本文介绍了一种直接测定纯化的大肠杆菌(Escherichia coli)RNA中转运RNA(tRNA)氨酰化水平的方法,以及一种通过添加表达参考基因的内参细胞,来比较不同样本间转运RNA或其他任何短链RNA相对含量的方法。
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本文介绍了一种直接测定纯化的大肠杆菌(Escherichia coli)RNA中转运RNA(tRNA)氨酰化水平的方法,以及一种通过添加表达参考基因的内参细胞,来比较不同样本间转运RNA或其他任何短链RNA相对含量的方法。
转运RNA(tRNA)是任何生物体中翻译机制的重要组成部分。tRNA能够结合并将氨基酸转运至正在翻译的核糖体。不同tRNA的相对含量,以及氨基酰化tRNA占总tRNA的比例(称为充电水平),是决定翻译准确性和速度的重要因素。因此,在研究蛋白质合成时(例如在各种应激条件下),tRNA的丰度和充电水平是需要测量的重要变量。本文介绍一种从大肠杆菌(Escherichia coli)中提取tRNA并直接测定特定tRNA种类相对丰度和绝对充电水平的方法。tRNA的提取方式可保持tRNA与其氨基酸之间的不稳定化学键。随后对RNA进行凝胶电泳和Northern印迹,从而实现带电荷与不带电荷tRNA的分离。通过加入内参细胞进行归一化,可比较不同样品中特定tRNA的水平。在RNA纯化前,我们在每个样品中加入5%过表达稀有tRNAselC的大肠杆菌(E. coli)细胞。然后将样品中目标tRNA种类的量归一化为同一样品中tRNAselC的量。在RNA纯化前加入内参细胞,相较于加入纯化的内参RNA,其优势在于还能校正不同样品间细胞裂解效率的差异。
下文介绍一种通过Northern印迹法定量特定tRNA并测定其荷载水平的方法。该方法基于Varshney et al.1 首次建立的技术。通过将细胞收集至三氯乙酸(TCA)中,并在整个RNA纯化过程中将样品保持在0 °C,可保留tRNA与氨基酸之间的酯键2,3,4。由于共价结合的氨基酸导致迁移速率降低,氨基酰化tRNA在凝胶电泳和Northern印迹中可与其非酰化形式区分开来5。此外,我们还提供了一种通过添加过表达稀有tRNAselC 的外源对照细胞来标准化tRNA定量的实验方案4。
tRNA 是细菌细胞中含量最丰富的分子之一,也是翻译机制中至关重要的组成部分。tRNA 能够结合氨基酸,并将其转运至正在翻译的核糖体上。氨基酸与 tRNA 的结合(即氨酰化或荷载)由氨酰-tRNA 合成酶催化完成。不同荷载 tRNA 的相对丰度对于确保蛋白质合成的保真度至关重要,因为当某一信使 RNA(mRNA)密码子对应的同源荷载 tRNA 表达不足时,近同源 tRNA 错误地将其氨基酸递送至核糖体上正在延伸的多肽链的可能性就会增加6。荷载 tRNA 的重要性还体现在大肠杆菌(E. coli)细胞对 tRNA 荷载水平严重下降所引发的广泛应答——即严谨反应。在严谨反应过程中,细胞会降低 tRNA、核糖体 RNA 以及大多数 mRNA 的合成,转而优先转录与氨基酸生物合成和应激生存相关的特定 mRNA,同时细胞生长速率显著下降7。此外,我们及他人的近期研究表明,当存在限制翻译的应激条件时,E. coli 会主动降解其大部分 tRNA4,8,这提示调控 tRNA 水平可能在应对此类应激中发挥重要作用。因此,对 tRNA 丰度及其荷载水平进行可靠测定,将成为全面理解细菌应激反应的重要工具。
E.coli 常被用于表达重组蛋白,但由于不同物种间密码子使用存在差异,常会出现表达水平不理想的问题9。通过额外表达翻译重组mRNA所需的tRNA,可克服这一问题10。对这些菌株中tRNA荷载水平的测定,可为故障排查提供指导,并有助于优化蛋白表达。
该方法还可用于检测"错充电",即被非对应氨基酸氨酰化的tRNA分子。不同氨基酸的氨酰化可能导致tRNA在聚丙烯酰胺凝胶中的迁移速率略有差异1,11。在某些情况下,该方法还可用于区分其他方面相同但修饰模式不同的tRNA3。
