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Method Article
Die Entwicklung des Säugetiergehirns erfordert eine ordnungsgemäße Kontrolle der Genexpression auf der Ebene der Translation. Hier beschreiben wir ein Polysomen-Profiling-System mit einer einfach zu montierenden Sucrose-Gradientenerstellungs- und Fraktionierungsplattform, um den Translationsstatus von mRNAs im sich entwickelnden Gehirn zu bewerten.
Die richtige Entwicklung des Säugetiergehirns beruht auf einem feinen Gleichgewicht der proliferation neuronaler Stammzellen und der Differenzierung in verschiedene neuronale Zelltypen. Dieses Gleichgewicht wird streng durch genexpression kontrolliert, die auf mehreren Ebenen fein abgestimmt ist, einschließlich Transkription, Posttranskription und Übersetzung. In dieser Hinsicht unterstreicht eine wachsende Zahl von Beweisen eine entscheidende Rolle der translationalen Regulierung bei der Koordinierung von Entscheidungen über das Schicksal neuronaler Stammzellen. Polysome Fractionation ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Beurteilung des mRNA-Translationalstatus sowohl auf globaler als auch auf individueller Genebene. Hier stellen wir eine hauseigene Polysomen-Profiling-Pipeline vor, um die Translationseffizienz in Zellen aus der sich entwickelnden Mausgroßrinde zu bewerten. Wir beschreiben die Protokolle zur Saccharosegradientenvorbereitung, Gewebelyse, Ultrazentrifugation und Fraktionierungs-basierte Analyse des mRNA-Translationalstatus.
Während der Entwicklung des Säugetierhirns vermehren sich neuronale Stammzellen und differenzieren sich, um Neuronen und Glia1,2 zu erzeugen. Die Störung dieses Prozesses kann zu Veränderungen in der Gehirnstruktur und -funktion führen, wie in vielen neuroentwicklungsbedingten Störungengesehen 3,4. Das richtige Verhalten neuronaler Stammzellen erfordert die orchestrierte Expression spezifischer Gene5. Während die epigenetische und transkriptionelle Kontrolle dieser Gene intensiv untersucht wurde, deuten jüngste Ergebnisse darauf hin, dass die Genregulation auf anderen Ebenen auch zur Koordination der Proliferation und Differenzierung neuronaler Stammzellen beiträgt6,7,8,9,10. Daher wird die Adressierung der translationalen Kontrollprogramme unser Verständnis der Mechanismen, die der Entscheidung über das Schicksal von neuronalen Stammzellen und der Entwicklung des Gehirns zugrunde liegen, erheblich voranbringen.
Drei Haupttechniken mit unterschiedlichen Stärken wurden weit verbreitet, um den Translationsstatus von mRNA zu bewerten, einschließlich Ribosom-Profiling, Übersetzen ribososome-Affinitätsreinigung (TRAP) und Polysome-Profiling. Ribosome Profiling verwendet RNA-Sequenzierung, um ribosome-geschützte mRNA-Fragmente zu bestimmen, was die globale Analyse der Anzahl und Position der Übersetzung von Ribosomen auf jedem Transkript ermöglicht, um indirekt die Translationsrate abzuleiten, indem man sie mit transkriptionsüberfluss11vergleicht. TRAP nutzt epitopgemarkierte ribosomale Proteine, um ribosomgebundene mRNAs12zu erfassen. Da die markierten ribosomalen Proteine mit genetischen Ansätzen in bestimmten Zelltypen exprimiert werden können, ermöglicht TRAP die zelltypspezifische Analyse der Translation. Im Vergleich dazu bietet die Polysomenprofilierung, die die Saccharosedichtegradientenfraktionierung verwendet, um freie und schlecht übersetzte Portionen (leichtere Monosomen) von denen zu trennen, die aktiv durch Ribosomen (schwerere Polysomen) übersetzt werden, eine direkte Messung der Ribosomdichte auf mRNA13. Ein Vorteil dieser Technik ist ihre Vielseitigkeit, die Übersetzung spezifischer mRNA von Interesse sowie genomweite Translatome-Analyse14zu studieren.
In diesem Artikel beschreiben wir ein detailliertes Protokoll der Polysomenprofilierung zur Analyse der sich entwickelnden Mausgroßhirnrinde. Wir verwenden ein selbst montiertes System, um Saccharosedichtegradienten vorzubereiten und Brüche für nachgelagerte Anwendungen zu sammeln. Das hier vorgestellte Protokoll kann leicht angepasst werden, um andere Arten von Geweben und Organismen zu analysieren.
