多核糖体分析技术的总体目标是分析蛋白质合成过程中单个mRNA或转录组mRNA的翻译活性。该方法对于研究健康状态及多种人类疾病中的蛋白质合成调控、翻译激活与抑制具有重要意义。
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多核糖体分析技术的总体目标是分析蛋白质合成过程中单个mRNA或转录组mRNA的翻译活性。该方法对于研究健康状态及多种人类疾病中的蛋白质合成调控、翻译激活与抑制具有重要意义。
在快速变化的环境中,蛋白质在正确的时间以正确的量表达,是细胞正常功能和存活的基础。长期以来,基因表达研究主要集中于转录水平。然而,mRNA的稳态水平与蛋白质的合成量相关性较差,且mRNA的可翻译性在不同条件下差异显著。在某些生物体中,例如寄生虫Leishmania,蛋白质表达主要在翻译水平上进行调控。近期研究表明,蛋白质翻译的失调与癌症、代谢性疾病、神经退行性疾病及其他人类疾病密切相关。多聚核糖体分析(polysome profiling)是一种研究蛋白质翻译调控的有力方法,可用于检测单个mRNA的翻译状态,或在全基因组范围内分析翻译过程。该技术的基本原理是将细胞质裂解液通过蔗糖梯度离心,从而分离多聚核糖体、核糖体、核糖体亚基以及游离的mRNA。本文介绍了一种通用的多聚核糖体分析方案,已在三种不同的模型系统中应用:寄生虫Leishmania major、培养的人源细胞以及动物组织。其中,Leishmania细胞在悬浮液中自由生长,培养的人源细胞以贴壁单层形式生长,而小鼠睾丸则代表动物组织样本。因此,该技术已针对上述各类样本来源进行了优化适配。多聚核糖体组分的分析方案包括:通过RT-qPCR检测特定mRNA水平,通过Western blot检测蛋白质,以及通过电泳分析核糖体RNA。该方法还可进一步拓展,例如通过深度RNA测序(RNA-seq)在转录组水平上分析mRNA与核糖体的结合情况,或通过质谱分析各组分中与核糖体结合的蛋白质。该方法可轻松调整并适用于其他生物模型。
细胞中基因表达的调控受转录、转录后及翻译后机制的共同控制。深度RNA测序技术的进步使得在全基因组范围内以前所未有的精度研究稳态mRNA水平成为可能。然而,近期研究发现,稳态mRNA水平并不总是与蛋白质产量相关联1,2单个转录本的命运非常复杂,取决于多种因素,如内部/外部刺激、应激 等等蛋白质合成过程中基因表达的调控为应对环境变化提供了另一层表达控制机制,对于快速响应变化的条件至关重要。多聚核糖体(或称多核糖体) "多核糖体")分析,即分离和可视化活跃翻译的核糖体,是一种研究蛋白质合成调控的强有力方法。尽管其最早的实验应用可追溯至20世纪60年代3多核糖体分析目前是蛋白质翻译研究中最重要的技术之一4单个mRNA可被多个核糖体翻译,从而形成多聚核糖体。使用环己酰亚胺可使转录本在核糖体上停滞。5 通过蔗糖梯度超速离心进行多聚核糖体分馏,可分离含有不同数量多聚核糖体的mRNA6,7,8,9对多聚核糖体组分进行RNA分析,可实现全基因组范围内个体mRNA翻译状态变化的检测,并可用于不同生理条件下的动态监测4,7,10该方法还被用于揭示5'UTR和3'UTR序列在调控mRNA可翻译性中的作用11,研究miRNA在翻译抑制中的作用12,揭示核糖体生物合成中的缺陷13,并理解核糖体相关蛋白在人类疾病中的作用14,15在过去十年中,基因表达在翻译水平上的调控作用日益凸显,凸显了其在人类疾病中的重要性。在癌症、代谢性疾病和神经退行性疾病中,翻译调控的证据已十分充分。15,16,17,18例如,eIF4E依赖性翻译调控的失调会导致与自闭症相关的功能缺陷15 FMRP 参与调控与自闭症相关的 mRNA 上核糖体的停滞14因此,多聚核糖体分析是研究多种人类疾病中翻译调控缺陷的重要工具。
在不同生理条件下对多聚核糖体组分进行蛋白质分析,可解析与核糖体相关因子在翻译过程中的功能。多聚核糖体分析技术已广泛应用于多种物种,包括酵母、哺乳动物细胞、植物和原生动物10,19,20,21。诸如Trypanosoma和Leishmania等原生动物寄生虫对基因表达的转录调控极为有限。它们的基因组以缺乏启动子调控转录的多顺反子基因簇形式组织22。相反,在锥虫类物种中,发育相关的基因表达主要在蛋白质翻译和mRNA稳定性水平上进行调控23,24。因此,理解在缺乏转录调控的情况下翻译控制机制,对这些生物体尤为重要。多聚核糖体分析是研究Leishmania中基因表达转录后调控的有力工具25,26,27,28。
近年来,通过实时定量PCR(RT-qPCR)检测单个mRNA水平、利用高通量测序分析全转录组,以及蛋白质组学技术的发展,使多聚核糖体分析(polysomal profiling)的分辨率和优势达到了新的高度。结合深度RNA测序与蛋白质组学分析对单个多聚核糖体组分进行研究,可进一步拓展这些方法的应用,实现全基因组水平上对细胞翻译状态的监测。这有助于鉴定在不同生理和病理条件下调控翻译过程的新分子因子。本文介绍了一种通用的多聚核糖体分析方案,已在三种不同模型系统中应用:寄生虫Leishmania major、培养的人源细胞以及动物组织。我们提供了针对不同生物来源样品制备裂解液的建议,梯度条件的优化策略,RNase抑制剂的选择,以及在本研究中如何应用RT-qPCR、Western blot和RNA电泳技术对多聚核糖体组分进行分析。
