A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
הפרוטוקול המוצג כאן כולל פרופיל פוליזומלי כדי לבודד טרנסלטום, mRNA הקשור לריבוזומים, לרנ"א לא פוליזומלי ופוליזומלי מארבידופסיס באמצעות צנטריפוגה הדרגתית של צפיפות סוכרוז. שיטה זו מדגימה את יעילות התרגום של Arabidopsis בלחץ חום.
בקרה תרגומית של גנים שונים תחת עקת חום היא צעד קריטי להסתגלות הצמח לסביבה. הערכת הפעילויות התרגומי של גנים שונים יכולה לעזור לנו להבין את המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס עמידות הצמח, ולתרום להתפתחות יבולים עם עמידות משופרת לעקה לנוכח שינויי האקלים העולמיים. מאמר זה מציג מתודולוגיה מפורטת להערכת יעילות התרגום באמצעות פרופיל פוליזום בצמחים החשופים לעקת חום. ההליך מחולק לשלושה חלקים: טיפול בלחץ חום עבור Arabidopsis, בדיקת יעילות תרגום באמצעות פרופילים polysome, וחישוב יעילות התרגום על ידי בידוד RNA לא פוליסומלי ו polysomal על בסיס הפרופיל. בחלק הראשון, צמחי Arabidopsis נתונים לתנאי עקת חום מבוקרת כדי לחקות אתגרים סביבתיים. הטיפול כולל חשיפת הצמחים לטמפרטורות גבוהות לפרקי זמן מוגדרים, מה שמבטיח השראת עקה עקבית וניתנת לשחזור. שלב זה חיוני לחקר התגובות הפיזיולוגיות והמולקולריות של הצמח לעקה של חום. החלק השני כולל את בדיקת יעילות התרגום באמצעות פרופיל פוליזום. פוליזומים מופקים באמצעות צנטריפוגה הדרגתית של סוכרוז, אשר מפרידה mRNA על בסיס עומס ריבוזומלי. זה מאפשר לבחון את תפוסת הריבוזום על mRNAs, ומספק תובנות לגבי מנגנוני הבקרה התרגומי בתנאי עקה. בחלק השלישי, RNA מבודד משני שברים פוליזומליים ולא פוליזומליים. Spike-in RNA משמש למדידה מדויקת של כמות הרנ"א בכל שבר. חישוב יעילות התרגום מתבצע על ידי השוואת התפלגות ה-mRNA על פני שברים אלה בתנאי עקה נורמלית ובתנאי עקת חום. פעילויות התרגום של גנים ספציפיים מוערכות עוד יותר על ידי ביצוע PCR כמותי בזמן אמת (qRT-PCR) עם RNA הקשור לריבוזום ורנ"א כולל. מתודולוגיה זו מתמקדת אך ורק בהשפעות של עקת חום, ומספקת פרוטוקול מפורט לניתוח רגולציה תרגומית בצמחים.
תרגום חיוני לאורגניזמים כדי לסנתז חלבונים פונקציונליים מ-mRNA, לתמוך בתפקודים תאיים חיוניים ובתהליכים ביולוגיים כמו חילוף חומרים ואיתות ולאפשר תגובות עקה. ללא תרגום, תאים אינם יכולים לייצר חלבונים חיוניים, המשפיעים על מבנהם, תפקודם וויסותם, ובכך משפיעים על קיום החיים ומטפחים מגוון ביולוגי 1,2. לכן, לימוד היעילות התרגומית של צמחים הוא חיוני. תרגום כרוך במספר שלבים חיוניים. ראשית, האתחול מתרחש כאשר mRNA נקשר לריבוזום, המתאפשר על ידי גורמי אתחול כגון eIFs באיקריוטים, המזהים את קודון ההתחלה, בדרך כלל AUG. לאחר מכן, ההתארכות מתרחשת כאשר מולקולות RNA העברה (tRNA), שכל אחת מהן נושאת חומצות אמינו ספציפיות, נקשרות ברצף לריבוזום. קשרים פפטידים נוצרים בין חומצות אמינו סמוכות, מאריכים את שרשרת הפוליפפטיד על פי רצף mRNA. לבסוף, הסיום מתחיל עם מפגש עם קודון עצירה (UAA, UAG או UGA), המוכר על ידי גורמי שחרור המניעים את הריבוזום לשחרר את החלבון המסונתז החדש. במהלך התרגום, גורמי אתחול אאוקריוטים שונים (eIFs), גורמי התארכות ורנ"א ריבוזומלי פועלים יחד כדי להבטיח דיוק ויעילות 3,4.
