本文介绍了一种利用RNA-seq技术监测S. cerevisiae细胞在低氧应答过程中随时间变化的mRNA水平的实验方案。该方法可适用于分析任何细胞应答过程中的基因表达变化。
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本文介绍了一种利用RNA-seq技术监测S. cerevisiae细胞在低氧应答过程中随时间变化的mRNA水平的实验方案。该方法可适用于分析任何细胞应答过程中的基因表达变化。
基因表达的复杂变化通常介导了细胞应答的大部分过程。每个基因的表达变化都可能具有独特的动力学特征,因为其受到多种刺激、信号通路或次级效应在特定时间上的调控。为了全面捕捉酵母细胞对缺氧的基因表达应答 S. cerevisiae,采用RNA-seq分析检测细胞在缺氧暴露后特定时间点所有基因的mRNA水平。缺氧条件通过将细胞培养于约100% N₂环境中建立2 气体。重要的是,与其他缺氧研究不同,培养基中未添加麦角固醇和不饱和脂肪酸,因为这些代谢物会影响基因表达。选择缺氧后0 - 4小时的时间点,因为该时间段涵盖了基因表达的主要变化。在每个时间点,处于对数中期的缺氧细胞被迅速过滤并冷冻,以限制其暴露于O₂2 以及基因表达的伴随变化。从细胞中提取总RNA,用于富集mRNA,随后将其反转录为cDNA。基于该cDNA构建多重文库,并在下一代测序仪的一个测序通道中对八个或更多样本进行测序。文中描述了测序后的分析流程,包括碱基质量修剪、序列比对及每基因读段数的统计。利用R统计环境中的DESeq2工具,鉴定在任一缺氧时间点发生显著变化的基因。对三个生物学重复样本的分析显示结果具有高度可重复性,揭示了具有不同动力学特征的基因以及大量预期的O2受调控的基因。这些方法可用于研究不同生物体的细胞随时间对缺氧的反应,并可加以适应以研究其他细胞应答过程中的基因表达。
许多生物通过改变基因表达来响应缺氧(即低 O2)1,2,3。这种应答有助于细胞应对有氧呼吸及多种生物合成反应所必需的底物缺乏,同时也应对氧化还原状态的变化4。在S. cerevisiae中开展的多项微阵列研究表明,成百上千个基因的mRNA水平会随缺氧而发生变化5,6,7,8,9,10,11,12。最近,RNA-seq 被用于刻画缺氧过程中随时间变化的基因表达改变13。本文将介绍并讨论该实验的具体细节。
缺氧可以通过多种方式实现,每种方法产生的 O2 水平不同。此处通过向烧瓶中持续通入超纯氮气(N2)来建立缺氧环境,可迅速且可重复地降低溶解氧浓度 [O2] 10。尽管可能存在少量残余的 O2 分子参与代谢和基因表达,但该环境被认为已非常接近无氧状态。在缺乏 O2 的情况下,酵母细胞无法生物合成血红素、麦角固醇和不饱和脂肪酸 4,12,14。因此,以往的研究在无氧培养酵母时通常会添加这些代谢物 5,10,15。然而,许多缺氧应答是由这些代谢物的耗竭所介导的,因此补充这些物质会逆转缺氧引起的基因表达变化 12,16。为了模拟自然状态下的缺氧环境,本实验未在培养基中添加这些代谢物。在细胞短暂暴露于缺乏这些必需代谢物的缺氧条件期间,未观察到明显的细胞死亡增加(数据未显示),也未出现持续的应激反应 13。
该反应还依赖于菌株及其基因型。尤其重要的是已知缺氧反应调控因子的等位基因2。S288C菌株背景备受青睐,以便能将实验结果与使用该菌株进行的其他基因组学研究进行比较。然而,S288C菌株携带一个HAP1基因的部分功能缺失型等位基因17,而HAP1是一种对缺氧反应至关重要的转录调控因子。该等位基因已通过来自Σ1278b菌株背景的野生型拷贝在S288C中得到修复11。
基因表达高度依赖于细胞所处的环境。因此,在进行全基因组mRNA分析时,应在保持环境条件恒定的同时改变另一个参数,例如时间、刺激因素或基因型。为了获得高度可重复的实验结果,在整个研究及其所有生物学或技术重复中应遵循以下三项实践。首先,应由同一名或同一组实验人员完成全部实验,因为不同实验人员的操作技术可能存在差异。其次,培养基中应使用同一批次的试剂成分,因为不同批次的成分可能存在微小差异,从而影响基因表达。第三,为尽量减少细胞周期的影响,每个时间点的细胞应处于对数生长中期(1 - 2 × 107 个细胞/mL)且为异步生长状态。
在表征缺氧引起的基因表达反应等复杂响应时,时间序列实验有助于确定各个事件发生的时间动力学。应选择能够捕捉到响应过程中主要变化的特定时间点。在本研究中,观察了0至4小时之间的时间点,因为以往的实验表明,在此期间基因表达发生了广泛的变化13。
为了检测全基因表达,采用了RNA-seq技术18,19。该方法利用下一代测序技术来确定每个基因转录本的相对丰度。与DNA微阵列分析相比,RNA-seq具有更高的灵敏度(可检测丰度较低的转录本)、更宽的动态范围(可测量更大的倍数变化)以及更优的可重复性(可准确追踪基因表达随时间的变化)。通常情况下,细胞中大多数RNA为核糖体RNA,因此已开发出多种方法用于富集特定类型的RNA20。本研究中使用了poly-T磁珠来纯化含有poly-A尾的mRNA转录本,但市面上可获得的各种rRNA去除试剂盒在mRNA富集方面也可能有效。
本研究对 S. cerevisiae 在低氧条件下的基因表达响应进行了表征。将细胞暴露于低氧环境中,并在八个时间点(0、5、10、30、60、120、180 和 240 分钟)取样。为验证实验的可重复性并识别具有统计学显著变化的转录本,共进行了三次生物学重复实验。通过机械裂解和柱纯化方法提取 RNA,随后进行 RNA-seq 分析。文中描述了测序后的分析流程,并提供了编程脚本,以实现所进行分析的精确重复。具体而言,使用 Trimmomatic 21、TopHat2 22、HTseq 23、R 统计环境 24 以及 DESeq2 软件包 25 处理 RNA-seq 数据,鉴定出在低氧过程中显著变化的 607 个基因。主成分分析(PCA)及重复样本的基因表达结果表明该技术具有良好的可重复性。聚类分析和热图揭示了广泛的基因表达动力学特征,而基因本体(GO)分析显示,在受氧气调控的基因集合中,许多细胞过程(如有氧呼吸)显著富集。
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1. 诱导缺氧
2. RNA 提取
3. 确定RNA浓度和质量
4. RNA-seq 分析
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缺氧时间进程和RNA-seq分析独立重复了三次。为检验三次重复实验的可重复性,对所有基因的基因表达数据进行了主成分分析(PCA)。图2展示了样本在前两个主成分上的变化情况,这两个主成分共同解释了58.9%的变异。该分析表明,每次时间进程的变化趋势相似(表现为各曲线形状相似)。此外,后两次重复实验之间的相似性高于它们与第一次重复实验的相似性。这与以下事实一致:后两次重复由同一人使用相同批次的培养基组分完成,而第一次重复则由不同人员使用不同批次完成。该结果强调了实验操作技术和试剂的一致性是获得高可重复性的关键因素。最后,PCA分析有助于评估所选时间点是否捕捉到了时间进程中发生的主要变化。聚焦于单条重复曲线,早期样本之间的距离较大,表明基因表达发生显著变化;而后期样本之间的距离较小,表明变化幅度减小,可能已接近从有氧到缺氧基因表达转换的终点。
接下来,使用 R 中的 DESeq2 软件包
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在本研究中,测定了酵母在低氧条件下所有基因的mRNA水平 S. cerevisiae目标是分析在受控的近无氧环境中生长时全局基因表达的变化情况。为确保本文所述方法的严谨控制和可重复性,采取了多个步骤。首先,细胞被暴露于精确设定的低氧环境中:99.999% N₂2 在丰富培养基(YPD)中。其他关于缺氧的研究则将烧瓶或试管对空气封闭 32,使用了模拟缺氧的氯化钴 33,或使用诱导缺氧的厌氧室或厌氧袋 34每种方法可能导致不同程度的缺氧或其他非预期的环境变化。在系统性改变气体混合物的同时研究基因表达将具有重要意义。例如,90% N2 和10% O₂2),因为野生酵母可能经历的缺氧条件较不严苛。其次,麦角固醇和不饱和脂肪酸(例如,未向培养基中添加Tween 80),因为如引言中所述,这些成分会影响基因表达。第三,为尽量减少因生长阶段不同而导致的基因表达变化,根据经验确定稀释比例,使培...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢普林斯顿大学刘易斯-西格勒综合基因组学研究所测序核心设施在技术方面的指导以及在RNA文库制备和测序方面的支持。本研究得到了罗文大学和美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所(NIH NIGMS)R15GM113187基金对M.J.H.的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 封闭式干燥培养箱 | 赛默飞世尔科技 | MaxQ 4000 | 设为30 °C. 修改门以允许一根Tygon管通过。或者,使用New Brunswick G25培养箱,该培养箱配有管道接口。请勿使用开放式水浴摇床,因为冷凝水会积聚在连接烧瓶的管道之间,可能导致培养物交叉污染。 |
| 微型分析滤膜夹 | Millipore | XX1002530 | 25毫米直径,不锈钢支架,5号打孔硅胶塞安装于标准125毫升抽滤瓶 |
| 强真空 | 爱德华兹 | E-LAB 2 | 这 “房屋” 真空可能过弱。或者,可使用电动便携式真空泵,例如此处列出的型号。 |
| 1,000 mL 烧瓶 | 用作真空陷阱。 | ||
| 约2英尺长的厚壁真空管,内径3/8英寸,外径7/8英寸 | Tygon | 38TT | 两部分:第一部分将真空装置连接至捕集阱,第二部分将捕集阱连接至过滤系统。 |
| 高压氮气2 气罐 | 99.999% 纯度, >1,000 psi,配备调节器和气体流量控制器 | ||
