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Method Article
Este trabalho apresenta um método de extração rápida de RNA e comparação de nível de transcrição para análise da expressão gênica no tardígrado Hypsibius exemplaris. Usando lise física, este método de alto rendimento requer um único tardígrado como material de partida e resulta em produção robusta de cDNA para reação em cadeia da polimerase de transcrição reversa quantitativa (qRT-PCR).
O tardígrado Hypsibius exemplaris é um organismo modelo emergente conhecido por sua capacidade de sobreviver a extremos ambientais. Para explorar os mecanismos moleculares e a base genética de tal extremotolerância, muitos estudos contam com o sequenciamento de RNA (RNA-seq), que pode ser realizado em populações que variam de grandes coortes a animais individuais. A reação em cadeia da polimerase com transcrição reversa (RT-PCR) e a interferência de RNA (RNAi) são posteriormente usadas para confirmar os achados de RNA-seq e avaliar os requisitos genéticos para genes candidatos, respectivamente. Tais estudos requerem um método eficiente, preciso e acessível para extração de RNA e medição dos níveis relativos de transcrição por RT-PCR quantitativo (qRT-PCR). Este trabalho apresenta um método eficiente de extração de RNA de tubo único e tardígrado único (STST) que não apenas isola de forma confiável o RNA de tardígrados individuais, mas também reduz o tempo e o custo necessários para cada extração. Este método de extração de RNA produz quantidades de cDNA que podem ser usadas para amplificar e detectar vários transcritos por PCR quantitativo (qRT-PCR). O método é validado pela análise de mudanças dinâmicas na expressão de genes que codificam duas proteínas reguladas por choque térmico, Heat-Shock Protein 70 β2 (HSP70 β2) e Heat-Shock Protein 90α (HSP90α), possibilitando avaliar seus níveis relativos de expressão em indivíduos expostos ao calor usando qRT-PCR. O STST complementa efetivamente os métodos existentes de extração de RNA tardígrado único e em massa, permitindo o exame rápido e acessível dos níveis transcricionais de tardígrados individuais por qRT-PCR.
Os tardígrados são pequenos animais multicelulares conhecidos por sua capacidade de sobreviver a condições extremas que são letais para a maioria das outras formas de vida1. Por exemplo, esses animais podem sobreviver quase 1000 vezes a dose de radiação ionizante que é letal para os humanos 2,3,4,5,6,7,8,9,10, dessecação quase completa 11,12,13,14,15, congelamento na ausência de adição de crioprotetores 16,17,18 e, em seu estado dessecado, até mesmo o vácuo do espaço 19,20. Devido à sua capacidade única de sobrevivência em ambientes extremos, esses animais tornaram-se modelos fundamentais para a compreensão da extrema tolerância em organismos multicelulares complexos 1,21,22,23.
A manipulação genética estável desses animais notáveis, incluindo transgênese e modificação genética da linha germinativa, permaneceu indescritível até recentemente 24,25. Como tal, a maioria dos experimentos para revelar mecanismos moleculares de extremotolerância são realizados por meio de perfis transcricionais via sequenciamento de RNA. Existem muitos conjuntos de dados de sequenciamento de RNA valiosos e informativos para tardígrados sob várias condições extremas, variando de radiação 8,9,26,27,28, estresse térmico29, estresse de congelamento12 e dessecação 27,30,31,32,33. Alguns desses estudos utilizaram métodos de extração e purificação de RNA em massa para iluminar nossa compreensão molecular da extremotolerância. No entanto, a extração em massa de transcritos de RNA de muitos animais impede a análise da variação na expressão gênica entre indivíduos, perdendo assim a riqueza potencial de conjuntos de dados mais refinados. É importante ressaltar que esses estudos geralmente analisam populações heterogêneas de animais que incluem animais que sobrevivem a estressores ambientais e aqueles que não sobrevivem. Como tal, esses estudos são confundidos pela média de dados de expressão de estados de resposta múltiplos e potencialmente dramaticamente diferentes. Para resolver esse problema, Arakawa et al., 201634 desenvolveram um elegante pipeline de RNA-seq de baixa entrada que aplica um kit de extração de RNA seguido por uma etapa de amplificação de PCR linear usando 34,35,36 ou vários 30,37,38 animais como entrada. Esses estudos foram fundamentais para nossa compreensão da extremotolerância ao tardígrado22. Curiosamente, este protocolo também foi aplicado ao qRT-PCR usando sete animais como material de partida24.
Na maioria dos organismos modelo, tendo identificado alvos potenciais via RNA-seq, o qRT-PCR é então realizado para confirmar as alterações transcricionais identificadas pelo RNA-seq e avaliar o curso do tempo de expressão dos genes candidatos de maneira de alta resolução. Para testar a função dos genes identificados, esses estudos são frequentemente seguidos por knockdown mediado por RNAi de alvos moleculares39,40 e análise da capacidade extremotolerante 12,41. A eficácia de cada knockdown de RNAi é normalmente confirmada por qRT-PCR, monitorando diretamente a diminuição na abundância de transcritos. No entanto, o RNAi é um processo trabalhoso em tardígrados, pois cada dsRNA deve ser administrado por meio de microinjeção manual de indivíduos39,40. Devido à natureza de baixo rendimento dessa estratégia, um método de extração de RNA rápido e de baixo custo adaptado para qRT-PCR de animais únicos seria altamente valioso para a pesquisa de tardígrados. Embora métodos anteriores tenham sido desenvolvidos para extrair RNA de tardígrados únicos, esses protocolos não combinaram sua extração com qRT-PCR, em vez disso, confiaram em métodos baseados em densidade óptica 12,40,41. Motivados por esses desafios, procuramos desenvolver um protocolo que produza RNA de forma confiável em quantidade e qualidade que possa ser usado para qRT-PCR a partir de um único H. exemplaris.
Adaptado de um protocolo de extração de RNA de um único animal desenvolvido para Caenorhabditis elegans42, o STST é otimizado para H. exemplaris. O método de extração consiste em seis etapas rápidas de congelamento e descongelamento, interrompendo fisicamente a cutícula, permitindo a extração de RNA e subsequente síntese de cDNA. O método STST diminui o tempo de extração em mais de 24 vezes em comparação com os métodos de extração de RNA em massa, conforme descrito por Boothby, 201843, e em 30% em comparação com os kits de extração de RNA tardígrado único, conforme descrito por Arakawa et al., 201634. Além disso, o número de interações amostra-experimentador é reduzido de 5 para apenas 1 em comparação com as preparações do kit de extração de RNA, reduzindo assim o risco de contaminação por ribonucleases exógenas. Ao consultar genes altamente expressos, o método STST produz cDNA suficiente para 25 reações quantitativas de RT-PCR por tardígrado único, exigindo apenas 1 μL do volume total de 25 μL de cDNA por reação. No entanto, as concentrações do modelo precisam ser determinadas empiricamente para transcritos de menor abundância.
A eficácia do método STST para analisar mudanças dinâmicas na expressão gênica foi avaliada investigando a expressão diferencial dos genes que codificam a proteína de choque térmico-90α (HSP90α) e a proteína de choque térmico 70β2 (HSP70β2) em resposta ao choque térmico de curto prazo a 35°C por 20 minutos. Tanto o HSP70β2 quanto o HSP90α na maioria dos organismos eucarióticos são rapidamente regulados positivamente após a exposição a choques térmicos de curto prazo (20 min) 42 . A análise em H. exemplaris revelou que os RNAs codificadores de HSP70β2 e HSP90α extraídos de tardígrados tratados termicamente mostraram aumentos estatisticamente significativos na expressão após exposição ao calor de curto prazo. Esses achados demonstram que o protocolo STST pode ser usado para analisar mudanças dinâmicas na expressão gênica em animais individuais ao longo do tempo.
O método de extração STST deve complementar os métodos experimentais existentes, como RNA-seq, facilitando a extração rápida e barata de RNA e a subsequente comparação dos níveis de transcrição por qRT-PCR. Este método também será valioso para avaliar a eficiência e penetrância do RNAi em indivíduos injetados manualmente de forma mais quantitativa do que a densidade óptica sozinha. Finalmente, devido às suas estruturas cuticulares e características físicas semelhantes, é provável que esse método também seja eficaz para analisar a expressão gênica em outras espécies de tardígrados44.
Figura 1: Tubulação de tubo único para extração de RNA de um único tardígrado. (A) Esquema mostrando o protocolo para extração de RNA de um único tardígrado, incluindo seis ciclos de congelamento e descongelamento e subsequente síntese de cDNA. As amostras podem ser posteriormente utilizadas para RT-PCR e qRT-PCR. (B) Imagem do cone da micropipeta usado para remoção de água. Barra de escala: 2 mm. (C) Imagem de campo claro de um tardígrado em um pequeno volume de água (linha pontilhada). A remoção da maior parte da água na medida mostrada é necessária para uma extração bem-sucedida e evita a diluição do tampão de lise. Barra de escala: 50 μm. (D) Imagem mostrando a imersão de amostras em nitrogênio líquido usando pinças longas para congelar e descongelar rapidamente as amostras com segurança. Parte do conteúdo foi criado em BioRender. Kirk, M. (2022) BioRender.com/d93s511 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
NOTA: A Figura 1A mostra um esquema do procedimento. Para procedimentos detalhados de cultura de tardígrados e algas, consulte os relatórios publicados anteriormente 45,46,47.
1. Esterilização da água de nascente
2. Tração de micropipeta de vidro (com extrator de pipeta)
3. Tração de micropipeta de vidro (sem extrator de pipeta)
4. Extração de RNA
5. Síntese de cDNA
6. qPCR
7. Quantificação e interpretação dos resultados
Desenvolvimento e otimização da extração de RNA de tardígrado único
Adaptando o protocolo de Ly et al., 201542 para extração de RNA em tardígrados, o sistema STST é otimizado para maximizar a quantidade e a qualidade da preparação (Figura 1A). RT-PCR foi realizado para transcritos de actina, quantificando o rendimento do transcrito amplificando uma região de 527 pb abrangendo os éxons 1 e 2 (as sequê...
Este estudo apresenta um método eficiente para a extração de RNA para qRT-PCR de tardígrado único. A comparação direta da metodologia STST com um kit de extração de RNA tardígrado único existente revelou que a extração de RNA STST produz quantidades >200 vezes maiores de transcritos de RNA de actina, reduz o custo para menos de um dólar por amostra e reduz o tempo necessário para extração em 30%. Para aplicar o STST a uma questão biológica relevante, avaliamos o perfil...
Os autores declaram não haver conflitos de interesse a divulgar.
Queremos agradecer a bolsa NIH Ruth Kirschstein # 5F32AG081056-02 e a bolsa de pós-doutorado Errett Fisher, que apoiou a Dra. Molly J. Kirk, a Crowe Family Fellowship, que apoiou Chaoming Xu, e uma bolsa do Senado Acadêmico da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e bolsas do NIH #R01GM143771 e #2R01HD081266, que apoiaram esses esforços de pesquisa. Os autores também reconhecem o uso do Laboratório de Nanoestruturas Biológicas dentro do Instituto de NanoSistemas da Califórnia, apoiado pela Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e pela Universidade da Califórnia, Gabinete do Presidente.
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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