Tutaj opisujemy protokół charakterystyki biochemicznej enzymu modyfikującego RNA drożdży, Mod5, i omawiamy, jak ten protokół mógłby być zastosowany do innych enzymów modyfikujących RNA.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Tutaj opisujemy protokół charakterystyki biochemicznej enzymu modyfikującego RNA drożdży, Mod5, i omawiamy, jak ten protokół mógłby być zastosowany do innych enzymów modyfikujących RNA.
Nmodyfikacje RNA 6-isopentenyloadenozyny są funkcjonalnie zróżnicowane i wysoce konserwatywne wśród prokariontów i eukariontów. Jedna z najbardziej konserwatywnych modyfikacji N 6-izopentenyloadenozyny zachodzi w pozycji A37 w podzbiorze tRNA. Ta modyfikacja poprawia wydajność i wierność translacji poprzez zwiększenie powinowactwa tRNA do rybosomu. Mutacje enzymów odpowiedzialnych za tę modyfikację u eukariontów są związane z kilkoma stanami chorobowymi, w tym dysfunkcją mitochondriów i rakiem. Dlatego zrozumienie specyficzności substratowej i aktywności biochemicznej tych enzymów jest ważne dla zrozumienia normalnej i patologicznej biologii eukariotycznej. Do scharakteryzowania modyfikacjii 6A zastosowano różnorodny wachlarz metod. W niniejszym artykule opisano bezpośrednie podejście do wykrywania izopentenylacji przez Mod5. Metoda ta wykorzystuje inkubację RNA z rekombinowaną transferazą izopentenylową, a następnie trawienie RNazy T1 i jednowymiarową analizę elektroforezy żelowej w celu wykrycia modyfikacji i6A. Ponadto omówiono potencjalną zdolność adaptacyjną tego protokołu do charakteryzowania innych enzymów modyfikujących RNA.
Zidentyfikowano co najmniej 163 różne posttranskrypcyjne modyfikacje RNA, przy czym te modyfikacje nadają RNA różnorodne i zależne od kontekstu funkcje, bezpośrednio wpływając na strukturę RNA i wpływając na interakcje RNA z innymi cząsteczkami1,2. Wraz ze wzrostem docenienia liczby i różnorodności modyfikacji RNA, kluczowe znaczenie ma opracowanie testów, które mogą wiarygodnie badać zarówno modyfikacje RNA, jak i enzymy, które je katalizują.
Jedna z pierwszych modyfikacji RNA, które zostały zidentyfikowane, występuje w bazie 37 w tRNA, w sąsiedztwie antykodonu po stronie 3'3,4. Grupa izopentenylowa jest przenoszona z dimetyloallopirofosforanu (DMAPP) do pozycji N6 adenozyny 37 (i6A37) 3,5 na podzbiorze zarówno cytoplazmatycznych, jak i mitochondrialnych tRNA. i6A37 poprawia wierność i wydajność translacji poprzez zwiększenie powinowactwa tRNA do rybosomów4,6 i i i6A37 jest ważne dla reakcji na stres u bakterii7. Enzymy, które dokonują tej modyfikacji, są określane jako transferazy iopentenylowe tRNA i są wysoce konserwatywne w bakteriach8,9, fungi10, worms11, plants12, and higher eukariontes13, including humans14.
Mutacje w ludzkim genie transferazy tRNA, TRIT1, są związane z chorobami ludzkimi. Na przykład mutacja w TRIT1 jest skorelowana z ciężką chorobą mitochondrialną, prawdopodobnie spowodowaną defektem syntezy białek mitochondrialnych15,16. Co więcej, TRIT1 został opisany jako gen supresorowy nowotworu17,18 i jest związany z kilkoma typami nowotworów, w tym czerniakiem19, breast20, gastric21 i lung cancers22,23. Wreszcie, transferazy opentenylowe TRIT1 i Mod5 (Saccharomyces cerevisiae) są białkami podatnymi na agregację, które tworzą włókna amyloidowe podobne do prionów24,25,26. Obserwacje te potencjalnie sugerują isopentenylotransferazy tRNA w chorobach neurodegeneracyjnych, chociaż bezpośrednie dowody na to nie zostały jeszcze pokazane.
Biorąc pod uwagę rolę, jaką transferazy isopentenylowe odgrywają w translacji i chorobie, metody bezpośrednio mierzące aktywność transferazy izopentenylowej i6A są ważne dla mechanistycznego zrozumienia tych enzymów w stanach normalnych i chorobowych. Dostępnych jest coraz więcej metod wykrywania modyfikacji RNA i6A, w tym testy izopentenylacji in vitro, dodatnia hybrydyzacja przy braku testów i6A (PHA6), chromatografia cienkowarstwowa (TLC), testy aktywności akceptacji aminokwasów i podejścia spektrometrii mas (Przegląd w Ref. 4).
Opisano test in vitro isopentenylacji, który wykorzystuje 14C-DMAPP i nieznakowane tRNA. W tym teście radioaktywny węgiel jest przenoszony do RNA z 14C-DMAPP przez transferazę izopentenylową. Chociaż ten test jest bardzo czuły, często trudno jest określić konkretną pozostałość, która jest modyfikowana9,20,27. Testy PHA6 opierają się na masywnej modyfikacjii 6A zakłócającej hybrydyzację sondy znakowanej 32P, obejmującej zmodyfikowaną pozostałość. W związku z tym hybrydyzacja jest większa w przypadku braku modyfikacji i6A18,28,29. Testy PHA6 są bardzo czułe i zdolne do analizy całkowitego RNA wyekstrahowanego z lizatów komórkowych. Dodatkowo, możliwość projektowania sond specyficznych dla interesującego RNA daje tej metodzie znaczną elastyczność docelową. Jednak testy PHA6 ograniczają się do charakterystyki modyfikacji, które zachodzą na pozostałościach w docelowym regionie sondy, a zatem są mniej prawdopodobne, aby zidentyfikować nowe miejsca modyfikacji. Ponadto, ponieważ brak wiązania wskazuje na modyfikację, inne modyfikacje lub mutacje, które wpływają na wiązanie RNA, zakłócą analizę danych.
Inne podejście łączy chromatografię celulozową z benzylu DEAE (BD) z aktywnością akceptacji aminokwasów jako odczyt modyfikacji i6A w tRNA30. Podejście to bezpośrednio bada funkcję modyfikacji i6A, ale jest to pośrednie podejście do wykrywania modyfikacji i6A i brakuje rozdzielczości do mapowania modyfikacji określonej reszty w RNA. Do wykrycia całkowitych modyfikacji tRNA i6A zastosowano podejście TLC. W tym podejściu wewnętrznie 32tRNA znakowane P są trawione do pojedynczych nukleotydów, a dwuwymiarowa analiza TLC służy do identyfikacji izopentenylacji. Podejście to jest bardzo czułe w wykrywaniu całkowitej ilości i6A w danej próbce RNA, ale po trawieniu wszystkie informacje o sekwencji są tracone; W związku z tym badacz nie ma możliwości określenia, które pozostałości zostały zmodyfikowane31.
Ostatnio opracowano metody chromatografii cieczowej z tandemową spektrometrią mas (LC-MS/MS), które ilościowo porównują całkowite modyfikacje RNA między gatunkami, typami komórek i warunkami eksperymentalnymi32,33,34. Ograniczeniem tej metodologii jest to, że jest ona mniej zdolna do określenia tożsamości i pozycji w RNA, z którego pochodził zmodyfikowany nukleozyd34. Co więcej, wiedza specjalistyczna i sprzęt niezbędne do przeprowadzenia tych eksperymentów ograniczają praktyczność tego podejścia.
Ponadto, opracowano kilka technologii sekwencjonowania nowej generacji do mapowania modyfikacji RNA w całym transkryptomie34. Immunoprecypitacja RNA z przeciwciałami specyficznymi dla określonej modyfikacji (RIP-Seq) umożliwia badaczowi zidentyfikowanie wszystkich sekwencji zawierających określoną modyfikację35,36. Ponadto podejścia oparte na odwrotnej transkryptazie, takie jak Chem-Seq i sekwencjonowanie nielosowych niezgodności, opierają się na zaburzeniach reakcji odwrotnej transkrypcji w zmodyfikowanych resztach37,38,39. Pomimo przewagi tych technik do mapowania modyfikacji RNA w całym transkryptomie, technologie RIP-seq i Chem-Seq są ograniczone przez brak wiarygodnych przeciwciał lub reaktywnych substancji chemicznych dostępnych odpowiednio dla każdej specyficznej modyfikacji34. Co więcej, enzymy odwrotnej transkryptazy wymagane do wykonywania technik sekwencjonowania Chem-Seq i nielosowych niedopasowań mogą być hamowane przez stabilne struktury RNA. Wysoce zmodyfikowany i stabilny strukturalnie charakter tRNA sprawia, że są one szczególnie trudne do zbadania przy użyciu tych technik. Do tej pory technologie oparte na sekwencjonowaniu nowej generacji nie zostały jeszcze wykorzystane do mapowania i6A modifications34.
Tutaj opisujemy proste i bezpośrednie podejście do wykrywania modyfikacji i6A tRNA in vitro. Metoda ta wykorzystuje inkubację RNA z rekombinowaną izopentenylotransferazą S. cerevisiae (Mod5), a następnie trawienie RNazy T1 i 1-wymiarową analizę elektroforezy żelowej w celu zmapowania modyfikacji6A. Takie podejście jest bezpośrednie i wymaga niewielkiej specjalistycznej wiedzy specjalistycznej do analizy danych. Co więcej, metodę tę można dostosować do innych enzymów modyfikujących RNA, w tym enzymów, które kowalencyjnie zmieniają masę cząsteczkową RNA lub ruchliwość RNA przez żel.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Protokół został zaadaptowany z Ref. 24.
1. Uzyskaj RNA i enzym będący przedmiotem zainteresowania
2. Przygotuj 20% poliakryloamidowy żel do denaturacji
Uwaga: Aby uzyskać wystarczającą rozdzielczość fragmentów RNA, zalecany jest pionowy żel do płyt o długości 40 cm. Szerokość użytego żelu zależy od liczby próbek, które mają być analizowane.
3. Test izopentenylacji RNA
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Mod5 inkubowano z tRNA tyrozyny lub tRNA seryny w obecności lub w braku DMAPP. Po reakcji modyfikacji produkty trawiono RNazą T1, która rozcina koniec 3' wszystkich guanozyn, pozostawiając 3'-monofosforany guanozyny (GMP)24 (Rysunek 1). Pełne trawienie RNA daje przewidywalny wzór fragmentów znakowanych izotopowo (Rysunek 2A), które następnie rozdzielano na 20% denaturującym żelu poliakrylo...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wykazano, że modyfikacje RNA odgrywają coraz ważniejszą i bardziej różnorodną rolę w funkcjonowaniu komórek i organizmów. W związku z tym opracowanie testów do badania enzymów modyfikujących RNA ma kluczowe znaczenie dla lepszego zrozumienia podstawowych aspektów biologii. Protokół ten opisuje test in vitro o wysokiej rozdzielczości w celu scharakteryzowania aktywności modyfikacji tRNA Mod5.
Protokół ten ma tę wyraźną zaletę, że zapewnia bezpośredni i łatwy do interpretacji odczyt izo...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Brak do ujawnienia.
Chcielibyśmy podziękować Dr. Davidowi Engelke za jego wskazówki i pomocne komentarze na temat tego manuskryptu. PJS - fundusze startowe laboratorium Ball State University; DAB - dotacja 1R15AI130950-01.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Reodczynniki | |||
| UreaGel Concentrate | National Diagnostics | EC-833 | W zestawie |
| UreaGel Diluent | National Diagnostics | EC-833 | W ramach zestawu |
| UreaGel Buffer | National Diagnostics | EC-833 | W zestawie |
| 10x TBE | National Diagnostics | EC-833 | W ramach zestawu |
| Nadsiarczan amonu (APS) | Sigma-Aldrich | 7727-54-0 | |
| N,N,N′,N′-Tetramethyloethelenodiamina (TMED) | Sigma-Aldrich | T9281 | |
| Tris base | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| Kwas borowy | Sigma-Aldrich | 10043-35-3 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | 60-00-4 | |
| ATP | Sigma-Aldrich | 34369-07-8 | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | 7786-30-3 | |
| DMAPP | Caymen Chemical | 1186-30-7 | |
| Super RNaseIN | ThermoFisher Scientific | AM2694 | |
| 2-merkaptoetanol | Sigma-Aldrich | 60-24-2 | |
| Etanol | Sigma-Aldrich | 64-17-5 | |
| Octan sodu | Sigma-Aldrich | 127-09-3 | |
| Rnaza T1 | ThermoFisher Scientific | EN0541 | |
| Glicerol | Sigma-Aldrich | 56-81-5 | |
| Cyjanol ksylenowy | Sigma-Aldrich | 2650-17-1 | |
| Sprzęt i materiały | |||
| Krótkie płytki szklane (20-40 cm szer. x 40 cm dł.) | The Gel Company | ||
| Długie szklane płytki (20-40 cm szer. x 40 cm dł.) | The Gel Company | ||
| Pionowy aparat żelowy | The Gel Company | S2-3040 | |
| 50 ml jednorazowa strzykawka | Fisher Scientific | 03-377-26 | |
| Klipsy do segregatorów ze stali nierdzewnej | Idea Scientific | 1066 | |
| Phosphoscreen | Sigma-Aldrich | 28-9564-74 | |
| Folia ( | lokalny sklep spożywczy) |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.