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Artículo de método

2D-HELS MS Seq: Un método general basado en LC-MS para la secuenciación directa y de novo de mezclas de ARN con diferentes modificaciones de nucleótidos

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DOI:

10.3791/61281

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10 de julio de 2020

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En este artículo

Resumen

Aquí, describimos un protocolo detallado para un método de secuenciación basado en LC-MS que se puede utilizar como método directo para secuenciar ARN corto (<35 nt por ejecución) sin un intermedio de ADNc, y como método general para secuenciar diferentes modificaciones de nucleótidos en un solo estudio con precisión de una sola base.

Resumen

Se ha demostrado que los enfoques de secuenciación basados en espectrometría de masas (MS) son útiles en la secuenciación directa de ARN sin necesidad de un intermediario de ADN complementario (ADNc). Sin embargo, estos enfoques rara vez se aplican como un método de secuenciación de ARN de novo , sino que se utilizan principalmente como una herramienta que puede ayudar en el aseguramiento de la calidad para confirmar secuencias conocidas de muestras de ARN monocatenario purificadas. Recientemente, desarrollamos un método de secuenciación directa de ARN mediante la integración de una estrategia de etiquetado final hidrofóbico en tiempo de retención de masa en 2 dimensiones en secuenciación basada en MS (2D-HELS MS Seq). Este método es capaz de secuenciar con precisión secuencias individuales de ARN, así como mezclas que contienen hasta 12 secuencias de ARN distintas. Además de los cuatro ribonucleótidos canónicos (A, C, G y U), el método tiene la capacidad de secuenciar oligonucleótidos de ARN que contienen nucleótidos modificados. Esto es posible porque la nucleobase modificada tiene una masa intrínsecamente única que puede ayudar en su identificación y su ubicación en la secuencia de ARN, o se puede convertir en un producto con una masa única. En este estudio, hemos utilizado ARN, incorporando dos nucleótidos modificados representativos (pseudouridina (Ψ) y 5-metilcitosina (m5C)), para ilustrar la aplicación del método para la secuenciación de novo de un solo oligonucleótido de ARN, así como una mezcla de oligonucleótidos de ARN, cada uno con una secuencia diferente y/o nucleótidos modificados. Los procedimientos y protocolos descritos aquí para secuenciar estos ARN modelo serán aplicables a otras muestras cortas de ARN (<35 nt) cuando se utilice un sistema LC-MS estándar de alta resolución, y también se pueden utilizar para la verificación de la secuencia de oligonucleótidos de ARN terapéuticos modificados. En el futuro, con el desarrollo de algoritmos más robustos y con mejores instrumentos, este método podría permitir la secuenciación de muestras biológicas más complejas.

Introducción

Se han desarrollado métodos de secuenciación basados en espectrometría de masas (MS), incluida la MS de arriba hacia abajo y la MS en tándem 1,2,3,4, para la secuenciación directa de ARN. Sin embargo, las técnicas de fragmentación in situ para generar eficazmente escaleras de ARN de alta calidad en espectrómetros de masas actualmente no se pueden aplicar a la secuenciación de novo 5,6. Además, no es muy trivial analizar los datos tr....

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Protocolo

1. Diseño de oligonucleótidos de ARN

  1. Diseñar oligonucleótidos de ARN sintéticos con diferentes longitudes (19 nt, 20 nt y 21 nt), incluyendo uno (ARN #6) con nucleótidos canónicos y modificados. ψ se emplea como modelo para modificaciones que no alteran la masa, lo cual es un desafío para la secuenciación de MS porque tiene una masa idéntica a la de U. m5C se elige como modelo para las modificaciones que alteran la masa para demostrar la solidez del enfoque.

    ARN #1: 5'-HO-CGCAUCUGACUGACCAAAA-OH-3'
    ARN #2: 5'-HO-AUAGCCCAGUCAGUCUACGC-OH-3'
    ARN #3: 5'-HO-AAACCGUUACCAUUACUGAG-OH-3'
    ARN #4: 5'-HO-GC....

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Resultados

Introducción de una etiqueta de biotina en el extremo 3' del ARN para producir escaleras de masa-tR fácilmente identificables. En la Figura 1a se muestra el flujo de trabajo del enfoque MS Seq 2D-HELS. La marca hidrofóbica de biotina introducida en el extremo 3' del ARN (ver Sección 2) aumenta las masas y tRs de los componentes de la escalera marcados con 3' en comparación con los de sus contrapartes no marcadas. Por lo tanto, la curva de la escalera 3'.......

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Discusión

A diferencia de la fragmentación de MS basada en tándem, la hidrólisis ácida altamente controlada se utiliza en el enfoque 2D-HELS MS Seq para fragmentar el ARN antes del análisis con un espectrómetro de masas 9,10. Como resultado, el instrumento puede detectar cada fragmento degradado en ácido, formando el equivalente a una escalera de secuenciación. En condiciones óptimas, este método crea una escalera de secuencia "ideal" a pa.......

