Summary

En nem metode til Plant Polysomprofiler profilering

Published: August 28, 2016
doi:

Summary

This protocol describes an easy method to extract and fractionate transcripts from plant tissues on the basis of the number of bound ribosomes. It allows a global estimate of translation activity and the determination of the translational status of specific mRNAs.

Abstract

Translation of mRNA to protein is a fundamental and highly regulated biological process. Polysome profiling is considered as a gold standard for the analysis of translational regulation. The method described here is an easy and economical way for fractionating polysomes from various plant tissues. A sucrose gradient is made without the need for a gradient maker by sequentially freezing each layer. Cytosolic extracts are then prepared in a buffer containing cycloheximide and chloramphenicol to immobilize the cytosolic and chloroplastic ribosomes to mRNA and are loaded onto the sucrose gradient. After centrifugation, six fractions are directly collected from the bottom to the top of the gradient, without piercing the ultracentrifugation tube. During collection, the absorbance at 260 nm is read continuously to generate a polysome profile that gives a snapshot of global translational activity. Fractions are then pooled to prepare three different mRNA populations: the polysomes, mRNAs bound to several ribosomes; the monosomes, mRNAs bound to one ribosome; and mRNAs that are not bound to ribosomes. mRNAs are then extracted. This protocol has been validated for different plants and tissues including Arabidopsis thaliana seedlings and adult plants, Nicotiana benthamiana, Solanum lycopersicum, and Oryza sativa leaves.

Introduction

Proteinsyntese er en væsentlig og energisk kostbar proces i alle celler 1. Først og fremmest skal celler investere energi i produktionen af ​​translationsmaskineriet, ribosomerne. For eksempel en deler sig aktivt gærcelle producerer så meget som 2.000 ribosomer per minut. En sådan produktion kræver op til 60% af den samlede transkriptionel aktivitet og op til 90% af den totale splejsning aktivitet af celle 2. Desuden er nødvendige energi til syntese af aminosyrer, aminoacyl-tRNA og peptidbindinger. I planter, tilsætning én aminosyre til en peptidkæde omkostninger fra 4,5 til 5,9 molekyler ATP 3. Derfor er det ikke overraskende, at oversættelsen af ​​mRNA til protein er et stort site af regulering, især når det kommer til at håndtere skiftende miljøforhold.

Indledningen trin i oversættelse, der er foreningen af ​​en mRNA med ribosomet, er det vigtigste mål for reguleringen afoversættelse 4. Som følge af reguleringen af oversættelse samt andre post-transkriptionelle regulatoriske trin, kan kun 40% af de variationer i koncentrationen protein forklares med mRNA overflod 5,6. Således studiet af totalt mRNA giver forholdsvis dårlig information om protein overflod. På den anden side, sammenslutningen af ​​mRNA med ribosomer giver bedre indblik i protein overflod ved at give adgang til disse mRNA er involveret i oversættelsen. Aktivt oversatte mRNA'er er associeret med flere ribosomer i strukturer kaldet polysomer. Omvendt vil dårligt oversat mRNA være forbundet med kun én ribosom (monosome). Følgelig kan den translationelle status af et mRNA evalueres ved at overvåge dets association med ribosomer 7.

Denne protokol beskriver isoleringen af polysomer fra seks dage gamle Arabidopsis thaliana kimplanter, den efterfølgende isolering af RNA, og analysen af resultaterne. Polysomes og monosomer er adskilt gennem en sucrosemassefyldegradient. Gradienter opsamles i seks fraktioner. Nogle af de fraktioner samles til opnåelse tre godt adskilt fraktioner: polysomer, monosomer og den lette fraktion (herefter kaldet supernatant), som indeholder de frie 60S og 40S ribosomale subunits og mRNA'er, som ikke er forbundet med ribosomer. Global oversættelse aktivitet kan estimeres ved at frembringe en polysom ​​/ monosome forhold, som bestemmes ved integration af arealet under kurven, og ved at sammenligne polysomerne profiler. mRNA'er og proteiner ekstraheres derefter fra de forskellige bestanddele og anvendes til analyse af RT-PCR, QRT-PCR, Northern blot, microarray, western blot eller proteomics. Denne protokol er blevet valideret for andre planter og væv.

Det udstyr, der kræves for at udføre denne protokol er almindeligt forekommende i de fleste laboratorier: Der er ikke behov for en gradient maker. Frysning hvert lag, før du tilføjer den næste forhindres fra enhver blanding eller forstyrrelse af lagene. Nr rør piercer anvendes til gradient samling, som kan opnås ved nedsænkning af et glas kapillarrør i gradienten. Derfor er de kostbare ultracentrifugerør forbliver ubeskadigede og kan genanvendes mange gange. Kollektivt, det gør den nuværende protokol en nem og billig metode til polysom ​​profilering.

Protocol

1. Fremstilling af 20 til 50% (vægt / volumen) saccharosegradienter Bemærk: De gradienter er lavet af 4 lag af saccharose (50%, 35% og 2 lag 20%) i et 13,2 ml ultracentrifugerør. Det er vores erfaring, at hælde 20% saccharose i to separate lag i høj grad forbedrer kvaliteten af ​​polysom ​​præparater. Forbered stamopløsninger. Sørg for, at alle løsninger er RNAse og DNAse gratis. Forbered 10X Salt Solution: 400 mM Tris-HCl pH 8,4, 200 mM KCI og 100 mM <su…

Representative Results

I litteraturen er Polysomprofiler ofte vist fra den lette fraktion til den tunge fraktion som et resultat af den måde gradienterne opsamles, dvs. fra toppen til bunden. Da gradienterne i protokollen beskrevet her opsamles fra bunden til toppen, profilerne vi viser starte med den tunge fraktion (polysomerne) og gå til den lette fraktion (fri ribosom-underenheder og RNA'er) (figur 2A). Vi derefter indsamle hver gradient i seks 2 ml fraktioner, men mindre fraktioner k…

Discussion

The protocol we present here is an easy and cheap method for generating polysome profiles and isolating mRNAs associated with polysomes, single ribosomes or free of ribosomes. A wide range of different polysome fractionation methods is described in the literature. The method we have described here has been optimized to keep only the necessary compounds and has been adapted for plant material. In particular, we reduced the amount of detergent11 and added chloramphenicol to the buffer to fix the chloroplastic ri…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af den franske National Research Agency (ANR-14-CE02-0010). Vi takker Dr. Benjamin Field og Dr. Elodie Lanet for kritisk læsning af manuskriptet. Vi takker Mr. Michel Terese for hans hjælp med video redigering.

Materials

Ultracentrifuge tube, thinwall, polyallomer – 13.2 ml Beckman Coulter 331372
Ultracentrifuge tube, thinwall, polyallomer – 38.5 ml Beckman Coulter 326823
Glass capillary tube Drummond Scientific 1-000-1000
Ultracentrifuge  Beckman Coulter Optima series
Ultracentrifuge Rotor SW41 Beckman Coulter 331362
Ultracentrifuge Rotor SW32 Beckman Coulter 369650
Peristaltic pump Any
Tygon R3607 polyvinyl chloride tubing  Fisher Scientific 070534-22 Polyvinyl chloride tubing, 2.29 mm 
Fraction collector Model 2110 Bio-Rad 731-8120
UV cuvette Hellma 170.700-QS Quartz flow-through cuvette
UV Spectrophotometer Varian Cary50 Read every 0.0125 sec
All chemicals Any Use only Molecular Biology Grade
Murashige and Skoog Basal Salt Mixture (MS) Sigma-Aldrich M5524
Rnase-Free water Any
Petri Dishes Fisher Scientific 10083251 
Octylphenoxy poly(ethyleneoxy)ethanol, branched (Nonidet P40) Euromedex UN3500
Linear acrylamide (acryl carrier) ThermoFischer scientific AM9520 RNA precipitation carrier
OriginPro 8 OriginLab Analysis software

References

  1. Nelson, C. J., Millar, A. H. Protein turnover in plant biology. Nat Plants. 1 (3), 15017 (2015).
  2. Warner, J. R. The economics of ribosome biosynthesis in yeast. Trends Biochem Sci. 24 (11), 437-440 (1999).
  3. Amthor, J. S. The McCree-de Wit-Penning de Vries-Thornley Respiration Paradigms: 30 Years Later. Ann Bot. 86 (1), 1-20 (2000).
  4. Preiss, T., W Hentze, M. Starting the protein synthesis machine: eukaryotic translation initiation. BioEssays news and reviews in molecular, cellular and developmental biology. 25 (12), 1201-1211 (2003).
  5. Vogel, C., Marcotte, E. M. Insights into the regulation of protein abundance from proteomic and transcriptomic analyses. Nat Rev Genet. 13 (4), 227-232 (2013).
  6. Baerenfaller, K., et al. Genome-scale proteomics reveals Arabidopsis thaliana gene models and proteome dynamics. Science. 320 (5878), 938-941 (2008).
  7. Zanetti, E., Chang, I., Gong, F., Galbraith, D. W., Bailey-Serres, J. Immunopurification of Polyribosomal Complexes of Arabidopsis for Global Analysis of Gene Expression. Plant physiol. 138 (2), 624-635 (2005).
  8. Murashige, T., Skoog, F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiol plant. 15 (3), 473-497 (1962).
  9. del Prete, M. J., Vernal, R., Dolznig, H., Müllner, E. W., Garcia-Sanz, J. A. Isolation of polysome-bound mRNA from solid tissues amenable for RT-PCR and profiling experiments. RNA. 13 (3), 414-421 (2007).
  10. Salinas, J., Sanchez-Serrano, J. J. . Arabidopsis protocols. , (2006).
  11. Piques, M., et al. Ribosome and transcript copy numbers, polysome occupancy and enzyme dynamics in Arabidopsis. Mol syst biol. 5 (314), 314 (2009).
  12. Morita, M., Alain, T., Topisirovic, I., Sonenberg, N. Polysome Profiling Analysis. bio-protocol. 3 (14), 3-8 (2013).
  13. Yángüez, E., Castro-Sanz, A. B., Fernández-Bautista, N., Oliveros, J. C., Castellano, M. M. Analysis of genome-wide changes in the translatome of Arabidopsis seedlings subjected to heat stress. PloS One. 8 (8), (2013).
  14. Sormani, R., et al. Sublethal cadmium intoxication in Arabidopsis thaliana impacts translation at multiple levels. Cell Physiol. 52 (2), 436-447 (2011).
  15. Lanet, E., et al. Biochemical evidence for translational repression by Arabidopsis microRNAs. Plant cell. 21 (6), 1762-1768 (2009).
  16. Jabnoune, M., Secco, D., Lecampion, C., Robaglia, C., Shu, Q., Poirier, Y. A Rice cis-Natural Antisense RNA Acts as a Translational Enhancer for Its Cognate mRNA and Contributes to Phosphate Homeostasis and Plant Fitness. Plant cell. 25 (10), 4166-4182 (2013).
  17. Ingolia, N. T. Genome-wide translational profiling by ribosome footprinting. Methods Enzymol. 470 (10), (2010).
  18. Juntawong, P., Girke, T., Bazin, J., Bailey-Serres, J. Translational dynamics revealed by genome-wide profiling of ribosome footprints in Arabidopsis. PNAS. 111 (1), 203-212 (2013).
  19. Ingolia, N. T. Ribosome profiling: new views of translation, from single codons to genome scale. Nat Rev Genet. 15 (3), 205-213 (2014).
check_url/54231?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Lecampion, C., Floris, M., Fantino, J. R., Robaglia, C., Laloi, C. An Easy Method for Plant Polysome Profiling. J. Vis. Exp. (114), e54231, doi:10.3791/54231 (2016).

View Video