甲基化RNA免疫沉淀实验是一种基于抗体的方法,用于富集甲基化的RNA片段。结合深度测序技术,可鉴定携带m5C修饰的转录本。
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甲基化RNA免疫沉淀实验是一种基于抗体的方法,用于富集甲基化的RNA片段。结合深度测序技术,可鉴定携带m5C修饰的转录本。
RNA上的二级碱基修饰(如m5C)会影响修饰后RNA分子的结构与功能。甲基化RNA免疫沉淀结合测序(MeRIP-seq)是一种旨在富集甲基化RNA并最终鉴定出修饰转录本的方法。简而言之,将超声处理后的RNA与针对5-甲基胞嘧啶的抗体孵育,并借助蛋白G磁珠进行沉淀。富集得到的RNA片段随后进行测序,通过测序读段的分布情况和峰识别来定位潜在的甲基化位点。MeRIP-seq可应用于任何生物体,因其无需预先了解序列信息或修饰酶的相关知识。此外,除片段化处理外,RNA不经历其他任何化学或温度处理。然而,与其他方法不同,MeRIP-seq无法实现甲基化位点的单核苷酸精度预测,尽管可将甲基化区域缩小至数个核苷酸范围内。通过使用针对不同修饰类型的特异性抗体,MeRIP可被调整以适用于RNA上存在的多种碱基修饰,从而拓展该方法的潜在应用范围。
在生命三界中,RNA分子都会经历转录后修饰,针对这些具有功能意义的生化修饰的研究被称为“表观转录组学”。表观转录组学是一个快速发展的领域,目前已有多种方法被开发用于研究和绘制RNA分子上的修饰图谱(综述见1,2)。目前已发现超过一百种RNA修饰,这些修饰存在于rRNA、tRNA、其他非编码RNA以及mRNA中3,4。尽管tRNA和rRNA中化学多样性丰富的转录后修饰的存在形式与功能已被广泛研究5,6,7,8,但mRNA修饰的系统性表征直到近期才得以开展。在植物中,迄今已鉴定出多种mRNA修饰,包括帽子结构上的m7G9、m1A10、hm5C11,12以及尿苷酸化修饰13。然而,在拟南芥中,仅有m6A10,14,15、m5C11,16,17和假尿苷(pseudouridine)18实现了全转录组水平的定位。转录后mRNA碱基修饰参与调控多个发育过程19,20。
表观转录组学中最常用的方法之一是甲基化RNA免疫沉淀结合深度测序(MeRIP-seq)。MeRIP-seq于2012年开发,用于研究哺乳动物细胞中的m6A修饰21,22。该方法需要使用针对目标修饰的特异性抗体,旨在富集携带修饰核苷酸的RNA片段。随后通常进行深度测序以鉴定和定位富集的RNA片段,或通过定量PCR验证特定的RNA靶标。MeRIP的准确性依赖于抗体对目标修饰核苷酸的特异性识别能力,以区别于其他相似的修饰(例如m5C和hm5C11,23)。除了m6A,MeRIP-seq还已被应用于多种生物中m1A和m5C RNA甲基化的研究11,17,23,24,25。
胞嘧啶在第五位碳原子上的甲基化(m5C)是最常见的DNA修饰26,27,同时也是最常见的RNA修饰之一3,4。尽管m5C早在1975年就在真核生物mRNA中被发现28,但直到最近,研究才开始聚焦于在编码RNA和非编码RNA中全转录组水平地绘制这种修饰图谱11,16,17,23,29,30,31,32,33,34。
在m5C RNA研究中使用的替代方法包括将未甲基化的胞嘧啶通过化学转化变为尿嘧啶(亚硫酸氢盐测序)以及基于已知RNA胞嘧啶甲基转移酶与其RNA靶标不可逆结合的免疫沉淀实验(miCLIP、aza-IP)。简而言之,亚硫酸氢盐测序利用了5-甲基胞嘧啶对亚硫酸氢钠处理具有抗性,而未修饰的胞嘧啶则会被脱氨转化为尿嘧啶的特性。该方法最初为DNA设计,后也被应用于RNA,许多研究已采用此方法检测RNA中的m5C位点16,23,29,32,34,35。miCLIP和aza-IP均需事先了解特定的RNA胞嘧啶甲基转移酶,并使用相应的抗体。在miCLIP(甲基化单核苷酸分辨率交联免疫沉淀)方法中,甲基转移酶携带单个氨基酸突变,使其能够结合RNA底物但无法解离30。而在aza-IP(5-氮杂胞苷介导的RNA免疫沉淀)中,当外源提供的5-氮杂胞苷(5-azaC)被RNA聚合酶掺入目标RNA分子后,5-azaC核苷与RNA胞嘧啶甲基转移酶之间会形成不可逆结合31。
