RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
German
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Robert Warneford-Thomson1,4, Chongsheng He1,2, Simone Sidoli1,3, Benjamin A. Garcia1,3, Roberto Bonasio1,2
1Epigenetics Institute,University of Pennsylvania Perelman School of Medicine, 2Department of Cell and Developmental Biology,University of Pennsylvania Perelman School of Medicine, 3Department of Biochemistry and Biophysics,University of Pennsylvania Perelman School of Medicine, 4Graduate Group in Biochemistry and Biophysics,University of Pennsylvania Perelman School of Medicine
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Wir beschreiben ein Protokoll zur RNA-bindende Proteine und RNA-bindende Regionen in lebenden Zellen mit UV-vermittelten Photocrosslinking und Massenspektrometrie.
Forensisches RNAs spielen eine wichtige Rolle in mehreren nukleare Prozesse, einschließlich der Regulierung der Genexpression, Chromatinstruktur und DNA-Reparatur. In den meisten Fällen ist die Wirkung von nichtcodierender RNA durch Proteine vermittelt, deren Funktionen durch diese Interaktionen mit nichtcodierender RNA wiederum reguliert werden. Einklang mit diesem, eine wachsende Zahl von Proteinen, die in atomaren Funktionen berichtet wurde RNA binden und in einigen Fällen die RNA-bindende Regionen dieser Proteine haben kartiert, oft durch mühsame, Kandidaten-basierte Methoden.
Hier berichten wir über ein detailliertes Protokoll, eine Hochdurchsatz-, Proteom-weite unvoreingenommene Identifizierung der RNA-bindende Proteine und RNA-bindende Regionen durchzuführen. Die Methode stützt sich auf die Aufnahme von einem photoreaktiven Uridin analog in die zelluläre RNA, gefolgt von UV-vermittelten Protein-RNA-Vernetzung und Massenspektrometrie analysiert RNA-vernetzt-Peptide in das Proteom zu offenbaren. Obwohl wir die embryonalen Stammzellen der Maus beschrieben, sollte das Protokoll eine Vielzahl von kultivierten Zellen leicht angepasst.
Der RBR-ID-Methode soll neuen RNA-bindende Proteine (RBPs) zu identifizieren und ordnen Sie ihre RNA-bindende Regionen (RBRs) mit Peptid-Ebene Auflösung ermöglichen die Gestaltung von RNA-bindende Mutanten und die Untersuchung der biologischen und biochemischen Funktionen von Protein-RNA-Interaktionen.
RNA ist einzigartig unter den Biomolekülen, denn es kann sowohl fungieren als ein Bote die genetischen Informationen und auch in komplexe dreidimensionale Strukturen mit biochemischen Funktionen eher derjenigen Proteine1,2Falten. Eine wachsende Zahl von Beweisen zufolge forensisches RNAs (NcRNAs) spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen gen Regulierungs- und epigenetische Wege3,4,5 , und in der Regel werden diese regulatorischen Funktionen im Konzert vermittelt mit Proteinen, die speziell mit einem bestimmten RNA interagieren. Von besonderer Bedeutung wurde eine Reihe von interagierenden Proteine für die intensiv studierte lange NcRNA (LncRNA) Xist, wertvolle Einblicke in wie diese LncRNA X-Chromosom Inaktivierung in weiblichen Zellen6,7 vermittelt kürzlich identifiziert. ,8. Bemerkenswert ist, könnte mehrere dieser Xist-Interaktion Proteine enthalten keine kanonischen RNA-bindende Domänen9, und daher ihre RNA-bindende Aktivität nicht vorhergesagt in Silico basierend auf ihre primäre Sequenz allein. Wenn man bedenkt, dass Tausende von LncRNAs in einer bestimmten Zelle10ausgedrückt werden, ist es vernünftig anzunehmen, dass viele von ihnen über Interaktionen mit handeln könnte, doch sein RNA-bindende Proteine (RBPs) entdeckt. Eine experimentelle Strategie, um diese neuartige RBPs identifizieren würde daher die Aufgabe die biologische Funktion von NcRNAs sezieren erheblich erleichtern.
