剪接体snRNA的生成是一个涉及多种细胞区室的复杂过程。在此,我们采用荧光标记的snRNA显微注射技术,以监测其在细胞内的转运过程。
剪接体snRNA的生成是一个涉及多种细胞区室的复杂过程。在此,我们采用荧光标记的snRNA显微注射技术,以监测其在细胞内的转运过程。
剪接体snRNA的生物合成是一个复杂的过程,涉及细胞核和细胞质两个阶段,最后一步发生在一种称为卡哈尔体(Cajal body)的核内结构中。然而,直到最近,指导snRNA定位于该核内结构的序列仍不明确。为了确定对snRNA在卡哈尔体中积累至关重要的序列,我们采用了荧光标记snRNA的显微注射技术,并随后观察其在细胞内的定位情况。首先,我们构建了snRNA的缺失突变体,制备了用于体外转录的DNA模板,并在含有与Alexa488偶联的UTP存在下转录生成snRNA。将标记后的snRNA与TRITC偶联的70 kDa葡聚糖混合,显微注射至人HeLa细胞的细胞核或细胞质中。细胞孵育1小时后固定,通过间接免疫荧光法显示卡哈尔体标志蛋白coilin,而snRNA以及作为核或细胞质注射标志的葡聚糖则直接通过荧光显微镜观察。该方法可高效、快速地检测各种序列对RNA细胞内定位的影响。在此,我们展示了Sm结合序列对于snRNA高效定位于卡哈尔体的重要性。
RNA剪接是基因表达中的关键步骤之一,由一种称为剪接体的大型核糖核蛋白复合物催化完成。在整个剪接过程中,超过150种蛋白质和5种小核RNA(snRNA)会在不同阶段整合到剪接体中。U1、U2、U4、U5和U6 snRNA参与主要的GU-AG内含子的剪接。这些snRNA以预先形成的核小核糖核蛋白颗粒(snRNP)形式进入剪接体,每个snRNP包含snRNA、与snRNA结合的7种Sm蛋白(或与U6 snRNA结合的类似Sm蛋白)以及1至12种特异于该snRNP的蛋白质。
snRNP的组装包括细胞质和细胞核两个阶段。新转录的snRNA被输出至细胞质,在那里结合由七种Sm蛋白组成的环状结构。该Sm环随后作为信号,介导snRNA重新输入细胞核。未能与Sm蛋白结合的有缺陷snRNA则滞留在细胞质中1。新进入细胞核的snRNP首先出现在卡哈尔体(Cajal body)中,在此处与snRNP特异性蛋白结合并完成成熟过程(详见文献2,3综述)。我们近期研究表明,抑制snRNP最终成熟步骤会导致未成熟snRNP在卡哈尔体中被隔离4,5。我们提出一个模型,即snRNP的最终成熟过程受到质量监控机制的调控,该机制监测snRNP特异性蛋白的正确添加以及功能性snRNP的形成。然而,细胞如何区分正确组装的成熟颗粒与异常的未成熟颗粒,其分子机制仍不清楚。
为了确定snRNA中对snRNA在核内卡哈尔体(Cajal bodies)中靶向定位和富集至关重要的序列,我们决定采用荧光标记snRNA的显微注射技术。显微注射是首选方法,原因如下:1)该方法无需额外添加序列标签即可区分合成snRNA与其内源性对应物,这对于空间有限、难以插入额外标签序列的短RNA尤为重要;2)该方法可用于分析对snRNA生成过程至关重要的序列。例如,Sm序列对于Sm蛋白环的组装以及snRNP重新进入细胞核至关重要6。当snRNA在细胞内表达时,缺乏Sm序列的snRNA会在细胞质中被降解,无法进入细胞核和卡哈尔体7。然而,缺乏Sm序列的snRNA可直接显微注射至细胞核内,从而可检测Sm序列在snRNA定位于卡哈尔体过程中的潜在作用。
本文详细描述了一种我们曾用于确定snRNA序列以将snRNA靶向定位于卡哈尔体所需的微注射方法5。我们证明,Sm结合位点和SMN结合位点共同存在时,足以将snRNA以及多种短链非编码RNA定位至卡哈尔体。基于微注射实验及其他证据,我们提出,组装在Sm结合位点上的Sm蛋白环结构即为卡哈尔体的定位信号。
1. 用于显微注射的snRNA制备
2. 细胞
3. 注射
注意:HeLa 细胞的显微注射在 Dulbecco 改良必需培养基(D-MEM,含 4.5 g/L D-葡萄糖、酚红和抗生素)中进行。注射使用显微注射仪和配备无菌针头的显微操作器完成(详见材料表)。整个显微镜/显微操作器系统需预先加热至 37 °C 并持续至少 4 小时,以防止显微镜和显微注射装置各部件发生温度波动。
4. 细胞固定与染色
5. 显微镜观察
为了监测snRNA的定位以及Sm结合位点在卡哈尔体靶向中的作用,我们制备了含有T7启动子的DNA模板,该模板包含全长U2 snRNA或缺失形成Sm结合位点的七个核苷酸(AUUUUUG)的U2 snRNA。snRNA通过体外转录生成,经分离后与TRITC标记的70 kDa葡聚糖混合。我们将含有体外转录snRNA的混合物显微注射至HeLa细胞的细胞核或细胞质中。
先前的研究表明,Sm结合位点对于核输入是必需的6。为了检测Sm位点是否在snRNA向卡哈尔体(Cajal body)的富集过程中也起重要作用,我们将缺失Sm位点的snRNA直接显微注射到细胞核内(图1A),而将注射到细胞质中的样本作为对照(图1B)。作为阳性对照,我们显微注射了全长snRNA(图1C、D)。显微注射后,将细胞在CO2培养箱中孵育60分钟,随后固定细胞,并通过间接免疫荧光法对卡哈尔体标志蛋白coilin进行可视化检测。全长snRNA在细胞核和细胞质注射后均能在卡哈尔体中富集。相比之下,缺失Sm位点的snRNA在注射到细胞质后仍滞留在细胞质中,这与先前的研究结果一致6。将缺失Sm位点的snRNA显微注射到细胞核内后发现,Sm结合序列对于snRNA在卡哈尔体中的定位具有重要作用。缺失Sm位点的U2 snRNA虽保留在细胞核内,但未能在卡哈尔体中富集(图1A)。
有时,仅向单一细胞区室的显微注射会失败,导致TRICT-葡聚糖-70kDa同时出现在细胞核和细胞质中(图2A)。这些细胞应从后续分析中剔除。尽管荧光标记的snRNA在注射前保存于-80 °C,但仍可能发生RNA降解。降解后的snRNA注入细胞质后无法转运至细胞核,而是滞留在细胞质中(图2B)。此类snRNA应予弃用,并需重新合成新的snRNA。

图 1:显微注射snRNA的定位。 缺失Sm位点(A、B)或全长(C、D)的Alexa488标记U2 snRNA被显微注射至HeLa细胞的细胞质或细胞核中。 Cajal小体(箭头)通过coilin免疫标记(红色)标识;snRNA以绿色显示。使用Dextran-TRITC-70kDa(黄色)监测核或细胞质注射;DNA用DAPI染色(蓝色)。箭头指示snRNA的细胞质定位。比例尺 = 10 μm。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2:显微注射方法的一个潜在缺陷。 (A)向某一区室的显微注射失败,导致WT U2 snRNA被同时注射到细胞质和细胞核中。请注意,Dextran-TRITC-70kDa(黄色)存在于两个细胞区室中。(B)WT U2 snRNA被注射到HeLa细胞的细胞质中(绿色),但大量snRNA仍滞留在细胞质中(箭头所示),表明注射的snRNA发生部分降解,并丢失了Sm结合位点。 Cajal小体(箭头)通过coilin免疫标记(红色)显示。 DNA用DAPI染色(蓝色)。比例尺 = 10 μm。 请点击此处查看此图的放大版本。
我们采用荧光标记snRNA的显微注射技术,以确定snRNA定位于核内卡哈尔体的关键序列。由于标记RNA的制备快速且相对简便(通过PCR制备DNA模板,随后进行体外转录),该方法可有效分析不同序列对RNA定位的贡献。在相对较短的时间内,我们已成功分析了U2 snRNA的十种不同的缺失或替换突变(参考文献5及未展示数据)。对于具有复杂生物合成途径的RNA,该方法还可用于检测其成熟所必需的序列。以snRNA为例,若缺失Sm结合序列(该序列是Sm环组装所必需的),会导致突变snRNA在细胞质中被隔离并降解7。另一优势在于,可同时注射两种不同标记的RNA,并在同一细胞内直接比较其定位情况。然而,由于不同荧光染料可能影响RNA的行为,每种荧光染料在双标记实验前均需单独验证。已有研究表明,长度达数百个核苷酸的RNA可成功注射,并在多种模式系统中检测其定位(详见参考文献8的综述)。对于较长RNA,其限制步骤通常在于全长RNA的体外合成。此外,也可注射已预先与蛋白质组装的RNA,以检测单个蛋白质对RNP定位的影响。在我们的研究项目中,我们注射了与Sm蛋白结合的snRNA,以验证Sm环在卡哈尔体定位中的作用5。最后,荧光标记RNA的显微注射可实现直接定量分析,无需额外步骤,此前已有针对snRNA的应用报道9。
在启动显微注射项目之前,还应考虑该方法存在的一些缺点。首先,尽管显微注射过程已实现部分自动化,但该方法仍依赖于操作者的手动技能和经验,研究人员需考虑培训所需的时间。实验方案中的关键步骤包括完整RNA的制备、显微注射以及随后在显微镜下识别已注射的细胞(参见下文“提示与故障排除”)。其次,显微注射对细胞造成显著的应激,许多细胞无法长期存活。尽管已有部分成功案例通过活细胞成像技术追踪细胞内显微注射的RNA10,但我们发现,当将显微注射与荧光显微镜下的活细胞成像结合使用时,细胞死亡率显著升高。第三,注入人细胞中的RNA量非常少,这限制了对注射RNA进行生物化学分析的可能性。这也意味着难以监测荧光标记核苷酸的掺入如何影响RNA的功能。因此,应将不同比例的标记-NTP与未标记NTP掺入野生型RNA中,并检测其定位情况,以确定荧光信号强度与标记RNA功能之间的最佳比例。此外,荧光染料的性质也可能影响RNA的定位。在我们的实验中,Alexa488-UTP的效果明显优于Alexa546-UTP。我们尚未深入探究这些差异的原因,但可能的一个原因是Alexa546的分子尺寸更大且形状不同于Alexa488。
综上所述,RNA显微注射是一种有效的RNA定位方法,但应始终与其他替代方法结合使用。在本研究中,我们成功地将MS2结合位点引入U2 snRNA,利用MS2-YFP监测其定位,并通过MS2系统验证了snRNA显微注射所获得的一些关键结果5。
提示与故障排除
每种细胞系的注射压力、补偿压力和注射时间均需通过实验确定。在细胞质显微注射情况下,我们采用的注射压力(Pi)为170 hPa,补偿压力(Pc)为50 hPa;而在细胞核显微注射情况下,Pi为200 hPa,Pc为80 hPa。两种情况下的注射时间均设置为0.2秒。有时可观察到细胞内物质出现轻微移动,这是注射成功的标志。若细胞破裂,则需降低注射压力。还应通过TRITC荧光通道检查补偿压力。当观察到有强烈液流从针尖涌出时,应降低补偿压力。
每次注射之间,务必检查细胞是否成功注入。通过TRITC荧光通道观察注入的Dextran-TRITC,以识别显微注射的细胞。如果未观察到任何显微注射的细胞,首先应增加注射压力和注射时间。其次,通过荧光通道(TRITC)检查注射针是否堵塞。若可见Dextran-TRITC从针尖微弱流出,则表明注射针功能正常,问题可能出在注射下限的设定上。设定该下限是一个非常关键且棘手的步骤。每个细胞的形态各不相同,因此需要频繁调整下限,以确保显微注射的准确性。
在理想情况下,应在针尖被细胞碎片堵塞前完成约 50 个细胞的显微注射。应定期检查针尖是否有荧光物质流出;如果未观察到德克萨斯红葡聚糖(Dextran-TRITC)从针尖流出,则说明针尖已堵塞。为清除堵塞,可按住注射仪上的 CLEAN 按钮持续 3 秒,以增加压力并尝试清除阻塞物。如果此方法无效,可尝试通过轻触培养皿底部来震断针尖。然而,该操作极为困难,需要大量实践经验,且无法保证成功。因此,对于初学者而言,建议更换注射针。
更换针头前,请按下注射器上的MENU按钮。将针头稍微上移,然后按压显微操作仪上的HOME键。此时针头会完全从培养基中升起,但显微操作仪会记住针头的原始位置,因此您无需重新寻找针头。更换针头后,再次按下HOME按钮,针头将回到原始位置,您应在显微镜下能够看到针尖。更换针头后,必须重新调整限位。然后再次按下注射器上的MENU按钮,针头即完成显微注射的准备工作。
