-Voor-stapmodus zuivering van macromoleculaire complexen met behulp van RNA gekoppeld aan biotine en een foto-cleavable Linker
Summary
RNA/eiwitcomplexen gezuiverd met behulp van botin-streptavidine strategie worden geëlueerd oplossing onder denatureren voorwaarden in een vorm die ongeschikt zijn voor verdere zuivering en de functionaalanalyse. Hier beschrijven we een wijziging van deze strategie dat gebruik maakt van een foto-cleavable linker in RNA en een zachte UV-elutie stap, inheemse en volledig functionele RNA/eiwitcomplexen oplevert.
Abstract
Voor vele jaren, is het uitzonderlijk sterk en snel gevormde interactie tussen Biotine en daar met succes gebruikt voor gedeeltelijke reiniging van biologisch belangrijke RNA/eiwitcomplexen. Echter deze strategie vertoont een grote nadeel dat het breder gebruik beperkt: de interactie van biotine/daar slechts onder voorwaarden die ook het verstoren van de integriteit van de eluted complexen, vandaar uitschakeling denaturering kan worden doorbroken hun latere functionaalanalyse en/of verdere zuivering door andere methoden. De eluted monsters zijn bovendien vaak besmet met de achtergrond eiwitten die nonspecifically met daar kralen associëren, bemoeilijken de analyse van de gezuiverde complexen door zilveren kleuring en massaspectrometrie. Deze beperkingen wilt opheffen, ontwikkelden we een variant van de biotine/daar strategie waarin Biotine is aangesloten op een substraat van RNA via een foto-cleavable linker en de complexen geïmmobiliseerd op daar kralen zijn selectief geëlueerd aan oplossing in een inheemse vorm door lange golf UV, verlaten de achtergrond eiwitten op de parels. Kortere RNA-bindende substraten kunnen gesynthetiseerd worden chemisch met biotine en de foto-cleavable linker covalent gekoppeld aan het einde 5′ van het RNA, overwegende dat langer RNA substraten kunnen worden voorzien van de twee groepen door een aanvullende oligonucleotide. Deze twee varianten van de UV-elutie-methode zijn getest voor zuivering van de U7 snRNP-afhankelijke verwerking complexen die Histon pre-mRNAs aan de 3′-eind klieven en zij allebei bewezen te gunstig vergelijken met andere eerder zuivering methodes ontwikkeld. De UV-geëlueerd monsters bevatte gemakkelijk detecteerbare hoeveelheid de U7 snRNP dat gratis grote eiwit contaminanten en geschikt voor een directe analyse van massaspectrometrie en functionele testen was. De beschreven methode kan gemakkelijk worden aangepast voor de zuivering van andere RNA-bindende complexen en gebruikt in combinatie met single – en double-stranded DNA bandplaatsen om DNA-specifieke proteïnen en macromoleculaire complexen te zuiveren.
Introduction
In eukaryoten ondergaan RNA polymerase II gegenereerde mRNA precursoren (pre-mRNAs) verschillende evenementen van de rijping in de kern voordat hij volledig functionele mRNA sjablonen voor de eiwitsynthese in het cytoplasma. Een van deze gebeurtenissen is 3′ eind verwerking. Voor de overgrote meerderheid van de pre-mRNAs omvat 3′ eind verwerking decollete gekoppeld aan polyadenylatie. Deze twee stappen-reactie wordt gekatalyseerd door een relatief overvloedige complex bestaande uit meer dan 15 eiwitten1. Dierlijke replicatie-afhankelijke Histon pre-mRNAs worden verwerkt aan de 3′-eind door een ander mechanisme waarin de hoofdrol wordt gespeeld door U7 snRNP, een lage overvloed complex bestaande uit snRNA van de U7 van ~ 60 nucleotiden en meerdere eiwitten2,3 . De U7 snRNA baseparen met een specifieke opeenvolging Histon pre-mRNA en één van de subeenheden van de U7 snRNP katalyseert de splitsingsproducten-reactie, het genereren van volwassen Histon mRNA zonder een poly(A) staart. 3′ eind verwerking van Histon pre-mRNA vereist ook stam-Loop bindende eiwit (SLBP), die een geconserveerde stam-lus ligt bindt stroomopwaarts van de breukzijde en verbetert de aanwerving van de U7 snRNP naar de substraat2,3. Studies die gericht zijn op het identificeren van de afzonderlijke onderdelen van de U7 snRNP geweest uitdagend vanwege de lage concentratie van de U7 snRNP in dierlijke cellen en de tendens van het complex te distantiëren of gedeeltelijke proteolyse ondergaan tijdens het zuiveringsproces ongehinderd door het gebruik van milde detergentia4,5,6, hoge zout wast en/of meerdere chromatografische stappen7,–8,9.
Onlangs, om te bepalen van de samenstelling van de machines voor het behandelen van de U7-afhankelijke, was een kort fragment van Histon pre-mRNA met biotine op 3′ of 5′ geïncubeerd met een nucleaire extract en de geassembleerde complexen werden vastgelegd op daar beklede agarose kralen5,6,10. Als gevolg van de uitzonderlijk sterke interactie tussen Biotine en daar, waren de eiwitten geïmmobiliseerd op daar kralen geëlueerd onder de voorwaarden door te koken in SDS denaturering en geanalyseerd door zilveren kleuring en massaspectrometrie. Terwijl deze eenvoudige aanpak een aantal onderdelen van de U7 snRNP vastgesteld, leverde het relatief ruwe monsters, vaak besmet met een groot aantal achtergrond eiwitten nonspecifically gebonden aan daar kralen, sommige onderdelen van potentieel te maskeren de machines voor het behandelen en voorkomen van hun detectie op zilver gekleurde gels5,6,10. Nog belangrijker is, deze aanpak ook uitgesloten geen functionele studies met de geïsoleerde materiaal en haar verdere zuivering aan homogeniteit door aanvullende methoden.
Een aantal wijzigingen werden voorgesteld na verloop van tijd inspelen op het vrijwel onomkeerbare karakter van de interactie van biotine/daar, met de meeste van hen wordt ontworpen ofwel verzwakken de interactie of een chemisch cleavable spacer arm in de Biotine-bevattende reagentia11,12. Het nadeel van alle wijzigingen van deze was dat ze aanzienlijk de doeltreffendheid van de methode en/of vaak vereist niet-fysiologische omstandigheden tijdens de elutie stap verminderen, de integriteit of de activiteit van de gezuiverde eiwitten in gevaar te brengen.
Hier beschrijven we een andere aanpak om de inherente probleem te verhelpen van de strategie van biotine/streptavidine met behulp van RNA substraten waarin Biotine covalent is bevestigd aan de 5′ einde via een foto-cleavable 1-(2-nitrofenyl) ethyl-groep die is gevoelig voor de lange golf UV13,14. Wij testten deze aanpak voor de zuivering van de beperkende machines voor het behandelen van U7-afhankelijke van Drosophila en zoogdieren nucleaire extracten15. Na een korte broedtijd van Histon pre-mRNA met biotine en de foto-cleavable linker met een nucleaire extract, de geassembleerde verwerking complexen zijn geïmmobiliseerd op daar kralen, grondig gewassen en voorzichtig vrijgegeven aan oplossing in een native formulier door blootstelling aan ~ 360 nm UV licht. De UV-elutie-methode is zeer efficiënt, snel en eenvoudig, voldoende hoeveelheden van de U7 snRNP te visualiseren van de componenten ervan door Splinter kleuring van zo weinig zoals 100 µL van het extract15oplevert. Het materiaal UV-geëlueerd is gratis achtergrond eiwitten en geschikt voor directe massaspectrometrie analyse, extra zuivering stappen en enzymatische tests. Dezelfde methode kan worden vastgesteld voor de zuivering van andere RNA/eiwitcomplexen, die relatief korte RNA bandplaatsen vereisen. Biotine en de foto-cleavable linker kunnen ook worden covalent bevestigd aan één – en dubbelstrengig DNA, de UV-elutie-methode voor de zuivering van diverse complexen van de DNA/proteïne potentieel uit te breiden.
