Methoden, um die regulatorische Rolle kleiner RNAs und Ribosomal Belegung von Untersuchen<em> Plasmodium falciparum</em

Summary

Human microRNAs translocate from host erythrocytes to Plasmodium falciparum parasites. Here, the techniques used to transfect synthetic microRNAs into host erythrocytes and isolate all RNAs from P. falciparum are described. In addition, this paper will detail a method of polysome isolation in P. falciparum to determine the ribosomal occupancy and translational potential of parasite transcripts.

Abstract

Die genetische Variation für die Sichelzell Allel verantwortlich (HBS) ermöglicht Erythrozyten auf eine Infektion durch den Malaria-Parasiten, P. wider falciparum. Die molekulare Grundlage dieses Widerstands, von dem bekannt ist multifaktoriell, bleibt unvollständig verstanden. Jüngste Studien festgestellt, dass die unterschiedliche Expression von Erythrozyten microRNAs, einmal in Malaria-Parasiten transloziert, wirken sich sowohl auf die Genregulation und Parasitenwachstum. Diese miRNAs wurden später gezeigt, um mRNA-Translation durch Bildung einer chimären RNA-Transkript über 5 'RNA-Fusion mit diskreten Teilmengen von Parasiten mRNAs hemmen. Hierbei sind die Techniken, die verwendet wurden, um die funktionelle Rolle und putative Mechanismus zugrunde liegende Erythrozyten mikroRNAs an der Genregulation und Translations Potential von P. studieren falciparum, einschließlich der Transfektion von modifizierten synthetischen mikroRNAs in Wirts Erythrozyten, werden detailliert beschrieben. Schließlich wird eine Polysomen-Gradientenverfahren verwendet, um das Ausmaß zu bestimmen translation dieser Transkripte. Gemeinsam dürfen diese Techniken uns zu zeigen, dass die fehlregulierte Ebenen der Erythrozyten microRNAs tragen zur Zell intrinsische Malaria Widerstand der Sichel-Erythrozyten.

Introduction

Malaria, durch apicomplexan Parasiten der Gattung Plasmodium verursacht, ist die häufigste menschliche parasitäre Erkrankung, weltweit zu infizieren rund 200 Millionen Menschen jedes Jahr und verursacht etwa 600.000 Todesfälle ^1. Von den fünf Plasmodium-Arten, die Menschen infizieren, die relevant für die menschliche Krankheit sind P. falciparum und P. vivax, die aufgrund ihrer weit verbreiteten Distributionen und Potenzial für schwere Malaria Komplikationen. Der Lebenszyklus des Malaria-Parasiten-Infektion erfordert beider Mücken und Menschen. Wenn eine infizierte Mückenstiche einen Menschen, die Parasiten reisen durch den Blutstrom in die Leber, wo eine erste Runde der Replikation erfolgt. Nach Merozoiten Bruch von der Host-Hepatozyten, infizieren sie in der Nähe von roten Blutzellen, die Einleitung entweder asexuell oder sexueller Replikation. Die asexuelle Phase der Replikation, die 48 Stunden in P. dauert falciparum ist der Schwerpunkt dieser Studie, da es sowohl die Quelle der meisten malArie Symptome und ist leicht in vitro rekapituliert.

Während eine Reihe von öffentlichen Gesundheitsinitiativen, einschließlich der Verbesserung der Anti-Malaria-Therapien haben etwas reduziert die Belastung durch Malaria weltweit, die anhaltende Entstehung von arzneimittelresistenten Parasiten stellt ein Problem für Malaria-Kontrolle Anstrengungen. Ein Bereich, der neue Therapieansätze vorschlagen kann, ist die Studie darüber, wie verschiedene genetische Varianten Resistenz gegen Malaria. In malariaendemischen Gebieten, eine Vielzahl von Erythrozyten-Polymorphismen sind durchaus üblich ^2,3. Diese Mutationen, mit Sichelzell wobei vielleicht das bekannteste, sind oft mit erheblichen Resistenz gegen den Ausbruch der symptomatischen Malariainfektion ⁴ verbunden. Die zugrunde liegenden Mechanismen, durch die sie verursachen Erythrozyten an Malaria-Infektion zu widerstehen sind unvollständig verstanden. Parasitierten Erythrozyten mit Hämoglobin-Mutationen sind, gelten verstärkte Phagozytose durch verbesserte zelluläre Steifigkeit und Dehydrierung, diemit verringerten Invasion von P. zugeordnet falciparum ^5. HBC Allel betrifft auch Protein-Expression auf der Erythrozytenoberfläche und mit dem Umbau des Zytoskeletts, ferner Hemmung Parasitenentwicklung ^6,7. Schließlich P. falciparum wächst schlecht in homozygoter Sichel (HBSS) Erythrozyten ^8,9 in vitro, was darauf hindeutet, intrinsische erythrozytären Faktoren Malariaresistenz. Doch während all dieser Mechanismen scheinen eine Rolle zu spielen, sie nicht vollständig erklären die Mechanismen hinter Sichelzelle Resistenz gegen Malaria.

Ein möglicher Satz von Erythrozyten-Faktoren, die schlecht verstanden, bleiben die großen Pool von miRNA vorhanden innerhalb von reifen Erythrozyten. MicroRNAs sind kleine nicht-kodierende RNAs, 19-25 nt in der Größe, die Übersetzung und / oder Stabilität der Ziel-mRNAs durch Basenpaarung in der 3'-UTR zu vermitteln. Sie haben bei der Steuerung der Immunantwort von Säugetieren in Verbindung gebracht worden, einschließlich der Unterdrückung of die Virusreplikation ^{10 und} gezeigt wurden, um Resistenz gegen Viren in Pflanzen Sie haben auch gezeigt, dass mehrere Erythrozyten-Prozesse, einschließlich Erythropoese ^11,12 und Eisenstoffwechsel ¹³ regulieren. Frühere Studien identifiziert eine reiche und vielfältige Bevölkerung von Erythrozyten-miRNAs, deren Expression dramatisch in HBSS verändert Erythrozyten ^14,15. Da reifen Erythrozyten mangelt aktive Transkription und Translation, bleibt die funktionelle Bedeutung dieser Erythrozyten miRNAs unklar. Als wesentliche Stoffaustausch zwischen der Wirtszelle und P. auftritt falciparum während der intraerythrozytären Entwicklungszyklus (IDC) ^16, wurde spekuliert, dass die veränderte miRNA Profil innerhalb HbS Erythrozyten direkt mit zell intrinsische Malaria Festigkeit beizutragen.

Diese Studien schließlich zur Entwicklung einer Pipeline führte zu isolieren, zu identifizieren und funktionell untersuchen die Rolle des menschlichen miRNA innerhalb der malaria Parasiten P. falciparum, die ergab, dass diejenigen Host / menschlichen miRNAs letztendlich kovalent Sicherung und dann translational verdrängen Parasiten mRNA-Transkripte ^17. Dies war ein Beispiel für den ersten Quer Spezies chimäre Transkripte Transspleiß gebildet und impliziert, dass dieser miRNA-mRNA Fusion könnte in anderen Spezies, einschließlich anderer Parasiten auftreten werden. Alle trypanosome mRNAs Transspleißprodukten mit einer Splice-Leader (SL), um die Trennung der polycistronische Transkripte ¹⁸ regulieren. Da P. falciparum fehlt Orthologe für Dicer / Ago ^19,20 ist es möglich, dass Erythrozyten-miRNAs entführen ähnliche SL Maschinen in P. falciparum in Zielgenen zu integrieren. Jüngste Studien in P. falciparum haben in der Tat zeigte die Anwesenheit von 5'-Spleißstelle Leader-Sequenzen ^21. Diese Studie beschreibt die Verfahren, die zur Entdeckung der menschlichen Parasit miRNA-mRNA Fusionstranskripte geführt, die sowohl transkriptomischen und Übersettionalen Regeltechnik. Die allgemeinen Ziele dieser Methoden sind, um die Auswirkungen von kleinen RNAs in der Genregulation Phänotypen und Übersetzungs Potential von P. untersuchen falciparum Transkripte.

Die anfängliche Identifizierung von Menschenparasit chimären Transkripten geltend gemachten Benutzung RNA Analysetechniken, wie beispielsweise Echtzeit-PCR, Transkriptom-Sequenzierung und EST-Bibliothek zu erfassen, die sowohl insgesamt und kleinen RNAs, anstatt mit Hilfe von Techniken, die nur vereinzelt kleine RNAs enthalten. Isolieren aller RNA zusammen in einem großen Pool, anstatt separat, erlaubte die Identifizierung beider transloziert menschlichen kleine RNAs im Parasiten sowie das Vorhandensein dieser kleinen RNA-Sequenzen als Teil einer größeren Sequenz. Dies erforderte dann eine Analyse der Übersetzungszustand dieser Fusions mRNAs, die funktionellen Konsequenzen dieser Fusionen bestimmen.

Während umfangreiche Bemühungen auf Charakterisierung des Parasiten Genom eind Transkriptom haben zum Verständnis der Biologie des Parasiten ^22-25 hinzugefügt wird, wird weit weniger über die Translationsregulation der mRNA Transkriptom über den Lebenszyklus von P. bekannt falciparum ^26. Diese begrenzte Verständnis des Parasiten Proteom hat sowohl Verständnis des Parasiten der Biologie und die Fähigkeit, neue Ziele für die nächste Generation von Anti-Malaria-Therapeutika identifizieren behindert. Diese Lücke im Verständnis der Zellbiologie des Parasiten wurde vor allem aufgrund der Mangel an geeigneten Techniken beibehalten, um Translationsregulation in P. untersuchen falciparum. Ein aktuelles Papier beschrieben die Verwendung von ribosomalen Footprinting von P. falciparum, die globale Übersetzungsstatus ²¹ zu bestimmen. Eine gut etablierte Messtranslations Potential von Transkripten ist die Anzahl der von Polysomen-Profiling bestimmt zugeordnet Ribosomen. Jedoch, wenn diese Technik auf P. angewendet falciparum </ em>, ist es nicht in der Lage, die meisten Polysomen erholen und fängt vorwiegend monosomes. In jüngerer Zeit haben mehrere Gruppen ^27,28 P. optimiert falciparum Polysom ​​Techniken durch Lyse der Erythrozyten und Parasiten gleichzeitig, um die Polysomen zu bewahren und zu charakterisieren, die ribosomale Belegung und translationalen Potenzial dieser Malaria-Parasiten während ihrer asexuelle Entwicklung in Wirts roten Zellen ^28.

Zusammen zeigen diese Verfahren, dass die beobachtete Fusion von menschlichen miRNA und Parasiten mRNAs moduliert Parasitenprotein Übersetzung dieser Fusions mRNAs, die unter Verwendung von zuvor beschriebenen Verfahren ²⁷ gezeigt wurde, und ist eine wichtige Determinante der Malaria Widerstand HbAS und HbSS Erythrozyten ^17. Diese Methoden sinnvoll in einem System suchen zu identifizieren und funktionell zu erforschen RNA-Splicing Ereignisse sein, ob diese Fusion RNAs sind in P. falciparum oder andere eukaryotische Systeme.

Protocol

1: Isolierung von kleinen RNAs, die von P. falciparum Während des IDC Erhalten Malariaparasiten in asexuellen Kultur 29. HINWEIS: Die erforderliche Kulturgröße wird von der gewünschten Anwendung variieren; jedoch eine 10 ml Kultur bei 3-5% Parasitämie und 5% Hämatokrit bietet ausreichend RNA für Echtzeit-PCR (RT-PCR). Die Technik wurde ursprünglich für asynchrone Kulturen optimiert, aber wenn bestimmten Zeitpunkten während des Infektionszyklus gewünscht werden, können Ri…

Representative Results

Globale Profilierung der menschlichen microRNA in P. falciparum Die hier vorgestellten Techniken wurden verwendet, um Mikro-RNAs von Parasiten in einer Vielzahl von Bedingungen zu extrahieren. Eine Sache zu beachten ist, dass RNA-Extraktionen für die nicht infizierten Erythrozyten wurden durchgeführt, wie in 32, die oft als Bezugspunkt für die microRNA Daten sowohl in diesem Artikel und der ursprünglichen Studie 29 vorgestellt serviert angezeigt. Diese frü…

Discussion

HbS ist eine der häufigsten Hämoglobinvarianten in Malaria-endemischen Gebieten, vor allem, weil er Schutz gegen schwere Malaria durch P. verursacht falciparum. Die Techniken erforderlich, um die Rolle des menschlichen MikroRNA in der Genregulation P. charakterisieren falciparum werden in diesem Manuskript beschrieben. Durch Extraktion der Gesamt-RNA in einer solchen Weise, dass alle kleinen RNAs umfassen, und durch Ausführen einer relativ einfachen Parasiten Lyseverfahren waren di…

Materials

REAGENTS-All reagents must be RNAse-free.

Diethyl pyrocarbonate (DEPC; Sigma, cat. no. D5758)

DEPC-treated water (see REAGENT SETUP)

Yoyo-1 DNA fluorescent dye (Thermo Fisher)

Gene Pulser II (or comparible) electroporator (Bio-Rad)

0.2 cm Electroporation cuvettes

4 M potassium acetate (Mallinckrodt, cat. no. 6700)

2 M potassium HEPES (pH 7.2; Sigma, cat. no. H0527)

1 M magnesium acetate (Sigma, cat. no. M-2545)

1 M dithiothreitol (DTT; Research Products International, cat. no. D11000)

100 mM phenylmethylsulfonate fluoride (PMSF; dissolved in isopropanol; Sigma, cat. no. P7626)

10% (v/v) Igepal CA-630 (Sigma-Aldrich, cat. no. I3021)

10% (w/v) sodium deoxycholate (DOC; Sigma, cat. no. D-6750)

Cycloheximide (CHX; Sigma, cat. no. C-7698)

Sucrose (Mallinckrodt, cat. no. 8360-04)

RNAseOUT (Invitrogen, cat. no. 100000840)

