Protokół krok po kroku dotyczący izolacji i identyfikacji kompleksów związanych z RNA za pomocą metody RIP-Chip.
Artykuł metodologiczny
Protokół krok po kroku dotyczący izolacji i identyfikacji kompleksów związanych z RNA za pomocą metody RIP-Chip.
W wyniku rozwoju sekwencjonowania wysokoprzepustowego i wydajnej analizy mikromacierzy, globalna analiza ekspresji genów stała się łatwą i powszechnie dostępną formą gromadzenia danych. Jednak w wielu modelach badawczych i chorobowych stacjonarne poziomy mRNA genów docelowych nie zawsze korelują bezpośrednio ze stacjonarnymi poziomami białek. Prawdopodobnym wyjaśnieniem tej rozbieżności jest potranskrypcyjna regulacja genów. Regulacja potranskrypcyjna, sterowana przez wiązanie białek wiążących RNA (RBP), wpływa na lokalizację, stabilność i translację mRNA poprzez tworzenie kompleksu rybonukleoproteinowego (RNP) z docelowymi cząsteczkami mRNA. Identyfikacja tych nieznanych celów mRNA de novo z ekstraktów komórkowych w kompleksie RNP jest kluczowa dla zrozumienia mechanizmów i funkcji RBP oraz ich końcowego wpływu na produkcję białek. Niniejszy protokół opisuje metodę zwaną immunoprecypitacją RNP z analizą na mikromacierzy (RIP-Chip), która umożliwia identyfikację specyficznych mRNA związanych w kompleksie rybonukleoproteinowym w zmiennych warunkach eksperymentalnych, wraz z opcjami dalszej optymalizacji eksperymentu dla poszczególnych badaczy. Dzięki temu istotnemu narzędziu eksperymentalnemu naukowcy mogą badać zawiłe mechanizmy związane z potranskrypcyjną regulacją genów, a także inne oddziaływania rybonukleoproteinowe.
Przygotowanie eksperymentu
Przed rozpoczęciem eksperymentu niezbędne jest, aby wszystkie odczynniki, pojemniki i przybory były wolne od RNaz. Szkło laboratoryjne należy potraktować inhibitorem RNaz (RNaseZAP, Ambion), a następnie wypłukać wodą traktowaną DEPC. Należy upewnić się, że wszystkie odczynniki są potwierdzone jako wolne od RNaz.
1. Przygotowanie lizatu mRNP
2. Powlekanie kulek Protein A Sepharose przeciwciałem i ich przemywanie
3. Immunoprecypitacja i precypitacja RNA
4. Traktowanie DNazą i proteinazą K
5. Reprezentatywne wyniki
Jeśli procedura zostanie zoptymalizowana i przeprowadzona prawidłowo, immunoprecypitacja powinna przynieść znaczące wzbogacenie docelowych mRNA. Zazwyczaj, w zależności od białka RBP i jego docelowego(ych) mRNA, obserwujemy wzbogacenie od około 10- do 50-krotnego, oceniane za pomocą qRT-PCR. Wiele celów białek RBP można odkryć masowo, stosując analizę mikromacierzy. Metoda ta jest jednak bardziej wrażliwa na degradację w porównaniu z qRT-PCR. W zależności od RBP, liczby celów oraz wydajności reakcji, mikromacierze mogą ujawnić setki nowych celów lub jedynie kilka, o ile w ogóle jakieś. Na przykład jedno z lepiej scharakteryzowanych białek wiążących RNA, HuR, reguluje potranskrypcyjnie ekspresję i translację wielu ważnych genów fizjologicznych 1, 2. Izolacja kompleksu rybonukleoproteinowego HuR za pomocą RIP-Chip w liniach komórkowych raka piersi ujawniła, na przykład, wzbogacenie kilku ważnych, znanych celów HuR, w tym β-aktyny, co wykazano za pomocą qRT-PCR w Rysunku 1. W obu liniach komórkowych nowotworu β-aktyna jest wzbogacona 12- do 15-krotnie. Zazwyczaj, przy prawidłowym wykonaniu, obserwuje się znaczące wzbogacenie β-aktyny w różnych liniach komórkowych. Jednak jeśli RIP nie wykazuje żadnego znaczącego wzbogacenia dla β-aktyny, wskazuje to na problem z RIP i procedura może wymagać powtórzenia. Co więcej, analiza mikromacierzy próbek po immunoprecypitacji z tych linii komórkowych ujawniła odrębne podzbiory ekspresji celów HuR w komórkach raka MCF-7 dodatnich pod kątem receptora estrogenowego (ER) w porównaniu z liniami komórkowymi raka piersi MB-231 ujemnymi pod kątem ER, co przedstawiono na Rysunku 2 1. Cele te dzielą się na kilka kategorii: znane i nieznane cele HuR, które były powiązane lub nie były powiązane z nowotworem. Na przykład CALM2 i CD9 to geny nowotworowe, które nie zostały wcześniej zidentyfikowane jako cele HuR. Korzystając z mikromacierzy i potwierdzając wynik za pomocą qRT-PCR, stwierdzono, że CALM2 i CD9 są wzbogacone 5- do 180-krotnie w osadzie HuR, co wskazuje na silną interakcję między białkiem HuR a tymi genami docelowymi.

Rycina 1. Immunoprecypitacja i RIP w komórkach raka piersi MB-231 (ER-) i MCF-7 (ER+). Immunoprecypitacje przeprowadzono z lizatów komórkowych MB-231 lub MCF-7 przy użyciu monoklonalnego przeciwciała anty-HuR (3A2) oraz kontroli izotypowej IgG1. A. Western blot po IP dla HuR wykazał prążek o oczekiwanym rozmiarze, wykryty przez 3A2. Panel po prawej stronie przedstawia ilości HuR w lizatach wejściowych (input) z obu linii komórkowych, z β-tubuliną jako kontrolą ładowania. B. Weryfikacja za pomocą ilościowego RT-PCR wykazała odpowiednio piętnasto- i jednokrotne wzbogacenie β-aktyny, znanego celu HuR, w IP 3A2 z komórek MB-231 i MCF-7. Wszystkie wartości ΔΔCT znormalizowano do GAPDH. Eksperymenty wykonano w dubletach (n = 2).

Rysunek 2. HuR RIP-CHIP identyfikuje odrębne profile genetyczne w komórkach raka piersi ER+ i ER-. Immunoprecypitacje HuR przeprowadzono z lizatów komórek MB-231 lub MCF-7 przy użyciu przeciwciała przeciwko HuR oraz kontroli izotypowej IgG1, a następnie hybrydyzowano je z macierzami Illumina Sentrix (47 000 genów). Odjęto sygnały kontrolne. Wyniki reprezentują skumulowane dane z 12 różnych macierzy. Eksperymenty wykonano w trzech powtórzeniach (n = 3) dla każdej linii komórkowej wraz z odpowiadającymi im kontrolami. Skale są w log2.
Ze względu na charakter tego eksperymentu, jedynym gwarantowanym sposobem na pomyślne uzyskanie zamierzonych wyników są optymalizacja i doświadczenie. W wielu etapach tej procedury krytyczne znaczenie mają temperatura oraz sprawne obchodzenie się z odczynnikami i produktami. Odpowiednie planowanie i wykonanie techniki pomoże zapewnić, że eksperyment zostanie przeprowadzony w odpowiednim czasie i w zalecanych optymalnych temperaturach. Głównym problemem w eksperymentach z izolacją RNA jest wrażliwość cząsteczek RNA na degradację przez RNazy. Wszystkie odczynniki muszą być wolne od RNaz oraz przechowywane i używane w naczyniach wolnych od RNaz. Jest to kluczowy krok w zapewnieniu integralności próbki mRNA. Nawet w przypadku prawidłowego przeprowadzenia eksperymentu, pożądany rezultat może nie zostać osiągnięty ze względu na charakter oddziaływań między RBP a jego docelowymi mRNA.
Jednym z potencjalnych problemów jest słaby lub całkowity brak sygnału z RNA wyizolowanego metodą RIP-Chip. Choć sygnał z całkowitego RNA może wystąpić, może on być wynikiem niewystarczającego wyciągnięcia białka wiążącego przez koraliki. Pierwszym krokiem w rozwiązywaniu problemów jest potwierdzenie, że stosowany lizat komórkowy wykazuje odpowiednią ekspresję konkretnego RBP. Po potwierdzeniu białko można wyizolować po ostatnim praniu NT2, a następnie zawiesić w buforze Laemmliego lub innym odpowiednim buforze denaturującym i podgrzać w temperaturze 95 °C przez 5 min. Analizę Western blot tych próbek można przeprowadzić w zestawieniu z lizatem wejściowym oraz kontrolami negatywnymi, aby upewnić się, że doszło do wystarczającego wyciągnięcia powiązanego białka.
Ponadto, ponieważ dostęp do tych komponentów wymaga lizy komórek, może dojść do niepożądanych i nienaturalnych oddziaływań między białkami a mRNA, które w normalnych warunkach są od siebie odseparowane. Oddziaływania te mogą prowadzić do niespecyficznego wiązania i „wyłapywania” docelowych cząsteczek mRNA lub białek wiążących. Dodatkowo, białka w różnych warunkach mogą przyjmować wiele wariantów konformacyjnych, przez co ich motywy wiążące mogą stać się niedostępne dla docelowych mRNA, co uniemożliwi ich interakcję. Oba te czynniki podkreślają znaczenie sprawnej pracy oraz stosowania optymalnych temperatur wymienionych w protokole, aby ograniczyć te niepożądane oddziaływania. Ponadto kluczowa dla maksymalizacji czystości interakcji będzie optymalizacja warunków przemywania dla każdego konkretnego białka docelowego. Może być konieczne zastosowanie bardziej rygorystycznych warunków przemywania. Na przykład bufor do przemywania można uzupełnić o SDS lub odpowiednią ilość mocznika, aby zredukować niespecyficzne oddziaływania i tło w sygnale wyjściowym. Będzie to całkowicie zależne od badanego przez eksperymentatora RBP oraz docelowego mRNA w jego unikalnych warunkach fizjologicznych. Niektóre warunki nie będą odpowiednie dla określonych narzędzi analizy mRNA, co należy uwzględnić podczas przygotowywania próbek.
Wreszcie, mimo że metoda RIP skutecznie wzbogaca interakcje RNA-RBP, powszechnie znany problem z metodą RIP (CHIP) polega na niemożności zidentyfikowania specyficznych domen wiązania RBP na przejściowych celach mRNA. W celu izolacji unikalnych sekwencji docelowych można zastosować kilka technik sieciowania, po których następuje RIP; jednakże stosowanie krótkofalowego promieniowania UV wykazuje tendencję do powodowania uszkodzeń kwasów nukleotychowych. Nowa metoda znana jako PAR-CLIP, czyli sieciowanie fotoaktywnego rybonukleozydu i immunoprecypitacja, wykorzystuje długofalowe promieniowanie UV do wbudowania tiourydyny w nowo powstające RNA, co umożliwia identyfikację unikalnych miejsc wiązania zarówno w stabilnych, jak i przejściowych interakcjach RNA.
Ogólnie rzecz biorąc, metoda RIP-Chip została uznana przez naszą grupę, jak i przez wiele innych grup badawczych, za doskonałe narzędzie służące do izolacji i badania oddziaływań między białkami wiążącymi RNA a ich docelowymi cząsteczkami mRNA. Pomimo że procedura ta jest w swej naturze i praktyce wymagająca, jej prawidłowe wykonanie pozwoli na wyizolowanie tych kompleksów RNP, które do niedawna pozostawały nieosiągalne dla odkryć i analiz.
Autorzy declare, że nie mają żadnych konfliktów interesów.
Ministerstwo Obrony USA (Idea Award W81XWH-07-0406) - dla To Ulus Atasoy
NIH RO1 A1080870 - To Ulus Atasoy
NIH R21 A1079341 - To Ulus Atasoy
Środki instytucjonalne Uniwersytetu Missouri - To Ulus Atasoy
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 1 M ditiotreitol | Fisher | BP172-5 | DTT |
| DNaza 1 | Ambion | 2235 | wolna od RNaz |
| Kwas etylendiaminotetraoctowy | Fisher | BP118-500 | EDTA |
| Glikogen | Ambion | 9516 | |
| 1 M HEPES | Sigma | H3375-100G | pH 7.0 |
| Igepal Nonidet P-40 | USB | 78641 | NP40 |
| 1 M KCl | Fisher | BP366-500 | |
| 1 M MgCl2 | Fisher | BP214-500 | |
| Bufor NT2 | *Patrz poniżej | ||
| Bufor do lizy polisomów | *Patrz poniżej | ||
| Tabletki z koktajlem inhibitorów proteaz | Roche | 11873580001 | |
| Kuleczki Protein A Sepharose | Sigma | P3391 | |
| Proteinaza K | Fisher | BP1700-100 | |
| Inhibitor RNaz RNase Out | Invitrogen | 10777-019 | 40 U/μl |
| 1 M NaCl | Fisher | BP358-212 | |
| Dodecylosiarczan sodu | Fisher | BP166-500 | SDS |
| 1 M Tris-HCl | Fisher | BP153-500 | pH 7.4 |
| Trizol | Invitrogen | 15596-026 | |
| Kompleksy wanadyloribonukleozydowe | New England Labs | S1402S | VRC |
| Przygotowanie odczynników | |||
| Przygotować odczynniki w szklanych naczyniach wolnych od RNaz/DNaz, traktowanych DEPC | |||
| Bufor do lizy polisomów | |||
| 100 mM KCl | |||
| 5 mM MgCl2 | |||
| 10 mM HEPES (pH 7.0) | |||
| 0,5% NP40 | |||
| 1 mM DTT | |||
| 100 jednostek/ml RNase Out | |||
| 400 μM VRC | |||
| Tabletka z koktajlem inhibitorów proteaz | |||
| 5 ml buforu do lizy polisomów | |||
| Dodać 50 μl 1 M HEPES (pH 7.0) | |||
| 500 μl 1 M KCL | |||
| 25 μl 1 M MgCl2 | |||
| 25 μl NP40 | |||
| 4,7 ml H2O wolnej od RNaz-DNaz | |||
| 50 μl 1 M DTT | |||
| 12,5 μl 100 U/ml RNase Out | |||
| 200 μl koktajlu inhibitorów proteaz (rozpuszczonego zgodnie z instrukcją producenta) | |||
| 10 μl 200 mM VRC (w momencie użycia) | |||
| Bufor NT2 | |||
| 50 mM Tris-HCl (pH 7.4) | |||
| 150 mM NaCl | |||
| 1 mM MgCl2 | |||
| 0,05% NP40 | |||
| 1 L buforu NT2 | |||
| 50 ml Tris (pH 7.4) | |||
| 30 ml 5 M NaCl | |||
| 1 ml 1 M MgCl2 | |||
| 500 μl NP40 | |||
| 820 ml H2O wolnej od RNaz-DNaz |