采用微阵列分析来确定秀丽隐杆线虫(C. elegans)的基因表达谱,并利用实时PCR对微阵列数据进行验证和定量。
采用微阵列分析来确定秀丽隐杆线虫(C. elegans)的基因表达谱,并利用实时PCR对微阵列数据进行验证和定量。
突触由信号细胞中的突触前活性区和靶细胞中的突触后终末组成。在化学突触中,信息通过从突触前终末释放的神经递质传递,并由突触后细胞上的受体接收。我们先前在Caenorhabditis elegans中的研究表明,VSM-1负调控胞吐作用。此外,对vsm-1突变体中突触的分析显示,缺乏完全功能性VSM-1的动物其突触连接性增加。基于这些初步发现,我们假设C. elegans中的VSM-1可能在突触形成过程中发挥关键作用。为验证这一假设,我们进行了双标记微阵列分析,并确定了基因表达谱。首先,提取总RNA,逆转录为cDNA,然后与DNA微阵列杂交。随后,对荧光探针杂交结果进行计算机分析,发现突触形成增强的突变体中,编码主要精子蛋白家族(MSP)成员的多个基因显著上调。MSP是C. elegans精子的主要成分,似乎可促进线虫卵母细胞的成熟和排卵。在果蝇中,Chai及其同事1证明MSP样分子可调控神经肌肉接头处突触前小结的数量和大小。此外,Tsuda及其合作者2的研究表明,MSP可能作为Eph受体的配体,触发受体酪氨酸激酶信号级联反应。最后,实时PCR分析证实,在vsm-1(ok1468)突变体中编码MSP-32的基因表达上调。综上所述,我们实验室的研究表明,vsm-1突变体的突触密度显著增加,这一现象可能由MSP-32信号通路介导。
1. 总RNA的提取
2. DNA 消化与 RNA 纯化
3. RNA 的定性与定量分析
4. cDNA 合成
5. RNA 降解与 cDNA 样本的纯化
6. 第一次微阵列杂交
7. 第二次杂交
8. 微阵列分析
9. cDNA 合成与实时 PCR
| 基因 | 正向引物 | 反向引物 |
| gst-5 | CTGCTCCATTCGGACAACTT | TCCGTTGAGCTTGAACTCAC |
| gst-9 | GGAAGACAACTGGCACAATC | ACCGAGAGCATCAACTTGAG |
| kcnl-1 | TACGCTCGGCATGTGTTGTATC | CCAATCATCGGCTCCACTATCT |
| ksr-2 | CGAACTGCTGCTGGAATGCT | GTGCTGCGTCTCTTCTGCTT |
| lim-9 | CTCATCGAGTGGCTCAATCT | CACCTTGCTCCATCTTCAAC |
| lpr-6 | CAGCAGTCACTTCTGTTCAC | TCTCCAATAGCGGTACTCC |
| mes-6 | TTGTTCCGTTGGCTCACGTACAG | CGACAGACGCAGATACACGATCA |
| msp-32 | GCCGCACAGGTATGATCCAG | ATCCAATACGGCGAGCCGAG |
| msp-142 | GATCCACCATGTGGAGTTCT | GATTCTTGCGACGGACCATA |
| msp-38 | GCCTTCGGACAAGAGGATACC | CCATACCGTCTCCTTGGAACC |
