MicroRNAs(miRNAs)是一類非編碼的小RNA分子,通過與靶RNA的3?UTR互補(bǔ)或部分互補(bǔ)結(jié)合,使其降解或介導(dǎo)其翻譯抑制,參與細(xì)胞增殖、凋亡、分化、代謝、發(fā)育、腫瘤轉(zhuǎn)移等多種生物學(xué)過程.miRNAs基因通常位于基因間或編碼蛋白基因的內(nèi)含子中,在核內(nèi)由RNA聚合酶II或III轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生具有特征性莖環(huán)結(jié)構(gòu)的pri-miRNA,然后在Drosha-DGCR8復(fù)合體的作用下,剪接成70nt的pre-miRNA,它由exportin5由核內(nèi)運(yùn)到胞漿。在胞漿內(nèi),pre-miRNA在Dicer酶作用下剪切成22bp的成熟雙鏈miRNA,其中的一條鏈與RISC結(jié)合而參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控。
根據(jù)miRBase數(shù)據(jù)庫,目前所發(fā)現(xiàn)的miRNAs已超過700個(gè),隨著高通量測序的應(yīng)用,將會(huì)有更多的新的miRNAs被發(fā)現(xiàn)??赡芙?0%的人類基因受到miRNAs調(diào)控,然而,當(dāng)過表達(dá)或抑制某一個(gè)miRNA時(shí),在發(fā)生調(diào)變的眾多基因當(dāng)中尋找并鑒定其中起關(guān)鍵作用的靶基因仍然具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。目前鑒定miRNA靶基因的常用策略是利用生物信息學(xué)軟件預(yù)測,結(jié)合基因芯片分析以及生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法來研究miRNA的功能及尋找其中起重要作用的靶基因。此外,利用蛋白質(zhì)質(zhì)譜來尋找miRNA靶基因也成為一種新的途徑。
在上千個(gè)miRNA中,哪些miRNA在特定的生物學(xué)功能起著關(guān)鍵的作用呢?這是研究miRNA功能所面臨的首要問題。miRNA基因技術(shù)可以快速有效的提供miRNA表達(dá)圖譜。通過比較正常樣本與疾病樣本中miRNA表達(dá)圖譜的差異,尋找在生物學(xué)功能上起作用的miRNA。該技術(shù)為臨床腫瘤診斷提供了新的思路,也為miRNA作為腫瘤的標(biāo)志物提供了依據(jù)。然而基因芯片技術(shù)的結(jié)果是半定量的,且重復(fù)性較差,這就需要通過其它的實(shí)驗(yàn)方法來進(jìn)一步驗(yàn)證。
miRNA的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了進(jìn)一步驗(yàn)證miRNA在組織細(xì)胞內(nèi)的表達(dá),目前常用來檢測miRNA的技術(shù)主要有以下幾種:Northern雜交;原位雜交; Stem-loop實(shí)時(shí)定量RT PCR.這三種技術(shù)各有利弊,可以相互結(jié)合應(yīng)用,來反映細(xì)胞內(nèi)miRNA的真實(shí)表達(dá)水平。
- Northern雜交
MicroRNA是一類很小的分子,部分microRNA表達(dá)水平可能很低,因而需要極為靈敏而定量的分析工具。由于其分子很小,用RT-PCR的方法來定量研究有一定困難,特別是重復(fù)性較差,步驟繁瑣等。目前多數(shù)研究人員采用Northern Blot,它是一種重復(fù)性好、靈敏高、直接的方法,可以用來檢測microRNA的存在、表達(dá)量的變化等。而由于放射污染等原因,同位素標(biāo)記的探針的使用有一定的局限性。而Exiqon公司推出的鎖核苷酸(locked-nucleic acid, LNA)探針,具有穩(wěn)定性高、特異性好、無放射污染等優(yōu)點(diǎn),成為新的Northern Blot檢測探針。