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本研究中所有动物处理及组织获取操作均依照德克萨斯理工大学健康科学中心机构动物护理与使用委员会批准的方案进行,符合美国国立卫生研究院动物福利指南,方案编号96005。请根据机构动物护理与使用委员会的指南实施脊椎动物的安乐死并准备组织。若无此类委员会,请参照美国国立卫生研究院动物福利指南。实验使用成年(>60日龄)C57BL/6小鼠。所有动物和组织的获取均遵循德克萨斯理工大学健康科学中心机构动物护理与使用委员会批准的方案,并符合美国国立卫生研究院动物福利指南。实施安乐死时,将一只小鼠放入小型密闭容器中,逐渐用约30%的二氧化碳置换空气,以麻醉动物并最大程度减少其痛苦。在动物呼吸停止后,于组织采集前采用颈椎脱位法确认其死亡。
注意:所有涉及活体 利什曼原虫 在生物安全二级认证实验室的生物安全柜中进行人源培养细胞的操作。
1. 从Leishmania Major、培养的人类细胞及小鼠组织制备胞质裂解物
注意:不同来源材料的裂解液制备存在若干差异。其他步骤,包括蔗糖梯度制备和多聚核糖体组分分离,则完全相同,且不依赖于样品来源。
2. 蔗糖梯度制备与超速离心
3. 多聚核糖体分级分离与样品收集
注意:尽管裂解液的制备方法因来源不同而有所差异,但所有类型的裂解液在梯度溶液制备和多聚核糖体分离步骤上均采用相同的方案。
4. 合成RNA的制备 体外 用于RT-qPCR数据分析中mRNA水平的标准化
注意: E. coli OmpA mRNA 在本方案中用于归一化。任何其他与所研究生物体(哺乳动物或 利什曼原虫)可以使用。
5. 从梯度组分中分离RNA及cDNA制备
注意:如果使用了RNase抑制剂作为核糖核酸酶抑制剂,则可直接按照本方案进行RNA纯化。然而,肝素作为核糖核酸酶抑制剂时会抑制cDNA合成过程中所用的逆转录酶。因此,若裂解缓冲液和梯度中使用了肝素,则需要对RNA进行额外纯化。如果使用了肝素,请参见第6部分以准备用于cDNA合成的RNA。
6. 从肝素污染中纯化 RNA
注意:肝素会抑制逆转录酶等核酸处理酶的活性。因此,当裂解缓冲液和/或梯度液中使用肝素时,需采用此附加纯化步骤。
7. mRNA 分布的 RT-qPCR 及数据分析
8. 通过蛋白质印迹法分析多聚核糖体组分中的蛋白质
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本研究中,我们描述了多聚核糖体分析技术在三种不同来源中的应用:寄生性Leishmania major、培养的人源细胞以及小鼠睾丸组织。Leishmania细胞在液体悬浮培养基中自由生长,培养的人源细胞则以贴壁单层形式在培养板上生长,而小鼠睾丸代表一种组织样本。该方法可轻松调整用于其他类型的悬浮自由生长细胞、不同类型的组织、其他生物体或不同类型的培养细胞。该技术流程主要包括四个步骤:裂解液制备、蔗糖梯度制备及超速离心、多聚核糖体分级分离与样品收集,随后对各组分进行分析。来自不同来源的细胞被收集、洗涤后,通过针头反复抽吸或使用Dounce匀浆器在裂解缓冲液中裂解。通过离心去除细胞碎片,从而澄清裂解液。梯度分级分离的示意图见图1A。通过梯度混合仪将10%和50%的蔗糖溶液混合,形成连续的蔗糖梯度。将裂解液加于梯度顶部。超速离心可分离与不同数量核糖体结合的mRNA,并在分级过程中通过紫外检测器监测,形成特征性的吸光度谱图。收集的各级分可用于RNA和蛋白质分析(
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蔗糖梯度离心结合各组分的RNA和蛋白质分析,是一种用于研究特定mRNA或全转录组的翻译状态,以及在正常生理或疾病状态下调控翻译机制的蛋白质因子作用的强有力方法。多聚核糖体分析是一种特别适用于研究锥虫等动基体类生物中翻译调控的实验技术。 利什曼原虫 其中转录调控基本缺失,基因表达的调控主要在翻译过程中进行。
本文介绍了一种用于三种模型的多聚核糖体分离方案:Leishmania 寄生虫、培养的人源细胞和小鼠组织。本研究中所用不同生物体的多聚核糖体分离步骤基本相同;然而,裂解液的制备存在一些差异。Leishmania 细胞在液体培养基中生长,通过离心收集,并在裂解前进行细胞计数,以确保在梯度中上样量相等。人源细胞可在培养板上直接洗涤并裂解,上样量的均一性通过光密度进行控制。小鼠组织需要使用Dounce匀浆器进行有效裂解,而对于利什曼原虫和人源细胞,仅需通过23号针头反复吹打即可完成裂解。
