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Este protocolo detalla un método simple que cuantifica el R-loop, una estructura de ácido nucleico de tres cadenas que se compone de un híbrido de ARN-ADN y una cadena de ADN desplazada.
La estructura de ácido nucleico tricatenario, R-loop, es cada vez más reconocida por su papel en la regulación génica. Inicialmente, se pensó que los bucles R eran los subproductos de la transcripción; pero los hallazgos recientes de menos bucles R en las células enfermas dejaron claro que los bucles R tienen roles funcionales en una variedad de células humanas. A continuación, es fundamental comprender las funciones de los bucles R y cómo las células equilibran su abundancia. Un desafío en el campo es la cuantificación de los bucles R, ya que gran parte del trabajo se basa en el anticuerpo monoclonal S9.6, cuya especificidad para los híbridos de ARN-ADN ha sido cuestionada. Aquí, utilizamos dot-blots con el anticuerpo S9.6 para cuantificar los bucles R y mostrar la sensibilidad y especificidad de este ensayo con RNasa H, RNasa T1 y RNasa III que escinden híbridos ARN-ADN, ARN monocatenario y ARN bicatenario, respectivamente. Este método es altamente reproducible, utiliza equipos y reactivos generales de laboratorio y proporciona resultados en dos días. Este ensayo se puede utilizar en entornos clínicos y de investigación para cuantificar los bucles R y evaluar el efecto de las mutaciones en genes como la senataxina en la abundancia de bucles R.
Este protocolo proporciona una guía paso a paso para un ensayo de transferencia de puntos que permite una evaluación comparativa rápida de la abundancia de R-loop, una estructura de ácido nucleico de tres cadenas. El bucle R se forma cuando el ARN invade un ADN bicatenario para generar un híbrido ARN-ADN y desplaza a la otra cadena de ADN. Los bucles R se encuentran en diferentes etapas del ciclo de vida del ARN. En el complejo transcripcional, el ARN naciente se sintetiza de forma complementaria al ADN molde y la hebra no molde se desplaza. El híbrido corto ARN-ADN (<10 pb) está resuelto a liberar el ARN naciente para que pueda salir del complejo ARN polimerasa a través del canal de salida 1,2. Fuera del complejo transcripcional, el ARN naciente está cerca de su molde de ADN, que todavía está ligeramente desenrollado para ser copiado, por lo que el ARN puede rehibridarse con su molde de ADN formando bucles R3. Además, se pueden formar bucles R cuando los complejos de replicación y transcripción colisionan4, y en la transcripción antisentido5. Dadas las muchas oportunidades para su formación, los R-loops no son raros, y se pueden encontrar en el 3-5% del genoma humano6, dependiendo del estado de transcripción de la célula. Los bucles R se encuentran en los promotores de genes7 y en los sitios de terminación5 en el ARNm, y a lo largo del ARN ribosómico8, así como en el ARNde transferencia 9. Los bucles R también se encuentran en las regiones teloméricas de los cromosomas.
Los bucles R desempeñan un papel regulador. Regulan la expresión génica afectando la transcripción en los promotores10,11, mediando la recombinación de cambio de clase12 y facilitando la edición del genoma basada en CRISPR 13,14,15. Al igual que muchos eventos celulares, la abundancia del bucle R está estrictamente titulada; demasiados o muy pocos bucles R afectan la función normal de la célula16,17. Los bucles R están regulados por una variedad de proteínas, como la ARNasa H, la senataxina y otras helicasas que desenrollan los híbridos ARN-ADN 18,19,20,21,22.
Para monitorizar la abundancia de R-loops, los métodos de todo el genoma primero enriquecen los R-loops con el anticuerpo S9.6 8,23,24 o con otras nucleasas25, incluida la RNasa H 10,26,27, y luego evalúan el número de R-loops enriquecidos mediante secuenciación. Las primeras versiones de estos métodos basados en la secuenciación no lograron una cobertura de secuencia adecuada para permitir una cuantificación precisa, pero la rápida mejora en las tecnologías de secuenciación ahora permite el análisis de bucle R locus por locus. También se han utilizado técnicas de inmunofluorescencia para cuantificar y localizar los bucles R10,17. Estos métodos son integrales, pero no son prácticos en muchos entornos clínicos ni como evaluaciones iniciales, ya que requieren equipos costosos y análisis especializados.
