本方案详细描述了使用基于离心柱的RNA提取试剂盒从多种缓步动物中分离RNA的操作步骤,该试剂盒适用于从少量组织中提取足够量的高质量RNA,可用于RNA测序和互补DNA合成等下游应用。
本方案详细描述了使用基于离心柱的RNA提取试剂盒从多种缓步动物中分离RNA的操作步骤,该试剂盒适用于从少量组织中提取足够量的高质量RNA,可用于RNA测序和互补DNA合成等下游应用。
缓步动物是一类以其对环境胁迫具有极强耐受性而著称的微型动物。这些动物能够耐受干燥、极端压力、低温以及高水平的电离辐射。然而,其极端耐受能力背后的分子机制尚未被完全阐明。研究这些机制所采用的分子方法,包括RNA测序、RNA干扰(RNAi)以及在细菌等系统中异源表达缓步动物基因,均需要从有限的生物材料中分离高质量的信使RNA(mRNA)。在本研究中,我们描述了一种可重复的从缓步动物中分离总RNA的实验方案,该方案(1)适用于多个物种,包括一种异缓步动物物种;(2)仅需25–200只动物,具体数量取决于个体体型大小;(3)所获得的RNA在数量和质量上均足以满足后续应用需求。本实验方案能够从合理数量的缓步动物中高效回收RNA,支持对多种缓步动物物种的胁迫耐受性进行分子层面的研究。
缓步动物以其能够耐受其他动物无法承受的极端胁迫而闻名,这些胁迫包括干燥、极端压力、极端温度,以及化疗药物和电离辐射等导致DNA损伤的试剂1,2,3,4,5,6,7,8。近年来,科学家利用RNA测序、RNA干扰(RNAi)以及在其他系统(包括人类细胞和细菌)中异源表达缓步动物基因等分子方法,研究了缓步动物具有极端抗逆性的分子机制8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20。这些方法的应用已成为强有力的工具,使我们得以深入了解缓步动物实现如此极端抗逆能力的具体机制8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22。然而,所有这些用于研究缓步动物胁迫耐受性的分子方法,都依赖于能够从这些微小生物中提取足量且质量足够高的RNA,以用于后续实验操作。
先前一种从缓步动物中分离RNA的方法在使用Hypsibius exemplaris23的研究人员中已证明是成功的。然而,当我们在H. exemplaris中尝试重复该方案时,发现其获得的RNA浓度和质量不可靠(未发表数据)。另一种基于苯酚的RNA分离方法已被证明适用于H. exemplaris、Ramazzottius varieornatus以及一种异缓步动物物种13,21,22,24,25,26。该方案已被证实可从单个动物或动物群体(约50只)中获得足量且高质量的RNA,适用于后续实验。然而,该方案要求操作者接触含苯酚的试剂。苯酚是一种危险化学品,需谨慎操作,若操作不当可能导致苯酚残留,影响RNA纯度及后续应用。另一种先前发表的从缓步动物中分离RNA的方案侧重于从单个动物中提取RNA的能力27。尽管该方案在定量PCR(qPCR)等应用中具有重要价值27,但对于RNA测序等需要全面了解动物对特定应激因素或条件响应的下游应用而言,其适用性较低。
这些现有RNA提取方案的局限性促使人们探索从缓步动物中提取RNA的替代方法。本方案所使用的基于离心柱的RNA提取试剂盒,专为从小量组织中提取RNA而设计。该试剂盒此前已被成功用于昆虫组织RNA的提取,并用于后续的RNA测序分析,表明其也可能适用于其他体型微小、具有角质层的动物(如缓步动物)的RNA提取。28本研究详细阐述了使用基于层析柱的RNA提取试剂盒从缓步动物中分离RNA的逐步操作流程,包括针对缓步动物特性在执行该流程时需特别注意的事项。本文报道了该流程在六种缓步动物物种中的成功应用。H. exemplaris, Milnesium sp., Paramacrobiotus experimentalis, Paramacrobiotus fairbanksi, Paramacrobiotus gadabouti,以及异缓步类 Viridiscus celatus). 该研究已证实,仅需25只动物即可获得质量和数量均足够的RNA。文中还提供了相应的RNA浓度与质量数据示例,其质量适用于后续实验应用,如RNA测序(偏差极小、可实现指数级文库扩增)和互补DNA(cDNA)合成。该RNA提取方案已被证明在揭示辐射耐受机制方面具有实用价值 H. exemplaris8该方案在多种缓步动物物种中的成功应用表明,其可更广泛地适用于研究抗逆机制、发育机制及进化过程。
