Summary

Dynamisk proteom og miRNA analyse af Polysomes fra isolerede mus hjertet efter Langendorff Perfusion

Published: August 29, 2018
doi:

Summary

Her præsenterer vi en protokol for at udføre polysome profilering på isolerede perfunderet mus hjerte. Vi beskriver metoder til hjertet perfusion, polysome profilering og analyse af polysome fraktioner mRNAs, miRNAs og polysome proteomet.

Abstract

Undersøgelser i dynamiske ændringer i protein oversættelse kræver specialiserede metoder. Her undersøgte vi ændringer i nyligt syntetiseret proteiner i svar til iskæmi og reperfusion ved hjælp af isolerede perfunderet mus hjertet kombineret med polysome profilering. For yderligere at forstå de dynamiske ændringer i protein oversættelse, vi kendetegnet den mRNAs, der var lastet med cytosole ribosomer (polyribosomes eller polysomes) og også tilbagebetalte mitokondrie polysomes og sammenlignet mRNA og protein fordeling i de højeffektiv fraktioner (mange ribosomer knyttet til mRNA), lav-effektivitet (færre ribosomer vedlagt), der også omfattede mitokondrie polysomes, og de ikke-oversætte fraktioner. miRNAs kan også knytte mRNAs, der er ved at blive oversat, hvorved effektiviteten af oversættelse, vi undersøgte distribution af miRNAs på tværs af fraktioner. Fordelingen af mRNAs, miRNAs og proteiner blev undersøgt på basal perfunderet betingelser, i slutningen af 30 min globale no-flow iskæmi, og efter 30 min af reperfusion. Her præsenterer vi de metoder, der anvendes til at udføre denne analyse — navnlig tilgang til optimering af protein udvinding fra saccharose gradient, da dette er ikke blevet beskrevet før — og give nogle repræsentative resultater.

Introduction

Hjertet reagerer på skade af iskæmi (I) og reperfusion (R) på en dynamisk måde. Der er dog lidt indsigt i akutte ændringer i proteinsyntesen i svaret. For at løse dette, tog vi fordel af den veletablerede metode af polysome profilering1 for at identificere ændringer i protein overflod, der afspejler omfordeling af ribosomer og translationel regulerende faktorer fra cytosol til polysomes, og den forøgelse af nyligt syntetiserede proteiner (NSP). I fastsættelsen af jeg / R, stigning i nye proteinsyntesen opstår i en tidsramme, der er i strid med transskription af nye mRNAs2; Derudover har uoverensstemmelse mellem mRNA udtryk niveauer og protein overflod været rapporteret3. Af disse årsager valgte vi at analysere ændringer i det dynamiske proteomet som reflekteres af protein oversættelse. For at gøre dette, vi kvantificere mRNA i polysome fraktioner, og analysere protein sammensætning i polysome fraktioner. Endelig fordi MicroRNA (miRs) regulere tilgængeligheden af mRNAs for oversættelse og kan forstyrre effektivitet af protein oversættelse4,5, vi undersøgte distribution af miRs i polysome brøker, med fokus på den svar på jeg / R.

Vi valgte at bruge isoleret mus Langendorff perfusion model og høstede væv under basale forhold af kontinuerlig perfusion, efter 30 min globale no-flow iskæmi, og efter 30 min for iskæmi efterfulgt af 30 min. af reperfusion. Vi derefter solubilized hjertet væv og adskilt polysomes over en saccharose gradient, efterfulgt af proteom analyse og selektiv påvisning af mRNAs og miRNAs af PCR og microarray, henholdsvis. Denne kombination af metoder repræsenterer en kraftfuld tilgang til forståelsen af dynamiske proteomet, så samtidige påvisning af mRNA, miRNA, og NSP, omfordeling af regulerede proteiner, miRNA og mRNA mellem nontranslating fraktioner, ringe virkningsgrad polysomes, og højeffektiv polysomes (Se figur 1). Indsigt i den dynamiske regulering af denne proces vil blive udvidet med yderligere analyse af fosforylering af centrale lovgivningsmæssige faktorer såsom eIF2α eller mTOR. Disse individuelle skridt er nu beskrevet i detaljer.

Protocol

Alle dyreforsøg blev udført efter institutionelle retningslinjer og godkendt af institutionelle Animal Care og brug Udvalget af Cedars-Sinai Medical Center. 1. Langendorff Perfusion af musen hjerte Langendorff perfusion af musen hjerte med iskæmi og reperfusion Administrere intraperitoneal pentobarbital natrium 70 mg/kg til den voksne mus (8-uge-forhenværende, mand, C57BL6/j). Bekræft dyb anæstesi ved manglende tilbagetrækning til tå knivspids.</li…

Representative Results

mRNA analysemRNA resultater kan udtrykkes som en fordeling af en bestemt mRNA i hver fraktion (figur 3A); til kvantificering, kombinere polyribosomal oversætte fraktioner og sammenligne med den ikke-oversætte brøkdel (figur 3B), præsenterer en ratio af mRNA overflod i oversætte til nontranslating brøker. Yderligere oplysninger er opnået ved at undersøge de højeffektive polysome fraktioner adskilt fra lav-eff…

Discussion

Polysome profil analyse giver mulighed for undersøgelse af protein oversættelse ved at analysere et bestemt mRNA eller hele transkriptom6,7translationel tilstand. Det er også af stor hjælp når lokale oversættelse skal studeres som synaptosomes8. Traditionelt, indebærer denne metode adskillelse af mono – og polyribosomes og den tilknyttede mRNAs på et saccharose forløb, som kan kobles til genomisk eller proteom teknikker til at opn…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

NIH P01 HL112730 (RAG, JVE), NIH R01 HL132075 (RAG, JVE), Barbra Streisand kvinders Heart Center (RAG, JVE), Dorothy og E. Phillip Lyon stol i molekylær kardiologi (RAG), Erika Glazer begavet stol i kvindens hjertesundhed (JVE) og tjekkiske videnskabsakademi Institutionel støtte RVO: 68081715 (MS).

Materials

Pentobarbital Vortech Phamaceuticals 9373 for euthansia
Heparin Sagent 103424 used in langendorff preparation
forceps Fine Science Tools 91110-10 used to hang the heart
Langendorff system Radnoti + home made n/a A 'four heart' system consisting of custom blown glass, tubing and water baths
NaCl Sigma S7653-5KG Krebs buffer and Sucrose gradient
KCl Sigma P5405 Krebs buffer and Lysis buffer
KH2PO4 Sigma P-5504 Krebs buffer
MgSO4 Sigma M7774-500G Krebs buffer
Glucose Sigma G5767 Krebs buffer
CaCl2 Sigma C1016-500G Krebs buffer
Sucrose powder Sigma S0389-1KG Sucrose gradient
MgCl2 Sigma 208337 Sucrose gradient and Lysis buffer
Tris-base Sigma T1503-1KG Sucrose gradient and Lysis buffer
Xylene Cyanole Sigma X-4126 Sucrose gradient
Cycloheximide Sigma-aldrich 239763 Sucrose gradient and Lysis buffer
RNaseOUT Life Technologies C00019 RNAse inhibitor for Lysis buffer
Igepal CA-360 (NP40) Sigma I3021 Lysis buffer
Protease Inhibitor Cocktail tablets, EDTA free Roche 5056489001
Tube, Thinwall, Ultra-Clear, 13.2 mL, 14 x 89 mm Beckman Coulter 344059
Ultracentrifuge Beckman LE-80K Ultracentrifugation of the gradients
Rotor Beckman SW41 Ultracentrifugation of the gradients
Biologic LP (pump) Biorad 731-8300 Fractionation of the gradients
BioFrac Biorad 741-0002 Fractionation of the gradients
Eppendorf RNA/DNA LoBind microcentrifuge tubes, 2 mL tube Sigma Z666513-100EA Gradient fraction and RNA extraction
TRIzol Reagent Life technologies AM9738 RNA extraction
Luciferase Control RNA Promega L4561 RNA extraction