Der gesamte Gebrauch von Tieren wurde vom Animal Care Committee der University of Calgary überwacht. CD1-Mäuse, die für das Experiment verwendet wurden, wurden von kommerziellen Anbietern gekauft.
1. Vorbereitung von Lösungen
HINWEIS Um den ABBAU der RNA zu verhindern, sprühen Sie die Werkbank und alle Geräte mit RNase-Dekontaminationslösung. Für das Experiment werden RNase-freie Spitzen verwendet. Alle Lösungen werden in RNase-freiem Wasser vorbereitet.
2. Herstellung des Saccharosegradienten
HINWEIS: Die Genauigkeit bei der Herstellung von Saccharosegradienten ist entscheidend, um konsistente und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
Saccharoselösung | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% |
2.2 M Saccharose | 2 mL | 4 ml | 6 ml | 8 mL | 10 ml |
10X Salzlösung | 1,5 ml | 1,5 ml | 1,5 ml | 1,5 ml | 1,5 ml |
Cycloheximid | 15 l | 15 l | 15 l | 15 l | 15 l |
Wasser | 11,5 ml | 9,5 ml | 7,5 ml | 5,5 ml | 3,5 ml |
Gesamtvolumen | 15 ml | 15 ml | 15 ml | 15 ml | 15 ml |
Tabelle 1: Saccharoseverdünnungen zur Zubereitung von Saccharosegradienten.
HINWEIS: Bereiten Sie immer Saccharosegradienten in Vielfachen von zwei vor, um das Gewicht während der Ultrazentrifugation auszugleichen.
3. Gewebesektion
HINWEIS: Schwangere Mäuse wurden durch zervikale Dislokation vor anästhesien mit 5% Isofluran eingeschläfert.
4. Zelllyse
Lösung | Endgültige Konzentration | Volumen |
Tris-HCl (pH 7.5) | 20 mM | 100 l |
Kcl | 100 mM | 250 l |
MgCl2 | 5 mM | 25 l |
Triton X-100 | 1% (v/v) | 500 l |
Natriumdesoxycholat | 0,5% (mit/v) | 500 l |
Dithiothreitol (DTT) | 1 mM | 5 l |
Cycloheximid | 100 g/ml | 5 l |
RNase freies Wasser | Aufladen bis zu 5 ml | |
gesamt | 5 mL | 5 mL |
Tabelle 2: Herstellung des Polysomenlysepuffers.
HINWEIS: SupplementLyse Puffer mit Protease und Phosphatase-Inhibitoren.
5. Probenbeladung und Ultrazentrifugation
6. Fraktionierung und Probensammlung
HINWEIS: Für die Analyse und das Sammeln von Proben aus den Gradienten wird ein selbst gebautes Fraktionierungs-, Aufzeichnungs- und Sammelsystem verwendet(Abbildung 3, siehe Gerätekomponenten).
7. Extraktion von RNA
8. Reverse Transkription und Echtzeit-PCR
9. Saccharose Gradientenherstellung Systemmontage
ANMERKUNG: Führen Sie die Schritte aus, um jede Komponente (wie in Tabelle 3beschrieben) des Saccharosegradientenherstellers(Abbildung 1) zusammenzusetzen.
Komponente | Artikel |
B1 | Linearer Stufenantrieb |
E1 | Stepper-Motortreiber |
E2 | UNO-Projekt Super Starter Kit |
A1 | Steckbrett |
A2 | Vertikale Halterung |
B2 | Schlanke rechtwinklige Halterung |
C1 | Mini-Serie Brotbrett |
C5 | Kleine V-Klemme |
D4 | Miniatur-V-Klemme |
C2 | 12,7 mm Aluminiumpfosten |
C4, D3 | Optischer Pfosten der Mini-Serie |
D1 | 12,7 mm Aluminiumpfosten |
C3, D2 | Rechtwinklige Pfostenklemme mit einer Postklemme von 1,5 mm bis 6 mm |
C6 | Sockelhalter basisder Sockelhalter der Mini-Serie |
D5 | Blunt-Endnadel |
F | Spritzenpumpe |
Tabelle 3: Gradientenherstellung von Systemkomponenten.
10. Fraktionierung und Erkennung der Systembaugruppe (Abbildung 2).
Als Demonstration wurde das kortikale Lysat, das 75 g RNA (gepoolt aus 8 Embryonen) enthält, durch den Saccharosegradienten in 12 Fraktionen getrennt. Spitzen der UV-Absorption bei 254 nm identifizierten Fraktionen, die die 40S-Untereinheit, 60S-Untereinheit, 80S-Monosomen und Polysomen enthalten (Abbildung 4A). Die Analyse der Fraktionen nach Western Blot für die große ribosomale Untereinheit randalierte Rpl10 in der 60S-Untereinheit (Fraktion 3), Monosomen (Fraktion 4) und Polysomen (Fr...