Chemische synthese van RNA substraten met covalent gekoppeld Biotine en de foto-cleavable linker is praktisch alleen met de sequenties die overschrijd niet ~ 65 nucleotiden, steeds dure en inefficiënte voor aanzienlijk langere sequenties. Om aan te pakken dit probleem, ontwikkelden we ook een alternatieve benadering die geschikt is voor veel langer RNA-bindende doelstellingen. In deze benadering RNA van elke lengte en nucleotide sequentie is gegenereerd in vitro van de Transcriptie T7 of SP6 en gegloeid om een korte aanvullende oligonucleotide dat bevat Biotine en de foto-cleavable linker eind 5′ (trans configuratie). De resulterende duplex wordt vervolgens gebruikt voor het zuiveren van individuele bindende proteïnen of macromoleculaire complexen op daar kralen na hetzelfde protocol beschreven voor de RNA-substraten met foto-cleavable Biotine covalent aangesloten (cis configuratie). Met deze wijziging, kan de foto-cleavable Biotine worden gebruikt in combinatie met in vitro gegenereerd afschriften met honderden nucleotiden, uitbreiding van de UV-elutie-methode voor de zuivering van een brede waaier van RNA/proteïne.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier beschreven methode is eenvoudig en naast het opnemen van een foto-cleavable linker en de UV-elutie stap verschilt niet van de gebruikte methoden die van de zeer sterke wisselwerking tussen Biotine en daar profiteren. De UV-elutie stap is zeer efficiënt, meestal het vrijgeven van meer dan 75% van de geïmmobiliseerdet RNA en eiwitten uit daar kralen, waardoor er achter een hoge achtergrond van proteïnen toe die niet-specifiek aan de kralen binden bijbehorende. Doordat deze achtergrond, levert de UV-elutie stap o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken onze collega’s en medewerkers voor hun bijdrage aan ons werk. Deze studie werd ondersteund door de NIH GM 29832 verlenen.
Materials
| Streptavidin-Agarose | Sigma | S1638-5ML | |
| High-intensity, long-wave UV lamp | Cole-Parmer | UX-97600-00 | |
| Replacement bulb | Cole-Parmer | UX-97600-19 | 100 Watts Mercury H44GS-100M bulb emitting 366 nm UV light (Sylvania) |
| RNAs and oligonucleotides containing biotin and photo-cleavable linker in cis | Dharmacon (Lafayette, CO) or Integrated DNA Technologies, Inc. (Coralville, IA) | Requst a quote in Dharmacon | |
| Beckman GH 3.8 swing bucket rotor | Beckman | ||
| RiboMAX Large Scale RNA Production Systems (T7 polymerase) | Promega | P1300 | |
| RiboMAX Large Scale RNA Production Systems (SP6 polymerase) | Promega | P1280 | |
| Pierce Silver Stain Kit | ThermoFisher Scientific | 24612 |
References
- Mandel, C. R., Bai, Y., Tong, L. Protein factors in pre-mRNA 3′-end processing. Cellular and Molecular Life Sciences. 65 (7-8), 1099-1122 (2008).
- Dominski, Z., Carpousis, A. J., Clouet-d’Orval, B. Emergence of the beta-CASP ribonucleases: highly conserved and ubiquitous metallo-enzymes involved in messenger RNA maturation and degradation. Biochimica et Biophysica Acta. 1829 (6-7), 532-551 (2013).
- Dominski, Z., Marzluff, W. F. Formation of the 3′ end of histone mRNA: getting closer to the end. Gene. 396 (2), 373-390 (2007).
- Yang, X. C., Torres, M. P., Marzluff, W. F., Dominski, Z. Three Proteins of the U7-Specific Sm Ring Function as the Molecular Ruler To Determine the Site of 3 ‘-End Processing in Mammalian Histone Pre-mRNA. Molecular and Cellular Biology. 29 (15), 4045-4056 (2009).
- Sabath, I., et al. 3 ‘-End processing of histone pre-mRNAs in Drosophila: U7 snRNP is associated with FLASH and polyadenylation factors. RNA. 19 (12), 1726-1744 (2013).
- Skrajna, A., et al. U7 snRNP is recruited to histone pre-mRNA in a FLASH-dependent manner by two separate regions of the stem-loop binding protein. RNA. 23 (6), 938-951 (2017).
- Smith, H. O., et al. Two-step affinity purification of U7 small nuclear ribonucleoprotein particles using complementary biotinylated 2′- O-methyl oligoribonucleotides. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 88, 9784-9788 (1991).
- Pillai, R. S., et al. Unique Sm core structure of U7 snRNPs: assembly by a specialized SMN complex and the role of a new component, Lsm11, in histone RNA processing. Genes and Development. 17 (18), 2321-2333 (2003).
- Pillai, R. S., Will, C. L., Luhrmann, R., Schumperli, D., Muller, B. Purified U7 snRNPs lack the Sm proteins D1 and D2 but contain Lsm10, a new 14 kDa Sm D1-like protein. EMBO Journal. 20 (19), 5470-5479 (2001).
- Yang, X. C., et al. A Complex Containing the CPSF73 Endonuclease and Other Polyadenylation Factors Associates with U7 snRNP and Is Recruited to Histone Pre-mRNA for 3 ‘-End Processing. Molecular and Cellular Biology. 33 (1), 28-37 (2013).
- Shimkus, M., Levy, J., Herman, T. A chemically cleavable biotinylated nucleotide: usefulness in the recovery of protein-DNA complexes from avidin affinity columns. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 82 (9), 2593-2597 (1985).
- Hirsch, J. D., et al. Easily reversible desthiobiotin binding to streptavidin, avidin, and other biotin-binding proteins: uses for protein labeling, detection, and isolation. Analytical Biochemistry. 308 (2), 343-357 (2002).
- Olejnik, J., Krzymanska-Olejnik, E., Rothschild, K. J. Photocleavable biotin phosphoramidite for 5′-end-labeling, affinity purification and phosphorylation of synthetic oligonucleotides. Nucleic Acids Research. 24 (2), 361-366 (1996).
- Olejnik, J., Krzymanska-Olejnik, E., Rothschild, K. J. Photocleavable affinity tags for isolation and detection of biomolecules. Methods in Enzymology. 291, 135-154 (1998).
- Skrajna, A., Yang, X. C., Dadlez, M., Marzluff, W. F., Dominski, Z. Protein composition of catalytically active U7-dependent processing complexes assembled on histone pre-mRNA containing biotin and a photo-cleavable linker. Nucleic Acids Research. 46 (9), 4752-4770 (2018).
- Dominski, Z., Yang, X. C., Kaygun, H., Dadlez, M., Marzluff, W. F. A 3 ‘ exonuclease that specifically interacts with the 3 ‘ end of histone mRNA. Molecular Cell. 12 (2), 295-305 (2003).
- Yang, X. C., Purdy, M., Marzluff, W. F., Dominski, Z. Characterization of 3’hExo, a 3′ exonuclease specifically interacting with the 3′ end of histone mRNA. Journal of Biological Chemistry. 281 (41), 30447-30454 (2006).
- Tan, D., Marzluff, W. F., Dominski, Z., Tong, L. Structure of histone mRNA stem-loop, human stem-loop binding protein, and 3’hExo ternary complex. Science. 339 (6117), 318-321 (2013).
- Mayeda, A., Krainer, A. R. Preparation of HeLa cell nuclear and cytosolic S100 extracts for in vitro splicing. Methods in Molecular Biology. 118, 309-314 (1999).
- Dominski, Z., et al. 3′ end processing of Drosophila histone pre-mRNAs: Requirement for phosphorylated dSLBP and co-evolution of the histone pre-mRNA processing system. Molecular and Cellular Biology. 22, 6648-6660 (2002).
- Dominski, Z., Yan, X. C., Purdy, M., Marzluff, W. F. Differences and similarities between Drosophila and mammalian 3 ‘ end processing of histone pre-mRNAs. Rna-a Publication of the Rna Society. 11 (12), 1835-1847 (2005).
- Jurica, M. S., Licklider, L. J., Gygi, S. R., Grigorieff, N., Moore, M. J. Purification and characterization of native spliceosomes suitable for three-dimensional structural analysis. RNA. 8 (4), 426-439 (2002).
- Shi, Y., et al. Molecular architecture of the human pre-mRNA 3′ processing complex. Molecular Cell. 33 (3), 365-376 (2009).
- Thomas, M. F., L’Etoile, N. D., Ansel, K. M. Eri1: a conserved enzyme at the crossroads of multiple RNA-processing pathways. Trends in Genetics. 30 (7), 298-307 (2014).
- Lackey, P. E., Welch, J. D., Marzluff, W. F. TUT7 catalyzes the uridylation of the 3′ end for rapid degradation of histone mRNA. RNA. 22 (11), 1673-1688 (2016).
