Marcaje metabólico del ARN recién transcrito para alta resolución Gene perfiles de expresión de la síntesis de RNA, producción y descomposición en cultivo celular
Summary
El ARN celular total proporciona una plantilla pobres para el estudio de los cambios a corto plazo en la síntesis de ARN y la descomposición, así como la cinética de procesamiento del ARN. A continuación, describimos marcaje metabólico de ARN recién transcrito con 4-tiouridina seguido por biotinilación específico de tiol y la purificación de ARN recién transcrito que permiten superar estas limitaciones.
Abstract
El desarrollo de microarrays de todo el transcriptoma y de secuenciación de nueva generación ha revolucionado nuestra comprensión de la complejidad de la expresión génica celular. Junto con una mejor comprensión de los mecanismos moleculares implicados, las mediciones precisas de la cinética subyacentes se han convertido en cada vez más importante. Aquí, estas metodologías poderosas se enfrentan a grandes limitaciones debido a las propiedades intrínsecas de las muestras de plantilla que estudian, es decir, el ARN celular total. En muchos casos, los cambios en el ARN celular total se producen ya sea demasiado lento o demasiado rápido para representar los eventos moleculares subyacentes y su cinética con suficiente resolución. Además, la contribución de las alteraciones en la síntesis de ARN, el procesamiento, y la decadencia no se diferencian fácilmente.
Recientemente hemos desarrollado alta resolución-perfiles de expresión génica para superar estas limitaciones. Nuestro enfoque se basa en el marcaje metabólico de los recién transcrito de ARN con 4-thiouricenar (por lo tanto también se conoce como 4SU-etiquetado) seguido por rigurosa purificación de ARN recién transcrito utilizando biotinilación específico de tiol y perlas magnéticas recubiertas con estreptavidina. Es aplicable a una amplia gama de organismos, incluyendo vertebrados, Drosophila, y levadura. Hemos aplicado con éxito 4SU-etiquetado para estudiar la cinética en tiempo real de las actividades de factor de transcripción, proporcionar mediciones precisas de ARN vidas medias, y obtener nuevos conocimientos sobre la cinética de procesamiento del ARN. Por último, el modelado computacional se puede emplear para generar un análisis integrado, integral de los mecanismos moleculares subyacentes.
Introduction
Perfiles de expresión génica es una herramienta clave usada para estudiar los procesos celulares y la red asociada a la interacción compleja. Los estudios sobre la abundancia de ARNm han sido por lo general el método de elección para obtener conocimientos básicos sobre los mecanismos moleculares subyacentes. El desarrollo de microarrays de todo el transcriptoma 1 y, más recientemente, de secuenciación de nueva generación de ARN (ARN-ss) 2-4 alimentó este enfoque. Aunque estas tecnologías han revolucionado nuestra comprensión de la complejidad de la expresión génica celular, se enfrentan a limitaciones importantes debido a las propiedades intrínsecas de la muestra de la plantilla, es decir, ARN celular total. Primero, los cambios a corto plazo en los niveles de ARN total no se ajustan a los cambios en las tasas de transcripción, pero son inherentemente dependiente en la vida media de los respectivos transcripciones de ARN. Mientras que cinco veces la inducción de una transcripción de corta duración, por ejemplo de codificación para un factor de transcripción, será fácilmente detectable en ARN totaldentro de una hora, la misma inducción de una transcripción de larga duración, por ejemplo, que codifica para una enzima metabólica, permanecerá prácticamente invisible. Además, incluso una completa desconexión (> 1.000 veces baja regulación) de la tasa de transcripción de un gen normal, con una vida media durante cinco horas ARN simplemente se llevará cinco horas para sus niveles de ARN total disminuirá en sólo dos veces . Por lo tanto, el análisis de ARN total favorece la detección de un máximo de regulación de las transcripciones de corta vida, muchos de los cuales codifican para factores de transcripción y genes con funciones de regulación 5. Además, la verdadera cascada de cinética de la regulación se oscurece y eventos de señalización primaria no puede ser diferenciada de la secundaria. Ambos, a su vez, puede dar lugar a un sesgo sustancial en posteriores análisis de la bioinformática. En segundo lugar, las alteraciones en los niveles de ARN total no se pueden atribuir a los cambios en la síntesis de ARN o la caries. Las mediciones de esta última requieren enfoques invasivos de células, por ejemplo, el bloqueo transcriptisobre el uso de actinomicina D 6, y el seguimiento prolongado de curso RNA decadencia en el tiempo. Con un ARNm media de la semivida en células de mamífero de 5 – 10 h 5,7, los niveles de mRNA de la mayoría de los genes sólo se han disminuido en menos de dos veces después de varias horas de detención transcripcional. Estas más bien pequeñas diferencias dan como resultado mediciones imprecisas groseramente de mRNA vida media para la mayoría de los genes celulares debido a la naturaleza exponencial de las ecuaciones matemáticas subyacentes. Por último, mientras que el ARN-ss de ARN celular total reveló que aproximadamente la mitad de nuestros genes están sujetos a eventos alternativos de corte y empalme 8, la cinética subyacentes, así como los mecanismos dinámicos rectores de tejido y el contexto específico de regulación de procesamiento del ARN siguen siendo poco conocidos. Además, la contribución de procesamiento del ARN para la expresión diferencial de genes, en particular para los ARN no codificantes, queda por determinar. En conjunto, estas limitaciones constituyen importantes obstáculos paramodelización cinética bioinformático de los mecanismos moleculares subyacentes.
