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Biology

Polysom​​e 프로파일에 의한 스트레스 조건에서 번역 개시 분석

Published: May 19, 2014 doi: 10.3791/51164
* These authors contributed equally

Summary

여기, 우리는 조건을 강조하는 응답 진핵 세포의 mRNA의 번역 개시의 변화를 분석하는 방법을 설명합니다. 이 방법은 비 번역 리보솜에서 리보솜을 번역 자당 기울기의 속도 분리에 근거한다.

Abstract

mRNA의 번역의 정확한 제어는 특히 생리 학적 및 병리학 적 스트레스에 대한 응답으로, 진핵 세포의 항상성을 위해 필수적입니다. 이 프로그램의 변경은 암 발달의 특징, 또는 신경 퇴행성 질환에서와 같이 조기 세포의 죽음에 손상된 세포의 성장으로 이어질 수 있습니다. 병진 제어를위한 분자 기초 관련된 알려진 정보의 대부분은 밀도 구배 분별 시스템을 사용 polysom​​e 분석으로부터 수득되었다. 이 기술은 선형 자당 기울기에 세포질 추출물을 원심 분리에 의존합니다. 스핀이 완료되면, 시스템은 다른 번역에 대응하는 원심 분리 영역 분별하고 정량화 따라서 polysom​​e 프로파일의 결과 인구 리보솜 허용한다. polysom​​e 프로파일의 변화는 스트레스의 여러 유형에 대한 응답으로 발생 번역 개시의 변화 또는 결함을 나타내는 수 있습니다. 이 기술은 또한 일을 평가 할 수 있습니다전자 번역 개시에 특정 단백질의 역할, 특정의 mRNA의 번역 활동을 측정 할 수 있습니다. 여기에서 우리는 정상 또는 스트레스도 성장​​ 조건에서 진핵 세포와 조직의 번역 개시를 평가하기 위해 polysom​​e 프로파일을 수행하기 위해 프로토콜을 설명합니다.

Introduction

진핵 세포는 지속적으로 빠른 적응 세포 반응을 필요 유해한 생리 학적 및 환경 스트레스 조건의 범위를 발생. 세포 스트레스 반응은 안티 - 생존과 프로 생존 행동 요인 사이의 정확한 균형을 포함한다. 이 균형을 방해하는 것은 암과 신경 퇴행성 질환 등 인간의 병리의 개발을 선도하는 돌이킬 수없는 결과를 초래할 수 있습니다. 스트레스 반응의 제 1 단계를 실시하는 동안, 세포는 mRNA의 번역 수준에서의 유전자 발현의 변화의 조정 제어를 포함하는 계의 생존 경로를 활성화.

진핵 생물의 mRNA의 번역은 번역 개시 인자 (EIFS), 특정 RNA 결합 단백질 (RBDS), 그리고 RNA 분자에서 1 사이의 조정의 상호 작용을 포함하는 복잡한 세포 과정이다. 개시, 신장, 및 종료 : mRNA의 번역은 세 가지 단계로 구분된다. 모두 3 단계 REGU 대상이지만병진 제어 메커니즘 따라서이 단백질 합성의 속도 - 제한 단계를 구성하는 대부분의 번역 개시 위상을 표적 곡선 띠의 외곽에 있음을 주목 메커니즘.

