ALIBi (ALIBi) היא שיטה חדשה שמופעלת אופטוגנטית שפותחה לתיוג וטיהור אוכלוסיות תת-תאיות של ריבוזומים לצורך ריצוף וניתוח פרוטאומי במורד הזרם וניתוח פרוטאומי.
מאמר שיטה
ALIBi (ALIBi) היא שיטה חדשה שמופעלת אופטוגנטית שפותחה לתיוג וטיהור אוכלוסיות תת-תאיות של ריבוזומים לצורך ריצוף וניתוח פרוטאומי במורד הזרם וניתוח פרוטאומי.
עדויות הולכות וגדלות מצביעות על כך שתרגום mRNA הוא תהליך מחולק מאוד בתוך תא, וכי תנועה תת-תאית ומיקום של mRNA ספציפי הם המפתח להבטחת ייצור חלבונים עם פונקציות ספציפיות לתחום בסביבה האידיאלית ובכמויות מתאימות. עם זאת, טכניקות לבידוד תת-תאי ואפיון הריבוזומים שמתרגמים את ה-mRNA הללו הוגבלו עד כה, כך שרבים עדיין לא ידועים לגבי האופן שבו הרכב המכונות התרגומיות תורם לוויסות תרגום mRNA מקומי.
כאן, אנו מדגימים את ALIBi (ביוטינילציה מוגברת למיקום מוגבל למיקום ספציפי ל-AviTag), שיטה המשלבת תיוג אפיטופים, ליגז ביוטין מפוצל שפותח לאחרונה ומופעל אופטוגנטית, וטיהור אפיניטיות, כדי לסמן ולבודד במהירות ובאופן מדויק ריבוזומים הממוקמים בכל תא תת-תאי. ראשית, עריכת CRISPR/Cas9 משמשת למיזוג פפטיד AviTag, אתר חיתוך פרוטאז של וירוס טבק (TEV), ותג אפיטופ FLAG לחלבון ריבוזומי. ליגז הביוטין המפוצל, המאוחד לדומיין המיועד לאברונים, מתבטא בקו תאים זה ואינו פעיל בריכוזי ביוטין רגילים. לאחר הפעלה באמצעות ביוטין משלים והארה באור כחול, הביוטינילטים של הליגז ריבוזומים מתויגים בסביבה הקרובה, מה שמאפשר טיהור אפיניטי של ריבוזומים ביוטיניליים וחלבונים ו-mRNA נלווים על חרוזים מצופים סטרפטווידין. שחרור שאינו דנטור באמצעות חיתוך פרוטאז ב-TEV מניב דגימות המתאימות לאפיון בהמשך של חלבוני ריבוזומים מרכזיים, חלבונים קשורים לריבוזום ו-mRNA קשורים לריבוזום באמצעות ריצוף RNA או פרוטאומיקת ספקטרומטריית מסה.
בפרוטוקול זה, אנו סוקרים את עקרונות העיצוב למיזוג AviTag לחלבון ריבוזומי ומיקוד באנזים ליגאז ביוטין מפוצל לאברון הרלוונטי. אנו מראים הפעלה של מערכת ALIBI, ניתוק תאים, טיהור זיקה והסרת דגימות. לבסוף, נדון בתוצאות טיפוסיות ובפתרון תקלות.
יש צורך חשוב בכלים שיכולים לבודד דגימות ביולוגיות ממחלקות תת-תאיות ספציפיות כדי לחקור טוב יותר כיצד ארגון תת-תאי והתנועה משתלבים בתהליכים תאיים. תרגום mRNA הוא דוגמה מרכזית לתהליך כזה: עדויות הולכות וגדלות מצביעות על כך שהתרגום מחולק מאוד למחלקה, ובמיוחד, שרבים מה-mRNA ממוקמים באברונים שבהם החלבונים המקודדים שלהם ימצאו 1,2. עם זאת, פחות ידוע על המיקום התת-תאי של מכונות תרגום. ריבוזומים מתחילים את קיומם בגרעין ובגרעין, שם מתחילה הרכבה מחלבוני ריבוזום (RPs) ורנ"א ריבוזומליים (rRNAs). לאחר מכן הם מיוצאים לציטופלזמה לשלבים הסופיים של ההרכבה, ולאחר מכן הם מתחילים לתרגם mRNA 3,4. אתרי התרגום הקנוניים כוללים את הציטופלזמה והרשת האנדופלזמית; האחרון הוא המקום שבו חלבוני ממברנה אינטגרליים וחלבונים המיועדים לאברונים קשורים לממברנה או להפרשה חוץ-תאיתמסונתזים 5. אתרים שזוהו לאחרונה של תרגום מקומי כוללים את המיטוכונדריה, פרוקסיזום ותהליכים נוירונים 6,7,8,9,10,11,12. מעניין לציין שגם מתגלות ראיות לכך שתכונות מכניקת תרגום כגון חלבונים הקשורים לריבוזום, שינויים לאחר תרגום, שינויים ב-rRNA וסטוכיומטריה לא קנונית של חלבוני ליבה ריבוזומליים מעורבים במנגנוני ויסות השולטים בתרגום של mRNA ופרמטרים מסוימים כגון נאמנות תרגוםוקצב 13,14,15,16,17,18, 19, 20. לדוגמה, מאות חלבונים זוהו שמגיבים עם הריבוזום ויכולים להוביל להבדלים בהרכב הריבוזום התת-תאי13. עם זאת, טכניקות לבידוד אוכלוסיות ריבוזום תת-תאיות הוגבלו עד כה; לכן, עדיין לא ידוע הרבה לגבי האופן שבו הרכב מכונות תרגום תורמות לווסת תרגום mRNA מקומי. הופעת שיטות גמישות לבידוד אוכלוסיות ריבוזומי תת-תאיות, במיוחד אלו התואמות למערכות מודל יונקים, תאפשר חקירת תכונות מכונות התרגום הללו ברמה התת-תאית.
השיטות המוקדמות ביותר לבידוד שברים תת-תאיים המכילים ריבוזומים התבססו על עקרונות של פירוק רציף וצנטריפוגציה21,22. בדרך כלל, שיטות אלו מוגבלות לאברונים מסוימים ולעיתים דורשות זמני עיבוד ארוכים. שיטה עדכנית יותר מבוססת על ליגז ביוטין BirA, אשר מבצע ביוטינילציה ספציפית למצע פפטידי AviTag 10,23,24. ה-BirA יכול להיות ממוקם גנטית לאברון המעניין בתאים שבהם ריבוזומים סומנו ב-AviTag. עם זאת, מאחר ש-BirA פעיל בריכוזים פיזיולוגיים של ביוטין, יש צורך לגדל תאים בתנאי דלדול ביוטין כדי להימנע מביוטינילציה מרכיבה ולא ספציפית של ריבוזומים נושאי AviTag10,24. דבר זה מגביל את השימוש ב-BirA בסוגי תאים הרגישים לדלדול ביוטין25. לבסוף, פותחו שיטות ביוטינילציה פרומיסקואיות המשתמשות באנזימים מהונדסים כגון BioID, TurboID, ו-APEX 26,27,28. בעת ההשראה, אנזימים אלו מייצרים ביתווך ביוטין תגובתי שמתאים באופן קוולנטי כל שיירת ליזין ברדיוס של האנזים. שיטות ביוטינילציה פרומיסקואיות שימושיות מאוד למיפוי פרוטאומים תת-תאיים, אך פחות אינפורמטיביות להבחנה בין חלבונים בסביבה כללית של ריבוזומים מקומיים לעומת חלבונים הקרובים אליהם.
כאן, אנו מדגימה את השיטה שפיתחנו לאחרונה לתיוג ובידוד אוכלוסיות ריבוזומים תת-תאיים, הנקראת AviTag-specific Location-Limited Illumination-enhanced Biotinylation (ALIBi). שיטה זו מנצלת פיצול מהונדס של BirA המאוחד למתגי מגנט אופטוגנטיים משופרים (eMag) (איור 1A) שמתרוצצים תחת הארה באור כחול29; ותג פפטיד המורכב מאפיטופ FLAG, אתר חיתוך פרוטאז של וירוס טבק (TEV), ו-AviTag (FTA) המאוחד לחלבון ריבוזום Rpl31 (איור 1B). האנזים המפוצל יכול להיות מכוון גנטית לאברונים נבחרים, אינו פעיל בריכוזים פיזיולוגיים של ביוטין, וניתן להשתקם תוך דקות עם הארת אור כחול והוספת ביוטין משלים (איור 1C-E). פירוק תאים לאחר מכן, טיהור זיקה והסרת אנזימים ללא דנטורה באמצעות חיתוך פרוטאז TEV מניבים ריבוזומים ומולקולות טיהור משותף כגון mRNA וחלבונים הקשורים לריבוזום, המתאימות לשיטות אנליטיות בהמשך כמו ריצוף RNA ופרוטאומיקת ספקטרומטריית מסה (איור 1A). לכן, שיטה זו חושפת לא רק את הרכב הריבוזומים אלא גם את ה-mRNA שאליהם הריבוזומים קשורים. במאמר עדכני שתיאר את היישום המייסד של ALIBi לאפיון אוכלוסיות ריבוזומים תת-תאיים, הצלחנו למקד את האנזים המפוצל לציטופלזמה, גרעין, גרעין, רשתית אנדופלזמית, ממברנת פלזמה ומיטוכונדריה (טבלה 1)30. ההשוואה שנוצרה בין מכונות תרגום בין מחלקות תת-תאיות אלו הובילה לממצאים חדשים ובלתי צפויים בנוגע לתרגום ברשתית האנדופלזמית ובמיטוכונדריה, וכן למובילים פוטנציאליים לחקר עתידי של גורמי ביוגנזה של ריבוזום בגרעין ובגרעין.
פרוטוקול זה כולל הדגמה מפורטת של טרנספקציה והפעלה של מערכת ALIBI, פירוק תאים, טיהור אפיניטיות והסרת דגימות. אנו גם דנים כיצד לאמת טיהור אפיניטי מוצלח באמצעות Western Blot וממליץ על ביצוע ריצוף RNA במורד הזרם או ניתוח פרוטאומי של ספקטרומטריית מסה (MS) (ראו קובץ משלים 1). פרוטוקול זה נכתב לניסויים המשתמשים בתאי גזע עובריים של עכבר (mESCs) המבטאים את Rpl31 המוזג ל-FTA (L31-FTA) באופן הומוזיגוטי מהאתר האנדוגני Rpl31; קו תאים זה זמין מהמחברים לפי בקשה. האסטרטגיה ליצירת קו תאים זה מתוארת בקובץ המשלים 1 ובאיור המשלים S1 ובאיור המשלים S2. פלסמידים המקודדים את האנזימים המפוצלים המיועדים למספר אברונים זמינים ב-Addgene (מספרי קטלוג #235608 עד 235643). עקרונות העיצוב למיקוד האנזימים המפוצלים לאברונים אלו מתוארים בקובץ משלים 1. הפרוטוקול מניח שכל דגימה מגיעה מ-mESCs שגדלו בלוח בגודל 10 ס"מ. מצאנו כי קנה המידה של 10 ס"מ מספק חומר מספק לפרוטאומיקה של ספקטרומטריית מסה, בעוד שקנה המידה של 6 בארות מספיק לכתמים מערביים או ריצוף RNA.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. תרבית תאי mESC
הערה: לפני הפעלת ALIBi וניתוק תאים, יש לטפל ב-mESCs בטכניקת סטרילית סטנדרטית לתרבות תאים. צנטריפוגציה של mESCs שלמים צריכה להתבצע ב-200 × גרם למשך 3 דקות בטמפרטורת החדר אלא אם צוין אחרת. חימום המדיום ל-37 מעלות צלזיוס באמבט מים לפני השימוש אלא אם צוין אחרת. יש להעביר mESCs לפלטת תרבית רקמה טרייה שעברה ג'לטין במהלך הלילה (ראו שלב 1.1).
2. טרנספקציה
הערה: בצע טרנספקציה ביום שבו ה-mESC מוכנים למעבר מעבר. פלסמידים עשויים להתחיל להתבטא כבר 3-5 שעות לאחר הטרנספקציה. לאחר הביטוי, אנו ממליצים לטפל בתאים בחושך ולהפחית חשיפה לטמפרטורות מתחת ל-37 מעלות צלזיוס כדי למנוע הפעלה מוקדמת, שכן מחקרים קודמים הראו כי דומיינים אופטוגנטיים של מגנט מתפוגגים לא רק תחת אור כחול אלא גם בחשיפה לקור31. שמרו את הלוחות באינקובטור ייעודי או הגנו על מדף באינקובטור משותף מפני אור באמצעות נייר אלומיניום. כאשר מטפלים בתאים מחוץ לאינקובטור, כבו או חסמו את כל אורות החדר והחלונות מראש, והשתמשו בפנס אדום כדי לראות. אל תשאיר את דלת האינקובטור פתוחה יותר מהנדרש. הוציאו רק מנות קטנות של צלחות מהאינקובטור בכל פעם, והניחו את הלוחות על משטח בידוד (כלומר, מכסה קופסת קלקר נקי) בזמן הטיפול כדי למזער מגע עם משטחי עבודה בטמפרטורת החדר. חום את המדיה במלואה לפני השימוש. אין לבדוק לוחות תחת מיקרוסקופ פולט אור.
