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Method Article
여기에 제시된 프로토콜은 리보솜과 관련된 mRNA인 translatome을 자당 밀도 구배 원심분리 를 통해 애기장대 에서 비폴리솜 및 폴리솜 RNA로 분리하기 위한 폴리솜 프로파일링을 포함합니다. 이 방법은 열 스트레스 애기장대(heat-stressed Arabidopsis)의 번역 효율성을 보여줍니다.
열 스트레스 하에서 서로 다른 유전자의 번역 제어는 식물이 환경에 적응하는 데 중요한 단계입니다. 다양한 유전자의 번역 활동을 평가하면 식물 회복력의 기저에 있는 분자 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 지구 기후 변화에 직면하여 스트레스 내성이 향상된 작물 개발에 기여할 수 있습니다. 이 논문은 열 스트레스에 노출된 식물에서 폴리좀 프로파일링을 통해 translation efficiency를 평가하는 자세한 방법론을 제시합니다. 절차는 애기장대에 대한 열 스트레스 처리, 폴리좀 프로파일을 사용한 translation efficiency test, profile을 기반으로 non-polysomal 및 polysomal RNA를 분리하여 translation efficiency 계산의 세 부분으로 나뉩니다. 첫 번째 부분에서, 애기장대(Arabidopsis) 식물은 환경 문제를 모방하기 위해 제어된 열 스트레스 조건에 노출됩니다. 이 처리에는 지정된 기간 동안 식물을 고온에 노출시켜 일관되고 재현 가능한 응력 유도를 보장하는 것이 포함됩니다. 이 단계는 열 스트레스에 대한 식물의 생리학적 및 분자적 반응을 연구하는 데 중요합니다. 두 번째 부분은 폴리솜 프로파일링을 사용한 번역 효율성 테스트입니다. 폴리좀은 리보솜 로딩을 기반으로 mRNA를 분리하는 자당 구배 원심분리를 통해 추출됩니다. 이를 통해 mRNA의 리보솜 점유를 검사할 수 있으며, 스트레스 조건에서 번역 제어 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 세 번째 부분에서, RNA는 폴리솜 및 비폴리솜 분획 모두에서 분리됩니다. Spike-in RNA는 각 분획에서 RNA의 양을 정확하게 측정하는 데 사용됩니다. translation efficiency의 계산은 정상 및 열 스트레스 조건에서 이러한 분획에 걸친 mRNA의 분포를 비교하여 수행됩니다. 특정 유전자의 번역 활성은 리보솜 관련 RNA 및 총 RNA로 정량적 Real-Time PCR(qRT-PCR)을 수행하여 추가로 평가됩니다. 이 방법론은 열 스트레스의 영향에만 전적으로 초점을 맞추며, 식물의 병진 조절을 분석하기 위한 자세한 프로토콜을 제공합니다.
번역은 유기체가 mRNA에서 기능성 단백질을 합성하여 필수 세포 기능과 신진대사 및 신호 전달과 같은 생물학적 과정을 지원하고 스트레스 반응을 가능하게 하는 데 매우 중요합니다. 번역이 없으면 세포는 중요한 단백질을 생산할 수 없어 세포의 구조, 기능 및 조절에 영향을 미쳐 생명 유지에 영향을 미치고 생물 다양성을 육성합니다 1,2. 따라서 식물의 번역 효율성을 연구하는 것이 중요합니다. 번역에는 몇 가지 필수 단계가 포함됩니다. 첫째, 개시는 mRNA가 리보솜에 결합할 때 발생하며, 진핵생물의 eIF와 같은 개시 인자에 의해 촉진되며, 이는 일반적으로 AUG의 시작 코돈을 식별합니다. 다음으로, 각각 특정 아미노산을 운반하는 전달 RNA(tRNA) 분자가 리보솜에 순차적으로 결합하면서 신장이 진행됩니다. 펩타이드 결합은 인접한 아미노산 사이에 형성되어 mRNA 염기서열에 따라 폴리펩티드 사슬을 연장합니다. 마지막으로, 종결은 리보솜이 새로 합성된 단백질을 방출하도록 유도하는 방출 인자에 의해 인식되는 정지 코돈(UAA, UAG 또는 UGA)을 만나면 시작됩니다. 번역 전반에 걸쳐 다양한 진핵생물 시작 인자(eIF), 신장 인자 및 리보솜 RNA가 함께 작용하여 정확성과 효율성을 보장합니다 3,4.