| 已灭菌的500 mL烧瓶 | 用铝箔封口,每种酵母菌株一个。 | ||
| 经高压灭菌的 250 mL 三角瓶 | 用铝箔覆盖开口,每个时间点一个,另加两个用于水陷阱。 | ||
| 锥形瓶塞(6号,两个直径为5 mm的孔) | 用70%乙醇灭菌。每个烧瓶各用一个。 | ||
| 玻璃管,长度9厘米或17厘米,内径2毫米,外径5毫米 | 用70%乙醇灭菌。每个烧瓶配两根试管。将试管插入每个瓶塞的孔中。参见图1了解9 cm与17 cm试管的放置方式。 | ||
| 长约 25 厘米、内径 5 毫米的塑料管 | Tygon | E-3603 | 每个烧瓶各一片。使用70%乙醇灭菌。 |
| 无菌滤膜圆片 | Millipore | HAWP02500 | 25 mm 直径,0.45 µm 孔径,每个时间点各一个 |
| 无菌去离子水2O(约100 mL) | |||
| 1 mL 比色皿 | 用于测定OD600(即细胞浓度) | ||
| 50 mL 无菌离心管 | 每个时间点一个 | ||
| 洁净且无菌的镊子 | |||
| 液氮 | 用于细胞冻存 | ||
| 酸洗珠 | Sigma | G8772 | 4℃保存 °用于裂解细胞的 C 液 |
| Qiagen RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | 用于RNA柱纯化 |
| Qiagen RLT 缓冲液 | 加入10制备 µL of β每1 mL RLT缓冲液中加入-巯基乙醇,4℃保存 °C. | ||
| 2 mL 收集管 | Qiagen | 包含在Qiagen RNeasy Mini Kit中 | |
| 缓冲液 RPE | Qiagen | 包含在Qiagen RNeasy Mini Kit中 | |
| 缓冲液 RW1 | Qiagen | 包含在Qiagen RNeasy Mini Kit中 | |
| DNase I 储存液与工作液 | Qiagen | 79254 | DNase I 酶以冻干粉末形式保存于玻璃小瓶中。使用无菌针头和注射器,向瓶内注入 550 µ将无RN酶水(Qiagen试剂盒提供)加入小瓶中。通过轻轻倒置瓶子进行混匀。为避免酶变性,请勿涡旋震荡。使用移液器将此储存液从小瓶中移出,并储存于-20℃冰箱中。 °C) 分装成单次使用量(80 µL 每份)。该储备液不应反复冻融。 |
| 缓冲液 RDD | Qiagen | 包含在Qiagen DNase试剂盒中 | |
| 冰冻的 2 mL 螺口管 | 用于RNA提取过程中的细胞裂解 | ||
| 珠磨均质器 | Biospec Mini-Beadbeater-24 | 112011 | 保持在冷室中 |
| Bacto Peptone | BD | DF0118 | YPD液体培养基 |
| 酵母提取物(Bacto) | BD | DF0886 | YPD液体培养基 |
| 葡萄糖 | Fisher | D16 | YPD液体培养基 |
| Qubit 检测管 | 赛默飞世尔科技 | Q32856 | 用于测量核酸浓度 |
| Quant-iTTM dsDNA BR 检测试剂盒 | Thermo Fisher | Q32853 | 用于测量核酸浓度 |
| Quant-iTTM RNA 检测试剂盒 | 赛默飞世尔科技 | Q32855 | 用于测量核酸浓度 |
| Qubit 荧光仪 | 赛默飞世尔科技 | Q33216 | 用于测量核酸浓度 |
| 商用电泳系统 | 安捷伦 | Bioanalyzer 2100 | 用于测量核酸质量 |
| 下一代测序仪 | Illumina | HiSeq 2500 | 用于测序文库 |
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| Samtools,包含 gzip 命令 | http://www.htslib.org/download/ | ||
| Trimmomatic | http://www.usadellab.org/cms/?page=trimmomatic | ||
| Bowtie2(在安装 TopHat 之前安装) | http://bowtie-bio.sourceforge.net/bowtie2/index.shtml | ||
| TopHat | https://ccb.jhu.edu/software/tophat/index.shtml | ||
| HTSeq | http://www-huber.embl.de/HTSeq/doc/overview.html | ||
| R(在安装 R Studio 之前安装) | https://cran.rstudio.com | ||
| R Studio(免费版) | https://www.rstudio.com/products/rstudio/download/ |
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