本文描述了细菌RIBO-seq中样本采集与制备的各个步骤。按照本指南构建文库并进行测序,可获得足够数据用于全面的生物信息学分析。我们所介绍的实验方案简便,仅需使用常规实验室设备,从裂解到获得文库共需七天。
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本文描述了细菌RIBO-seq中样本采集与制备的各个步骤。按照本指南构建文库并进行测序,可获得足够数据用于全面的生物信息学分析。我们所介绍的实验方案简便,仅需使用常规实验室设备,从裂解到获得文库共需七天。
核糖体谱分析技术(RIBO-seq)目前是研究蛋白质合成过程最有效的工具 体内与其它方法相比,该方法的优势在于能够通过精确定位核糖体在mRNA转录本上的位置和数量,来监测翻译过程。
本文描述了细菌中RIBO-seq方法的样本采集与制备的连续步骤,重点介绍了与实验设计和实施相关的细节。
由于RIBO-seq依赖于完整的核糖体及其相关的mRNA,关键步骤是快速抑制翻译并充分裂解细胞。因此,我们建议通过滤膜收集细胞,并用液氮速冻,可选择性地预先用氯霉素处理以阻断细菌中的翻译过程。对于细胞裂解,我们推荐在氧化铝存在下,使用研钵和研杵研磨冷冻细胞,以机械方式破坏细胞壁。本方案中无需使用蔗糖垫或蔗糖梯度超速离心来纯化单核糖体。取而代之的是,采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)分离mRNA,随后切取核糖体保护片段(28–30 nt条带),该方法可获得满意结果。这大大简化了实验流程,同时减少了所需时间和设备要求。在文库构建方面,我们推荐使用New England Biolabs公司提供的商用小型RNA建库试剂盒(适用于Illumina测序),并遵循生产商的说明书进行一定程度的优化。
所获得的cDNA文库具有适用于下一代测序(NGS)所需的数量和质量。按照本方案制备的文库测序后,每个样本可获得200万至1000万条唯一比对的读长,足以满足全面的生物信息学分析需求。本文所介绍的方案快速且相对简便,可使用常规实验室设备完成。
核糖体谱分析技术(RIBO-seq)由加州大学旧金山分校 Jonathan Weissman 实验室开发1。与其他用于研究翻译水平基因表达的方法相比,RIBO-seq 聚焦于每个与 mRNA 结合的核糖体,提供其在转录本上的位置以及核糖体相对数量的信息。该技术能够 in vivo 监测蛋白质合成过程,并可实现单密码子分辨率和高精确度,从而测量单个 mRNA 上以及细胞整个转录组中核糖体的密度。RIBO-seq 技术的基础在于:在翻译过程中,核糖体结合 mRNA 分子,从而保护其内部的转录片段免受核糖核酸酶的降解。加入核糖核酸酶后,未受保护的 mRNA 被消化,而被核糖体包裹的片段——通常长约 ~28–30 nt——则保持完整。这些片段被称为核糖体足迹(RF),可被分离、测序并比对至其来源的转录本,从而精确定位核糖体的位置。事实上,利用核糖体保护 mRNA 片段的特性自 20 世纪 60 年代起已被用于研究核糖体结合位点和翻译起始位点(TIS)2,3,4。然而,随着深度测序技术的进步,RIBO-seq 已成为翻译过程监测的金标准5,通过核糖体占据情况,可提供全基因组范围内的蛋白质合成信息6。核糖体谱分析填补了转录组与蛋白质组定量之间的技术空白6。
为了进行核糖体谱分析,我们需要获取在研究条件下生长的生物体的细胞裂解液。在细胞收集和裂解过程中若破坏这些条件,可能导致数据不可靠。为避免此问题,通常使用翻译抑制剂、快速收获以及液氮中瞬时冷冻的方法。细胞可通过机械匀浆器(如混合研磨仪7,8)或珠击破碎仪9进行低温研磨裂解,也可通过移液管反复吹打10或针头穿刺实现裂解11。裂解缓冲液可在细胞粉碎前或粉碎后立即加入。在本方案中,我们使用液氮预冷研钵和研杵,并采用氧化铝作为更温和的细菌细胞壁破碎方式,以避免超声处理等方法常导致的RNA剪切。粉碎后,我们将冰冻的裂解缓冲液加入已冷却的研钵内容物中。选择合适的裂解缓冲液对于获得最佳核糖体足迹分辨率至关重要。由于离子强度会影响核糖体足迹(RF)的大小以及读码框的精确性,目前建议使用低离子强度且缓冲能力较弱的裂解缓冲液,即使已有研究表明缓冲液组成可能不影响mRNA上的核糖体占据率11,12。裂解缓冲液的重要组分包括镁离子,其存在可防止核糖体亚基解离,并抑制细菌核糖体的自发构象变化11,13。钙离子也发挥重要作用,是细菌核糖体谱分析中所使用的微球菌核酸酶(MNase)活性所必需的14。在裂解过程中加入氯霉素以及鸟苷5′-[β,γ-亚氨基]三磷酸(GMP-PNP)——一种不可水解的GTP类似物——可有效抑制翻译过程15。