| msp-45 | TCACCGTTGAGTGGACCAAT | ACGAACCAACCGTCTCCTT |
| msp-49 | CGACGACAAGCACACCTACCACATCAA | TCGAGGACTCCACATGGTGGATCAACT |
| msp-56 | CGAAGATCGTCTTCAATGCGCCATAC | TCCACATGGTGGATCAACTCCAAGTC |
表1. 实时PCR的正向与反向引物序列
10. 代表性结果:
RNA 提取与分析
活性区前体囊泡在突触前位点的融合是突触形成过程中的必要步骤(3)。VSM-1 是一种最近发现的v-SNARE主调控蛋白,据推测可通过一种尚未明确的机制抑制酵母中的囊泡融合以及线虫中的突触形成(见图1)(4,以及我们未发表的工作)。为了更深入地理解VSM-1在线虫中调控的分子通路,并为突触形成领域提供新的见解,我们开展了全基因组筛选,发现在线虫缺乏完全功能性的VSM-1时,主要精子蛋白基因(msp)被诱导表达。
为了研究 C. elegans 的 vsm-1 (ok1468) 突变株中被诱导表达的基因,我们进行了微阵列基因分析。该分析通过检测从野生型和 vsm-1 突变株中分离的转录本并确定其富集程度来完成。具体而言,我们首先从同步化的 L4 和 L3 期野生型及 vsm-1 突变型线虫幼虫中提取总 RNA。随后,使用 DNase I 处理所获得的总 RNA,并通过琼脂糖凝胶电泳检测提取 RNA 的质量。在图 2 所示的实验中,第一泳道使用了 DNA 标准分子量标记,以表示各标准片段的碱基对数目。野生型样本在经 DNase I 处理前和处理后的样品分别加样于第 2 和第 4 泳道,而 vsm-1 突变型样本在处理前和处理后的样品则分别加样于第 3 和第 5 泳道。RNA 凝胶电泳分析结果显示,野生型和 vsm-1 突变型的 RNA 样品完整且质量良好,这一判断依据是观察到了代表核糖体 RNA 两个亚基的两条清晰条带。
微阵列杂交
在确定RNA质量后,我们开始进行cDNA合成。为此,我们对mRNA进行逆转录,并在末端添加捕获序列。将含有Cy3和Cy5捕获序列的cDNA产物与微阵列芯片杂交,随后送样进行扫描。微阵列图像被导入由戴维森学院Laurie Heyer及其本科学生开发的开源计算机软件MAGICTool中。利用该软件,我们叠加了Cy3和Cy5图像,对微阵列进行网格化处理,并分析了荧光信号谱型(见图3)。完成网格划分后,我们对每个独立方格进行分割,确保完整检测到所打印的寡核苷酸。随后分析诱导倍数,并生成基因表达谱,结果显示在突触生成增强的线虫中,编码MSP家族的基因被诱导表达。(表3)。
使用实时 PCR 验证和定量基因表达。
为了进一步了解vsm-1突变体的遗传特征,我们利用实时PCR分析了多个编码MSP家族成员的基因。首先,从野生型和vsm-1(ok1468)突变株中提取总RNA。随后将RNA样本逆转录为cDNA,并用于实时PCR分析。实时PCR表达谱的评估结果显示,MSP家族中的一个成员在vsm-1(ok1468)突变体中似乎被诱导表达。此外,实时PCR数据验证了微阵列实验的结果,并将候选基因范围缩小至一个msp基因(图4)。