번역 개시 내가 사전 개시 복합체의 형성에 선도적 인, 삼원 복잡하고 40S 리보솜 서브 유닛에 그 이후의 바인딩을 만난 eIF2a.GTP.Met-tRNA의 형성으로 시작하는 높은 주문 프로세스입니다. 다음 단계는 그러한 eIF4F eIF3와 같은 번역 개시 인자의 활성을 수반의 mRNA에 preinitiation 착체의 채용이다. 이렇게 형성된 48S preinitiation 단지는 AUG 개시 코돈을 인식 할 때까지의 mRNA의 5'-비 번역 영역을 스캔을 시작하기 위해이 기계를 가능하게 특정 구조적 변화를 겪는다. 번역 개시 인자의 대부분이어서 해제되고 60S 소단위가 80S을 형성하도록 채용되어 리보솜 복합체 번역, 관할t 어떤 점 단백질 합성의 시작 (그림 1). 상세 한 80S보다 monosome는 소위 polysom​​es (또는 폴리 리보솜)의 제조시에 동일의 mRNA를 번역 할 수있다. 의 mRNA에 polysom​​es의 밀도는 개시, 신장 및 종료 속도를 반영하고, 따라서 특정 성적 증명서의 번역 가능성의 척도이다. 그러나 polysom​​e 프로필은 주로 개시 단계에서 mRNA의 번역의 변화를 평가하는 데 사용됩니다. 여기에서 우리는 번역 개시 억제제와 같은 프로 테아 좀 억제제를 사용했습니다. 이 약물을 가진 암 세포의 치료는 번역 개시 인자 eIF2a 3 인산화 HRI라는 스트레스 키나아제의 활성화에 의해 특징 스트레스 반응을 유도한다. eIF2a의 인산화는 포유 동물 세포 4의 번역 개시의 억제로 이어지는 주요 행사 중 하나입니다.

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Protocol

프로토콜 지침을 따른다 라발의 윤리 심사위원회의 승인을.

1. 세포 배양의 준비 및 뇌 조작

  1. 포유류와 초파리 세포
    1. 미국 타입 컬쳐 컬렉션에서 권장하는 헬라에게 자궁 경부암 세포와 슈나이더 초파리 배아 세포를 성장. 낮은 통로에서 세포와 함께 작동합니다.
    2. 80 % 합류에게 실험 일에 도달하기 위해 플레이트 세포. 최상의 결과를 위해, 각각의 실험 조건에 대한 세포의 ~ 12 × 10 6를 사용합니다. polysom​​e 분석을 위해 추출을하기 전에 적어도 90 분 동안 신선한 완전 배지를 추가하여 변환을 자극한다.
  2. 뇌의 분리 : 생후 9, 16 일 사이에서 나이 든 쥐에서 뇌를 분리합니다. 안락사는 마취 및 자궁 경부 탈구 후 CO 2 흡입을 포함한다. 희생에 따라, 전체 뇌와 어느 장소를 격리 나T -80 ° C에서 직접 즉시 사용할 차가운 PBS 1X로 전송합니다.

2. 밀도의 준비 그라데이션 분별 시스템

  1. 5 분 동안 0.1 % SDS와 튜브 시스템을 씻으십시오.
  2. DEPC의 물로 세척하기 전에 5 분 동안 RNaseZAP 용액으로 한 후, 5 분 동안 70 % 에탄올로 튜브 시스템을 씻는다.
  3. 장치의 배관 시스템을 건조시키기 위해 공기 펌프.

자당 그라디언트의 3. 준비

  1. 20 mM 트리스 - 염산의 pH 7.4, 1.25 mM의 MgCl2를 2, 150 밀리미터의 NaCl, 1 mM의 DTT의 15 % 및 55 % 자당 솔루션을합니다.
  2. 생성 제조자의 지시에 의해 설명 된 것처럼 이전시키면서 ISCO 모델 160 구배를 사용하여 선형 15-55% 자당 구배. 그러나, 그라디언트 기포 나 난류의 생성을 방지하기 위해 잘 TRIS 연동 펌프 속도를 제어하는​​ 것이 중요하다. 사용할 때까지 4 ° C에서 그라디언트를 유지합니다.
  3. 그라데이션 메이커 프로그램이 실행되는 시간 동안 4 ° C.에 초 원심 분리기를 냉각

