本文介绍了一种用于分析真核细胞在应激条件下mRNA翻译起始变化的方法。该方法基于正在翻译的核糖体与非翻译核糖体在蔗糖梯度中沉降速度的差异进行分离。
方法文章
* These authors contributed equally
本文介绍了一种用于分析真核细胞在应激条件下mRNA翻译起始变化的方法。该方法基于正在翻译的核糖体与非翻译核糖体在蔗糖梯度中沉降速度的差异进行分离。
mRNA翻译的精确调控对于真核细胞的稳态至关重要,尤其是在应对生理和病理应激时。该调控程序的异常可能导致受损细胞的异常增殖——这是癌症发展的标志,或导致细胞过早死亡,如在神经退行性疾病中所见。目前关于翻译调控分子机制的许多认识均来自利用密度梯度分离系统进行的多聚核糖体(polysome)分析。该技术依赖于将细胞质提取物在蔗糖线性梯度介质中进行超速离心。离心完成后,可对对应于不同翻译中核糖体群体的区带进行分级收集和定量,从而获得多聚核糖体图谱(polysome profile)。多聚核糖体图谱的变化反映了在多种应激条件下翻译起始过程发生的变化或缺陷。该技术还可用于评估特定蛋白质在翻译起始中的作用,并测量特定mRNA的翻译活性。本文中,我们描述了用于构建多聚核糖体图谱的实验方案,以评估真核细胞和组织在正常或应激生长条件下的翻译起始情况。
真核细胞 constantly 遇到多种有害的生理和环境应激条件,需要迅速产生适应性细胞反应。细胞应激反应涉及促生存与抗生存作用因子之间的精确平衡。打破这种平衡可能导致不可逆的后果,引发癌症和神经退行性疾病等人类病理学疾病的发生。在应激反应的第一阶段,细胞会激活涉及在 mRNA 翻译水平上协调调控基因表达变化的促生存通路。
真核生物中的 mRNA 翻译是一个复杂的细胞过程,涉及翻译起始因子(eIFs)、特定的 RNA 结合蛋白(RBDs)与 RNA 分子之间的协调相互作用1。mRNA 翻译分为三个明确的阶段:起始、延伸和终止。尽管这三个阶段均受到调控机制的影响,但翻译调控机制主要靶向翻译的起始阶段,因此该阶段构成了蛋白质合成的限速步骤2。
翻译起始是一个高度有序的过程,始于eIF2α·GTP·Met-tRNAiMet三元复合物的形成,随后该复合物与40S核糖体亚基结合,从而形成翻译前起始复合物。下一步是将前起始复合物招募至mRNA,此过程涉及翻译起始因子如eIF4F和eIF3的参与。由此形成的48S前起始复合物经历特定的构象变化,使该复合物能够沿mRNA的5'非翻译区开始扫描,直至识别起始密码子AUG。随后,大部分翻译起始因子被释放,60S亚基被招募,形成具有翻译能力的80S核糖体复合物,此时蛋白质合成开始(图1)。在同一时间,多个80S单体核糖体可同时翻译同一条mRNA,形成所谓的多聚核糖体(或多聚核糖体)。mRNA上多聚核糖体的密度反映了翻译的起始、延伸和终止速率,因此可作为特定转录本翻译效率的衡量指标。然而,多聚核糖体图谱主要用于评估mRNA翻译在起始阶段的变化。在本实验中,我们使用了一种蛋白酶体抑制剂作为翻译起始抑制剂。用该药物处理癌细胞会诱导一种应激反应,其特征是应激激酶HRI被激活,进而磷酸化翻译起始因子eIF2α3。eIF2α的磷酸化是导致哺乳动物细胞中翻译起始受到抑制的主要事件之一4。
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The protocol follows the guidelines approved by Laval's Ethical Review Board.
1. Preparation of Cell Cultures and Brain Manipulation
2. Preparation of the Density Gradient Fractionation System
3. Preparation of the Sucrose Gradients
4. Preparation of Cell and Mouse Brain Extracts
5. Loading the Extracts onto Sucrose Gradients and Ultracentrifugation
6. Fractionation of Cytoplasmic Extracts for Polysomes Profiling
7. Protein Extraction and Analysis
8. RNA Extraction and Analysis
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如前所述,多聚核糖体图谱可用于分析在应激条件下翻译起始的变化。图1为翻译起始过程的简化示意图,如前所述,该过程为多步骤过程,涉及翻译起始复合物的有序组装。在正常生长条件下,翻译起始复合物转化为多聚核糖体,通过多聚核糖体图谱检测到这些多聚核糖体,表明翻译起始处于活跃状态(图2;未处理组)。然而,在应激条件下,翻译起始受到阻断,导致80S单体核糖体积累,同时多聚核糖体峰减少(图2;蛋白酶体抑制剂处理组)。
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蔗糖梯度中的多聚核糖体图谱分析可通过检测从细胞或组织中分离的多聚核糖体的密度来评估翻译起始效率9,11-14。该技术是目前测量体内(in vivo)翻译起始的最优(甚至可能是唯一)方法。它被用于监测细胞周期过程中增殖细胞的翻译状态15,并评估多种应激因素(包括病毒感染、缺氧13,16、辐射17以及治疗中使用的化学药物18)对翻译起始的影响。然而,尽管该技术在评估细胞培养物及特定组织(如脑和肝)的翻译起始方面效果良好,但其是否可用于比较正常组织与病变组织及肿瘤之间的翻译起始水平,仍有待确定。
在影响翻译延伸或终止的条件下,多核糖体图谱也可能发生变化。在这些情况下,翻译延伸速率的抑制将导致多核糖体峰增加,而终止过程的抑制则会导致相对于对照组出现更大的多核糖体。相反,翻译起始抑制剂会阻止多核糖体的重新形成,因为活性翻译起始复合物的形成被阻断。这在多核糖体图谱中表现为多核糖体峰减少,同时伴随80S单体核糖体的增加。由于翻译抑制剂使翻译起始复合物停滞,理论上40S和...
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作者无任何利益冲突需要披露。
P. A. 是某项奖学金的获得者 "Pierre Durand" 来自拉瓦尔大学医学院。本研究由加拿大自然科学与工程研究委员会资助(项目编号:MOP-CG095386),授予 R. M. 多核糖体分馏仪通过加拿大创新基金会资助(项目编号:MOP-GF091050)购得,授予 R. M. R. M. 获得加拿大健康研究院(CIHR)新研究者薪金奖。
我们感谢 E. Khandjian、I. Gallouzi、S. Di-Marco 和 A. Cammas 博士提供的有益建议。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细胞 | |||
| HeLa 宫颈癌细胞 | 美国模式培养物集存库(弗吉尼亚州马纳萨斯;ATCC) | CCL-2 | |
| Schneider Drosophila 胚胎细胞 | 美国模式培养物集存库(弗吉尼亚州马纳萨斯;ATCC) | CRL-1963 | |
| 培养基与添加剂 | |||
| Schneider’s Drosophila 培养基 | Sigma-Aldrich | SO146-500ml | |
| DMEM | Life technologies | 11995-073 | |
| FBS | Fisher Scientist | SH30396-03 | |
| 青霉素/链霉素 | Life technologies | 15140122 | |
| 蔗糖溶液 | |||
| D-蔗糖 | Fisher Scientist | BP220-212 | |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | 49767 | |
| 溴酚蓝 | Fisher Scientist | B3925 | |
| 裂解缓冲液 | |||
| Tris HCl | Fisher Scientist | BP153-500 | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M2670-100G | |
| NaCl | Tekniscience | 3624-05 | |
| DTT | Sigma-Aldrich | D 9779 | |
| Nonidet P40(Igepal CA-630) | MJS Biolynx | 19628 | |
| SDS | Tekniscience | 4095-02 | |
| RNase 抑制剂(RnaseOUT 重组核糖核酸酶抑制剂) | Life technologies | 10777-019 | |
| 抗蛋白酶(complete, mini, EDTA free) | Roche | 11,836,170,001 | |
| RNA 提取 | |||
| 蛋白酶 K | Life technologies | AM2542 | |
| 苯酚:氯仿 | Fisher Scientist | BP1754I-400 | |
| 氯仿 | Fisher Scientist | C298-500 | |
| 糖原 | Life technologies | 10814-010 | |
| 异丙醇 | Acros organics | 327270010 | |
| 抗体 | |||
| 抗 FMRP 抗体 | Fournier et al., Cancer Cell International, 2010 | ||
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