5.15
리보솜 프로파일링 또는 리보 시퀀싱은 세포에서 활성 번역의 스냅샷을 생성하는 심층 시퀀싱 기술입니다. 리보솜에 의해 보호되는 mRNA의 서열을 선택적으로 배열하여 특정 시점에서 세포의 번역 환경에 대한 통찰력을 얻습니다.
리보솜 프로파일링의 응용
리보솜 프로파일링에는…
전사되어 단백질로 번역되는 게놈의 영역을 식별하는 것은 게놈과 그 발현을 이해하는 데 중요한 단계입니다.
이는 리보솜 프로파일링(ribosome profiling)이라는 기법을 통해 이루어지며, 이를 리보-시퀀(ribo-seq)이라고도 합니다. mRNA에서 리보솜의 위치를 매핑하고 단백질로 활발하게 번역되는 mRNA를 식별합니다.
RNA를 분리하려면 먼저 세포를 용해시켜 세포 내부의 분자에 접근해야 합니다. 그런 다음 용해물을 RNase로 처리합니다. 이 효소는 리보솜으로 덮여 있지 않은 mRNA를 절단하여 보호된 mRNA 단편만 남깁니다.
그런 다음 리보솜으로 보호된 단편을 슈크로스 구배를 사용하여 보호되지 않은 절단된 단편에서 분리합니다.
그런 다음 mRNA 단편에서 리보솜을 제거하고 RNA를 RT-PCR에 의해 효소 역전사 효소를 사용하여 DNA로 변환합니다.
다음으로, DNA는 참조 게놈에서 염기서열을 분석하고 매핑합니다. 이것은 각 mRNA를 따라 리보솜의 정확한 위치를 결정합니다.
리보솜 프로파일링은 인식되지 않는 열린 판독 프레임(ORF)을 식별하는 데도 도움이 될 수 있습니다. ORF는 단백질로 번역될 수 있는 시작 코돈과 정지 코돈 사이의 DNA 영역입니다. ORF를 찾는 것은 새로운 유전자를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.
포유류 세포주에서 유전자 발현 패턴에 대한 연구를 생각해 보십시오. 실험 절차에는 유전자 발현을 켜고 mRNA 합성을 시작할 수 있는 자극에 세포를 노출시키는 것이 포함됩니다.
활발하게 번역되고 있는 mRNA는 리보솜 프로파일링을 사용하여 식별됩니다.
이 실험은 유전자 B는 번역되고 있지만 유전자 A와 C는 번역되지 않는다는 것을 보여줍니다.
또한 약 100개의 뉴클레오티드 길이의 게놈의 작은 영역이 추가로 활발하게 번역되고 있음을 보여줍니다.
이 인식되지 않는 영역은 실험적 자극에 의해 상향 조절되는 새로운 단백질을 암호화할 수 있는 열린 판독 프레임입니다.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is ribosome profiling and what does it measure?
Ribosome profiling, also called ribo-seq, is a deep sequencing technique that maps ribosome positions on mRNA to identify actively translated genes. It produces a snapshot of the translation landscape in a cell at any given moment by selectively sequencing mRNAs protected by ribosomes, revealing which genes are being translated into proteins.
Q2: How does ribosome profiling isolate and protect mRNA fragments?
Cells are lysed to access internal molecules, then the lysate is treated with RNases that cleave unprotected mRNAs. Ribosomes shield their bound mRNA from cleavage, leaving only ribosome-protected fragments. These protected fragments are then separated from cleaved fragments using a sucrose gradient for further analysis.
Q3: What role do open reading frames play in ribosome profiling analysis?
Ribosome profiling identifies open reading frames (ORFs), which are DNA regions between start and stop codons that can be translated into proteins. Discovering unrecognized ORFs helps identify new genes and novel proteins. In experimental studies, ribosome profiling can reveal previously unknown translated regions upregulated by specific cellular stimuli.
Q4: How is ribosomal RNA contamination addressed in ribosome profiling?
Ribosomal RNA (rRNA) that binds to mRNA is typically removed during ribosome profiling. However, rRNA contaminants sometimes persist. Researchers use the duplex-specific nuclease (DSN) enzyme, isolated from the Kamchatka crab hepatopancreas, which cleaves dsDNA and DNA-RNA hybrids to reduce rRNA contamination in samples.
Q5: What technical challenges does ribosome profiling face?
Ribosome profiling requires large sample amounts, timely translation inhibition, and managing RNA contamination. Flash-freezing efficiently captures ribosome distribution compared to elongation inhibitors like cycloheximide. Data analysis also demands bioinformatics expertise; the riboSeqR R package helps overcome this limitation by providing methods for resolving profiling data across multiple samples.
Q6: How does ribosome profiling convert mRNA to DNA for sequencing?
After ribosomes are removed from protected mRNA fragments, the RNA is converted into DNA using reverse transcriptase through RT-PCR. The resulting DNA is then sequenced and mapped onto a reference genome to determine the exact ribosome location along each mRNA molecule.
Q7: What applications does ribosome profiling have in studying gene expression?
Ribosome profiling enables in vivo monitoring of translation in specific organs or tissues and quantifies new protein synthesis levels. It discovers translated products including short peptides and protein isoforms with unknown functions. The technique also identifies mRNAs that remain untranslated until receiving external signals, revealing dynamic translation regulation.