RNA修饰在病毒感染中的作用刚刚开始被探索,可能揭示新的病毒-宿主相互作用机制。在本研究中,我们提供了一种用于研究病毒感染背景下m6A和m5C RNA修饰的分析流程。
RNA修饰在病毒感染中的作用刚刚开始被探索,可能揭示新的病毒-宿主相互作用机制。在本研究中,我们提供了一种用于研究病毒感染背景下m6A和m5C RNA修饰的分析流程。
近年来,RNA修饰在生物过程中的作用受到越来越多研究的关注,这一领域如今被称为表观转录组学。其中,mRNA分子上的N6-甲基腺苷(m6A)和5-甲基胞嘧啶(m5C)RNA修饰已被广泛报道,可能参与调控细胞过程。因此,表观转录组学构成了除转录组分析之外必须考虑的新型调控层面,因为其同样可因暴露于各种化学或生物因子(包括病毒感染)而发生改变或受到调控。
本文介绍了一种工作流程,可同时分析感染或未感染人类免疫缺陷病毒(HIV)细胞中 m6A 和 m5C 修饰的联合细胞与病毒表观转录组景观。从感染和未感染 HIV 的细胞中分离并片段化 mRNA 后,我们采用了两种不同的方法:MeRIP-Seq(一种基于 RNA 免疫沉淀的技术),用于富集含有 m6A 修饰的 RNA 片段;BS-Seq(一种基于亚硫酸氢盐转化的技术),用于在单核苷酸分辨率下鉴定 m5C 修饰。在进行甲基化特异性捕获后,构建 RNA 文库用于高通量测序。我们还开发了专用的生物信息学分析流程,可独立于转录本的基础表达谱来识别差异甲基化(DM)转录本。
总体而言,该方法能够同时探索多种表观转录组修饰,并提供病毒感染或其他细胞扰动条件下差异修饰转录本的图谱。这一方法为发现细胞应答中的新参与者和新机制提供了新的机遇,例如促进或限制病毒复制的宿主因子。
它 众所周知,RNA分子可发生修饰,迄今为止已发现超过150种转录后修饰1它们包括将化学基团(主要是甲基)添加到RNA分子中嘧啶和嘌呤环的几乎所有位置2此类转录后修饰已被证实高度富集于转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA),并最近也在信使RNA(mRNA)分子上被发现。
新一代测序技术(NGS)的发展以及特异性识别特定化学修饰的抗体的制备,首次使得在转录组范围内研究特定化学修饰的位置和频率成为可能。这些进展加深了人们对RNA修饰的理解,并实现了对mRNA分子上多种修饰的定位与图谱绘制3,4。
尽管表观遗传学研究DNA和组蛋白修饰在转录组调控中的作用,表观转录组学则类似地关注RNA修饰及其功能。表观转录组学的研究 修饰作用为揭示可能调控多种细胞过程(如RNA剪接、转运、稳定性和翻译)的新型调控机制提供了新的机遇5因此,最近的研究发现病毒侵染期间细胞RNA和病毒RNA上均存在大量表观转录组修饰,这并不令人意外。6迄今为止研究的病毒包括DNA病毒和RNA病毒;其中,HIV可被视为一个开创性的例子。总体而言,在病毒感染背景下发现的RNA甲基化可能有助于研究尚未阐明的病毒表达或复制机制,从而为控制这些病毒提供新的工具和靶点7.
