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Method Article
이 연구는 완보동물 Hypsibius exemplaris 에서 유전자 발현을 분석하기 위한 신속한 RNA 추출 및 전사체 수준 비교 방법을 제시합니다.물리적 용해를 사용하는 이 고처리량 방법은 출발 물질로 단일 완보동물을 필요로 하며 그 결과 정량적 역전사 중합효소 연쇄 반응(qRT-PCR)을 위한 cDNA를 강력하게 생산할 수 있습니다.
완보동물인 Hypsibius exemplaris 는 극한의 환경에서도 살아남을 수 있는 능력으로 유명한 새로운 모델 유기체입니다. 이러한 극한내성의 분자 메커니즘과 유전적 기초를 탐구하기 위해 많은 연구에서 대규모 코호트에서 개별 동물에 이르는 집단에서 수행할 수 있는 RNA 염기서열 분석(RNA-seq)에 의존하고 있습니다. 역전사 중합효소연쇄반응(RT-PCR) 및 RNA 간섭(RNAi)은 이후 RNA-seq 결과를 확인하고 후보 유전자에 대한 유전적 요구 사항을 각각 평가하는 데 사용됩니다. 이러한 연구에는 정량적 RT-PCR(qRT-PCR)에 의한 RNA 추출 및 상대 전사체 수준 측정을 위한 효율적이고 정확하며 경제적인 방법이 필요합니다. 이 연구는 개별 완보동물에서 RNA를 안정적으로 분리할 뿐만 아니라 각 추출에 필요한 시간과 비용을 줄이는 효율적인 단일 완보동물, 단일 튜브 RNA 추출 방법(STST)을 제시합니다. 이 RNA 추출 방법은 정량적 PCR(qRT-PCR)에 의해 여러 전사체를 증폭하고 검출하는 데 사용할 수 있는 cDNA의 양을 생성합니다. 이 방법은 열 충격 조절 단백질인 Heat-Shock Protein 70 β2(HSP70 β2)와 Heat-Shock Protein 90α(HSP90α)의 두 가지 단백질을 암호화하는 유전자의 발현의 동적 변화를 분석하여 검증되었으며, qRT-PCR을 사용하여 열에 노출된 개인의 상대적 발현 수준을 평가할 수 있습니다. STST는 기존의 벌크 및 단일 완보동물 RNA 추출 방법을 효과적으로 보완하여 qRT-PCR에 의한 개별 완보동물 전사 수준을 빠르고 저렴하게 검사할 수 있습니다.
완보동물은 대부분의 다른 형태의 생명체에게 치명적인 극한 조건에서 살아남는 능력으로 유명한 작은 다세포 동물입니다1. 예를 들어,이 동물들은 인간에게 치명적인 전리 방사선 선량의 거의 1000 배에서 살아남을 수 있습니다 2,3,4,5,6,7,8,9,10, 거의 완전한 건조 11,12,13,14,15, 첨가되지 않은 경우 동결 동결 보호제 16,17,18, 그리고 건조 상태에서는 공간의 진공 19,20도 있습니다. 극한 환경에서 생존할 수 있는 독특한 능력으로 인해 이 동물들은 복잡한 다세포 유기체의 극한 내성을 이해하기 위한 기본 모델이 되었습니다 1,21,22,23.
형질전환 및 생식세포 유전자 변형을 포함하여 이 놀라운 동물의 안정적인 유전자 조작은 최근까지 파악하기 어려웠습니다24,25. 따라서 극한내성의 분자 메커니즘을 밝히기 위한 대부분의 실험은 RNA 염기서열분석을 통한 전사 프로파일링을 통해 수행됩니다. 방사선 8,9,26,27,28, 열 스트레스 29, 동결 스트레스12 및 건조 27,30,31,32,33에 이르기까지 다양한 극한 조건에서 완보동물에 대한 많은 가치 있고 유익한 RNA 염기서열분석 데이터 세트가 존재합니다. 이러한 연구 중 일부는 극한내성에 대한 분자적 이해를 조명하기 위해 벌크 RNA 추출 및 정제 방법을 활용했습니다. 그러나 많은 동물에서 RNA 전사체를 대량으로 추출하면 개체 간의 유전자 발현 변이를 분석할 수 없으므로 보다 정제된 데이터 세트의 잠재적인 풍부함을 놓칠 수 있습니다. 중요한 것은 이러한 연구가 종종 환경 스트레스 요인에서 살아남은 동물과 그렇지 않은 동물을 모두 포함하는 이질적인 동물 개체군을 분석한다는 것입니다. 따라서 이러한 연구는 잠재적으로 극적으로 다른 여러 반응 상태의 발현 데이터를 평균화함으로써 혼동을 일으킵니다. 이 문제를 해결하기 위해 Arakawa et al., 201634는 RNA 추출 키트를 적용한 다음 단일34,35,36 또는 여러30,37,38 동물을 입력으로 사용하여 선형 PCR 증폭 단계를 적용하는 우아한 저입력 RNA-seq 파이프라인을 개발했습니다. 이러한 연구는 완보동물의 극한내성22에 대한 이해의 기초가 되었다. 흥미롭게도, 이 프로토콜은 7마리의 동물을 출발 물질로 사용하여 qRT-PCR에도 적용되었습니다24.
대부분의 모델 유기체에서 RNA-seq를 통해 잠재적 표적을 식별한 후 qRT-PCR을 수행하여 RNA-seq에 의해 식별된 전사 변화를 확인하고 고분해능 방식으로 후보 유전자의 발현 시간 경과를 평가합니다. 확인된 유전자의 기능을 테스트하기 위해 이러한 연구 후에는 종종 분자 표적39,40의 RNAi 매개 녹다운과 극한 내성 용량12,41 분석이 뒤따릅니다. 각 RNAi knockdown의 효능은 일반적으로 transcript 풍부도의 감소를 직접 모니터링하여 qRT-PCR에 의해 확인됩니다. 그러나 RNAi는 각 dsRNA가 개체의 수동 미세주입을 통해 전달되어야 하기 때문에 완보동물에서 노동 집약적인 과정입니다 39,40. 이 전략의 낮은 처리량 특성으로 인해 단일 동물에서 qRT-PCR에 맞게 조정된 빠르고 저렴한 RNA 추출 방법은 완보동물 연구에 매우 유용할 것입니다. 이전 방법은 단일 완보동물에서 RNA를 추출하기 위해 개발되었지만, 이러한 프로토콜은 추출을 qRT-PCR과 결합하지 않고 대신 광학 밀도 기반 방법 12,40,41에 의존했습니다. 이러한 과제에 동기를 부여받은 당사는 단일 H. exemplaris에서 qRT-PCR에 사용할 수 있는 RNA를 양과 질로 안정적으로 생성하는 프로토콜을 개발하고자 했습니다.
Caenorhabditis elegans42를 위해 개발된 단일 동물 RNA 추출 프로토콜에서 채택된 STST는 H. exemplaris에 최적화되어 있습니다. 추출 방법은 6개의 빠른 동결-해동 단계로 구성되며, 큐티클을 물리적으로 파괴하여 RNA 추출 및 후속 cDNA 합성을 가능하게 합니다. STST 방법은 Boothby, 201843에 설명된 바와 같이 벌크 RNA 추출 방법에 비해 추출 시간을 24배 이상 단축하고, Arakawa et al., 201634에 설명된 바와 같이 단일 완보동물 RNA 추출 키트에 비해 추출 시간을 30% 단축합니다. 또한 RNA 추출 키트 제제에 비해 샘플-실험자 상호 작용 횟수가 5회에서 1회로 감소하여 외인성 리보뉴클레아제에 의한 오염 위험이 줄어듭니다. 고도로 발현된 유전자를 쿼리할 때 STST 방법은 단일 완보동물당 25개의 정량적 RT-PCR 반응에 충분한 cDNA를 생성하며, 반응당 총 25μL cDNA 부피 중 1μL만 필요합니다. 그러나 주형 농도는 더 낮은 존재비 전사체에 대해 경험적으로 결정되어야 합니다.
35°C에서 20분간 단기간 열충격에 대응하여 열충격단백질-90α(HSP90α)와 열충격단백질70β2(HSP70β2)를 암호화하는 유전자의 차등발현을 조사하여 유전자 발현의 동적 변화를 분석하는 STST 방법의 효능을 평가하였다. 대부분의 진핵생물에서 HSP70β2와 HSP90α는 모두 단기간의 열충격에 노출(20분)된 후 빠르게 상향 조절됩니다42. H. exemplaris 에 대한 분석은 단일 열처리된 완보동물에서 추출한 HSP70β2 및 HSP90α 인코딩 RNA가 모두 단기간의 열 노출 후 통계적으로 유의한 발현 증가를 보였다는 것을 밝혔습니다. 이러한 결과는 STST 프로토콜이 시간이 지남에 따라 개별 동물의 유전자 발현의 동적 변화를 분석하는 데 사용될 수 있음을 보여줍니다.
