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Method Article
Ce travail présente une méthode d’extraction rapide d’ARN et de comparaison au niveau des transcrits pour analyser l’expression génique chez le tardigrade Hypsibius exemplaris. Utilisant la lyse physique, cette méthode à haut débit nécessite un seul tardigrade comme matériau de départ et permet une production robuste d’ADNc pour la réaction en chaîne par polymérase quantitative à transcription inverse (qRT-PCR).
Le tardigrade Hypsibius exemplaris est un organisme modèle émergent réputé pour sa capacité à survivre à des environnements extrêmes. Pour explorer les mécanismes moléculaires et les bases génétiques d’une telle exprémotolérance, de nombreuses études s’appuient sur le séquençage de l’ARN (RNA-seq), qui peut être effectué sur des populations allant de grandes cohortes à des animaux individuels. La réaction en chaîne par polymérase à transcription inverse (RT-PCR) et l’interférence ARN (ARNi) sont ensuite utilisées pour confirmer les résultats du séquençage de l’ARN et évaluer les exigences génétiques pour les gènes candidats, respectivement. De telles études nécessitent une méthode efficace, précise et abordable pour l’extraction de l’ARN et la mesure des niveaux relatifs de transcrits par RT-PCR quantitative (qRT-PCR). Ce travail présente une méthode efficace d’extraction d’ARN à tardigrade unique et à tube unique (STST) qui non seulement isole de manière fiable l’ARN des tardigrades individuels, mais réduit également le temps et le coût requis pour chaque extraction. Cette méthode d’extraction d’ARN produit des quantités d’ADNc qui peuvent être utilisées pour amplifier et détecter plusieurs transcrits par PCR quantitative (qRT-PCR). La méthode est validée en analysant les changements dynamiques dans l’expression des gènes codant pour deux protéines régulées par le choc thermique, la protéine de choc thermique 70 β2 (HSP70 β2) et la protéine de choc thermique 90α (HSP90α), ce qui permet d’évaluer leurs niveaux d’expression relatifs chez les individus exposés à la chaleur par qRT-PCR. STST complète efficacement les méthodes existantes d’extraction d’ARN tardigrade en vrac et unique, permettant un examen rapide et abordable des niveaux transcriptionnels individuels de tardigrade par qRT-PCR.
Les tardigrades sont de petits animaux multicellulaires réputés pour leur capacité à survivre à des conditions extrêmes qui sont mortelles pour la plupart des autres formes de vie1. Par exemple, ces animaux peuvent survivre à près de 1000 fois la dose de rayonnement ionisant qui est mortelle pour les humains 2,3,4,5,6,7,8,9,10, une dessiccation presque complète 11,12,13,14,15, la congélation en l’absence d’ajout cryoprotecteurs 16,17,18, et, dans leur état desséché, même le vide de l’espace 19,20. En raison de leur capacité unique de survie dans des environnements extrêmes, ces animaux sont devenus des modèles fondamentaux pour comprendre l’extrémotolérance chez les organismes complexes et multicellulaires 1,21,22,23.
La manipulation génétique stable de ces animaux remarquables, y compris la transgenèse et la modification des gènes germinaux, est restée insaisissable jusqu’à récemment. En tant que tel, la plupart des expériences visant à révéler les mécanismes moléculaires de l’extrémotolérance sont réalisées par profilage transcriptionnel via le séquençage de l’ARN. Il existe de nombreux ensembles de données de séquençage de l’ARN précieux et instructifs pour les tardigrades dans diverses conditions extrêmes, allant du rayonnement 8,9,26,27,28, du stress thermique29, du stress de congélation12 et de la dessiccation 27,30,31,32,33. Certaines de ces études ont utilisé des méthodes d’extraction et de purification de l’ARN en vrac pour éclairer notre compréhension moléculaire de l’extrémotolérance. Cependant, l’extraction en masse des transcrits d’ARN de nombreux animaux empêche l’analyse de la variation de l’expression génique entre les individus, manquant ainsi la richesse potentielle d’ensembles de données plus raffinés. Il est important de noter que ces études analysent souvent des populations hétérogènes d’animaux qui comprennent à la fois des animaux qui survivent aux facteurs de stress environnementaux et ceux qui ne le font pas. En tant que telles, ces études sont faussées par la moyenne des données d’expression provenant d’états de réponse multiples et potentiellement radicalement différents. Pour résoudre ce problème, Arakawa et al., 201634 ont développé un élégant pipeline de séquençage d’ARN à faible entrée qui applique un kit d’extraction d’ARN suivi d’une étape d’amplification PCR linéaire en utilisant un seul34, 35, 36 ou plusieursanimaux 30, 37, 38comme entrée. Ces études ont été fondamentales pour notre compréhension de l’extrémotolérance du tardigrade22. Il est intéressant de noter que ce protocole a également été appliqué à la qRT-PCR en utilisant sept animaux comme matériau de départ24.
Dans la plupart des organismes modèles, après avoir identifié des cibles potentielles via le séquençage de l’ARN, la qRT-PCR est ensuite effectuée pour confirmer les modifications transcriptionnelles identifiées par le séquençage de l’ARN et évaluer l’évolution temporelle de l’expression des gènes candidats de manière à haute résolution. Pour tester la fonction des gènes identifiés, de telles études sont souvent suivies d’une neutralisation de cibles moléculaires par l’ARNi39,40 et d’une analyse de la capacité extremotolérante12,41. L’efficacité de chaque inactivation de l’ARNi est généralement confirmée par qRT-PCR en surveillant directement la diminution de l’abondance des transcrits. Cependant, l’ARNi est un processus à forte intensité de main-d’œuvre chez les tardigrades car chaque ARNdb doit être délivré par micro-injection manuelle d’individus39,40. En raison de la nature à faible débit de cette stratégie, une méthode d’extraction d’ARN rapide et peu coûteuse adaptée à la qRT-PCR à partir d’animaux uniques serait très précieuse pour la recherche sur les tardigrades. Bien que des méthodes antérieures aient été développées pour extraire l’ARN de tardigrades uniques, ces protocoles n’ont pas combiné leur extraction avec la qRT-PCR, s’appuyant plutôt sur des méthodes basées sur la densité optique 12,40,41. Motivés par ces défis, nous avons cherché à développer un protocole qui produit de manière fiable de l’ARN en quantité et en qualité qui peut être utilisé pour la qRT-PCR à partir d’un seul H. exemplaris.
Adapté d’un protocole d’extraction d’ARN sur un seul animal développé pour Caenorhabditis elegans42, STST est optimisé pour H. exemplaris. La méthode d’extraction se compose de six étapes rapides de congélation-décongélation, perturbant physiquement la cuticule, permettant l’extraction de l’ARN et la synthèse ultérieure de l’ADNc. La méthode STST réduit le temps d’extraction de plus de 24 fois par rapport aux méthodes d’extraction d’ARN en vrac, comme décrit par Boothby, 201843, et de 30 % par rapport aux kits d’extraction d’ARN tardigrade unique, comme décrit par Arakawa et al., 201634. De plus, le nombre d’interactions échantillon-expérimentateur est réduit de 5 à seulement 1 par rapport aux préparations de kits d’extraction d’ARN, réduisant ainsi le risque de contamination par des ribonucléases exogènes. Lors de l’interrogation de gènes fortement exprimés, la méthode STST produit suffisamment d’ADNc pour 25 réactions RT-PCR quantitatives par tardigrade, ne nécessitant que 1 μL du volume total de 25 μL d’ADNc par réaction. Cependant, les concentrations de matrice doivent être déterminées empiriquement pour les transcrits de faible abondance.
L’efficacité de la méthode STST pour l’analyse des changements dynamiques dans l’expression génique a été évaluée en étudiant l’expression différentielle des gènes codant pour la protéine de choc thermique 90α (HSP90α) et la protéine de choc thermique 70β2 (HSP70β2) en réponse à un choc thermique à court terme à 35 °C pendant 20 minutes. HSP70β2 et HSP90α chez la plupart des organismes eucaryotes sont rapidement régulés à la hausse après une exposition à court terme à un choc thermique (20 min)42. L’analyse chez H. exemplaris a révélé que les ARN codant pour HSP70β2 et HSP90α extraits de tardigrades uniques traités thermiquement présentaient des augmentations statistiquement significatives de l’expression après une exposition à la chaleur à court terme. Ces résultats démontrent que le protocole STST peut être utilisé pour analyser les changements dynamiques dans l’expression des gènes chez des animaux individuels au fil du temps.
La méthode d’extraction STST devrait compléter les méthodes expérimentales existantes telles que le RNA-seq en facilitant l’extraction rapide et peu coûteuse de l’ARN et la comparaison ultérieure des niveaux de transcrits par qRT-PCR. Cette méthode sera également précieuse pour évaluer l’efficacité et la pénétrance de l’ARNi chez les individus injectés manuellement de manière plus quantitative que la densité optique seule. Enfin, en raison de leurs structures cuticulaires et de leurs caractéristiques physiques similaires, il est probable que cette méthode sera également efficace pour analyser l’expression génique chez d’autres espèces de tardigrades44.
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Figure 1 : Pipeline monotube pour l’extraction d’ARN à partir d’un seul tardigrade. (A) Schéma montrant le protocole d’extraction d’ARN à partir d’un seul tardigrade, y compris six cycles de congélation-décongélation et la synthèse ultérieure de l’ADNc. Les échantillons peuvent ensuite être utilisés pour la RT-PCR et la qRT-PCR. (B) Image du cône de la micropipette utilisé pour l’élimination de l’eau. Barre d’échelle : 2 mm. (C) Image en fond clair d’un tardigrade dans un petit volume d’eau (ligne pointillée). L’élimination de la majeure partie de l’eau dans la mesure indiquée est nécessaire pour une extraction réussie et empêche la dilution du tampon de lyse. Barre d’échelle : 50 μm. (D) Image montrant l’immersion d’échantillons dans de l’azote liquide à l’aide de longues pinces pour geler-décongeler rapidement les échantillons en toute sécurité. Une partie du contenu a été créée dans BioRender. Kirk, M. (2022) BioRender.com/d93s511 Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
REMARQUE : La figure 1A montre un schéma de la procédure. Pour des procédures détaillées d’élevage de tardigrades et d’algues, veuillez consulter les rapports45, 46 et 47 publiés précédemment.
1. Stérilisation de l’eau de source
2. Tirage de micropipettes en verre (avec un extracteur de pipette)
3. Tirage de micropipettes en verre (sans extracteur de pipette)
4. Extraction de l’ARN
5. Synthèse de l’ADNc
6. qPCR
7. Quantification et interprétation des résultats
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Développement et optimisation de l’extraction d’ARN tardigrade unique
En adaptant le protocole de Ly et al., 201542 pour l’extraction de l’ARN dans les tardigrades, le système STST est optimisé pour maximiser la quantité et la qualité de la préparation (Figure 1A). La RT-PCR a été réalisée pour les transcrits d’actine, quantifiant le rendement des transcrits en amplifiant une région de 527 pb c...
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Cette étude présente une méthode efficace pour l’extraction de l’ARN pour la qRT-PCR à tardigrade unique. La comparaison directe de la méthodologie STST à un kit d’extraction d’ARN tardigrade unique existant a révélé que l’extraction de l’ARN STST produit des quantités > 200 fois plus élevées de transcrits d’ARN d’actine, réduit le coût à moins d’un dollar par échantillon et réduit le temps nécessaire à l’extraction de 30 %. Pour appliquer STST à u...
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Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Nous tenons à souligner la bourse Ruth Kirschstein des NIH # 5F32AG081056-02 et la bourse postdoctorale Errett Fisher, qui ont soutenu la Dre Molly J. Kirk, la bourse de la famille Crowe, qui a soutenu Chaoming Xu, ainsi qu’une subvention du Sénat académique de l’Université de Californie à Santa Barbara et des subventions #R01GM143771 et #2R01HD081266 des NIH, qui ont soutenu ces efforts de recherche. Les auteurs reconnaissent également l’utilisation du laboratoire de nanostructures biologiques au sein du California NanoSystems Institute, soutenu par l’Université de Californie à Santa Barbara et l’Université de Californie, Bureau du président.
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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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