4. 셀의 제조 및 마우스 뇌 추출물

  1. 세포 추출물의 제조
    1. 얼음과 세척 세포에 장소 접시 (들)은 차가운 PBS 1X로 3 배.
    2. 수확 세포의 pH 7.4, 1.25 mM의 MgCl2를 2, 150 밀리미터의 NaCl, 1 mM의 DTT, 1 % Nonidet의 P40, 5 U / ㎖의 RNase 억제제, 보충에 1 ㎖의 용해 완충액 (20 mM 트리스 - 염산에 (~ 12 × 10 6) 완전한 미니 EDTA없는 프로테아제 억제제 칵테일 정제), 에펜 도르프 튜브로 전송하고, 1CC의 U100 인슐린 주사기 28 G 1 / 2를 통해 그들에게 15 배를 전달하여 잘 섞는다. 세포 용 해물을 15 분 동안 얼음 위에서 쉬게.
    3. 10X 대물 렌즈를 이용하여 위상차 현미경으로 관찰하여 세포 용해를 평가하기 위해 슬라이드에 세포 용 해물의 몇 방울을 넣어. 만 핵은 볼 수 있어야 더 세포막은 세포 용해 볼 증명 없어야합니다. 컨트롤로 관찰unlysed 세포.
    4. 4 ° C에서 20 분 동안 11,000 XG에서 원심 분리하여 세포 용 해물을 명확히하고 폴리 리보솜을 포함하는 수용성 해물을 유지합니다.
  2. 마우스 뇌 추출물의 제조
    1. 용해 완충액 2 ㎖와 얼음처럼 차가운 다운스 균질 10 스트로크에 의해 전체 격리 된 뇌 (~ 500 mg)을 균질화하고 4 ℃에서 15 분 동안 11,000 XG에서 원심 분리하여 균질을 명확히
    2. 50 % 자당의 쿠션에 상층 액을 넣고 4 ℃에서 TH-641 초 원심 분리기의 회 전자를 사용하여 200,000 XG에서 2 시간 동안 침전 진행
    3. 용해 완충액 1 ㎖에서 폴리 리보솜을 포함하는 반투명 펠렛을 재현 탁하고 위아래로 피펫 팅하여 잘 혼합한다. 그라디언트에로드하기 전에 30 분 동안 얼음에 서스펜션 나머지를 보자.

5. 자당 그라디언트 및 초 원심 분리에 압축을 풉니 다 넣기

  1. 농도를 측정분광 광도계를 사용하여 세포질 추출물에 존재하는 RNA의. 조심스럽게 천천히 15 % ~ 55 %의 자당 기울기에 ~ 추출물의 20 OD 260 단위를로드합니다. 사용 가능한 공간이 2 ~ 3 MM은 원심 분리하는 동안 튜브를 넘쳐 방지하기 위해 튜브의 표면에가 있는지 확인합니다.
  2. 4 ℃에서 TH-641 초 원심 분리기의 회 전자를 사용하여 230,000 XG에서 2 시간 30 분 동안 초 원심 분리기를 사용하여 그라데이션을 원심 분리기 원심 분리가 종료되면 튜브를 제거하고 그라디언트를 방해하지 조심스럽게 얼음에 배치합니다.

Polysom​​es 프로파일에 대한 세포질 추출물 6. 분별

  1. 제조자에 의해 설명 된대로 (0.5 ML 각) 자동화 밀도 분별 시스템에 자당의 그라디언트를 놓고 분수를 자동으로 분류 및 수집을 진행합니다.
  2. 254 nm에서 흡광도를 지속적으로 모니터링하여 개별 에펜 도르프 튜브에 각 분획 (~ 500 μL)를 수집합니다. parall에서구배 분별 작업의 엘은 polyribosomal 프로파일 차트 용지에 편집한다. 대안 적으로, polysom​​e 프로파일의 전자 수집을받는 차트 레코더 부속 데이터 획득 유닛을 사용한다.
  3. 각 실행의 끝에서, 드라이 아이스에 수집 Eppendorfs을 전송합니다. 이 때, 저장소 중 하나는 -80 ° C에서 분수를 수집 또는 다음과 같이 직접 단백질-RNA 복합체를 침전.

7. 단백질 추출 및 분석

  1. 자당 기울기의 수집 된 각 부분에, 100 % 냉 에탄올의 2 볼륨을 추가하고 RNA-단백질 복합체가 -20 ° C 하룻밤에 침전 수 있습니다.
  2. 원심 분리기는 4 ° C에서 20 분 동안 11,000 XG에 각 RNA-단백질 침전물을 70 % 에탄올로 세척한다. 건조하고 (도 2 참조) 특정 항체를 이용하여 웨스턴 블롯을 진행하기 전에 SDS-PAGE 샘플 버퍼에 침전물을 재현 탁.

