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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Aquí, describimos una estrategia paso a paso para aislar pequeños ARN, enriquecer para microARN y preparar muestras para la secuenciación de alto rendimiento. A continuación, describimos cómo procesar lecturas de secuencia y alinearlas con microRNAs, utilizando herramientas de código abierto.
Se cree que la mitad de todas las transcripciones humanas están reguladas por microARN. Por lo tanto, la cuantificación de la expresión de microARN puede revelar mecanismos subyacentes en los estados de la enfermedad y proporcionar dianas terapéuticas y biomarcadores. Aquí, detallamos cómo cuantificar con precisión los microRNAs. Brevemente, este método describe el aislemiento de microARN, ligando a adaptadores adecuados para la secuenciación de alto rendimiento, la amplificación de los productos finales y la preparación de una biblioteca de muestras. A continuación, explicamos cómo alinear las lecturas de secuenciación obtenidas con horquillas microRNA, y cuantificar, normalizar y calcular su expresión diferencial. Versátil y robusto, este flujo de trabajo experimental combinado y análisis bioinformático permite a los usuarios comenzar con la extracción de tejidos y terminar con la cuantificación de microARN.
Descubierto por primera vez en 19931, ahora se estima que casi 2000 microARN están presentes en el genoma humano2. Los MicroRNAs son ARN pequeños que no codifican y que suelen tener entre 21 y 24 nucleótidos de largo. Son reguladores post-transcripcionales de la expresión génica, a menudo uniéndose a sitios complementarios en la región 3 no traducida (3-UTR) de genes diana para reprimir la expresión de proteínas y degradar el ARNm. La cuantificación de los microARN puede proporcionar información valiosa sobre la expresión génica y se han desarrollado varios protocolos para este propósito3.
Hemos desarrollado un protocolo definido, reproducible y de larga data para la secuenciación de ARN pequeño, y para analizar lecturas normalizadas utilizando herramientas bioinformáticas de código abierto. Es importante destacar que nuestro protocolo permite la identificación simultánea de microARN endógenos y construcciones exógenas que producen especies similares a microARN, al tiempo que minimiza las lecturas que se asignan a otras especies de ARN pequeños, incluyendo ARN ribosomales ( rRNAs), transferir ARN pequeños derivados del ARN derivados del ARN (trnA), ARN pequeños derivados de repetición y productos de degradación de ARNm. Afortunadamente, los microRNAs son 5-fosforilados y 2-3 hidroxilados4, una característica que se puede aprovechar para separarlos de estos otros pequeños ARN y productos de degradación de ARNm. Existen varias opciones comerciales para la clonación y secuenciación de microARN que a menudo son más rápidas y fáciles de multiplexar; sin embargo, la naturaleza propietaria de los reactivos del kit y sus modificaciones frecuentes hace que comparar las corridas de muestras sea un reto. Nuestra estrategia optimiza la recolección de sólo el tamaño correcto de los microRNAs a través de pasos de purificación de gel de acrilamida y agarosa. En este protocolo, también se describe un procedimiento para alinear las lecturas de secuencia con los microRNAs mediante herramientas de código abierto. Este conjunto de instrucciones será especialmente útil para los usuarios de informática novato, independientemente de si se utiliza nuestro método de preparación de bibliotecas o un método comercial.
Este protocolo se ha utilizado en varios estudios publicados. Por ejemplo, se utilizó para identificar el mecanismo por el cual la enzima Dicer corta ARN de horquilla pequeña a una distancia de dos nucleótidos del bucle interno de la estructura de bucle de tallo - la llamada "regla de recuento de bucles"5. También seguimos estos métodos para identificar la abundancia relativa de ARN de horquilla pequeña (shRNA) entregados a partir de vectores virales adeno-asociados a la recombinante (RAAVs), para identificar el umbral de expresión de ARNS pequeños que se puede tolerar antes del hígado toxicidad asociada con el exceso de expresión de ARNH6. Utilizando este protocolo, también identificamos microARN en el hígado que responden a la ausencia de microARN-122 - un microARN hepático altamente expresado - al mismo tiempo que caracterizan el patrón de degradación de este microARN7. Debido a que hemos utilizado nuestro protocolo consistentemente en numerosos experimentos, hemos sido capaces de observar los preparativos de la muestra longitudinalmente, y ver que no hay efectos de lote discernibles.
Al compartir este protocolo, nuestro objetivo es permitir a los usuarios generar cuantificación reproducible de microRNAs de alta calidad en prácticamente cualquier tejido o línea celular, utilizando equipos y reactivos asequibles, y herramientas bioinformáticas gratuitas.
Los experimentos con animales fueron autorizados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Washington.
Preparación de la biblioteca de ARN pequeño
1. Aislamiento de ARN
2. 3' ligadura del adaptador
3. Ligación de eslabones de 5'
4. Transcripción inversa (RT)
5. Amplificación de PCR
6. Purificación del gel de agarosa
Alineación de secuencias de ARN pequeños y bioinformática
7. Carga de datos
8. Eliminación del adaptador, clasificación de códigos de barras y ajuste
9. Alineación de lecturas a microRNAs
Esquema de los pasos involucrados en la preparación de la biblioteca
En la Figura 2se describe un esquema general de extracción, secuenciación y alineación de ARN pequeños.
Se recogieron muestras de hígado de un ratón macho y una hembra y se congelaron en nitrógeno líquido. El ARN total se extrajo y evaluó la calidad y la concentración.
La secuenciación de ARN pequeño produce suficiente ARN para la secuenciación
Se utilizaron 3 g de ARN a partir de dos extracciones de ARN independientes como material de partida para la secuenciación de ARN pequeño. Las muestras se ejecutaron en un gel de acrilamida y se cortaron entre marcadores de tamaño correspondientes a 17-28 nt de ARN (Figura1A). Las muestras se cortaron en fragmentos para el aislamiento de ARN (Figura1B)y se transfirieron a un tubo centrífugo de 1,5 ml de baja retención (Figura 1C). Los códigos de barras bc7 y bc17 (Tabla1)fueron ligados al extremo 5' del ARN pequeño. Las bibliotecas de ARN pequeñas se amplificaron mediante PCR utilizando 22 ciclos de PCR para producir productos de 8,0 y 11,2 ng/L, respectivamente. Las muestras se agruparon y se envió una muestra agrupada de 10 nM para la secuenciación de alto rendimiento utilizando una longitud de lectura de 50 bp.
MiR-122 es el microARN más abundante en el hígado del ratón
Después de la clasificación de códigos de barras, 851.931 lecturas contenían códigos de barras de la muestra de hígado 1 y 650.154 de la muestra de hígado 2. De las lecturas, el 83,5% y el 90,0% se asignan a microRNAs respectivamente, con la asignación de lecturas restantea a arNI (1,8% y 0,6% respectivamente), fragmentos de degradación de tRNAs y ARNm. Después de la alineación con las horquillas microRNA humanas, observamos una fuerte concordancia entre los recuentos de lectura de microARN en cada réplica (R2 a 0,998; Figura 3). Se detectaron un total de 306 especies de microARN, con el mayor número de lecturas que se asignaron a miR-122 (TablaSuplementaria 4). La abundancia de MicroRNA fue similar entre muestras de hígado masculino y femenino.

Figura 1. Extracción de pequeños ARN de un gel de acrilamida. (A) Gel de acrilamida y región que se corta correspondiente al tamaño de los microARN. (B) Piezas de gel antes y después de cortar en fragmentos más pequeños. (C) Proceso de transferencia de fragmentos de gel a tubos siliconizados. (D) reacción de PCR en gel de agarosa de baja fusión que demuestre el producto clonado correcto en comparación con el producto vinculador y muestras insaturadas (22 ciclos) frente a saturadas (24 ciclos). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Esquema del protocolo. Una línea de tiempo que muestra los pasos principales involucrados en el procedimiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Reproducibilidad de los resultados de dos extracciones independientes de ARN. La gráfica de dispersión de lectura de microARN cuenta a partir de un hígado de ratón masculino (eje X) en comparación con un hígado de ratón hembra (eje y) utilizando una escala basada en log10. Cada punto representa el recuento de microARN asignado según el millón (RPM) para cada microARN individual. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Cartilla | Secuencia |
| 3' vinculador 1 | rAppCTGTAGGCACCATCAAT–NH2 |
| marcador de menor tamaño | rArurcrcrcrarurGrcrcrgrurArArCrurArGGTAACCGCATCATGCGTC |
| marcador de tamaño superior | rArArArurcrargrcrgrgrurGrcrarurGrarararcrgrurArcrarurarggGTAACCGCATCATGCGTC |
| código de barras1 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrArGrCrG |
| código de barras2 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrCrGrUrC |
| código de barras3 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrCrUrGrG |
| código de barras4 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrArCrurU |
| código de barras5 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrGrGrGrU |
| código de barras6 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrGrUrUrA |
| código de barras7 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrArurG |
| código de barras8 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrCrGrC |
| código de barras9 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrGrCrarG |
| código de barras10 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrArurArC |
| código de barras11 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrUrCrU |
| código de barras12 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrCrArArU |
| código de barras13 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrArarGrA |
| código de barras14 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrGrArArA |
| código de barras15 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrGrGrGrG |
| código de barras16 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrArurUrG |
| código de barras17 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrCrArU |
| código de barras18 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrGrUrArU |
| Imprimación RT | ATTGATGGTGCCTACAG |
| Imprimación PCR F | AATGATACGGCGACCACCACCGAGATCTCCTTTCCCTCCCCCCCTTCCGGATCT |
| PCR primer R | CAAGCAGAAGAAGACGGCATACTCTTCCGATECTTTGATGGTGCCTACAG |
Tabla 1. Lista de imprimaciones.