这三种方法的主要优势在于能够实现m5C的单核苷酸分辨率定位。此外,miCLIP和aza-IP可提供特定RNA胞嘧啶甲基转移酶作用靶点的信息,从而更深入地解析转录后RNA修饰的机制与功能。然而,MeRIP-seq方法能够在无需先验知识的情况下识别全转录组范围内的m5C区域,并避免使用亚硫酸氢盐处理或5-azaC孵育等剧烈的化学和温度条件。MeRIP和亚硫酸氢盐测序均可能受到RNA二级结构的抑制36。MeRIP实验在免疫沉淀前包含的RNA片段化步骤,旨在促进抗体结合,并提高m5C识别的分辨率。
另一种值得提及的方法是RNA核苷的质谱分析法(MS)。质谱法能够检测并区分DNA和RNA上的各种修饰类型。简而言之,首先提取RNA,经DNase消化后去盐,并将其降解为单个核苷。随后通过质谱仪分析这些RNA核苷。该方法可用于定量每种修饰的水平,且无需依赖抗体或化学转化。然而,其主要缺点在于仅能提供有关RNA修饰存在的整体信息。为了定位修饰位点,需要将质谱法与RNase消化及特定RNA分子的测序信息相结合,例如在人类tRNALeu(CAA)37中的应用情况。
本文介绍并讨论了MeRIP实验方法在研究拟南芥m5C RNA甲基化中的应用17。
1. RNA 的制备
2. 甲基化RNA免疫沉淀(MeRIP)
3. 下游分析
该方法的示意图见图1。本实验方案的前两个关键步骤是获得高质量的RNA(RIN ≥ 7)并将RNA超声处理成约100个核苷酸长度的片段。这两个步骤的效率均通过基于芯片的毛细管电泳仪进行检测。图2A展示了一个高质量RNA样本的典型检测结果。为使样本浓度处于所用试剂盒的检测范围(5–500 ng/µL),上样前需将样本稀释10倍。同一RNA样本在超声处理后也进行了检测,结果如图2B所示。请注意图中出现一个均匀的单峰,向左偏移,片段大小约为100个核苷酸。浓度降低的原因一方面是RNA在片段化过程中有所损失,另一方面也由于样本体积增加(60–100 µL,步骤1.7.1)。
IP 样本和阴性对照样本的质量可通过定量反转录 PCR(qRT-PCR)进行评估。为此,外源添加的体外转录本(IVT)可作为阳性和阴性对照:其中所有胞嘧啶位点均为 m5C 修饰的甲基化 IVT,预期在 IP 样本中显著富集;相反,非甲基化 IVT 在 IP 与阴性对照样本之间应无显著差异。用于检测两种对照 IVT(EGFP 和 Renilla 荧光素酶)的 qRT-PCR 引物列于 表 1 中。实际上,如 图 3 所示,约 80% 的甲基化 IVT 在 IP 样本中被回收,而在阴性对照样本中仅回收约 2%。对于非甲基化对照,IP 和阴性对照样本中的回收率均低于 1%。这验证了 MeRIP 实验的有效性,表明甲基化的 RNA 片段已被成功沉淀并富集,也说明样本适用于后续分析。此外,非甲基化 IVT 的富集倍数(IP 与 Mock 的比值)可作为阈值,用于评估 qRT-PCR 实验中富集效应的显著性。
将测序读段比对到基因组后(图4),应用步骤3.4.1和3.4.2中描述的峰识别算法,以鉴定在免疫沉淀样本中相对于Input样本显著富集的统计学显著性窗口。这些窗口对应的序列可进一步用于分析,例如搜索保守的与甲基化相关的基序11,17。

图1:MeRIP-seq实验流程示意图。
RNA样本与5-甲基胞嘧啶抗体孵育,然后使用蛋白G磁珠捕获抗体及其结合的RNA复合物。洗脱后的RNA样本通过高通量测序和qRT-PCR进行分析。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:RNA样品质量分析的代表性结果。
(A) 合格的植物总RNA样品的代表性图谱。(B) RNA样品经超声处理断裂为约100个核苷酸片段后的代表性图谱。数据由毛细管电泳软件生成的输出文件。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:对照IVT的qRT-PCR分析。
甲基化和非甲基化的体外转录本(IVT)分别作为MeRIP实验的阳性和阴性对照。免疫沉淀后,甲基化IVT在IP样本(绿色)中显著富集,而在Mock样本(未加抗m5C抗体,紫色)中无富集。非甲基化IVT在IP与Mock样本之间均无富集现象,且无差异。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:在代表性转录本周围进行MeRIP前后测序读段的比对情况。
测序读段比对至Input样本(第一行)以及两个IP重复样本(中间和第三行)中的特定转录本。黑色框标示基于MACS243 和MeRIP-seq22 峰识别分析鉴定出的一个富集区域,长度为50 nt。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 靶标 | 引物对 | 产物序列 | 产物长度 | ||