8. RNA 추출 및(분석)

  1. 7.1 절에서와 같이 RNA-단백질 복합체를 침전. SDS 0.1 %를 함유하는 용해 완충액에 각 RNA-단백질 침전물을 재현 탁. 55 ° C의 물을 욕조에 30 분 동안 2 ㎎ / ㎖ 테 K와 침전물의 단백질 성분을 소화.
  2. "클로로 페놀", 클로로포름 2 볼륨, 2 M의 NaOAc의 pH를 4 0.1 볼륨과 20 분 동안 4 ° C에서 10,000 XG에서 원심 분리의 1 볼륨을 추가하여 침전물의 RNA 구성 요소의 압축을 풉니 다. 이소프로판올 1 볼륨과 글리코겐의 0.2 ㎍ / μL를 추가하여 -20 ° C에서 하룻밤 각 샘플의 결과 수성 단계에서 RNA 침전물. 4 ℃에서 10,000 XG에서 1 시간 동안 침전 스핀 70 % 차가운 에탄올로 RNA 펠렛을 씻으십시오.
  3. 이는 RNAse 무료로 물을 작은 볼륨으로 RNA 펠렛을 Resuspend. 양을 평가 품질 RNA의 분광 광도계를 사용하여.

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Representative Results

전술 한 바와 같이, polysome 프로필은 스트레스 조건 하에서 번역 개시의 변화의 분석. 한 이전 번역 개시 복합체의 정렬 어셈블리를 포함하는 다단계 공정되는 바와 같은 번역 개시의 개략적 인도 허용한다. 정상적인 성장 조건에서 번역 개시 복합체는 그 검출 polysome 프로파일에 의해 활성 번역 개시 (; 처리되지 않은 그림 2)에 대한 증명 폴리 리보솜으로 변환됩니다. 스트레스 조건에서하지만, 번역 개시는 80S monosomes의 축적과 polysome 피크의 감소 (, 프로 테아 좀 억제제 그림 2)의 결과로 차단됩니다.

그림 1
그림 1.의 번역 개시의 implified보기.   번역 개시는 몇 가지 단계를 포함한다 : 1) eIF2a.GTP.Met-tRNA의 형성은 내가 삼항 복잡한을 만난, 2) 40S와 삼원 복합체의 협회가 43S preinitiation 복합체를 형성하는 리보솜의 mRNA와 43S 복합체의 3) 협회 48S는 preinitiation 성형 단지, 도달 개시 8월 코돈을 식별하고, 48S에 큰 리보솜 소단위 60 년대의 5) 모집하는 시점에서 80 년대 복합체를 형성 할 때까지 4) 48S 리보솜에 의해 mRNA를 5'-비 번역 영역을 스캔 합성의 시작을 폴리펩티드. 번역 개시의 각 단계는 여러 가지 번역 개시 인자의 활동을 포함한다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

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. 그림 2 Polysomes 프로필과 polysomes의 분석은 HeLa 세포에서 서양 얼룩에 의해 단백질을 연결 (A - B). 세포질 추출물을 정상 상태 (A) 또는 4 시간 (B의 프로 테아 좀 억제제로 치료에 재배 된 HeLa 세포에서 제조 하였다 ) 및 15-55%의 V / W 선형 자당 기울기에 원심 분리. Polysom​​es 프로필은 상단 패널에 표시됩니다. 40S 리보솜, 60S 리보솜, 80S monosomes 및 polysom​​es의 위치는 각 프로필에 표시됩니다. 그라데이션의 바닥 (55 %)의 상단 (15 %)에서 분수가 왼쪽에서 오른쪽으로 표시됩니다. 분수는 큰 리보솜 L28 단백질에 대한 항체뿐만 아니라 polysome 무결성 5,6에 대한 제어 역할을 polysome 관련 단백질 FMRP과 수집 및 웨스턴 블롯 (아래 패널)에 의해 분석 하였다. 그 트레 참고프로 테아 좀 억제제 번역 개시의 억제를 나타내는 80S monosomes의 동반 증가로 polysom​​es 피크를 감소와 함께 atment. 슈나이더 초파리 세포 또는 쥐의 뇌에서 얻은 전형적인 프로파일은 다른 곳에서 7-10 설명 하였다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

