Technika profilowania rybosomów (RIBO-seq) została opracowana w laboratorium Jonathana Weissmana na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco1. W porównaniu do innych metod stosowanych do badania ekspresji genów na poziomie translacyjnym, RIBO-seq skupia się na każdym rybosomie związanym z mRNA i dostarcza informacji o jego lokalizacji oraz względnej liczbie rybosomów na transkrypcie. Umożliwia ona monitorowanie procesu syntezy białek in vivo i może zapewnić rozdzielczość oraz dokładność na poziomie pojedynczego kodonu, co pozwala na pomiar gęstości rybosomów zarówno na poszczególnych cząsteczkach mRNA, jak i w obrębie całego transkryptomu w komórce. Podstawą techniki RIBO-seq jest fakt, że podczas translacji rybosom wiąże cząsteczkę mRNA, chroniąc tym samym zakryty fragment transkryptu przed trawieniem przez rybonukleazę. Po dodaniu rybonukleazy niechronione mRNA ulega trawieniu, a fragmenty otoczone przez rybosomy – zazwyczaj o długości ~28-30 nt – pozostają nienaruszone. Fragmenty te, nazywane odciskami rybosomalnymi (RF), mogą być następnie izolowane, sekwencjonowane i mapowane na transkrypty, z których pochodzą, co pozwala na wykrycie dokładnej pozycji rybosomów. W rzeczywistości zdolność rybosomów do ochrony fragmentów mRNA była wykorzystywana od lat 60. XX wieku do badania wiązania rybosomalnego i miejsc inicjacji translacji (TIS)2,3,4. Jednak dzięki postępom w technologii głębokiego sekwencjonowania, RIBO-seq stał się złotym standardem monitorowania translacji5, który dzięki angażowaniu rybosomów może dostarczyć informacji o syntezie białek w skali całego genomu6. Profilowanie rybosomów wypełniło lukę technologiczną, która istniała pomiędzy ilościowym określaniem transkryptomu a proteomu6.
Aby przeprowadzić profilowanie rybosomów, należy uzyskać lizat komórkowy organizmu, który rósł w badanych warunkach. Zaburzenie tych warunków podczas zbierania i lizy komórek może dostarczyć niewiarygodnych danych. Aby temu zapobiec, powszechnie stosuje się inhibitory translacji, szybkie zbieranie oraz błyskawiczne mrożenie w ciekłym azocie. Komórki można lizować poprzez rozcieranie kriogeniczne w homogenizatorze mechanicznym, takim jak młyn mieszalnikowy7,8 lub homogenizator kulkowy (bead beater)9, a także poprzez tryturację za pomocą pipety10 lub igły11. Bufor do lizy można dodać bezpośrednio przed lub krótko po sproszkowaniu komórek. W naszym protokole używamy ciekłego azotu do schłodzenia moździerza i tłuczka, a także tlenku glinu jako łagodniejszej metody rozbijania bakteryjnej ściany komórkowej, co zapobiega fragmentacji RNA często spotykanej przy stosowaniu metod takich jak sonikacja. Po sproszkowaniu dodajemy lodowaty bufor do lizy do schłodzonej zawartości moździerza. Wybór odpowiedniego buforu do lizy jest istotny dla uzyskania najlepszej rozdzielczości odcisków rybosomowych (ribosomal footprints). Ponieważ siła jonowa wpływa zarówno na rozmiar RF, jak i na precyzję ramki odczytu, obecnie zaleca się stosowanie buforów do lizy o niskiej sile jonowej i niskiej pojemności buforowej, nawet jeśli wydaje się, że skład buforu nie wpływa na zajętość rybosomów na mRNA11,12. Ważnymi składnikami buforu do lizy są jony magnezu, których obecność zapobiega dysocjacji podjednostek rybosomowych i hamuje spontaniczne zmiany konformacyjne w rybosomach bakteryjnych11,13. Jony wapnia również odgrywają istotną rolę i są niezbędne dla aktywności nukleazy mikrokokkowej (MNase) stosowanej w metodzie profilowania rybosomów bakteryjnych14. Dodatek guanozyno-5′-[β,γ-imido]trifosforanu (GMP-PNP), niehydrolizowalnego analogu GTP, wraz z chloramfenikolem hamuje translację podczas lizy15.
Po uzyskaniu lizatu zostaje on sklarowany poprzez wirowanie i podzielony na dwie porcje, z których każda jest przeznaczona do RIBO-seq oraz wysokoprzepustowego sekwencjonowania całkowitego mRNA (RNA-seq), ponieważ są one przeprowadzane jednocześnie (Rycina 1). RNA-seq stanowi punkt odniesienia, który umożliwia porównanie danych z obu metod – RIBO-seq i RNA-seq – podczas analizy danych. Badany translatom jest definiowany poprzez normalizację odcisków rybosomalnych (ribosomal footprints) do obfitości mRNA16. Dane z RNA-seq mogą również pomóc w identyfikacji artefaktów klonowania lub sekwencjonowania17.

Rycina 1. Schematy przygotowania próbek mRNA do RIBO-seq i RNA-seq. W przypadku przygotowania biblioteki do RIBO-seq RNA poddaje się trawieniu za pomocą MNase (A), a następnie dokonuje selekcji frakcji RF o długości ~28-30 nt (B); w przypadku RNA-seq RNA jest izolowane (C), usuwa się z niego rRNA (D), a otrzymane mRNA jest losowo fragmentowane na fragmenty o różnej długości (E). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Wstępne etapy procedury przygotowania próbek do RIBO-seq i RNA-seq nieco się od siebie różnią (Rysunek 1). W przypadku profilowania rybosomalnego lizat musi zostać poddany trawieniu specyficzną endonukleazą w celu degradacji cząsteczek mRNA, które nie są chronione przez rybosomy. W standardowych protokołach uzyskane monosomy odzyskuje się za pomocą ultrawirowania na poduszce sacharozowej lub ultrawirowania w gradiencie sacharozy8,14. W niniejszym artykule wykazujemy, że etap ten nie jest konieczny do wyizolowania RF wymaganych do RIBO-seq u bakterii, podobnie jak w przypadku komórek eukariotycznych18, a wystarczająca jest selekcja fragmentów mRNA o odpowiedniej długości z żelu poliakrylamidowego.
W przypadku RNA-seq mRNA uzyskuje się poprzez usunięcie rRNA z całkowitego RNA – cząsteczki rRNA hybrydyzują z biotynylowanymi sondami oligonukleotydowymi, które wiążą się z kuleczkami magnetycznymi pokrytymi streptawidyną. Kompleksy rRNA-oligonukleotyd-kuleczka są następnie usuwane z próbki za pomocą magnesu, co prowadzi do uzyskania próbki pozbawionej rRNA19,20. Oczyszczone cząsteczki mRNA są następnie losowo fragmentowane poprzez hydrolizę alkaliczną. Uzyskane fragmenty mRNA, jak i odciski rybosomalne (ribosomal footprints), są konwertowane na biblioteki cDNA i przygotowywane do głębokiego sekwencjonowania (Rycina 2). Proces ten obejmuje naprawę końców niezbędną po hydrolizie alkalicznej (dla mRNA) i trawieniu enzymatycznym (dla RF): defosforylację końców 3' i następującą po niej fosforylację końców 5'. Kolejnymi krokami są ligacja adapterów oraz odwrotna transkrypcja w celu stworzenia insertów cDNA ograniczonych sekwencjami wymaganymi do sekwencjonowania następnej generacji (NGS) z wykorzystaniem platformy Illumina. Ostatnią fazą przygotowania biblioteki jest reakcja PCR, w której konstrukty są amplifikowane i znakowane specyficznymi dla próbki kodami kreskowymi (barcodes), co umożliwia multipleksowanie i sekwencjonowanie różnych próbek na jednym kanale. Przed sekwencjonowaniem jakość i ilość bibliotek ocenia się za pomocą wysokoczułej elektroforezy DNA na chipie. Biblioteki cDNA o odpowiednich parametrach mogą być następnie łączone i sekwencjonowane. Sekwencjonowanie można przeprowadzić na różnych platformach Illumina, takich jak MiSeq, NextSeq lub HighSeq, w zależności od liczby bibliotek, wymaganej długości odczytu i głębokości sekwencjonowania. Po sekwencjonowaniu przeprowadza się analizę bioinformatyczną.