Frühere Versuche, RBPs empirisch ermitteln Vertrauen auf PolyA + RNA Auswahl gekoppelt mit Massenspektrometrie (MS)11,12,13,14,15. Obwohl diese Experimente viele Proteine in die Liste der vermeintlichen RBPs hinzugefügt, könnte sie standardmäßig nur Proteine gebunden, Polyadenylated Abschriften erkennen. Die meisten kleinen RNAs und viele LncRNAs sind jedoch nicht Polyadenylated. 16 , 17 und ihre interagierenden Proteine hätte wahrscheinlich in diesen Experimenten verpasst worden. Eine aktuelle Studie angewendet Computerlernen Proteinprotein Interaktom-Datenbanken, um Proteine zu identifizieren, die gemeinsam mit mehreren bekannten RBPs gereinigt und zeigte, dass diese wiederkehrende RBP-Partner eher RNA-bindende Aktivitäten18zu besitzen. Doch dieser Ansatz stützt sich auf Bergbau große Interaktion Datenbanken und erkennen nur Proteine, die Co gereinigten nicht denaturierenden Bedingungen mit bekannten RBPs, also ohne aus der Analyse unlöslich, Membran eingebettet und knapp sein kann Proteine.
Die Identifizierung eines Proteins als Bona Fide RBP oft nicht automatisch Informationen zur biologischen und/oder biochemische Funktion der Protein-RNA-Interaktion Ausbeute. Um diesen Punkt zu begegnen, ist es in der Regel wünschenswert, die Domäne und Aminosäure Proteinreste an der Interaktion Beteiligten zu identifizieren, so dass bestimmte Mutanten gestaltet werden können, testen Sie die Funktion des RNA-bindende im Zusammenhang mit jeder Roman RBP19, 20. frühere Bemühungen von unserer Fraktion und anderen haben zum rekombinantes Proteinfragmente und Löschung Mutanten RNA bindenden Regionen (RBRs)19,20,21,22; identifizieren solche Ansätze sind jedoch arbeitsintensiv und unvereinbar mit Hochdurchsatz-Analysen. Vor kurzem beschrieben eine Studie eine experimentelle Strategie zur RNA-bindende Aktivitäten in einer Hochdurchsatz-Mode mit Massenspektrometrie23Karte; jedoch dieser Ansatz stützte sich auf eine doppelte PolyA + RNA-Auswahl, und so trug die gleichen Einschränkungen wie die RBP Identifikation Ansätze beschrieben.
Wir entwickelten eine Technik, genannt RNA bindenden Region Identifikation (RBR-ID), die Protein-RNA-Photocrosslinking und quantitative Massenspektrometrie, Proteine und Eiweiß Regionen mit RNA in lebenden Zellen ohne Interaktion identifizieren nutzt Annahme auf der RNA Polyadenylation Status, also auch RBPs verpflichtet PolyA-RNAs24. Darüber hinaus diese Methode stützt sich ausschließlich auf Vernetzung und hat keine Anforderungen an Protein Löslichkeit oder Zugänglichkeit und eignet sich somit zur RNA-bindende Aktivitäten innerhalb von Membranen (z.B. die Kernhülle) oder schwerlösliche Fächer (Karte z.B. die Kernmatrix). Wir beschreiben die experimentellen Schritte ausführen RBR-ID für die Kerne der embryonalen Stammzellen der Maus (mESCs) sollte mit geringfügigen Änderungen dieses Protokolls jedoch geeignet für eine Vielzahl von Zelltypen, vorausgesetzt, dass sie effizient 4SU aus der Kultur integrieren können Medium.
1. Kultur und den Ausbau der mESCs
Hinweis: embryonale Stammzellen der Maus sind leicht zu Kultur und für die große Zahl erforderlich durch biochemische Experimente dank ihrer schnellen Fahrzeit schnell erweitert werden kann. Gesunde mESCs verdoppeln jeden 12 h.
2. Crosslink Protein – RNA-Interaktionen in Zellen Leben
Hinweis: RNS-Protein-Vernetzung ist vermittelt durch die Foto-aktivierbare Ribonucleoside analoge 4-Thiouridine (4SU). 4SU hat eine längere Absorption Maximum als endogene Nukleotide werden und kann nur in RNA; Mittelstufe-Wellenlänge UVB ist deshalb zu selektiv Crosslink RNA, Proteine 25 , 26 einsetzbar. UVB-Behandlung von 4SU-behandelten Zellen führt zu kovalenten Querverbindungen zwischen 4SU enthaltende RNA und Aminosäuren, mit einer gemeldeten Vorliebe für Tyr, Trp, Met, Lys und Cys 27.