获得裂解液后,通过离心澄清,并将其分为两份,分别用于RIBO-seq和高通量总mRNA测序(RNA-seq),因为这两项实验是同时进行的(图1)。RNA-seq提供了一个参考基准,使得在数据分析过程中能够对RIBO-seq和RNA-seq的数据进行比较。所研究的翻译组通过将核糖体足迹数据归一化至mRNA丰度来确定16。此外,RNA-seq数据还有助于识别克隆或测序过程中产生的假象17。

图1。RIBO-seq和RNA-seq的mRNA样品制备示意图。 在RIBO-seq文库构建中,RNA经MNase消化(A),随后进行大小筛选,获得约28-30 nt长度的核糖体保护片段(RF)(B);在RNA-seq中,RNA被分离(C),去除rRNA(D),所得mRNA被随机打断为不同长度的片段(E)。请点击此处查看该图的放大版本。
RIBO-seq 和 RNA-seq 样本制备流程的初始步骤略有不同(图1)。在核糖体图谱分析中,需要使用特定的内切核酸酶对裂解液进行消化,以降解未被核糖体保护的 mRNA 分子。在标准方案中,通常通过蔗糖垫超速离心或蔗糖梯度超速离心来回收获得的单体核糖体8,14。本文表明,在细菌中分离 RIBO-seq 所需的核糖体复合物(RF)时,该步骤并非必需,真核细胞中同样如此18,只需从聚丙烯酰胺凝胶中对适当长度的 mRNA 片段进行大小选择即可。
对于RNA测序,首先通过去除总RNA中的rRNA来获得mRNA——rRNA分子与生物素标记的寡核苷酸探针杂交,这些探针会结合到链霉亲和素包被的磁珠上。随后使用磁铁将rRNA-寡核苷酸-磁珠复合物从样品中移除,从而获得rRNA耗竭的样品19,20。纯化的mRNA分子随后通过碱性水解随机片段化。所获得的mRNA片段以及核糖体足迹片段均被转化为cDNA文库,并准备进行深度测序(图2)。该过程包括碱性水解(针对mRNA)和酶消化(针对RF)后所需的末端修复:先进行3'端去磷酸化,再进行5'端磷酸化。接下来是接头连接以及逆转录,以生成两端含有适用于Illumina平台下一代测序(NGS)所需序列的cDNA插入片段。文库构建的最后阶段是PCR反应,在此过程中对构建体进行扩增,并添加样本特异性的条形码标签,以便实现多重检测,并在同一通道中对多个样本进行测序。测序前,通过高灵敏度DNA芯片电泳评估文库的质量和数量。符合参数要求的cDNA文库可被混合后进行测序。测序可在不同的Illumina平台上进行,例如MiSeq、NextSeq或HighSeq,具体选择取决于文库数量、所需的读长和测序深度。测序完成后,进行生物信息学分析。

图2.文库构建。 文库构建包括末端修复、接头连接、逆转录以及带有条形码的扩增。 请点击此处查看该图的放大版本。
核糖体谱分析是一种通用方法,可根据科学问题轻松进行修改和调整。该方法最初应用于酵母1,随后很快被用于细菌细胞21,以及包括小鼠10、斑马鱼22、果蝇23和拟南芥Arabidopsis thaliana24在内的真核模式生物。该技术也被用于研究不同类型的核糖体:细胞质核糖体、线粒体核糖体25,26和叶绿体核糖体27,28。在真核生物中,RIBO-seq 通常经过改进和优化,以研究翻译过程的特定方面,包括翻译起始10,11,29,30,31,32、延伸1,10,11,31,33、核糖体停滞33和构象变化33。大多数改进涉及使用不同的翻译抑制剂。然而,在细菌中,由于缺乏具有特定作用机制的抑制剂,类似研究难以开展34。在细菌中最常用的翻译抑制剂是氯霉素(CAM),其结合于肽基转移酶中心(PTC),阻止氨基酰-tRNA 在 A 位点的正确就位,从而抑制肽键形成,导致延伸中的核糖体停滞35。其他用于细菌的翻译抑制剂包括四环素(TET)36、瑞他帕林(RET)34和 Onc11237,这些抑制剂已被用于研究翻译起始位点。四环素通过直接占据核糖体 A 位点上 tRNA 反密码子茎环的位置,阻止 tRNA 的递送,最初被用于验证与 CAM 处理所得结果的一致性,因为两者均为抑制翻译延伸的抗生素38。研究表明,TET 能够检测主要翻译起始位点(TIS),但无法揭示内部翻译起始位点36。RET 结合于细菌核糖体的 PTC 区域,通过干扰 A 位点上的延伸型氨基酰-tRNA,阻止第一个肽键的形成,从而使核糖体停滞于主要及内部翻译起始位点34。Onc112 是一种富含脯氨酸的抗菌肽,结合于核糖体出口通道,阻断氨基酰-tRNA 在核糖体 A 位点的结合,从而阻止起始复合物进入延伸阶段37。