3. הפעלת ALIBi וניתוק תאים
הערה: המשך לטפל בתאים/דגימות בחושך עד תחילת ההסרה (שלב 5.4). לאחר שהתאים הוקררו על קרח (שלב 3.15), שמרו דגימות קרות והשתמשו רק בתגובות מקוררות עד תחילת השחרור. ודאו שמשטחי עבודה, ציוד, תגובות ופלסטיקים נקיים מ-RNAse על ידי שימוש בפריטים שנפתחו זה עתה וניגוב או שטיפה של משטחים קשים בתמיסת ניקוי RNAse ו-70% אתנול. לבשו כפפות בכל פעם שאתם מטפלים בדגימות או ציוד. לדגימות המיועדות לפרוטאומיקה של MS, יש גם לצמצם זיהום קרטין על ידי שמירה על חלל העבודה נקי מאבק; כיסוי עור חשוף, וקשור שיער ארוך לאחור.
4. טיהור זיקה
5. Elution
6. כתם מערבי
הערה: עד שדגימות הליזאט וה-flow-through יעברו דנטור בבופר Laemmli, אנו ממליצים להמשיך להימנע מחשיפה לאור. אנו משתמשים בג'לים מוכנים מראש, בבופר העברה ובופר רץ זמינים מסחרית, ובמערכת העברה חצי-יבשה (ראו טבלת החומרים). SDS-PAGE ו-Western Blot מבוצעים בהתאם להוראות היצרן עבור רכיבים אלו, אלא אם צוין אחרת להלן.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ווסטרן בלוט (סעיף 6 בפרוטוקול) הוא הדרך המהירה ביותר להעריך באופן ראשוני את הצלחת הניסוי. כאשר ממברנות נבדקות עם סטרפטבדין-HRP, ליזאט מתאים שבהם כל רכיבי המערכת היו קיימים אמור להכיל רצועה התואמת לביוטינילציה L31-FTA (איור 2A, נתיב 20). אותו רצועה אמורה להיות נוכחת, בדרך כלל בעוצמה גבוהה יותר, אם תאים עברו טרנספקט עם BirA באורך מלא כבקרה חיובית (איור 2A, נתיבים 1–4). תחום זה אמור להיות חלש יותר או חסר בדגימות שבהן הושמט רכיב מער...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ALIBi מציע מספר יתרונות בהשוואה לטכניקות קיימות לחקר תרגום תת-תאי ויש לו יישומים פוטנציאליים בעתיד בביולוגיית הריבוזום ומעבר לה. פרוטוקול זה דורש זמן דומה או פחות בהשוואה לליזיס ולצנטריפוגציה רציפה21,22, והוא עשוי להתאים לכל תא תת-תאי שניתן למקד גנטית באמצעות רצף פפטיד מקומי. בהשוואה ל-BirA10,24 פעיל באופן קונסטיביטי, שיטה זו אינה דורשת תרבית תאים במדיה מדוללת מביוטין. רי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר עליהם.