מחקרים קודמים הצביעו על כך ששינויים לאחר תרגום ממלאים תפקיד קריטי בוויסות אינטראקציות בין eIFs ובכך משפיעים על יעילות התרגום. מחקר במבחנה גילה כי CASEIN KINASE 2 (CK2) קינאז פוספורילטים eIF3c, eIF5 ו- eIF2β כדי להגביר את האינטראקציות שלהם אחד עם השני ועם eIF1 5,6. בחושך, E3 ligase CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1) מדכא את התרגום על ידי עיכוב זרחן בתיווך TOR של S6K-RPS6. RPS6 שאינו פוספורילציה אינו מסוגל ליצור ריבוזומים פונקציונליים, ובכך מפסיק את תרגום7. לעומת זאת, בתנאי אור, המדכא של PHYA 105 (SPA1) קינאז פוספורילטים eIF2α כדי להקל על הרכבה מורכבת eIF2 ולקדם אתחול תרגום8. ממצאים אלה מדגישים את מנגנוני הבקרה המורכבים המווסתים את התרגום בתגובה לאותות סביבתיים.
גירויים סביבתיים מתונים יכולים לקדם ביעילות תהליכי תרגום כדי להקל על הצמיחה, כגון פוטומורפוגנזה 8,9. עם זאת, כאשר גורמים סביבתיים הם מוגזמים, צמחים חסרי תנועה צריכים לפתח מנגנוני ויסות מתאימים כדי להפחית את הנזק שנגרם על ידי לחץ סביבתי10. במחקרים קודמים הקשורים לתגובות עקה של צמחים, הרוב התמקדו בוויסות ברמה המטבולית, ההורמונלית והשעתוק 11,12,13,14. עם זאת, מחקרים אחרונים החלו להדגיש את ההשפעה של רגולציה תרגומית על עמידות לעקה צמחית 15,16,17. צמחים יכולים להגביר את עמידות העקה שלהם על ידי הפחתת יעילות התרגום, ובכך למזער צריכת אנרגיה מיותרת. בשל היווצרותם של גרגרי עקה לא ממברניים בתאי צמחים, mRNA לא מתורגם וחלבונים הקשורים אליהם מצטברים בתוכם כדי להפחית את יעילות התרגום18. אחת העקות הסביבתיות הנפוצות שצמחים נתקלים בהן לעתים קרובות היא עקת חום, אשר דווחה כגורמת להיווצרות גרגרי עקה בתוך תאי הצמח19,20. העלייה העולמית בטמפרטורות הממוצעות עקב ההתחממות הגלובלית פוגעת קשות ביבול21. לכן, חקר הוויסות הפיזיולוגי של צמחים תחת עקת חום הוא חיוני. מחקר קודם הראה כי טיפול בחום של חיטה הביא לירידה ב-mRNA הקשור לפוליזום. עם זאת, mRNA שאוחסנו בגרגרי לחץ שוחררו ונקשרו מחדש לריבוזומים, מה שהקל על התרגום לאחר ההחלמה22. בנוסף, מחקרים קודמים השוו ביטוי גנים בין mRNA כולל לבין mRNA הקשור לפוליזום בצמחים שקועים16. התוצאות הצביעו על כך שרמות ה-mRNA במצב יציב הקשורות לחומצה אבסציסית ולתגובות עקה אביוטיות עלו מעט לאחר השקיעה. יתר על כן, כמות mRNA הקשורים לפוליזום גדלה באופן משמעותי. תוצאות אלה מצביעות על כך שרגולציה של תרגום עשויה למלא תפקיד קריטי יותר בשליטה על עמידות לעקה בצמחים. לכן, שיטת בידוד RNA פוליזומלית יעילה חיונית לחקר הטרנסלטום של דגימות שטופלו בלחץ.
בפרוטוקול זה, שינינו את שיטת בידוד הרנ"א משיטת מיצוי פנול/כלורופורם בסיכון גבוה ונפח עם משקעים LiCl לשיטת מיצוי פנול/גואנידיניום תיוציאנט בקנה מידה קטן, הדורשת פחות נפח. השיטה הראשונה כוללת ערבוב ישיר עם שברים פוליזומליים, וכתוצאה מכך פסולת ניסיונית גדולה יותר 9,15,23. לעומת זאת, גישה שונה זו משתמשת בעקרונות צפיפות דיפרנציאלית: רנ"א פוליזומלי מעורבב תחילה עם תמיסה עתירת מלח וללא סוכר ולאחר מכן מואץ על ידי אולטרה-צנטריפוגה. לאחר מכן, מיצוי RNA מבוצע באמצעות נפח קטן של מגיב פנול/גואנידיניום תיוציאנט. שיטה זו מפחיתה ביעילות את ייצור הפסולת האורגנית, מה שהופך את הניסוי שלנו לידידותי יותר לסביבה. בנוסף, הממסים האורגניים המשמשים הם בעלי רעילות נמוכה יותר. סיבות אלה הובילו אותנו להתאים ולשפר את הליכי הניסוי בהתאם. בנוסף, שיטות קודמות לא סיפקו פרוטוקול מקיף לחישוב יעילות התרגום באמצעות נורמליזציה של ספייק-אין, שהיא חיונית לניתוחים טרנסלאטומיים מעמיקים יותר.
