RNA修饰在病毒感染中的作用才刚刚开始被探索,并可能突出新的病毒 – 宿主相互作用机制。在这项工作中,我们提供了一个管道来研究病毒感染背景下的m6A和m5C RNA修饰。
在过去几年中,RNA修饰在生物过程中的作用一直是越来越多的研究的重点,现在被称为表转录组学。其中,N6-甲基腺苷(m6A)和5-甲基胞嘧啶(m5C)RNA修饰已经在mRNA分子上被描述,并且可能在调节细胞过程中起作用。因此,表观转录组学是除转录组学分析之外还必须考虑的新调节层,因为它也可以通过暴露于任何化学或生物制剂(包括病毒感染)来改变或调节。
在这里,我们提出了一个工作流程,该工作流程允许在感染或未感染人类免疫缺陷病毒(HIV)的细胞中同时分析m6A和m5C标记的联合细胞和病毒表观转录组学景观。在从HIV感染和未感染的细胞中分离和片段化mRNA后,我们使用两种不同的程序:MeRIP-Seq,一种基于RNA免疫沉淀的技术,以富集含有m6A标记的RNA片段和BS-Seq,一种基于亚硫酸氢盐转化的技术,以单核苷酸分辨率鉴定m5C标记。在甲基化特异性捕获后,为高通量测序制备RNA文库。我们还开发了一个专用的生物信息学管道,以独立于其基础表达谱来鉴定差异甲基化(DM)转录本。
总体而言,该方法允许同时探索多个表观转录标记,并在病毒感染或任何其他细胞扰动时提供DM转录本的图谱。这种方法为识别新的参与者和细胞反应的新机制提供了新的机会,例如促进或限制病毒复制的细胞因子。
众所周知,RNA分子可以被修饰,迄今为止已经描述了150多种转录后修饰1。它们包括将化学基团(主要是甲基)添加到RNA分子的嘧啶和嘌呤环的几乎任何位置2。这种转录后修饰已被证明在转移RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)中具有高度富集性,并且最近在mRNA分子上也有描述。
新技术的兴起,如下一代测序(NGS),以及识别明确化学修饰的特异性抗体的产生,首次允许在转录组范围内研究特定化学修饰的位置和频率。这些进步使人们更好地理解了RNA修饰,并绘制了mRNA分子上的几种修饰3,4。
虽然表观遗传学研究了DNA和组蛋白修饰在转录组调控中的作用,但表转录组学以类似的方式关注RNA修饰及其作用。对表观转录组修饰的研究为突出可能调谐各种细胞过程(即RNA剪接,导出,稳定性和翻译)的新调节机制提供了新的机会5。因此,最近的研究发现细胞和病毒RNA中病毒感染的许多表观转录组修饰也就不足为奇了6。迄今为止研究的病毒包括DNA和RNA病毒;其中,艾滋病毒可以被视为一个开创性的例子。总而言之,在病毒感染的背景下发现RNA甲基化可能允许研究尚未描述的病毒表达或复制机制,从而提供新的工具和靶标来控制它们7。
在HIV表观转录组学领域,病毒转录本的修饰已被广泛研究,并表明这种修饰的存在有利于病毒复制8,9,10,11,12,13。迄今为止,可以使用各种技术在转录组范围内检测表观转录组标记。最常用的m6A鉴定技术依赖于免疫沉淀技术,如MeRIP-Seq和miCLIP。虽然MeRIP-Seq依靠RNA片段化来捕获含有甲基化残基的片段,但miCLIP基于RNA-antibody UV交联时产生α-m6A抗体特异性特征突变,从而实现更精确的映射。
m5C修饰的检测可以通过类似于m6A检测(m5C RIP)的基于抗体的技术来实现,也可以通过亚硫酸氢盐转化或AZA-IP或miCLIP来实现。Aza-IP和m5C miCLIP都使用特定的甲基转移酶作为诱饵,在通过RNA甲基化时靶向RNA。在Aza-IP中,靶细胞暴露于5-氮杂胞苷,导致胞苷类似物5-氮杂胞苷位点随机引入新生RNA中。在miCLIP中,NSun2甲基转移酶经过基因改造,具有C271A突变14,15。
在这项工作中,我们专注于以HIV为模型,对受感染细胞中m6A和m5C修饰的双重表征。经过方法学优化,我们开发了一种结合甲基化RNA免疫沉淀(MeRIP)和RNA亚硫酸氢盐转化(BS)的工作流程,允许在细胞和病毒环境中同时在转录组范围内探索m6A和m5C表观转录组组标记。该工作流程可以在细胞RNA提取物以及从病毒颗粒中分离的RNA上实施。
甲基化RNA免疫沉淀(MeRIP)16 方法允许在转录组范围内研究m6A,并且迄今为止已有一系列m6A特异性抗体17。该方法包括使用m6A特异性抗体选择性捕获含有m6A的RNA片段。该技术的两个主要缺点是(i)分辨率有限,高度依赖于RNA片段的大小,因此提供了包含甲基化残基的近似位置和区域,以及(ii)执行分析所需的大量材料。在下面的优化方案中,我们将片段大小标准化为约150 nt,并将起始物质的量从10μg聚A选择的RNA(目前建议的起始材料量)减少到仅1μg的聚A选择RNA。我们还通过与m6A肽的竞争方法进行洗脱,而不是使用基于苯酚的技术或蛋白酶K的更常规和更不具体的洗脱方法,最大限度地提高了与特异性抗体结合的m6A RNA片段的回收效率。然而,这种基于RIP的测定的主要局限性仍然是次优分辨率,不允许鉴定精确修饰的A核苷酸。
目前可以使用两种不同的方法对m5C标记进行分析:基于RIP的方法,具有m5C特异性抗体和RNA亚硫酸氢盐转化。由于RIP在甲基化残基鉴定方面仅提供有限的分辨率,因此我们使用亚硫酸氢盐转化,可以提供单核苷酸分辨率。RNA暴露于亚硫酸氢盐(BS)会导致胞嘧啶脱氨,从而将胞嘧啶残基转化为尿嘧啶。因此,在RNA亚硫酸氢盐转化反应过程中,每个非甲基化的胞嘧啶被脱氨并转化为尿嘧啶,而在5位的甲基的存在具有保护作用,防止BS诱导的脱氨并保留胞嘧啶残基。基于BS的方法允许以单碱基分辨率检测m5C修饰的核苷酸,并评估每个转录本的甲基化频率,从而深入了解m5C修饰动力学18。然而,该技术的主要局限性依赖于甲基化残基的假阳性率。事实上,BS转化对具有可接触C残基的单链RNA有效。然而,紧密RNA二级结构的存在可能会掩盖N5C位置并阻碍BS转化,导致非甲基化C残基不转化为U残基,从而出现假阳性。为了规避这个问题并最大限度地减少假阳性率,我们应用了3轮变性和亚硫酸氢盐转化循环19。我们还在样品中引入了2个对照,以估计亚硫酸氢盐转化效率:我们增加了ERCC测序对照(非甲基化标准化和市售序列)20 以及聚A-耗尽RNA,以评估亚硫酸氢盐转化率,并通过RT-PCR验证是否存在已知且保守的甲基化位点C4447, 另一方面,在28S核糖体RNA上21。
在病毒学领域,将这两种表观转录组学研究方法与下一代测序和准确的生物信息学分析相结合,可以深入研究m6A和m5C动力学(即,病毒感染时可能发生的RNA修饰时间变化,并且可以发现一系列新的治疗相关靶点供临床使用)。
RNA修饰在病毒感染中的作用在很大程度上仍然是未知的。更好地了解表观转录组修饰在病毒感染中的作用可能有助于寻找新的抗病毒治疗靶点。
在这项工作中,我们提供了一个完整的工作流程,可以研究受感染细胞的m6A和m5C表观转录组。根据生物学问题,我们建议使用聚A选择的RNA作为起始材料。虽然是可选的,但由于管道可以与总RNA一起使用,但重要的是要记住,rRNA和小RNA都是高度修饰的,并且含有大量甲基化残基。这可能导致有意义的测序数据的质量和数量下降。
但是,如果研究的重点是非聚腺苷酸化RNA,则应调整RNA提取步骤,以避免丢弃小RNA(在基于柱的RNA提取的情况下),并优先使用核糖体消耗技术而不是poly-A选择进入管道。
为了确保高质量的RNA,正确的片段化以及合适的m6A富集和BS转化RNA质量用于文库制备,我们强烈建议使用片段分析仪或生物分析仪。但是,此设备并非始终可用。作为替代方案,RNA的质量,mRNA和片段RNA的大小也可以通过琼脂糖凝胶上的可视化来评估。或者,可以在不事先评估RNA数量的情况下进行文库制备。