Polysome Profiling ist eine häufig verwendete und leistungsfähige Technik, um den Translationsstatus sowohl auf einzelnen Gen- als auch auf genomweiten Ebenen14 zu bewerten. In diesem Bericht stellen wir ein Protokoll der Polysomenprofilierung mit einer selbst zusammengesetzten Plattform und deren Anwendung zur Analyse des sich entwickelnden Mauskortex vor. Diese kostengünstige Plattform lässt sich einfach montieren und robuste, reproduzierbare Saccharosegradienten und Polysomenprofilierung mi...
Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.
Diese Arbeit wurde durch einen NSERC Discovery Grant (RGPIN/04246-2018 bis G.Y.) finanziert. G.Y. ist ein Canada Research Chair. S.K. wurde vom Mitacs Globalink Graduate Fellowship und dem ACHRI Graduate Student Scholarship finanziert.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL RNA free microtubes | Axygen | MCT-150-C | |
10 cm dish | Greiner-Bio | 664160 | |
1M MgCl2 | Invitrogen | AM9530G | |
21-23G needle | BD | 305193 | |
2M KCl | Invitrogen | AM8640G | |
30 mL syringe | BD | 302832 | |
Blunt end needle | VWR | 20068-781 | |
Breadboard | Thorlabs | MB2530/M | |
Bromophenol blue | Sigma | 115-39-9 | |
CD1 mouse | Charles River Laboratory | ||
Curved tip forceps | Sigma | #Z168785 | |
Cycloheximide | Sigma | 66-81-9 | |
Data acquisition software TracerDAQ | Measurement Computing | ||
Digital converter | Measurement Computing | USB-1208LS | |
Direct-zol RNA miniprep kit | Zymo | R2070 | |
Dithiothreitol (DTT) | Bio-basic | 12-03-3483 | |
DMSO | Bioshop | 67-68-5 | |
Dumont No.5 forceps | Sigma | #F6521 | |
Fraction collector | Bio-Rad | Model 2110 | |
HBSS | Wisent | 311-513-CL | |
Linear stage actuator | Rattmmotor | CBX1605-100A | |
Luciferase control RNA | Promega | L4561 | |
Maxima first strand cDNA synthesis kit | Themo Fisher | M1681 | |
Miniature V-clamp | Thorlabs | VH1/M | |
Mini-series breadboard | Thorlabs | MSB7515/M | |
Mini-series optical post | Thorlabs | MS2R/M | |
Mini-series pedestal post holder base | Thorlabs | MBA1 | |
NaCl | Bio-basic | 7647-14-5 | |
Neurobasal media | Gibco | 21103-049 | |
Ø12.7 mm aluminum post | Thorlabs | TRA150/M | |
Parafilm | Bemis | PM992 | |
PerfeCTa SYBR green fastmix | Quanta Bio | CA101414-274 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Wisent | 311-010-CL | |
Puromycin | Bioshop | 58-58-2 | |
Right-angle clamp | Thorlabs | RA90/M | |
Right-angle Ø1/2" to Ø6 mm post clamp | Thorlabs | RA90TR/M | |
Rnase AWAY | Molecular BioProducts | 7002 | |
RNase free tips | Frogga Bio | FT10, FT200, FT1000 | |
RNase free water | Wisent | 809-115-CL | |
RNasin | Promega | N2111 | |
Slim right-angle bracket | Thorlabs | AB90B/M | |
Small V-clamp | Thorlabs | VC1/M | |
Sodium deoxycholate | Sigma | 302-95-4 | |
Stepper motor driver | SongHe | TB6600 | |
Sucrose | Bioshop | 57501 | |
SW 41 Ti rotor | Beckman Coulter | 331362 | |
Syringe pump | Harvard Apparatus | 70-4500 | |
Syringe pump | Harvard Apparatus | 70-4500 | |
Triton-X-100 | Bio-basic | 9002-93-1 | |
Trizol | Thermofisher Scientific | 15596018 | |
Tube piercer | Brandel | BR-184 | |
Ultracentrifuge | Beckman Coulter | L8-70M | |
Ultracentrifuge tubes | Beckman Coulter | 331372 | |
UltraPure 1M Tris-HCl pH 7.5 | Invitrogen | 15567-027 | |
UNO project super starter kit | Elegoo | EL-KIT-003 | |
UV monitor | Bio-Rad | EM-1 Econo | |
Vertical bracket | Thorlabs | VB01A/M |
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