哺乳动物大脑的发育需要在翻译水平上对基因表达进行精确调控。本文介绍了一种多聚核糖体分析系统,该系统配备易于组装的蔗糖梯度制备与分级分离平台,可用于评估发育中大脑内mRNA的翻译状态。
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哺乳动物大脑的发育需要在翻译水平上对基因表达进行精确调控。本文介绍了一种多聚核糖体分析系统,该系统配备易于组装的蔗糖梯度制备与分级分离平台,可用于评估发育中大脑内mRNA的翻译状态。
哺乳动物大脑的正常发育依赖于神经干细胞增殖与分化为不同神经细胞类型的精细平衡。这种平衡受到基因表达的严格调控,而基因表达在多个层面(包括转录、转录后和翻译)被精确调节。在此背景下,越来越多的证据表明,翻译调控在协调神经干细胞命运决定中发挥着关键作用。多聚核糖体(polysome)分离是一种强大的工具,可用于在全基因组范围及单个基因水平上评估 mRNA 的翻译状态。本文介绍了一种自主建立的多聚核糖体分析流程,用于检测小鼠发育中大脑皮层细胞的翻译效率。我们详细描述了蔗糖梯度制备、组织裂解、超速离心以及基于组分分离的 mRNA 翻译状态分析的实验方案。
在哺乳动物大脑发育过程中,神经干细胞通过增殖和分化产生神经元和胶质细胞1,2。该过程若受到干扰,可能导致脑结构和功能的改变,这在许多神经发育障碍中可见3,4。神经干细胞的正常行为依赖于特定基因的协调表达5。尽管这些基因的表观遗传调控和转录调控已被广泛研究,但近期研究发现,其他层次的基因调控也在协调神经干细胞增殖与分化过程中发挥重要作用6,7,8,9,10。因此,深入研究翻译水平的调控机制将极大促进我们对神经干细胞命运决定及大脑发育机制的理解。
目前广泛应用于评估mRNA翻译状态的三种主要技术各有优势,包括核糖体谱分析(ribosome profiling)、翻译核糖体亲和纯化(translating ribosome affinity purification, TRAP)和多聚核糖体谱分析(polysome profiling)。核糖体谱分析利用RNA测序技术检测受核糖体保护的mRNA片段,从而全局分析每条转录本上翻译中核糖体的数量和位置,并通过与转录本丰度比较间接推断翻译速率11。TRAP技术则利用表位标记的核糖体蛋白来富集与核糖体结合的mRNA12。由于可通过遗传学方法在特定细胞类型中表达标记的核糖体蛋白,TRAP能够实现细胞类型特异性的翻译分析。相比之下,多聚核糖体谱分析采用蔗糖密度梯度离心法,将未结合或翻译效率较低的游离mRNA(较轻的单体核糖体)与正在被多个核糖体活跃翻译的mRNA(较重的多聚核糖体)分离开来,从而直接测量mRNA上的核糖体密度13。该技术的一个优势在于其灵活性,既可用于研究特定目标mRNA的翻译情况,也可用于全基因组范围的翻译组分析14。
本文中,我们描述了一种用于分析发育中小鼠大脑皮层的多聚核糖体分析详细实验方案。我们使用自行组装的系统制备蔗糖密度梯度,并收集用于下游应用的组分。此处提供的方案可轻松适用于分析其他类型的组织和生物体。
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所有动物使用均受到卡尔加里大学动物护理委员会的监督。实验所用的CD1小鼠购自商业供应商。
1. 溶液的配制
注意:为防止RNA降解,需使用RNase去污染溶液喷洒工作台和所有设备。实验中使用无RNase的枪头。所有溶液均用无RNase的水配制。
2. 蔗糖梯度的制备
注意:蔗糖梯度的制备准确性对于获得一致且可重复的实验结果至关重要。
| 蔗糖溶液 | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% |
| 2.2 M 蔗糖 | 2 mL | 4 mL | 6 mL | 8 mL | 10 mL |
| 10X 盐溶液 | 1.5 mL | 1.5 mL | 1.5 mL | 1.5 mL | 1.5 mL |
| 放线菌酮(Cycloheximide) | 15 µL | 15 µL | 15 µL | 15 µL | 15 µL |
| 水 | 11.5 mL | 9.5 mL | 7.5 mL | 5.5 mL | 3.5 mL |