我们使用基于抗体的MeRIP-Seq16技术来探索m6A表观转录组学景观。该技术基于RNA免疫沉淀,是成功的;但是,有些步骤需要仔细优化,并且可能很关键。虽然m6A甲基化被描述为主要发生在共识序列RRA * CH中,但该基序在mRNA分子上非常频繁,并且不允许精确鉴定甲基化位点。因此,实现可重复且一致的RNA片段化,产生小RNA片段,以提高基于RIP的分辨率至关重要。在该协议中,我们建议使用优化的程序,在我们的实验环境中提供可重复和一致的结果;但是,此碎片步骤可能需要根据特定的示例特征进行进一步优化。
最近描述了一种允许m6A直接测序的新技术。它基于使用特定的逆转录酶变体,这些变体表现出独特的RT特征,作为对遇到m6A RNA修饰的反应24。经过仔细优化,该技术可以规避MeRIP-Seq面临的主要限制(减少初始材料的数量并允许更高的分辨率)。为了探索m5C修饰,我们决定使用亚硫酸氢盐转化技术,以便在核苷酸分辨率下检测修饰的C残基。为了降低由于RNA二级结构的存在而导致的假阳性率,我们进行了3个变性/亚硫酸氢盐转化循环,并通过使用ERCC尖峰对照进一步控制亚硫酸氢盐转化率性能。与该技术相关的局限性之一是亚硫酸氢盐转化非常苛刻,三个变性/亚硫酸氢盐转化循环可能会降解某些RNA,从而降低分辨率。但是,在我们的设置中,我们选择采用可能略低的分辨率,以提高数据集的质量。
由于这些优化和对照,我们能够提供可靠和健全的工作流程,可以利用该工作流程来研究在病毒感染,宿主 – 病原体相互作用或任何暴露于特定治疗的背景下的表观转录组学景观及其改变。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了瑞士国家科学基金会的支持(赠款31003A_166412和314730_188877)。
AccuPrime Pfx SuperMix | Invitrogen | 12344-040 | |
anti-m6A antibody _Clone 17-3-4-1 | Millipore | MABE1006 | |
Chloroform | Merck | 67-66-3 | |
ERCC | Invitrogen | 4456740 | |
EZ RNA Methylation Kit | Zymo Research | EZR5001 | |
Fragment analyzer RNA Kit – HS RNA Kit | Agilent | DNF-472-0500 | |
Fragment analyzer RNA Kit – RNA Kit | Agilent | DNF-471-0500 | |
High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Applied Biosystem | 4368814 | |
Illumina TruSeq Stranded mRNA | Illumina | 20020594 | |
Magnetic Beads A/G Blend | Merck | 16-663 | |
N6-Methyladenosine, 5′-monophosphate sodium salt (m6A) | Sigma Aldrich | M2780-10MG | |
Normal Mouse IgG | Merk | 12371 | |
Oligo(dT)25 | Life Technologies | 61005, | |
PCRapace | Stratec | 1020220300 | |
Quick RNA Viral Kit | Zymo Research | 1034 | |
RNA Clean & Concentrator | Zymo Research | R1015 | |
RNA Fragmentation Reagent | Ambion | AM8740 | |
RNase Inhibitor | Ambion | AM2684 | |
Trizol | TRIzol Reagent | 15596026 |