במאמר זה אנו מתארים פרופיל פוליזום ופרוטוקול בידוד RNA פוליזומלי לחקירת יעילות תרגום ואנליזות טרנסלאטומיות בארבידופסיס תחת לחץ הלם חום. פרוטוקול זה שימש להערכת יעילות התרגום בסוג הבר Col-0 בתנאים רגילים, הלם חום ולאחר התאוששות. תוצאות פרופיל פוליזום ואחוז הרנ"א הפוליזומלי גילו שינויים ביעילות התרגום בעקבות טיפול בעקת חום בשתילי ארבידופסיס .
1. הכנת שתיל שתיל Arabidopsis מטופל בחום
2. הכנת מדרג סוכרוז
3. הכנת מדגם פרופיל פוליזום
4. ניתוח פרופיל פוליזום
הערה: מקטע שיפוע צפיפות עם משאבת מזרק מיקרו-נפח משמש למדידת פרופיל פוליזום.
5. בידוד RNA לא פוליזומלי ופוליזומלי
הערה: עבור חלק זה של הפרוטוקול, נעשה שימוש בקבוצה שונה של דגימות מאותה אצווה לאחר ביצוע אולטרה-צנטריפוגה בעקבות אותם שלבים כפי שתואר קודם לכן.
6. מיצוי RNA לא פוליזומלי ופוליזומלי
7. נורמליזציה מהירה
הסוג הפראי של ארבידופסיס, Col-0, גודל בתווך טרשת נפוצה תחת פוטופריוד אור של 16 שעות:8 שעות. לצורך הבקרה נעשה שימוש בשתילים בני 5 ימים ללא טיפול בלחץ חום. קבוצת עקת החום עברה שעה אחת של טיפול בחום ב 40 מעלות צלזיוס באמבט מים שחומם מראש, ואילו קבוצת ההתאוששות הונחה על 22 מעלות צ...
פרוטוקול זה מתווה שיטה פשוטה וסטנדרטית למדידת יעילות התרגום של שתילי ארבידופסיס. השלבים הקריטיים של פרוטוקול זה הם הבטחת יציבות RNA עם צנטריפוגה משנית ומיצוי מגיב מיצוי RNA, כמו גם הכנה קפדנית של שיפוע הסוכרוז. יתר על כן, אנו מספקים צעדים קריטיים לנרמול וכימות הרנ"א הלא פול?...
המחברים מצהירים כי אין ניגוד עניינים.
אנו מכירים בשירותי המחקר הטכני של אולטרה-צנטריפוגות מ- Technology Commons במכללה למדעי החיים ומרכז המכשור בחסות משרד המדע והטכנולוגיה, האוניברסיטה הלאומית של טייוואן (טייוואן). אנו מודים גם ליו-לינג ליאנג על התמיכה הטכנית, ולחברי מעבדת צ'נג על קריאה ביקורתית של כתב היד. עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית מלגת איינשטיין לחוקרים צעירים מהמועצה הלאומית למדע וטכנולוגיה בטייוואן תחת מענק NO. NSTC 113-2636-B-002-007 ל- M.-C.C. M.-C.C. מכיר בתמיכה הכספית מהאוניברסיטה הלאומית של טייוואן.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL eppendorf tube | Labcon | 3012-870-000-9 | RNA extraction |
13.2 mL centrifuge tube | Beckman Coulter | 331372 | ultracentrifugation |
Bromophenol blue | Honeywell | 32712 | Polysome profile |
Chloroform | Honeywell | 32211 | RNA extraction |
Cycloheximide (CHX) | Sigma-Aldrich | SI-C7698 | Polysome profile |
Diethyl pyrocarbonate (DEPC) | Sigma-Aldrich | D5758 | RNA extraction |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 32221 | RNA extraction |
GeneChip Eukaryotic Poly-A RNA Control Kit | Invitrogen | 900433 | Normalization |
Glycerol | Honeywell | 15523 | Normalization |
Heparin | Sigma-Aldrich | SI-H3149 | Polysome profile |
HiScript III RT SuperMix for qPCR kit | Vazyme | R323-01 | Normalization |
KCl | J.T.Baker | 3040-01 | Polysome profile |
MgCl2 | Sigma-Aldrich | SI-M8266 | Polysome profile |
MS basal medium | Phyto | M524 | Plant culture |
Peak Chart Syringe Pump | Brandel | SYN4007LS | Polysome profile |
Polyoxyethylene-10-Tridecyl-Ether (PTE) | Sigma-Aldrich | P2393 | Polysome profile |
RNasin | Promega | N251B | Polysome profile |
Sodium deoxycholate (DOC) | Sigma-Aldrich | SI-D6750 | Polysome profile |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S5391 | Polysome profile |
SYBR Green Supermix | Bio-Rad | BP170-8882 | Normalization |
TRI reagent | MRC | TR118 | RNA extraction |
Tris-HCl | J.T.Baker | 4109-06 | Polysome profile |
Ultracentrifuge | Beckman Coulter | Optima L-100K | ultracentrifugation |
UV/VISDETECTOR | Brandel | UA-6 | Polysome profile |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved