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Method Article
이 프로토콜은 고처리량 염기서열분석을 위해 챔버 슬라이드에서 성장한 녹농 균 생물막에서 RNA를 분리하는 방법을 제시합니다.
녹농균(Pseudomonas aeruginosa )은 낭포성 섬유증(CF) 환자의 기도에 감염을 일으키는 기회감염성 세균 병원체입니다. 녹농균(P. aeruginosa )은 외다당류 매트릭스로 보호되는 생물막을 형성하는 능력으로 알려져 있습니다. 이 매트릭스를 통해 미생물은 항생제 치료를 포함한 외부 요인에 대해 더 탄력적으로 대처할 수 있습니다. 연구를 위한 생물막 성장의 가장 일반적인 방법 중 하나는 마이크로타이터 플레이트 또는 챔버 슬라이드입니다. 이러한 시스템의 장점은 여러 성장 조건을 테스트할 수 있다는 것이지만 RNA 추출을 위해 제한된 양의 생물막을 생성한다는 단점이 있습니다. 이 기사의 목적은 고처리량 염기서열분석을 위해 충분한 품질과 양의 소량의 생물막에서 총 RNA를 추출하는 방법에 대한 자세한 단계별 프로토콜을 제공하는 것입니다. 이 프로토콜은 이러한 생물막 시스템 내에서 유전자 발현을 연구할 수 있게 해줍니다.
낭포성 섬유증(CF) 환자의 폐 감염 및 보철물 관련 감염과 같은 대부분의 만성 세균 감염은 생물막 내 유기체의 성장을 특징으로 합니다. 생물막(biofilm)1 은 주로 다당류(polysaccharides)2로 구성된 기질(matrix)에 둘러싸인 박테리아 군집이다. 생물막 내의 박테리아는 천천히 성장하고, 대사적으로 휴면 상태일 수 있으며, 혐기성, 저산소 상태일 수 있습니다. 생물막은 항생제 침투 감소, 약물 유출 펌프의 발현 증가, 세포 분열 감소와 같은 요인으로 인해 항생제에 대한 내성이 더 강합니다3. 이러한 이유와 다른 이유로 그들은 큰 연구 관심사입니다.
CF 환자에서 만성 녹농균 감염과 같은 지속적인 감염을 정확하게 연구하기 위해서는 생물막 형성에서 볼 수 있는 성장 조건을 체외에서 정확하게 반영해야 합니다. 일반적인 고처리량 방법은 챔버 슬라이드 또는 마이크로타이터 플레이트에서 성장시키고 컨포칼현미경 4으로 생물막 형성을 모니터링하는 것입니다. 플랑크톤 또는 자유 부유 박테리아 생활 방식에서 생물막 박테리아 생활 방식으로의 전환에서 핵심 조절자는 2차 전달자인 cyclic-di-GMP5인 것으로 알려져 있습니다. 증가된 cyclic-di-GMP 수준은 biofilm 성장을 촉진하는 특정 유전자의 발현을 증가합니다. 작은 비코딩 조절 RNA와 정족수 감지도 생물막 형성 조절에 중요한 역할을 합니다5. 추출된 박테리아 RNA를 염기서열분석(sequencing)하여 생물막 유전자 발현을 측정하는 것은 까다로울 수 있습니다. 예를 들어, 녹농균(P. aeruginosa)은 3개의 외다당류(Psl, Pel 및 알긴산)를 생성하며, 이는 생물막에서 상당한 양으로 생산됩니다 6,7. 이러한 다당류는 RNA 추출 및 정제를 방해하여 낮은 수준의 박테리아 mRNA8을 포함하는 불순한 제제를 유발할 수 있습니다. 시판되는 RNA 추출 키트는 플랑크톤 박테리아 배양물에서 고품질 RNA를 생산할 수 있지만 생물막 배양물에서는 잘 작동하지 않을 수 있습니다 9,10,11. 생물막에서 작동한다고 주장하는 몇 가지 상업용 RNA 추출 키트가 있으며, 그 중 하나는 이 방법과 함께 사용합니다.
