Atomik Kuvvet Mikroskobu ile Beyin Polisomlar de Peering
Summary
While ribosome structure has been extensively characterized, the organization of polysomes is still understudied. To overcome this lack of knowledge, we present here a detailed preparation protocol for accurate imaging of mammalian polysomes by atomic force microscopy (AFM) in air and liquid.
Abstract
Translasyonel makine, yani, polisom ya polyribosome hücrelerde büyük ve en karmaşık sitoplazmik makine biridir. Ribozomlar, mRNA, çeşitli proteinlerin ve kodlayıcı olmayan RNA'lar tarafından oluşturulan Polisomlar, translasyonel kontrol gerçekleşecek platformlar entegre temsil eder. Ribozom yaygın çalışılmıştır Ancak, polizom organizasyonu hala kapsamlı bir anlayış yoktur. Bu nedenle çok çaba polisom organizasyon ve gömülebilir translasyonel kontrol herhangi bir yeni etki mekanizmasını açıklamak için gereklidir. Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) nano çözünürlükte 3D görüntülerin elde edilmesine izin verir tarama prob mikroskobu türüdür. Elektron mikroskopisi (EM) teknikleri ile karşılaştırıldığında, AFM ana avantajlarından biri, hava ve çözelti, iki görüntü binlerce elde örnek sağlayan olmasıdır boyama ve pro sabitlenmesi için herhangi bir gerek olmaksızın, yaklaşık olarak fizyolojik koşullar altında muhafaza edilmesiprosedürlerinin. Burada, fare beyin ve mika alt tabakalar üzerine birikmesinden polizom doğru saflaştırılması için detaylı bir protokol açıklanmaktadır. Bu protokol, AFM ve üç boyutlu nesne olarak yeniden sahip hava ve sıvı içinde polisom görüntüleme sağlar. cryo-elektron mikroskopisi (cryo-EM) Tamamlayıcı, önerilen yöntemin uygun sistematik Polisomlar analiz ve organizasyon eğitimi için kullanılabilir.
Introduction
Protein sentezi hücrelerinde 1,2 en çok enerji tüketen bir süreçtir. Bu nedenle, protein bolluğu ağırlıklı öteleme ziyade transkripsiyonel seviyede 3,4,5 kontrol edilir şaşırtıcı değildir. Polizom fonksiyonel proteinli okumalarla içine mRNA bilgiyi dönüştüren temel makromoleküler bileşenidir. Polisomlar şimdiye kadar birkaç öteleme kontroller 6-13 yakınsama makromoleküler kompleksleri olarak kabul edilmektedir. Ribozom yapısı 14- 16 çalışmaların yüzlerce rağmen, çeviri dinamikleri hakkında detaylı moleküler anlayışlar ve polizom topoloji sınırlı bir ilgi ile karşılaştı. Bunun bir sonucu olarak, yerli polysomal ribonükleoprotein kompleksinin organizasyonu ve tercüme üzerindeki potansiyel etkisi hala oldukça belirsiz sorunlardır. Polisomlar potansiyel neler nükleozom ve epigenetik contro yansıtma, henüz bilinmeyen sipariş ve işlevsel organizasyonları gizleyebilirls transkripsiyon alanı için temsil etmişlerdir. Nitekim, bu ilginç hipotezin araştırılması ek çalışmalar ve yeni teknik yaklaşımlar gerektirir. Bu doğrultuda, yapısal teknikler ve atomik kuvvet mikroskopisi fruitfully benzer nükleozom 17,18 için elde ne kadar, gen ifadesini kontrol etmek için yeni mekanizmalar çözülmeye işbirliği olabilir.
Ribozom 14-16 keşfinden beri yapısı yoğun protein sentezi tabanında mekanizmaların moleküler bir açıklama temin prokaryotlarda 19,20, daha yakın zamanda, insan 22 maya 21 ve karakterize edilmiştir. Polisomlar başlangıçta tipik 2B geometrik örgütleri 14 oluşturan, endoplazmik retikulum zarı üzerinde kabul edildi. Daha önce belirtildiği gibi, Polizom montaj ribozom yapısı olarak sürekli ilgi nesnesi olmamıştır. Geçmişte, Polisomlar tr esasen çalışılmıştıransmission teknikleri EM-tabanlı. Ancak son zamanlarda, kriyo-EM teknikleri in vitro çeviri sistemleri 23-26 saflaştırılmış polizom 3D rekonstrüksiyonu, insan hücre lizatları 27 veya hücre 28 sağladı. Bu teknikler polizom 23, 26-28 ve buğday tohumu polizom 24 bitişik ribozom temas yüzeylerinin bir ön moleküler tanımındaki ribozom-ribozom organizasyon hakkında daha rafine bilgi sundu. Böylece, cryo-EM tomografi moleküler detaylı ribozom-ribozom etkileşimlerin açıklanmasını sağlar, ancak kapsamlı post-processing ile yatar ve rekonstrüksiyon verileri işlemek için ağır hesaplama kaynakları gerektiren analiz eder. Ayrıca, ribozom ribozom etkileşimlerinin moleküler detay elde etmek üzere, ribozom yüksek ölçüde çözülmesi harita gereklidir, ve referans ribozom bu tür bir kaç tür için kullanılabilir. Önemlisi, cryo-EM tomografi serbest RNA tespit etmek mümkün değildir. therefCevher, yeni teknikler tamamen çeviri makine organizasyonunu anlamak için gereklidir.
Cryo-EM yanında, AFM de düşük ökaryotlar 29-33 ve insanlarda 27 polizom doğrudan görüntüleme için yararlı bir araç olarak kullanılmıştır. EM ile karşılaştırıldığında, AFM hiçbir örnek tespit veya etiketleme gerektirir. Buna ek olarak, ölçümler, yaklaşık olarak fizyolojik koşullar altında ve açıkça ribozomlar çıplak RNA şeritleri 27, her iki belirleme benzersiz olasılığı ile gerçekleştirilebilir. Tek polizom görüntüleme geniş ve ağır post-processing ve yeniden cryo-EM mikroskobu ile gerekli analizleri karşılaştırıldığında küçük post-processing çabayla nano çözünürlükte görüntülerin binlerce elde edilmesi, nispeten hızlı bir şekilde yapılabilir. Sonuç olarak, AFM veri işleme ve analiz pahalı iş istasyonları ve yüksek işlem gücü ihtiyacı yoktur. Bu nedenle, bu teknik polysomal şekilleri hakkında bilgi, morfolojik özellikleri (örneğin toplaryükseklik, uzunluk ve genişlik), ribozom yoğunlukları, serbest RNA'nın varlığını ve kriyo-EM daha yüksek bir verimle polisom 27 ortalama ribozom sayısı. Bu şekilde, AFM Polisomlar 27 canlandıracak EM tekniklerine güçlü ve tamamlayıcı bir yaklaşımı temsil etmektedir.
Burada arınma gelen AFM görüntüye uygulanan ve fare beyin Polisomlar analiz veri analizi için tam bir boru hattı mevcut. önerilen protokol arıtma konularında ve AFM görüntüleme için kullanılan mika yüzeylerde polizom doğru birikimi üzerinde duruluyor. Kolayca AFM topluluğu tarafından kullanılan ortak yazılım ile gerçekleştirilebilir geleneksel parçacık analizine ek olarak, RiboPick adlı bir ImageJ 34 eklentisi, polisom 27 35 ortalama ribozom sayısını saymak için sunulmuştur.
Protocol
Representative Results
Discussion
DNA'nın yapısı transkripsiyon ve kromatin organizasyonu gen ifadesinin transkripsiyonel kontrolü anlayışımızı ilerledikçe süreci tanımlamak için büyük önem olduğu kanıtlanmış gibi, doğru anlama geliştirmek için polizom organizasyonunu ve yapısını analiz etmek esastır çeviri ve düzenleme.
tarif edilen protokol ile hafifçe düz bir yüzey üzerinde immobilize polizom optimal yoğunluğu, AFM görüntüleme için uygun elde edilir. uygun hazırlanan numuneler i…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by the AXonomIX research project financed by the Provincia Autonoma di Trento, Italy.
Materials
| Cycloheximide | Sigma | 01810 | Prepararation of lysate |
| DNAseI | Thermo Scientific | 89836 | Prepararation of lysate |
| RiboLock RNAse Inhibitor | Life technologies | EO-0381 | Prepararation of lysate |
| DEPC | Sigma | 40718 | Prepararation of lysate |
| Triton X100 | Sigma | T8532 | Prepararation of lysate |
| DTT | Sigma | 43815 | Prepararation of lysate |
| Sodium Deoxycholate | Sigma | D6750 | Prepararation of lysate |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5417R | Prepararation of lysate |
| Sucrose | Sigma | S5016 | Sucrose gradient preparation |
| Ultracentrifuge | Beckman Coulter | Optima LE-80K | Sucrose gradient centrifugation |
| Ultracentrifuge Rotor | Beckman Coulter | SW 41 Ti | Sucrose gradient centrifugation |
| Polyallomer tube | Beckman Coulter | 331372 | Sucrose gradient centrifugation |
| Density Gradient Fractionation System | Teledyne Isco | 67-9000-176 | Sucrose gradient fractionation |
| AFM | Asylum Research | Cypher | Polysome visualization |
References
- Buttgereit, F., Brand, M. D. A hierarchy of ATP-consuming processes in mammalian cells. Biochem J. 312, 163-167 (1995).
- Russell, J. B., Cook, G. M. Energetics of bacterial growth: balance of anabolic and catabolic reactions. Microbiol Rev. 59 (1), 48-62 (1995).
- Vogel, C., et al. Sequence signatures and mRNA concentration can explain two-thirds of protein abundance variation in a human cell line. Mol Syst Biol. 6, 400 (2010).
- Schwanhäusser, B., et al. Global quantification of mammalian gene expression control. Nature. 473, 337-342 (2011).
- Tebaldi, T., et al. Widespread uncoupling between transcriptome and translatome variations after a stimulus in mammalian cells. BMC Genomics. 13, 220 (2012).
- Kondrashov, N., et al. Ribosome-mediated specificity in Hox mRNA translation and vertebrate tissue patterning. Cell. 145 (3), 383-397 (2011).
- Topisirovic, I., Svitkin, Y. V., Sonenberg, N., Shatkin, A. J. Cap and cap-binding proteins in the control of gene expression. Wiley Interdiscip Rev RNA. 2, 277-298 (2011).
- Darnell, J. C., et al. FMRP stalls ribosomal translocation on mRNAs linked to synaptic function and autism. Cell. 146 (2), 247-261 (2011).
- Pircher, A., et al. An mRNA-derived noncoding RNA targets and regulates the ribosome. Mol Cell. 54 (1), 147-155 (2014).
- Simms, C. L., et al. An active role for the ribosome in determining the fate of oxidized mRNA. Cell Rep. 9 (4), 1256-1264 (2014).
- Kraushar, M. L., et al. Temporally defined neocortical translation and polysome assembly are determined by the RNA-binding protein Hu antigen R. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (36), E3815-E3824 (2014).
- van Heesch, S., et al. Extensive localization of long noncoding RNAs to the cytosol and mono- and polyribosomal complexes. Genome Biol. 15 (1), R6 (2014).
- Preissler, S., et al. Not4-dependent translational repression is important for cellular protein homeostasis in yeast. EMBO J. 34 (14), 1905-1924 (2015).
- Palade, G. E. A small particulate component of the cytoplasm. J Biophys Biochem Cytol. 1 (1), 59-68 (1955).
- McQuillen, K., Roberts, R. B., Britten, R. J. Synthesis of nascent protein by ribosomes in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci U S A. 45 (9), 1437-1447 (1959).
- Wettstein, F. O., Staehelin, T., Noll, H. Ribosomal aggregate engaged in protein synthesis: characterization of the ergosome. Nature. 2 (197), 430-435 (1963).
- Dimitriadis, E. K., et al. Tetrameric organization of vertebrate centromeric nucleosomes. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (47), 20317-20322 (2010).
- Allen, M. J., et al. Atomic force microscope measurements of nucleosome cores assembled along defined DNA sequences. Biochimie. 32 (33), 8390-8396 (1993).
- Ban, N., Nissen, P., Hansen, J., Moore, P., Steitz, T. The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 Å resolution. Science. 289 (5481), 905-920 (2000).
- Schluenzen, F., et al. Structure of functionally activated small ribosomal subunit at 3.3 Å resolution. Cell. 102 (5), 615-623 (2000).
- Ben-Shem, A., et al. The structure of the eukaryotic ribosome at 3.0 Å resolution. Science. 334 (6062), 1524-1529 (2011).
- Anger, A. M., et al. Structures of the human and Drosophila 80S ribosome. Nature. 497 (7447), 80-85 (2013).
- Brandt, F., et al. The native 3D organization of bacterial polysomes. Cell. 136, 261-271 (2009).
- Myasnikov, A. G., et al. The molecular structure of the left-handed supra-molecular helix of eukaryotic polyribosomes. Nat. Commun. 5, 5294 (2014).
- Afonina, Z. A., Myasnikov, A. G., Shirokov, V. A., Klaholz, B. P., Spirin, A. S. Formation of circular polyribosomes on eukaryotic mRNA without cap-structure and poly(A)-tail: a cryo electron tomography study. Nucleic Acids Res. 42 (14), 9461-9469 (2014).
- Afonina, Z. A., Myasnikov, A. G., Shirokov, V. A., Klaholz, B. P., Spirin, A. S. Conformation transitions of eukaryotic polyribosomes during multi-round translation. Nucleic Acids Res. 43 (1), 618-628 (2015).
- Viero, G., et al. Three distinct ribosome assemblies modulated by translation are the building blocks of polysomes. J Cell Biol. 208 (5), 581-596 (2015).
- Brandt, F., Carlson, L. -. A., Hartl, F. U., Baumeister, W., Grünewald, K. The three-dimensional organization of polyribosomes in intact human cells. Mol. Cell. 39, 560-569 (2010).
- Wu, X., Liu, W. Y., Xu, L., Li, M. Topography of ribosomes and initiation complexes from rat liver as revealed by atomic force microscopy. Biol Chem. 378 (5), 363-372 (1997).
- Yoshida, T., Wakiyama, M., Yazaki, K., Miura, K. Transmission electron and atomic force microscopic observation of polysomes on carbon-coated grids prepared by surface spreading. J. Electron Microsc (Tokyo). 46 (6), 503-506 (1997).
- Mikamo, E. C., et al. Native polysomes of Saccharomyces cerevisiae in liquid solution observed by atomic force microscopy. J. Struct. Biol. 151, 106-110 (2005).
- Mikamo-Satoh, E. A., et al. Profiling of gene-dependent translational progress in cellfree protein synthesis by real-space imaging. Anal. Biochem. 394, 275-280 (2009).
- Bernabò, P., et al. Studying translational control in non-model stressed organisms by polysomal profiling. J. Insect Physiol. 76, 30-35 (2015).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. IH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nat. Methods. 9, 671-675 (2012).
- Lauria, F., et al. RiboAbacus: a model trained on polyribosome images predicts ribosome density and translational efficiency from mammalian transcriptomes. Nucleic Acids Res. , (2015).
- Al Omran, A. J., et al. Live Imaging of the Ependymal Cilia in the Lateral Ventricles of the Mouse Brain. J Vis Exp. (100), e52853 (2015).
- Warner, J. R., Rich, A., Hall, C. E. Electron microscope studies of ribosomal clusters synthesizing hemoglobin. Science. 138, 1399-1403 (1962).
- Yazaki, K., Yoshida, T., Wakiyama, M., Miura, K. Polysomes of eukaryotic cells observed by electron microscopy. J. Electron Microsc (Tokyo). 49, 663-668 (2000).