| EGFP | 正向引物: 5'- GGCAACTACAAGACCCGCGCC -3' | GGCAACTACAAGACCCGCGCCGAG GTGAAGTTCGAGGGCGACACCCTG GTGAACCGCATCGAGCTGAAGGGC | 72 bp | ||
| 反向引物: 5'- GCCCTTCAGCTCGATGCGGTT -3' | |||||
| Renilla luciferase | 正向引物: 5'- GGAGAATAACTTCTTCGTGGAAAC -3' | GGAGAATAACTTCTTCGTGGAAACC ATGTTGCCATCAAAAATCATGAGAA AGTTAGAACCAGAAGAATTTGCAGC | 75 bp | ||
| 反向引物: 5'- GCTGCAAATTCTTCTGGTTCTAA -3' | |||||
表1:qRT-PCR分析所用引物及扩增产物信息。
缓冲液配方。 请点击此处下载该文件。
RNA 含有超过一百种不同的碱基修饰4,这些修饰构成了表观转录组44。这些修饰为翻译和信号传导的调控增添了额外层次(综述见5,6,8,20,45,46)。早期研究能够检测到 RNA 上转录后修饰的存在28,47,但要理解表观转录组学的作用,必须明确具体是哪些 RNA 被修饰。MeRIP 被设计为一种可在转录组范围内定位 RNA 甲基化位点的方法21,22。只要存在特异性抗体,该方法即可适用于任何类型的修饰。
本方案的主要优势在于其相对简单、对RNA和操作者安全(例如,5-azaC对植物和人类具有高度毒性),且无需序列信息或修饰酶的相关信息。此外,通过免疫沉淀(IP)富集甲基化RNA可提高检测低丰度mRNA的可能性,而亚硫酸氢盐测序则缺乏富集步骤。当进行两轮连续的MeRIP时,含有甲基化位点的RNA片段富集程度会进一步增加22。MeRIP的一个局限性在于,尤其是在用于mRNA甲基化研究时,实验需要输入大量RNA。核糖体RNA去除(ribodepletion)或poly(A)富集步骤虽可降低因高度修饰的核糖体RNA造成的背景信号,但同时会去除超过90%的总RNA。此外,DNA必须被完全去除,因其富含5-甲基胞嘧啶。另一个缺点是难以精确定位甲基化位点的具体位置。在与抗体孵育前对RNA进行超声处理有助于缩小修饰区域至100–200个核苷酸范围内。当MeRIP与深度测序结合时,由于测序读段在潜在甲基化位点周围呈现高斯分布,m5C位点预测的分辨率得以提高。此外,在实验前需验证抗体的特异性(例如,使用含修饰核苷酸合成的寡核苷酸进行RNA点印迹实验),然而,抗体在多大程度上能够区分结构相近的修饰(如m6A与m6Am)仍是领域内争议的问题48,49。此外,高度结构化的RNA可能干扰抗体与抗原的结合,这一限制主要通过在IP前对RNA进行片段化和变性处理来解决。相反,亚硫酸氢盐测序虽也受RNA二级结构影响,但不包含片段化步骤,这可能是导致由亚硫酸氢盐测序16和MeRIP-seq11,17所预测的m5C位点及mRNA存在差异的原因之一。其他胞嘧啶修饰(如hm5C)同样对亚硫酸氢盐介导的脱氨作用具有抗性35。
MeRIP-seq 的改进方法包括引入交联步骤,例如添加光活化核糖核苷(光交联辅助m6A测序,PA-m6A-seq 50),或在免疫沉淀(IP)后使用紫外光在抗体与RNA之间形成交联(miCLIP49,此方法不同于引言中描述的miCLIP30,但同样具有单核苷酸分辨率)。随着对RNA甲基化知识的不断积累,未来可能更倾向于采用基于修饰酶和/或甲基化发生位点的共有序列的靶向性更强的方法。识别“阅读器”蛋白对于理解转录后修饰的分子机制和信号功能至关重要。纳米孔测序技术已能够无需对RNA进行预处理即可直接识别修饰核苷酸17,但在测序深度和生物信息学分析方面仍有改进空间。总体而言,MeRIP-seq 目前仍是一种成熟、可靠且无偏倚的鉴定甲基化RNA转录本的方法。
作者声明无利益冲突。