이전 연구에 따르면 번역 후 수정은 eIF 간의 상호 작용을 조절하는 데 중요한 역할을 하여 번역 효율성에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 시험관 내 연구에 따르면 CASEIN KINASE 2 (CK2) kinase는 eIF3c, eIF5 및 eIF2β를 인산화하여 서로 간의 상호 작용 및 eIF1과의 상호 작용을 증가시킵니다 5,6. 어두운 곳에서 E3 리가아제 COP1(CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1)은 S6K-RPS6의 TOR 매개 인산화를 억제하여 번역을 억제합니다. 비인산화된 RPS6는 기능성 리보솜을 형성할 수 없어 번역을 중단시킨다7. 반대로, 조명 조건에서 SUPPRESSOR OF PHYA 105(SPA1) 키나아제는 eIF2α를 인산화하여 eIF2 복합체 조립을 촉진하고 번역 시작을 촉진합니다8. 이러한 발견은 환경 신호에 대한 반응으로 번역을 조절하는 복잡한 제어 메커니즘을 강조합니다.
적당한 환경 자극은 광형성(photomorphogenesis) 8,9과 같은 성장을 촉진하기 위한 번역 과정을 효과적으로 촉진할 수 있다. 그러나 환경적 요인이 과도할 경우, 움직이지 않는 식물은 환경적 스트레스로 인한 피해를 완화하기 위해 적절한 조절 메커니즘을 진화시켜야 한다10. 식물 스트레스 반응과 관련된 이전 연구에서 대다수는 대사, 호르몬 및 전사 수준에서의 조절에 초점을 맞췄습니다 11,12,13,14. 그러나 최근의 연구는 병진 조절이 식물 스트레스 내성에 미치는 영향을 강조하기 시작했다 15,16,17. 식물은 병진 효율을 줄여 응력 내성을 높일 수 있으며, 이를 통해 불필요한 에너지 소비를 최소화할 수 있습니다. 식물 세포에서 비막성 스트레스 과립의 형성으로 인해, 번역되지 않은 mRNA 및 관련 단백질이 그 안에 응집되어 번역 효율을 감소시킨다18. 식물이 자주 직면하는 일반적인 환경 스트레스 중 하나는 열 스트레스이며, 이는 식물 세포 내에서 스트레스 과립의 형성을 유도하는 것으로 보고되었습니다19,20. 지구 온난화로 인한 전 세계 평균 기온 상승은 작물 수확량에 심각한 영향을 미친다21. 따라서 열 스트레스를 받는 식물의 생리적 조절을 연구하는 것이 중요합니다. 이전 연구에 따르면 밀의 열처리는 폴리솜 결합 mRNA의 감소를 초래했습니다. 그러나, 스트레스 과립에 저장된 mRNA는 방출되어 리보솜에 재결합되어, 회수 후 번역을 용이하게 하였다22. 또한, 이전 연구에서는 수중 식물에서 총 mRNA와 폴리솜 결합 mRNA 사이의 유전자 발현을 비교했습니다16. 그 결과, 앱시스산(abscisic acid) 및 비생물적 스트레스 반응(abiotic stress response)과 관련된 mRNA의 정상 상태 수준이 침수 후 약간 증가한 것으로 나타났습니다. 또한, 폴리솜 결합 mRNA의 양이 크게 증가했습니다. 이러한 결과는 번역 조절이 식물의 응력 내성을 제어하는 데 더 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 따라서 효과적인 폴리솜 RNA 분리 방법은 스트레스 처리된 샘플의 translatome을 연구하는 데 매우 중요합니다.