| 总体积 | 15 mL | 15 mL | 15 mL | 15 mL | 15 mL |
表1:制备蔗糖梯度所需的蔗糖稀释液。
注意:在超速离心过程中为保持重量平衡,蔗糖梯度液的制备必须以偶数倍进行。
3. 组织解剖
注意:先使用 5% 异氟烷进行麻醉,再通过颈椎脱位法处死怀孕小鼠。
4. 细胞裂解
| 溶液 | 终浓度 | 体积 |
| Tris-HCl (pH 7.5) | 20 mM | 100 µL |
| KCl | 100 mM | 250 µL |
| MgCl2 | 5 mM | 25 µL |
| Triton X-100 | 1% (v/v) | 500 µL |
| 脱氧胆酸钠 | 0.5% (w/v) | 500 µL |
| 二硫苏糖醇 (DTT) | 1 mM | 5 µL |
| 放线菌酮 | 100 µg/mL | 5 µL |
| 无RNase水 | 加至 5 mL | |
| 总量 | 5 mL | 5 mL |
表2:制备 多核糖体裂解缓冲液
注意:在裂解缓冲液中添加蛋白酶和磷酸酶抑制剂。
5. 样品上样与超速离心
6. 组分分离与样品收集
注意:使用自制的分级、记录和收集系统对梯度样品进行分析和收集(图3,参见装置组件)。
7. RNA 的提取
8. 逆转录与实时 PCR
9. 蔗糖梯度制备系统的组装
注意:按照以下步骤组装蔗糖梯度混合器的各个部件(如表3所述,见图1)。
| 组件 | 项目 |
| B1 | 线性滑台执行器 |
| E1 | 步进电机驱动器 |
| E2 | UNO项目超级启动套件 |
| A1 | 面包板 |
| A2 | 垂直支架 |
| B2 | 窄型直角支架 |
| C1 | 微型系列面包板 |
| C5 | 小型V型夹 |
| D4 | 微型V型夹 |
| C2 | Ø12.7 mm铝制立柱 |
| C4, D3 | 微型系列光学立柱 |
| D1 | Ø12.7 mm铝制立柱 |
| C3, D2 | 直角型Ø1/2"转Ø6 mm立柱夹 |
| C6 | 微型系列底座立柱固定座 |
| D5 | 钝端针头 |
| F | 注射泵 |
表3:梯度生成系统的组成部件。
10. 分离与检测系统组装(图2)。
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作为示例,将来自8个胚胎的皮层裂解液(含75 µg RNA)通过蔗糖梯度离心分离为12个组分。在254 nm处的紫外吸收峰可识别出含有40S亚基、60S亚基、80S单核糖体及多聚核糖体的组分(图4A)。通过蛋白质印迹分析各组分中大核糖体亚基Rpl10的分布,结果显示其存在于60S亚基(第3组分)、单核糖体(第4组分)以及多聚核糖体(第5–12组分)中(图4B)。相比之下,细胞质蛋白Gapdh和Csde1不与核糖体结合,而在含有游离RNA的组分(第1组分)中富集(图4B)。与不同组分中蛋白质的分离结果一致,我们发现gapdh和sox2 mRNA在富含重多聚核糖体(每个mRNA结合三个以上核糖体,位于第7–12组分)的组分中高度富集,表明gapdh和sox2 mRNA在发育中的皮层中被高效翻译(图4C,D
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多核糖体分析是一种常用且强大的技术,可用于评估单个基因水平和全基因组水平的翻译状态14。在本报告中,我们介绍了一种使用自制平台进行多核糖体分析的实验方案,并展示了其在分析小鼠大脑皮层发育过程中的应用。该平台成本低廉、易于组装,能够生成稳定且可重复的蔗糖梯度,实现高灵敏度的多核糖体分析。
值得注意的是,制备均一且高质量的蔗糖梯度对于获得可重复的多聚核糖体分析结果至关重要17。在梯度制备过程中,10–50% 蔗糖溶液的体积变化可能导致多聚核糖体峰的偏移,并造成后续分析结果的不一致。此外,在插入和拔出针头时扰动梯度也会导致梯度制备的不一致。与其他方法及商用设备相比,我们自制的梯度制备系统采用电机驱动平台以减少制备过程中对梯度的扰动,并使用注射泵精确分配蔗糖溶液,从而为梯度制备提供了一种廉价且简便的解决方案。
将本研究中提供的多聚核糖体分析平台和方案应用于发育中的小鼠大脑皮层,我们发现核糖体蛋白 Rpl10 以及细胞质蛋白 Gapdh 和 ...
