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Method Article
Este trabajo presenta un método de extracción rápida de ARN y comparación a nivel de transcripción para analizar la expresión génica en el tardígrado Hypsibius exemplaris. Mediante el uso de la lisis física, este método de alto rendimiento requiere un solo tardígrado como material de partida y da como resultado una producción robusta de ADNc para la reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa inversa cuantitativa (qRT-PCR).
El tardígrado Hypsibius exemplaris es un organismo modelo emergente reconocido por su capacidad para sobrevivir a condiciones ambientales extremas. Para explorar los mecanismos moleculares y las bases genéticas de dicha extrematolerancia, muchos estudios se basan en la secuenciación de ARN (RNA-seq), que se puede realizar en poblaciones que van desde grandes cohortes hasta animales individuales. La reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa inversa (RT-PCR) y la interferencia de ARN (ARNi) se utilizan posteriormente para confirmar los hallazgos de RNA-seq y evaluar los requisitos genéticos de los genes candidatos, respectivamente. Dichos estudios requieren un método eficiente, preciso y asequible para la extracción de ARN y la medición de los niveles relativos de transcripción mediante RT-PCR cuantitativa (qRT-PCR). Este trabajo presenta un método eficiente de extracción de ARN de un solo tardígrado y un solo tubo (STST) que no solo aísla de manera confiable el ARN de los tardígrados individuales, sino que también reduce el tiempo y el costo requeridos para cada extracción. Este método de extracción de ARN produce cantidades de ADNc que se pueden utilizar para amplificar y detectar múltiples transcripciones mediante PCR cuantitativa (qRT-PCR). El método se valida mediante el análisis de los cambios dinámicos en la expresión de los genes que codifican dos proteínas reguladas por el choque térmico, la proteína de choque térmico 70 β2 (HSP70 β2) y la proteína de choque térmico 90α (HSP90α), lo que permite evaluar sus niveles relativos de expresión en individuos expuestos al calor mediante qRT-PCR. STST complementa eficazmente los métodos existentes de extracción de ARN de tardígrado a granel y de un solo tardígrado, lo que permite un examen rápido y asequible de los niveles transcripcionales individuales de tardígrados mediante qRT-PCR.
Los tardígrados son pequeños animales pluricelulares reconocidos por su capacidad para sobrevivir a condiciones extremas que son letales para la mayoría de las otras formasde vida. Por ejemplo, estos animales pueden sobrevivir casi 1000 veces la dosis de radiación ionizante que es letal para los humanos 2,3,4,5,6,7,8,9,10, la desecación casi completa 11,12,13,14,15, la congelación en ausencia de adición crioprotectores 16,17,18, y, en su estado disecado, incluso el vacío del espacio 19,20. Debido a su capacidad única de supervivencia en ambientes extremos, estos animales se han convertido en modelos fundamentales para comprender la extrematolerancia en organismos complejos y pluricelulares 1,21,22,23.
La manipulación genética estable de estos notables animales, incluyendo la transgénesis y la modificación de genes de la línea germinal, ha sido difícil de alcanzar hasta hace poco24,25. Como tal, la mayoría de los experimentos para revelar los mecanismos moleculares de la extrematolerancia se realizan a través de perfiles transcripcionales a través de la secuenciación de ARN. Existen muchos conjuntos de datos de secuenciación de ARN valiosos e informativos para tardígrados en diversas condiciones extremas, que van desde la radiación 8,9,26,27,28, el estrés por calor 29, el estrés por congelación12 y la desecación 27,30,31,32,33. Algunos de estos estudios han utilizado métodos de extracción y purificación de ARN a granel para iluminar nuestra comprensión molecular de la extrematolerancia. Sin embargo, la extracción masiva de transcripciones de ARN de muchos animales impide el análisis de la variación en la expresión génica entre individuos, por lo que se pierde la riqueza potencial de conjuntos de datos más refinados. Es importante destacar que estos estudios a menudo analizan poblaciones heterogéneas de animales que incluyen tanto animales que sobreviven a los factores de estrés ambiental como aquellos que no lo hacen. Como tal, estos estudios se confunden al promediar los datos de expresión de múltiples estados de respuesta potencialmente drásticamente diferentes. Para abordar este problema, Arakawa et al., 201634 desarrollaron una elegante tubería de secuenciación de ARN de baja entrada que aplica un kit de extracción de ARN seguido de un paso de amplificación de PCR lineal utilizando un soloanimal 34,35,36 o varios 30,37,38 como entrada. Estos estudios han sido fundamentales para nuestra comprensión de la extrematolerancia a los tardígrados22. Curiosamente, este protocolo también se ha aplicado a la qRT-PCR utilizando siete animales como material de partida24.
En la mayoría de los organismos modelo, una vez identificados los objetivos potenciales a través de RNA-seq, se realiza qRT-PCR para confirmar los cambios transcripcionales identificados por RNA-seq y evaluar el curso del tiempo de expresión de los genes candidatos de una manera de alta resolución. Para probar la función de los genes identificados, estos estudios suelen ir seguidos de la eliminación mediada por ARNi de las dianas moleculares39,40 y el análisis de la capacidad de tolerancia extrema12,41. La eficacia de cada knockdown de ARNi se confirma normalmente mediante qRT-PCR mediante el seguimiento directo de la disminución de la abundancia de transcripciones. Sin embargo, el ARNi es un proceso laborioso en los tardígrados, ya que cada dsRNA debe administrarse mediante microinyección manual de individuos39,40. Debido a la naturaleza de bajo rendimiento de esta estrategia, un método de extracción de ARN rápido y de bajo costo adaptado para qRT-PCR de animales individuales sería muy valioso para la investigación de tardígrados. Aunque se han desarrollado métodos previos para extraer ARN de tardígrados individuales, estos protocolos no han combinado su extracción con qRT-PCR, sino que se han basado en métodos basados en la densidad óptica 12,40,41. Motivados por estos desafíos, buscamos desarrollar un protocolo que produjera de manera confiable ARN en cantidad y calidad que se pueda usar para qRT-PCR a partir de H. exemplaris.
Adaptado de un protocolo de extracción de ARN de un solo animal desarrollado para Caenorhabditis elegans42, STST está optimizado para H. exemplaris. El método de extracción consta de seis pasos rápidos de congelación-descongelación, que alteran físicamente la cutícula, lo que permite la extracción de ARN y la posterior síntesis de ADNc. El método STST disminuye el tiempo de extracción en más de 24 veces en comparación con los métodos de extracción de ARN a granel, como lo describe Boothby, 201843, y en un 30% en comparación con los kits de extracción de ARN de un solo tardígrado, como lo describe Arakawa et al., 201634. Además, el número de interacciones muestra-experimentador se reduce de 5 a solo 1 en comparación con las preparaciones del kit de extracción de ARN, lo que reduce el riesgo de contaminación por ribonucleasas exógenas. Al consultar genes altamente expresados, el método STST produce suficiente ADNc para 25 reacciones cuantitativas de RT-PCR por tardígrado, requiriendo solo 1 μL del volumen total de ADNc de 25 μL por reacción. Sin embargo, las concentraciones de molde deben determinarse empíricamente para transcripciones de menor abundancia.
La eficacia del método STST para analizar los cambios dinámicos en la expresión génica se evaluó mediante la investigación de la expresión diferencial de los genes que codifican la proteína de choque térmico-90α (HSP90α) y la proteína de choque térmico 70β2 (HSP70β2) en respuesta a un choque térmico a corto plazo a 35 °C durante 20 minutos. Tanto HSP70β2 como HSP90α en la mayoría de los organismos eucariotas se regulan rápidamente al alza después de una exposición a corto plazo al choque térmico (20 min)42. El análisis en H. exemplaris reveló que tanto los ARN codificantes de HSP70β2 como los de HSP90α extraídos de tardígrados individuales tratados térmicamente mostraron aumentos estadísticamente significativos en la expresión después de la exposición al calor a corto plazo. Estos hallazgos demuestran que el protocolo STST se puede utilizar para analizar los cambios dinámicos en la expresión génica en animales individuales a lo largo del tiempo.
El método de extracción STST debe complementar los métodos experimentales existentes, como RNA-seq, facilitando la extracción rápida y económica de ARN y la posterior comparación de los niveles de transcripción mediante qRT-PCR. Este método también será valioso para evaluar la eficiencia y la penetrancia del ARNi en individuos inyectados manualmente de manera más cuantitativa que la densidad óptica por sí sola. Finalmente, debido a sus estructuras cuticulares y características físicas similares, es probable que este método también sea efectivo para analizar la expresión génica en otras especies de tardígrados44.
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Figura 1: Tubería de un solo tubo para la extracción de ARN de un solo tardígrado. (A) Esquema que muestra el protocolo para la extracción de ARN de un solo tardígrado, incluidos seis ciclos de congelación-descongelación y la posterior síntesis de ADNc. Posteriormente, las muestras se pueden utilizar para RT-PCR y qRT-PCR. (B) Imagen del cono de la micropipeta utilizada para la eliminación del agua. Barra de escala: 2 mm. (C) Imagen de campo claro de un tardígrado en un pequeño volumen de agua (línea punteada). La eliminación de la mayor parte del agua en la medida mostrada es necesaria para una extracción exitosa y evita la dilución del tampón de lisis. Barra de escala: 50 μm. (D) Imagen que muestra la inmersión de muestras en nitrógeno líquido utilizando pinzas largas para congelar y descongelar rápidamente las muestras de manera segura. Parte del contenido fue creado en BioRender. Kirk, M. (2022) BioRender.com/d93s511 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
NOTA: La Figura 1A muestra un esquema del procedimiento. Para conocer los procedimientos detallados de cultivo de tardígrados y algas, consultar los informes publicados anteriormente 45,46,47.
1. Esterilización del agua de manantial
2. Extracción de micropipetas de vidrio (con un extractor de pipetas)
3. Extracción de micropipetas de vidrio (sin extractor de pipetas)
4. Extracción de ARN
5. Síntesis de ADNc
6. qPCR
7. Cuantificación e interpretación de resultados
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Desarrollo y optimización de la extracción de ARN de un solo tardígrado
Adaptando el protocolo de Ly et al., 201542 para la extracción de ARN en tardígrados, se optimiza el sistema STST para maximizar la cantidad y calidad de la preparación (Figura 1A). Se realizó RT-PCR para los transcritos de actina, cuantificando el rendimiento de la transcripción mediante la amplificación de una región de 527 pb que a...
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Este estudio presenta un método eficiente para la extracción de ARN para qRT-PCR de un solo tardígrado. La comparación directa de la metodología STST con un kit de extracción de ARN de un solo tardígrado existente reveló que la extracción de ARN STST produce cantidades >200 veces mayores de transcripciones de ARN de actina, reduce el costo a menos de un dólar por muestra y reduce el tiempo requerido para la extracción en un 30%. Para aplicar la STST a una pregunta biológica r...
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Los autores declaran no tener conflictos de intereses que divulgar.
Queremos agradecer a la Beca Ruth Kirschstein de los NIH # 5F32AG081056-02 y a la Beca Postdoctoral Errett Fisher, que apoyó a la Dra. Molly J. Kirk, a la Beca de la Familia Crowe, que apoyó a Chaoming Xu, y a una Beca del Senado Académico de la Universidad de California, Santa Bárbara, y a las subvenciones de los NIH #R01GM143771 y #2R01HD081266, que apoyaron estos esfuerzos de investigación. Los autores también reconocen el uso del Laboratorio de Nanoestructuras Biológicas dentro del Instituto de Nanosistemas de California, apoyado por la Universidad de California, Santa Bárbara, y la Universidad de California, Oficina del Presidente.
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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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