基本原理:將待檢測的RNA分子變性后,通過尿素變性聚丙烯酰胺凝膠電泳進(jìn)行分離,繼而按其在凝膠中的位置轉(zhuǎn)移到尼龍膜上,固定后再與同位素、地高辛或其它標(biāo)記物標(biāo)記的DNA或RNA探針進(jìn)行反應(yīng)。如果待檢物中含有與探針互補(bǔ)的序列,則二者通過堿基互補(bǔ)的原理進(jìn)行結(jié)合,游離探針洗滌后用自顯影或其它合適的技術(shù)進(jìn)行檢測,從而顯示出待檢的片段及其相對(duì)大小。
用途:檢測樣品中的RNA及其含量,了解基因的狀態(tài), 如是否有點(diǎn)突變、擴(kuò)增重排等。
實(shí)驗(yàn)過程
- 提前配制無APS和TEMED的15%的Ura-PAGE膠的混合液,即
50ml of Pre-Gels:
- Urea: 24 g
- 40% Acrylamide: 18.75 mL
- 5x TBE Buffer: 10 mL
- ddH20: 0 mL
- 器皿的清洗:器皿同Western Blotting裝置。
- 用清水沖洗干凈,乙醇擦干3%;
- H2O2 填充浸泡電泳槽、玻璃片、梳子10分鐘;
- 用0.1% DEPC處理過的水沖洗電泳槽,梳子和玻璃片。
- 用RNAase Away 擦海綿和其他相關(guān)器材。
- 安裝配膠裝置。
- 配膠:取10 ml Pre-Gels,加入33.3- 45 ul的APS 和 10-20ul的TEMED,混勻,加入玻片中,加入10或15齒梳子。大約30-60 min 即可凝好。
- RNA樣品的準(zhǔn)備
Small RNAs(大約107細(xì)胞) (或者Total RNA ~20-200ug) 在 ~18ul DEPC H2O 加入 2ul 10xRNA loading buffer。 95℃加熱 5min, 冰上冷卻。 瞬時(shí)離心收集RNA樣品。
- 電泳:(裝置同Western Blotting電泳裝置),電泳液1xTBE。
15% Urea-PAGE 在電泳液 1xTBE進(jìn)行電泳。電壓180V 直到溴芬蘭到達(dá)膠的底部。根據(jù)Ambion公司的步驟,在上樣之前,300V 預(yù)電泳10min(防止膠漏同時(shí)活化膠),然后用電泳液1xTBE沖洗孔,將尿素沖出后然后小心、迅速加樣。選用的是Roche公司提供的LNA-labeled DNA作為對(duì)照,同時(shí)將自己合成的RNA Oligo作為陽性對(duì)照(總量為1 pmol即可)。其中溴芬蘭的對(duì)應(yīng)的分子量為13nt左右,二甲苯青FF對(duì)應(yīng)的為40 nt左右。
- 轉(zhuǎn)膜(裝置同Western Blotting轉(zhuǎn)膜裝置),轉(zhuǎn)膜液為0.5?TBE。
- 將膠浸泡在0.5?TBE大約 10min 。
- 用EtBr (0.5ug/ml)染膠10min 后,用紫外凝膠觀測RNA電泳情況(參考Ambion公司的條帶分析)。用0.5?TBE 洗膠 5min.
- 用鉛筆標(biāo)記好轉(zhuǎn)膜的面,將 Nylon membrane(GE公司)和兩片厚濾紙浸泡在 0.5?TBE 大約10min.
- 制備凝膠、膜夾層。將濾紙、膠、膜、濾紙形成三明治結(jié)構(gòu),注意膠應(yīng)該靠近陰極側(cè)。注意每層間不能有氣泡。
- 裝配好轉(zhuǎn)膜裝置,裝置同Western Blotting轉(zhuǎn)膜裝置。
- 于冰上300mA轉(zhuǎn)膜 1 h。
- 把膜(RNA 面朝上)放在紫外交聯(lián)儀中使用4000J UV進(jìn)行交聯(lián).
- 將膜夾在厚的濾紙中間,80℃烘烤0.5-2 h,可以輕壓,以防止膜發(fā)生翻卷。
- 如果可以直接做,則放在室溫即可;也可以儲(chǔ)存在4?C ,直到使用(可儲(chǔ)存6個(gè)月)。
- 亞甲藍(lán)(methylene blue)染色 3~5min, 在可見光下 黃色濾光片對(duì)膜照相。
- 雜交
- 在雜交爐中37- 42℃ 在雜交液(7% SDS, 0.2M Na2HPO4)中預(yù)雜交1h , 然后將膜放入雜交袋,然后加入配好濃度的Dig-Labeled probe,在雜交爐中37- 42℃雜交過夜。
Dig-Labeled probe使用濃度:將10ul的25uM的公司原液稀釋十倍后分裝儲(chǔ)存,取儲(chǔ)存probe液(2.5uM)20ul/6ml(U6內(nèi)參)或2.7-27ul儲(chǔ)存液/10ml雜交液(根據(jù)miRNA的量或豐度定)。
- 37- 42℃洗膜液(2×SSC,0.1%SDS)洗膜三次,每次15min。
- 室溫MABT(0.1M Maleic Acid, 0.15M Nacl,0.3% Tween-20 ,PH7.5)洗膜三次,每次5min。
- 室溫用Blocking Solution (用MAB 10倍稀釋10×Blocking Solution)封閉 1h 。
- 室溫加入anti-Dig antibody 40 min (1:10000-1:5000 in Blocking Solution)。注意:抗體用之前,應(yīng)該以12000g速度離心5 min。
- 用MABT液洗膜兩次,每次15 min。
- 膜在Detection buffer( 0.1 M Tris-HCl, 0.1M NaCl, pH 9.5)中平衡5 min。
- 配CSPD液(1:100 Detection Buffer),有RNA的膜面向上放入雜交袋中,加入1ml 配好的CSPD液,擠出氣泡,封口,孵育5 min.
- 擠出CSPD液,封口,37℃孵育5-15 min。
- 曝光2 min~1h (根據(jù)情況定)。一般內(nèi)參U6在5分鐘內(nèi)即可顯影。
實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
- 配膠時(shí),由于濃度較大,所以尿素比較難溶,尿素的溶解不能加熱,可以采用振蕩或顛倒離心管;配好的無APS和TEMED的15%的Ura-PAGE膠可以儲(chǔ)存在室溫或4℃冰箱中(可儲(chǔ)存1個(gè)月左右)。
- 電泳前,應(yīng)該按照步驟將裝置盡量進(jìn)行RNAase free處理。
- RNA上樣前,300V 預(yù)電泳10min(防止膠漏,同時(shí)活化膠),然后用電泳液 1xTBE沖洗孔,將尿素沖出后然后小心、迅速加樣。此操作需要一定的訓(xùn)練,因?yàn)榧訕涌字泻芸鞎?huì)析出尿素,一旦有尿素析出對(duì)RNA電泳的形態(tài)會(huì)有一定的影響。
- LNA探針使用前進(jìn)行分裝,然后凍存于-70℃冰箱中。
- 不同miRNA雜交的溫度和時(shí)間不同,需要進(jìn)行條件的摸索。一般內(nèi)參溫度 為42℃。
- 尼龍膜紫外交聯(lián)和烘烤后,可以在4℃冰箱中保存半年以上。
- 原位雜交
原位雜交分為細(xì)胞和組織內(nèi)原位雜交,該技術(shù)檢測miRNA表達(dá),可更直觀的展示出miRNA的時(shí)空表達(dá)模式。它不僅可以檢測不同細(xì)胞系單個(gè)細(xì)胞中的miRNA表達(dá),還可在不經(jīng)分類和分離的情況下,比較不同細(xì)胞系中miRNA的表達(dá)水平。它是分析miRNA表達(dá)組織和時(shí)序特異性的有力工具。
- Stem-loop實(shí)時(shí)定量RT PCR
