Dzięki coraz szerszemu zastosowaniu technik sekwencjonowania nowej generacji można zwiększyć rozdzielczość przestrzenną w biologii rozwoju. Współczesne badania dążą do analizy tkanek z dokładnością do wyspecjalizowanych typów komórek, a nawet na poziomie pojedynczych komórek1,2,3,4. W tym celu w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat opracowano wiele różnych metod (patrz Rysunek 1A)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15.
Wiele narzędzi stosowanych w naukach o roślinach stanowi adaptację technik opracowanych pierwotnie w badaniach nad zwierzętami. Nie dotyczy to jednak metody, którą szczegółowo przedstawiamy w niniejszym opracowaniu. W 2005 roku, opierając się na szerokiej wiedzy z zakresu translacji białek, zespół z laboratorium Bailey-Serres podjął próbę modyfikacji białek rybosomalnych w celu ich późniejszego oczyszczania powinowactwem16. Pozwoliło to uniknąć czasochłonnego i pracochłonnego profilowania polisomów, które opiera się na ultrodocentryfugacji w gradiencie sacharozy i jest stosowane do oceny rybosomów w procesie translacji od lat 60. XX wieku17,18. Metoda ta została odtąd nazwana oczyszczaniem rybosomów translacyjnych metodą powinowactwa (TRAP)16. Po pomyślnym przeprowadzeniu badań translatomu u roślin, Heiman i wsp. zaadaptowali metodę TRAP dla zwierząt19, a inni rozszerzyli jej zastosowanie na drożdże20, Drosophila21, Xenopus22 oraz zebrafish23,24.
Chociaż modyfikacja genetyczna systemu modelowego jest warunkiem wstępnym dla metody TRAP, co ogranicza jej zastosowanie do gatunków podatnych na transformację genetyczną, można wykorzystać to ograniczenie do celowania w podgrupy komórek o szczególnym znaczeniu, które w inny sposób byłyby niezwykle trudne do wyizolowania z nienaruszonej tkanki lub organu25 (np. silnie rozgałęzione komórki dendrytyczne w mózgu myszy lub strzępki grzybów w zainfekowanej tkance roślinnej). W roślinach wszystkie komórki są utrzymywane na miejscu przez ściany komórkowe, które stanowią podstawę szkieletu hydrostatycznego26. Aby uwolnić komórkę roślinną z tej macierzy, naukowcy stosują albo fizyczne wycięcie komórki z otaczającej ją tkanki za pomocą mikrosekcji laserowej (LCM)27, albo enzymatyczne trawienie ścian komórkowych28. W przypadku tych drugich, tzw. protoplastów, interesująca populacja jest znakowana fluorescencyjnie i może być oddzielana za pomocą sortowania komórek aktywowanego fluorescencją (FACS)7. LCM zazwyczaj wymaga utrwalenia próbki i zatopienia jej w wosku, co w konsekwencji pogarsza jakość RNA29. Metody oparte na FACS pozwalają uzyskać wysokiej jakości RNA, jednak sam proces protoplastowania wprowadza zmiany w ekspresji genów30, a tkanki z modyfikowanymi i grubymi wtórnymi ścianami komórkowymi są znane z trudności w obróbce. Ponadto przyjmuje się, że wiele procesów rozwojowych u roślin opiera się na sygnałach przenoszonych mechanicznie, dlatego nienaruszalność ściany komórkowej ma kluczowe znaczenie31. Dwie metody, które stosują skrót pozwalający uniknąć izolacji całych komórek poprzez operowanie na poziomie jąder, to sortowanie jąder aktywowane fluorescencją (FANS) oraz izolacja jąder znakowanych w specyficznych typach komórek (INTACT). Podobnie jak w TRAP, wykorzystują one specyficzne dla typu komórek promotory do znakowania jąder, które następnie są wzbogacane odpowiednio poprzez sortowanie lub metodę pull-down8,15. Głównym wyzwaniem dla wszystkich tych podejść jest uzyskanie wystarczającej ilości materiału RNA z podgrup komórek w tkance. Ponieważ TRAP wychwytuje tylko część komórkowego RNA, gromadzenie próbek stanowi znaczne wąskie gardło. Dlatego potrzebne są szczególnie czułe protokoły przygotowania bibliotek, aby uzyskać wysokiej jakości dane z niskich ilości materiału wyjściowego.
Od momentu swojego wprowadzenia metoda TRAP była stosowana albo w połączeniu z mikromacierzami DNA, albo – w obliczu znacznego spadku kosztów sekwencjonowania w ostatnich latach – z metodą RNA-seq10,32,33Wiele pytań badawczych zostało już wyjaśnionych, co zostało omówione w przeglądzie Sablok i wsp.34Jesteśmy przekonani, że w nadchodzących latach pojawi się więcej doniesień, ponieważ technika ta jest bardzo wszechstronna w kontekście łączenia różnych promotorów w celu celowania w konkretne typy komórek. W przyszłości będzie to możliwe do zrealizowania również w sposób indukowalny i może zostać połączone z badaniem reakcji rośliny na wiele biotycznych i abiotycznych czynników stresowych. Dodatkowo, w przypadkach, gdy nie dysponowano stabilnymi liniami transgenicznymi, systemy ekspresyjne w korzeniach włóknistych (hairy root) zostały pomyślnie wykorzystane do przeprowadzenia TRAP u pomidora oraz lucerny (medicago).35,36.

Rysunek 1: Oczyszczanie rybosomów za pomocą powinowactwa translacyjnego (TRAP) uzupełnia portfolio analiz „omicznych”. A. Zwiększona precyzja analityczna, aż do rozdzielczości pojedynczej komórki, a nawet podkomórkowej, może być osiągnięta za pomocą wielu metod lub ich kombinacji. Schemat przedstawia przegląd obecnie dostępnych narzędzi w dziedzinie roślin i zwierząt. Pobieranie tkanek z rozdzielczością komórkową można osiągnąć za pomocą protokołów takich jak LCM lub FACS, które następnie są łączone ze standardowym profilowaniem transkryptomu lub polisomów/analizą translatomu. TRAP i INTACT integrują zarówno wychwytywanie tkanek, jak i izolację RNA, ponieważ opierają się na znakowaniu epitopowym. Jednak INTACT pobiera próbki tylko z jąder komórkowych i stanowi zatem szczególny przypadek analizy transkryptomu. Mała ikona królika oznacza nowo opracowane metody w dziedzinie zwierząt: podczas gdy SLAM-ITseq i Flura-seq opierają się na metabolicznym celowaniu w nowo powstałe RNA za pomocą zmodyfikowanych zasad uracylu w komórkach ekspresujących odpowiedni enzym, Slide-seq wykorzystuje powlekane szkiełka szklane z kodami kreskowymi DNA, które dostarczają informacji pozycyjnych w zakresie komórkowym. W metodzie APEX-seq stosowane jest podejście oparte na znakowaniu bliskościowym w celu pobrania RNA ze specyficznych przedziałów podkomórkowych. Warto zauważyć, że zwiększona rozdzielczość często wymaga wytworzenia materiału transgenicznego (gwiazdki), dlatego metody te są przede wszystkim stosowane w przypadku gatunków modelowych. TRAP jest szczególnie odpowiedni do badań w naukach o roślinach obejmujących ścianę komórkową (CW) lub sygnały mechaniczne, a także w przypadku rodzajów komórek, które trudno jest uwolnić z macierzy CW. B. Szczegółowe kroki laboratoryjne procedury TRAP: siewki ekspresujące białko rybosomalne znakowane GFP w określonych typach komórek (np. endodermie korzenia) są hodowane na szalkach Petriego przez siedem dni, a materiał korzeniowy jest zbierany poprzez gwałtowne zamrażanie. Próbkę kontrolną całkowitego RNA pobiera się z homogenizowanego ekstraktu surowego przed odwirowaniem osadu za pomocą wirowania. Magnetyczne kuleczki anty-GFP są dodawane do oczyszczonego ekstraktu w celu przeprowadzenia immunoprecypitacji. Po inkubacji i trzech etapach płukania, RNA związane z polisomami (RNA TRAP/polisomalne) jest pozyskiwane bezpośrednio poprzez ekstrakcję fenolowo-chloroformową. LCM: laserowa mikrodysekcja, FACS/FANS: fluorescencyjnie aktywowane sortowanie komórek/jąder, APEX-seq: metoda oparta na zmodyfikowanej askorbinianowej peroksydazie, INTACT: izolacja jąder znakowanych w specyficznych typach komórek, SLAM-ITseq: alkilacja powiązana z tiolem (SH) dla metabolicznego sekwencjonowania RNA w tkance, Flura-seq: sekwencjonowanie RNA znakowanego fluorouracylem (Stworzono za pomocą Biorender.com) Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie szczegółowego opisu metody TRAP, wyróżnienie krytycznych etapów oraz udzielenie wskazówek dotyczących możliwej metody przygotowania biblioteki.