以下实验方案无需机构动物伦理审批,因为无脊椎动物免于该要求。所用试剂和设备列于材料表中。
1. RNA 提取所需仪器与区域的准备
2. 收集用于RNA提取的动物样本
3. 缓步动物的机械破碎及RNA提取
4. RNA 提取柱的预处理
5. 将RNA结合到柱上
6. 配制DNase I溶液
7. RNA 的洗涤与 DNase I 处理
8. 洗脱 RNA
9. 使用微量分光光度计验证RNA的浓度和质量
注意:也可采用其他方法评估RNA的浓度和质量。此处使用微体积分光光度计进行检测。也可使用荧光计或微流控凝胶电泳设备29。
如上所述,本方案中的一个关键步骤是在向收集的缓步动物添加裂解缓冲液(XB)进行RNA提取之前,去除适量的水分。残留过多的水分会稀释裂解缓冲液(XB),导致RNA提取效果不佳(即RIN值<7、260/280比值<1.8、260/230比值<1.8和/或浓度<5 ng/µL),从而在洗脱后降低RNA的浓度和质量。去除过多水分则会使动物迅速脱水,可能导致个体死亡,并因死亡后RNase活性升高而降低RNA质量。本文提供了示意图,展示在添加裂解缓冲液(XB)之前,含有缓步动物的离心管中应保留的适当水量(图1B),以帮助本方案的成功实施。
迄今为止,该方案已在六种不同的缓步动物物种中进行过尝试,包括一种异缓步类动物(五 celatus)。这些分离得到的RNA浓度范围为11 ng/µL 至 106.6 ng/µL (在微量分光光度计上确认) 表1)和 9 ng/µL 至 113 ng/µL (通过微流控凝胶电泳确认, 表 2)。所需用于RNA提取的动物数量取决于所提取物种的体型大小。体型较大的缓步动物(如 Paramacrobiotus 物种和 Milnesium sp.,可从低至25只动物中获得充足的RNA浓度(表1)。对于较小的物种,如 H. exemplaris 和 V. celatus,从100只或更多的动物中进行分离更为成功(表1)。大多数提取物的260/280比值约为2,表明RNA较纯净30某些物种的分离V. celatus 和 H. exemplaris,以及 Paramacrobiotus 物种)偶尔会导致260/230比值偏低,提示可能存在试剂污染30. 这种情况通常在使用较少动物(100只)时发生 V. celatus 和 H. exemplaris,以及25用于 Paramacrobiotus 物种),表明动物数量过少可能会增加最终洗脱的RNA中试剂污染的风险。通过评估RNA质量 通过 微流控凝胶电泳可用于计算RNA完整性数值(RIN)。RIN值在9–10之间表明RNA质量高,降解程度极低31 通常建议,如果RIN低于7,则不应继续进行RNA测序等下游实验。以下提供了一些微流控凝胶电泳结果示例(图3) 来自RIN值高和低/不可检测的样本。其中部分样本被排除在进一步分析之外(表2, 图3A,D)。然而,一些RIN值较低或无法检测的样本也被选中进行文库制备以开展RNA测序,并仍然获得了高质量的RNA测序结果(表2, 图3B,F,未发表数据,详见“讨论”部分。

图1:RNA提取实验装置。图像显示连接在抽吸管组件腔室上的移液球,该腔室配有玻璃毛细管,用于移动缓步动物并去除水分(A);以及在向Paramacrobiotus缓步动物中加入提取缓冲液(XB)前,残留水量适宜状态的示意图(B)。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:最终洗脱的洗脱管装置。 请点击此处查看该图的放大版本

