Para demostrar la eficacia del método χCRAC, se realizó un experimento de curso temporal con cepas de levadura que expresan una proteína Nrd1 marcada con HTP. En la figura 1 se proporciona una representación esquemática detallada que describe cómo funciona el método. Al igual que Nab3, Nrd1 está involucrado en la desintegración del ARN nuclear de una variedad de transcripciones de ARN37. Trabajos previos del laboratorio de Corden sugirieron que la unión de Nrd1 a sus objetivos de ARN cambia significativamente cuando las células son sometidas a falta de glucosa28,38. Como tal, las células que crecen exponencialmente en un medio que contiene glucosa (SD-TRP) se cambiaron al mismo medio sin glucosa (S-TRP) durante un curso de tiempo para monitorear los cambios dinámicos en las interacciones Nrd1-ARN. Las muestras se tomaron y se reticularon en la cámara de enlace Vari-X (Figura 3A) antes del turno y luego después de 1, 2, 4, 8, 14 y 20 min. El medio utilizado para el crecimiento celular fue deliberadamente deficiente en triptófano para reducir la absorción UV por este aminoácido aromático. Tenga en cuenta que es mejor utilizar un medio sintético que esté esterilizado por filtro, ya que el autoclave del medio puede conducir a la caramelización de los azúcares. Esto reduce la eficiencia de reticulación.
La figura 4A muestra una autorradiografía representativa de un experimento χCRAC. Tenga en cuenta que en este ejemplo, las muestras no se agruparon. En cambio, cada uno se ejecutó individualmente en el gel. Esto se recomienda para las pruebas experimentales iniciales para demostrar que la proteína se cruza eficazmente con el ARN en todos los puntos de tiempo probados. Se observó una señal particularmente intensa en el peso molecular esperado de la RBP, que representa la proteína unida a ARN radiomarcados muy cortos que no son susceptibles de secuenciación. Por lo tanto, se aisló la señal de mancha por encima de esta banda, que es la proteína reticulada a fragmentos de ARN más largos. El fragmento fue cortado justo por encima de la banda de proteína más alrededor de 30 kDa. La figura 4B muestra un autorradiograma después de la escisión, con la proteína reticulada a ARN cortos que quedan en el gel y la señal previamente manchada ahora extirpada.
Después de la transcripción inversa, la biblioteca de ADNc debe amplificarse mediante PCR. Sin embargo, se debe evitar la sobreamplificación de la biblioteca, ya que esto puede introducir sesgos hacia secuencias amplificadas preferentemente por la polimerasa y generar artefactos de PCR. Las bibliotecas sobreamplificadas también contienen un gran número de secuencias duplicadas que desperdician lecturas en el secuenciador. Para calcular el número ideal de ciclos de PCR para la amplificación de la biblioteca final, se amplificó una alícuota del ADNc mediante qPCR utilizando los oligonucleótidos P5 y BC. El primer ciclo en el que la biblioteca alcanzó la fluorescencia máxima se eligió como el recuento del ciclo de PCR. La Figura 4C da un ejemplo de una qPCR de una biblioteca típica de ADNc, que produjo un recuento de ciclos máximos de 16. Este valor se utilizó para la PCR final de χCRAC. Para procesar los datos secuenciados, utilizamos un software previamente desarrollado en nuestro laboratorio (pyCRAC) y el pipeline correspondiente para el análisis de los datos cinéticos de CRAC (Nues et al., 2017; https://git.ecdf.ed.ac.uk/sgrannem/pycrac, https://bitbucket.org/sgrann/kinetic_crac_pipeline/src/default/). Estas herramientas de software de código abierto permiten la demultiplexación y el recorte de los datos, la eliminación de duplicados de PCR, la identificación de picos estadísticamente significativos, las lecturas de clúster en secuencias contiguas y la identificación de motivos de unión39. Más detalles sobre cómo funcionan estas herramientas se encuentran en sus respectivas páginas web.
También comenzamos a desarrollar un protocolo χCRAC para células de mamíferos. La mayoría de las líneas celulares de mamíferos se cultivan como una monocapa y la bandeja en nuestro reticulante con la bolsa permeable a los rayos UV no es adecuada para experimentos con células adherentes. Para superar este problema, desarrollamos una etapa en la que los usuarios pueden irradiar UV 1-2 placas de Petri (150 mm de diámetro y 25 mm de profundidad) con células adherentes (Figura 3B). Como primera prueba, la eficiencia del reticulante para células de mamíferos se midió a través de la reticulación y la captura de GFP-RBM7 marcados de manera estable utilizando anticuerpos anti-GFP y una purificación tradicional basada en CLIP. Como se muestra en la Figura 5A, el reticulante fue capaz de recuperar complejos proteína-ARN de células de mamíferos cultivadas como una monocapa utilizando irradiación UV de 254 nm con eficiencias comparables a un dispositivo de irradiación UV ampliamente utilizado. Sin embargo, los artículos de plástico de cultivo celular estándar que normalmente se usan para experimentos de reticulación UV son impenetrables a 254 nm UV. Por lo tanto, en nuestro reticulante las células sólo recibirían irradiación del banco superior de lámparas UV. Para superar esto, desarrollamos una placa de Petri de cuarzo permeable a los rayos UV para el crecimiento celular y la reticulación. El uso del material de cultivo de cuarzo mostró una recuperación robusta de complejos proteína-ARN con tan solo 2 s de irradiación UV (Figura 5B). Cuando se combinan con métodos de captura de RBP para células de mamíferos como las tecnologías CLIP, estos cortos tiempos de reticulación son susceptibles con cursos de tiempo para recuperar perfiles de unión al ARN espaciotemporal de RBP en respuesta a tensiones genotóxicas o agotamientos rápidos de factores proteicos, o en paralelo con la sincronización transcripcional o del ciclo celular.