所使用的所有试剂均应无RNase和蛋白酶。我们比较了肝素和RNase抑制剂在细胞质裂解液中对...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢Ching Lee在音频录制方面的帮助。本研究得到了德克萨斯理工大学健康科学中心启动资金以及转化神经科学与治疗学卓越中心(CTNT)资助项目PN-CTNT 2017-05 AKHRJDHW(A.L.K.)的支持;部分由美国国立卫生研究院(NIH)资助项目R01AI099380(K.Z.)支持。James C. Huffman和Kristen R. Baca为STEM教育整合中心(CISER) & 研究)学者,并获得了该项目的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 仪器: | |||
| 梯度混合器 | Biocomp Instruments Inc. | 108 | |
| 活塞式梯度分部收集器 | Biocomp Instruments Inc. | 152 | |
| 组分收集器 | Gilson, Inc. | FC203B | |
| NanoDrop One | Thermo Scientific | NanoDrop One | |
| 尼康倒置显微镜 | Nikon | ECLIPSE Ts2-FL/Ts2 | |
| 2720 梯度 PCR 仪 | Applied Biosystems by Life Technologies | 4359659 | |
| CO2 培养箱 | Panasonic Healthcare Co. | MCO-170A1CUV | |
| HERATHERM 培养箱 | Thermo Scientific | 51028063 | |
| II 级 A2 型生物安全柜 | NuAire Inc. | NU-543-400 | |
| Revco 超低温冰箱 | Revco Technologies | ULT1386-5-D35 | |
| Beckman L8-M 超速离心机 | Beckman Coulter | L8M-70 | |
| 离心机 | Eppendorf | 5810R | |
| 离心机 | Eppendorf | 5424 | |
| SW41 超速离心转子 | Beckman Coulter | 331362 | |
| 摆桶式转子 | Eppendorf | A-4-62 | |
| 固定角转子 | Eppendorf | F-45-30-11 | |
| Quant Studio 12K Flex 实时荧光定量 PCR 仪 285880228 | Applied Biosystems by life technologies | 4470661 | |
| TC20 自动细胞计数仪 | Bio-Rad | 145-0102 | |
| 血细胞计数板 | Hausser Scientific | 02-671-51B | |
| 软件 | |||
| Triax 软件 | Biocomp Instruments Inc. | ||
| 材料: | |||
| 细胞计数仪用双腔计数载片 | Bio-Rad | 145-0011 | |
| 1.5 mL 微量离心管 | USA Scientific | 1615-5500 | |
| 开口顶聚碳酸酯离心管(14 mm × 89 mm) | Seton Scientific | 7030 | |
| 5 mL 注射器 | BD | 309646 | |
| BD 3 mL 注射器,23 号针头,1 英寸 | BD | 10020439 | |
| Nunclon Delta 表面培养皿,14 cm | Thermo Scientific | 168381 | |
| Nunclon Delta 表面培养皿,9 cm | Thermo Scientific | 172931 | |
| Nalgene 快速流 90 mm 滤器装置,500 mL,0.2 aPES | Thermo Scientific | 569-0020 | |
| BioLite 75 cm3 培养瓶 | Thermo Scientific | 130193 | |
| Nunc 50 mL 圆锥形离心管 | Thermo Scientific | 339653 | |
| 化学试剂: | |||
| Trizol LS | Ambion by Life Technologies | 10296028 | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | |
| Trizma 碱 | Sigma | T1378-5KG | |
| 高糖 Dulbecco 改良 Eagle 培养基(DMEM) | Sigma | D6429-500ML | |
| 胎牛血清(FBS) | Sigma | F0926-50ML | |
| 青霉素-链霉素(P/S) | Sigma | P0781-100ML | |
| Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668-019 | |
| Dulbecco 磷酸盐缓冲液(DPBS) | Sigma | D8537-500ML | |
| 六水合氯化镁(MgCl2×6H2O) | Acros Organics | AC413415000 | |
| 氯化钾(KCl) | Sigma | P9541-500G | |
| Nonidet P-40(NP-40) | Fluka (Sigma-Aldrich) | 74385 | |
| 重组 Rnasin 核糖核酸酶抑制剂 | Promega | N2511 | |
| 肝素钠盐 | Sigma | H3993-1MU | |
| cOmplete Mini 无 EDTA 蛋白酶抑制剂 | Roche Diagnostics | 11836170001 | |
| 糖原 | Thermo Scientific | R0551 | |
| 水 | Sigma | W4502-1L | |
| 放线菌酮(Cycloheximide) | Sigma | C7698-1G | |
| 氯仿 | Fisher Scientific | 194002 | |
| 二硫苏糖醇(DTT) | Fisher Scientific | BP172-5 | |
| 溴化乙锭 | Fisher Scientific | BP-1302-10 | |
| 乙二胺四乙酸二钠二水合物(EDTA) | Fisher Scientific | S316-212 | |
| OptiMEM | Life Technologies | 22600050 | |
| 嘌呤霉素二盐酸盐 | Sigma | P8833-100MG | |
| 蔗糖 | Fisher Scientific | S5-3KG | |
| 胰蛋白酶-EDTA 溶液 | Sigma | T4049-100ML | |
| 高容量 cDNA 反转录试剂盒 | Applied Biosystems by life technologies | 4368814 | |
| Power SYBR Green PCR 主混合液 | Applied Biosystems by life technologies | 4367659 | |
| HCl | Fisher Scientific | A144SI-212 | |
| 异丙醇 | Fisher Scientific | BP26324 | |
| 氢氧化钾(KOH) | Sigma | 221473-500G | |
| 抗 RPL11 抗体 | Abcam | ab79352 | |
| 核糖体蛋白 S6(C-8)抗体 | Santa Cruz Biotechnology Inc. | sc-74459 | |
| 1× M199 | Sigma | M0393-10X1L | |
| 氯化锂 | Sigma | L-9650 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Fisher Scientific | D128-500 | |
| 凝胶加样缓冲液 II | Thermo Scientific | AM8546G | |
| UltraPure 琼脂糖 | Thermo Scientific | 16500-100 | |
| 三氯乙酸(TCA) | Fisher Scientific | A322-100 | |
| SuperSignal West Pico PLUS 化学发光底物 | Thermo Scientific | 34580 | |
| 甲醛 | Fisher Scientific | BP531-500 | |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | Sigma | L5750-1KG | |
| 苯甲基磺酰氟(PMSF) | Sigma | P7626-5G | |
| RNeasy Mini 试剂盒 | Qiagen | 74104 | |
| 5′-三磷酸腺苷二钠盐水合物(ATP) | Sigma | A1852-1VL | |
| 5'-三磷酸胞苷二钠盐水合物(CTP) | Sigma | C1506-250MG | |
| 5'-三磷酸尿苷三钠盐水合物(UTP) | Sigma | U6625-100MG | |
| 5'-三磷酸鸟苷钠盐水合物(GTP) | Sigma | G8877-250MG | |
| SP6 RNA 聚合酶 | NEB | M0207S | |
| 焦磷酸酶 | Sigma | I1643-500UN | |
| 亚精胺 | Sigma | S0266-1G |
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