方法論記事

ポリソームプロファイリングによってストレス状態の間に翻訳開始の分析

DOI：

10.3791/51164

⸱

2014年5月19日

 ,  , 
1Department of Molecular Biology, Medical Biochemistry, and Pathology, Faculty of Medicine, Laval University, 2CHU de Quebec Research Center

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ここでは、ストレス条件に応答する真核細胞のmRNA翻訳の開始の変化を分析するための方法を記載している。このメソッドは、非翻訳リボソームからリボソームを翻訳するショ糖勾配に速度の分離に基づいています。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

mRNA翻訳の正確な制御は、特に、生理学的および病理学的ストレスに応答して、真核細胞の恒常性に必須である。このプログラムの変更は、損傷した細胞の増殖、癌発生の顕著な特徴、または例えば神経変性疾患において見られるような時期尚早の細胞死につながることができる。翻訳調節の分子基盤について知られていることの多くは、密度勾配分画システムを用いてポリソーム分析から得られた。この手法は、線形スクロース勾配上で細胞質抽出物の超遠心分離に依存しています。回転が完了すると、システムは、異なる翻訳に対応し、遠心分離ゾーンの分画および定量化は、このようにポリソームプロファイルをもたらす、リボソーム集団を可能にする。ポリソームプロフィールの変化は、ストレスの種々のタイプに応答して生じる翻訳開始の変化や欠陥の指標である。この技術は、目を評価することができ電子翻訳開始の特定のタンパク質の役割、および特定のmRNAの翻訳活性を測定する。ここでは、正常または応力のいずれかの培養条件で、真核細胞および組織の翻訳開始を評価するために、ポリソームプロファイルを実行するために我々のプロトコルが記載されている。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

真核細胞は、常に迅速な適応細胞応答を必要とする有害な生理学的および環境ストレス条件の範囲に遭遇する。細胞ストレス応答は、抗生存と生存促進作用性因子との間の正確なバランスを必要とする。このバランスを崩壊させることは、癌や神経変性疾患などのヒトの病理の発展をリードする不可逆的な結果をもたらす可能性がある。ストレス反応の第一段階の間、細胞は、mRNAの翻訳のレベルでの遺伝子発現の変化の協調制御を伴う生存促進経路を活性化する。

真核生物のmRNAの翻訳は、翻訳開始因子（EIFS）、特異的なRNA結合タンパク質（のRBD）と、RNA分子の1との間の協調的な相互作用を伴う複雑な細胞プロセスである。開始、伸長、および終結：mRNA翻訳、3つの異なるフェーズに分割される。すべての3つのフェーズがレギュレーションの対象となりますがlatory機構は、翻訳制御メカニズムは、主にこのようにしてタンパク質合成2の律速段階を構成する翻訳の開始位相を、標的とする。

翻訳開始は 、 私は開始前複合体の形成につながる、三元複合体と40Sリボソームサブユニットへのその後の結合に会った eIF2a.GTP.Met-tRNAの形成に始まる高度に秩序プロセスです。次のステップは、そのようなeIF4F複合eIF3と、翻訳開始因子の活性が関与するmRNAに前開始複合体の動員である。このように形成された48S開始前複合体は、開始コドンAUGを認識するまで、mRNAの5 '非翻訳領域のスキャンを開始するには、この機械を有効に特定の立体構造変化を受ける。翻訳開始因子の多くは、その後解放され、60Sサブユニットが翻訳のために、複雑な有能なリボソーム80Sを形成するために動員され、Aトンその時点でタンパク質合成を開始する（ 図1）。一染色体は、いわゆるポリソーム（またはポリリボソーム）の製造時に同じmRNAを翻訳することができ、複数の80S。ポリソームmRNA上の密度は、開始、伸長および終結率を反映し、したがって、特定の転写物の翻訳可能性の尺度である。しかしながら、ポリソームプロファイルは、主に開始段階におけるmRNA翻訳の変化を評価するために使用される。ここでは、翻訳開始阻害剤としてのプロテアソーム阻害剤を使用している。この薬物による癌細胞の処理は、翻訳開始因子eIF2a をリン酸化し、3 HRIというストレスキナーゼの活性化によって特徴付けストレス応答を誘導する。 eIF2aのリン酸化は、哺乳動物細胞4における翻訳開始の阻害を引き起こす主要なイベントの一つです。