Tabla suplementaria 1. Lista de secuencias de códigos de barras. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Tabla suplementaria 2. Lista curada de secuencias precursoras de microARN de ratón. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Tabla suplementaria 3. Lista curada de secuencias precursoras de microARN humano. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Tabla suplementaria 4. Cuenta la lectura de microRNA sin procesar y normalizada. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Los autores no tienen nada que revelar.
Aquí, describimos una estrategia paso a paso para aislar pequeños ARN, enriquecer para microARN y preparar muestras para la secuenciación de alto rendimiento. A continuación, describimos cómo procesar lecturas de secuencia y alinearlas con microRNAs, utilizando herramientas de código abierto.
Nos gustaría dar las gracias a los miembros de los laboratorios de Andrew Fire y Mark Kay por su orientación y sugerencias.
| Escalera de ADN de 100 pb | NEB | N3231 | |
| Bis-acrilamida 19:1 | Millipore Sigma | A9926 | |
| Escalera de tijera de ADN de 25 pb | Promega | G4511 | |
| Fenol/cloroformo ácido | ThermoFisher | AM9720 | |
| Colorante de carga de ARN de acrilamida | ThermoFisher | R0641 | |
| Persulfato de amonio (APS) | Biorad | 161-0700 | |
| Instrumento bioanalizador | Agilent | G2991AA | Para evaluar la calidad y la concentración de ARN |
| Cloroformo | Fisher Scientific | C298-500 | |
| Etanol (100%) | Sigma | E7023 | |
| Tampón de carga de gel II | ThermoFisher | AM8547 | |
| GlycoBlue | ThermoFisher | AM9516 | El color azul ayuda a visualizar el pellet |
| HCl | Sigma | 320331 | |
| KOH | Sigma | P5958 | |
| Maxi Vertical Gel Box 20 x 20cm | Genesee | 45-109 | |
| miRVana Kit de aislamiento de microARN | ThermoFisher | AM1560 | |
| miSeq system | Illumina | SY-410-1003 | Para generar pequeños datos |
| NaCl | Fisher Scientific | S271-500 | |
| Nusieve agarosa de bajo punto de fusión | Lonza | 50081 | |
| Parafilm (película de sellado de laboratorio) | Millipore Sigma | P7793 | |
| Polietilenglicol 8000 | NEB | incluido con M0204 | |
| ProtoScript II Kit de síntesis de ADNc de primera cadena | NEB | E6560S | |
| QIAquick Gel Kit de extracción | Qiagen | 28704 | |
| Qubit Fluorómetro | ThermoFisher | Q33226 | Para cuantificar la concentración de ADN |
| Qubit RNA HS Kit de ensayo | ThermoFisher | Q32855 | |
| Cuchillas de afeitar | Fisher Scientific | 12640 | |
| Tubos siliconados de baja retención de 1,5 ml | Fisher Scientific | 02-681-331 | |
| T4 RNA ligasa 1 | NEB | M0204 | |
| T4 ARN ligasa 2, truncada K227Q | NEB | M0351S | |
| TapeStation | Agilent G2939BA | Para evaluar la calidad y concentración | del|
| ARN Taq ADN polimerasa | NEB | M0273X | |
| TEMED | Biorad | 161-0800 | |
| Tris Base pH 7.5 | Sigma | 10708976001 | |
| Tris-buffered EDTA | Sigma | T9285 | |
| Trizol | ThermoFisher | 15596026 | |
| Bromuro de etidio ultrapuro (10 mg/ml) | Invitrogen | 15585-011 | |
| Enlazador universal de clonación de miARN | NEB | S1315S | |
| Urea | Sigma | U5378 |