Riboglow: a robust multi-color riboswitch-based platform for imaging RNA in living cells
Riboglow:基于多色核糖开关的强大平台,用于活细胞中 RNA 成像
基本信息
- 批准号:9904726
- 负责人:
- 金额:$ 30.3万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2019
- 资助国家:美国
- 起止时间:2019-04-01 至 2023-03-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AffectAffinityBenchmarkingBindingBinding ProteinsBiochemicalBiochemistryBiologicalBiological AssayBiologyCell physiologyCellsCellular AssayCellular biologyChemicalsCobalaminColorComplexCytoplasmic GranulesCytosolDNADetectionDeteriorationDevelopmentDiseaseDyesEngineeringEnsureEnvironmentEtiologyFluorescenceFluorescent ProbesGene ExpressionGene Expression RegulationGenerationsGeneticGenetic TranscriptionGenomeGoalsGoldImageIn VitroIndividualLigand BindingLigandsLightingLinkMacromolecular ComplexesMammalian CellMapsMeasurementMessenger RNAModificationMolecular ProbesNatureNucleic AcidsNucleotidesPatternPerformancePhysiologyPlayPropertyProteinsRNARNA BindingRNA DecayRNA ProbesRNA SplicingRegulationRibonucleoproteinsRoleSeriesStructureSystemTestingToxic effectTranscriptTranscription InitiationTranscriptional RegulationTranslatingTranslationsU1 small nuclear RNAUntranslated RNAValidationVariantVisualizationWorkaptamerbasebiophysical propertiescytotoxicityengineering designepigenetic regulationfluorophoregenetic informationimaging platformimprovedinterestlive cell imagingmolecular imagingportabilitypreventscaffoldsingle moleculesmall moleculespatiotemporalstemtechnology developmenttoolvirtual
项目摘要
SUMMARY.
The complex spatiotemporal dynamics of messenger RNAs and non-coding RNAs affect virtually all aspects of
cellular function. In addition to serving as the central intermediary between DNA and proteins, RNAs regulate
gene expression at multiple levels, play roles in epigenetic regulation and genome organization, and serve as
physical scaffolds to assemble and integrate macromolecular complexes, with important implications for
normal development, as well as disease etiology. Yet, despite the importance of RNA in biology and growing
evidence of complex and dynamic localization patterns, robust tools for visualizing RNA molecules in live cells
are highly limited. The most widely used RNA tagging system involves addition of 24 MS2 stem loops and
binding of 48 molecules of the MS2 binding protein fused to GFP, adding > 1300 nucleotides and > 2.6 MDa to
an RNA of interest. While this system has revealed tantalizing glimpses at the individual steps of gene
expression regulation, perhaps not surprisingly, it has also been shown to perturb mRNA processing, splicing,
localization, and decay. Thus, there is a pressing need for robust, complementary, and minimally perturbing
tools to visualize individual RNA molecules in living cells to map the complex and evolving landscape of RNA
biology. In this work, we will meet this need by generating a suite of diverse riboswitch-based RNA tags and
corresponding fluorescent probes for simultaneous, multi-color imaging of individual RNA molecules in live
mammalian cells. Our approach builds on preliminary work from our labs that exploits one of nature’s
aptamers, the cobalamin (Cbl)-binding riboswitch as an RNA tag that binds a series of Cbl-linked fluorophores
to induce fluorescence turn-on, thus lighting up the RNA of interest. We called this new RNA tagging platform
Riboglow and demonstrated its ability to visualize mRNA and small U1 snRNA in live mammalian cells. While
the performance of Riboglow was impressive compared to other dye binding aptamers and the gold standard
24xMS2 system, there is significant room for improvement. In this proposal, we will create Riboglow 2.0, with
dramatically improved properties by systematically optimizing modules of the RNA/probe platform
(Aim 1). In three independent subaims, we will exploit the modular nature of riboswitch structural motifs, the
diversity of riboswitch sequences and power of in vitro selection to engineer optimized aptamer-linker pairs,
RNA/probe combinations with enhanced fluorescence turn-on, and orthogonal aptamer/probe pairs to enable
simultaneous detection of multiple RNAs with spectrally distinct probes. In our second aim, we will create a
robust and systematic pipeline for characterizing, validating and benchmarking Riboglow 2.0 (Aim 2).
We will define in vitro biochemical and biophysical properties, cellular contrast and single molecule sensitivity,
demonstrate functionality for tagging different RNAs in diverse cellular assays, and ensure minimal cytotoxicity
and perturbation of RNA function. Integration of Aim 1 and Aim 2 into an iterative cycle of design-engineer-
characterize will result in a powerful Riboglow toolbox for diverse biological applications.
概括。
信使 RNA 和非编码 RNA 复杂的时空动态几乎影响着生物体的所有方面。
RNA 除了充当 DNA 和蛋白质之间的中心中介之外,还调节细胞功能。
基因在多个水平上表达,在表观遗传调控和基因组组织中发挥作用,并作为
用于组装和整合大分子复合物的物理支架,对
然而,尽管 RNA 在生物学中的重要性不断增长。
复杂和动态定位模式的证据,用于可视化活细胞中 RNA 分子的强大工具
最广泛使用的 RNA 标记系统涉及添加 24 个 MS2 茎环和
与 GFP 融合的 MS2 结合蛋白的 48 个分子的结合,添加 > 1300 个核苷酸和 > 2.6 MDa
虽然这个系统已经揭示了基因各个步骤的诱人一瞥。
表达调节,也许并不奇怪,它也被证明会扰乱 mRNA 加工、剪接、
因此,迫切需要稳健的、互补的和最小干扰的。
可视化活细胞中单个 RNA 分子的工具,以绘制复杂且不断演变的 RNA 景观
在这项工作中,我们将通过生成一套不同的基于核糖开关的 RNA 标签来满足这一需求。
相应的荧光探针,可对活体中的单个 RNA 分子进行同步、多色成像
我们的方法建立在我们实验室利用自然界之一的初步工作的基础上。
适体,钴胺素 (Cbl) 结合核糖开关,作为 RNA 标签,结合一系列 Cbl 连接的荧光团
诱导荧光开启,从而点亮感兴趣的 RNA,我们称之为新的 RNA 标记平台。
Riboglow 展示了其在活哺乳动物细胞中可视化 mRNA 和小 U1 snRNA 的能力。
与其他染料结合适体和金标准相比,Riboglow 的性能令人印象深刻
24xMS2 系统,还有很大的改进空间。在这个提案中,我们将创建 Riboglow 2.0,带有。
通过系统地优化 RNA/探针平台模块,显着改善性能
(目标 1)在三个独立的子目标中,我们将利用核糖开关结构基序的模块化性质,
核糖开关序列的多样性和体外选择的能力来设计优化的适体-连接子对,
RNA/探针组合具有增强的荧光开启和正交适体/探针对,以实现
使用光谱不同的探针同时检测多个 RNA 在我们的第二个目标中,我们将创建一个。
用于表征、验证和基准测试 Riboglow 2.0(目标 2)的强大而系统的管道。
我们将定义体外生化和生物物理特性、细胞对比度和单分子敏感性,
展示在不同细胞测定中标记不同 RNA 的功能,并确保最小的细胞毒性
以及 RNA 功能的扰动将目标 1 和目标 2 整合到设计-工程-的迭代循环中。
表征将产生一个强大的 Riboglow 工具箱,用于各种生物应用。
项目成果
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