Se necesita un procedimiento que se pueda realizar de manera uniforme en todos los laboratorios en entornos clínicos. Las manchas de puntos ofrecen esta opción, ya que pueden llevarse a cabo sin ningún equipo específico ni análisis computacional. Como paso previo o en entornos clínicos para evaluar los efectos de las mutaciones en los R-loops, estos dot-blots deben proporcionar resultados sensibles y específicos. Aquí, describimos nuestro ensayo que identifica específicamente los bucles R; excluye las señales del ADN bicatenario (ds), el ARN bicatenario y el ARN monocatenario. Nuestro protocolo utiliza el anticuerpo S9.627 para identificar híbridos ARN-ADN en R-loops e incorpora RNasa H, una endorribonucleasa que escinde y, por lo tanto, conduce a la degradación del ARN en un híbrido ARN-ADN 20,28, para asegurar que las señales detectadas son las de los híbridos. También incorporamos la RNasa T1 que escinde el ARN monocatenario a la guanina29,30, y la RNasa III que escinde el ARN bicatenario, incluidos los bucles de tallo31,32 para comprobar si hay señales inespecíficas. El anticuerpo S9.6 reconoce híbridos de ARN-ADN de diferentes longitudes, incluso aquellos que tienen solo 8 nucleótidos de largo33.
Aquí, presentamos el protocolo que comienza con el aislamiento de ácido nucleico seguido de la preparación de dot-blot y la detección de R-loop con el anticuerpo S9.6. Nuestro protocolo incluye pasos para garantizar que se carguen cantidades iguales de muestras y que las señales sean específicas. Proporciona oligonucleótidos para que sirvan como controles positivos y negativos. Este es un método rápido, fácil y fácil de usar para evaluar la abundancia de R-loop.
1. Lisis celular para fraccionamiento nuclear
2. Purificación de ADN genómico (que incluye híbridos ARN-ADN)
3. Transferencia de muestras de ADN (que incluyen híbridos de ARN-ADN) en membranas de nailon
4. Detección de híbridos ARN-ADN con anticuerpo S9.6
5. Tratamientos con ribonucleasas para evaluar la especificidad de la señal
NOTA: El tratamiento con RNasa debe realizarse en las muestras de ácido nucleico para demostrar la especificidad de la unión a S9.6. El tratamiento con RNasa H, pero no con RNasa T1 o RNasa III, debería dar lugar a una reducción de la inmunotinción S9.6.
6. Preparación de controles de oligonucleótidos para evaluar la especificidad de la señal
NOTA: Los controles de oligonucleótidos se pueden utilizar para demostrar la especificidad de la unión a S9.6. S9.6 reconoce híbridos ARN-ADN, pero no controles de dsDNA o dsRNA, como se ha informado previamente34.
7. Cuantificación y normalización de la intensidad de la señal de bucle R S9.6 utilizando ImageJ.
Tratamiento enzimático para evaluar la especificidad del anticuerpo S9.6 (ARN-ADN).
Se cultivaron fibroblastos primarios de piel humana17. Se aisló y cuantificó el ADN con híbridos ARN-ADN. Dos μg de las muestras se digierieron con RNasa T1, RNasa H o RNasa III durante 15 min a 37 °C. También se analizó una muestra simulada para compararla con las muestras tratadas con RNasa. Las muestras (200, 100, 50, 25, 12,5 o 6,25 ng) se secaron en dos membranas diferentes como se describe en la sección 3. Las membranas fueron reticuladas, bloqueadas y una de ellas fue sondeada con el anticuerpo S9.6 (Figura 1A).
Los resultados mostraron que la señal S9.6 se correlaciona con la abundancia de la muestra cargada. El tratamiento con RNasa H, pero no con RNasa T1 o RNasa III, produce una reducción de la tinción S9.6.
Se sondeó una segunda membrana con un anticuerpo dsDNA (Figura 1B) para la normalización. Se utilizó la imagen J para analizar las intensidades de la señal. Las muestras de 50 ng se seleccionaron para la cuantificación ya que las intensidades de señal de los anticuerpos S9.6 y dsDNA estaban dentro del rango dinámico. Las intensidades de la señal se normalizaron a las de las muestras simuladas. Los datos se muestran en la Figura 2.
Dot-blot de anticuerpos S9.6 mediante controles de nucleótidos sintéticos.
Para evaluar la especificidad del anticuerpo S9.6, utilizamos oligonucleótidos correspondientes a dsRNA, dsDNA y RNA-DNA como se describe en la sección 6. Se preparó una serie de dilución de nucleótidos de ARN-ADN, dsARN y dsDNA y se secó en la membrana de nailon como se describe en la sección 3. La membrana se sondeó con el anticuerpo S9.6 (Figura 3). Los resultados mostraron que el anticuerpo S9.6 se une específicamente a los híbridos de ARN-ADN de una manera dependiente de la dosis y mostró una reactividad cruzada mínima a los dsRNAs y dsDNAs.
