Marcatura metabolica di RNA recentemente trascritto per Alta Risoluzione profili di espressione genica di RNA di sintesi, trattamento e Decay in coltura cellulare
Summary
L'RNA cellulare totale fornisce un modello povero per studiare variazioni a breve termine in sintesi dell'RNA e il decadimento nonché la cinetica di RNA processing. Qui, descriviamo marcatura metabolica di RNA trascritto recente con 4 thiouridine seguito da biotinylation tiolo-specifica e purificazione dell'RNA trascritto appena consentano di superare queste limitazioni.
Abstract
Lo sviluppo di microarrays intero trascrittoma e sequenziamento di nuova generazione ha rivoluzionato la nostra comprensione della complessità di espressione genica cellulare. Insieme a una migliore comprensione dei meccanismi molecolari coinvolti, misure precise della cinetica sottostanti sono diventati sempre più importanti. Qui, questi potenti metodologie incontrano notevoli limitazioni dovute alle proprietà intrinseche dei campioni template studiano, cioè RNA cellulare totale. In molti casi cambiamenti RNA cellulare totale verificano o troppo lentamente o troppo velocemente per rappresentare gli eventi molecolari sottostanti e la loro cinetica con risoluzione sufficiente. Inoltre, il contributo delle alterazioni della sintesi dell'RNA, elaborazione e decadimento non sono facilmente differenziate.
Recentemente abbiamo sviluppato ad alta risoluzione-profili di espressione genica di superare queste limitazioni. Il nostro approccio si basa sulla marcatura metabolica di nuova RNA trascritto con 4 thiouridine (quindi anche denominato 4SU-tagging) seguita da una rigorosa purificazione dell'RNA trascritto recente utilizzando biotinylation tiolo-specifici e biglie magnetiche rivestite di streptavidina. È applicabile ad una vasta gamma di organismi vertebrati, compresi Drosophila e lieviti. Abbiamo applicato con successo 4SU-tagging per studiare la cinetica in tempo reale delle attività di fattore di trascrizione, di fornire misure precise di RNA emivita, e ottenere nuove informazioni sulle cinetiche di trasformazione dell'RNA. Infine, modellazione computazionale può essere impiegato per generare un, analisi completa integrata dei meccanismi molecolari sottostanti.
Introduction
Profili di espressione genica è uno strumento chiave utilizzata per lo studio dei processi cellulari e la rete associata complessa interazione. Studi su mRNA abbondanza sono stati in genere il metodo di scelta per ottenere intuizioni fondamentali sui meccanismi molecolari sottostanti. Lo sviluppo di microarrays intero trascrittoma-1 e, più recentemente, di sequenziamento di nuova generazione di RNA (RNA-Seq) 2-4 alimentato questo approccio. Mentre queste tecnologie hanno rivoluzionato la nostra comprensione della complessità di espressione genica cellulare, si trovano ad affrontare gravi limitazioni dovute alle proprietà intrinseche delle loro campione modello, cioè RNA cellulare totale. In primo luogo, i cambiamenti a breve termine dei livelli totali di RNA non corrispondono a variazioni dei tassi di trascrizione, ma sono intrinsecamente dipendente dalla RNA emivita delle rispettive trascrizioni. Mentre un quintuplo induzione di un trascritto di breve durata, per esempio codifica per un fattore di trascrizione, sarà prontamente rilevabile in RNA totaleentro un'ora, la stessa induzione di una trascrizione vita lunga, ad esempio la codifica per un enzima metabolico, rimane praticamente invisibile. Inoltre, anche un completo spegnimento (> 1.000 volte down-regulation) del tasso di trascrizione di un gene medio con un RNA emivita di cinque ore sarà semplicemente prendere cinque ore per i suoi livelli di RNA totale di diminuire solo del duplice . Pertanto, l'analisi di RNA totale favorisce l'individuazione di up-regolazione di trascritti di breve durata, molti dei quali codificano per fattori di trascrizione e geni con funzioni regolatrici 5. Inoltre, la