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

プロトコル

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

プロトコルは、ガイドラインに従っています ラバルの倫理審査委員会により承認されました。

1。細胞培養の準備と脳の操作

  1. 哺乳類とショウジョウバエ細胞
    1. アメリカン·タイプ·カルチャー·コレクションが推奨するようにしたHeLa子宮頸癌細胞とシュナイダーショウジョウバエの胚細胞を増殖させる。低継代の細胞を操作します。
    2. 80％の集密度の実験日に到達するために、プレートの細胞。最良の結果を得るには、各実験条件についての細胞の〜12×10 6を使用しています。ポリソーム分析のための抽出物を加える前に、少なくとも90分間、新鮮な完全培地を添加することにより翻訳を刺激する。
  2. 脳の分離：生後9〜16日の間、老齢マウスの脳を分離します。安楽死は、麻酔および頸椎脱臼した後、CO 2吸入を必要とする。犠牲に続いて、脳全体のどちらかの場所を隔離I-80℃でTまたは直接すぐに使用冷PBS 1Xにそれを転送します。

2。密度勾配分画系の製造に

  1. 5分間、0.1％SDSで配管システムを洗浄します。
  2. DEPC水で洗浄する前に、5分間RNaseZAPソリューションで、その後、5分間、70％エタノールでチューブシステムを洗浄します。
  3. 装置の配管系を乾燥させるために空気をポンプ。

ショ糖勾配の3。準備

  1. 20mMのトリス-HCl、pH7.4、1.25のMgCl 2、150mMのNaCl、および1mM DTT、15％、55％ショ糖溶液を作る。
  2. 生成する 製造業者の使用説明書に記載されているように、前者イスコモデル160勾配を用いて15％から55％線形スクロース勾配。しかし、勾配の気泡や乱流の生成を避けるために、周知TRIS蠕動ポンプの速度を制御することが重要である。使用するまで4℃で勾配を維持する。
  3. 勾配メーカープログラムが実行されている時間の間、4℃で超遠心機を冷却する

4。細胞の作製とマウスの脳の抽出物

  1. 細胞抽出物の準備
    1. 氷と洗浄細胞の上に置いてプレート（S）は、冷PBS 1Xで3回。
    2. 補充した溶解緩衝液1ml（pH7.4の20mMトリス塩酸、1.25のMgCl 2、150mMのNaCl、1mMのDTT、1％ノニデットP40、5 U / mlのRNase阻害剤、収穫細胞（〜12×10 6個）完全なミニEDTAフリープロテアーゼ阻害剤カクテル錠付き）、エッペンドルフチュー​​ブに転送し、1ccののU100インスリン注射器28 G 1/2を介してそれらを15Xを渡すことでよく混ぜる。細胞溶解物を氷上で15分間休憩しましょう​​。
    3. 10×対物レンズを用いた位相差顕微鏡で観察することにより細胞溶解を評価するためにスライド上に細胞溶解物を数滴入れた。唯一の核は見えるはずず、細胞膜は、細胞溶解のために証明する見えないはずです。対照として、観察未溶解細胞。
    4. 4℃で20分間、11,000×gでの遠心分離によって細胞溶解物を明確にし、ポリリボソームを含む可溶性ライセートを保つ。
  2. マウス脳抽出物の調製
    1. 溶解緩衝液2mlの氷冷Dounceホモジナイザーで10ストロークにより単離された脳全体（〜500mg）をホモジナイズし、4℃で15分間、11,000×gで遠心分離することによってホモジネートを明らかにする
    2. 50％ショ糖のクッションの上に得られた上清をロードし、4℃で、TH-641超遠心ローターを用い20万×gで2時間沈降を進める
    3. 溶解緩衝液1ミリリットル中にポリリボソームを含む半透明のペレットを再懸濁し、上下にピペッティングしてよく混ぜます。勾配上にロードする前に30分間氷上サスペンション残りをしましょう​​。

5。ショ糖勾配超遠心分離に抽出ロード

  1. 濃度を測定分光光度計を用いて、細胞質抽出物中に存在するRNAの。慎重にゆっくりと15パーセント〜55％ショ糖勾配上に〜抽出物の20 OD 260単位をロードします。利用可能なスペース2-3 mmは遠心分離中のチューブをオーバーフローを回避するために、管の表面に存在することを確認してください。
  2. 4℃で、TH-641超遠心ローターを用い23万×gで2時間30分の超遠心機を用いて勾配を遠心分離遠心分離が終了すると、チューブを外し、勾配を乱さないように注意深く氷の上に置きます。

ポリソームプロファイリングのための細胞質抽出物の6。画

  1. 製造者によって記載されているように、自動化された密度分画システムにショ糖勾配を配置し、分画の自動分別と収集を進める（0.5ミリリットルずつ）。
  2. 254 nmの吸光度を連続的に監視して、個々のエッペンドルフチュー​​ブに各画分（〜500μl）を収集します。 parall中勾配分別操作のELは、polyribosomalプロファイルはチャート紙で編集されます。代わりに、ポリソームプロファイルの電子買収を持つようにチャートレコーダーに接続され、データ取得手段を使用しています。
  3. 各実行の最後に、ドライアイス上で収集したエッペンドルフを転送します。このとき、ストアのいずれかを-80℃で画分を集め、以下のように直接またはタンパク質-RNA複合体を沈殿させる。

7。タンパク質抽出および分析

  1. ショ糖勾配の各収集画分に、100パーセントの冷エタノール2容量を追加して、RNA-タンパク質複合体は、-20℃で一晩沈殿させてみましょう。
  2. 遠心機で4℃で20分間11,000 xgで各RNA-タンパク質沈殿物を70％エタノールで洗浄する。乾燥した特異的抗体を用いたウェスタンブロットに進む前に、SDS-PAGEサンプル緩衝液中に沈殿物を再懸濁する（ 図2参照）。

8。RNA抽出およびAnalysis

  1. セクション7.1のように、RNA-タンパク質複合体を沈殿させる。 0.1％SDSを含有する溶解緩衝液中の各RNA-タンパク質沈殿物を再懸濁する。 55℃の水浴中で30分間、2 mg / mlのプロテ​​イナーゼKを有する沈殿物のタンパク質成分を消化する。
  2. "：クロロホルムフェノール」、クロロホルム2ボリューム、2 MのNaOAc pHが4の0.1ボリュームと20分間、4℃で万×gで遠心分離の1ボリュームを追加することにより、沈殿物のRNA成分を抽出。 1容量のイソプロパノールおよびグリコーゲン0.2μgの/μLを添加することにより、-20℃で一晩、各試料の得られた水相から沈殿物のRNA。 4℃で10,000×で1時間沈殿物を回転70％冷エタノールでRNAペレットを洗浄します。
  3. RNA分解酵素を含まない水を少量にRNAペレットを再懸濁します。量を評価 と品質 RNAを分光光度計を用いて。

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

結果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

前述のように、ポリソームプロフィールはストレス条件下で翻訳開始の変化の分析を可能にする。 図1は、前述のように、翻訳開始の簡略図が翻訳開始複合体の順序付けられたアセンブリーを含む多段階プロセスである。正常な成長条件下で、翻訳開始複合体は、その検出ソームプロファイルによる活性翻訳開始のための証明（;未処理図2）ポリリボソームに変換される。ストレス条件下しかしながら、翻訳開始は、80Sモノソームやポリソームの蓄積のピークの減少（;プロテアソームインヒビター図2）で得られたブロックされている。

figure-results-1
...

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

ディスカッション

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

スクロース勾配上のポリソームプロファイル解析は、細胞または組織から単離したポリソーム9,11-14の濃度を分析することによって、翻訳開始の測定を可能にする。この手法は、 生体内で翻訳開始を測定するのに最適な（ない場合は一意の）アプローチである。これは、細胞周期15の間、細胞を増殖させるの並進状態を監視するために、及び翻訳開始には、ウイルス感染症、低酸素13,16、放射線17、および化学薬物療法で使用される18を含むストレスの様々な種類の効果を評価するために使用される。この技術は、細胞培養物ならびに脳および肝臓などの特定の組織の翻訳開始を評価するためにうまく機能している間しかし、それは病変組織および腫瘍対正常の翻訳開始を比較するために使用することができる場合に確立されていない。

ポリソームプロファイルの変化はまた、翻訳elongaを変更する条件の下で発生する可能性がありますのTiONまたは終了。終結の抑制は対照と比較し、より大きなポリソームをもたらすはずであ...

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

開示事項

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

著者らは、開示することは何もありません。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

PAは、ラバル大学の医学部からの奨学金の受取人 "ピエール·デュラン」です。ポリソーム精留塔をRMに自然科学とカナダの工学研究会（MOP-CG095386）によってサポートされていたこの作品は、RMR Mにイノベーション助成金のためのカナダの財団（MOP-GF091050）を通じて取得した新しいCIHR研究者の給与賞を保持している。

私たちは、博士に感謝しています。有益な助言のためのE. Khandjian、I. Gallouzi、S.ジ - マルコとA. Cammas。

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Cells
HeLa子宮頸がん細胞アメリカンタイプカルチャーコレクション(バージニア州マナッサス;ATCC)CCL-2
Schneider Drosophila 胚細胞American Type Culture Collection (バージニア州マナッサス;ATCC)CRL-1963
培地とサプリメント
シュナイダー's ショウジョウバエミディアムシグマ-アルドリッチSO146-500ml 
DMEMライフテクノロジー11995-073 
FBSフィッシャーサイエンティストサイエンティストSH30396-03 
ペニシリン/ストレプトマイシンライフテクノロジー15140122
スクロース溶液
D-スクロース フィッシャー科学者BP220-212 
グリセロールSigma-Aldrich49767 
ブロモフェノールブルーフィッシャーサイエンティストB3925
溶解バッファー
トリスHClフィッシャーサイエンティストBP153-500
MgCl<サブ>2Sigma-AldrichM2670-100G
NaClTekniscience3624-05 
DTTシグマ-アルドリッチD 9779 
Nonidet P40 (Igepal CA-630 )MJS Biolynx19628 
SDSテクニサイエンス4095-02 
RNase阻害剤(RnaseOUT Recombinant Ribonuclease Inhibitor)Life technologies10777-019 
抗プロテアーゼ(完全、ミニ、EDTAフリー)ロシュ11,836,170,001 
RNA抽出
プロテイナーゼKライフテクノロジーAM2542 
フェノール:クロロホルムフィッシャーサイエンティストBP1754I-400 
クロロホルムフィッシャーサイエンティストC298-500 
グリコーゲンライフテクノロジー10814-010 
イソプロパノールアクロスオーガニック327270010 
抗体
抗FMRP抗体フルニエet al., Cancer Cell International, 2010 
ズズ

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gebauer, F., Hentze, M. W. Molecular mechanisms of translational control. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 5 (10), 827-835 (2004).
  2. Jackson, R. J., Hellen, C. U. T., Pestova, T. V. The mechanism of eukaryotic translation initiation and principles of its regulation. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 11 (2), 113-127 (2010).
  3. Fournier, M. -J., Gareau, C., Mazroui, R. The chemotherapeutic agent bortezomib induces the formation of stress granules. Cancer Cell International. 10 (12), (2010).
  4. Holcik, M., Sonenberg, N. Translational control in stress and apoptosis. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 6 (4), 318-327 (2005).
  5. Mazroui, R., Huot, M. -E., Tremblay, S., Filion, C., Labelle, Y., Khandjian, E. W. Trapping of messenger RNA by Fragile X Mental Retardation protein into cytoplasmic granules induces translation repression. Human Molecular Genetics. 11 (24), 3007-3017 (2002).
  6. Mazroui, R., Huot, M. -E., Tremblay, S., Boilard, N., Labelle, Y., Khandjian, E. W. Fragile X Mental Retardation protein determinants required for its association with polyribosomal mRNPs. Human Molecular Genetics. 12 (23), 3087-3096 (2003).
  7. Farny, N. G., Kedersha, N. L., Silver, P. a Metazoan stress granule assembly is mediated by P-eIF2alpha-dependent and -independent mechanisms. RNA. 15 (10), New York, N.Y. 1814-1821 (2009).
  8. Gareau, C., Houssin, E., et al. Characterization of fragile x mental retardation protein recruitment and dynamics in Drosophila stress granules. PLoS ONE. 8 (2), (2013).
  9. Brackett, D. M., Qing, F., Amieux, P. S., Sellers, D. L., Horner, P. J., Morris, D. R. FMR1 transcript isoforms: association with polyribosomes; regional and developmental expression in mouse brain. PLoS ONE. 8 (3), (2013).
  10. Khandjian, E. W., Huot, M. -E., Tremblay, S., Davidovic, L., Mazroui, R., Bardoni, B. Biochemical evidence for the association of fragile X mental retardation protein with brain polyribosomal ribonucleoparticles. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (36), 13357-13362 (2004).
  11. Erikson, A., Winblad, B., Wallace, W. Translational control of gene expression in the human brain. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 13 (3-4), 469-479 (1989).
  12. Stephens, S. B., Nicchitta, C. V In vitro and tissue culture methods for analysis of translation initiation on the endoplasmic reticulum. Methods in Enzymology. 431, 47-60 (2007).
  13. Koritzinsky, M., Wouters, B. G. Hypoxia and regulation of messenger RNA translation. Methods in Enzymology. 435, 247-273 (2007).
  14. Khandjian, E. W., Corbin, F., Woerly, S., Rousseau, F. The fragile X mental retardation protein is associated with ribosomes. Nature Genetics. 12, 91-93 (1996).
  15. Sivan, G., Kedersha, N., Elroy-Stein, O. Ribosomal slowdown mediates translational arrest during cellular division. Molecular and Cellular Biology. 27 (19), 6639-6646 (2007).
  16. Thomas, J. D., Johannes, G. J. Identification of mRNAs that continue to associate with polysomes during hypoxia. RNA. 13, 1116-1131 (2007).
  17. Kumaraswamy, S., Chinnaiyan, P., Shankavaram, U. T., Lü, X., Camphausen, K., Tofilon, P. J. Radiation-induced gene translation profiles reveal tumor type and cancer-specific components. Cancer Research. 68 (10), 3819-3826 (2008).
  18. Fournier, M. -J., Coudert, L., et al. Inactivation of the mTORC1-eIF4E Pathway alters Stress Granules Formation. Molecular and Cellular Biology. 33 (11), 2285-2301 (2013).
  19. Sanchez, G., Dury, A. Y., et al. A novel function for the survival motoneuron protein as a translational regulator. Human Molecular Genetics. 22 (4), 668-684 (2013).
  20. Béchade, C., Rostaing, P., et al. Subcellular distribution of survival motor neuron (SMN) protein: possible involvement in nucleocytoplasmic and dendritic transport. The European Journal of Neuroscience. 11 (1), 293-304 (1999).
  21. Goulet, I., Boisvenue, S., Mokas, S., Mazroui, R., Côté, J. TDRD3, a novel Tudor domain-containing protein, localizes to cytoplasmic stress granules. Human Molecular Genetics. 17 (19), 3055-3074 (2008).
  22. Nottrott, S., Simard, M. J., Richter, J. D. Human let-7a miRNA blocks protein production on actively translating polyribosomes. Nature Structural & Molecular Biology. 13 (12), 1108-1114 (2006).
  23. Genolet, R., Araud, T., Maillard, L., Jaquier-Gubler, P., Curran, J. An approach to analyse the specific impact of rapamycin on mRNA-ribosome association. BMC Medical Genomics. 1 (33), (2008).
  24. Del Prete, M. J., Vernal, R., Dolznig, H., Müllner, E. W., Garcia-Sanz, J. a Isolation of polysome-bound mRNA from solid tissues amenable for RT-PCR and profiling experiments. RNA. 13 (3), New York, N.Y. 414-421 (2007).
  25. Thoreen, C. C., Chantranupong, L., Keys, H. R., Wang, T., Gray, N. S., Sabatini, D. M. A unifying model for mTORC1-mediated regulation of mRNA translation. Nature. 485 (7396), 109-113 (2012).
  26. Ingolia, N. T., Brar, G. A., Rouskin, S., Mcgeachy, A. M., Weissman, J. S. The ribosome profiling strategy for monitoring translation in vivo by deep sequencing of ribosome-protected mRNA fragments. Nature Protocols. 7 (8), 1534-1550 (2012).
  27. Morris, D. R. Ribosomal footprints on a transcriptome landscape. Genome Biology. 10 (4), (2009).

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

再版と許可

このJoVE記事のテキストまたは図の再利用許可をリクエスト

許可をリクエスト

タグ

RNA

関連記事