本文介绍了一种靶向siRNA“泛素组”筛选方法,用于鉴定介导HIF1A低氧细胞反应的新型泛素及类泛素调控因子。 该方法可适用于任何具有可靠报告基因活性读数的生物学通路。
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本文介绍了一种靶向siRNA“泛素组”筛选方法,用于鉴定介导HIF1A低氧细胞反应的新型泛素及类泛素调控因子。 该方法可适用于任何具有可靠报告基因活性读数的生物学通路。
蛋白质与泛素及泛素样分子(UBLs)之间的翻译后修饰正逐渐成为一个动态的细胞信号转导网络,调控多种生物学通路,包括缺氧反应、蛋白质稳态、DNA损伤应答以及转录过程。 为了更深入地理解UBLs如何调控与人类疾病相关的通路,我们构建了一个包含1,186个siRNA双链池的人源siRNA“泛素组”文库,靶向所有已知和预测的UBL系统通路组分。该文库可用于多种表达不同生物学通路报告基因的细胞系进行筛选,以确定哪些UBL组分作为特定通路的正向或负向调控因子。 本文中,我们描述了一种利用该文库筛选HIF1A介导的缺氧细胞应答中泛素组调控因子的实验方案,采用基于转录的荧光素酶报告系统。 在正式筛选前,需首先进行初步的实验优化,以确立适合该细胞系的筛选参数,随后分三个阶段进行筛选:初筛、复筛和三筛/去卷积筛选。 相较于全基因组siRNA文库,靶向性siRNA文库的应用正日益广泛,其优势在于仅报告研究者最关注通路中的相关成员。 尽管siRNA筛选存在固有局限性,特别是由siRNA脱靶效应引起的假阳性结果,但通过一系列严谨设计的对照实验,仍可有效识别出真正的新调控因子,从而克服这些不足。
蛋白质与泛素及泛素样分子(UBLs)的修饰构成一个广泛的生物化学系统,可调控多种生物学通路和应激反应。 UBLs 共价连接到靶蛋白后可产生多种结果,调节底物的稳定性、定位、功能或相互作用组1。 UBL 修饰的酶促反应步骤最初在泛素中被确立,现已成为大多数 UBLs(包括 SUMO、NEDD8、ISG15 和 FAT10)修饰的范式。 修饰发生时,首先由 E1 激活酶激活 UBL 双甘氨酸基序的羧基,形成高能硫醇中间体,随后转移至 E2 结合酶活性位点的半胱氨酸上。 然后,E2 与结合底物的 E3 连接酶相互作用,介导 UBL 转移至(通常为)靶向赖氨酸残基,形成支链(异肽键)连接2。 可进行多轮连续修饰,在底物上构建异肽链;对于泛素而言,可通过其七个赖氨酸中的任意一个,或通过其N端甲硫氨酸形成线性泛素链。 这些修饰形成具有不同功能的特定拓扑结构,例如产生新的相互作用基序,或在特异性蛋白酶切除 UBL 之前将蛋白质靶向降解。 以泛素为例,存在两种 E1 酶、30–40 种 E2 结合酶、至少 600 种 E3 连接酶以及约 100 种去泛素化酶(DUBs)。 尽管其他约 10 种 UBLs 的通路相对简单,但整体泛素化系统的复杂性赋予了特定 UBL 修饰在生物学效应上的巨大多样性。 然而,尽管 UBL 生物学已取得重大进展,这些泛素化组分中大多数在细胞内的确切功能仍不清楚。
由于短干扰核糖核酸(siRNA)能够特异性靶向细胞内的mRNA并促使其降解,从而可在不同生物学背景下研究单个基因的功能,因此siRNA已成为反向遗传学中一种强有力的工具3。全基因组筛选已被用于鉴定和验证多种细胞过程中的新调控因子,并为更广泛的科学界提供了大量有价值的数据。 然而,尽管全基因组筛选已被证明极为有用,但靶向筛选正变得越来越受欢迎,因为其成本更低、速度更快、数据管理负担更小,且仅聚焦于研究者最感兴趣的基因组成员。 因此,为了更深入地理解UBL家族组分所参与的细胞过程,我们构建了一个针对已知及预测的泛素组(ubiquitome)全部组分的人源siRNA文库。 该文库包括UBL蛋白、E1激活酶、E2结合酶、E3连接酶、含泛素结合结构域(UBD)的蛋白以及去泛素化酶(DUBs)。 该文库可用于针对多种不同生物学问题的报告细胞系进行筛选,从而无偏倚地鉴定出调控这些通路的新型UBL组分。
以下实验方案描述了如何开展严格的靶向siRNA泛素化组筛选,以鉴定HIF1A依赖性缺氧应答中的新型调控因子。 在正常氧张力下,HIF1A会发生脯氨酰羟基化,从而被Von Hippel Lindau(VHL)E3连接酶复合物识别并靶向降解4。 缺氧会抑制脯氨酰羟基化,导致HIF1A稳定,并进一步结合缺氧反应元件(HREs),驱动基因表达。本文描述了一种利用U20S骨肉瘤细胞进行的筛选,该细胞稳定表达由三个串联拷贝的缺氧反应元件(Hypoxia Response Element, HRE)驱动的萤火虫荧光素酶(U20S-HRE细胞)5。 若能够获得可靠的报告基因活性读数,并可结合适当的阳性和阴性对照,则本方案可适用于任何生物学通路的研究。
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1. 检测开发阶段
注意:在启动siRNA筛选之前,必须进行检测方法开发阶段,以确定使用报告细胞系进行筛选的重要参数。此阶段需要投入大量精力,因为这将为后续筛选的成功奠定基础。
2. 初筛
注意:一旦确定了检测开发阶段的这些基本条件,即可采用以下方案,在96孔板中以三复孔形式进行初筛。

3. 二次筛选
注意:根据初筛结果中最多80个感兴趣的siRNA进行验证性二次筛选。每个重复可方便地接种于一块96孔板上,并包含与初筛相同的完整对照(见2.2节)。验证初筛中鉴定出的调控因子是否可重复地引发相同的表型非常有用,这有助于优化分类决策,确定哪些阳性结果应进入最终的三级/去卷积筛选。
4. 三级/去卷积筛选
注意:三级筛选或去卷积筛选通常从二次筛选中选出最多20个siRNA进行。该步骤旨在检测原始四联混合物中每个单独siRNA介导的基因敲低效应。通常情况下,来自同一混合物的至少两个独立siRNA双链应能引发相同的表型,方可较为可信地认为所观察到的表型并非由siRNA脱靶效应所致。为进一步提高本阶段结果的可信度,可针对目标基因额外设计并测试其他独立的siRNA双链,以验证其是否能够引发相同的表型。这些实验结果可用于计算H分数,其中H ≥ 0.6时(即 其中至少5个独立的siRNA中有3个能引发表型的情况被视为可接受6.