傳統(tǒng)實(shí)時(shí)定量RT PCR只能檢測到miRNA前體,而Stem-loop實(shí)時(shí)定量RT PCR技術(shù)可以解決這一問題。Stem loop實(shí)時(shí)定量RT PCR是一項(xiàng)高特異度、敏感度的檢測miRNA表達(dá)的實(shí)驗(yàn)技術(shù),包括設(shè)計(jì)具有莖環(huán)(stem loop)結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)錄引物和用miRNA熒光標(biāo)記的特異分子探針進(jìn)行實(shí)時(shí)PCR 二個(gè)關(guān)鍵步驟。該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):高度特異性,對(duì)序列高度同源的miRNA也可精確區(qū)分;超寬的定量線性范圍和高度的檢測靈敏度;樣品消耗少,僅需1~10 ng的總RNA;適用范圍廣,總RNA 、細(xì)胞裂解物以及純化的RNA都可用于miRNA的定量檢測。
Stem-loop實(shí)時(shí)定量RT PCR基本原理: microRNA的RT-PCR一般使用莖環(huán)結(jié)構(gòu)的引物,這種具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的引物針對(duì)所需檢測的目的microRNA設(shè)計(jì),具有特異的序列,結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。內(nèi)參使用的是小RNA U6,U6的反轉(zhuǎn)錄使用的是隨機(jī)引物。將反轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物作為real-time PCR的模板,檢測目的microRNA的引物是針對(duì)目的microRNA的特異的上下游引物,檢測內(nèi)參使用的是針對(duì)U6的特異的上下游引物。
實(shí)驗(yàn)過程
- 用Trizol抽提t(yī)otal RNA,抽提方法同普通的RNA的Trizol抽提,只是在用異丙醇處理時(shí)需要4℃ 過夜。將抽提得到的RNA置于-80℃保存。
- 將抽提的RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。反轉(zhuǎn)錄的體系一般使用12.5ul的體系。具體的體系如下:
- RNase free water
- Total RNA: 0.625ug
- Impron buffer: 2.5ul
- dNTPs: 2.5ul
- RNase inhibitor: 0.625ul
- Impron Mgcl2: 1.5ul
- Primer: 0.5ul
- Reverse transcriptase: 0.625ul
具體的操作是事先計(jì)算好需要的模板量,以及所要的RNase free water的量,在PCR小管中加好需要的模板量以及RNase free water的量,并將剩下的模板立即置于-80℃保存。再按照反轉(zhuǎn)錄的體系做好總的MIX,再分裝到每個(gè)PCR小管內(nèi)。將PCR小管置于PCR儀上反轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)的具體程序如下: 25℃ 5 min ,42℃ 60 min ,70℃ 15 min. 4℃儲(chǔ)藏
- 反轉(zhuǎn)錄的cDNA作為real-time PCR檢測的模板,由于real-time PCR檢測靈敏性,要求每個(gè)樣需要三個(gè)重復(fù)。每一個(gè)反應(yīng)的用量如下:
- SYBR 5.0ul
- Primer mix 0.2ul
- cDNA 1.0ul
- water 3.8ul
- 在八連管中先加入模板,加入3.4ul的cDNA模板。
- 根據(jù)需要檢測樣本的個(gè)數(shù),計(jì)算所需要的SYBR、Primer mix、water量,具體的計(jì)算過程為:試劑單反應(yīng)量X檢測樣本個(gè)數(shù)X3.4 ,根據(jù)計(jì)算需要的量制作MIX 。將MIX加入每個(gè)八連管的小管中。
- 將對(duì)應(yīng)的每個(gè)八連管的小管取出10ul加入96孔板,每個(gè)小管對(duì)應(yīng)96孔板的3個(gè)孔,即3個(gè)重復(fù)孔。
- 加完樣品后,用專用的封膜覆蓋96孔板,用專用的刮板覆蓋嚴(yán)實(shí)。
- 上機(jī)檢測。具體PCR程序如下:
- 50℃ 2 min ;
- 95℃ 5 min ;
- 95℃ 30 s ;
- 60℃ 40 s ;
- 72℃ 30 s ;
- 95℃ 15 s ; 60℃ 30s ;95℃ 15 s .</OL< ol>
實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
- 由于real-time PCR的檢測十分靈敏,因此它對(duì)RNA定量的準(zhǔn)確性要求較高,一般RNA的定量多采用3復(fù)孔定量。
- 無論在反轉(zhuǎn)錄或real-time PCR加樣時(shí)要求加樣一定要準(zhǔn)確。
- 在將八連管的mix加入96孔板前一定要充分混勻,一般采取的策略是將八連管一剪為二,置于Vortex上振蕩混勻,Vortex的轉(zhuǎn)速不要太高,以免將管內(nèi)的液體濺到蓋子內(nèi)。
miRNA的靶基因的尋找主要通過利用生物信息學(xué)方法和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。將生物信息學(xué)與生物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來尋找靶基因可以很大提高準(zhǔn)確率。 生物信息學(xué)方法主要是利用某種算法對(duì)靶基因樣本進(jìn)行評(píng)分及篩選。雖然預(yù)測方法各有不同, 但由于miRNA和靶基因間的作用具有一定規(guī)律性:
- miRNA與其靶位點(diǎn)的互補(bǔ)性;
- miRNA靶位點(diǎn)在不同物種之間的保守性;
- miRNA-mRNA雙鏈之間的熱穩(wěn)定性;
- miRNA靶位點(diǎn)處不應(yīng)有復(fù)雜二級(jí)結(jié)構(gòu);
- miRNA 5?端與靶基因的結(jié)合能力強(qiáng)于3?端.
除此以外,不同的預(yù)測方法還會(huì)根據(jù)各自總結(jié)的規(guī)律對(duì)算法進(jìn)行不同的限制與優(yōu)化。為了得到更為可靠的靶基因預(yù)測,通常綜合多個(gè)預(yù)測方法,取其共同預(yù)測的基因作為研究重點(diǎn)。目前常用的預(yù)測方法主要是以下三種:
- miRanda.
miRanda是最早的一個(gè)利用生物信息學(xué)對(duì)miRNA靶基因進(jìn)行預(yù)測的軟件, 由Enright等人于2003年設(shè)計(jì)開發(fā). 作為最早的miRNA靶基因預(yù)測軟件, miRanda對(duì)3?UTR的篩選依據(jù)主要是從序列匹配、miRNA與mRNA雙鏈的熱穩(wěn)定性以及靶位點(diǎn)的保守性三個(gè)方面進(jìn)行分析?;谝陨先齻€(gè)方面,miRanda選取每條miRNA相對(duì)的3?UTR中排名前10位的基因, 作為miRNA的候選靶基因, 對(duì)于多個(gè)miRNA對(duì)應(yīng)于同一靶位點(diǎn)的情況, miRanda則使用貪心算法選取其中得分最高且自由能最低的那一對(duì)。
- TargetScan.
TargetScan是Lewis等在2003年開發(fā)的一款用于預(yù)測哺乳動(dòng)物miRNA靶基因的軟件, 該軟件將RNA間相互作用的熱力學(xué)模型與序列比對(duì)分析相結(jié)合, 預(yù)測不同物種間保守的miRNA結(jié)合位點(diǎn). 與miRanda不同,TargetScan提出了“miRNA種子區(qū)”的概念?!癿iRNA種子區(qū)”是指miRNA5?端第2-8位堿基與mRNA的3?UTR完全互補(bǔ)所在序列。此外,它也引用了信噪比來評(píng)估預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度. 所謂信號(hào)噪聲比即用已知(信號(hào)組)和隨機(jī)生成的miRNA(噪聲組)分別對(duì)mRNA的3?UTR進(jìn)行預(yù)測, 所得靶基因數(shù)目的比值.