המחברים מודים לחברי מעבדת ברנה על דיונים מועילים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| -80 °C storage | לתרבית תאים | ||
| 0.1% ג'לטין במים | MilliporeSigma | ES-006-B | לתרבית תאים |
| יחידות סינון 0.2 µm | Fisher | 04-977-158 | לתרבית תאים |
| 0.5% trypsin-EDTA (10X) | ThermoFisher | 15400-054 | לתרבית תאים |
| 1 M MgCl2 | ThermoFisher | AM9010 | לליזה & טיהור זיקה |
| 1 M Tris pH 7.5 | ThermoFisher | 15567027 | לליזה & טיהור זיקה |
| 1 M Tris pH 8 | ThermoFisher | AM9855G | אופציונלי: להכנסת FTA למקום חלבון ריבוזומלי אנדוגני |
| 1.5 ו-2 mL צינורות מיקרוצנטריפוגה, מעוקרים | לטרנספקציה | ||
| 1.5, 2 mL, ו-5 mL צינורות מיקרוצנטריפוגה לחלבון עם קישור נמוך | Eppendorf | 022431081, 022431102, 0030108302 | לליזה & טיהור זיקה |
| צלחות תרבית רקמות של 10 ס”מ | לתרבית תאים | ||
| 10 M NaOH | MilliporeSigma | 72068-100ML | לליזה & טיהור זיקה |
| 10x Tris/glycine/SDS running buffer concentrate | Bio-Rad | 1610772 | ל-Western blot |
| חממת תרבית רקמות של 37 °C x 2 | לתרבית תאים. אחת מהן משמשת כחממת התרבית העיקרית לתרבית תאים והארה של תאים טרנספקטים. יש צורך במרחב זמני בחממה שנייה ביום הפעלת ALIBi כדי להכיל תאים טרנספקטים בעת הגדרת המאירה הטרנספורמטיבית בחממה הראשית. | ||
| אמבט מים של 37 °C | לתרבית תאים | ||
| 5 M NaCl | ThermoFisher | AM9010 | לליזה & טיהור זיקה |
| 50 mM biotin | ThermoFisher | B20656 | לליזה & טיהור זיקה |
| 6x Laemmli buffer | FIsher | 50-196-784 | ל-Western blot |
| 70% אתנול | לחיטוי | ||
| אצטוניטריל | Fisher | A955 | אופציונלי: להכנת דגימות לספקטרומטריית מסה |
| ערכת AcTEV protease | ThermoFisher | 12575015 | לליזה & טיהור זיקה |
| פלסמיד C-fragment של ALiBi | Addgene | #235615, 235636 – 235641 | דרוש קנה-מד לטרנספקציה |
| פלסמיד N-fragment של ALiBi | Addgene | #235614, 235635, 235642, 235643 | דרוש קנה-מד לטרנספקציה |
| נייר אלומיניום | לליזה & טיהור זיקה | ||
| אמוניום ביקרבונט | MilliporeSigma | 5.3305 | אופציונלי: להכנת דגימות לספקטרומטריית מסה |
| נוגדן anti-FLAG | MilliporeSigma | F3165 | ל-Western blot |
| נוגדן anti-GAPDH | Cell Signaling | 5174 | ל-Western blot |
| נוגדן משני anti-עכבר | GE Healthcare | NA931V | ל-Western blot |
| נוגדן משני anti-ארנב | GE Healthcare | NA934V | ל-Western blot |
| נוגדן anti-Rpl12 | Abcam | ab175219 | ל-Western blot |
| נוגדן anti-Rpl31 | Abcam | ab103991 | ל-Western blot |
| נוגדן anti-Rpl5 | ProteinTech | 15430-1-AP | ל-Western blot |
| נוגדן anti-V5 | ThermoFisher | R960-25 | ל-Western blot |
| Apyrase | NEB | M0398L | לליזה & טיהור זיקה |
| Beta-mercaptoethanol (55 mM) | ThermoFisher | 21985-023 | לתרבית תאים |
| תאורה אחורית בתאורה כחולה | Clare Research Chemical | DR46B (קטנה) או DR196 (גדולה) | לליזה & טיהור זיקה |
| אלבומין מסום בקר (BSA) | Fisher | BP1600-100 | ל-Western blot |
| טיפים C18 (טיפים OMIX C18) | Agilent | A57003100 | אופציונלי: להכנת דגימות לספקטרומטריית מסה |
| מיכל הקפאה לתאים | לתרבית תאים | ||
| צנטריפוגה המתאימה לצינורות חרוטיים של 15 מ"ל ו/או 50 מ"ל | לתרבית תאים | ||
| צנטריפוגה לצינורות מיקרוצנטריפוגה של 1.5-2 מ"ל | לליזה & טיהור זיקה. אמור להיות מסוגל להתקרר עד 4 C ומהירות של עד 17,000 g. באופן אידיאלי, הוא ממוקם בחדר שניתן להחשיך אותו באופן זמני בעת העברת צינורות |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה