Дискриминация и картирование первичных и обработанных стенограмм в митохондрии кукурузы с использованием круговой стратегии на основе РТ-ПЦР
Summary
Мы представляем круговую стратегию на основе РТ-ПЦР путем объединения круговой РТ-ПЦР, количественного RT-PCR, полифосфатазы РНК 5 и Северной подья. Этот протокол включает в себя шаг нормализации, чтобы свести к минимуму влияние нестабильной 5′ трифосфат, и он подходит для распознавания и отображения первичных и обработанных стенограмм стабильно накопленных в митохондрии кукурузы.
Abstract
В митохондриях растений, некоторые устойчивые состояния стенограммы имеют 5′ трифосфат, полученный из транскрипции инициации (первичные транскрипты), в то время как другие содержат 5′ монофосфата, генерируемого посттранскриптионно (обработанные транскрипты). Для разлиения между этими двумя типами стенограмм было разработано несколько стратегий, и большинство из них зависит от наличия/отсутствия 5′ трифосфата. Тем не менее, трифосфат на первичном 5 ‘ termini нестабилен, и это препятствует явной дискриминации двух типов стенограмм. Для систематического дифференцировать и картировать первичные и обработанные транскрипты, старично накопленные в митохондрии кукурузы, мы разработали круговую стратегию на основе RT-PCR (cRT-PCR) путем объединения cRT-PCR, лечения полифошпатазы RNA 5, количественной РТ-ПЦР (РТ-кПкР) и Северная поместье. В качестве улучшения, эта стратегия включает в себя шаг нормализации РНК, чтобы свести к минимуму влияние нестабильной 5’ трифосфата.
В этом протоколе обогащенная митохондриальная РНК предварительно обрабатывается полифосфатами РНК 5, которая преобразует 5′ трифофат в монофосфат. После круговой и обратной транскрипции, два cDNAs, полученных из 5′ полифосфатазы и необработанных РНК нормализуются кукурузой 26S зрелой rRNA, которая имеет обработанный 5 ‘ конец и нечувствительна к 5’ полифосфаза. После нормализации первичные и обработанные транскрипты дискриминируются путем сравнения продуктов cRT-PCR и RT-qPCR, полученных из обработанных и необработанных РНК. Транскрипт термини определяются путем клонирования и секвенирования продуктов CRT-PCR, а затем проверяются Северной подись.
С помощью этой стратегии, наиболее устойчивый состояние стенограммы в митохондрии кукурузы были определены. Из-за сложной схемы транскрипта некоторых митохондриальных генов, несколько транскриптов устойчивого состояния не были дифференцированы и/или отображены, хотя они были обнаружены в северной погредете. Мы не уверены, подходит ли эта стратегия для дискриминации и картирования стабильного состояния стенограммы в других митохондриях растений или в пластидов.
Introduction
В митохондриях растений, многие зрелые и предшественники РНК накапливаются как несколько изоформ, и устойчивый состояние стенограммы могут быть разделены на две группы на основе разницы в их 5 ‘концы1,2,3, 4. Первичные транскрипты имеют 5′ трифосфатных концов, которые получены от инициации транскрипции. В отличие от этого, обработанные транскрипты имеют 5′ монофосфат, генерируемый посттранскрипционной обработкой. Дискриминация и картирование двух типов транскриптов имеют важное значение для разгадки молекулярных механизмов, лежащих в основе транскрипции и транскрипта конца созревания.
Для проведения различия между первичными и обработанными транскриптами в митохондрии растений были разработаны четыре основные стратегии. Первая стратегия заключается в предварительной обработке митохондриальных РНК с табачной кислотой пирофосфаза (TAP), которая преобразует 5′ трифосфат в монофосфат и позволяет первичных транскриптов быть циркуляризированы РНК лигазы. Стенограмма обилия TAP-обработанных и необработанных образцов РНК затем сравниваются путем быстрого усиления концов кДНК (RACE) или круговой RT-PCR (cRT-PCR)2,3,4. Во второй стратегии, обработанные стенограммы сначала истощаются из митохондриальных РНК с использованием терминатора 5′-фосфат-зависимых экзонуклеизы (TEX), и первичные стенограммы слева затем отображаются грунтового анализа расширения5,6 . Третья стратегия заключается в предварительной крышкой первичных стенограмм с использованием guanylyl transferase, а затем положение triphosphated 5 ‘ termini определяется грунтовка расширение вместе с ribonuclease или S1 нуклеаза анализ защиты7,8 ,9. В отличие от тех, в зависимости от наличия / отсутствия 5′ трифосфата, четвертая стратегия сочетает в себе в пробирке транскрипции, сайт-направленный мутагенез, и анализ расширения грунтовки, чтобы охарактеризовать предполагаемых промоутеров и определить транскрипцию сайтыпосвящения 8,10,11. С помощью этих стратегий, многие первичные и обработанные стенограммы были определены в митохондриях растений.
Тем не менее, несколько исследований сообщили, что 5′ трифосфат первичных стенограмм были нестабильны, и они были легко преобразованы в монофосфат по неизвестной причине2,4,12,13. Эта проблема препятствует явной дискриминации двух типов стенограмм с помощью методов в зависимости от наличия/отсутствия 5′ трифосфата, а также предыдущих попыток систематически различать первичные и обработанные транскрипты на заводе митохондрий не удалось2,12.
В этом протоколе мы объединяем cRT-PCR, лечение полифосфатазы РНК 5, RT-qPCR и Северный пятно, чтобы систематически различать первичные и обработанные транскрипты, стабилизированные в кукурузе(Цеа май)митохондрион (рисунок1). cRT-PCR позволяет одновременное отображение 5′ и 3′ конечностей молекулы РНК, и это обычно адаптированы для карты транскрипт термини в растениях2,12,14,15. ПОЛифосфатаза РНК 5’может удалить два фосфата из трифосфатных 5′ termini, что делает первичные транскрипты доступны для самостоятельной лигиции РНК лигаза. Предыдущие исследования показали, что зрелые 26S rRNA в кукурузе были обработаны 5 ‘ терминов, и он был нечувствительным к РНК 5’ полифосфатаза1,16. Чтобы свести к минимуму влияние нестабильного трифосфата на первичные 5′ термини, 5′ полифосфатазно-обработанные и необработанные РНК нормализуются зрелыми 26S rRNA, а первичные и обработанные транскрипты затем дифференцированы путем сравнения продукты cRT-PCR, полученные из двух образцов РНК. Результаты картирования и дискриминации cRT-PCR проверяются соответственно “Северным пятном” и РТ-кПкР. Наконец, альтернативные праймеры используются для усиления этих транскриптов, обнаруженных в Северном пятно, но не cRT-PCR. С помощью этой стратегии на основе cRT-PCR, наиболее устойчивый состояние стенограммы в митохондрии кукурузы были дифференцированы и отображены1.
Protocol
Representative Results
Discussion
В предыдущем исследовании, всего и митохондриальных РНК из клеточной культуры подвески Arabidopsis были использованы для картирования митохондриальной транскрипт термини cRT-PCR, и аналогичные результаты были получены12. Однако, только обогащенная митохондриальная РНК была …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (грант No 31600250, Y.З.), Научно-технические проекты города Гуанчжоу (грант No 201804020015, H.N.), и Китайской системой сельскохозяйственных исследований (грант No). КАРС-04-PS09, H.N.).
Materials
| Acetic acid | Aladdin, China | A112880 | To prepare 1x TAE buffer |
| Applied Biosystems 2720 Thermal Cycler | Thermo Fisher Scientific, USA | 4359659 | Thermal cycler for PCR amplification |
| Ascorbic acid | Sigma-aldrich, USA | V900134 | For preparation of extraction buffer |
| Biowest Agarose | Biowest, Spain | 9012-36-6 | To resolve PCR products and RNAs |
| Bovine serum albumin | Sigma-aldrich, USA | A1933 | For preparation of extraction buffer |
| Bromophenol blue | Sigma-aldrich, USA | B8026 | For preparation of loading buffer for agarose gel electrophoresis and Northern blot |
| DEPC | Sigma-aldrich, USA | V900882 | Deactivation of RNase |
| DIG Northern starter kit | Roche, USA | 12039672910 | For DIG-RNA labeling and Northern blot. This kit contains the reagents for transcription-labeling of RNA with DIG and T7 RNA polymerase, hybridization and chemiluminescent detection. |
| EDTA | Sigma-aldrich, USA | V900106 | For preparation of extraction buffer and 1x TAE buffer |
| EGTA | Sigma-aldrich, USA | E3889 | For preparation of wash buffer |
| Gel documentation system | Bio-Rad, USA | Gel Doc XR+ | To image the agarose gel |
| Glycerol | Sigma-aldrich, USA | G5516 | For preparation of loading buffer for agarose gel electrophoresis |
| GoldView II (5000x) | Solarbio,. China | G8142 | DNA staining |
| Hybond-N+, Nylon membrane | Amersham Biosciences, USA | RPN119 | For Northern blot |
| Image Lab | Bio-Rad, USA | Image Lab 3.0 | Image gel, and compare the abundance of PCR products. |
| KH2PO4 | Sigma-aldrich, USA | V900041 | For preparation of extraction buffer |
| KOH | Aladdin, China | P112284 | For preparation of extraction buffer |
| L-cysteine | Sigma-aldrich, USA | V900399 | For preparation of extraction buffer |
| Millex | Millipore, USA | SLHP033RB | To sterile extraction and wash buffers by filtration |
| Miracloth | Calbiochem, USA | 475855-1R | To filter the ground kernel tissues |
| MOPS | Sigma-aldrich, USA | V900306 | For preparation of running buffer for Northern blot |
| NanoDrop | Thermo Fisher Scientific, USA | 2000C | For RNA concentration and purity assay |
| NaOH | Sigma-aldrich, USA | V900797 | For preparation of wash buffer |
| pEASY-Blunt simple cloning vector | TransGen Biotech, China | CB111 | Cloning of the gel-recovered band. It contains a T7 promoter several bps upstream of the insertion site. |
| Phanta max super-fidelity DNA polymerase | Vazyme, China | P505 | DNA polymerase for PCR amplification |
| Polyvinylpyrrolidone 40 | Sigma-aldrich, USA | V900008 | For preparation of extraction buffer |
| Primer Premier 6.24 | PREMIER Biosoft, USA | Primer Premier 6.24 | To design primers for reverse transcription and PCR amplification |
| PrimeScript II reverse transcriptase | Takara, Japan | 2690 | To synthesize the first strand cDNA |
| PureLink RNA Mini kit | Thermo Fisher Scientific, USA | 12183025 | For RNA purificaion |
| RNA 5' polyphosphatase | Epicentre, USA | RP8092H | To convert 5' triphosphate to monophosphate |
| RNase inhibitor | New England Biolabs, UK | M0314 | A component of RNA self-ligation and 5' polyphosphatase treatment reactions, and it is used to inhibite the activity of RNase. |
| Sodium acetate | Sigma-aldrich, USA | V900212 | For preparation of running buffer for Northern blot |
| Sodium chloride | Sigma-aldrich, USA | V900058 | To prepare 20x SSC |
| SsoFas evaGreen supermixes | Bio-Rad, USA | 1725202 | For RT-qPCR |
| T4 RNA Ligase 1 | New England Biolabs, UK | M0437 | For RNA circularization |
| Tetrasodium pyrophosphate | Sigma-aldrich, USA | 221368 | For preparation of extraction buffer |
| TIANgel midi purification kit | Tiangen Biotech, China | DP209 | To purify DNA fragments from agarose gel |
| Tris | Aladdin, China | T110601 | To prepare 1x TAE buffer |
| TRIzol reagent | Invitrogen, USA | 15596026 | To extract mitochondiral RNA. |
| Universal DNA purification kit | Tiangen Biotech, China | DP214 | To recover linearized plastmids from the restriction enzyme digestion reaction |
| Xylene cyanol FF | Sigma-aldrich, USA | X4126 | For preparation of loading buffer for agarose gel electrophoresis |
References
- Zhang, Y., et al. Major contribution of transcription initiation to 5'-end formation of mitochondrial steady-state transcripts in maize. RNA Biology. 16 (1), 104-117 (2019).
- Choi, B. Y., Acero, M. M., Bonen, L. Mapping of wheat mitochondrial mRNA termini and comparison with breakpoints in DNA homology among plants. Plant Molecular Biology. 80 (4-5), 539-552 (2012).
- Calixte, S., Bonen, L. Developmentally-specific transcripts from the ccmFN-rps1 locus in wheat mitochondria. Molecular Genetics and Genomics. 280 (5), 419-426 (2008).
- Kuhn, K., Weihe, A., Borner, T. Multiple promoters are a common feature of mitochondrial genes in Arabidopsis. Nucleic Acids Research. 33 (1), 337-346 (2005).
- Jonietz, C., Forner, J., Holzle, A., Thuss, S., Binder, S. RNA PROCESSING FACTOR2 is required for 5′ end processing of nad9 and cox3 mRNAs in mitochondria of Arabidopsis thaliana. ThePlant Cell. 22 (2), 443-453 (2010).
- Stoll, B., Stoll, K., Steinhilber, J., Jonietz, C., Binder, S. Mitochondrial transcript length polymorphisms are a widespread phenomenon in Arabidopsis thaliana. Plant Molecular Biology. 81 (3), 221-233 (2013).
- Mulligan, R. M., Lau, G. T., Walbot, V. Numerous transcription initiation sites exist for the maize mitochondrial genes for subunit 9 of the ATP synthase and subunit 3 of cytochrome oxidase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 85 (21), 7998-8002 (1988).
- Lupold, D. S., Caoile, A. G., Stern, D. B. The maize mitochondrial cox2 gene has five promoters in two genomic regions, including a complex promoter consisting of seven overlapping units. Journal of Biological Chemistry. 274 (6), 3897-3903 (1999).
- Yan, B., Pring, D. R. Transcriptional initiation sites in sorghum mitochondrial DNA indicate conserved and variable features. Current Genetics. 32 (4), 287-295 (1997).
- Rapp, W. D., Lupold, D. S., Mack, S., Stern, D. B. Architecture of the maize mitochondrial atp1 promoter as determined by linker-scanning and point mutagenesis. Molecular and Cellular Biology. 13 (12), 7232-7238 (1993).
- Rapp, W. D., Stern, D. B. A conserved 11 nucleotide sequence contains an essential promoter element of the maize mitochondrial atp1 gene. The EMBO Journal. 11 (3), 1065-1073 (1992).
- Forner, J., Weber, B., Thuss, S., Wildum, S., Binder, S. Mapping of mitochondrial mRNA termini in Arabidopsis thaliana: t-elements contribute to 5′ and 3′ end formation. Nucleic Acids Research. 35 (11), 3676-3692 (2007).
- Binder, S., Stoll, K., Stoll, B. Maturation of 5′ ends of plant mitochondrial RNAs. Physiologia Plantarum. 157 (3), 280-288 (2016).
- Hang, R. L., Liu, C. Y., Ahmad, A., Zhang, Y., Lu, F. L., Cao, X. F. Arabidopsis protein arginine methyltransferase 3 is required for ribosome biogenesis by affecting precursor ribosomal RNA processing. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (45), 16190-16195 (2014).
- Wang, H. Q., et al. Maize Urb2 protein is required for kernel development and vegetative growth by affecting pre-ribosomal RNA processing. New Phytologist. 218 (3), 1233-1246 (2018).
- Maloney, A. P., et al. Identification in maize mitochondrial 26S rRNA of a short 5′-end sequence possibly involved in transcription initiation and processing. Current Genetics. 15 (3), 207-212 (1989).
- Green, R. M., Sambrook, J. . Molecular Cloning: A Laboratory Manual. , (2012).
- Canino, G., et al. Arabidopsis encodes four tRNase Z enzymes. Plant Physiology. 150 (3), 1494-1502 (2009).
- Gobert, A., et al. A single Arabidopsis organellar protein has RNase P activity. Nature Structural, Molecular Biology. 17, 740-744 (2010).
- Gutmann, B., Gobert, A., Giege, P. PRORP proteins support RNase P activity in both organelles and the nucleus in Arabidopsis. Genes & Development. 26 (10), 1022-1027 (2012).
- Stern, D. B., Goldschmidt-Clermont, M., Hanson, M. R. Chloroplast RNA metabolism. Annual Review of Plant Biology. 61, 125-155 (2010).