Figura 1: Especificidad de S9.6 mostrada por dot-blot cargado con ácidos nucleicos de fibroblastos humanos. Las muestras de ácido nucleico de fibroblastos humanos se trataron simuladamente o se trataron con RNasa T1, RNasa H o RNasa III y luego se cargaron en membranas de nailon en una serie de diluciones de 200, 100, 50, 25, 12,5 y 6,25 ng por punto de 2 μL. A continuación, las membranas se sondearon con el anticuerpo S9.6 (A) o el anticuerpo dsDNA (B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Cuantificación de la tinción con S9.6 R-loop. Se seleccionaron muestras de 50 ng de la Figura 1 para su cuantificación con ImageJ. La señal S9.6 se dividió por la intensidad de la señal de dsDNA, luego se normalizó a la muestra simulada siguiendo los pasos descritos en la sección 7. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: S9.6 dot-blot usando controles de oligonucleótidos. Anticuerpo S9.6 dot-blot contra una serie de dilución de oligonucleótidos sintéticos como dsRNA, dsDNA o híbrido ARN-ADN. S9.6 se une específicamente a los híbridos de ARN-ADN de una manera dependiente de la dosis. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Tampón de lisis celular | Para 10mL | Para 200mL | Final Conc. |
Agua, sin nucleasas | 9 ml | 180mL | - |
10% NP-40 | 0.5mL | 10 ml | 0.5% |
2M KCl | 0.4mL | 8 ml | 80mM |
TUBOS DE 0,5 M (pH 8,0) | 100uL | 2 ml | 5 mM |
Tampón de lisis nuclear | Para 10mL | Para 200mL | Final Conc. |
Agua, sin nucleasas | 8.65mL | 173 ml | - |
10% SDS | 1 ml | 20mL | 1% |
1M Tris-HCl (pH 8.0) | 0.25mL | 5 ml | 25 mM |
0,5 M de EDTA | 100uL | 2 ml | 5 mM |
Tampón de elución | Para 10mL | Para 200mL | Final Conc. |
1M Tris-Cl, pH 8.5 | 0,1 mL | 2 mL | 10 mM |
Agua, sin nucleasas | 9.9 mL | 198 mL | - |
Tabla 1. Preparación de tampones
Paso | Problema | Posible razón | Solución |
1.9 | N/A | Verificación del fraccionamiento de celdas | La calidad de la separación nuclear y citoplasmática puede evaluarse mediante la adición de cócteles de inhibidores de proteasa estándar a los tampones de lisis celular y nuclear (Tabla 1). Las fracciones citoplasmáticas y nucleares pueden evaluarse mediante análisis de Western blot para confirmar la restricción adecuada del marcaje con marcadores citoplasmáticos (por ejemplo, GAPDH o HSP90) en las fracciones citoplasmáticas y el marcaje con marcadores nucleares (por ejemplo, HDAC1 o histona H3) en las fracciones nucleares. La contribución de la contaminación mitocondrial en la fracción nuclear puede evaluarse mediante análisis de qPCR con sondas específicas para el ADN mitocondrial. |
2.1 | La muestra es demasiado viscosa | El número de celda es demasiado alto. | Reducir el ADN a la mitad y continuar con el paso de sonicación 2.1 |
2.12 | Sin pellet visible | Material de partida insuficiente o pérdida durante la extracción. | Comience desde el principio usando más celdas. |
2.13 | Baja concentración de ADN | ||
3.1 | No hay suficiente ADN para las diluciones | ||
3.4 | La muestra no se saturará en la membrana | Remoje la membrana en 1x TBST. Deje que el exceso de tampón se seque y comience en el paso 3.4 | |
4.6 | Se detecta un patrón irregular o moteado | Añada dodecil sulfato de sodio (SDS) al 0,1% a la muestra y continúe en el paso 3.1 | |
4.6 | Los puntos tienen una apariencia de "anillo de café" | Agregue 0.01% de Sarkosyl a la muestra y continúe en el paso 3.1 | |
5.2 | El control RNaseH no muestra ninguna disminución de la señal | La digestión de la ribonucleasa es incompleta. | Aumentar la incubación o aumentar la concentración de enzimas. |
6.5 | No hay señal para los controles de oligonucleótidos | El dúplex no se formó. Los oligonucleótidos no se recocieron correctamente. | Verifique las proporciones de oligonucleótidos y tampón de recocido. |
6.5 | La señal S9.6 no es específica de los híbridos | El lote de anticuerpos S9.6 tiene una unión inespecífica | Validar la sensibilidad y especificidad de nuevos lotes de anticuerpos S9.6 con el uso de tratamientos con enzimas RNasa o análisis de oligonucleótidos sintéticos. |
Tabla 2: Solución de problemas
ssRNA, hebra superior | 5'-UGGGGGCUCGUCCGGGAUAUGGGAACCACUGAUCCC-3' |
ssDNA, hebra superior | 5'-TGGGGGCTCGTCCGGGATATGGGAACCACTGATCCC-3' |
ssRNA, hebra inferior | 5'-GGGAUCAGUGGUUCCCAUAUCCCGGACGAGCCCCCA-3' |
ssDNA, hebra inferior | 5'-GGGATCAGTGGTTCCCATATCCCGGACGAGCCCCCA-3' |
Tabla 3. Secuencias de oligonucleótidos de control
Los ácidos nucleicos de 3 hebras, R-loops, se forman en diferentes etapas durante el ciclo de vida del ARN y cada vez se descubre más que regulan los procesos celulares. Para comprender completamente los bucles R, se necesitan técnicas confiables para la detección de bucles R. Aquí, describimos un enfoque para interrogar la abundancia de R-loops utilizando el anticuerpo S9.6 8,23,24. Este método permite una evaluación rápida de la abundancia de R-loop a partir de células y muestras de cultivo de tejidos. No requiere un equipo especial, ni una gran cantidad de material de partida. Garantiza resultados específicos y reproducibles mediante una combinación de tratamientos con ARNasa.
Algunos han informado de preocupaciones sobre la especificidad del anticuerpo S9.6. Al igual que con cualquier reactivo, puede haber variabilidad de lote a lote con el anticuerpo S9.6. Nuestro protocolo incluye RNasa H, RNasa T1 y RNasa III para comprobar la especificidad de la señal. Además, utilizamos oligonucleótidos sintéticos para garantizar la especificidad de cada lote de anticuerpo S9.6.
La biología del bucle R es un campo en crecimiento; el desarrollo de métodos fiables de detección y cuantificación, como el que se presenta aquí, facilitará los estudios mecanicistas para dilucidar cuándo se forman los bucles R, cómo se regulan y qué regulan. Con los controles adecuados, este ensayo de transferencia de puntos es un método sencillo para detectar la abundancia de bucle R en entornos clínicos y de investigación.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por el Instituto Médico Howard Hughes y la Investigación Intramuros del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares.
Agradecemos al Dr. Stephen Leppla por proporcionar lotes de anticuerpos S9.6 para su análisis. También agradecemos al Dr. Dongjun Li por su ayuda con los tratamientos con ribonucleasas.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Anti-dsDNA antibody | Abcam | ab27156 | |
Anti-RNA-DNA hybrid antibody (S9.6) | Kerafast | ENH001 | |
Biorupter sonicator | Diagenode | UCD-200 | |
EB Buffer | Qiagen | 19086 | |
EDTA (0.5M) | Invitrogen | AM9261 | |
Hybond N+ nylon membrane | GE healthcare Life Sciences | RPN203B | |
KCl (2M) | Invitrogen | AM9640G | |
NP-40 (Igepal CA-630) | Sigma | I8896 | |
PBS | Invitrogen | 10010-023 | |
Phenol:chloroform:isoamyl alcohol | Invitrogen | 15593031 | |
PIPES (0.5M, pH 8.0) | VWR | AAJ61406-AE | |
Proteinase K | Qiagen | 19131 | |
RNase III | Invitrogen | AM2290 | |
RNase H | New England Biolabs | M0297 | |
RNase T1 | ThermoFisher Sci. | EN0541 | |
SDS (10%) | Invitrogen | 15553027 | |
sodium acetate (3M, pH 5.2) | Invitrogen | AM9740 | |
Tris-buffered saline (10X) | Corning | 46-012-CM | |
Tris-HCl (1M, pH 8.0) | KD Medical | RGF-3360 | |
TrypLE | Invitrogen | 12605010 | |
Tween-20 | Sigma | P9416 | |
UV Stratalinker 2400 | Stratagene | Stratalinker 2400 | |
Whatman marking pen | Sigma | WHA10499001 |
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