Chloroform Fisher Scientific C606-4 RNA extraction
Glycogen, RNA grade Thermo Fisher Scientific R0551 RNA extraction
Isopropanol Sigma I9516 RNA extraction
Ethanol Sigma E7023-1L RNA extraction
iScript cDNA Synthesis Kit BioRad 170-8891 Reverse transcription
iTaq Universal SYBR Green Supermix BioRad 175-5122 Quantative PCR
miRNeasy Micro Kit (50) Qiagen 217084 Kit for total RNA isolation
miScript II RT Kit (50) Qiagen 218161 Kit for miRNA reverse transcription
miScript Sybr Green PCR Kit (200) Qiagen 218073 Kit for real-time PCR expression analysis of miRNAs
Centrifuge 5424R Eppendorf For centrifugation of 1.5ml or 2.0ml tubes at different temperatures. Max speed – 21130g
Centrifuge 5810R Eppendorf For real-time PCR plate centrifugation at different temperatures. Max speed – 2039g
My Cycler Thermal Cycler Bio-Rad For reverse transcription
CFX96 Real-Time System/C1000 Touch Thermal Cycler Bio-Rad For real-time PCR analysis
miRNeasy Serum/Plasma Spike-in Control Qiagen 219610 For quality control of RNA isolation
Hard-Shell 96-Well PCR Plates, low profile, thin wall, skirted, green/clear Bio-Rad HSP9641 For real-time PCR analysis
Microseal 'B' PCR Plate Sealing Film, adhesive, optical Bio-Rad MSB1001 For real-time PCR plate sealing
Research plus Single-Channel Pipette, Gray; 0.5-10 µL Eppendorf UX-24505-02 For pipetting
PIPETMAN Classic Pipets, P20 Gilson F123600G For pipetting
PIPETMAN Classic Pipets, P200 Gilson F144565 For pipetting
Rainin L-1000XLS Pipet-Lite XLS LTS Pipette 100-1000 µL Gilson 17011782 For pipetting
Glycogen, RNA grade Thermo Fisher Scientific R0551 Improves total RNA isolation efficiency
Posi-Click 1.7 mL Tubes, natural color Denville C2170 RNA isolation and storage; reagent mix
Thermal Cycling Tubes -0.2 mL Individual Caps, Standard 0.2 mL tubes with optically Denville C18098-4 (1000910) Reverse transcription reaction
Sharp 10 Precision barrier Tips Denville P1096-FR For pipetting
Sharp 20 Precision barrier Tips Denville P1121 For pipetting
Sharp 200 Precision barrier Tips Denville P1122 For pipetting
Tips LTS 1 mL Filter Rainin RT-L1000F For pipetting
miScript Primer Assay (200) Qiagen (it changes according to the miRNA) For real-time PCR analysis
Gradient Master ver 5.3 Model 108 BioComp Instruments For preparation of sucrose gradients
trichloroacetic acid Sigma Aldrich T6399
acetone Sigma Aldrich 650501
Tris hydrochloride Amresco M108
dithiothreitol Fisher Scientific BP172
iodoacetamide Gbiosciences RC-150
sequencing grade modified trypsine, porcine Promega V5111
ammonium bicarbonate BDH BDH9206
formic acid, Optima LC/MS Fisher Chemical A117
methanol, Optima LC/MS Fisher Chemical A454
acetonitrile, Optima LC/MS Fisher Chemical A996
Protein LoBind tubes 0.5 mL Eppendorf AG 22431064
Protein LoBind tubes 1.5 mL Eppendorf AG 22431081
HLB µElution plate 30 µm Oasis 186001828BA
SpeedVac concentrator Thermo Scientific Savant SPD2010
sonicator Qsonica Oasis180
centrifuge Thermo Scientific Sorvall Legend micro 21R
LC trap column PepMap 100 C18 Thermo Scientific 160454
LC separation column PepMap RSLC C18 Thermo Scientific 164536
mass spectrometer Thermo Scientific Orbitrap Elite ion trap mass spectrometer
MSConvert software ProteoWizard Toolkit
Sorcerer-SEQUEST software Sage-N Research, Inc.

Referências

  1. Pourpirali, S., Valacca, C., Merlo, P., Rizza, S., D’Amico, S., Cecconi, F. Prolonged pseudohypoxia targets ambra1 mrna to p-bodies for translational repression. PLoS ONE. 10, e0129750 (2015).
  2. Andres, A. M., Tucker, K. C., Thomas, A., Taylor, D. J., Sengstock, D., Jahania, S. M., Dabir, R., Pourpirali, S., Brown, J. A., Westbrook, D. G., Ballinger, S. W., Mentzer, R. M., Gottlieb, R. A. Mitophagy and mitochondrial biogenesis in atrial tissue of patients undergoing heart surgery with cardiopulmonary bypass. JCI Insight. 2, e89303 (2017).
  3. Kislinger, T., Cox, B., Kannan, A., Chung, C., Hu, P., Ignatchenko, A., Scott, M. S., Gramolini, A. O., Morris, Q., Hallett, M. T., Rossant, J., Hughes, T. R., Frey, B., Emili, A. Global survey of organ and organelle protein expression in mouse: Combined proteomic and transcriptomic profiling. Cell. 125, 173-186 (2006).
  4. Kren, B. T., Wong, P. Y., Shiota, A., Zhang, X., Zeng, Y., Steer, C. J. Polysome trafficking of transcripts and micrornas in regenerating liver after partial hepatectomy. American Journal of Physiology. Gastrointestinal and Liver Physiology. 297, G1181-G1192 (2009).
  5. Gottlieb, R. A., Pourpirali, S. Lost in translation: Mirnas and mrnas in ischemic preconditioning and ischemia/reperfusion injury. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 95, 70-77 (2016).
  6. Coudert, L., Adjibade, P., Mazroui, R. Analysis of translation initiation during stress conditions by polysome profiling. Journal of Visualized Experiments. , (2014).
  7. Lorsch, J. Methods in enzymology. Laboratory methods in enzymology: Rna. Preface. Methods in Enzymology. 530, xxi (2013).
  8. Kuzniewska, B., Chojnacka, M., Milek, J., Dziembowska, M. Preparation of polysomal fractions from mouse brain synaptoneurosomes and analysis of polysomal-bound mrnas. Journal of Neuroscience Methods. 293, 226-233 (2018).
  9. He, S. L., Green, R. Polysome analysis of mammalian cells. Methods in Enzymology. 530, 183-192 (2013).
  10. Molotski, N., Soen, Y. Differential association of micrornas with polysomes reflects distinct strengths of interactions with their mrna targets. RNA. 18, 1612-1623 (2012).
  11. Maroney, P. A., Yu, Y., Fisher, J., Nilsen, T. W. Evidence that micrornas are associated with translating messenger rnas in human cells. Nature Structural and Molecular Biology. 13, 1102-1107 (2006).
  12. Paul, P., Chakraborty, A., Sarkar, D., Langthasa, M., Rahman, M., Bari, M., Singha, R. S., Malakar, A. K., Chakraborty, S. Interplay between mirnas and human diseases. Journal of Cellular Physiology. 233, 2007-2018 (2018).
  13. Rupaimoole, R., Slack, F. J. Microrna therapeutics: Towards a new era for the management of cancer and other diseases. Nature Reviews Drug Discovery. 16, 203-222 (2017).
  14. Nelson, P. T., Hatzigeorgiou, A. G., Mourelatos, Z. Mirnp:Mrna association in polyribosomes in a human neuronal cell line. RNA. 10, 387-394 (2004).
  15. Nottrott, S., Simard, M. J., Richter, J. D. Human let-7a mirna blocks protein production on actively translating polyribosomes. Nature Structural and Molecular Biology. 13, 1108-1114 (2006).
  16. Kim, J., Krichevsky, A., Grad, Y., Hayes, G. D., Kosik, K. S., Church, G. M., Ruvkun, G. Identification of many micrornas that copurify with polyribosomes in mammalian neurons. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 360-365 (2004).
  17. Androsavich, J. R., Chau, B. N., Bhat, B., Linsley, P. S., Walter, N. G. Disease-linked microrna-21 exhibits drastically reduced mrna binding and silencing activity in healthy mouse liver. RNA. 18, 1510-1526 (2012).
  18. Kraushar, M. L., Thompson, K., Wijeratne, H. R., Viljetic, B., Sakers, K., Marson, J. W., Kontoyiannis, D. L., Buyske, S., Hart, R. P., Rasin, M. R. Temporally defined neocortical translation and polysome assembly are determined by the rna-binding protein hu antigen r. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , E3815-E3824 (2014).
  19. McClatchy, D. B., Ma, Y., Liu, C., Stein, B. D., Martinez-Bartolome, S., Vasquez, D., Hellberg, K., Shaw, R. J., Yates, J. R. Pulsed azidohomoalanine labeling in mammals (palm) detects changes in liver-specific lkb1 knockout mice. Journal of Proteome Research. 14, 4815-4822 (2015).
  20. Schiapparelli, L. M., McClatchy, D. B., Liu, H. H., Sharma, P., Yates, J. R., Cline, H. T. Direct detection of biotinylated proteins by mass spectrometry. Journal of Proteome Research. 13, 3966-3978 (2014).
  21. Wiśniewski, J. R., Zougman, A., Nagaraj, N., Mann, M. Universal sample preparation method for proteome analysis. Nature Methods. 6, 359-362 (2009).
  22. Rajalingam, D., Loftis, C., Xu, J. J., Kumar, T. K. Trichloroacetic acid-induced protein precipitation involves the reversible association of a stable partially structured intermediate. Protein Science. 18, 980-993 (2009).
  23. Fic, E., Kedracka-Krok, S., Jankowska, U., Pirog, A., Dziedzicka-Wasylewska, M. Comparison of protein precipitation methods for various rat brain structures prior to proteomic analysis. Electrophoresis. 31, 3573-3579 (2010).
  24. Sashital, D. G., Greeman, C. A., Lyumkis, D., Potter, C. S., Carragher, B., Williamson, J. R. A combined quantitative mass spectrometry and electron microscopy analysis of ribosomal 30s subunit assembly in e. Coli. Elife. 3, (2014).
  25. Liang, S., Bellato, H. M., Lorent, J., Lupinacci, F. C. S., Oertlin, C., van Hoef, V., Andrade, V. P., Roffé, M., Masvidal, L., Hajj, G. N. M., Larsson, O. Polysome-profiling in small tissue samples. Nucleic Acids Research. 46, e3 (2018).
check_url/pt/58079?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Stastna, M., Thomas, A., Germano, J., Pourpirali, S., Van Eyk, J. E., Gottlieb, R. A. Dynamic Proteomic and miRNA Analysis of Polysomes from Isolated Mouse Heart After Langendorff Perfusion. J. Vis. Exp. (138), e58079, doi:10.3791/58079 (2018).

View Video