STST 추출 방법은 빠르고 저렴한 RNA 추출과 qRT-PCR에 의한 전사체 수준의 후속 비교를 용이하게 함으로써 RNA-seq와 같은 기존 실험 방법을 보완해야 합니다. 이 방법은 또한 광학 밀도만 사용하는 것보다 수동으로 주입한 개체에서 RNAi의 효율성과 침투도를 정량적으로 평가하는 데 유용할 것입니다. 마지막으로, 이들의 유사한 표피 구조와 신체적 특성으로 인해, 이 방법은 다른 완보동물 종의 유전자 발현을 분석하는 데에도 효과적일 것으로 보인다44.
그림 1: 단일 완보동물에서 RNA 추출을 위한 단일 튜브 파이프라인. (A) 6번의 동결-해동 주기 및 후속 cDNA 합성을 포함하여 단일 완보동물에서 RNA를 추출하기 위한 프로토콜을 보여주는 계획. 샘플은 이후에 RT-PCR 및 qRT-PCR에 사용될 수 있습니다. (B) 수분 제거에 사용되는 마이크로피펫 테이퍼의 이미지. 눈금 막대 : 2mm. (C) 소량의 물에서 완보동물의 명시야 이미지 (점선). 성공적인 추출을 위해 표시된 정도까지 대부분의 수분을 제거해야 하며 용해 완충액의 희석을 방지할 수 있습니다. 눈금 막대 : 50 μm. (D) 샘플을 안전하게 빠르게 동결-해동하기 위해 긴 집게를 사용하여 샘플을 액체 질소에 담그는 모습을 보여주는 이미지. 일부 콘텐츠는 BioRender에서 제작되었습니다. Kirk, M. (2022) BioRender.com/d93s511 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
참고: 그림 1A는 절차의 개략도를 보여줍니다. 완보동물 및 조류 배양 절차에 대한 자세한 내용은 이전에 발표된 보고서 45,46,47을 참조하십시오.
1. 용천수 살균
2. 유리 마이크로 피펫 당기기(피펫 풀러 사용)
3. 유리 마이크로피펫 당기기(피펫 풀러 없이)
4. RNA 적출
5. cDNA 종합
6. qPCR
7. 정량화 및 결과 해석
single-tardigrade RNA 추출의 개발 및 최적화
완보동물에서 RNA 추출을 위해 Ly et al., 201542 의 프로토콜을 채택한 STST 시스템은 제제의 양과 품질을 극대화하도록 최적화되었습니다(그림 1A). RT-PCR은 액틴 전사체에 대해 수행되었으며, 엑손 1 및 2에 걸쳐 527bp 영역을 증폭하여 전사체 수율을 정량화했습니다(이러한 프라이머?...
이 연구는 단일 완보 qRT-PCR에 대한 RNA를 추출하는 효율적인 방법을 제시합니다. STST 방법론을 기존 단일 완보동물 RNA 추출 키트와 직접 비교한 결과, STST RNA 추출은 >200배 더 많은 양의 액틴 RNA 전사체를 산출하고, 시료당 비용을 1달러 미만으로 줄이며, 추출에 필요한 시간을 30% 단축하는 것으로 나타났습니다. 관련 생물학적 질문에 STST를 적용하기 위해 단기 열-충격 반응 ...
저자는 공개할 이해 상충이 없음을 선언합니다.
우리는 NIH Ruth Kirschstein Fellowship # 5F32AG081056-02와 Molly J. Kirk 박사를 지원한 Errett Fisher Post-Doctoral Fellowship, Chaoming Xu를 지원한 Crowe Family Fellowship, 이러한 연구 노력을 지원한 University of California, Santa Barbara Academic Senate Grant 및 NIH 보조금 #R01GM143771 및 #2R01HD081266에 감사드립니다. 저자는 또한 캘리포니아 대학, 산타 바바라 및 캘리포니아 대학, 대통령 사무실의 지원을 받는 캘리포니아 NanoSystems 학회 내의 생물학 Nanostructures 실험실의 사용을 인정합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 µL Premium Barrier Tips Low Binding, Racked, Sterile | Genesee Scientific | 23-401 | Refered to as Sterile Filter-Tipped P 10 Pipette Tips |
1000 µL Premium Pipet Tips, Low Binding, Racked, Sterile | Genesee Scientific | 23-165RS | Refered to as Sterile Filter-Tipped P 1000 Pipette Tips |
200 µL Premium Barrier Tips Low Binding, Racked, Sterile | Genesee Scientific | 23-412 | Refered to as Sterile Filter-Tipped P 200 Pipette Tips |
4 Star Straight Strong Medium Point Tweezer | Excelta | 00-SA-DC | Refered to as Long forceps |
96-Well PCR Rack with Lid Assorted, 5 Racks/Unit | Genesee Scientific | 27-202A | Refered to as PCR Rack |
Andwin Scientific 3M LEAD FREE AUTOCLAVE TAPE 1" | Thermo Fisher Scientific | NC0802040 | Refered to as Autoclave Tape |
Autoclave Tape | Thermo Fisher Scientific | AB1170 | Refered to as PCR Plate Seals |
Benchling v8 | Benchling | N/A | Refered to as Benchling |
BioRadHard-Shell 96-Well PCR Plate | BioRad | HSS9641 | Refered to as PCR Plate |
BULWARK FR Lab Coat: | Grainger | 26CF64 | Refered to as Lab Coat |
C1000 Touch Bio-rad Thermocycler | BioRad | 1851148 | Refered to as Thermocycler |
C1000 Touch Bio-rad Thermocycler with CFX Optics Module | BioRad | 1845097 | Refered to as qPCR thermocycler |
Chloroccoccum hypnosporum. | Carolina | 152091 | Refered to as Algae |
Corning PYREX Reusable Media Storage Bottles | Thermo Fisher Scientific | 06-414-1E | Refered to as 2 L Autoclave-safe Glass Bottle |
Daigger & Company Vortex-Genie 2 Laboratory Mixer | Thermo Fisher Scientific | 3030A | Refered to as Vortexer |
Direct-zol Micro Prep | Zymo Research | R2060 | Refered to as RNA extraction kit |
Dumont 5 Biology Tweezers | Fine Science Tools | 11254-20 | Refered to as Fine Forceps |
EDTA | Fisher Scientific | S311-500 | Refered to as EDTA |
FIJI v 2.14.0/1.54f | ImageJ, | N/A | Refered to as FIJI/ImageJ |
Filament for pippette Puller | Tritech Research | PC-10H | Refered to as Filament |
Fisherbrand Economy Impact Goggles | Fisher Scientific | 19-181-501 | Refered to as Splash Goggles |
Glass Micropipette O.D. 1mm ID 0.58, Length 10 cm | TriTech Research | GD-1 | Reffered to as glass micropipette |
Hypsibius exemplaris Z151 Strain | Carolina | 133960 | Refered to as Tardigrades or H. exemplaris |
Liquid Nitrogen Dewar 1 L | Agar Scientific | AGB7475 | Refered to as Cryo-safe container |
Maxima H Minus First Strand cDNA Synthesis Kit | Thermo Fisher Scientific | K1651 | Refered to as cDNA Synthesis Master Mix |
Narishige Dual-Stage Glass Micropipette Puller | Tritech Research | PC-10 | Refered to as micropipette puller |
Nitrile Gloves | Fisher Scientific | 17-000-314 | Refered to as Nitrile Gloves |
PETRI DISH, PS, 35/10 mm, WITH VENTS | Grenier | 627102 | Refered to as 35 mm Petri dish |
PIPETMAN P10, 1–10 µL, Metal Ejector | Gilson | F144055M | Refered to as P 10 Pipette |
PIPETMAN P1000, 100–1000 µL, Metal Ejector | Gilson | F144059M | Refered to as P 1000 Pipette |
PIPETMAN P200, 20–200 µL, Metal Ejector | Gilson | F144058M | Refered to as P 200 Pipette |
Pound This 4-Color Modeling Clay | American Science Surplus | 96517P001 | Refered to as Clay |
Prism v10.0 | GraphPad | N/A | Refered to a Prism |
RNAse-Free, 8 Strip 0.2 mL PCR Tubes with caps | Invitrogen | AM12230 | Refered to as Sterile PCR Tube |
RNasin Ribonuclease Inhibitor | Promega | N2111 | Refered to as RNAse inhibitor |
Spring water | Nestle Pure Life | 44221229 | Refered to as Spring Water |
SsoAdvanced Universal SYBR Green Supermix | BIO RAD | 1725271 | Refered to as Indicator Dye Super mix |
Stereo-Microscope System w/optics and illumination | TriTech Research | SMT1 | Refered to as Dissecting Microscope |
Supertek Scientific Tirrill Burners | Thermo Fisher Scientific | S09572B | Refered to as Bunsen Burner |
Table Top Centrifuge | Qualitron | DW-41-115-NEW | Refered to as Table Top Centrifuge |
Tempshield Cryo-Gloves | Fisher Scientific | 11-394-305 | Refered to as Cryo Gloves |
Thermo Scientific Nunc Petri Dishes | Thermo Fisher Scientific | 08-757-099 | Refered to as 100 mm Petri dish |
Tris base | Fisher Scientific | T395-500 | Refered to as Tris or Tris Base |
Triton X-100 | Fluka | 93443 | Refered to as Detergent 1 |
TWEEN 20 | Sigma aldrich | P1379-500 | Refered to as Detergent 2 |
Water - PCR/RT-PCR certified, nuclease-free | Growcells | PCPW-0500 | Refered to as Sterile Nuclease Free Water |
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