La Figura 6 muestra varios ejemplos de los datos Nrd1 procesados por la canalización χCRAC. Esta figura se preparó utilizando los archivos bedgraph generados por la canalización y el paquete python GenomeBrowser (https://pypi.org/project/GenomeBrowser/1.6.3/), que diseñamos para simplificar la creación de imágenes de los datos del navegador del genoma con calidad de publicación. Los rectángulos grises representan regiones genómicas que expresaron ARN no codificantes, como la transcripción inestable críptica (CUT), las transcripciones estables no caracterizadas (SUT)40 y las transcripciones inestables sensibles a Xrn1 (XUT)41. Los datos de la Figura 6 muestran que Nrd1 se une a muchas de estas transcripciones de ARN no codificantes, lo que coincide con la idea de que esta proteína está implicada en la degradación de esta clase de transcripciones42. La Figura 6A muestra una región de ~15 kb en el cromosoma IV. Aquí hubo un aumento significativo en la unión de Nrd1 a las transcripciones que codifican los transportadores de glucosa de alta afinidad HXT6 y HXT7, los cuales están regulados al alza durante la inanición de glucosa. Es probable que la terminación de la transcripción por el complejo NNS pueda influir en la cinética de inducción de estos genes durante la falta de glucosa. La Figura 6B muestra un ejemplo de enlace cruzado Nrd1 a la transcripción Imd3, que se sabe que está regulada por Nab343. En este caso, los datos demostraron una reducción significativa en la unión a la falta de glucosa. Trabajos previos mostraron una disminución de la unión de Nab3 a la transcripción de Tye7 durante la falta de glucosa44. De acuerdo con esta observación, los datos de χCRAC sugieren que la unión de Nrd1 disminuyó durante la inanición de glucosa y la reticulación de Nrd1 a Tye7 estaba en su punto más bajo después de 8 min de estrés (Figura 4C). Sin embargo, parece que este efecto fue solo transitorio, porque después de 14 minutos de inanición de glucosa, la unión a Nrd1 volvió a los niveles iniciales.

Figura 1: Representación esquemática del protocolo χCRAC. Las cepas etiquetadas se cultivaron hasta la densidad deseada. RBP indica proteína de unión al ARN. Posteriormente, se tomó una muestra de referencia y se entrecruzó con luz UV de 254 nm. Las células restantes se cosecharon por filtración y luego se cambiaron rápidamente al medio inductor de estrés. Para el experimento χCRAC descrito aquí, se tomaron muestras y se entrecruzaron 1, 2, 4, 8, 14 y 20 minutos después del turno (1). El RBP de interés se purificó utilizando una purificación de afinidad de dos pasos altamente estricta (2). A continuación, los ARN reticulados capturados se digirieron parcialmente con RNasas, se marcaron radiactivamente en el extremo 5' y los adaptadores se ligaron a ellos (3). Los adaptadores de 5' contenían secuencias de códigos de barras únicas "en lectura" para que las muestras individuales pudieran separarse bioinformáticamente después de la secuenciación. Los complejos RBP-RNA se eluyeron, se agruparon y precipitaron juntos (4), se resolvieron mediante SDS-PAGE y se visualizaron mediante autorradiografía (5). Posteriormente, una sola rebanada de gel que contenía la señal radiactiva justo encima de la banda principal, ilustrada con una caja roja discontinua en la imagen de autorradiografía, se cortó del gel (5). Las rodajas de gel se trataron con proteasa K y posteriormente se extrajo el ARN (6), se convirtió en ADNc y se amplificó mediante PCR (7). El paso PCR introdujo códigos de barras adicionales (bloque amarillo introducido por P7 oligo) para que muchas bibliotecas pudieran multiplexarse en un solo carril. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Reticulación y filtración al vacío. (A) El reticulante. La suspensión celular se vierte en un embudo ubicado en la parte superior derecha de la máquina (consulte también la Figura 3A para un primer plano) y se mantiene en una bolsa transparente a los rayos UV ubicada en la bandeja central. Esta bolsa está flanqueada por dos persianas que permanecen cerradas hasta que el usuario indica a la máquina que inicie el paso de irradiación. Las células se irradian con luz UV de las bandejas tanto arriba como abajo. La máquina viene suministrada con lámparas UV de 254 y 365 nm, siendo esta última aplicable para experimentos PAR-CLIP. La máquina se opera a través de un panel de pantalla táctil ubicado en la parte superior derecha que permite controlar la dosis de UV o el tiempo de exposición. (B) Después de la reticulación, las celdas se drenan desde el lado izquierdo de