Artykuł metodologiczny

AQRNA-seq do ilościowego oznaczania małych RNA

1.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66335

⸱

2 lutego 2024

 ,  , 
1Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2Singapore-MIT Alliance for Research and Technology Antimicrobial Resistance Interdisciplinary Research Group

W tym artykule

Podsumowanie

Bezwzględna kwantyfikacja Sekwencjonowanie RNA (AQRNA-seq) to technologia opracowana do ilościowego określania krajobrazu wszystkich małych RNA w mieszaninach biologicznych. W tym miejscu zademonstrowano zarówno etapy przygotowania biblioteki, jak i przetwarzania danych AQRNA-seq, określając ilościowo zmiany w puli transferu RNA (tRNA) w Mycobacterium bovis BCG podczas spoczynku wywołanego głodem.

Streszczenie

AQRNA-seq zapewnia bezpośrednią liniową zależność między liczbą odczytów sekwencjonowania a małą liczbą kopii RNA w próbce biologicznej, umożliwiając w ten sposób dokładną kwantyfikację puli małych RNA. Opisana tutaj procedura przygotowania biblioteki AQRNA-seq obejmuje użycie specjalnie zaprojektowanych łączników sekwencjonowania i etapu redukcji modyfikacji metylacji RNA, które blokują procesywność odwrotnej transkrypcji, co skutkuje zwiększoną wydajnością cDNA o pełnej długości. Ponadto przedstawiono szczegółową realizację towarzyszącego pipeline'u bioinformatycznego. Ta demonstracja AQRNA-seq została przeprowadzona poprzez analizę ilościową 45 tRNA w Mycobacterium bovis BCG zebranych w ciągu 5 wybranych dni w ciągu 20-dniowego okresu deprywacji składników odżywczych i 6 dni resuscytacji. W tym miejscu omówione zostaną również bieżące wysiłki na rzecz poprawy skuteczności i rygoru AQRNA-seq. Obejmuje to badanie metod zapobiegania oczyszczaniu żelu w celu złagodzenia problemów z dimerami starterów po amplifikacji PCR oraz zwiększenia udziału odczytów o pełnej długości, aby umożliwić dokładniejsze mapowanie odczytu. Przyszłe ulepszenia AQRNA-seq będą skoncentrowane na ułatwieniu automatyzacji i wysokoprzepustowego wdrożenia tej technologii do ilościowego oznaczania wszystkich małych gatunków RNA w próbkach komórkowych i tkankowych pochodzących z różnych organizmów.

Wprowadzenie

Sekwencjonowanie nowej generacji (NGS), znane również jako sekwencjonowanie masowo równoległe, to technologia sekwencjonowania DNA, która obejmuje fragmentację DNA, ligację oligonukleotydów adaptorowych, amplifikację opartą na reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR), sekwencjonowanie DNA i ponowne składanie sekwencji fragmentów w genom. Adaptacja NGS do sekwencji RNA (sekwencja RNA) to potężne podejście do identyfikacji i ilościowego określania transkryptów RNA i ich wariantów1. Innowacyjne osiągnięcia w procesach przygotowywania bibliotek RNA i potokach analizy bioinformatycznej, w połączeniu z postępem w oprzyrządowaniu laboratoryjnym, poszerzyły repertuar aplikacji sekwencyjnych RNA, przechodząc poza sekwencjonowanie egzomu do zaawansowanej funkcjonalnej omiki, takiej jak profilowanie RNA bez kodowania2, analiza pojedynczych komórek3, transkryptomika przestrzenna4,5, alternatywne łączenie analysis6, między innymi. Te zaawansowane metody sekwencjonowania RNA ujawniają złożone funkcje RNA poprzez analizę ilościową transkryptomu w normalnych i chorych komórkach i tkankach.

Pomimo tych postępów w sekwencjonowaniu RNA, kilka kluczowych cech technicznych ogranicza ilościową moc tej metody. Podczas gdy większość metod sekwencjonowania RNA pozwala na precyzyjną i dokładną kwantyfikację zmian poziomów RNA między zmiennymi eksperymentalnymi (tj. próbkami biologicznymi i/lub stanami fizjologicznymi), nie mogą one zapewnić ilościowych porównań poziomów cząsteczek RNA w próbce. Na przykład większość metod sekwencjonowania RNA nie może dokładnie określić ilościowo względnej liczby kopii pojedynczych cząsteczek izoakceptora tRNA w puli komórkowej wyrażonych tRNA. Jak podkreślono w publikacji towarzyszącej7, to ograniczenie do sekwencjonowania RNA wynika z kilku cech struktury RNA i biochemii przygotowania biblioteki. Na przykład na aktywność enzymów ligacyjnych używanych do przyłączania łączników sekwencjonowania końca 3' i 5' do cząsteczek RNA duży wpływ ma tożsamość końcowych nukleotydów RNA i łączników sekwencjonowania. Prowadzi to do dużych różnic w wydajności ligacji łączników i głębokiego wzrostu liczby odczytów sekwencjonowania8,9,10.

Drugi zestaw ograniczeń wynika z nieodłącznych właściwości strukturalnych cząsteczek RNA. W szczególności tworzenie drugorzędowej struktury RNA i dynamiczne zmiany w dziesiątkach potranskrypcyjnych modyfikacji RNA epitranskryptomu mogą powodować spadek lub mutację polimerazy podczas odwrotnej transkrypcji. Błędy te skutkują niekompletną lub skróconą syntezą cDNA lub zmienioną sekwencją RNA. Chociaż oba te zjawiska można wykorzystać do mapowania struktur drugorzędowych lub pewnych modyfikacji, pogarszają one ilościową dokładność sekwencji RNA, jeśli kolejne etapy przygotowania biblioteki nie zdołają uchwycić obciętych cDNA lub jeśli przetwarzanie danych wyrzuca zmutowane sekwencje niepasujące do referencyjnego zestawu danych11,12. Co więcej, ogromna różnorodność chemiczna, długotrwała i strukturalna transkryptów RNA, a także brak narzędzi do jednolitej fragmentacji długich RNA, zmniejsza możliwość zastosowania większości metod sekwencjonowania RNA do wszystkich gatunków RNA13.

Metoda AQRNA-seq (sekwencjonowanie RNA w absolutnej kwantyfikacji) została opracowana w celu usunięcia kilku z tych technicznych i biologicznych ograniczeń, które ograniczają dokładność ilościową7. Minimalizując zależne od sekwencji odchylenia w wychwytywaniu, ligacji i amplifikacji podczas przygotowywania biblioteki sekwencjonowania RNA, AQRNA-seq osiąga lepszą liniowość w porównaniu z innymi metodami, dokładnie określając ilościowo 75% biblioteki referencyjnej 963 miRNA z 2-krotną dokładnością. Ta liniowa korelacja sekwencjonowania, liczby odczytów i obfitości RNA jest również obserwowana w analizie puli oligonukleotydów o zmiennej długości oraz w odniesieniu do metod ortogonalnych, takich jak northern blotting. Ustalenie liniowości między sekwencjonowaniem, liczbą odczytów a obfitością RNA umożliwia AQRNA-seq osiągnięcie dokładnej, bezwzględnej kwantyfikacji wszystkich gatunków RNA w próbce.

Oto opis protokołu do przygotowania biblioteki AQRNA-seq i towarzyszącego mu potoku analizy danych. Metodę zastosowano w celu wyjaśnienia dynamiki liczebności tRNA podczas stanu spoczynku wywołanego głodem, a następnie reanimacji w modelu gruźlicy Mycobacterium bovis bacilli de Calmette et Guérin (BCG). Wyniki przedstawiono w celu eksploracyjnej wizualizacji danych sekwencjonowania, wraz z późniejszymi analizami grupowania i różnicowej ekspresji, które ujawniły dostrzegalne wzorce obfitości tRNA związane z różnymi fenotypami.

Protokół

UWAGA: Rysunek 1 przedstawia graficzną ilustrację procedur związanych z przygotowaniem biblioteki AQRNA-seq. Szczegółowe informacje na temat odczynników, substancji chemicznych oraz kolumn/zestawów stosowanych w procedurze można znaleźć w Tabeli Materiałów. Zaleca się przeprowadzenie kompleksowej oceny czystości, integralności i ilości wejściowych próbek RNA przy użyciu (i) 3% elektroforezy w żelu agarozowym, (ii) zautomatyzowanych narzędzi do elektroforezy do kontroli jakości próbek biomolekuł (patrz tabela materiałów) oraz (iii) spektrofotometrii UV-visible i/lub kwantyfikacji fluorometrycznej. Obowiązkowe jest przechowywanie wszystkich reakcji i mieszanek wzorcowych na lodzie, chyba że określono inaczej. Odczynniki (np. enzymy) należy transportować w chłodziarkach do i z magazynu w temperaturze -20 °C, aby zachować ich trwałość i uniknąć wielokrotnych cykli zamrażania i rozmrażania półproduktów bibliotecznych.