图3:微流控凝胶电泳的代表性结果 H. exemplaris 和 P. gadabouti. (A) RNA 凝胶来自 H. exemplaris 暴露于电离辐射。 (B) RNA 凝胶来自 P. gadabouti 和 H. exemplaris 在对照条件下。 (C–F高质量的代表性峰图谱 H. exemplaris RNA 样本(C),从一个 H. exemplaris 质量存疑的样本(D),从高质量的 P. gadabouti 样本E)以及来自一个 H. exemplaris 样品出现明显降解(147 bp 处出现峰)F). 请点击此处以查看此图的放大版本。
表1:使用微量分光光度计测定的不同缓步动物物种的代表性RNA浓度与质量信息。* 使用微量分光光度计检测到的浓度低于20 ng/µL时,可能导致吸光度比值不准确。** 第5.7步离心速度设置不当导致260/230比值偏低。请点击此处下载该表格。
表2:利用微流控凝胶电泳系统采集的两种缓步动物物种的代表性RNA浓度与质量信息。请点击此处下载该表格。
本实验方案的目的是促进从缓步动物中分离出足量且高质量的RNA,以适用于后续研究缓步动物抗逆性的相关实验。本方案已指出用户在操作过程中可能遇到问题的环节,包括在加入裂解缓冲液(XB)前未充分去除水分(步骤2.5)、未能有效破坏缓步动物体壁(步骤3.1–3.3)、将上清液转移至纯化柱时操作不当(步骤5.3)以及RNA洗脱不充分(步骤8.3)。上述任一环节的操作失误均可能导致最终获得的RNA浓度或质量下降。若最终RNA浓度低于5 ng/μLµL (经微量分光光度计验证后),使用者可考虑使用(1)更多的起始动物样本重新进行RNA提取>100 用于小型物种或 >50,适用于较大物种),或(2)重复实验步骤,特别注意去除水分、缓步动物裂解及洗脱步骤。
本文提供了RNA质量评估(RIN、260/280比值、260/230比值)的示例,这些评估被认为适用于或不适用于RNA测序(表1、表2、图3)。偶尔,使用本方案进行RNA提取时会观察到较低(<1.0)的260/230比值(表1),提示可能存在残留的有机化合物。通常,这种情况与动物样本数量较少有关。如果无法增加动物样本投入量,或用户持续遇到260/230比值偏低的问题,建议增加一步用洗涤缓冲液2(W2)的洗涤步骤(重复步骤7.6),和/或延长步骤7.7中的干燥离心时间,以确保彻底去除这些污染物。此外需注意的是,H. exemplaris中一个260/230比值较低的代表性提取样本(表1)是由一名初次操作该方案的本科生完成的;事后回顾发现,该用户在执行步骤5.7(在RNA结合至柱子后离心去除乙醇)时使用了错误的离心速度(过慢)。这很可能导致乙醇残留在柱子上并贯穿整个流程,从而造成260/230比值不佳。该用户后续的提取结果中,260/230比值均处于合理范围(不低于1.5)。因此,所有用户,尤其是初次使用者,在操作本方案时应特别注意离心速度,以避免此类潜在问题。尽管H. exemplaris的RNA有时出现260/230比值偏低或RIN值较低的情况,但具有类似质量读数的RNA仍可用于下游RNA测序,以分析电离辐射或其他应激因素暴露后的差异基因表达8(表1、表2及未发表数据)。同样,使用本方案从P. gadabouti中提取的RNA获得了高浓度和高质量的RNA(通过RIN验证,表2、图3),并成功获得了有意义的RNA测序数据(未发表数据)。据非正式记录,本研究曾成功利用浓度较低(5–9 ng/µL)的H. exemplaris RNA合成cDNA,并完成H. exemplaris基因的下游克隆8。当H. exemplaris RNA提取结果表现为浓度极低或无法检测且RIN值低(通过微流控凝胶电泳测定)时,在进行RNA测序文库构建前对该处理组重新进行了RNA提取(表2、图3A,D)。