RPMI-1640 w/ L-glutamine (Cellgro, cat. no. 10-040-CV)

10% AlbuMAX I (w/v in sterile water) (Invitrogen, cat. no. 11020-039)

Gentamicin (Gibco, cat. no. 15750-060))

HT supplement (100x) (Invitrogen, cat. no. 11067030)

45% (w/v) sucrose (Sigma, cat no. G8769)

1 M HEPES buffer (Gibco, cat. no. 15630-080)

1x phosphate buffered saline (PBS; Cellgro, cat. no. 2109310CV)

Corning 500 ml vacuum filter flask (VWR, cat. no. 430769)

Glass slides (VWR, cat. no. 48311-702)

Giemsa stain (50X) (VWR, cat no. m708-01)

mirVana miRNA isolation kit (Ambion, ThermoFisher Scientific).

5' Biotin conjugated mature miRNA (sequence varies by miRNA of interest) (Dharmacon)

Biotin powder (Sigma-Aldrich)

1M Potassium Chloride

Streptavidin Sepharose High Performance Beads (GE Healthcare)

Ribosome resuspension buffer (see REAGENT SETUP)

Lysis buffer (see REAGENT SETUP)

15% (w/v) sucrose gradient solution (see REAGENT SETUP)

50% (w/v) sucrose gradient solution (see REAGENT SETUP)

0.5 M sucrose cushion (see REAGENT SETUP)

60% (w/v) sucrose chase solution (see REAGENT SETUP)

Plasmodium cell culture media (see REAGENT SETUP)

RNA capture Wash Buffer (see REAGENT SETUP)

RNA Elution Buffer (see REAGENT SETUP)

REAGENT SETUP

Solutions

Plasmodium cell culture media

500 ml RPMI-1640 w/ L-glutamine

0.5 ml gentamicin

5 ml HT supplement

2.5 ml 45% glucose

25 ml 10% AlbuMAX I

12.5 ml 1 M HEPES

Sterile filter with 0.2 mm vacuum filter flask.

Plasmodium cell culture media containing 10x CHX

Same recipe as Plasmodium cell culture media above, with the addition of:

2 mM cycloheximide

Media is prepared as normal, then add CHX to a final concentration of 2 mM and filter.

1x PBS containing cycloheximide

Cycloheximide is added fresh to 1x PBS to a final concentration of 200 mM, and kept at 4 OC until use.

Ribosome resuspension buffer

400 mM potassium acetate

25 mM potassium HEPES, pH 7.2

15 mM magnesium acetate

200 mM cycloheximide (add fresh)

1 mM DTT (add fresh)

1 mM PMSF (add fresh)

40 U/ml RNaseOUT (add fresh)

Lysis buffer

Same recipe as ribosome resuspension buffer above, with the addition of:

1% (v/v) Igepal CA-630

0.5% (w/v) DOC

Sucrose solutions

Same recipe as ribosome resuspension buffer above, with the addition of varying amounts of sucrose:

15% (w/v) sucrose to make 15% sucrose gradient solution

50% (w/v) sucrose to make 50% sucrose gradient solution

0.5 M sucrose to make 0.5 M sucrose cushion

As above, cycloheximide, DTT, PMSF, and RNaseOUT must be added fresh.

The 60% sucrose chase solution requires only sucrose and water, no other components

60% (w/v) sucrose in DEPC-treated water to make 60% sucrose chase solution

RNA Capture Wash Buffer

20mM  KCl

5unit/ml Rnase Out (Invitrogen)

RNA Capture Elution Buffer

Same recipe as RNA Capture Wash Buffer, with the addition of:

2mM Biotin

EQUIPMENT

SW55 Ti ultracentrifuge rotor (Beckman, cat. no. 342194)

SW41 Ti ultracentrifuge rotor (Beckman, cat. no. 331362)

Ultra-ClearTM ½ x 2 in (13 x 51 mm) ultracentrifuge tubes for the SW55 (Beckman, cat. no. 344057)

Polyallomer 9/16 x 3 ½ in (14 x 89 mm) ultracentrifuge tubes for the SW41 (Beckman, cat. no. 331372)

L8-80M ultracentrifuge (Beckman)

Steel blunt syringe needle, 4 inch, 16G (Aldrich, cat. no. Z261378)

1 ml syringe with 27G½ needle (Becton Dickinson, cat no. 309623)

5 ml syringe (Becton Dickinson, cat. no. 309646)

Parafilm

Tube rotator, end-over-end

Microcentrifuge, refrigerated

Density gradient fractionation system (Teledyne Isco, cat. no. 69-3873-179)

TracerDAQ (Measurement Computing)

Eppendorf 5810R centrifuge

Eppendorf A-4-81 rotor (Eppendorf, cat. no. 022638807)