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Divulgaciones

Los autores han presentado una patente provisional relacionada con la tecnología discutida en este manuscrito.

Agradecimientos

Los autores agradecen la subvención R21 de los Institutos Nacionales de Salud (1R21HG009576) a S. Z. y W. L. y las subvenciones de Apoyo Institucional para la Investigación y la Creatividad del Instituto de Tecnología de Nueva York (NYIT) a S. Z., que apoyaron este trabajo. Los autores desean agradecer al estudiante de doctorado Xuanting Wang (Universidad de Columbia) por ayudar en la creación de figuras, y agradecer al Prof. Michael Hadjiargyrou (NYIT), al Prof. Jingyue Ju (Universidad de Columbia), a los Dres. James Russo, Shiv Kumar, Xiaoxu Li, Steffen Jockusch y a otros miembros del laboratorio Ju (Universidad de Columbia), al Dr.....

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Kit de adenilación de ADNde 5' New England BiolabsE2610S50uM concentración
6550 Q-TOF espectrómetro de masasAgilent Technologies5991-2116ENAcoplado a un sistema 1290 Infinity LC
A (5´)pp(5&agudo;)Cp-TEG-biotina-3&agudo;ChemGenes91718ATP y gamma purificados por HPLC
; SSigma-Aldrich11162306001Sal de litio
BicineSigma-AldrichB8660BioXtra, ≥ 99% (valoración)
Biotina maleimidaVector LaboratoriesSP-1501Brazo largo
Columna C18Waters18600353250 mm &veces; 2,1 mm Columna Xbridge C18 con un tamaño de partícula de 1,7 μ m
Concentrador de vacío centrífugoLabconcoRefrig 115v/60hz 7310022Labconco CentriVap
ChemBioDrawPerkinElmerChemDraw PrimeGenere una estructura química y datos de propiedades de estructuras y fragmentos
CMC (N-ciclohexil-N?-(2-morfolinoetil)-carbodiimida meto-p-toluenosulfonato)Sigma-Aldrich2491-17-095% Purificar
Cianina 3 maleimida (Cy3)Lumiprobe11080Agua
insoluble en agua tratada con DEPCThermo Fisher ScientificAM9906autoclave y certificada como libre de nucleasasThermo
Fisher Scientific108-18-999% Alfa Aesar
DMSOSigma-Aldrich276855Dimetilsulfóxido anhidro, 99,9%
EDTASigma-AldrichE6758Anhidro, cristalino, Biorreactivo, apto para el cultivo celular
Ácido fórmicoMerck64-18-698-100%, ACS reag, Ph Eur
Hexafluoro-2-propanol (HFIP)Thermo Fisher Scientific920-66-199% Acros Organics Viales
de muestra LC-MSThermo Fisher ScientificC4000-11Viales de rosca de tornillo
de plástico Tapones de viales LC-MSMuestreador automático Thermo FisherC5000-54ATapones roscados de rosca para viales Na
2CO3Sigma-Aldrich88975BioUltra, >0,1 M Na2CO3, >0,2 M NaHCO3
Oligo Clean & ConcentradorZymo ResearchD4060Columna de centrifugado
OriginLabOriginLab OriginProSoftware de análisis y gráficos de datos
pCp-biotinaTriLink BioTechnologiesNU-1706-BIO20 ul (1 mM)
RNA #1--#6Tecnologías de ADN integradasOligonucleótidos de ARN personalizados ARNmonocatenario de 19nt-21nt, utilizados sin purificación adicional
Balanceo agitador de plataformaVWROrbital Shaker Standard 1000Rango de velocidad de 40 a 300 rpm
Perlas magnéticas de estreptavidinaThermo Fisher Scientific88816Encuadernación aprox. 55ug conejo biotinilado lgG por mg de perlas
Cianina sulfonada3 maleimidaLumiprobe11380
T4 soluble en agua ADN ligasa 1New England BiolabsM0202S400 unidades/uL
T4 polinucleótido quinasaSigma-AldrichT4PNK-ROA partir del fago T4 am N81 pse T1 infectado con Escherichia coli BB
Tampón Tris-HClSigma-AldrichT6455Tampón Tris-HCl, pH 10, 10&veces;, Recuperador de antígenos
UreaSigma-Aldrich81871Urea para síntesis. Nº CAS 57-13-6, Nº CE 200-315-5.
Diisopropilamina (DIPA)

Referencias

  1. Addepalli, B., Venus, S., Thakur, P., Limbach, P. A. Novel ribonuclease activity of cusativin from Cucumis sativus for mapping nucleoside modifications in RNA. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 409 (24), 5645-5654 (2017).
  2. Gao, H., Liu, Y., Rumley, M., Yuan, H., Mao, B.

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Reimpresiones y permisos

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