이 프로토콜에서는 RNA 분리 방법을 LiCl 침전 방법을 사용한 고위험 및 부피 페놀/클로로포름 추출에서 부피가 적은 소규모 페놀/구아니디늄 티오시아네이트 추출 방법으로 수정했습니다. 전자의 방법은 폴리솜 분획과 직접 혼합하는 것을 포함하며, 이로 인해 더 큰 실험 폐기물이 발생한다 9,15,23. 대조적으로, 이 수정된 접근법은 차등 밀도 원칙을 활용합니다: 폴리솜 RNA는 먼저 고염, 무설탕 용액과 혼합된 다음 초원심분리에 의해 침전됩니다. 그 후, RNA 추출은 소량의 페놀/구아니디늄 티오시아네이트 시약을 사용하여 수행됩니다. 이 방법은 유기 폐기물의 생성을 효과적으로 줄여 실험을 보다 환경 친화적으로 만듭니다. 또한 사용되는 유기 용제는 독성이 낮습니다. 이러한 이유로 우리는 그에 따라 실험 절차를 조정하고 개선하게 되었습니다. 또한 이전 방법은 보다 심층적인 translatomic 분석에 필수적인 spike-in normalization을 사용하여 번역 효율성을 계산하기 위한 포괄적인 프로토콜을 제공하지 않았습니다.
여기에서는 열 충격 스트레스 하에서 애기장대에서 번역 효율성 및 translatomic 분석을 조사하기 위한 폴리솜 프로파일링 및 폴리솜 RNA 분리 프로토콜에 대해 설명합니다. 이 프로토콜은 정상, 열 충격 및 회복 후 조건에서 Col-0 야생형의 번역 효율성을 평가하기 위해 사용되었습니다. 폴리솜 프로파일링 결과와 폴리솜 RNA의 비율은 애기장대(Arabidopsis) 묘목에서 열 스트레스 처리 후 번역 효율의 변화를 보여주었습니다.
1. 열 스트레스 처리된 애기장대(Arabidopsis) 묘목 시료 전처리
2. 자당 그래디언트 준비
3. 폴리솜 프로파일링 시료 전처리
4. 폴리솜 프로파일링 분석
참고: 마이크로볼륨 시린지 펌프가 있는 밀도 구배 분획기는 폴리솜 프로파일링을 측정하는 데 사용됩니다.
5. non-polysomal 및 polysomal RNA의 분리
참고: 프로토콜의 이 부분에서는 앞에서 설명한 것과 동일한 단계에 따라 초원심분리를 수행한 후 동일한 배치의 다른 샘플 그룹을 사용했습니다.
6. 비폴리솜 및 폴리솜 RNA 추출
7. 스파이크인 정규화
애기장대(Arabidopsis)의 야생형인 Col-0은 16시간:8시간의 광주기 미만의 MS 배지에서 성장했습니다. 제어를 위해 열 스트레스 처리 없이 5일 된 묘목을 사용했습니다. 열 스트레스 그룹은 예열된 수조에서 40°C에서 1시간 동안 열처리를 거친 반면, 회수 그룹은 열처리 직후 22°C에서 2시간 동안 배치했습니다. 다양한 열처리 조건과 회수 조건을 사용함으로써 후속 단계를 ...
이 프로토콜은 애기장대(Arabidopsis) 묘목의 번역 효율성을 측정하기 위한 간단하고 표준화된 방법을 설명합니다. 이 프로토콜의 중요한 단계는 2차 원심분리 및 RNA 추출 시약 추출을 통해 RNA 안정성을 보장하고 자당 그래디언트의 세심한 준비를 하는 것입니다. 또한, spike-in normalization method를 사용하여 non-polysomal 및 polysomal RNA를 정규화하고 정량화하기 위한 중요한 단계를 ?...
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
우리는 생명 과학 대학의 Technology Commons 및 National Taiwan University (대만) 과학 기술부가 후원하는 계측 센터의 초원심 분리기 기술 연구 서비스를 인정합니다. 또한 기술 지원을 해준 Yu-Ling Liang과 원고를 비판적으로 읽어준 Cheng lab 멤버들에게도 감사드립니다. 이 연구는 대만 국가과학기술위원회(National Science and Technology Council)의 젊은 학자 펠로우십 아인슈타인 프로그램(Young Scholar Fellowship Einstein Program)의 보조금 번호로 지원되었습니다. NSTC 113-2636-B-002-007 - M.-C.C. M.-C.C.는 National Taiwan University의 재정 지원을 인정합니다.
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 |
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