1. Defosforylacja RNA

UWAGA: Usunięcie 5'-fosforanu (Donor) zapobiega samoligacji do 3'-hydroksylu (OH; akceptor) RNA. Łączniki nie będą się samoligować, ponieważ ich koniec 3' jest zmodyfikowany tak, aby zawierał dideoksycytydynę (Linker 1) lub przekładkę (Linker 2). Łączniki można ligować tylko przez dołączenie ich 5'-P do 3'-OH RNA lub cDNA.

  1. Przygotować reakcję defosforylacji w sterylnej probówce do PCR (np. probówka o pojemności 200 μl lub 500 μl) przez dodanie do 2 μl próbki RNA, 0,5 μl 40 μl inhibitora RNazy U/μL, 1 μL 0,5 μM wzorca wewnętrznego (tabela 1), 0,5 μL 10x buforu reakcyjnego ligazy RNA T4, 1 μl fosfatazy alkalicznej krewetek o zawartości 1 μl i wystarczająca ilość wody wolnej od RNaz, aby zwiększyć całkowitą objętość do 5 μl.
    UWAGA: W przypadku typowych próbek 75 ng RNA (lub około 2 pmol dla 80 nt RNA) jest uważane za wystarczające do ilościowego określenia małych RNA przy użyciu tego protokołu.
  2. Inkubować w temperaturze 37 °C przez 30 minut w celu defosforylacji RNA, a następnie w temperaturze 65 °C przez 5 minut w celu inaktywacji enzymu i denaturacji RNA. Próbki należy przechowywać w temperaturze 4 °C przez co najmniej 10 minut, aby zapobiec renaturyzacji.

2. Ligacja łącznika 1 do końca 3' RNA

  1. Przygotować reakcję ligacji Linker 1 w sterylnej probówce PCR, dodając 5 μL defosforylowanych RNA (produkty z kroku 1), 0,5 μL 40 U/μL inhibitora RNazy, 1 μL 100 μM Linker 1 (Tabela 1), 3 μL 10 mM ATP, 2,5 μL 10x buforu reakcyjnego ligazy RNA T4, 15 μl PEG8000 (50% roztwór), 2 μl 30 μl ligazy T4 RNA 1 i 1 μl wody wolnej od RNaz.
    UWAGA: Odczynniki można przekształcić w mieszankę wzorcową, aby ułatwić przetwarzanie próbek. Nie należy włączać PEG8000 i ligazy T4 RNA 1 do mieszaniny wzorcowej.
  2. Inkubować w temperaturze 25 °C przez 2 godziny, a następnie w temperaturze 16 °C przez 16 godzin w celu podwiązania łącznika 1 do RNA.
  3. Oczyść kolumnowo RNA ligowane przez Linker-1. Użyj zestawu do odzyskiwania i oczyszczania DNA/RNA (patrz Tabela materiałów).
    UWAGA: Ten protokół oczyszczania kolumn ma zastosowanie do wszystkich kolejnych oczyszczania kolumn przy użyciu tego samego zestawu. Zestawy, które wykorzystują technologię filtracji żelowej do usuwania terminatorów barwnika z reakcji sekwencjonowania (patrz tabela materiałów) nie mogą być tutaj stosowane, ponieważ PEG8000 jest niekompatybilny z filtrami żelowymi takich zestawów. Zaleca się zachowanie podwielokrotności (1,2 μl) każdej próbki po oczyszczeniu. W razie potrzeby podwielokrotności te można wykorzystać do sprawdzenia wydajności ligacji poprzez uruchomienie komercyjnego analizatora kwasów nukleinowych. Pozostałe oczyszczone próbki należy przechowywać na lodzie lub w temperaturze -20 °C do czasu dalszych etapów.
    1. Aby uzyskać objętość próbki < 50 μl, dodaj wodę wolną od RNaz, aby uzyskać 50 μl. Dodać 2 objętości buforu wiążącego oligonukleotydy (dostarczonego w zestawie) do 1 objętości próbki. Dodać 8 objętości 100% etanolu do 1 objętości próbki.
    2. Załaduj próbkę (jednorazowo do 750 μl) do kolumny umieszczonej w probówce zbiorczej o pojemności 2 ml (dostarczonej w zestawie). Aby związać RNA z kolumną, odwirować przy 10 000 x g przez 30 s i wyrzucić przepływający (tj. ciecz z probówki zbiorczej). Umieść kolumnę z powrotem w probówce zbiorczej.
    3. Aby zmyć zanieczyszczenia z kolumny, dodaj 750 μl buforu do przemywania DNA (dostarczonego w zestawie) do kolumny. Wirować przy 10 000 x g przez 30 s i odrzucić przepływ. Umieść kolumnę z powrotem w probówce zbiorczej.
    4. Wirować z maksymalną prędkością (np. 16 000 x g dla mikrowirówki stołowej) przez dodatkowy 1 minutę w celu usunięcia resztkowego buforu do płukania DNA.
    5. Aby wymyć RNA, ostrożnie przenieś kolumnę do sterylnej probówki o pojemności 1,5 ml, dodaj do niej wodę wolną od RNaz. Użyj większej objętości niż jest to konieczne podczas elucji RNA, aby uwzględnić potencjalną utratę objętości podczas procesu elucji. Na przykład, jeśli do następnego kroku wymagane jest 15 μl, dodaj 17 μl wody wolnej od RNaz do elucji. Wirować przy 10 000 x g przez 30 s.

3. Usuwanie metylacji potranskrypcyjnych przez demetylazę AlkB

UWAGA: AlkB to enzym bakteryjny, który usuwa grupy metylowe z niektórych, ale nie wszystkich, metylowanych nukleotydów w DNA i RNA. Usunięcie kilku typów metylowanych rybonukleotydów w RNA zapobiega zanikowi odwrotnej transkryptazy, umożliwiając bardziej szczegółowe odczyty i identyfikację miejsc modyfikacji. Ten etap musi być kontrolowany przy niskim pH, aby zapobiec nieoczekiwanej degradacji RNA.

  1. Przygotować roztwór podstawowy 1 M 2-ketoglutaranu, rozpuszczając 1,4611 g 2-ketoglutaranu (146,11 g na M) w 10 ml wody wolnej od RNaz. Filtr Wysterylizuj roztwór przez filtr strzykawkowy 0,2 μm. Podwielokrotność roztworu podstawowego rozlać do sterylnych probówek o objętości 2 ml i przechowywać w temperaturze -20 °C.
  2. Przygotować roztwór podstawowy 0,5 M kwasu L-askorbinowego, rozpuszczając 0,88 g kwasu L-askorbinowego (176,12 g na M) w 10 ml wody wolnej od RNaz. Filtr Wysterylizuj roztwór przez filtr strzykawkowy 0,2 μm. Podwielokrotność roztworu podstawowego rozlać do sterylnych probówek o objętości 2 ml i przechowywać w temperaturze -20 °C.
  3. Przygotować roztwór podstawowy 0,25 M sześciowodnego siarczanu żelazawego amonu, rozpuszczając 0,9835 g sześciowodnego siarczanu amonu żelazawego (392,14 g na M) w 10 ml wody wolnej od RNaz. Filtr Wysterylizuj roztwór przez filtr strzykawkowy 0,2 μm. Podwielokrotność roztworu podstawowego rozlać do sterylnych probówek o objętości 2 ml i przechowywać w temperaturze -20 °C.
  4. Przygotować roztwór podstawowy 1 M HEPES, rozpuszczając 2,383 g HEPES (238,30 g na M) w 10 ml wody wolnej od RNaz. Dostosuj pH roztworu do 8 za pomocą NaOH i przesterylizuj roztwór przez filtr strzykawkowy 0,2 μm. Podwielokrotność roztworu podstawowego rozlać do sterylnych probówek o objętości 2 ml i przechowywać w temperaturze -20 °C.
  5. Przygotować 2x AlkB bufor reakcyjny. Aby uzyskać 10 ml buforu, należy połączyć 1,5 μl 1 M 2-ketoglutaranu (wytworzonego w kroku 3.1), 80 μl 0,5 M kwasu L-askorbinowego (wykonanego w kroku 3.2), 6 μl sześciowodnego siarczanu żelazawego 0,25 M (wykonanego w kroku 3.3), 100 μl 10 mg/ml BSA, 1000 μl 1 M HEPES (wytworzonego w kroku 3.4; dodać ostatni), i 8812,5 μl wody wolnej od RNaz. Filtr wysterylizuj bufor przez filtr strzykawkowy 0,2 μm.
    UWAGA: Bufor reakcyjny 2x AlkB musi być przygotowany na świeżo bezpośrednio przed każdym eksperymentem ze względu na labilność chemiczną składników.
  6. Przygotować reakcję trawienia AlkB w sterylnej probówce PCR, dodając 20 μl RNA ligowanych Linker-1 (produkty z kroku 2), 50 μl buforu reakcyjnego 2x AlkB (wykonanego w kroku 3.5), 2 μl demetylazy AlkB, 1 μl inhibitora RNazy i 27 μl wody wolnej od RNazy.
  7. Inkubować w temperaturze pokojowej przez 2 godziny w celu usunięcia metylacji potranskrypcyjnych z RNA.
  8. Aby usunąć AlkB z reakcji, wykonaj czynności opisane poniżej.
    1. W celu rozdzielenia czystej fazy należy dodać 50 μl wody wolnej od RNaz do reakcji AlkB, a następnie dodać 100 μl fenolu: chloroform: alkohol izoamylowy 25:24:1 (pH = 5,2).
    2. Wstrząsać ręcznie przez 10 s, a następnie wirować przy 16 000 x g przez 10 minut. Upewnij się, że wirnik wirówki stołowej jest kompatybilny z probówkami do PCR. W razie potrzeby użyj adapterów.
    3. Przenieś RNA (tj. warstwę wodną na wierzchu; około 140 μl) do sterylnej probówki o pojemności 1,5 ml. Jeśli chloroform (tj. dolna warstwa) zostanie zmieszany z warstwą wodną, należy ponownie odwirować z tymi samymi ustawieniami.
    4. Dodać 100 μl chloroformu do wyekstrahowanych RNA, aby usunąć resztki fenolu. Wstrząsać ręcznie przez 10 s, a następnie odwirowywać przy 16 000 x g przez 10 minut.
    5. Przenieść RNA (tj. warstwę wodną na wierzchu; około 120 μl) do sterylnej probówki o pojemności 1,5 ml.
  9. Oczyść kolumnowo wyekstrahowane RNA. Użyj zestawu do odzyskiwania i czyszczenia DNA/RNA (patrz tabela materiałów). Postępuj zgodnie z protokołem opisanym w kroku 2.3, aby przeprowadzić oczyszczanie kolumny.