이 원고에서는 챔버 슬라이드에서 녹농균 생물막을 성장시키고 고처리량 염기서열분석을 위해 박테리아 mRNA를 추출하는 절차를 설명합니다12,13. CF 환자의 객담 샘플에서 채취한 임상 분리물을 활용하여 이러한 방법이 다양한 성장 특성을 가진 분리물에 사용될 수 있음을 입증합니다. 이전 간행물과 비교하여 이 프로토콜은 박테리아 생물막 유전자 발현 11,14,15,16 연구에서 더 나은 성공을 거둘 수 있도록 자세히 설명되어 있습니다.
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연구 윤리 위원회(Research Ethics Board, REB)는 인간 피험자로부터 가래 샘플을 수집하고 처리하는 데 필요합니다. 이 연구는 Hospital for Sick Children(REB#1000019444)의 승인을 받았습니다. 연구 윤리 위원회(Research Ethics Board, REB)는 인간 피험자로부터 가래 샘플을 수집하고 보관해야 합니다. 이 연구는 Hospital for Sick Children REB#1000058579의 승인을 받았습니다.
1. 생물막 형성
2. 생물막 회복
참고: 각 유리 슬라이드에는 8개의 개별 웰이 있습니다. 단일 샘플은17개의 풀링될 생물막이 있는 4개의 웰로 구성됩니다. 이 추출 프로토콜은 한 번에 2개의 웰에서 생물막을 회수하는 1개의 샘플(4웰)에 대한 것입니다. RNA 추출은 비드 박동 단계(bead beating step)와 컬럼 기반 클린업(column-based cleanup)을 포함한 상용 RNA 추출 키트를 사용하여 수행됩니다. 시약 준비에 대한 제조업체의 지침을 따르십시오.
3. 전체 RNA 분리 및 품질 평가
참고: RNA 추출은 생물막에서 작동한다고 주장하는 상용 RNA 추출 키트를 사용하여 수행됩니다. 개별 구성 요소는 가능한 경우 재료 표에 포함되어 있습니다. 가능한 경우 각 정제 단계의 메커니즘에 대한 설명이 제공됩니다.
4. 리보솜 RNA 고갈 및 고처리량 염기서열분석
5. 염기서열분석 판독의 품질 평가
참고 : 무료 오픈 소스 플랫폼인 Galaxy27을 통해 무료로 제공되는 프로그램인 FastQC26을 사용하여 염기서열분석 판독의 품질을 확인하십시오.
6. 염기서열분석 판독 매핑
참고 : RNA-seq 데이터에 대한 어댑터 트리밍 및 읽기 매핑을 위한 기본 파이프라인이 나열되어 있습니다. 어댑터 시퀀스는 Trimmomatic28을 사용하여 읽기에서 트리밍됩니다. 트리밍된 리드는 BWA30 및 Samtools31을 사용하여 NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)29에서 얻은 P. aeruginosa PAO1 참조 게놈(NC_002516.2)에 매핑됩니다. 단순화를 위해 한 쌍의 읽기를 PA_1.fq 및 PA_2.fq라고 합니다. 트리밍할 어댑터 읽기 파일을 adapter.fa라고 합니다. PAO1 참조 시퀀스는 PAO1.fasta라고 합니다. 모든 도구는 오픈 소스이며 UNIX/LINUX 환경에서 실행됩니다. 이러한 명령을 실행하기 위해 UNIX/LINUX의 기본 사항을 숙지하는 것이 좋습니다.
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이 방법의 일반적인 개요는 그림 1에 나와 있습니다. 이전에는 8웰 챔버 슬라이드를 사용하여 녹농균 생물막을 성장시키고 항생제에 노출시킨 후 다른 시점에서 컨포칼 현미경을 통해 검사했습니다12,13. 이 방법은 처리 후 유전자 발현 변화를 연구하기 위해 이 시스템에서 성장한 생물막에서 총 RNA?...