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Discussion

수 크로스 구배에서 polysome 프로파일 분석은 세포 나 조직으로부터 분리 9,11-14 polysomes의 농도를 분석하여 번역 개시의 측정을 허용한다. 이 기술은 최고 접근 (없는 독특한 경우) 생체 내에서 번역 개시를 측정합니다. 이것은 세포주기 (15) 동안 세포를 성장의 병진 상태를 모니터링하고, 번역 개시에, 바이러스 감염, 저산소증 13,16, 방사선 (17), 화학 약물 요법에 사용되는 (18) 등의 스트레스의 다양한 유형의 효과를 평가하기 위해 사용된다. 이 기술은 세포 배양과 같은 뇌 및 간 같은 특정 조직의 번역 개시를 평가하기 위해 잘 작동하는 동안 그러나, 그것은 병든 조직 및 종양 대 정상의 번역 개시를 비교하는데 사용될 수있는 경우에 설립 될 남아있다.

polysom​​e 프로파일의 변화는 번역 연신율을 변경 조건에서 발생할 수 있습니다기 또는 종료. 종단의 억제가 컨트​​롤을 기준으로 큰 polysom​​es 발생한다 반면이 경우, 번역의 신장 속도의 억제는 polysom​​es 피크의 증가로 이어질 것입니다. 활성 번역 개시 복합체의 형성이 차단되기 때문에 대조적으로, 번역 개시의 억제제는 polysom​​es의 개혁을 방지합니다. 이것은 80S monosomes의 동반 증가 polysom​​es 피크의 감소에 의해 polysom​​es 프로파일에 반영됩니다. 번역 억제제는 번역 개시 착체 스톨이므로, 40S 및 60S 두 피크가 또한 증가 할 것으로 예상된다. 그러나, 아주 종종 80S monosomes의 증가는 번역 개시 억제에 관찰된다. 다른 리보솜 복합체의 증가가 관찰되지 않는 이유는 현재 알려져 있지 않다. 한 가지 가능한 설명은 정체 리보솜 복합체 사이의 뜻밖의 관계가 관찰의 축적으로 이어지는 추출하는 동안 발생할 수있는 일 수 있었다단지 80S monosomes의 기.

번역 개시의 분석 옆 polysom​​e 프로파일 기술 (예 : eIF4E에, eIF4A 및 eIF4G 등) 번역 개시 인자의 신원을 확인하고 새로운 번역 규제를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 번역 개시 인자가 마지막으로 번역 개시 단계에서 리보솜에서 출시되는, 그들은 리보솜의 분수를 번역에 감지되지 않습니다. 이러한 FMRP 14 SMN 19, 20, polysomes 비 polysomes 분수 모두와 TDRD3 21과 같은 단백질의 협회는 번역이 단백질의 규제 역할이 시작 단계에 제한되지 않았 음을 나타냅니다. polysom​​es와 단백질의 연결을 모니터링하면 스트레스 조건은 특정 단백질의 번역 활동에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지를 평가하기 위해 강력한 수단을 구성한다. 그러나, 그 자체로 polysom​​es있는 특정 단백질의 협회는 번역 ROL을 체결하기에 충분하지 않습니다E 후 기능적 연구에 의해 확인 될 필요가있다. 마지막으로, polysome 프로파일 기술은 다양한 조건에서 특정의 mRNA의 번역 활동을 결정하고, 이러한 miRNA의 매개 번역 억제 (22) 등의 번역을 조절하는 특정 메커니즘을 검사 할 수 있습니다. polysome 분석의 일반적인 사용은 더 게놈 전체의 마이크로 어레이 분석을 포함한 하류 다양한 응용 프로그램을 사용하여 확장 할 수 있으며 최근에는 사체 규모의 리보솜은 단백질 발현 및 더 중요한 것은 새로운 강력한 실험 도구를 제공하는 강력한 예측을 허용 23-26 프로파일 번역 제어 23-27의 분석.