4. Usunięcie nadmiaru Linkera 1

UWAGA: Zaleca się zapisanie podwielokrotności (1,2 μL) każdej próbki po oczyszczeniu. W razie potrzeby podwielokrotności te można wykorzystać do sprawdzenia wydajności trawienia RecJf poprzez uruchomienie komercyjnego analizatora kwasów nukleinowych. Natychmiast należy przystąpić do pracy z oczyszczonymi próbkami w celu odwrócenia transkrypcji.

  1. Przygotować reakcję martwego zapalenia w sterylnej probówce PCR, dodając 15 μl RNA ligowanych Linker-1 (produkty z kroku 3), 1 μl 40 U/μL inhibitora RNazy, 2 μl 10x buforu zestawu 2 (patrz tabela materiałów) i 2 μl 50 U/μL 5'-deadenylazy.
  2. Inkubować w temperaturze 30 °C przez 1 godzinę w celu usunięcia adeniny na końcu 5' łącznika 1. Dodać 2 μl z 30 U/μL RecJf do reakcji mardenylacji.
  3. Inkubować w temperaturze 37 °C przez 30 minut w celu wytrawienia nadmiaru Łącznika 1. Dodać kolejne 2 μl 30 U/μL RecJf do reakcji.
  4. Inkubować w temperaturze 37 °C przez 30 minut, aby kontynuować trawienie nadmiaru łącznika 1, a następnie w temperaturze 65 °C przez 20 minut, aby dokonać denaturacji enzymu.
  5. Oczyść kolumnowo RNA ligowane przez Linker-1. Użyj zestawu, który wykorzystuje technologię filtracji żelowej do usuwania terminatorów barwnika z reakcji sekwencjonowania (patrz tabela materiałów), ponieważ jest on skuteczny w usuwaniu krótkich pozostałości (np. oligonukleotydów o długości od 2 do 10 pz). Postępuj zgodnie z instrukcjami opisanymi poniżej, aby oczyścić.
    1. Przygotuj kolumny żelowo-filtracyjne zgodnie z protokołem producenta. Umieścić kolumnę w sterylnej probówce o pojemności 1,5 ml i załadować do niej 24 μl próbki.
    2. Aby oczyścić RNA, odwirować przy 800 x g przez 3 minuty i wyrzucić kolumnę. Oczyszczone RNA znajdują się w eluencie.

5. Reakcja odwrotnej transkrypcji (RT)

UWAGA: Następująca konfiguracja reakcji RT (patrz Tabela Materiałów) jest zgodna z protokołem producenta, z niewielkimi modyfikacjami, aby umożliwić kompatybilność z AQRNA-seq.

  1. Przygotować reakcję wyżarzania startera RT w sterylnej probówce PCR, dodając 24 μl matrycy RNA (produkty z kroku 4), 1 μl startera 2 μM RT (Tabela 1) i 1 μL dNTP (10 mM każdego rodzaju nukleotydów).
  2. Inkubować w temperaturze 80 °C przez 2 minuty w celu wyżarzania starterów RT do matrycy RNA, a następnie natychmiast schłodzić na lodzie przez 2 minuty.
  3. Przygotować reakcję RT, dodając 6 μl 5x buforu reakcyjnego RT, 1 μl 40 U/μL inhibitora RNazy i 1 μl odwrotnej transkryptazy do probówki reakcyjnej wyżarzania.
  4. Inkubować w temperaturze 50 °C przez 2 godziny w celu odwrotnej transkrypcji matryc RNA, a następnie w temperaturze 70 °C przez 15 minut w celu inaktywacji enzymu. Produkty RT (tj. hybrydy RNA-cDNA) mogą być przechowywane w temperaturze 4 °C lub -20 °C przez noc.

6. Hydroliza RNA

  1. Dodać 1 μl 5 M NaOH do hybrydy RNA-cDNA (produkty z kroku 5). Inkubować w temperaturze 93 °C przez 3 minuty w celu hydrolizy nici RNA hybrydy RNA-cDNA.
  2. Dodać 0,77 μl 5 M HCl, aby zneutralizować reakcję. Po dodaniu HCl przesuń w celu wymieszania i odkręć probówkę. Neutralizacja jest natychmiastowa.
    UWAGA: Zaleca się przetestowanie dokładnej ilości 5 M HCl, która jest potrzebna do zneutralizowania 1 μL NaOH (np. przy użyciu pasków pH) w warunkach buforowych.
  3. Oczyść kolumnowo jednoniciowe cDNA. Użyj zestawu do odzyskiwania i czyszczenia DNA/RNA (patrz tabela materiałów). Postępuj zgodnie z protokołem opisanym w kroku 2.3, aby przeprowadzić oczyszczanie kolumny.
    UWAGA: Zestawy, które wykorzystują technologię filtracji żelowej do usuwania terminatorów barwnika z reakcji sekwencjonowania (patrz Tabela materiałów) nie mogą być tutaj używane ze względu na zmiany pH w poprzednich krokach.
  4. Szybko odkurzyć oczyszczone cDNA do < 5 μl, a następnie dodać wodę wolną od RNaz, aby przywrócić objętość do 5 μl. Uważaj, aby nie przyspieszyć odkurzania cDNA do całkowitego wyschnięcia.
  5. Przenieś oczyszczone cDNA do sterylnej probówki do PCR. Oczyszczone cDNA można przechowywać w temperaturze -20 °C przez okres do 1 tygodnia.

7. Ligacja łącznika 2 do końca 3' cDNA

  1. Przygotować reakcję ligacji Linker 2 w sterylnej probówce PCR, dodając 5 μL cDNA (produkty z kroku 6), 1 μL 50 μM Linker 2 (Tabela 1), 2 μL 10x buforu reakcyjnego ligazy DNA T4, 1 μL 10 mM ATP, 9 μL PEG8000 (50% roztwór), i 2 μl 400 U/μL ligazy DNA T4.
    UWAGA: Odczynniki można przekształcić w mieszankę wzorcową, aby ułatwić przetwarzanie próbek. Nie włączaj PEG8000 i ligazy DNA T4 do mieszanki wzorcowej.
  2. Inkubować w temperaturze 16 °C przez 16 godzin w celu podwiązania Linkera 2 do cDNA.
  3. Oczyść kolumnowo cDNA ligowane przez Linker-2. Użyj zestawu do odzyskiwania i czyszczenia DNA/RNA (patrz tabela materiałów). Postępuj zgodnie z protokołem opisanym w kroku 2.3, aby przeprowadzić oczyszczanie kolumny.