在HIV表观转录组学领域,病毒转录本的修饰已被广泛研究,结果表明此类修饰的存在有利于病毒复制8,9,10,11,12,13。目前已有多种技术可用于在全转录组水平上检测表观转录组修饰。其中最常用的技术是基于免疫沉淀的方法,如MeRIP-Seq和miCLIP,用于m6A的鉴定。MeRIP-Seq依赖于RNA片段化以捕获含有甲基化残基的片段,而miCLIP则基于RNA-抗体紫外交联后产生α-m6A抗体特异性突变特征,从而实现更精确的定位。
m5C 修饰的检测可通过类似于 m6A 检测的抗体依赖性技术(即 m5C RIP)、亚硫酸氢盐转化、AZA-IP 或 miCLIP 方法实现。Aza-IP 和 m5C miCLIP 均利用特定的甲基转移酶作为“诱饵”,在 RNA 甲基化过程中靶向 RNA。在 Aza-IP 中,靶细胞被暴露于 5-氮杂胞苷,导致新生 RNA 中随机引入胞苷类似物 5-氮杂胞苷位点。在 miCLIP 中,NSun2 甲基转移酶 经过基因改造,携带 C271A 突变14,15。
本研究以HIV为模型,聚焦于感染细胞中m6A和m5C修饰的双重表征。经过方法学优化,我们建立了一种整合甲基化RNA免疫沉淀(MeRIP)与RNA亚硫酸氢盐转化(BS)的工作流程,可在转录组范围内同时探索宿主细胞与病毒环境中的m6A和m5C表观转录组标记。该工作流程既可用于细胞RNA提取物,也可用于从病毒颗粒中分离的RNA。
甲基化RNA免疫沉淀(MeRIP)16 可用于研究 m 的方法6在转录组水平上的研究已得到充分确立,并且存在一系列 m6目前市面上已有商品化的A特异性抗体17该方法包括对 m 的选择性捕获6使用含A的RNA片段进行m6特异性抗体。该技术的主要缺点有两个:(i)分辨率有限,其高度依赖于RNA片段的大小,因此只能提供含有甲基化位点的近似位置和区域;(ii)进行分析所需的起始材料量较大。在以下优化的实验方案中,我们将RNA片段大小标准化至约150 nt,并将起始材料用量从目前推荐的10 µg poly-A筛选RNA减少至仅需1 µg poly-A筛选RNA。同时,我们还提高了m6通过与特定抗体结合的RNA片段,并采用竞争性洗脱方法进行分离6使用肽而非基于苯酚的技术或蛋白酶K等更常规但特异性较低的洗脱方法。然而,这种RIP-based检测的主要局限性仍然是分辨率不够理想,无法精确识别发生修饰的A核苷酸。
目前可通过两种不同方法对m5C修饰进行分析:一种是基于RIP(RNA免疫沉淀)的m5C特异性抗体方法,另一种是RNA亚硫酸氢盐转化法。由于RIP方法在鉴定甲基化位点方面分辨率有限,因此我们采用了可实现单核苷酸分辨率的亚硫酸氢盐转化法。RNA暴露于亚硫酸氢盐(BS)时,会引起胞嘧啶脱氨,从而将胞嘧啶残基转化为尿嘧啶。因此,在RNA亚硫酸氢盐转化反应中,所有未甲基化的胞嘧啶均被脱氨并转化为尿嘧啶,而胞嘧啶第5位上的甲基具有保护作用,可防止BS诱导的脱氨反应,从而保留胞嘧啶残基。基于BS的方法能够在单碱基分辨率下检测m5C修饰的核苷酸,并评估每条转录本的甲基化频率,从而揭示m5C修饰的动态特征18。然而,该技术的主要局限在于甲基化位点的假阳性率。实际上,BS转化仅对单链RNA中可及的胞嘧啶残基有效。然而,若RNA存在紧密的二级结构,则可能掩盖N5C位点,阻碍BS转化,导致未甲基化的胞嘧啶未能转化为尿嘧啶,从而产生假阳性结果。为解决这一问题并降低假阳性率,我们进行了三轮变性与亚硫酸氢盐转化循环19。此外,我们在样品中引入了两个对照,以评估亚硫酸氢盐转化效率:一方面加入ERCC测序对照(非甲基化的标准化且商业可得的序列)20以及poly-A耗尽的RNA,用于评估亚硫酸氢盐转化率;另一方面通过RT-PCR验证28S核糖体RNA上一个已知且高度保守的甲基化位点C4447的存在21。
在病毒学领域,将这两种表观转录组学研究方法与下一代测序技术及精确的生物信息学分析相结合,可实现对m6A 和 m5碳动态(即病毒感染后可能发生的RNA修饰时间动态变化,并揭示一系列具有临床治疗潜力的新靶点。
1. 细胞准备
注意:起始细胞数量可根据细胞类型及其RNA含量的不同而有所变化。
2. RNA 提取
3. 使用寡聚(dT)25 通过多聚A选择法分离mRNA
注意:由于细胞提取物中含有高度甲基化的核糖体RNA,强烈建议通过核糖体RNA耗竭法或更优的聚腺苷酸(poly-A)阳性选择法来分离poly-A RNA。此步骤为可选步骤,仅应在细胞RNA样本中进行,以获得更高分辨率的测序结果。若分析非聚腺苷酸化的病毒RNA的甲基化情况,应优先选择核糖体RNA耗竭法,而非poly-A选择法,或直接对总RNA进行分析。