Recientemente hemos desarrollado un enfoque, perfiles de expresión génica denominada de alta resolución, para superar estos problemas 5,7,9. Se basa en el marcaje metabólico de ARN recién transcrito utilizando 4-tiouridina (4SU-etiquetado), un derivado de uridina que ocurre naturalmente, y proporciona acceso directo a las transcripciones recién transcrito con una interferencia mínima en el crecimiento celular y la expresión génica (véase la Figura 1) 5, 10-12. La exposición de células eucariotas a los resultados de 4SU en su rápida absorción, la fosforilación de 4SU-trifosfato, y la incorporación en el ARN recién transcrito. Después del aislamiento del ARN celular total, la fracción de ARN 4SU-marcado es biotinilado tiol-específicamente la generación de un enlace disulfuro entre la biotina y el ARN recién transcrito. "Total RNA celular" puede entonces ser cuantitativamente separado en la etiqueta ('recién transcrita') y sin marcar ("pre-existing ') ARN con alta pureza usando perlas magnéticas recubiertas con estreptavidina. Por último, ARN marcado se recupera de las perlas por simple adición de un agente reductor (por ejemplo, ditiotreitol) escindir el enlace disulfuro y la liberación de los ARN recién transcrito a partir de las perlas.
Recientemente transcrito de ARN representa la actividad transcripcional de cada gen durante el marco de tiempo de la exposición 4SU. 4SU-etiquetado en el plazo de minutos proporciona así una imagen instantánea de la expresión de genes eucariotas y una plantilla ideal para los análisis bioinformáticas aguas abajo (por ejemplo, el análisis de promotor). En los casos en que se puede suponer condiciones de estado estable, las relaciones entre el recién transcrito / total, recién transcritas / sin etiqueta y sin etiqueta / ARN total proporcionan acceso no invasivo para RNA precisos vida media 7,13. Además, es importante tener en cuenta que los transcritos de ARN recientemente purificadas después de tan poco como 5 minutos de 4SU-etiquetado (5 min 4SU-ARN) es menor de 15 y 60 min 4SU-ARN.Al llevar a cabo tanto de ultra-corta y progresivamente más largo 4SU-etiquetado en un solo entorno experimental combinado con ARN-ss, la cinética de procesamiento del ARN se revelan a una resolución de 9 nucleótidos. Por último, los análisis de tiempo-luego de ARN recién transcrito y totales combinados con modelos computacionales permiten un análisis integral de la síntesis de ARN y la decadencia 14.
En conclusión, este enfoque permite el análisis directo de la dinámica de la síntesis de ARN, el procesamiento, y la degradación en las células eucariotas. Es aplicable en todos los principales organismos modelo incluidos los mamíferos, insectos (Drosophila), anfibios (Xenopus), y la levadura 5,15,16. Es directamente compatible con el análisis de microarrays 5,17, ARN-ss 9,13,14, y es aplicable en vivo 12,15. A continuación, detallamos la metodología para etiquetar, aislar y purificar el ARN recién transcrito en células de mamífero cultivadas. Además, potenciómetroSe discuten los problemas y dificultades al.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metabólicas etiquetado de recién transcrito RNA aumenta sustancialmente el poder de las tecnologías de alto rendimiento como los microarrays y RNA-Seq, proporcionando plantillas más adecuadas para hacer frente a la cuestión biológica de interés. El presente protocolo se sometió a una amplia optimización. Se permite el enriquecimiento> 1.000 veces de ARN recién transcrito y proporciona resultados altamente reproducibles.
El diseño experimental de un experimento de 4SU-etiquetado…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría dar las gracias a Amie Regan de una cuidadosa lectura del manuscrito. Este trabajo fue apoyado por NGFN Plus subvención # 01GS0801, MRC comunión subvención y subvención G1002523 NHSBT WP11-05 al LD y DFG subvención FR2938/1-1 de 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).
