Profilowanie polissomalne to potężna technika, która pozwala na ilościowe określenie stanu translacji określonych transkryptów w różnych warunkach leczenia. Jest to w zasadzie bardzo prosta technika, ale wymaga kilku etapów wykonania, z których niektóre mają kluczowe znaczenie dla uzyskania dobrych profili polisomowych. Te kluczowe kroki to: 1) użycie chemikaliów i tworzyw sztucznych wolnych od RNaz, 2) przygotowanie dobrych gradientów sacharozy (z naszego doświadczenia wynika, że 10-50% gradienty sacharozy najlepiej sprawdzają się do wydajnego rozwiązywania podjednostek 40/60S i mRNA ze związanymi rybosomami) oraz 3) użycie komórek, które rosną wykładniczo i nie więcej niż 80% zlewają się, aby uchwycić najwyższe wskaźniki translacji. Ten ostatni krok powinien być brany pod uwagę podczas wykonywania zabiegów z długimi komórkami, takich jak knockdown lub nadekspresja genów, tak aby ilość komórek do płytki była funkcją tego, jak bardzo komórki będą zlewać się w punkcie końcowym.
W przedstawionych tutaj wynikach analiza profilu polisomów była ważnym narzędziem do oceny roli PDCD4 w regulacji translacji mRNA XIAP i Bcl-xL12 zawierających IRES. Fakt, że nie zaobserwowaliśmy żadnych zmian w ogólnych profilach polisomów po knock-down PDCD4 (Figura 1B), pozwolił nam stwierdzić, że PDCD4 nie upośledza globalnej translacji komórkowej w warunkach eksperymentu. Następnie wykorzystaliśmy analizę RT-qPCR, aby określić rozkład mRNA XIAP i Bcl-xL w komórkach traktowanych PDCD4 lub siRNA kontrolnym. qPCR jest metodą z wyboru do analizy profili polisomów, w przeciwieństwie do standardowego RT-PCR lub Northern blot, ponieważ pozwala na ilościową, a nie półilościową analizę dystrybucji mRNA oraz na wykrycie subtelnych zmian w wydajności translacyjnej między zabiegami. Korzystając z tej techniki, byliśmy w stanie wykazać, że dystrybucja mRNA XIAP i Bcl-xL (wyrażona jako procent całkowitego docelowego mRNA w gradiencie) została znacznie przesunięta do ciężkich polirybosomów (mRNA z dużą liczbą rybosomów z nimi związanych) po knock-down PDCD4 (Figura 1D, E), wskazując w ten sposób na wzrost translacji tych mRNA. Zostało to dodatkowo potwierdzone przez wzrost poziomów białek XIAP i Bcl-xL, ale nie ich poziomów RNA w stanie stacjonarnym (Figura 1F, G). Co ważne, rozkład polisomów wariantu XIAP innego niż IRES pozostał niezmieniony między komórkami leczonymi i nieleczonymi (Figura 1C). Alternatywnie, wydajność translacyjną można przedstawić jako stosunek zawartości mRNA w polisomach (zwykle frakcjach od 5 do 10) w porównaniu z monosomami (zwykle frakcjami od 2 do 4)14.
Stosowanie kontroli w całym protokole jest ważne dla walidacji wszelkich wyników profilowania polisomów, ponieważ piki obserwowane na podstawie odczytów absorbancji przy 254 nm nie mogą być same w sobie przypisane rybosomalnemu RNA (detergenty, takie jak Triton X-100 silnie absorbują w tym regionie widma i mogą zasłaniać piki 40/60S na szczycie gradientu). Należy przeprowadzić ślepe gradienty bez lizatu i/lub z buforem lizatu w celu określenia względnego udziału w absorbancji przy 254 nm. Sztuczne struktury wyższego rzędu mogą również prowadzić do błędnych interpretacji polisosomów tam, gdzie w rzeczywistości ich nie ma (np. "pseudopolisomy"20). Sekwestracja magnezu (stosowana w całej procedurze do stabilizacji rybosomów 80S) z chelatatorem kationów dwuwartościowych EDTA dodanym do lizatów i bufora gradientowego (20 mM przez 15 min) spowoduje rozdzielenie rybosomu na jego podjednostki składowe małe (40S) i duże (60S). Tak więc, jeśli piki absorbancji zarejestrowane przy 260 nm są rzeczywiście polisomami, traktowanie EDTA spowoduje załamanie profilu tak, że w pobliżu szczytu gradientu zostanie zaobserwowane pojedyncze maksimum odpowiadające wolnemu mRNA i jednostkom rybosomalnym (dane nie pokazane). Równolegle z zapadnięciem się profilu wywołanym przez EDTA, wszystkie konkretne cele analizowane za pomocą qPCR powinny teraz znajdować się na szczycie gradientu.
Liczba rybosomów związanych z mRNA nie zawsze jest wskaźnikiem tego, jak skutecznie ta konkretna mRNA jest translowana. Rzeczywiście, istnieją specyficzne konteksty, w których aktywna translacja na polisomach zostaje zatrzymana 21,22 , o czym czytelnik powinien wiedzieć. Ustalenie, czy transkrypty są aktywnie zaangażowane w maszynerię translacyjną, można przeprowadzić poprzez: a) potraktowanie próbki puromycyną, która w przeciwieństwie do EDTA powoduje "odpływ" rybosomów, które aktywnie przemieszczają się przez mRNA, lub b) potraktowanie próbki homoharringtoniną, która hamuje translokację tylko pierwszego rybosomu w kodonie startowym, ponownie powodując "spływanie" wszelkich translokujących się rybosomów w dół strumienia.
Kluczowe znaczenie ma również wykorzystanie transkryptów kontrolnych do analizy qPCR. Wybór transkryptów, na które nie mają wpływu różne warunki leczenia, takie jak niektóre geny porządkowe (GAPDH, aktyna, tubulina, nukleolina), rybosomalne mRNA (18S, RPL13A) lub w tym przypadku wariant ILES bez IRES, jest ważny dla sprawdzenia, czy wpływ leczenia na translację jest specyficzny czy uogólniony. Te transkrypty kontrolne można wykorzystać do normalizacji rozkładu analizowanych mRNA, tak jak to miało miejsce tutaj (mRNA XIAP i Bcl-xL znormalizowano do mRNA GAPDH i wyrażono jako procent całkowitej zawartości mRNA reprezentowanej przez sumę zawartości mRNA w każdej frakcji) lub alternatywnie, docelowe i kontrolne mRNA mogą być wyrażone jako wartości bezwzględne i pokazane osobno. Analiza qPCR wejściowych lizatów (zwykle 10% całkowitej objętości) jest kolejnym krokiem, który pozwoli kontrolować dystrybucję określonych mRNA. Idealnie, zawartość mRNA określonego transkryptu w lizacie wejściowym powinna być porównywalna z sumą zawartości mRNA we wszystkich 10 analizowanych frakcjach. Wreszcie, opcjonalnym krokiem do kontroli etapu ekstrakcji fenol:chloroform jest wzbogacenie każdej frakcji polisomów o mRNA reporterowe transkrybowane in vitro (takie jak CAT, acetylotransferaza chloramfenikolu), które zostanie następnie określone ilościowo za pomocą qPCR i może być nawet wykorzystane do normalizacji danych 14.
Jak w przypadku każdej techniki, profilowanie polisomów ma pewne ograniczenia. Fakt, że zwykle trzeba zebrać co najmniej 10 frakcji (bardziej subtelne zmiany w wydajności translacji mogą wymagać 20 lub więcej), aby uzyskać ładne rozkłady polysomów, sprawia, że ten krok jest ograniczający, w tym sensie, że tylko maksymalnie 4 próbki mogą być analizowane na raz, aby móc wygodnie obsłużyć ekstrakcję RNA i analizę qPCR 40 próbek i 4 kontrolnych wejść jednocześnie. Wielkość próbki może łatwo sumować się z liczbą transkryptów, które mają być analizowane i ile powtórzeń qPCR należy wykonać, co może być kosztowne. Innym ograniczeniem analizy profilowania polissomalnego opartej na qPCR jest to, że można ją przeprowadzić tylko w podejściu opartym na kandydatach (gdzie transkrypty do analizy są znane z wyprzedzeniem) i nie można jej zastosować do analizy translacji całego genomu. Jednak na początku XXIwieku badacze zaczęli badać ich polisomalne RNA na poziomie genomu za pomocą mikromacierzy DNA 15, a ostatnio za pomocą sekwencjonowania nowej generacji 16,17. W tym potężnym podejściu profilowanie polisomalne jest przeprowadzane zgodnie z opisem w tym protokole, z wyjątkiem tego, że zamiast przeprowadzać analizę qPCR poszczególnych frakcji, frakcje monosomów (zwykle frakcje 2-4) i frakcje polisomów (zwykle frakcje) są łączone razem, a zmiany w globalnej translacji analizowane za pomocą mikromacierzy DNA lub sekwencjonowania RNA całego genomu. W związku z tym dzięki takiemu podejściu możliwa jest ocena wszystkich mRNA, których dystrybucja przesuwa się z polisomów do monosomów (spadek translacji) lub odwrotnie (wzrost translacji) po określonym traktowaniu. Walidację i kwantyfikację rozkładu specyficznych polisomów mRNA można następnie przeprowadzić za pomocą qPCR. Jeszcze skuteczniejszym zastosowaniem zasady profilowania polissomalnego jest profilowanie rybosomów. Niedawno poinformowano o dalszym wysokowydajnym rozszerzeniu tej techniki, które pozwala na jednoczesne monitorowanie setek frakcji polisomów 23. Daje to wyraźną przewagę podczas sondowania wydajności translacji kolekcji zmutowanych lub w badaniach przesiewowych RNAi na dużą skalę. Profilowanie rybosomów to technika, która wykorzystuje sekwencjonowanie nowej generacji do mapowania fragmentów RNA chronionych przez rybosomy (ślady rybosomów) zaangażowane w syntezę białek24,25. W tej technice translokacja rybosomów może być hamowana za pomocą cykloheksymidu (odwracalnego) lub emetyny (nieodwracalnego), a następnie lizy komórek i trawienia RNazy, aby uzyskać populację śladów rybosomów. Rybosomy są wzbogacane, izolowane jest całkowite RNA i usuwane jest zanieczyszczające rybosomalne i mitochondrialne rybosomalne RNA. Ślady RNA około 26-28 nukleotydów są izolowane, transkrybowane wstecznie, przekształcane do biblioteki cDNA i sekwencjonowane26. W przeciwieństwie do standardowego profilowania polisomów, podejście to nie tylko identyfikuje określone mRNA, które są regulowane translacyjnie, ale także dostarcza informacji specyficznych dla mRNA w rozdzielczości kodonów, takich jak dokładne zajęcie i gęstość rybosomów wzdłuż określonego transkryptu. Jest to szczególnie interesujące dla mRNA ze specyficznymi trybami translacji, takimi jak mRNA zawierające IRES, ponieważ może dostarczyć więcej informacji na temat tego, gdzie w transkryptie zachodzi rekrutacja rybosomów.