核糖体图谱技术提供的主要信息是核糖体在mRNA上的密度及其定位。该技术已成功用于研究不同生长条件下翻译水平上的差异基因表达1,6,测定翻译效率1,38,39,以及检测翻译调控事件,例如核糖体暂停10。RIBO-seq还可揭示已注释的非编码RNA、假基因以及未注释的小开放阅读框(ORF)的翻译,从而鉴定出新的和/或极短的蛋白质编码基因10,12,22,30,37。在这些情况下,RIBO-seq可用于精细调整和改进基因组注释。凭借其对翻译ORF的高灵敏度和定量特性,核糖体图谱可作为蛋白质组测定的替代方法,或辅助蛋白质组学研究31,34,39。通过定位翻译起始位点(TIS),核糖体图谱能够揭示已知蛋白质的N端延伸和截短异构体10,32。RIBO-seq还被用于研究蛋白质的共翻译折叠过程14,21,24。该方法可测定延伸速率1,10,39或单个密码子的解码速度6,有助于建立翻译过程的定量模型17。核糖体图谱技术还能够提供关于细菌中核糖体暂停7,15,17、移码40、终止密码子通读21、终止/循环缺陷41,42以及真核生物中核糖体构象变化33的机制性见解。RIBO-seq还被用于研究特定反式作用因子对翻译的影响,例如真核生物中的miRNA6和RNA结合蛋白16,43。然而,必须认识到,RIBO-seq的实验设计及其所达到的分辨率决定了从测序数据中可提取信息的多少12。
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1. 样本收集
2. 细胞裂解
3. RIBO-seq 样品的 MNase 消化
4. 聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)及RIBO-seq样品的尺寸筛选
5. 通过rRNA耗竭法从RNA-seq样品中纯化细菌mRNA
6. RNA-seq 样品的碱性片段化
7. RNA-seq与RIBO-seq样品的去磷酸化与磷酸化处理
8. 使用 NEBNext Multiplex Small RNA 文库构建试剂盒(Illumina)进行文库制备
9. 使用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)对cDNA文库进行片段大小筛选
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此处展示的典型结果来自一项研究,该研究旨在探究野生型 Bacillus subtilis 细胞在孢子形成过程中的翻译调控。将过夜培养的菌液用丰富培养基稀释至 OD600 为 0.1,总体积为 100 mL,并在 37 °C 下剧烈振荡培养,直至 OD600 达到 0.5–0.6。随后将丰富培养基更换为最小培养基以诱导孢子形成过程,并继续培养最多四小时。从 T0(即诱导孢子形成开始)起,每隔一小时收集一次细胞,共获得五个时间点的样本。在每次收集前一分钟,按照上述方案用氯霉素处理培养物。通过预热的玻璃过滤装置,使用 0.45 µm 混合纤维素酯膜(MCE 滤膜)过滤收集细胞,并立即在液氮中快速冷冻。
裂解液中获得的核糖核酸量取决于生长条件、培养体积和菌液密度。按照本方案,100 mL细菌培养物(Bacillus subtilis)平均可获得1-4 mg RNA。上述实验所获得裂解液的示例见表1。
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核糖体谱分析(ribosome profiling)的关键技术难点在于需要快速抑制翻译过程,以捕获特定生理状态下mRNA上核糖体的瞬时分布。为实现这一目标,通常采用翻译抑制剂、快速收集细胞以及液氮速冻的方法。使用抗生素是可选步骤,因为它们可能引入人为假象。氯霉素(chloramphenicol, CAM)是细菌RIBO-seq中常用的一种药物,用于阻滞正在延伸的核糖体。然而,它不能阻止翻译起始,导致在翻译起始位点下游约六个密码子处出现核糖体堆积14。此外,其抑制肽基转移酶反应的能力可能依赖于核糖体P位和A位底物的性质。据推测,当新生肽链的倒数第二个氨基酸为甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、丝氨酸(Ser)、半胱氨酸(Cys)或苏氨酸(Thr)时,CAM对核糖体的阻滞作用更强17,38,50。这一点在实验设计和生物信息学分析中尤其值得考虑,特别是在研究核糖体暂停(ribosomal pausing)时