对于该样本决定重新提取RNA(图3A,D),而不是像其他RIN无法检测的H. exemplaris样本那样直接进行测序(图3B,F),是基于微流控凝胶上缺乏清晰条带的判断,这可能提示上样误差、RNA降解或RNA浓度过低。相比之下,当从H. exemplaris提取的RNA表现为相对较低的浓度、无法检测的RIN值,并显示出一定程度的RNA降解(表现为小片段RNA水平升高)时,经文库构建后仍获得了可用的RNA测序数据(未发表数据,表2、图3B,F)。因此,尽管本文提供了一些判断RNA样本是否适用于下游应用的指导原则,用户仍应根据自身具体情况和下游应用需求,自行判断RNA的质量和数量是否足以继续实验。
希望从缓步动物中分离RNA的科研人员在确定最适合其研究目的的实验方案时,需考虑多个方面。此前报道的所有RNA分离方法(包括本文报道的方法)均能获得足量且高质量的RNA,可用于RNA测序、cDNA合成和qPCR等下游应用8,12,13,17,21,22,25,27。成本通常是需要考虑的因素,尤其对于预算有限的研究实验室或教学实验室而言。本文报道的方案在每次分离反应中的成本高于此前报道的方案。然而,我们认为,这一成本的增加带来了相对于先前方案的优势。与其它基于离心柱的RNA分离方案23相比,本文报道的RNA分离方案能够从更少的起始材料(更少数量的动物)中获得足量且质量合格的RNA。此外,如引言部分所述,此前报道的基于离心柱的RNA分离方案在我们实验中重复性较差,常常导致RNA得率极低,不足以支持下游实验(未发表数据)。与基于苯酚的RNA分离方法相比,本文方案也显著更安全,因其无需操作人员接触必须在通风橱中使用的危险化学品。同时,苯酚法常见的用户问题之一是苯酚残留,这会影响RNA纯度并干扰下游应用。这些问题使得基于苯酚的RNA提取方法对本科生(无论在科研实验室还是课堂环境中)而言较难实施。然而,苯酚法是成本最低的方法。本文报道的方案不适用于从单个动物中分离RNA以分析单个个体的转录组响应(如Kirk et al所发表的研究),而是适用于研究个体间在应激刺激下共同发生的基因表达变化,从而提供更全面的应激响应图景。因此,使用者应权衡现有方案在成本、动物材料可获得性及操作便捷性方面的优劣,以选择最符合自身需求的RNA分离方法。
本报告验证了该实验方案可从六种不同的缓步动物物种中提取出足够数量和质量的RNA,其中包括异缓步纲的一个代表性物种。此外,该RNA提取方法仅需使用适量的动物个体(根据物种体型不同,数量为25–200只)即可获得足够的RNA。该RNA提取方案在多个物种中的成功验证,为深入探究缓步动物生物学中诸多引人关注的方面打开了大门。这不仅限于对胁迫耐受性的研究,还扩展到对这些动物进化过程的理解,包括抗性机制及其发育的演化。该方案特别适用于生物量有限且缺乏标准化RNA提取方法的非模式生物或野外采集的缓步动物物种。最后,该方案易于研究人员操作,并可由本科生研究人员重复执行,因此在以本科生为主的教学或科研实验室中具有重要应用价值。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了北卡罗来纳大学阿什维尔分校的启动资金(资助CCH)以及美国国家科学基金会(NSF)授予Jason Pienaar(PK的博士后导师)的基金2225683的支持。我们感谢北卡罗来纳大学高通量测序中心提供的技术协助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 离心管 | USA Scientific | 1615-5500 | Seal-Rite 1.5 mL 带刻度微量离心管,无色,聚丙烯材质,500 个/袋 |
| 70% 乙醇 | VWR | 71001-654 | 用于清洁实验台面/设备 |