vera cascata cinetica di regolazione è oscurata e segnalazione di eventi primari non può essere differenziata da secondario. Entrambi, a loro volta, possono generare una distorsione nella valle analisi bioinformatica. In secondo luogo, alterazioni nei livelli totali di RNA non può essere attribuito a cambiamenti nella sintesi di RNA o di decadenza. Misurazioni di quest'ultimo richiedono approcci invasivi cellule, ad esempio bloccanti trascrizionisull'uso actinomicina D 6, e il monitoraggio prolungato di continuo decadimento RNA nel tempo. Con un mRNA emivita media nelle cellule di mammifero di 5-10 ore 5,7, i livelli di mRNA della maggior parte dei geni saranno solo sono diminuiti di meno di due volte a seguito di diverse ore di arresto trascrizionale. Piuttosto queste piccole differenze determinare misurazioni grossolanamente imprecise di mRNA emivite per la maggioranza dei geni cellulari a causa della natura esponenziale delle equazioni matematiche sottostanti. Infine, mentre l'RNA-Seq di RNA cellulare totale ha rivelato che circa la metà dei nostri geni sono soggetti ad eventi alternative splicing 8, la cinetica di fondo, nonché i meccanismi dinamici che guidano tessuto e contesto-specifica regolamentazione del trattamento RNA sono ancora limitate. Inoltre, il contributo di RNA elaborazione per l'espressione genica differenziale, in particolare per RNA non codificanti, rimane da determinare. Complessivamente, queste limitazioni rappresentano i principali ostacoli permodellazione cinetica bioinformatica dei meccanismi molecolari sottostanti.
Recentemente abbiamo sviluppato un approccio, definito ad alta risoluzione profili di espressione genica, per superare questi problemi 5,7,9. Si basa sulla marcatura metabolica di RNA appena trascritto utilizzando 4 thiouridine (4SU-tagging), un derivato uridina naturale, e offre accesso diretto alle trascrizioni appena trascritto con la minima interferenza nella crescita cellulare e l'espressione genica (vedi Figura 1) 5, 10-12. L'esposizione delle cellule eucariotiche ai risultati 4SU nella sua rapida diffusione, la fosforilazione di 4SU-trifosfato, e l'incorporazione in RNA appena trascritto. Dopo aver isolato RNA cellulare totale, la frazione di RNA 4SU marcato è tiolo specificamente biotinilato generando un legame disolfuro tra biotina e l'RNA appena trascritto. 'RNA cellulare totale' può quindi essere quantitativamente separati in etichetta ('appena trascritto') e senza etichetta ('pre-existing '), l'RNA con elevata purezza utilizzando biglie magnetiche rivestite di streptavidina. Infine, etichettato RNA viene recuperato dalle perline semplicemente aggiungendo un agente riducente (ad esempio ditiotreitolo) scindere il legame disolfuro e libera gli RNA appena trascritto dalle perline.
Recentemente trascritto RNA raffigura l'attività trascrizionale di ogni gene durante il periodo di tempo di esposizione 4SU. 4SU-tagging nella scala temporale di minuti quindi fornisce una fotografia istantanea di espressione genica eucariotica e un modello ideale per a valle bioinformatici analisi (ad esempio l'analisi del promotore). Nei casi in cui le condizioni di steady-state possono essere assunte, i rapporti di recente trascritto / totale, appena trascritte / senza etichetta e senza etichetta / RNA totale forniscono l'accesso non invasivo per RNA precise emivita 7,13. Inoltre, è importante notare che l'RNA appena trascritto purificato dopo appena 5 minuti di 4SU-tagging (5 min 4SU-RNA) è più giovane di 15 e 60 min 4SU-RNA.Quando si esegue entrambi ultra-corta e progressivamente più 4SU-tagging in una singola impostazione sperimentale combinato con RNA-Seq, la cinetica di trasformazione dell'RNA vengono rivelati alla risoluzione nucleotide 9. Infine, l'analisi tempo-corso di RNA appena trascritto e totale in combinazione con modelli computazionali consentono un'analisi integrativa di sintesi di RNA e di decadimento 14.