- PicTar.
PicTarKrek等人在2005年開發(fā)的一款名叫組合靶位點(diǎn)的概率識(shí)別(probabilistic identification of combinations of target sites)的預(yù)測軟件.它采用一種更先進(jìn)的算法來預(yù)測脊椎動(dòng)物、線蟲和果蠅中miRNA的靶基因, 并通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。與TargetScan一樣, PicTar也強(qiáng)調(diào)“種子區(qū)”在靶位點(diǎn)識(shí)別及在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中的關(guān)鍵作用, 也注重miRNA和靶基因結(jié)合的自由能在靶基因翻譯抑制中的關(guān)鍵作用。不同的是PicTar把種子序列分為“完全匹配種子序列”和“不完全匹配種子序列”,前者要求種子序列和靶基因完全互補(bǔ)配對(duì); 后者在滿足miRNA與靶基因結(jié)合自由能不增加的前提下允許種子序列出現(xiàn)錯(cuò)配, 但不允許G?U 配對(duì).同時(shí)結(jié)合以前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)兩類種子序列對(duì)應(yīng)的 miRNA和靶基因結(jié)合自由能進(jìn)行了限制, 要求“完全 匹配種子序列”的miRNA 與靶基因結(jié)合自由能小于miRNA和靶基因最優(yōu)結(jié)合能的33%; 而“不完全匹配種子序列”的miRNA與靶基因的結(jié)合自由能要求小于miRNA和靶基因最優(yōu)結(jié)合能的66%, 這有效地降低了假陽性率.
由于計(jì)算機(jī)模擬在預(yù)測miRNA靶基因時(shí)存在一定的局限性,利用生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法可以更加直觀地尋找miRNA靶基因.目前主要是從mRNA水平與蛋白質(zhì)水平來尋找靶基因。從mRAN水平來尋找靶基因主要是通來在細(xì)胞內(nèi)過表達(dá)miRNA后,利用基因芯片分析mRNA的變化以找出相應(yīng)miRNA的靶基因。這種方法由于miRNA所介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后翻譯抑制過程不引起mRNA水平的改變, 因此依據(jù)mRNA水平的變化尋找miRNA靶基因的方法在檢出率上存在一定問題. 故采用蛋白質(zhì)質(zhì)譜的方法可以有效彌補(bǔ)這個(gè)不足.同時(shí)再結(jié)合miRNA靶基因的預(yù)測方法,可以大大提高了靶基因的檢出率及可靠性。
目前鑒定靶基因最直接的方法是, 利用熒光定量PCR及Western blot方法分別檢測轉(zhuǎn)染或敲低miRNA后細(xì)胞中mRNA水平及蛋白水平的變化, 從而確定miRNA與靶基因的對(duì)應(yīng)關(guān)系. 這種方法可以大大提高準(zhǔn)確率,但最終確定靶基因,還需要鑒定miRNA的靶位點(diǎn). 而miRNA的靶位點(diǎn)的鑒定最常用的方法是熒光素酶報(bào)告基因法. 其基本原理是首先構(gòu)建熒光素酶表達(dá)載體, 將希望鑒定的miRNA靶基因的3?UTR構(gòu)建到熒光素酶基因的3?UTR中, 然后將熒光素酶基因表達(dá)載體轉(zhuǎn)染細(xì)胞并改變細(xì)胞中相應(yīng)miRNA的表達(dá)水平, 最后檢測熒光素酶的表達(dá)情況以分析轉(zhuǎn)染3?UTR中是否含有miRNA的靶位點(diǎn)。
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù),所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布,如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容,請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。