本工作获得了向 E.S. 提供的 IMPRS 博士奖学金、向 V.P. 提供的 EMBO 长期博士后奖学金,以及向 F.K. 提供的马克斯·普朗克分子植物生理研究所(MPI-MPP)内部资金的支持。部分工作还通过 PLAMORF 项目获得资助,该项目由欧洲研究理事会(ERC)根据欧洲联盟“地平线 2020”研究与创新计划(资助协议编号:810131)提供资金支持。作者谨此感谢 Federico Apelt 在生物信息学分析及稿件审阅方面提供的帮助,以及 Mathieu Bahin 和 Amira Kramdi 在生物信息学分析方面的贡献。 Colot 实验室的工作得到了“未来投资计划”(Investissements d’Avenir)ANR-10-LABX-54 MEMO LIFE 和 ANR-11-IDEX-0001-02 PSL* 研究型大学项目的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗-m5C 抗体 | ZymoResearch | A3001(已停产),A3002 可用 | 克隆 10G4(已停产),7D21 可用 |
| 毛细管电泳芯片及试剂 | Agilent | 5067-1511 | RNA 6000 Nano 试剂盒 |
| DNase | Ambion | AM1907 | TURBO DNA-free 试剂盒 |
| 核酸共沉淀剂 | Ambion | AM9515 | 甘油蓝(Glycoblue),15 mg/mL |
| 体外转录试剂盒 | Promega | P1300 | T7 RiboMAX 大规模 RNA 合成系统 |
| 低吸附反应管 | Kisker Biotech | G017 | 1.7 ml 微量离心管 |
| Protein G 磁珠 | Invitrogen | 10003D | Dynabeads Protein G |
| 蛋白酶 K | Ambion | AM2546 | 20 mg/mL 储存液,RNA 级 |
| RNase 抑制剂 | Promega | N2615 | RNasin Plus 40 U/μl |
| rRNA 去除试剂盒 | Epicentre | RZPL11016 | Ribo-Zero rRNA 去除试剂盒(植物叶片) |
| 超声破碎管 | Covaris | 520045 | microtube AFA Fiber 预切口 snap-cap 6x16 mm |
| RNA 提取试剂 | Ambion | 15596018 | TRIzol 试剂 |
| 仪器 | |||
| 毛细管电泳仪 | Agilent | G2939BA | 2100 Bioanalyzer 系统 |
| 磁力架 | Invitrogen | 12321D | DynaMag-2 |
| 微量离心机 | Eppendorf | 已停产 | 5417R 型号 |
| 旋转混匀仪 | Benchmark | R4040 | RotoBot Mini |
| 超声破碎仪 | Covaris | 500217 | S220 聚焦式超声破碎仪 |
| 分光光度计 | ThermoFisher Scientific | ND-ONEC-W | NanoDrop OneC |
| 水浴锅 | GFL | 1012 | 1012 培养浴 |
An erratum was issued for: Methylated RNA Immunoprecipitation Assay to Study m5C Modification in Arabidopsis. The author list was updated.
The author list was updated from:
Eleftheria Saplaoura1, Valentina Perrera2, Friedrich Kragler1
1Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology
2Department of Molecular Medicine, Medical School, University of Padua
to:
Eleftheria Saplaoura1, Valentina Perrera2, Vincent Colot3, Friedrich Kragler1
1Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology
2Department of Molecular Medicine, Medical School, University of Padua
3Biologie de l'Ecole Normale Supérieure (IBENS), Paris, France