In conclusione, questo approccio permette l'analisi diretta della dinamica di sintesi dell'RNA, trasformazione e degradazione nelle cellule eucariotiche. È applicabile in tutti i principali organismi modello tra cui mammiferi, insetti (Drosophila), anfibi (Xenopus), e lievito 5,15,16. Esso è direttamente compatibile con microarray analisi 5,17, RNA-Seq 9,13,14, ed è applicabile in vivo 12,15. Qui, abbiamo dettaglio la metodologia di etichettare, isolare e purificare l'RNA appena trascritto in cellule di mammifero in coltura. Inoltre, potenziometrosono discussi Al problemi e le insidie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Marcatura metabolica di nuova trascritto RNA aumenta sensibilmente la potenza delle tecnologie high-throughput, come microarrays e RNA-Seq fornendo modelli più adeguati per affrontare la questione biologica di interesse. Il presente protocollo ha subito ottimizzazione vasta. Permette> 1.000 volte arricchimento di RNA appena trascritto e fornisce risultati altamente riproducibili.
Il disegno sperimentale di un esperimento 4SU-tagging è di importanza cruciale come RNA trascritto appena si…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vorremmo ringraziare Amie Regan per un'attenta lettura del manoscritto. Questo lavoro è stato sostenuto da NGFN Inoltre concessione # 01GS0801, MRC comunione concessione G1002523 e NHSBT concessione WP11-05 al LD e DFG concessione FR2938/1-1 alla CCF
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 4-thiouridine | Carbosynth | T4509 | Prepare 50 mM stock in sterile H2O, store at -20 °C in aliquots of 50-500 μl, discard unused reagent, do not refreeze. |
| Trizol | Invitrogen | 15596026 (100 ml), 15596018 (200 ml) | WARNING – CORROSIVE and HAZARDOUS TO HEALTH! Ensure immediate access to Phenol antidote (PEG-Methanol); Store at 4 °C. |
| Chloroform | Sigma | 372978 | WARNING – HAZARDOUS TO HEALTH |
| Isopropanol | Sigma | 650447 | |
| Sodium citrate, nuclease-free | Sigma | C8532 | Prepare 1.6 M stock solution using nuclease-free water. |
| 5M nuclease-free NaCl | Sigma | 71386 | Stock solution |
| Nuclease-free H2O | Sigma | W4502 | Make 1 ml aliquots in nuclease-free tubes. |
| RNA precipitation buffer | 1.2 M NaCl, 0.8 M sodium citrate in nuclease free water. Prepare in advance under strictly nuclease-free conditions. Store at room temperature in 50 ml falcon tubes. | ||
| Ethanol | Sigma | 459844 | Use with nuclease-free water to prepare 80% ethanol, store at -20 °C. |
| 1 M nuclease-free Tris Cl, pH 7.5 | Lonza | 51237 | Stock solution |
| 500 mM nuclease-free EDTA, pH 8.0 | Invitrogen | 15575-020 | Stock solution |
| 10x Biotinylation Buffer (BB) | 100 mM Tris pH 7.4, 10 mM EDTA in nuclease-free water, make aliquots of 1 ml. | ||
| Dimethylformamide (DMF) | Sigma | D4551 | |
| EZ-Link biotin-HPDP | Pierce | 21341 | Prepare 1 mg/ml stock solution by dissolving 50 mg biotin-HPDP in 50 ml DMF. Gentle warming enhances solubilisation. Store at 4 °C in aliquots of 1 ml. |
| Phase Lock Gel Heavy tubes 2.0 ml | Eppendorf | 0032 005.152 | Optional for the chloroform extraction step. |
| Zeta membrane | BIORAD | 162-0153 | |
| 10x Dot blot binding buffer | 100 mM NaOH, 10 mM EDTA | ||
| Biotin-oligo | 5′-biotin, 25 nucleotides, any sequence | ||
| Sodium dodecyl sulphate | Fisher | BPE9738 | For 100 ml 20% stock solution, add 20 g SDS to 80 ml PBS pH 7-8 and adjust volume to 100 ml. Keep all high-percentage SDS solutions above 20 °C. Warm the solutions slightly should SDS precipitate. |
| EZ-Link Iodoacetyl-LC-Biotin | Pierce | 21333 | Prepare 1 mg/ml stock solution by dissolving 50 mg iodoacetyl-biotin in 50 ml DMF. Gentle warming enhances solubilisation. Store at 4 °C in aliquots of 1 ml. Generates irreversible, thiol-specific biotinylation. |
| Phosphate buffer saline | Gibco | 10010-015 | |
| Dot blot blocking buffer | Mix 20 ml 20% SDS with 20 ml 1 x PBS pH 7-8 and add EDTA to the final concentration of 1 mM. | ||
| Streptavidin-horseradish peroxidase | Vector Laboratories | SA5004 | Store at -20 °C. Mix 10 ml 20% SDS with 10 ml 1 x PBS. Add 20 μl Streptavidin-HRP before use. |
| ECL reagent | GE Healthcare | RNP2109 | Use following the manufacturer’s instructions. |
| Super RX, X-RA Film, 18×24 cm | Fujifilm | 47410 19236 | |
| μMacs Streptavidin Kit | Miltenyi | 130-074-101 | Store the beads at 4 °C. |
| Tween 20 | Sigma | P1379 | |
| Washing buffer | 100 mM Tris pH 7.4, 10 mM EDTA, 1 M NaCl, 0.1% Tween 20 in nuclease-free H2O. | ||
| Dithiothreitol (DTT) | Sigma | 43817 | Prepare as 100 mM DTT in nuclease-free H2O, always prepare fresh before use. |
| RNeasy MinElute Kit | Qiagen | 74204 | Store columns at 4 °C, remaining components of the kit at room temperature. |
| 1.5 ml screw-top polypropylene tubes | Sarstedt | 72.692.005 | Compatible with Dimethylformamide |
| 2.0 ml screw-top polypropylene tubes | Sarstedt | 72.694.005 | Compatible with Dimethylformamide |
| 15 ml tubes | BD Falcon | 352096 | Compatible with Dimethylformamide |
| 50 ml tubes | BD Falcon | 352070 | Compatible with Dimethylformamide |
| All solutions/reagents should be stored at room temperature unless otherwise specified. | |||
| Equipment | |||
| UV/VIS spectrophotometer | Thermo Scientific | NanoDrop 1000 | Or equivalent. Use low volume (1-2 μl) for measurements of low RNA concentrations to avoid excessive sample loss. |
| Polypropylene 15 ml centrifuge tubes | VWR International | 525-0153 | In contrast to standard 15 ml tubes, these tolerate up to 15,000 × g |
| High-speed centrifuge | Beckman Coulter | Avanti J-25 | Or equivalent equipment capable of reaching 13,000×g |
| High-speed rotor | Beckman Coulter | JLA-16250 | Or equivalent equipment capable of reaching 13,000×g |
| Adaptors for 15 ml tubes | Laborgeräte Beranek | 356964 | Or equivalent equipment capable of reaching 13,000×g |
| Refrigerated table-top centrifuge | Eppendorf | 5430 R | Or equivalent. |
| Thermomixer | Eppendorf | Thermomixer compact | Or equivalent. |
| Magnetic stand | Miltenyi Biotec | 130-042-109 | One stand holds 8 μMacs columns. |
| Waterbath | Grant | SUB Aqua 5 | Or equivalent. |
| Ultra-fine scale | A&D | GR-202 | Or equivalent. |
| E-Gel iBase Power System | Invitrogen | G6400UK | For RNA gels; or equivalent. |
| E-Gel EX 1% agarose precast gels | Invitrogen | G4020-01 | For RNA gels; or equivalent. |
References
- Brown, P. O., Botstein, D. Exploring the new world of the genome with DNA microarrays. Nature Genetics. 21, 33-37 (1999).
- Mortazavi, A., Williams, B. A., Mccue, K., Schaeffer, L., Wold, B. Mapping and quantifying mammalian transcriptomes by RNA-Seq. Nature Methods. 5, 621-628 (2008).