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作者声明无竞争利益。
本工作由加拿大自然科学与工程研究委员会发现基金(NSERC Discovery Grant,项目号 RGPIN/04246-2018,授予 G.Y.)资助。G.Y. 是加拿大研究讲席学者。S.K. 受 Mitacs Globalink 研究生奖学金和 ACHRI 研究生学生奖学金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 无RNA酶离心管 | Axygen | MCT-150-C | |
| 10 cm 培养皿 | Greiner-Bio | 664160 | |
| 1M MgCl₂ | Invitrogen | AM9530G | |
| 21-23G 针头 | BD | 305193 | |
| 2M KCl | Invitrogen | AM8640G | |
| 30 mL 注射器 | BD | 302832 | |
| 钝头针头 | VWR | 20068-781 | |
| 光学实验平台 | Thorlabs | MB2530/M | |
| 溴酚蓝 | Sigma | 115-39-9 | |
| CD1 小鼠 | Charles River Laboratory | ||
| 弯头镊子 | Sigma | #Z168785 | |
| 放线菌酮(Cycloheximide) | Sigma | 66-81-9 | |
| 数据采集软件 TracerDAQ | Measurement Computing | ||
| 数字转换器 | Measurement Computing | USB-1208LS | |
| Direct-zol RNA 小量提取试剂盒 | Zymo | R2070 | |
| 二硫苏糖醇(DTT) | Bio-basic | 12-03-3483 | |
| DMSO | Bioshop | 67-68-5 | |
| Dumont No.5 镊子 | Sigma | #F6521 | |
| 组分收集器 | Bio-Rad | Model 2110 | |
| HBSS | Wisent | 311-513-CL | |
| 线性位移执行器 | Rattmmotor | CBX1605-100A | |
| 荧光素酶对照RNA | Promega | L4561 | |
| Maxima 第一链cDNA合成试剂盒 | Thermo Fisher | M1681 | |
| 微型V型夹具 | Thorlabs | VH1/M | |
| 迷你系列光学实验平台 | Thorlabs | MSB7515/M | |
| 迷你系列光学支架 | Thorlabs | MS2R/M | |
| 迷你系列底座支架 | Thorlabs | MBA1 | |
| NaCl | Bio-basic | 7647-14-5 | |
| Neurobasal 培养基 | Gibco | 21103-049 | |
| Ø12.7 mm 铝制支架 | Thorlabs | TRA150/M | |
| Parafilm 封口膜 | Bemis | PM992 | |
| PerfeCTa SYBR Green FastMix | Quanta Bio | CA101414-274 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Wisent | 311-010-CL | |
| 嘌呤霉素(Puromycin) | Bioshop | 58-58-2 | |
| 直角夹具 | Thorlabs | RA90/M | |
| 直角 Ø1/2" 转 Ø6 mm 支架夹具 | Thorlabs | RA90TR/M | |
| RNase AWAY | Molecular BioProducts | 7002 | |
| 无RNase吸头 | Frogga Bio | FT10, FT200, FT1000 | |
| 无RNase水 | Wisent | 809-115-CL | |
| RNasin | Promega | N2111 | |
| 窄型直角支架 | Thorlabs | AB90B/M | |
| 小型V型夹具 | Thorlabs | VC1/M | |
| 脱氧胆酸钠 | Sigma | 302-95-4 | |
| 步进电机驱动器 | SongHe | TB6600 | |
| 蔗糖 | Bioshop | 57501 | |
| SW 41 Ti 转子 | Beckman Coulter | 331362 | |
| 注射泵 | Harvard Apparatus | 70-4500 | |
| 注射泵 | Harvard Apparatus | 70-4500 | |
| Triton X-100 | Bio-basic | 9002-93-1 | |
| Trizol | Thermofisher Scientific | 15596018 | |
| 管穿刺器 | Brandel | BR-184 | |
| 超速离心机 | Beckman Coulter | L8-70M | |
| 超速离心管 | Beckman Coulter | 331372 | |
| UltraPure 1M Tris-HCl pH 7.5 | Invitrogen | 15567-027 | |
| UNO Project 超级入门套件 | Elegoo | EL-KIT-003 | |
| 紫外监测仪 | Bio-Rad | EM-1 Econo | |
| 垂直支架 | Thorlabs | VB01A/M |
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