注意:理想情况下,单个siRNA双链的阈值应与pool的阈值设定为相同的严格度 cutoff。然而,在可接受的情况下,单个siRNA的阈值可放宽10%-20%,特别是当至少有另一个双链位于设定阈值范围内时。值得注意的是,单个siRNA的作用效果可能低于pool的效果;相反,在某些情况下,单个siRNA单独存在时对细胞表型的影响可能强于其在pool中的表现(即使已考虑浓度因素)。
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在开始筛选之前,需先确定 U20S-HRE 细胞对缺氧的响应性。U20S-HRE 细胞表达一种报告基因构建体,该构建体包含三个串联的缺氧反应元件(HRE)下游融合的萤火虫荧光素酶基因,当细胞处于缺氧环境时,HIF1A/HIF1B 异源二聚体可结合于该元件(图 1A)。将细胞置于缺氧工作站中处理不同时间,以确定最适合筛选的缺氧暴露时长。U20S 细胞中 HIF2A 表达水平较低,因此荧光素酶信号主要依赖于缺氧介导的 HIF1A 稳定化7。U20S-HRE 细胞在缺氧条件下分别暴露 0 小时、2 小时、4 小时、6 小时和 24 小时后,荧光素酶活性呈现缺氧依赖性的诱导升高(图 1B)。其中,缺氧暴露 24 小时可诱导活性升高约 10 倍(图 1B),因此该条件适用于 siRNA 筛选。
为建立合适的高值和低值对照,使用针对 HIF1A 和 FIH1 的 siRNA 对 U20S-HRE 细胞进行反向转染。细胞转染对照 24 小时后,再暴露于低氧环境 24 小时,...
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在哺乳动物细胞中进行全基因组范围的siRNA筛选已被证明在鉴定特定生物通路的新型调控因子方面具有极高的价值。本文中,我们描述了利用靶向泛素化相关基因的siRNA筛选方法,以鉴定介导HIF1A在缺氧条件下细胞应答的调控因子。 靶向筛选正变得越来越有吸引力,因为这类筛选通常成本更低、耗时更短、易于管理,并且仅报告研究者感兴趣的通路组分 7, 10, 11。
在检测方法开发阶段必须投入大量工作,以确保基础细胞报告系统适用于筛选,并能够实现良好的重复性和低变异性。 同时,选择稳健的阳性和阴性对照也至关重要,以便建立一个清晰的信号窗口,使文库中的调控因子能够落入该范围内。 此外,这些对照可在每次筛选的每块检测板中作为内部对照,有助于快速识别单个检测板可能出现的任何问题。
高通量筛选中一个常见问题是边缘效应,这可能是由于培养板外周孔与内部孔之间局部湿度差异所导致。 设置适当的对照并绘制培养板结果的热图有助于识别这一问题。 我们发现,通过在培养板底...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由惠康基金会、葛兰素史克(GSK)以及苏格兰细胞信号研究所(现为英国医学研究理事会蛋白质磷酸化与泛素化研究单元的一部分)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 自动化液体分配器 | Fluid-X | XPP-721 | http://www.fluidx.eu/BIOTRACK/xpp-721-liquid-handling-system.html |
| 白色壁板检测板 | Greiner Bio One | 655083 | http://www.greinerbioone.com/en/row/articles/catalogue/article/37_11/13221/ |
| 透明板膜 | Perkin Elmer | 1450-461 | http://www.perkinelmer.co.uk/Catalog/Product/ID/1450-461 |
| siRNA文库 | Thermo Scientific | On-Target Plus | http://www.thermoscientificbio.com/rnai-and-custom-rna-synthesis/sirna/on-targetplus-sirna/search-gene/ |
| 转染试剂 | Invitrogen | Lipofectamine RNAimax | http://www.invitrogen.com/site/us/en/home/Products-and-Services/Applications/Protein-Expression-and-Analysis/Transfection-Selection/lipofectamine-rnaimx.html |
| 减血清培养基 | Invitrogen | Optimem | http://products.invitrogen.com/ivgn/product/31985062?ICID=search-product |
| DMEM | Invitrogen | 41965-039 | http://products.invitrogen.com/ivgn/product/41965039# |
| FBS | Invitrogen | 16000-044 | https://products.invitrogen.com/ivgn/product/16000044?ICID=search-product# |
| 胰蛋白酶-EDTA | Invitrogen | 25300-054 | https://products.invitrogen.com/ivgn/product/25300054?ICID=search-product# |
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