Rycina 2Przygotowanie biblioteki. Przygotowanie biblioteki obejmuje naprawę końców, ligację adapterów, odwrotną transkrypcję oraz amplifikację z kodowaniem kreskowym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Profilowanie rybosomów to uniwersalna metoda, którą można łatwo modyfikować i dostosowywać do stawianych pytań naukowych. Pierwotnie była ona stosowana u drożdży1, lecz wkrótce potem zastosowano ją w komórkach bakteryjnych21, a także w organizmach modelowych eukariotycznych, w tym u myszy10, danio pręgowanego22, muszki owocowej23 oraz Arabidopsis thaliana24. Wykorzystano ją również do badania różnych typów rybosomów: cytoplazmatycznych, mitochondrialnych25,26 i chloroplastowych27,28. U eukariotów metoda RIBO-seq jest powszechnie adaptowana i udoskonalana w celu zbadania konkretnych aspektów translacji, w tym inicjacji10,11,29,30,31,32, elongacji1,10,11,31,33, zatrzymywania się rybosomów (stalling)33 oraz zmian konformacyjnych33. Większość modyfikacji wiąże się z zastosowaniem różnych inhibitorów translacji. W przypadku bakterii analogiczne badania były jednak trudne do przeprowadzenia ze względu na niedobór inhibitorów o wymaganym mechanizmie działania34. Najczęściej stosowanym inhibitorem translacji u bakterii jest chloramfenikol (CAM), który wiąże się z centrum peptydylotransferazy (PTC) i zapobiega prawidłowemu ustawieniu aminoacylo-tRNA w miejscu A. W konsekwencji CAM zapobiega tworzeniu wiązania peptydowego, co prowadzi do zatrzymania elongujących rybosomów35. Innymi przykładami inhibitorów translacji u bakterii są tetracyklina (TET)36, retapamulina (RET)34 oraz Onc11237, które były wykorzystywane do badania miejsc inicjacji translacji. TET, która zapobiega dostarczaniu tRNA do rybosomu poprzez bezpośrednie nakładanie się na pętlę łodygi antykodonu tRNA w miejscu A, była pierwotnie stosowana w celu weryfikacji wyników uzyskanych po traktowaniu CAM, ponieważ oba te antybiotyki hamują elongację translacji38. Stwierdzono, że TET wykrywa pierwotne TIS, jednak nie była w stanie ujawnić wewnętrznych TIS36. RET wiąże się w PTC rybosomu bakteryjnego i zapobiega tworzeniu pierwszego wiązania peptydowego, interferując z aminoacylo-tRNA elongacyjną w miejscu A. Zastosowanie RET skutkuje zatrzymaniem rybosomów zarówno w pierwotnych, jak i wewnętrznych TIS34. Onc112, peptyd przeciwdrobnoustrojowy bogaty w prolinę, wiąże się w kanale wyjściowym i blokuje wiązanie aminoacylo-tRNA w rybosomalnym miejscu A. W rezultacie Onc112 zapobiega przejściu kompleksów inicjacyjnych w fazę elongacji37.
Główne informacje dostarczane przez profilowanie rybosomów to gęstość rybosomów oraz ich pozycja na mRNA. Metoda ta została z powodzeniem zastosowana do badania różnicowej ekspresji genów na poziomie translacji w różnych warunkach wzrostu1,6, pomiaru wydajności translacji1,38,39 oraz wykrywania zdarzeń regulacji translacji, takich jak pauza rybosomalna10. RIBO-seq pozwala również na odkrywanie translacji adnotowanych ncRNA, pseudogenów oraz nieadnotowanych krótkich ramek odczytu (ORF), co prowadzi do identyfikacji nowych i/lub bardzo krótkich genów kodujących białka10,12,22,30,37. W takich przypadkach RIBO-seq może służyć do doprecyzowania i ulepszenia adnotacji genomu. Dzięki wysokiej czułości w identyfikacji tłumaczonych ORF oraz naturze ilościowej, profilowanie rybosomów może również służyć jako substytut wyznaczania proteomu lub wsparcie dla badań proteomicznych31,34,39. Poprzez mapowanie TIS, profilowanie rybosomów ujawnia izoformy znanych białek z wydłużonym lub uciętym N-końcem10,32. RIBO-seq został również zaadaptowany do badania kotranslacyjnego fałdowania białek14,21,24. Metoda ta umożliwia pomiar tempa elongacji1,10,39 lub prędkości dekodowania poszczególnych kodonów6 i pomaga w opracowywaniu ilościowych modeli translacji17. Metoda profilowania rybosomów pozwala również na uzyskanie wglądu w mechanizmy pauzy rybosomalnej u bakterii7,15,17, przesunięć ramki odczytu40, odczytu przez kodon stop21, defektów terminacji/recyklingu41,42 oraz zmian konformacji rybosomów33 u eukariotów. RIBO-seq został także dostosowany do badania wpływu specyficznych czynników trans-działających na translację, takich jak miRNA6 oraz białka wiążące RNA u eukariotów16,43. Należy jednak pamiętać, że projekt eksperymentalny oraz uzyskana rozdzielczość RIBO-seq determinują ilość informacji, jaką można wyodrębnić z wynikowych danych sekwencjonowania12.