$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Hücre altı organizasyonu ve taşımanın hücresel süreçlere nasıl dahil olduğunu daha iyi incelemek için belirli subhücre bölmelerinden biyolojik örnekleri izole edebilen araçlara önemli ihtiyaç vardır. mRNA çevirisi bu sürecin önemli bir örneğidir: artan kanıtlar çevirinin oldukça bölümlenmiş olduğunu ve özellikle birçok mRNA'nın kodlanmış proteinlerinin bulunduğu organellerdelokalize olduğunu göstermektedir 1,2. Ancak, translasyon makinelerinin hücrealtı lokalizasyonu hakkında daha az bilgi vardır. Ribozomlar, ribozomal proteinlerden (RP'ler) ve ribozomal RNA'lardan (rRNA'lar) oluşan montajın başladığı çekirdek ve çekirdekte varlığına başlar. Daha sonra montajın son aşamaları için sitoplazmaya ihraç edilirler ve ardındanmRNA'lar 3,4'ü çevirmeye başlarlar. Kanonik çeviri siteleri arasında sitoplazma ve endoplazmik retikülüm bulunur; ikincisi, integral membran proteinleri ve zarla bağlı organeller veya ekstrahücre salgısı için tasarlanmış proteinlerinsentezlendiği yerdir 5. Daha yakın zamanda belirlenen lokal translasyon noktaları arasında mitokondri, peroksisom ve nöronalsüreçler 6,7,8,9,10,11,12 bulunmaktadır. İlginç bir şekilde, ribozom ile ilişkili proteinler, translasyon sonrası modifikasyonlar, rRNA modifikasyonları ve çekirdek ribozomal proteinlerin kanonik olmayan stoichiometrysi gibi translasyonel makine özelliklerinin, belirli mRNA'ların ve parametrelerin çevirisini yöneten düzenleyici mekanizmalarda rol aldığına dair kanıtlar ortaya çıkmaktadır; örneğin translasyon sadıklığı vehızı 13,14,15,16,17, 18,19,20. Örneğin, ribozomla etkileşime giren yüzlerce protein tespit edilmiştir ve bu proteinler subhücre ribozom bileşiminde farklılıklara yol açabilir13. Ancak, subhücresel ribozom popülasyonlarını izole etme teknikleri bugüne kadar sınırlı kalmıştır; Bu nedenle, çeviri makinelerinin bileşiminin lokalize mRNA çevirisini düzenlemeye nasıl katkıda bulunduğu hakkında çok şey bilinmemektedir. Özellikle memeli model sistemleriyle uyumlu olanlar, subhücresel ribozom popülasyonlarını izole etmek için çok yönlü yöntemlerin ortaya çıkışı, bu çeviri mekanizması özelliklerinin hücrealtı düzeyde keşfedilmesini mümkün kılacaktır.
Ribozom içeren subhücre fraksiyonlarının izole edilmesinin en erken yöntemleri, ardışık lizis ve santrifüjlemeprensiplerine dayanıyordu 21,22. Genellikle, bu yöntemler belirli organellerle sınırlıdır ve genellikle uzun işlem süreleri gerektirir. Daha yeni bir yöntem, özellikle AviTag peptidsubstratı 10,23,24'ü biyotinile eden biotin ligazı BirA'ya dayanmaktadır. BirA, ribozomların AviTag ile etiketlendiği hücrelerde ilgilenilen organelde genetik olarak lokalize edilebilir. Ancak, BirA, fizyolojik biotin konsantrasyonlarında aktif olduğundan, AviTag içerenribozomların (10,24) oluşturucu ve spesifik olmayan biyotinilasyonunu önlemek için hücrelerin biotin azalma koşullarında kültürlenmesi gereklidir. Bu, biotin tükenmesine duyarlı hücretiplerinde BirA kullanımını sınırlar. Son olarak, BioID, TurboID ve APEX26,27,28 gibi mühendislik enzimleri kullanan promiscuite biotinylasyon yöntemleri geliştirilmiştir. İndüksiyonda, bu enzimler enzimin yarıçapındaki lizin kalıntılarını kovalent olarak değiştiren reaktif bir biotin ara maddesi üretir. Promisküit biyotinilasyon yöntemleri, subhücre proteomlarını haritalamak için son derece faydalıdır, ancak lokalize ribozomların genel çevresindeki proteinleri onlara daha yakın proteinlerden ayırt etmek için daha az bilgilendiricidir.
Burada, subhücre ribozom popülasyonlarını etiketlemek ve izole etmek için geliştirdiğimiz AviTag-spesifik Konum Kısıtlı Aydınlatma-Güçlendirilmiş Biyotinilasyon (ALIBi) yöntemimizi gösteriyoruz. Bu yöntem, mavi ışık aydınlatması altında heterodimerize olan optogenetik geliştirilmiş Mıknatıs (eMag) anahtarlarına (Şekil 1A) entegre edilmiş mühendislik yapımı bölünmüş BirA'yıkullanır 29; ve FLAG epitopu, tütün etch virüsü (TEV) proteaz bölünme bölgesi ve AviTag (FTA) ile Rpl31 ribozomal proteinine birleşen bir peptid etiketi (Şekil 1B). Bölünmüş enzim, genetik olarak seçilmiş organellere hedeflenebilir, fizyolojik biotin konsantrasyonlarında inaktif olur ve mavi ışık ışığı ile ek biotin eklenmesiyle dakikalar içinde yeniden oluşturulabilir (Şekil 1C-E). Sonraki hücre lizisi, afinite arındırması ve TEV proteaz parçalanması yoluyla denatüre etmeyecek enzimatik elülasyonu, ribozomlar ve mRNA'lar ve ribozom ile ilişkili proteinler gibi ortak arındırıcı moleküller elde eder; bunlar RNA dizileme ve kütle spektrometrisi proteomikleri gibi sonraki analitik yöntemler için uygundur (Şekil 1A). Bu nedenle, bu yöntem sadece ribozom bileşimini değil, ribozomların bağlı olduğu mRNA'ları da ortaya koyar. ALIBi'nin subhücresel ribozom popülasyonlarını karakterize etmek için temel uygulamasını anlatan yakın tarihli bir makalede, bölünmüş enzimi sitoplazma, nükleolus, çekirdek, endoplazmik retikulum, plazma zarı ve mitokondrilere başarıyla hedefledik (Tablo 1)30. Bu subhücresel bölümler arasındaki translasyon mekanizmalarının karşılaştırılması, endoplazmik retikulum ve mitokondride translasyonla ilgili yeni ve beklenmedik bulgulara yol açtı ve çekirdekteki ribozom biyogenezi faktörlerinin gelecekteki araştırmaları için potansiyel ipuçları sağladı.
Bu protokol, ALIBi sisteminin transfeksiyonu ve aktivasyonu, hücre lizisi, affinite arındırması ve örnek elütsiyonunun ayrıntılı bir gösterimini içerir. Ayrıca, western blot ile başarılı affinite arındırmasının nasıl doğrulanacağını tartışıyor ve aşağı akış RNA dizileme veya kütle spektrometrisi (MS) proteomik analizi için önerilerde bulunuyoruz ( bkz. Ek Dosya 1). Bu protokol, fare embriyonik kök hücrelerinin (mESC) eksprese edildiği deneyler için tasarlanmıştır; bu hücreler endogen Rpl31 lokusundan FTA (L31-FTA) ile homozij olarak birleşmiştir; Bu hücre hattı yazarlardan talep üzerine temin edilebilir. Bu hücre hattının oluşturulması stratejisi, Ek Dosya 1'de ve Ek Şekil S1 ile Ek Şekil S2'de açıklanmıştır. Birkaç organele yönelik bölünmüş enzimleri kodlayan plazmidler Addgene'de mevcuttur (katalog numaraları #235608 235643'a kadar). Bu organellere bölünmüş enzimleri hedefleme tasarım prensipleri Ek Dosya 1'de açıklanmıştır. Protokol, her örneğin 10 cm bir plakada yetiştirilen mESC'lerden geldiğini varsayar. 10 cm ölçeğinin kütle spektrometrisi proteomiği için yeterli materyal sağladığını, 6 kuyu ölçeğinin ise western blotlar veya RNA dizileme için yeterli olduğunu bulduk.