| Arcturis PicoPure RNA 提取试剂盒 | Fisher | KIT0204 | 本研究中所述 RNA 提取方案所需的全部组分试剂盒 |
| 离心机 | Eppendorf | 5405000441 | Eppendorf Centrifuge 5425,旋钮控制,非制冷型,配备 FA-24x2 转子,120 V/50-60 Hz(适用于美国) |
| Deer Park 纯净水 | 任意杂货店 | N/A | 用于缓步动物培养的培养基,以及在 RNA 提取前冲洗缓步动物 |
| 解剖显微镜 | Zeiss | N/A | Zeiss Stemi 305,变倍比 5:1,总放大倍数 8x–40x,配备 M LED 透射照明装置 |
| DNase I | Fisher | FEREN0521 | Thermo Scientific DNase I,无 RNase 活性(1 U/µL) |
| 10 µL 滤芯吸头 | VWR | 76322-528 | 任意品牌的滤芯吸头均可 |
| 1000 µL 滤芯吸头 | VWR | 76322-154 | 任意品牌的滤芯吸头均可 |
| 20 µL 滤芯吸头 | VWR | 76322-134 | 任意品牌的滤芯吸头均可 |
| 200 µL 滤芯吸头 | VWR | 76322-150 | 任意品牌的滤芯吸头均可 |
| 玻璃毛细管 | Fisher | 50-821-811 | World Precision Instrument 标准玻璃毛细管 - 1B120-6(6 英寸,外径 1.2 mm,无内丝)。通过火焰拉制可形成两根末端变细的玻璃毛细管,再折断至合适直径,用于口吸移液操作以转移目标缓步动物物种。 |
| 加热金属块 | Eppendorf | 5382000023 | Eppendorf ThermoMixer C,基础装置不含温控模块,100–130 V/50–60 Hz(适用于美国/日本/南美/中国台湾) |
| 高灵敏度 RNA Screen Tape 梯度标准品 | Agilent | 5067-5581 | 用于 TapeStation 系统对总 RNA 进行高灵敏度分析的梯度标准品 |
| 高灵敏度 RNA ScreenTape | Agilent | 5067-5579 | 用于 TapeStation 系统对总 RNA 进行高灵敏度分析 |
| 高灵敏度 RNA ScreenTape 样品缓冲液 | Agilent | 5067-5580 | 用于 TapeStation 系统对总 RNA 进行高灵敏度分析的缓冲液 |
| 微流控凝胶电泳系统 | Agilent | G2991BA | Agilent 4200 TapeStation 系统 |
| 微量分光光度计 | Fisher | 13400607 | Thermo Scientific NanoDrop UltraC FL,检测器类型:2048 元件 CMOS 线性图像传感器,显示屏:10 英寸高清彩色显示屏,语言:中文、英文、法文、日文、德文,光源:氙闪光灯,光谱带宽:≤1.8 nm(Hg 254 nm 处 FWHM),电压:12 VDC |
| 口吸移液器 | Millipore Sigma | A5177 | 校准型微毛细管移液器用吸气管组件 |
| 无核酸酶水 | Fisher | FERR0581 | Thermo Scientific 无核酸酶水 |
| 移液器(2.5 µL、20 µL、200 µL 和 1000 µL) | Eppendorf | 2231300004 | Eppendorf Research plus,四件套 |
| RNase Away | Fisher | 21-402-178 | Thermo Scientific RNase AWAY 表面去污剂 |
| 无 RNase 管与研磨杵 | Fisher | 12-141-368 | 用于 RNA 提取的无 RNase 管及研磨杵 |