4. RNA 工作流程
5. RNA 片段化
注意:RNA片段化使用RNA片段化试剂进行,适用于MeRIP-Seq及对照RNA样本。此步骤极为关键,需仔细优化,以获得长度在100-200 nt之间的片段。
6. RNA 纯化
注意:此步骤可通过乙醇沉淀或任何基于离心柱的 RNA 纯化与浓缩方法进行即,RNA纯化与浓缩试剂盒)
7. MeRIP
注意:每次免疫沉淀(IP)至少需要 2.5 µg 的片段化 mRNA,可使用特异性抗 m6A 抗体(实验条件)或抗 IgG 抗体(阴性对照)。
8. RNA 亚硫酸氢盐转化
9. 文库构建与高通量测序
10. 生物信息学分析
该实验流程已被证明可用于研究m6A和m5C甲基化在HIV感染背景下的作用。为此,我们采用了一种CD4+ T细胞系模型(SupT1),将其分为感染HIV与未处理两组。每种条件下起始使用5000万个细胞,最终获得平均约500 µg总RNA,RNA质量数为10(图1A-B)。经过poly-A筛选后,每种条件下回收得到10至12 µg的mRNA(约占总RNA的2%)(图1B)。此时,我们取5 µg经poly-A富集的RNA用于MeRIP-Seq流程,另取1 µg用于BS-Seq流程。由于HIV RNA具有多聚腺苷酸化特征,无需额外处理,可直接进行MeRIP-Seq和BS-Seq操作。

图1:下游应用的RNA制备。A) 显示RNA制备及用于同时进行MeRIP-Seq和BS-Seq流程的示意图。每个实心六边形代表一种RNA修饰类型,例如m6A(绿色)或m5C(粉色)。图中标注了实验所需RNA材料的用量。B) 代表性结果,展示总RNA提取(上图)和poly-A筛选(下图)后预期的RNA分布特征(片段大小和数量)。样品使用标准灵敏度试剂盒在片段分析仪上进行检测,以评估进入特定MeRIP-Seq和BS-Seq步骤前的RNA质量。RQN:RNA质量数;nt:核苷酸。请点击此处查看该图的放大版本。
MeRIP-Seq 流程是一种基于RNA免疫沉淀的技术,可用于研究RNA分子上m6A修饰的分布情况。该方法首先将RNA片段化,然后与偶联磁珠的m6A特异性抗体共同孵育,以进行免疫沉淀和捕获。对MeRIP富集的RNA片段以及未经处理的输入样本(input)进行测序并比较,从而鉴定出发生m6A修饰的RNA区域,进而识别m6A甲基化的转录本(图2A)。该技术的分辨率依赖于RNA片段化的效率,较短的片段有助于更精确地定位m6A修饰位点。在此实验中,细胞内poly-A筛选的RNA和病毒RNA在20 µL终体积中,使用RNA片段化缓冲液进行离子介导的片段化处理15分钟,获得长度为100–150 nt的RNA片段。从5 µg mRNA起始,回收得到4.5 µg片段化RNA,回收率达90%(图2B)。取100 ng片段化并纯化的RNA作为输入对照,直接用于文库构建和测序。剩余RNA(约4.4 µg)则按照MeRIP-Seq流程进行处理,即先将片段化RNA与连接了抗m6A特异性抗体的磁珠或作为对照的抗IgG抗体磁珠共同孵育。使用2.5 µg片段化RNA进行m6A特异性RIP(MeRIP),可回收约15 ng富集m6A的RNA材料,用于后续文库构建和测序(图2B)。如预期所示,使用抗IgG抗体作为对照的RIP未能获得足量RNA,无法进行进一步分析(图2B)。

图2:MeRIP-Seq 流程图。 A) MeRIP-Seq 实验流程及输入对照的示意图。经 poly-A 筛选后,样本被片段化为 120–150 nt 的片段,其中一部分直接用于测序(100 ng,输入对照),另一部分用于RNA免疫沉淀(2.5 µg,RIP),后者使用抗-m6A 特异性抗体或抗-IgG 抗体作为阴性对照,随后进行测序。 B) 代表性结果展示片段化后(上图)和免疫沉淀后(下图,MeRIP:左,IgG 对照:右)预期的RNA分布谱(大小和含量)。样品经片段分析仪检测以评估RNA质量和浓度,再进行文库构建和测序。片段化RNA分析采用RNA标准灵敏度试剂盒,免疫沉淀RNA则使用高灵敏度试剂盒。 请点击此处查看该图的放大版本。