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作者无任何利益冲突需要披露。
ALS 要感谢欧洲分子生物学组织(EMBO)启动资助项目 IG 3914 以及在波兰科学基金会“第一团队”计划内实施的 POIR.04.04.00-00-3E9C/17-00 项目提供的财政支持,该计划由欧洲区域发展基金资助的欧洲联盟共同资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10X TBE(粉末) | Invitrogen | AM9864 | |
| 2-巯基乙醇,99%,纯品 | Acros Organics | 125472500 | |
| 腺苷5'-三磷酸(ATP) | New England Biolabs | P0756S | |
| 氧化铝,经煅烧,纯度为 p.a. | Chempur | 114560600 | |
| 二水合氯化钙 | Sigma-Aldrich | C3881-500G | |
| 氯霉素 | MP Biomedicals | 190321 | |
| DNA 纯化 & 浓缩仪 -5 | Zymo Research | D4004 | |
| 重组DNase I,无RNase | 罗氏 | 4716728001 | |
| EDTA 二钠盐 | Fisher Scientific | E/P140/48 | |
| 乙醇 Absolut 99.8% Pure-P.A.-基础 | POCH Avantor Performance Materials Poland S.A | BA6480111 | |
| 过滤装置 | VWR 系列 | 511-0265 | 全玻璃过滤装置,含漏斗、烧结底座、盖子,47 毫米 Ø 弹簧夹和磨口烧瓶 |
| 凝胶 40 (19:1) | 罗蒂电泳 | 3030.1 | |
| 6× 蓝色上样缓冲液 | New England Biolabs | E6138G | |
| 鸟苷-5′′-[β,γ-亚氨基]三磷酸三钠盐水合物 | Sigma-Aldrich | G0635-25MG | |
| labZAP | A&生物技术 | 040-500 | |
| 四水合乙酸镁 | Sigma-Aldrich | M5661-250G | |
| MCE 膜滤器 | Alfatec Technology | M47MCE45GWS | 孔径:0.45 μm |
| MICROBExpress 细菌 mRNA 纯化 | Invitrogen | AM1905 | |
| Illumina多重小RNA文库制备试剂盒 | New England Biolabs | E7300S | |
| 无核酸酶水 | Ambion | AM9937 | |
| 无水醋酸钾 P.A. 纯品 | POCH Avantor Performance Materials Poland S.A | 744330113 | |
| 快速上样 pBR322 DNA-MspI 消化产物 | New England Biolabs | E7323A | |
| RNA 纯化 & 浓缩仪 -25 | Zymo Research | R1018 | |
| 乙酸钠 | Sigma-Aldrich | S2889-250G | |
| 碳酸钠 | Sigma-Aldrich | 223530-500G | |
| 碳酸氢钠 纯 p.a. | POCH Avantor Performance Materials Poland S.A | 810530115 | |
| SYBR Gold 核酸凝胶染料 | Life Technologies | S11494 | |
| T4 多核苷酸激酶 | 新英格兰生物实验室 | M0201L | |
| T4 多核苷酸激酶反应缓冲液 | New England Biolabs | B0201S | |
| TBE-尿素上样缓冲液(2x) | Invitrogen | LC6876 | |
| Tris(hydroxymethyl)aminomethane,超纯,99.9% | AlfaAesar | J65594 | |
| Triton X-100,98% | Acros Organics | 327371000 | |
| 尿素 G.R. | lach:ner | 40096-AP0 |
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