另一种用于研究tRNA荷载水平的成熟生化方法是过碘酸氧化法。该方法基于以下观察结果:氨基酰化tRNA可免受过碘酸氧化,而非荷载状态的tRNA则不能。经过过碘酸氧化处理后,通过测定tRNA的再荷载情况来估算所提取RNA的荷载水平。然而,已有研究表明该处理过程会影响多种tRNA的再荷载,从而导致一定误差12。本文所介绍的方法可直接从纯化的RNA中测量荷载水平,从而避免了化学或酶促反应可能引入的偏差。该方法的一个局限性在于每次只能检测一种tRNA,因此尽管同一张Northern印迹膜可以经剥离后重新杂交检测多种tRNA,但要获取多种tRNA的数据仍较为耗时且操作繁琐。
一种可靠的样本间归一化方法在旨在比较不同样本中某分子相对含量的研究中至关重要。本文介绍一种针对RNA的归一化方法,其中取少量等分试样 E. coli 过表达稀有tRNA的细胞selC 在RNA纯化之前,将 spike-in 加入所有实验样品中。该方法不仅在检测tRNA时有用,而且在实验设计中无法确保所有样品内源性RNA的细胞浓度一致时,可用于任何RNA种类的相对定量。例如,某种RNA的水平 "管家基因" 核糖体RNA(rRNA)常作为内源性参照,用于比较不同样本间另一种RNA的相对含量13但如果参考RNA的细胞浓度在不同样本间存在差异,则这种方法用处不大;例如在应激反应期间采样时,核糖体RNA就可能出现这种情况。15,16,17 或进入稳定期时17在RNA纯化前向实验样品中加入外源 spike-in 细胞,可提供一种独立于取样设置的可靠且准确的标准化方法。另一种标准化方法是在RNA纯化后向实验样品中加入一种或多种外源 spike-in RNA。然而,该方法无法校正样品间RNA回收效率的差异。
使用 E. coli 过表达参考RNA的细胞作为加标细胞(参见 图1在一项实验中 E. coli 其缺点是会导致添加少量外源性物质 E. coli 向样品中加入总RNA。我们通过平行分析仅含spike-in细胞的样品来校正此添加量(参见Northern印迹) 图2, 标记的泳道 "selC")。本方案是为 E. coli K-12,但可能适用于大多数细菌种类。
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1. 细菌培养物的制备。

2. 加标细胞的制备
注意:使用表达 selC 基因的大肠杆菌(E. coli)菌株 MAS1074 作为内参菌株,该基因在异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)诱导型启动子的控制下编码 tRNAselC。
3. 实验样品的收获。
4. 添加加标细胞
注意:加标细胞的制备见步骤2。

5. RNA 的制备
注意:此处描述的 RNA 制备方案基本遵循 Varshney 等1 所述方法;为避免纯化过程中氨酰化 tRNA 发生脱酰基化,整个纯化过程必须始终保持样品处于酸性 pH 和 0 °C 条件下。使用洁净无菌的离心管或烧瓶盛装样品和溶液,并用超纯水(电阻率为 18.2 MΩ·cm)配制所有溶液。
6. 化学去酰化对照样品的制备
注意:为了在Northern印迹上区分氨基酰化tRNA与去酰化tRNA的条带,可通过碱性处理制备化学去酰化的等分试样。对于大多数实验目的,每张Northern印迹准备一个去酰化样品即可。
7. 凝胶电泳和Northern印迹
8. 探针的设计与验证
注意:Northern 印迹探针的精心设计与验证对于获得可靠结果并避免与其他 RNA 分子发生非特异性杂交至关重要。
9. Northern 印迹杂交
注意:在以下步骤中,将依次使用与目标特定 tRNA 互补的探针杂交膜,包括一个针对参考 tRNAselC 的特异性探针。
10. 膜的剥离
注意:在对另一条 tRNA 进行探针杂交之前,必须通过剥离膜以去除先前的探针。
11. tRNA 及其荷载水平的定量分析

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使用此处所述方法,测定了三种tRNA的丰度和荷载水平 E. coli 氨基酸饥饿前后K-12的反应。
不能精氨酸营养缺陷型菌株NF9154 (thr leu his argH thi mtl supE44 在补充有0.4%甘油的MOPS最小培养基中培养至少十个世代, 50 µg/mL 苏氨酸、亮氨酸、精氨酸和 5 µg/mL 组氨酸在 37 °C 以160 rpm振荡。通过过滤培养物并将其重悬于不含精氨酸的新鲜MOPS培养基中(方法同上)来诱导精氨酸饥饿。在精氨酸饥饿期间,蛋白质合成显著降低,但通过现有蛋白质降解所释放的精氨酸仍维持较低水平的蛋白质合成。样品在所示时间点收集。 图4在所有样品收获至TCA中后,加入过表达tRNA的MAS1074 spike-in细胞,占总量的5%
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本方案描述了如何同时测定特定 E. coli tRNA 的荷载水平,并比较不同样品中这些 tRNA 的相对含量。本方案的关键点包括:1)以保持细胞内 tRNA 荷载水平的方式处理样品;2)对 tRNA 量进行归一化处理,以确保不同样品间 tRNA 相对水平的可靠比较;3)确保所选探针对目标 tRNA 的特异性。以下将分别阐述这些要点。
tRNA 纯化
E. coli 的 tRNA 通过一种温和的方法进行纯化,该方法经过优化,可保留其细胞内的荷载水平。根据我们的经验,该方案主要提取长度短于 150 nt 的 RNA,因此 tRNA 在纯化的 RNA 中占较大比例。正因如此,不建议使用本方案纯化 E. coli 的总 RNA。本文所述方案也适用于其他 RNA(如小 RNA(sRNA))的检测与定量,无需进一步修改。由于该 RNA 提取方案富集短 RNA 序列,即使待研究的 sRNA 表达水平较低,该方法仍可有效应用。
通过外源添加细胞...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Marit Warrer 提供出色的技术支持。本工作由丹麦独立研究委员会 | 自然科学 [1323-00343B] 和丹麦国家研究基金会 [DNRF120] 资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 尿素 | Merck | 57-13-6 | 纯度 >99% |
| 聚丙烯酰胺 | Serva | 79-06-7 | |
| 双丙烯酰胺(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺) | BIO-RAD | 161-0201 | |
| 三氯乙酸(TCA) | Sigma | 76-03-9 | |
| 苯酚 | Merck | 108-95-2 | |
| IPTG | |||
| 葡萄糖 | |||
| 乙酸钠 | |||
| EDTA | |||
| 乙醇 | |||
| Tris | |||
| 盐酸 | |||
| 氯化钠 | |||
| NaH2PO4 | |||
| 柠檬酸钠 | |||
| SDS | |||
| 鲱鱼精子DNA | Sigma | 100403-24-5 | |
| BSA | |||
| 聚乙烯吡咯烷酮 | |||
| Ficoll | |||
| P32 γATP | Perkin Elmer | ||
| DNA寡核苷酸(探针) | TAG Copenhagen | ||
| Hybond N+膜 | GE Healthcare | RPN203B | |
| 交联剂 | |||
| 电转印仪 | BIO-RAD | ||
| Typhoon FLA 7000 扫描仪 | GE Healthcare | 28955809 | |
| 分光光度计 | |||
| 杂交炉 | |||
| 盖革-ü勒计数管 | |||
| 磷屏成像仪屏幕 | GE Healthcare | ||
| 杂交管 | |||
| 培养瓶 | |||
| 1.5 ml 微量离心管 | |||
| 20 ml 离心管 | |||
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 软件 | |||
| ImageQuant | GE Healthcare | ||
| Excel | Microsoft |
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