BS-Seq 分析流程可在核苷酸分辨率水平上探索 RNA 的 m5C 修饰,并实现对 m5C 甲基化转录本的鉴定。经亚硫酸氢盐转化后,未甲基化的胞嘧啶会转化为尿嘧啶,而甲基化的胞嘧啶则保持不变(图 3A)。由于亚硫酸氢盐转化过程的反应条件较为剧烈(即 高温和低 pH),转化后的 mRNA 会出现严重降解(图 3B),但该降解现象不会影响文库构建与测序。亚硫酸氢盐转化仅对单链 RNA 有效,因此可能受到双链 RNA 二级结构的阻碍。为评估胞嘧啶向尿嘧啶转化的效率,我们引入了两个对照。作为阳性对照,我们利用了先前报道的 28S rRNA 第 4447 位胞嘧啶高度甲基化的特征23。通过 RT-PCR 扩增并测序包含该甲基化位点在内的约 200 bp 片段后,我们观察到除第 4447 位的胞嘧啶保持不变外,其余所有胞嘧啶均成功转化为尿嘧啶,因此在 DNA 序列中表现为胸腺嘧啶。为控制亚硫酸氢盐转化率,我们使用了 commercially available synthetic ERCC RNA 序列作为对照。该混合物包含一组已知的、未甲基化且带有 poly-A 尾巴的 RNA 序列,具有多样的二级结构和长度。在完成文库构建与测序后,我们重点分析这些 ERCC 序列,通过统计所有 ERCC 序列中每个样本内总胞嘧啶残基中被转化的 C 数量,计算转化率。我们获得的转化率达到 99.5%,证实了亚硫酸氢盐转化反应的高效性与成功(图 3D)。

图3:BS-Seq分析流程。A) BS-Seq工作流程示意图。经过poly-A筛选后,样本经亚硫酸氢盐处理,导致未甲基化的胞嘧啶(C)残基发生脱氨反应,转化为尿嘧啶(U)。相比之下,甲基化的胞嘧啶残基(m5C)不受亚硫酸氢盐处理影响,保持不变。B) 使用标准灵敏度试剂盒在片段分析仪上分析亚硫酸氢盐转化后RNA的分布情况(大小和含量)的代表性结果。C) 毛细管电泳图显示对28S rRNA中第4447位100%甲基化胞嘧啶(以蓝色高亮)周围区域进行RT-PCR扩增产物的代表性测序结果。相比之下,参考序列中的胞嘧啶残基因成功发生亚硫酸氢盐转化,在扩增子序列中被识别为胸腺嘧啶(T)残基。D) 通过分析HIV感染与非感染细胞中ERCC外参序列评估C-U转化率。平均转化率达到99.5%。请点击此处查看该图的放大版本。
经过m6A富集、亚硫酸氢盐转化的样本以及输入对照样本将进一步进行文库构建、测序和生物信息学分析(图4)。根据实验设计和所研究的生物学问题,可应用多种生物信息学分析方法。作为原理验证,本文展示了一种潜在应用(即,差异甲基化分析)的代表性结果,该分析聚焦于鉴定HIV感染后诱导产生的差异甲基化转录本。简而言之,我们在未感染和HIV感染的细胞中,独立于基因表达水平,分别考察了转录本的m6A或m5C甲基化水平,以进一步理解RNA甲基化在病毒生命周期中的作用。在对基因表达数据进行标准化后,我们发现ZNF469转录本的m6A甲基化状态随感染状态而变化:该转录本在未感染细胞中未发生甲基化,而在HIV感染后则出现多个甲基化峰(图5A)。对m5C的类似差异甲基化分析显示,PHLPP1转录本包含多个甲基化位点,且在HIV感染条件下更倾向于发生甲基化(图5B)。上述结果表明,HIV感染会影响细胞的表观转录组。

图 4:m6A 和 m5C 数据分析的生物信息学流程示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:感染后差异甲基化转录本的示例。A) 代表性结果显示HIV感染细胞(绿色)与未感染细胞(灰色)中ZNF459转录本的m6A甲基化情况。y轴显示经输入表达量校正后的峰强度,x轴显示染色体上的位置。差异甲基化分析表明,ZNF469转录本在HIV感染后呈现高甲基化。 B) HIV感染细胞(上排)与未感染细胞(下排)中m5C甲基化基因的代表性结果。每个条形的高度代表每个核苷酸的测序读段数,用于评估覆盖度。每个C残基以红色表示,甲基化的C比例以蓝色表示。每个C残基上方标出了确切的甲基化率(%)。箭头标示出具有统计学显著性的差异甲基化C位点。样本使用IGV浏览器进行可视化。 请点击此处查看该图的放大版本。
RNA修饰在病毒感染中的作用目前仍 largely 未知。深入理解表观转录组修饰在病毒感染背景下的作用,可能有助于寻找新的抗病毒治疗靶点。
在本研究中,我们提供了一个完整的工作流程,可用于分析感染细胞中m6A和m5C的表观转录组。根据具体的生物学问题,我们建议使用poly-A筛选的RNA作为起始材料。尽管该流程也可使用总RNA进行(此步骤为可选),但需注意的是,rRNA以及小RNA具有高度修饰性,含有大量甲基化残基,这可能导致有意义的测序数据在质量和数量上下降。
然而,如果研究的重点是非多聚腺苷酸化RNA,则应调整RNA提取步骤,以避免丢弃小RNA(在基于柱法的RNA提取中),并优先采用核糖体耗竭技术而非多聚A选择技术进入后续流程。
为了确保获得高质量的 RNA、正确的片段化以及适用于文库构建的 m6A 富集和亚硫酸氢盐转化 RNA 的质量,我们强烈建议使用片段分析仪或生物分析仪。然而,此类设备并非总是可用。作为替代方案,可通过琼脂糖凝胶电泳观察来评估 RNA、mRNA 的质量以及片段化后 RNA 的大小。此外,也可在不预先检测 RNA 量的情况下直接进行文库构建。
我们采用基于抗体的MeRIP-Seq16技术来研究m6A表观转录组景观。该技术基于RNA免疫沉淀,已被证实有效;然而,其中某些步骤需要仔细优化,可能至关重要。尽管已有研究指出m6A甲基化主要发生在RRA*CH共识序列内,但该基序在mRNA分子中出现频率很高,无法实现甲基化位点的精确定位。因此,获得可重复且一致的RNA片段化,生成较小的RNA片段,对于提高基于RIP的分辨率至关重要。在本实验方案中,我们推荐一种经过优化的流程,在我们的实验条件下可获得可重复且一致的结果;然而,该片段化步骤可能需要根据具体样本特征进一步优化。
最近描述了一种允许m6A直接测序的新技术。该技术基于使用特定的逆转录酶变体,这些变体在遇到m6A RNA修饰时会表现出独特的逆转录特征24。该技术经过仔细优化后,有望克服MeRIP-Seq面临的主要局限性(减少起始材料用量并实现更高分辨率)。为了研究m5C修饰,我们决定采用亚硫酸氢盐转化技术,以在核苷酸分辨率水平上检测被修饰的胞嘧啶残基。为了降低因RNA二级结构存在而导致的假阳性率,我们进行了3轮变性/亚硫酸氢盐转化,并利用ERCC外参对照进一步控制亚硫酸氢盐转化效率。该技术的一个局限性在于,亚硫酸氢盐转化条件非常剧烈,三轮变性/亚硫酸氢盐转化可能导致部分RNA降解,从而降低分辨率。然而,在本实验设置中,我们选择接受可能略低的分辨率,以提高数据集的整体质量。
得益于这些优化和对照措施,我们能够提供一种可靠且严谨的工作流程,可用于研究表观转录组景观及其在病毒感染、宿主-病原体相互作用或任何特定处理暴露条件下的改变。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由瑞士国家科学基金会(资助号 31003A_166412 和 314730_188877)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AccuPrime Pfx SuperMix | Invitrogen | 12344-040 | |
| 抗m6A抗体_克隆17-3-4-1 | Millipore | MABE1006 | |
| 氯仿 | 默克 | 67-66-3 | |
| ERCC | Invitrogen | 4456740 | |
| EZ RNA甲基化检测试剂盒 | Zymo Research | EZR5001 | |
| Fragment analyzer RNA试剂盒 - 高灵敏度RNA试剂盒 | 安捷伦 | DNF-472-0500 | |
| Fragment analyzer RNA Kit - RNA试剂盒 | 安捷伦 | DNF-471-0500 | |
| 高容量 cDNA 反转录试剂盒 | 应用生物系统公司 | 4368814 | |
| Illumina TruSeq 链特异性 mRNA | Illumina | 20020594 | |
| 磁珠A/G混合液 | 默克 | 16-663 | |
| N6-甲基腺苷,5′-单磷酸钠盐(m6A) | Sigma Aldrich | M2780-10MG | |
| 正常小鼠 IgG | Merk | 12371 | |
| Oligo(dT)25 | Life Technologies | 61005, | |
| PCRapace | Stratec | 1020220300 | |
| Quick RNA病毒提取试剂盒 | Zymo Research | 1034 | |
| RNA纯化 &和浓缩器 | Zymo Research | R1015 | |
| RNA片段化试剂 | Ambion | AM8740 | |
| RNase 抑制剂 | Ambion | AM2684 | |
| Trizol | TRIzol试剂 | 15596026 |