la máquina. Las suspensiones celulares se recuperan al vacío y se drenan en un matraz de vidrio donde posteriormente se pueden verter en un dispositivo de filtración al vacío para su recolección. (C) Dispositivos de filtración al vacío. Estos se abren y cierran a través de un clip y se inserta un filtro entre ellos. Se utilizaron cuatro dispositivos de filtración en paralelo durante series temporales muy cortas para no perder tiempo como resultado del cambio de filtros. (D) Después de la filtración, el sobrenadante del medio se drenó en matraces para su posterior eliminación. Se instalaron válvulas debajo de los dispositivos de filtración al vacío para mantener el vacío en el sistema cuando se retira el filtro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Reticulación de células suspendidas vs. adherentes. (A) El reticulante con la cámara de reticulación Vari-X para celdas de suspensión. El cultivo celular se vierte en la entrada de la muestra (embudo) ubicada en la parte superior derecha de la bandeja. (B) Bandeja que puede contener placas de Petri de plástico o cuarzo para reticular células adherentes o pequeños volúmenes de células de suspensión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Preparación de la biblioteca. (A) Ejemplo de un autorradiograma de un experimento Nrd1-HTP χCRAC. La señal fuerte y concentrada representa la proteína reticulada a ARN muy cortos, mientras que el frotis anterior representa la proteína reticulada a ARN de longitud suficiente para la secuenciación. (B) El frotis fue extirpado como se muestra en un autoradiograma tomado después de la escisión en gel. (C) Una qPCR representativa de una biblioteca de ADNc χCRAC. En este ejemplo, la amplificación máxima del ADNc se alcanzó a los 16 ciclos. Por lo tanto, se utilizaron 16 ciclos para la amplificación final. La barra de error representa la desviación estándar de tres réplicas técnicas de qPCR. (D) Ejemplo de una imagen de fósforo de una biblioteca de ADNc en un gel TBE al 6%. (E) análisis de longitud y calidad del ADNc a partir de una electroforesis capilar basada en chips. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Prueba de alta RNasa Experimento iCLIP para probar la reticulación en células de mamíferos. Se muestran autoradiogramas de experimentos GFP-RBM7 iCLIP que probaron la eficiencia de la recuperación de RNP a través de varias energías de reticulación. Las inmunoprecipitaciones se realizaron utilizando anticuerpos anti-GFP acoplados a perlas magnéticas en células reticuladas que expresaron de manera estable GFP-RBM7. Los inmunoprecipitados se incubaron con altas concentraciones de RNasa I para recortar los ARN asociados a longitudes cortas y uniformes. Las RNP fueron visualizadas por el etiquetado 32Py SDS-PAGE y migran como una banda definida, cerca de la migración de la proteína no reticulada. La cuantificación indica los resultados de los análisis densitométricos de la señal de ARN RBM7 radiomarcada normalizada a la señal Western blot anti-GFP. (A) Curso temporal de reticulación del reticulante UVP comúnmente utilizado frente a nuestro reticulante (Vari-X-linker; VxL). (B) Entrecruzamiento del curso temporal de nuestro reticulante en artículos de cultivo de cuarzo (izquierda) y plástico (derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Ejemplos de gráficos del navegador del genoma que muestran el poder de χCRAC para mostrar la unión temporal diferencial de Nrd1 a sus objetivos. Cada cuadro muestra gráficos para regiones genómicas individuales. Las flechas indican en qué hebra están codificados los genes (flecha que apunta a la izquierda = menos hebra; flecha que apunta a la derecha = hebra más). Los puntos de tiempo (min) se indican mediante t0, t1, t2, etc. en los ejes y de cada subgráfico. Se muestran números romanos que indican los cromosomas y las coordenadas. (A) Tras la privación de glucosa, Nrd1 se une a dos transportadores de glucosa de alta afinidad, HXT6 y HXT7, que están regulados al alza en esta condición. (B) Se observa que Nrd1 se une a Imd3, un objetivo ya validado de Nab344, con una intensidad reductora después de la falta de glucosa. (C) La unión Nrd1 de Tye7 exhibe una naturaleza dinámica y transitoria, disminuyendo después de la falta de glucosa a un mínimo después de 8 min de estrés. Sin embargo, la unión posteriormente vuelve a los niveles basales después de 14 min. Las lecturas se normalizaron a "lecturas por millón" (RPM; eje y). Los recuadros grises indican regiones que codifican ARN no codificantes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.