Ogólny eksperyment TRAP składa się zasadniczo z następujących etapów (patrz również Rysunek 1B): (1) przygotowanie materiału roślinnego, w tym klonowanie konstruktu do znakowania rybosomów, wytworzenie i selekcja linii transgenicznych, uprawa i namnażanie nasion, sterylizacja i wysiew, aplikacja stresu/obróbka (opcjonalnie) oraz pobieranie tkanek; (2) immunopuryfikacja, obejmująca homogenizację tkanek i klarowanie ekstraktu surowego, przemywanie kulek i immunopuryfikację oraz etapy płukania; (3) ekstrakcja RNA i ocena jego jakości; oraz (4) przygotowanie biblioteki.
Korzeń Arabidopsis służy jako system modelowy do badania rozwoju roślin od czasu wprowadzenia tej rośliny jako modelu37,38. W niniejszej pracy zastosowanie metody TRAP zaprezentowano w kontekście rozwoju korzeni bocznych roślin. U roślin budowa całego systemu korzeniowego opiera się na realizacji tego programu i jest zatem niezwykle istotna dla przetrwania organizmu39. W przypadku Arabidopsis korzenie boczne wywodzą się z tkanki perycyklu, która znajduje się obok naczyń ksylemu i dlatego nazywana jest perycyklem bieguna ksylemowego (XPP; patrz Rysunek 2C)40. Niektóre komórki XPP, zlokalizowane głęboko wewnątrz korzenia, nabywają tożsamości komórek inicjujących i pod wpływem lokalnego impulsu hormonalnego zaczynają proliferować poprzez pęcznienie i podziały antyklinalne41. Jednak ze względu na obecność sztywnej macierzy ścian komórkowych proces ten wywiera naprężenia mechaniczne na sąsiednie tkanki. W szczególności dotyczy to nadkładającej się endodermy, gdyż znajduje się ona na drodze osi wzrostu korzenia bocznego42,43,44. W rzeczywistości nowo powstający prymordium musi wzrosnąć przez nadkładającą się komórkę endodermy (Rysunek 2C2), podczas gdy komórki kory i epidermy są jedynie odpychane na bok, aby prymordium mogło w końcu wyłonić się na zewnątrz45,46. Niedawne prace w naszym laboratorium wykazały, że endoderma aktywnie przyczynia się do umożliwienia proliferacji w perycyklu. Celowe zablokowanie endodermalnego sygnałowania hormonalnego jest wystarczające, aby zahamować nawet pierwszy podział w komórkach XPP47. Zatem komunikacja między perycyklem a endodermą stanowi bardzo wczesny punkt kontrolny rozwoju korzeni bocznych u Arabidopsis. Nie wiadomo jednak, w jaki sposób odbywa się ta interakcja. Aby rozwiązać tę zagadkę, wybraliśmy podejście TRAP-seq, aby celować w komórki XPP i endodermy. W celu wzbogacenia populacji komórek uczestniczących w programie tworzenia korzeni bocznych, zasymulowaliśmy impuls hormonalny poprzez egzogeniczną aplikację analogu auksyny (kwas 1-naftaloctowy, NAA)48, co jednocześnie pozwoliło na czasowe rozdzielenie początkowej fazy formowania się korzeni bocznych.