어떤 방법과 마찬가지로,주의 사항 polysom​​e 프로파일 링을 수행하는 동안 촬영해야합니다. 이러한 관점에서, 이러한 세포의 통로, 세포 용해, 그라데이션에로드되는 세포 추출액의 양, 및 RNA 무결성 같은 여러 매개 변수 c를 확실히해야ontrolled. 원심 분리 조건의 최적화는 또한 자당 구배 통해 리보좀 인구 유용한 분리를 얻기 위해 요구된다. 자당과 세제로 그라데이션 및 용해 버퍼를 구성하는 구성 요소, 254 nm 파장에서 흡광도를 제공 할 수 있습니다. 그것은 단지 용해 완충액을 포함하는 제어 구배를 포함하는 것이 중요하다. 그라디언트의 최소한의 교란이 polysom​​es 프로파일에 큰 영향을 일으킬 수 있습니다 마지막으로, 그라데이션 자체는 신중하게 처리해야한다.

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Disclosures

저자가 공개하는 게 없다.

Acknowledgments

PA는 라발 대학의 의학부에서 장학금 "피에르 듀 런드"의 수상자이다. 이 작품은 polysom​​e의 분별이 RMR M 새로운 CIHR 조사 급여 상을 보유하고 혁신 보조금에 대한 캐나다 재단 (MOP - GF091050)를 통해 획득 한 RM은 캐나다 자연 과학 및 공학 연구위원회 (MOP - CG095386)에 의해 지원되었다.

우리는 박사 부부에게 감사의 말씀을 전합니다. 도움이 조언 E. Khandjian, I. Gallouzi, S. 디 마르코와 A. Cammas.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cells
HeLa cervical cancer cells American Type Culture Collection (Manassas, VA; ATCC) CCL-2
Schneider Drosophila embryonic cells American Type Culture Collection (Manassas, VA; ATCC) CRL-1963
Culture medium and Supplements
Schneider’s Drosophila Medium Sigma-Aldrich SO146-500ml  
DMEM Life technologies 11995-073  
FBS Fisher Scientist Scientist SH30396-03  
Penicillin/streptomycin Life technologies 15140122
Sucrose solutions
D-sucrose Fisher Scientist BP220-212  
Glycerol Sigma-Aldrich 49767  
Bromophenol blue Fisher Scientist B3925
Lysis buffer
Tris HCl Fisher Scientist BP153-500
MgCl2 Sigma-Aldrich M2670-100G
NaCl Tekniscience 3624-05  
DTT Sigma-Aldrich D 9779  
Nonidet P40 (Igepal CA-630 ) MJS Biolynx 19628  
SDS Tekniscience 4095-02  
RNase inhibitor (RnaseOUT Recombinant Ribonuclease Inhibitor) Life technologies 10777-019  
Antiproteases (complete, mini, EDTA free) Roche 11,836,170,001  
RNA Extraction
Proteinase K Life technologies AM2542  
Phenol:chloroform Fisher Scientist BP1754I-400  
Chloroform Fisher Scientist C298-500  
Glycogen Life technologies 10814-010  
Isopropanol Acros organics 327270010  
Antibodies
anti-FMRP antibody Fournier et al., Cancer Cell International, 2010  

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References

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세포 생물학 제 87 번역 개시 polysom​​e 프로필 자당 기울기 단백질 및 RNA 분리 스트레스 조건
Polysom​​e 프로파일에 의한 스트레스 조건에서 번역 개시 분석
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Coudert, L., Adjibade, P., Mazroui,More

Coudert, L., Adjibade, P., Mazroui, R. Analysis of Translation Initiation During Stress Conditions by Polysome Profiling. J. Vis. Exp. (87), e51164, doi:10.3791/51164 (2014).

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