8. Usunięcie nadmiaru Linkera 2

  1. Przygotuj reakcję deadenylacji w sterylnej probówce PCR, dodając 16 μl cDNA ligowanych Linker-2, 2 μl 10x zestawu buforowego 2 i 2 μl 50 U / μL 5'-deadenylazy. Inkubować w temperaturze 30 °C przez 1 godzinę w celu usunięcia adeniny na końcu 5' łącznika 2.
  2. Dodać 2 μl z 30 U/μL RecJf do reakcji mardenylacji. Inkubować w temperaturze 37 °C przez 30 minut w celu wytrawienia nadmiaru Linkera 2. Dodać kolejne 2 μl 30 U/μL RecJf do reakcji.
  3. Inkubować w temperaturze 37 °C przez 30 minut, aby kontynuować trawienie nadmiaru Linkera 2, a następnie w temperaturze 65 °C przez 20 minut, aby dokonać denaturacji enzymu.

9. Amplifikacja PCR cDNA za pomocą starterów sekwencjonowania

  1. Przypisz startery PCR do próbek. Każda próbka wymaga unikalnej kombinacji starterów do przodu i do tyłu (Tabela 1) w celu skutecznego multipleksowania.
  2. Dodaj wodę wolną od RNaz, aby zwiększyć objętość próbki do 25 μl. Zapisz 5 μl każdej próbki w sterylnej probówce do PCR jako kopię zapasową na wypadek konieczności powtórzenia PCR.
  3. Przygotować reakcję PCR (patrz Tabela materiałów zestawu do PCR), dodając 20 μl cDNA (produkty z kroku 8), 1 μl startera 2,5 μM do przodu, 1 μl startera odwrotnego 2,5 μM, 25 μL buforu 2x polimerazy DNA, 2 μl wody wolnej od RNaz i 1 μl polimerazy DNA.
    UWAGA: Odczynniki można przekształcić w mieszankę wzorcową, aby ułatwić przetwarzanie próbek. Nie dodawaj polimerazy DNA do mieszanki wzorcowej.
  4. Przeprowadzić PCR ze wstępną denaturacją w temperaturze 94 °C przez 1 minutę, a następnie 18 cyklami denaturacji w temperaturze 98 °C przez 20 s - wyżarzanie w temperaturze 58 °C przez 20 s - przedłużenie w temperaturze 68 °C przez 1 minutę
    UWAGA: Nie należy PCR amplifikować poza zakresem liniowym. W sumie 18 cykli będzie optymalnych dla większości eksperymentów, ale może to być zależne od kontekstu.
  5. Przyspiesz odkurzanie produktów PCR do mniej niż 25 μl, a następnie dodaj wodę wolną od RNaz, aby przywrócić objętość do 25 μl. Przenieś 5 μl produktów PCR do sterylnej probówki o pojemności 0,5 ml w celu sprawdzenia rozkładu wielkości (patrz krok 9.6). Pozostałe 20 μl produktów PCR należy przechowywać w temperaturze -20 °C do czasu dalszych kroków.
  6. Sprawdź rozkład wielkości produktów PCR zgodnie z poniższym opisem.
    1. Przygotować 3% żel agarozowy w buforze TAE.
      UWAGA: W tym protokole bromek etydyny (EtBr) jest używany do barwienia żelem po elektroforezie (patrz krok 9.6.5). Na tym etapie do roztworu żelu można dodać odpowiednie barwniki DNA lub użyć ich później do barwienia żelem.
    2. Wymieszaj 1 μl 6-krotnego barwnika ładującego z 5 μl produktów PCR (z kroku 9.5) i załaduj żel mieszaniną.
    3. Załadować 5 μl drabinek DNA do studzienki przed pierwszą próbką i do studzienki po ostatniej próbce. Użyj drabinek DNA 50 pz lub 100 pz, aby umożliwić lepszą dyskryminację wielkości produktów PCR w zakresie od 150 pz do 300 pz.
    4. Uruchom elektroforezę żelową, aby zlokalizować produkty PCR. Odpowiednie warunki pracy mogą być zależne od kontekstu. Tutaj uruchom przy napięciu 120 V, 400 mA przez 75 minut dla płyty żelowej o wymiarach 17,78 cm (szerokość) x 10,16 cm (wysokość) x 1 cm (grubość).
    5. Umieść żel w pudełku i napełnij pudełko wodą dejonizowaną (DI), aż żel zostanie całkowicie zanurzony. Dodaj 10 μl EtBr do wody DI, nasączając żel. Owiń pudełko folią i umieść je na shakerze. Plamić żel przez 30 minut, wstrząsając.
    6. Odpady zawierające EtBr wyrzucić do butelki na odpady umieszczonej w dygestorium. Spłucz żel raz wodą DI i wylej wodę zawierającą EtBr do butelki na odpady.
    7. Napełnij pudełko wodą DI, aż żel zostanie całkowicie zanurzony. Owiń pudełko folią i umieść je na shakerze. Żel myć przez 10 minut, wstrząsając.
    8. Wylać wodę zawierającą EtBr do butelki na odpady w okapie. Użyj imagera żelowego, aby zobrazować pasma. Uzyskaj obraz żelu w wysokiej rozdzielczości.

10. Oczyszczanie żelu

  1. Przygotować 3% żel agarozowy w buforze TAE. Przygotować żel o grubości 1 cm za pomocą szerokich grzebieni (1 mm grubości; 5 mm szerokości; 15 mm głębokości), tak aby każda studzienka mogła zawierać co najmniej 25 μl mieszaniny barwników ładujących próbkę.
  2. Wymieszaj 4 μl barwnika 6x ładującego z 20 μl produktów PCR (od kroku 9.5) i załaduj żel mieszaniną. Pozostaw puste pasy między próbkami, aby zminimalizować zanieczyszczenie krzyżowe podczas wycinania żelu.
  3. Załaduj drabinki DNA, uruchom elektroforezę żelu, wybarwić i umyć żel, a następnie wykonaj zdjęcia żelu zgodnie z opisem w kroku 9.6.
  4. Wyciąć bloki żelu, które zawierają produkty PCR w docelowym zakresie wielkości. Aby zminimalizować zanieczyszczenie dimerami starterów (łączniki 175 pz bez wkładek), ekstrahuj produkty PCR o wielkości powyżej 195 pz (łączniki 175 pz + 20 pz miRNA).
  5. Oczyść produkty PCR za pomocą ekstrakcji żelowej. Użyj zestawu do ekstrakcji żelu (patrz tabela materiałów). Protokół oczyszczania oparty jest na protokole producenta, z niewielkimi modyfikacjami w celu zapewnienia kompatybilności z AQRNA-seq. Wszystkie etapy wirowania należy przeprowadzać przy 17 900 x g przez 1 minutę przy użyciu wirówki stołowej w temperaturze pokojowej, chyba że określono inaczej. Postępuj zgodnie z instrukcjami opisanymi poniżej.
    1. Zmierz wagę bloków żelu wewnątrz probówek. Dodać 6 objętości Buffer QG (dołączonych do zestawu) do 1 objętości bloku żelu (1 mg żelu to około 1 μl).
    2. Inkubować w temperaturze 50 °C przez 10 minut lub do całkowitego rozpuszczenia bloków żelu. Rurki wirowe co 2 minuty, aby ułatwić rozpuszczanie żelu. Po rozpuszczeniu żelu mieszanina powinna przypominać kolorem Buffer QG bez rozpuszczonego żelu. Jeśli kolor jest pomarańczowy lub fioletowy, dodać 10 μl 3 M octanu sodu (pH = 5,0) i dokładnie wymieszać.
    3. Dodaj 1 objętość żelu izopropanolu do mieszaniny i dokładnie wymieszaj. Umieść kolumnę wirującą w probówce zbiorczej o pojemności 2 ml (dostarczonej w zestawie).
    4. Aby związać DNA, należy nanieść próbkę (za każdym razem do 750 μl) do kolumny i odwirować. Odrzucić przepływ i umieścić kolumnę z powrotem w tej samej probówce zbiorczej. Maksymalna ilość żelu na kolumnę wirową wynosi 400 mg.
    5. Dodać 500 μl buforu QG do kolumny i odwirować. Odrzucić przepływ i umieścić kolumnę z powrotem w tej samej probówce zbiorczej.
    6. Aby zmyć zanieczyszczenia, dodaj 750 μl buforu PE (dostarczonego w zestawie) do kolumny, pozostaw kolumnę na 5 minut i odwiruj. Odrzucić przepływ i umieścić kolumnę z powrotem w tej samej probówce zbiorczej. Odwirować ponownie, aby usunąć resztki buforu do płukania.
    7. Umieścić kolumnę w sterylnej probówce o pojemności 1,5 ml. Aby wymyć DNA, dodaj 30 μl buforu EB (dostarczonego w zestawie) do środka membrany kolumny, pozostaw kolumnę na 4 minuty i odwiruj.
    8. Speed-vac i ponownie zawiesić oczyszczone żelem produkty PCR w 12 μl buforu EB.
  6. Zmierz stężenie w skonstruowanych bibliotekach za pomocą spektrofotometrii UV-Visible i/lub kwantyfikacji fluorometrycznej.

11. Sekwencjonowanie biblioteki

  1. Prześlij zbudowane biblioteki do zewnętrznego centrum sekwencjonowania w celu oceny jakości i sekwencjonowania Illumina. Aby zapewnić wystarczającą czułość w ilościowym mapowaniu małych krajobrazów RNA, należy zdecydować się na sekwencjonowanie sparowanych końców z odczytami 75 pz z każdego kierunku (tj. PE75), dążąc do odczytów co najmniej 1,5 M surowej sekwencji w każdym kierunku dla każdej próbki. Użyj niestandardowych starterów (Tabela 1) do sekwencjonowania NextSeq, ale jest to opcjonalne dla sekwencjonowania na MiSeq.
    UWAGA: Sekwencjonowanie można wykonać za pomocą platform MiSeq lub NextSeq500. Wybór platformy może zależeć od charakteru próbek i całkowitej liczby próbek.

12. Potok analizy danych

UWAGA: Rysunek 2 przedstawia graficzną ilustrację uproszczonych procedur związanych z potokiem analizy danych, który przyjmuje surowe odczyty sekwencji (w formacie FASTQ) jako dane wejściowe i generuje macierz obfitości z wierszami reprezentującymi członków małych gatunków RNA będących przedmiotem zainteresowania i kolumnami reprezentującymi próbki. W przypadku sekwencjonowania sparowanych końców każda próbka odpowiada dwóm plikom FASTQ, jednemu dla odczytów do przodu, a drugi dla odczytów wstecznych. Kompletny potok analizy danych ze wszystkimi powiązanymi skryptami i podręcznikiem z obszernymi adnotacjami dla każdego kroku jest dostępny w serwisie GitHub (https://github.com/Chenrx9293/AQRNA-seq-JoVE.git).

  1. Pobieraj odczyty nieprzetworzonych sekwencji z zewnętrznego centrum sekwencjonowania i oceniaj jakość sekwencjonowania za pomocą programów typu open source, takich jak FastQC14 lub fastp15.
  2. Utwórz bibliotekę sekwencji referencyjnych w formacie FASTA.
    UWAGA: Kluczem do zdolności adaptacji rurociągu do różnych klas małych RNA jest odpowiednia biblioteka sekwencji referencyjnych. Aby uzyskać dokładne oszacowania liczebności członków określonych klas RNA będących przedmiotem zainteresowania (np. miRNA), oczekuje się, że użytkownicy skrupulatnie opracują bibliotekę sekwencji referencyjnych do użytku z potokiem. Wszystkie inne instrukcje dotyczące wykonywania potoku pozostają spójne w różnych klasach małych RNA.
  3. Utwórz katalog o nazwie AQRNA-seq do implementowania potoku analizy danych i umieść w nim wszystkie skrypty, odczyty sekwencji filtrowane pod względem jakości oraz bibliotekę sekwencji referencyjnych. Postępuj zgodnie ze szczegółowymi instrukcjami na GitHub (https://github.com/Chenrx9293/AQRNA-seq-JoVE.git), aby przygotować podkatalogi i wprowadzić niezbędne modyfikacje plików do kierowania na różne organizmy i/lub małe gatunki RNA, a także kompatybilność systemu operacyjnego i/lub harmonogramu zadań.
  4. Zaimplementuj potok analizy danych, postępując zgodnie z krokami opisanymi w podręczniku w usłudze GitHub (https://github.com/Chenrx9293/AQRNA-seq-JoVE.git), który zawiera opisy, pliki wejściowe i wyjściowe, a także wiersze poleceń dla każdego kroku. Podsumowując, potok obejmuje (i) przycinanie sekwencji łącznikowych i losowych nukleotydów z odczytów, (ii) filtrowanie odczytów na podstawie ich długości, (iii) mapowanie odczytów do sekwencji referencyjnych, (iv) rozwiązywanie niejednoznacznych mapowań oraz (v) generowanie macierzy obfitości.

Wyniki

Mycobacterium bovis BCG (bacilli de Calmette et Guérin) szczep 1173P2 w fazie wzrostu wykładniczego poddano serii czasowej (0, 4, 10 i 20 dni) głodzenia nutrientowego, po czym przeprowadzono 6-dniową resuscyjację w pożywce bogatej w składniki odżywcze, zgodnie z metodą opisaną wcześniej przez Hu i wsp.7. Małe RNA wyizolowano z hodowli bakteryjnej, w trzech powtórzeniach biologicznych, w każdym z pięciu wyznaczonych punktów czasowych. Biblioteki Illumina przygotowano zgodnie z opisanym powyżej schematem przygotowania bibliotek AQRNA-seq (Rycina 1), a następnie przeprowadzono sekwencjonowanie na sekwenatorze w BioMicro Center na Massachusetts Institute of Technology. Dane z sekwencjonowania przetworzono następnie za pomocą potoku analitycznego AQRNA-seq (Rycina 2), dostosowanego do ilościowego oznaczenia poziomu tRNA.

Po amplifikacji PCR biblioteki cDNA z wykorzystaniem starterów do sekwencjonowania, we wszystkich próbkach zaobserwowano obecność produktów PCR o rozmiarze 175 par zasad (bp) (Rycina 3A), co sugeruje powstawanie dimerów starterów. Aby zapobiec przeniesieniu dimerów starterów, z żelu wycięto i oczyszczono produkty PCR o rozmiarze przekraczającym 195 bp (Rycina 3B).

Odczyty sekwencji poddane filtracji jakościowej i przycinaniu zmapowano do niestandardowej biblioteki sekwencji referencyjnych, obejmującej 45 izoakceptorów tRNA, standard wewnętrzny oraz sekwencje kontrolne (tj. 23S rRNA, 16S rRNA, 5S rRNA, rnpB oraz ssr). Izoakceptory tRNA stanowiły od 10,5% do 40,2% całkowitej liczby zmapowanych odczytów w danej próbce i wykazywały znacznie wyższą liczność niż sekwencje kontrolne (Rysunek 4). Co istotne, stosunkowo niskie proporcje odczytów izoakceptorów tRNA można przypisać wyższej względnej liczności standardów wewnętrznych. Zatem proporcje odczytów izoakceptorów tRNA względem standardów wewnętrznych (Rysunek 4, różowe i zielone bloki kolorystyczne) mogą być kontrolowane przez operatora poprzez precyzyjne dostosowanie ilości standardu wewnętrznego dodanego do reakcji.

Surowe dane dotyczące zawartości tRNA zostały znormalizowane przy użyciu metody mediany stosunków (median of ratios) zaimplementowanej w pakiecie DESeq2 w wersji (dalej określonej jako v) 1.36.016 w środowisku programowania statystycznego R (dalej określanym jako R) v 4.2.117. Po normalizacji uzyskano ilościowy obraz izoakceptorów tRNA w Mycobacterium bovis BCG w trakcie przebiegu czasowego głodzenia nutrientowego i reanimacji (Rycina 5).

Aby wykazać odrębne klastry próbek o różnych fenotypach w oparciu o wzorce obfitości izoakceptorów tRNA, przeprowadzono analizę głównych składowych (PCA) znormalizowanych danych o obfitości tRNA przy użyciu pakietu stats v 4.2.117 w środowisku R (Rysunek 6). Analiza pozwoliła odróżnić próbki z dnia 0 głodzenia oraz 6 dnia reanimacji od próbek z 4, 10 i 20 dnia głodzenia, co sugeruje znaczną różnicę w krajobrazie tRNA Mycobacterium bovis BCG hodowanego w medium ubogim w składniki odżywcze oraz w medium bogatym w składniki odżywcze.

Aby przeanalizować dynamikę poziomu każdego izoakceptora tRNA w pięciu wyznaczonych punktach czasowych, przeprowadzono analizę różnicowej ekspresji znormalizowanych danych o obfitości tRNA przy użyciu pakietu DESeq2 v 1.36.0 w programie R (Rysunek 7). Analiza wykazała, że 17 z 20 rodzin izoakceptorów zawierało izoakceptory o różnicowej ekspresji (tj. istotnie zwiększonej lub zmniejszonej) w przynajmniej jednym z punktów czasowych, co sugeruje potencjalną rolę regulacji puli tRNA w stanie trwałości Mycobacterium bovis BCG podczas gruźlicy.