成像过程中,最困难的部分是找到显微注射的细胞。为了定位这些细胞,应使用TRITC通道,因为在此通道下,TRITC标记的70 kDa葡聚糖比显微注射的snRNA产生的微弱Alexa488信号更易观察。使用带网格的盖玻片对此过程很有帮助。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了捷克科学基金会(18-10035S)、国家可持续发展计划I(LO1419)、机构支持(RVO68378050)、欧洲区域发展基金(CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_013/0001775)以及查理大学资助机构(GAUK 134516)的支持。我们进一步感谢捷克共和国布拉格分子遗传学研究所(IMG CAS)光学显微镜核心设施提供的支持(由捷克生物成像项目资助 - LM2015062)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ChromaTide Alexa fluor 488-5-UTP | ThermoFisher | C11403 | 储存浓度 1 mM |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基 - 高糖 | Sigma-Aldrich | D5796 | 含 4.5 g⁄L D-葡萄糖、酚红和抗生素 |
| FemtoJet express 显微注射仪 | Eppendorf | 5247000013 | |
| Femtotips II | Eppendorf | 930000043 | 显微注射针,内径 0.5 µm,外径 0.7 µm |
| 含 DAPI 的 Fluoromont G | SouthernBiotech | 0100-20 | |
| 糖原 | ThermoFisher | AM9510 | 储存浓度 5 mg/mL |
| 带网格的玻璃盖玻片 | Ibidi | 10817 | 带网格的盖玻片,无直接使用经验 |
| InjectMan NI 2 显微操作器 | Eppendorf | 5181000017 | |
| m3-2,2,7G(5')ppp(5')G 三甲基化帽类似物 | Jena Bioscience | NU-853-1 | 储存浓度 40 mM |
| MEGAshortscript T7 转录试剂盒 | ThermoFisher | AM1354 | |
| 显微镜盖玻片 12 mm,1 号 | Paul Marienfeld GmbH | 111520 | 用于常规实验 |
| 显微镜盖玻片 12 mm,1.5 号 | Paul Marienfeld GmbH | 117520 | 用于高分辨率成像 |
| DeltaVision 显微镜 | GE Healthcare | 用于图像采集 | |
| DMI6000 显微镜 | Leica | 用于显微注射 | |
| 32% 电镜级甲醛溶液 | EMS | 15714 | 溶于 PIPES,终浓度为 4% |
| 苯酚:氯仿 5:1 | Sigma-Aldrich | P1944 | |
| U2 扩增引物:正向:5’-TAATACGACT CACTATAGGGATCGCTTCT CGGCCTTTTGG, 反向:5´ TGGTG CACCGTTCCTGGAGGT | Sigma-Aldrich | 斜体部分为 T7 启动子序列 | |
| Phusion 高保真 DNA 聚合酶 | BioLab | M0530L | |
| RNasin Plus | Promega | N2615 | 储存浓度 40 mM |
| 异硫氰酸四甲基罗丹明标记的葡聚糖(65–85 kDa) | Sigma-Aldrich | T1162 | 溶于水,储存浓度 1 mg/mL |
| Triton-X100 | Serva | 37240 | 溶于水,储存浓度 10% |