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총 RNA는 17개의 서로 다른 박테리아 생물막 샘플에서 3배로 성공적으로 추출되어 총 51개의 샘플을 생성합니다. 49개의 RNA 라이브러리가 풀링되고 성공적으로 염기서열 분석됩니다. 전반적으로, 이는 샘플의 절반 이상이 함량이 낮고 최적이 아닌 품질인 것으로 간주됨에도 불구하고 96%의 성공률로 품질 기준을 입증합니다(34,35,36,37).<...
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저자는 선언할 공개 사항이 없습니다.
저자 기여: P.W., Y.Y. 및 V.W가 연구 개념화에 참여했습니다. K.G., L.J., A.M. 및 P.W.는 실험실 프로토콜을 최적화했습니다. K.G.를 위한 기금은 BioTalent Canada를 통한 Student Work Placement Program 보조금으로 지원되었습니다.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agilent 2100 Bioanalyzer | Agilent | G2939BA | Automated electrophoresis of biomolecules |
Agilent RNA 6000 pico kit | Agilent | 5067-1513 | High sensitivity RNA electrophoresis chip to generate a RIN |
DNA/RNA Lysis Buffer | Zymo Research | D7001-1-50 | A guanidinium thiocyanate and N-Lauroylsarcosine-based lysis buffer sold as part of a nucleic acid purification kit |
DNA/RNA Prep Buffer | Zymo Research | D7010-2-10 | A guanidine HCl and ethanol buffer used for purification of DNA and RNA |
DNA/RNA Shield | Zymo Research | R1100-50 | DNA and RNA preservation/protection reagent |
DNA/RNA Wash Buffer | Zymo Research | D7010-3-6 | A salt and ethanol buffer used for purification of DNA and RNA |
DNBSEQ G-400RS | MGI | G-400RS | High throughput sequencer |
MGIEasy RNA Directional Library Prep Set | MGI | 1000006386 | Generate libraries for MGI high-throughput sequencing platforms from total RNA. |
Mini-Beadbeater-96 | BioSpec | 1001 | A high energy, high throughput cell disrupter |
NEBNext rRNA Depletion Kit (bacteria) | New England Biolabs | E7850X | Efficient and specific depletion of bacterial rRNA (5S, 16S, 23S) |
Nunc Lab-Tek II chamber slide system | Thermo Fisher Scientific | 154534 | 8-well chamber slide with removable wells |
Qubit Fluorometer | Thermo Fisher Scientific | Q33238 | Fluorometer for DNA, RNA and proteins |
Qubit RNA HS Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | Q32852 | High sensitivity fluorometric assay to measure RNA concentration |
Spin-Away Filters | Zymo Research | C1006-50-F | Silica-based spin column primarily used to bind or remove genomic DNA |
Sterile inoculation loops, 1 uL | Sarstedt | 86.1567.050 | Sterile, disposable inoculation loops for manipulation of microorganisms |
ZR BashingBead Lysis tubes | Zymo Research | S6003-50 | 2 mL tubes containing 0.1 and 0.5 mm bead lysis matrix for homogenizing biological samples |
Zymo Spin IIICG Columns | Zymo Research | C1006-50-G | Silica-based spin column for purification of DNA and RNA |
Zymo-Spin III-HRC Filters | Zymo Research | C1058-50 | Remove inhibitors such as polyphenolic compounds, humic/fulvic acids, tannins, melanin, etc. |
Zymobiomics DNA/RNA Miniprep kit | Zymo Research | R2002 | DNA and RNA dual extraction kit |
Zymobiomics HRC Prep solution | Zymo Research | D4300-7-30 | To be used with Zymo-Spin III-HRC Filters to remove PCR inhibitors |
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