3. Isolierung der Kerne
Hinweis: Kerne sind isolierte zytoplasmatischen Proteine zu entfernen und Abdeckung von nuklearen Proteinen zu erhöhen. Dieser Schritt kann mit anderen Formen der zellulären Fraktionierung RBPs in verschiedenen zellulären Kompartimenten studieren ersetzt werden.
4. Lyse der Kerne
Hinweis: vernetzte Kerne sind in einem mass Spectrometry-kompatible Puffer, Proteinen und Protein-RNA-komplexe freizugeben lysiert.
5. Trypsin-Verdauung
Hinweis: Proteine sind verdaut Peptide s generierenUitable für Bottom-Up-Massenspektrometrie (MS) Analyse.
6. Entsalzung von Peptiden
7. Entfernung von querverbunden RNA
Hinweis: Behandlung von Peptiden mit Nuklease querverbunden RNA entfernen.
8. Nano Flüssigchromatographie, Mass Spectrometry und Rohdatenverarbeitung
Hinweis: da 4SU-Vernetzung die Masse des Peptids ändert, deren Ionen zählen nicht in Richtung der Intensität des Peptids unvernetzten während LC-MS/MS, Daher scheint die durch die Vernetzung verringert werden. Der Grad und die Konsistenz von diesem Rückgang spiegelt den Grad der Protein-RNA-Vernetzung für jedes Peptid 24.
Abbildung 1 zeigt die RBR-ID-Workflow. Aufgrund der relativ geringen Vernetzungseffizienz dieser Technik ist es sehr wichtig, die Erschöpfung Ebene und die Konsistenz des beobachteten Effekts (P -Wert) biologischer Replikate zu beachten. Abbildung 2 zeigt ein Vulkan-Grundstück von RBR-ID Ergebnis. Peptide, die RNA Anerkennung Motiv (RRM) Domäne überlappt zeigen sehr konsistent Erschöpfung. RRM Domänen können als Positivkontrolle für RBR-ID Analyse verwendet werden.
RBR-ID kann verwendet werden, um RBRs in lebenden Zellen zuzuordnen. Ein RBR-ID errechnet kann für jedes Peptid, RNA-bindende Potenzial zu schätzen: RBR-ID-Score = - log2(normalisierte + 4SU Intensität/normalisiert-4SU Intensität) x (Log10(P -Wert))2. Abbildung 3 zeigt eine Heatmap RBR-ID Partituren projiziert auf der Oberfläche des Spliceosomal Untereinheit U1 - 70 k. Die leuchtende rote Farbe im Bereich der RNA-Kontakt, zeigt wie aus der Kristallstruktur ermittelt korrekte Identifizierung der Protein-RNA-Interaktion.
Bei der Identifizierung von Roman RBPs und ihre RBRs ist es dringend empfohlen, dass ihre RNA-bindende Aktivität durch eine unabhängige Methode bestätigt werden. In unserem vorherigen Studie24wir TET2 als einen Roman RBP identifiziert und die RNA-bindende Aktivität auf einer C-terminalen Region abgebildet, wie in Abbildung 4A dargestellt durch Auftragen der RBR-ID Partitur entlang der primären Sequenz des Proteins. Abbildung 4 b zeigt, dass die Voraussetzung für diesen Roman RBR konnte überprüft werden, indem Sie durchführen PAR-CLIP26 mit der WT-Sequenz und vergleichen das Signal, dass eine Mutante fehlt die vorhergesagten RBR. Zusätzliche Kontrolle und detailliertere Beschreibung des Experimentes Validierung stehen in He Et al. 201624.

Abbildung 1: Übersicht der RBR-ID. Maus-WSR mit 4SU behandelt werden, oder nicht (1-2) und bestrahlt mit 312 nm UV (3). Kerne sind isoliert (4) und Extrakte mit Protease und Nuklease nachgeben vernetzt und Uncrosslinked Peptide (5) verdaut. Kovalente RNA Addukte bei Crosslink Websites verändern die Peptid-Masse, führt zu einem entsprechenden Rückgang der Intensität der das Uncrosslinked Peptid Massenspektrum (6, Pfeil). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: Proteom-weite RBR-ID in mESCs. Vulkan Grundstücke zeigt Log-Fach Änderungen im Peptid Intensitäten auf der x-Achse und der Student t-test P -Werte auf der y-Achse ± 4SU Behandlungen (312 nm). Peptide, die überlappende kommentierter RRM Domänen sind blau. Eine RNA-bindende Peptid aus HNRNPC ist rot hervorgehoben. Zuvor veröffentlicht in He Et Al. 201624. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: RBR-ID ordnet die Seiten von Protein-RNA-Interaktionen. Vergrößerten Regionen der Kristallstruktur von U1 SnRNP (PDB ID: 4PJO31) zeigt Protein Oberflächen farblich nach ihren RBR-ID-Score und Interaktion RNAs für U1 - 70 K. Zuvor veröffentlicht in He Et Al. 201624. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4: Validierung von RBR von TET2. (A) primäre Sequenz und bekannten Domains für TET2; geglättete Rückstandsgehalt RBR-ID Partitur geplottet entlang der primären Sequenz (Mitte); und Regelung der katalytische Domäne Epitop-markierte Fragment (CD) und RBR gelöscht (CDΔRBR) Konstrukte verwendet für die Validierung (unten). (B) PAR-CLIP der vorübergehend zum Ausdruck gebrachten TET2 CD und ΔCDΔRBR in HEK293 Zellen. Autoradiographie für 32P-Label RNA (oben) und Kontrolle-western-Blot (unten). Zuvor veröffentlicht in He Et Al. 201624. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Wir beschreiben ein Protokoll zur RNA-bindende Proteine und RNA-bindende Regionen in lebenden Zellen mit UV-vermittelten Photocrosslinking und Massenspektrometrie.
R.b. wurde von Searle Scholars Program, w. Smith Foundation (C1404) und der Marsch des Dimes Foundation (1-FY-15-344) unterstützt. Bag nimmt zur Kenntnis, Unterstützung von NIH R01GM110174 und NIH R01AI118891, Zuschüsse sowie DOD BC123187P1 zu gewähren. R.W.-T. von NIH Ausbildung Grant T32GM008216 unterstützt wurde.
| KnockOut DMEM Fisher | Scientific | 10829018 | |
| Fötales Rinderserum, qualifiziert, US-Herkunft | Fisher Scientific | 26140079 | |
| L-Glutamin-Lösung 200 mM | Sigma | G7513 | |
| Penicillin-Streptomycin-Lösung | Sigma | P0781 | |
| MEM Nicht-essentielle Aminosäurelösung (100&mal;) | Sigma | M7145 | |
| 2-Mercaptoethanol | Sigma | M3148 | |
| ESGRO Leukämie-Hemmfaktor (LIF) | EMD Millipore ESG1106 | ||
| CHIR99021 | Tocris | 4423 | |
| PD0325901 | Sigma | PZ0162 | |
| Gelatinelösung, 2% in Wasser | Sigma | G1393 | |
| 4-Thiouriidin | Sigma | T4509 | 50 mM Lagerbestand in Wasser |
| Spektrolinker XL-1500 | Fisher Scientific | 11-992-90 | |
| Phenylmethansulfonylfluorid | Sigma | 78830 | |
| IGEPAL CO-630 | Sigma | 542334 | Kommerzielle Form von Octyl-Phenoxy-Polyethoxy-Ethanol-Waschmittel |
| Jodacetamid | Sigma | I6125 | |
| Trypsin, | Promega | V5111 | |
| Empore Festphasen-Extraktionsscheibe | 3M | 66883 | |
| OLIGO R3 Reversed - Phase Resin | Fisher Scientific | 1133903 | |
| Benzonase | Sigma | E8263 | Hochreine Nuklease |
| Sonic Dismembrator Modell 100 | Fisher Scientific | eingestellt | aktualisiert mit FB505110 |
| Acetonitril in HPLC-Qualität | Fisher Chemical | A955-4 | |
| Wasser in HPLC-Qualität | Fisher Scientific | W6 4 | |
| TFA | Fisher Scientific | A11650 | |
| Ammoniumbicarbonat | Sigma | A6141 | |
| Essigsäure | Sigma | 49199 | |
| Ameisensäure | Sigma | F0507 | |
| ReproSil-Pur 18-AQ | Dr. Maisch GmbH HPLC | r13.aq.0003 | Packungsmaterial für HPLC-Säule |
| Kapillare für Nanosäulen (75 & Mikro; m) | Molex | 1068150017 | |
| MaxQuant-Software | Max-Planck-Institut für Biochemie | Kann chromatographisches Alignment mehrerer MS-Läufe durchführen |