Schemat procesu sekwencjonowania RNA; etapy: defosforylacja, ligacja, metylacja, odwrotna transkrypcja, PCR.
Rycina 1: Schemat procesu przygotowania biblioteki AQRNA-seq. Kluczowe etapy przedstawione w procesie są wymienione w centrum schematu i połączone kropkowanymi liniami z odpowiednimi ilustracjami graficznymi. Szczegółowy opis każdego etapu znajduje się w sekcji Protokół. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat procesu sekwencjonowania: ocena jakości, przycinanie, filtrowanie, dopasowywanie, parowanie, rozwiązywanie.
Rycina 2: Schemat potoku analizy danych AQRNA-seq. Kluczowe kroki przedstawione w potoku są wymienione w centrum schematu i połączone z odpowiednimi ilustracjami graficznymi liniami przerywanymi. Szczegółowy opis każdego kroku jest dostępny w serwisie GitHub (https://github.com/Chenrx9293/AQRNA-seq-JoVE.git). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wyniki elektroforezy żelowej pokazujące wzory DNA podczas faz głodzenia i resuscytacji.
Rycina 3: Elektroforeza fragmentów cDNA w żelu agarozowym po amplifikacji PCR z zastosowaniem starterów do sekwencjonowania. (A) Obraz żelu przed ekstrakcją i oczyszczaniem z żelu. Ścieżki 7 i 14 licząc od lewej strony zawierają 5 µL drabinki DNA 50 bp, natomiast pozostałe ścieżki zawierają po 20 µL z każdej z 15 próbek. Lokalizacja wielkości produktów PCR wskazuje na ich najwyższe stężenie w zakresie od 175 bp (dimery starterów) do 300 bp (dwa startery + 120 bp 5S rRNA). (B) Obraz żelu po ekstrakcji i oczyszczaniu z żelu. Dla każdej próbki wycięto blok żelu pomiędzy 200 bp a 400 bp, aby zminimalizować zanieczyszczenie biblioteki sekwencjonowania dimerami starterów. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Wykres słupkowy analizy skumulowanej liczby odczytów dla próbek w dniach głodzenia i reanimacji.
Rysunek 4: Liczba odczytów sekwencji pomyślnie zmapowanych do referencyjnej biblioteki sekwencji. Oś x przedstawia nazwy próbek (np. D18-69XX) zgrupowane według punktów czasowych (np. Dzień 0 głodzenia). Dla każdej próbki liczba odczytów powiązana z różnymi kategoriami obiektów docelowych jest przedstawiona za pomocą bloków kolorystycznych ułożonych jeden na drugim. Liczby znajdujące się w centrum bloków kolorystycznych reprezentują proporcje odczytów odpowiadających poszczególnym obiektom docelowym w danej próbce. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza zawartości tRNA, wykres słupkowy; głodzenie, reanimacja; edukacyjne narzędzie badawcze.
Rysunek 5: Ilościowy obraz izoakceptorów tRNA Mycobacterium bovis BCG w różnych punktach czasowych w przebiegu głodzenia i reanimacji. Surowe dane dotyczące zawartości tRNA zostały znormalizowane przy użyciu metody mediany stosunków. Każdy wiersz przedstawia znormalizowaną zawartość tRNA (oś y) jako średnią ± błąd standardowy dla 3 powtórzeń biologicznych w każdym punkcie czasowym. Na osi x izoakceptory z tej samej rodziny zostały zgrupowane i oznaczone odpowiadającym im aminokwasem. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres skalowania wielowymiarowego przedstawiający fazy głodzenia i reanimacji bakterii; analiza klastrowania danych.
Rysunek 6: Wykres kwadratu cosinusa próbek uzyskany z analizy głównych składowych (PCA). Analizę PCA przeprowadzono na podstawie znormalizowanej zawartości tRNA. Kwadrat cosinusa wskazuje znaczenie głównych składowych dla próbek, a próbki naniesiono w odniesieniu do kwadratu cosinusa dwóch pierwszych głównych składowych. Próbki oznaczono identyfikatorami próbek i zakodowano kolorami w zależności od punktu czasowego. Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Porównanie zawartości aminokwasów; wykresy z wieloma warunkami; znormalizowane liczby odczytów; dane eksperymentalne.
Rycina 7: Różnicowa ekspresja izoakceptorów tRNA w różnych punktach czasowych. Znormalizowane zawartości tRNA przedstawiono jako średnie (punkty na liniach) ± błąd standardowy (słupek błędu) dla 3 powtórzeń biologicznych. Ze względu na ograniczenia miejsca, warunki oznaczono w następujący sposób: S0-S20 = dni głodzenia 0-20; R6 = 6. dzień reanimacji. Analizę różnicowej ekspresji przeprowadzono dla każdego izoakceptora tRNA, porównując poszczególne punkty czasowe parami przy użyciu testu stosunku wiarygodności oraz testu Walda. Do oznaczenia istotności statystycznej zastosowano litery; zawartości danego izoakceptora tRNA w punktach czasowych dzielących przynajmniej jedną wspólną literę nie różniły się od siebie istotnie. Na przykład zawartość tRNA-Lys-CTT-1-1 (w panelu lizyny) była istotnie obniżona od S0 do S4 oraz od S4 do S10, ale nie od S10 do S20. Następnie odnotowano istotny wzrost zawartości od S20 do R6. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Tabela 1: Oligonukleotydy wykorzystywane w procedurze przygotowania biblioteki AQRNA-seq. Standard wewnętrzny jest RNA, natomiast wszystkie pozostałe oligonukleotydy są DNA. Wymienione startery PCR i niestandardowe startery do sekwencjonowania są specyficzne dla platform sekwencyjnych. Można zaprojektować dodatkowe startery PCR z nowymi sekwencjami indeksów. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Dyskusja

Przebieg przygotowania biblioteki AQRNA-seq został zaprojektowany tak, aby zmaksymalizować wychwytywanie RNA w próbce i zminimalizować spadek polimerazy podczas odwrotnej transkrypcji7. Poprzez dwuetapową ligację łącznikową, nowe oligonukleotydy DNA (Linker 1 i Linker 2) są ligowane w nadmiarze, aby w pełni uzupełnić RNA w próbce. Nadmiar łączników można skutecznie usunąć za pomocą RecJf, egzonukleazy od 5 'do 3' specyficznej dla jednoniciowych DNA, pozostawiając nienaruszone produkty ligowane. Ponadto leczenie AlkB zmniejsza modyfikacje metylu na RNA18, co może powodować spadek polimerazy podczas odwrotnej transkrypcji, a tym samym łagodzi problem sztucznie skróconych produktów cDNA. AQRNA-seq jest pierwszą opisaną metodą systematycznej optymalizacji skuteczności ligacji i amplifikacji. AQRNA-seq został zwalidowany ze względu na jego ilościową dokładność i brak artefaktów stronniczości i wykazano, że jest to najdokładniejsze zastosowanie w badaniach profilowania miRNA.

AQRNA-seq jest szczególnie obszerny i zaleca się ostrożność operacyjną w przypadku etapów wrażliwych na temperaturę i/lub czas podczas przygotowywania biblioteki. W szczególności etapy poprzedzające syntezę cDNA (Figura 1; kroki 1-4), w których próbki zawierają z natury niestabilny jednoniciowy RNA (ssRNA) lub ssRNA ligowany przez łącznik DNA, powinny być przeprowadzane bez zbędnych przerw. Hydroliza RNA (Figura 1; krok 6) przy użyciu mocnej zasady w wysokiej temperaturze jest bardzo skuteczna w trawieniu matryc RNA po odwrotnej transkrypcji19. Należy jednak zachować ostrożność, aby uniknąć długotrwałego narażenia próbki na działanie mocnej zasady i opóźnionej neutralizacji mocnym kwasem, zwłaszcza w przypadku dużej liczby próbek. Ogólnie rzecz biorąc, zaleca się przygotowywanie wszystkich reakcji na lodzie i unikanie powtarzających się cykli zamrażania i rozmrażania dla produktów pośrednich biblioteki.

Próbkowanie półproduktów bibliotecznych w kluczowych punktach przepływu pracy jest zalecane w celu kontroli jakości i terminowego rozwiązywania problemów z procesem. Analiza próbek za pomocą zautomatyzowanych narzędzi do elektroforezy może określić sukces i skuteczność ligacji łącznika (Rysunek 1; kroki 2 i 7). Wizualizacja lokalizacji indeksowanych produktów cDNA po dodaniu starterów sekwencjonowania metodą PCR (Figura 1; krok 9) za pomocą elektroforezy w żelu agarozowym może pomóc w ocenie adekwatności cykli PCR, a także w identyfikacji możliwej degradacji próbek i / lub obecności dimerów starterów. Startery do PCR i sekwencjonowania mogą zostać przeprojektowane tak, aby były kompatybilne z platformą sekwencjonowania operatora, która jest przedmiotem zainteresowania.

Częściowo ze względu na odrębne projekty związane z przygotowaniem biblioteki, potok analizy danych AQRNA-seq został zbudowany głównie z niestandardowych skryptów, zawierających tylko kilka istniejących programów bioinformatycznych. Jednak do wyrównywania odczytów sekwencji względem biblioteki sekwencji referencyjnych zastosowano narzędzie Basic Local Alignment Search Tool (BLAST)20 ze względu na jego różne mocne strony, które zaspokajają specyficzne potrzeby analizy danych AQRNA-seq. Należą do nich (i) zdolność do wyrównywania odczytów krótszych niż 20 pz i wykonywania wyrównań podciągów, (ii) rozsądna obsługa niejednoznacznych podstaw (N), (iii) nieco wyższa dokładność wyrównania oraz (iv) informacyjne dane wyjściowe dostarczające istotnych szczegółów, takich jak niezgodności i luki, co sprzyja różnorodnym analizom na dalszych etapach.

Warto zauważyć, że zarówno w procesie przygotowywania bibliotek, jak i w procesie analizy danych AQRNA-seq pozostaje kilka wyzwań projektowych, które wymagają dalszych optymalizacji i stanowią główny cel obecnych prac. Po pierwsze, lepsza dokładność ilościowa AQRNA-seq w porównaniu z konwencjonalnymi metodami sekwencjonowania RNA została osiągnięta przy 50-75 ng małego wejścia RNA, podczas gdy przepływ pracy jest obecnie testowany ze zmniejszonymi ilościami wejściowych RNA w celu zwiększenia jego czułości i z dłuższymi RNA, aby rozszerzyć jego użyteczność. Po drugie, chociaż metylacja potranskrypcyjna jest usuwana enzymatycznie za pomocą AlkB, istnieją inne modyfikacje RNA, które mogą powodować spadek polimerazy podczas odwrotnej transkrypcji10. Może to prowadzić do sztucznie skróconych produktów cDNA, których nie można skutecznie odróżnić od biologicznie znaczącej degradacji 5' pełnowymiarowych tRNA. W związku z tym obecnie ocenianych jest kilka możliwych sposobów dalszej poprawy procesywności odwrotnej transkryptazy pod kątem skuteczności i kompatybilności z AQRNA-seq. Po trzecie, usuwanie dimerów starterów poprzez ekstrakcję i oczyszczanie żelu jest nieefektywne i niezmiennie powoduje utratę docelowych fragmentów i zwiększoną zmienność między bibliotekami. W związku z tym ograniczenie potencjalnego przenoszenia dimerów starterów bez utraty docelowych fragmentów stanowi okazję do dalszego zwiększenia czułości i dokładności ilościowej sekwencji AQRNA. Co ważne, zarówno obróbka AlkB, jak i ekstrakcja i oczyszczanie żelu są pracochłonne, co czyni je nieoptymalnymi do przetwarzania dużej liczby próbek. Dzięki ulepszeniom osiągniętym w powyższych obszarach, automatyzacja i wysokowydajne przetwarzanie metody AQRNA-seq stanie się w przyszłości możliwe. Ciągłe udoskonalanie potoku analizy danych nadaje priorytet poprawie wydajności, dokładności ilościowej i elastyczności. Podczas gdy obecny potok skutecznie przycina adaptery 3' z odczytów sekwencji, podzbiór odczytów posiada również sekwencje adapterów 5', prawdopodobnie z powodu nieodpowiedniego blokowania końca łączników 3' podczas ligacji. Obecność sekwencji adapterów 5' może zagrozić dokładności ilościowej poprzez zakłócenie wyrównania odczytu sekwencji. W związku z tym odpowiednie usunięcie sekwencji adapterów 3' i 5' będzie gwarantowane dzięki zastosowaniu dodatkowych narzędzi do przycinania adapterów, takich jak Cutadapt21. Aby zwiększyć wydajność, zmodernizowany potok zintegruje racjonalne strategie skracania czasu obliczeniowego. Obejmuje to sparowany krok zestawu odczytu końcowego w celu scalenia odczytów do przodu i do tyłu poprzez zidentyfikowanie znacznego nakładania się i wyodrębnienie unikalnych sekwencji wraz z ich wystąpieniami w każdej bibliotece. Oczekuje się, że takie strategie znacznie skrócą czas obliczeń końcowych poprzez uniknięcie nadmiarowej analizy (i) odczytów z obu kierunków oraz (ii) zduplikowanych sekwencji, które mogą zdominować pulę odczytu sekwencji w bibliotekach AQRNA-seq. Idąc dalej, synergiczna optymalizacja zarówno procesu przygotowywania biblioteki, jak i procesu analizy danych AQRNA-seq prawdopodobnie otworzy różnorodne możliwości w rygorystycznym badaniu ilościowym wszystkich form RNA (np. transkryptomu, fragmentów tRNA i rzadkich gatunków RNA, takich jak krążące RNA guza), mapowaniu modyfikacji tRNA i innych kluczowych obszarach biologii biomarkerów i odkryć.

Oświadczenia

P.C.D. jest wynalazcą dwóch patentów (PCT/US2019/013714, US 2019/0284624 A1) związanych z opublikowaną pracą.

Podziękowania

Autorzy niniejszej pracy są wdzięczni autorom oryginalnego artykułu opisującego technologię AQRNA-seq7. Prace te były wspierane przez granty z National Institutes of Health (ES002109, AG063341, ES031576, ES031529, ES026856) oraz National Research Foundation of Singapore za pośrednictwem Singapore-MIT Alliance for Research and Technology Antimicrobial Resistance IRG.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
2-ketoglutaran Sigma-Aldrich75890Przygotować roztwór roboczy (1 M) i przechowywać go w temperaturze -20º C
2100 BioanalizatorAgilentG2938C
5'-trifosforan adenozyny (ATP) New England BiolabsM0437M (składnik #: N0437AVIAL)NEB M0437M zawiera ligazę T4 RNA 1 (30 U/μ L), bufor reakcyjny ligazy RNA T4 (10X), PEG 8000 (1X) i ATP (100 mM); przygotować roztwór roboczy (10 mM) i przechowywać go w temperaturze -20º C
AGAROZA GPG/LEAmericanBioAB00972-00500Przechowywać w temperaturze otoczenia
Sześciowodny siarczan amonu żelaza(II)Sigma-AldrichF2262Przygotować roztwór roboczy (0,25 M) i przechowywać go w temperaturze -20 stopni; C
Bioanalyzer Analiza małego RNAAgilent5067-1548 Analiza małego RNA służy do sprawdzania jakości wejściowych RNA i wydajności reakcji enzymatycznych (np. ligacja Linker 1)
Albumina surowicy bydlęcej (BSA; 10 mg/ml) New England BiolabsB9000Ten produkt został wycofany z produkcji 15.12.2022 r. i został zastąpiony albuminą rekombinowaną, klasy biologii molekularnej (NEB B9200).
Chloroform Macron Fine Chemicals4441-10
Demetylaza ArrayStarAS-FS-004jest dostarczana z obróbką wstępną tRNA rtStar i Zestaw do syntezy pierwszej nici cDNA (AS-FS-004)
Mieszanina roztworów deoksynukleotydów (dNTP)New England BiolabsN0447L (składnik #: N0447LVIAL)Ta mieszanina roztworów dNTP zawiera równomolowe stężenia dATP, dCTP, dGTP i dTTP (po 10 mM)
Cyfrowy podwójny blok grzewczyVWR Scientific Products13259-052Blok grzewczy jest używany z QIAquick  Zestaw do ekstrakcji żelu 
Barwnik Ex  Zestaw wirowania 2.0 Qiagen63204 Skuteczny w usuwaniu krótkich pozostałości (np. oligonukleotydów o długości mniejszej niż 10 pz)
Zasilanie do elektroforezyBio-RadPowerPac 300
Eppendorf PCR (0,5 ml)Probówki Eppendorf0030124537
Eppendorf Safe-Lock (0,5 ml)Probówki Eppendorf022363611
Eppendorf Safe-Lock (1,5 ml)Probówki Eppendorf022363204
Eppendorf Safe-Lock (2 ml)Eppendorf022363352
Alkohol etylowy (etanol), czystySigma-AldrichE7023 Czysty etanol jest używany z zestawem Oligo Clean and Concentrator Kit firmy Zymo Research
Gel Imaging SystemAlpha InnotechFluorChem 8900
Gel Loading Dye, fioletowy (6X), bez SDSNew England BiolabsN0556S (składnik #: B7025SVIAL)NEB N0556S zawiera Quick-Load Purple 50 bp DNA Ladder i Gel Loading Dye, fioletowy (6X), bez SDS
GENESYS 180 Spektrofotometr UV-VisThermo Fisher Scientific840-309000Spektrofotometr służy do pomiaru stężeń oligonukleotydów przy użyciu prawa Beera
HEPESSigma-AldrichH4034Przygotować roztwór roboczy (1 M; pH = 8 z NaOH) i przechowywać go w temperaturze -20 & stopni; C
Kwas solny (HCl) Produkty naukowe VWRBDH3028 Przygotować roztwór roboczy (5 M) i przechowywać go w temperaturze otoczenia
Alkohol izopropylowy (Isopropanol), czystyMacron Fine Chemicals3032-16Izopropanol jest używany z QIAquick  Zestaw do ekstrakcji żelu 
Kwas L-askorbinowySigma-AldrichA5960Przygotować roztwór roboczy (0,5 M) i przechowywać go w temperaturze -20º C
MikrowirówkaEppendorf5415D
NanoDrop 2000 SpektrofotometrThermo Fisher ScientificND-2000
NEBuffer 2 (10X)New England BiolabsM0264L (składnik #: B7002SVIAL)NEB M0264L zawiera RecJf (30 U/μ L) oraz NEBuffer 2 (10X); Przechowywać w temperaturze -20 & C
Woda wolna od nukleaz (nie poddawana działaniu DEPC)Thermo Fisher ScientificAM9938 
Oligo Czysty & Zestaw koncentratora Badania ZymoD4061 Przechowywać w temperaturze otoczenia
PEG 8000 (50% roztwór) New England BiolabsM0437M (składnik #: B1004SVIAL)NEB M0437M zawiera ligazę T4 RNA 1 (30 U/μ L), bufor reakcyjny ligazy RNA T4 (10X), PEG 8000 (1X) i ATP (100 mM); przygotować roztwór roboczy (10 mM) i przechowywać go w temperaturze -20º C
Peltier Thermal CyclerMJ ResearchPTC-200
Fenol:choloroform:izoamyl  alkohol 25:24:1 pH = 5,2 Thermo Fisher ScientificJ62336 
Bufor PrimeScript (5X)TaKaRa2680A 
Odwrotna transkryptazaPrimeScript TaKaRa2680A 
QIAszybki  Zestaw do ekstrakcji żelu Qiagen28704Ten zestaw wymaga bloku grzewczego i izopropanolu do pracy z
Quick-Load Purple 100 bp DNA LadderNew England BiolabsN0551S (składnik #: N0551SVIAL)
Quick-Load Purple 50 bp DNA LadderNew England BiolabsN0556S (składnik #: N0556SVIAL)NEB N0556S zawiera Quick-Load Purple 50 bp DNA Ladder i Gel Loading Dye, fioletowy (6X), bez SDS
RecJf  (30 U/μ L) New England BiolabsM0264L (składnik #: M0264LVIAL)NEB M0264L zawiera RecJf (30 U/μ L) oraz NEBuffer 2 (10X); Przechowywać w temperaturze -20 &
Inhibitor RNazy C (mysi; 40 U/μ L) Nowa Anglia BiolabsM0314L ( składnik #: M0314LVIAL)Przechowywać w temperaturze -20 stopni; C
SeqAMP  Polimeraza DNA TaKaRa638509 TaKaRa 638509 zawiera SeqAMP  Polimeraza DNA  oraz SeqAMP  Bufor PCR (2X)
SeqAMP  Bufor PCR (2X) TaKaRa638509 TaKaRa 638509 zawiera SeqAMP  Polimeraza DNA  oraz SeqAMP  Bufor PCR (2X)
Fosfataza alkaliczna krewetek (1 U/μ L) New England BiolabsM0371L ( składnik #: M0371LVIAL)
Wodorotlenek sodu (NaOH)Sigma-Aldrich  S5881Przygotować roztwór roboczy (5 M) i przechowywać go w temperaturze otoczenia
Ligaza DNA T4 (400 U/μ L) Nowa Anglia BiolabsM0202L ( składnik #: M0202LVIAL)NEBM0202L zawiera ligazę DNA T4 (400 U/μ L) i bufor reakcyjny ligazy DNA T4 (10X)
Bufor reakcyjny ligazy DNA T4 (10X) Nowa Anglia BiolabsM0202L ( składnik #: B0202SVIAL)NEBM0202L zawiera ligazę DNA T4 (400 U/μ L) i bufor reakcyjny ligazy DNA T4 (10X)
Ligaza RNA T4 1 (30 U /μ L) New England BiolabsM0437M (składnik #: M0437MVIAL)NEB M0437M zawiera ligazę RNA T4 1 (30 U/μ L), bufor reakcyjny ligazy RNA T4 (10X), PEG 8000 (1X) i ATP (100 mM)
Bufor reakcyjny ligazy RNA T4 (10X) New England BiolabsM0437M (składnik #: B0216SVIAL)NEB M0437M zawiera ligazę T4 RNA 1 (30 U/μ L), bufor reakcyjny ligazy RNA T4 (10X), PEG 8000 (1X) i ATP (100 mM)
Demetylaza Probówki

Bibliografia

  1. Byron, S. A., Van Keuren-Jensen, K. R., Engelthaler, D. M., Carpten, J. D., Craig, D. W. Translating RNA sequencing into clinical diagnostics: opportunities and challenges. Nat Rev Gen. 17 (5), 257-271 (2016).
  2. Grillone, K., et al. Non-coding RNAs in cancer: platforms and strategies for investigating the genomic "dark matter.". J Exp Clin Cancer Res. 39 (1), 117(2020).
  3. Hwang, B., Lee, J. H., Bang, D. Single-cell RNA sequencing technologies and bioinformatics pipelines. Exp Mol Med. 50 (8), 1-14 (2018).
  4. Goh, J. J. L., et al. Highly specific multiplexed RNA imaging in tissues with split-FISH. Nat Methods. 17 (7), 689-693 (2020).
  5. Moses, L., Pachter, L. Museum of spatial transcriptomics. Nat Methods. 19 (5), 534-546 (2022).
  6. Cummings, B. B., et al. Improving genetic diagnosis in Mendelian disease with transcriptome sequencing. Sci Transl Med. 9 (386), 5209(2017).
  7. Hu, J. F., et al. Quantitative mapping of the cellular small RNA landscape with AQRNA-seq. Nat Biotech. 39 (8), 978-988 (2021).
  8. Alon, S., et al. Barcoding bias in high-throughput multiplex sequencing of miRNA. Genome Res. 21 (9), 1506-1511 (2011).
  9. Fuchs, R. T., Sun, Z., Zhuang, F., Robb, G. B. Bias in ligation-based small RNA sequencing library construction is determined by adaptor and RNA structure. PLoS One. 10 (5), e0126049(2015).
  10. Pang, Y. L. J., Abo, R., Levine, S. S., Dedon, P. C. Diverse cell stresses induce unique patterns of tRNA up- and down-regulation: tRNA-seq for quantifying changes in tRNA copy number. Nuc Acids Res. 42 (22), e170(2014).
  11. Machnicka, M. A., Olchowik, A., Grosjean, H., Bujnicki, J. M. Distribution and frequencies of post-transcriptional modifications in tRNAs. RNA Biol. 11 (12), 1619-1629 (2014).
  12. Li, F., et al. Regulatory impact of RNA secondary structure across the Arabidopsis transcriptome. Plant Cell. 24 (11), 4346-4359 (2012).
  13. García-Nieto, P. E., Wang, B., Fraser, H. B. Transcriptome diversity is a systematic source of variation in RNA-sequencing data. PLOS Comput Biol. 18 (3), e1009939(2022).
  14. FASTQC: a quality control tool for high throughput sequence data. , Available from: https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/ (2010).
  15. Chen, S., Zhou, Y., Chen, Y., Gu, J. Fastp: an ultra-fast all-in-one FASTQ preprocessor. Bioinformatics. 34 (17), i884-i890 (2018).
  16. Love, M. I., Huber, W., Anders, S. Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2. Genome Biol. 15 (12), 550(2014).
  17. R Core Team. R: a language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. , Vienna, Austria. (2022).
  18. Ougland, R., et al. AlkB restores the biological function of mRNA and tRNA inactivated by chemical methylation. Mol Cell. 16 (1), 107-116 (2004).
  19. Bernhardt, H. S., Tate, W. P. Primordial soup or vinaigrette: did the RNA world evolve at acidic pH. Biol Direct. 7, 4(2012).
  20. Altschul, S. F., Gish, W., Miller, W., Myers, E. W., Lipman, D. J. Basic local alignment search tool. J Mol Biol. 215 (3), 403-410 (1990).
  21. Martin, M. Cutadapt removes adapter sequences from high-throughput sequencing reads. EMBnet. J. 17 (1), 10-12 (2011).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Ilo ciowe oznaczanie ma ych RNAmodyfikacje tRNAprzygotowanie bibliotekiodwrotna transkrypcjaelektroforeza w elururoci g bioinformatycznytranslacja bia ekmapowanie mikroRNAekstrakcja fenolowo chloroformowa
AQRNA-seq do ilościowego oznaczania małych RNA
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.