图1. A. UNC-17免疫染色显示,vsm-1突变体在背神经索区域具有更高的突触密度。图像在63倍放大倍数下分析,位置位于阴门后方(右侧)。B. 对野生型和vsm-1(ok1468)突变体突触的分析表明,vsm-1突变体的突触密度显著增加(**p<0.01)。每种基因型均采集了20条线虫的图像。

图2. 使用琼脂糖凝胶电泳检测提取RNA的质量。在野生型和vsm-1(ok1468)样品提取的RNA中,DNase I处理前后均可观察到两个完整的核糖体亚基。

图3. A. 一项实验的基因芯片图像,其中对照样本用红色(Cy5)标记,vsm-1 突变体用绿色(Cy3)标记。B. 每张基因芯片分析的48个网格中的一个代表性图像。每个网格上的每个小方格代表一个打印的寡核苷酸,每个网格由22行和22列组成。

表 2. 对从幼虫4期(A)和幼虫3期(B)C. elegans 线虫中分离的转录本进行的微阵列分析显示,编码主要精子蛋白的基因在突触生成增强的突变体中被诱导表达。高亮显示的基因为在幼虫3期和幼虫4期中均被诱导的基因。

图4. 实时荧光定量PCR分析表明,msp基因家族中的一个成员, msp-32 被诱导产生 vsm-1(ok1468) 突变体。代表性归一化倍数表达量图显示 vms-1 (ok1468) ΔΔCT 值用于 msp-32 与野生型(WT)相比存在显著差异,且使用三个看家基因(act-1、cdc-42 和 pmp-3)进行标准化。三个重复样本的平均值以均值 ± 标准差表示。
在本研究中,我们开发了一种简便且用户友好的实验方案,可用于确定各种生物学现象背后的基因表达谱。该方案首先分离总RNA,并用DNase I进行处理。我们的RNA提取方法通过省略苯酚抽提步骤并采用亲和树脂纯化,已得到显著简化5,6。简言之,通过液氮冷冻线虫并用分子树脂研磨,使C. elegans的角质层和细胞膜破裂。随后,在cDNA合成前,将提取的RNA用DNase I处理。此步骤的加入旨在最大限度减少非特异性杂交;若RNA样品被基因组DNA污染,可能引入干扰并产生大量假阳性结果。接着,将野生型和vsm-1(ok1468)突变体的cDNA分别标记Cy3和Cy5捕获序列,并杂交至通过GCAT项目获得的C. elegans微阵列芯片上。该系统比类似产品更灵敏,其双色设计减少了所需芯片数量,从而提高了时间和成本效率7,8。此外,该系统无需其他类似系统所需的专用设备,因此可在任何标准实验室环境中完成7。第三步,使用开源软件MAGICTool分析荧光杂交芯片图像,并生成基因表达谱。MAGICTool是一款用户友好的程序,适用于从本科生到博士后各级经验水平的研究人员。然而,其最佳性能需要较大的内存支持。最后,通过实时PCR验证微阵列分析获得的候选基因。
尽管基因组学方法是研究生物学现象的有效手段,但仍有一些局限性需要考虑。首先,尽管本微阵列实验方案具有特异性,但如果所使用的寡核苷酸探针来自保守序列,则同一基因家族内的转录本彼此之间无法区分。实时PCR可弥补基因家族内部序列相似性带来的问题,甚至能够区分同一基因的不同异构体。然而,实时PCR面临的一个挑战是难以找到在整个生物体生命周期中表达水平恒定的真正对照基因,因此其结果只能是相对定量。蛋白质组学方法是本技术的一种替代方案,可通过二维凝胶电泳分离单个蛋白质,并利用质谱技术进行鉴定。
我们的研究明确表明,在突触密度增加的 vsm-1 突变型线虫中,主要精子蛋白(Major Sperm Protein, MSP)家族的多个成员被诱导表达。MSP 是 C. elegans 特有的蛋白,负责卵母细胞成熟和排卵过程。Chai 1 的研究证明,在果蝇神经肌肉接头处,突触前小体的数量和大小可能由含有主要精子蛋白结构域的分子调控。Tsuda 及其同事的研究 2 表明,主要精子蛋白结构域可能作为Ephrin受体的配体,触发受体酪氨酸激酶信号级联反应。此外,实时PCR分析验证并缩小了微阵列结果的范围,最终聚焦于 msp 家族中的一个成员——msp-32。综上所述,本文所呈现的工作不仅对神经科学领域的一个核心难题进行了全基因组水平的分析,也彰显了本科生科研在科学探索中的重要作用。
未声明任何利益冲突。
本工作由位于俄克拉荷马州韦瑟福德的南俄克拉荷马州立大学的本科学生完成。本研究得到美国国家科学基金会RUI-0963258项目、美国国立卫生研究院俄克拉荷马州INBRE项目2P20RR016478、GCAT以及OCAST HR09-137S项目的资助。
vsm1(ok1468) 突变体由俄克拉荷马基因敲除联盟分离获得。
作者感谢 Dan Stefanovic 和 Tanner Wheeler 在项目执行过程中提供的宝贵帮助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| RNA Later | Ambion | AM7020 | |
| 分子研磨树脂 | G-Biosciences | 786-138 | |
| RNeasy Mini 试剂盒 | Qiagen | 74104 | |
| 无RNase琼脂糖LE | Ambion | AM9040 | |
| NorthernMax Gly 10X 凝胶配制/电泳缓冲液 | Ambion | 8678 | |
| RNA Millenium 标记物 | Ambion | AM7150 | |
| 乙二醛上样染料 | Ambion | 8551 | |
| DNase 试剂盒 | Qiagen | 79254 | |
| RNeasy MinElute 试剂盒 | Qiagen | 74204 | |
| 逆转录酶及5X反应缓冲液 | Genisphere | RT300320 | |
| Array 350 | Genisphere | W300180 | |
| QIAquick PCR 纯化试剂盒 | Qiagen | 28104 | |
| 20X SSC | VWR international | 82021-4846 | |
| 剪切鲑精DNA | Ambion | AM9680 | |
| SDS溶液 | Promega Corp. | V6551 | |
| DTT EM | VWR international | 3860 | |
| iScript cDNA 合成试剂盒 | Bio-Rad | 170-8890 | |
| iQ SYBR Green 超级混合液 | Bio-Rad | 170-8880 |