- Nagalakshmi, U., Wang, Z., et al. The transcriptional landscape of the yeast genome defined by RNA sequencing. Science. 320, 1344-1349 (2008).
- Wilhelm, B. T., Marguerat, S., et al. Dynamic repertoire of a eukaryotic transcriptome surveyed at single-nucleotide resolution. Nature. 453, 1239-U1239 (2008).
- Dölken, L., Ruzsics, Z., et al. High-resolution gene expression profiling for simultaneous kinetic parameter analysis of RNA synthesis and decay. RNA. 14, 1959-1972 (2008).
- Yang, E., van Nimwegen, E., et al. Decay rates of human mRNAs: correlation with functional characteristics and sequence attributes. Genome Res. 13, 1863-1872 (2003).
- Friedel, C. C., Dölken, L., Ruzsics, Z., Koszinowski, U. H., Zimmer, R. Conserved principles of mammalian transcriptional regulation revealed by RNA half-life. Nucleic Acids Res. 37, e115 (2009).
- Nilsen, T. W., Graveley, B. R. Expansion of the eukaryotic proteome by alternative splicing. Nature. 463, 457-463 (2010).
- Windhager, L., Bonfert, T., et al. Ultra short and progressive 4sU-tagging reveals key characteristics of RNA processing at nucleotide resolution. Genome Res. , (2012).
- Melvin, W. T., Milne, H. B., Slater, A. A., Allen, H. J., Keir, H. M. Incorporation of 6-thioguanosine and 4-thiouridine into RNA. Application to isolation of newly synthesised RNA by affinity chromatography. Eur. J Biochem. 92, 373-379 (1978).
- Cleary, M. D., Meiering, C. D., Jan, E., Guymon, R., Boothroyd, J. C. Biosynthetic labeling of RNA with uracil phosphoribosyltransferase allows cell-specific microarray analysis of mRNA synthesis and decay. Nature Biotechnology. 23, 232-237 (2005).
- Kenzelmann, M., Maertens, S., et al. Microarray analysis of newly synthesized RNA in cells and animals. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 6164-6169 (2007).
- Schwanhäusser, B., Busse, D., et al. Global quantification of mammalian gene expression control. Nature. 473, 337-342 (2011).
- Rabani, M., Levin, J. Z., et al. Metabolic labeling of RNA uncovers principles of RNA production and degradation dynamics in mammalian cells. Nat. Biotechnol. , (2011).
- Miller, M. R., Robinson, K. J., Cleary, M. D., Doe, C. Q. TU-tagging: cell type-specific RNA isolation from intact complex tissues. Nat. Methods. 6, 439-441 (2009).
- Miller, C., Schwalb, B., et al. Dynamic transcriptome analysis measures rates of mRNA synthesis and decay in yeast. Mol. Syst. Biol. 7, 458 (2011).
- Weintz, G., Olsen, J. V., et al. The phosphoproteome of toll-like receptor-activated macrophages. Mol. Syst. Biol. 6, 371 (2010).
- Lipsett, M. N. The isolation of 4-thiouridylic acid from the soluble ribonucleic acid of Escherichia coli. Journal of Biological Chemistry. 240, 3975-3978 (1965).
- Marcinowski, L., Liedschreiber, M., et al. Real-time Transcriptional Profiling of Cellular and Viral Gene Expression during Lytic Cytomegalovirus Infection. PLoS Pathog. 8, e1002908 (2012).
- Chomczynski, P., Mackey, K. Short technical reports. Modification of the TRI reagent procedure for isolation of RNA from polysaccharide- and proteoglycan-rich sources. Biotechniques. 19, 942-945 (1995).
- Friedel, C. C., Dölken, L. Metabolic tagging and purification of nascent RNA: implications for transcriptomics. Mol. Biosyst. 5, 1271-1278 (2009).
- Friedel, C. C., Kaufmann, S., Dölken, L., Zimmer, R. HALO – A Java framework for precise transcript half-life determination. Bioinformatics. , (2010).
