermoFisher | 14190-250 | للزراعة الخلوية |
| FBS مؤهل لزراعة الخلايا الجنينية | MilliporeSigma | ES-009-B | للزراعة الخلوية |
| إيثانول | Gold Shield | 412828 | للغربلة المناعية |
| إيثانول | MilliporeSigma | 459828 | اختياري: لتحضير عينات مطيافية الكتلة |
| حمض الفورميك | MilliporeSigma | A117 | اختياري: لتحضير عينات مطيافية الكتلة |
| محلل حجم الأجزاء ومواد الاستهلاك |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن