5.15
Profilowanie rybosomów lub sekwencjonowanie ryb to technika głębokiego sekwencjonowania, która pozwala uzyskać migawkę aktywnej translacji w komórce.…
Identyfikacja regionów w genomie, które są transkrybowane i tłumaczone na białka, jest istotnym krokiem w zrozumieniu genomu i jego ekspresji.
Osiąga się to za pomocą techniki zwanej profilowaniem rybosomów, określanej również jako rybosekwencjonowanie. Mapuje pozycje rybosomów na mRNA i identyfikuje mRNA, które są aktywnie przekształcane w białka.
Aby wyizolować RNA, komórki muszą najpierw zostać poddane lizie, aby uzyskać dostęp do znajdujących się w nich cząsteczek. Lizat jest następnie traktowany RNazami. Enzymy te rozszczepiają mRNA, które nie są pokryte rybosomami, pozostawiając tylko chronione fragmenty mRNA.
Fragmenty chronione rybosomem są następnie oddzielane od niezabezpieczonych, rozszczepionych fragmentów za pomocą gradientu sacharozy.
Rybosomy są następnie usuwane z fragmentów mRNA, a RNA jest przekształcane w DNA za pomocą RT-PCR, przy użyciu enzymu odwrotnej transkryptazy.
Następnie DNA jest sekwencjonowane i mapowane w genomie referencyjnym. Określa to dokładną lokalizację rybosomu wzdłuż każdego mRNA.
Profilowanie rybosomów może również pomóc w identyfikacji nierozpoznanych otwartych ramek odczytu lub ORF. ORF to region DNA między kodonem start a kodonem stop, który może ulec translacji na białko. Znalezienie ORF może być pomocne w identyfikacji nowych genów.
Weźmy pod uwagę badanie wzorców ekspresji genów w linii komórkowej ssaków. Procedura eksperymentalna polega na wystawieniu komórek na bodźce, które mogą włączyć ekspresję genów i zainicjować syntezę mRNA.
MRNA, które są aktywnie ulegane translacji, są identyfikowane za pomocą profilowania rybosomów.
Ten eksperyment ujawnia, że gen B ulega translacji, podczas gdy geny A i C nie.
Pokazuje również, że dodatkowy mały obszar genomu o długości około stu nukleotydów jest aktywnie translowany.
Ten nierozpoznany region jest otwartą ramką odczytu, która może kodować nowe białko, które jest regulowane w górę przez bodźce eksperymentalne.
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.