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Se necesitan mejores herramientas de investigación para investigar la contribución de los ARN no codificantes en las enfermedades humanas. La desregulación del MiRNA se observa a menudo en trastornos humanos como el cáncer cuando se comparan los perfiles de expresión de estos pequeños ARN no codificantes en los tejidos y fluidos corporales (por ejemplo, sangre, orina) de pacientes con cáncer versus no cáncer, individuos sanos, empleando microarrays, PCR cuantitativa en tiempo real (qRT-PCR) y tecnologías de secuenciación profunda de próxima generación 1,2 . Trabajos recientes han caracterizado un gran subconjunto de estos miRNAs como factores supresores de tumores, oncogénicos y de metástasis que controlan la formación de tumores, la progresión de la enfermedad y la resistencia a los medicamentos. La sobreexpresión experimental y/o la regulación/pérdida a la baja de los miRNAs dan lugar a consecuencias funcionales y pleiotrópicas en la célula, lo que refleja la amplia gama de actividades asociadas al cáncer que estos ARN no codificantes coordinan: crecimiento, apoptosis, diferenciación, remodelación de la cromatina, angiogénesis, transiciones epitelial a mesenquimal (EMT) y MET, metabolismo y respuesta inmune3.
Los MiRNAs se codifican como genes individuales o residen en grupos genómicos, que se transcriben en el núcleo y se procesan ampliamente antes de generar las especies de miRNA de ~22 nucleótidos (nt) de ~22 nucleótidos (nt) biológicamente maduras localizadas en el citoplasma4. Estos pequeños ARN ejercen sus efectos post-transcripcionalmente y actúan como reguladores genéticos negativos que se unen a los objetivos de ARN mensajero (ARNm) de una manera específica de la secuencia para llevar el complejo de silenciamiento catalítico inducido por ARN (RISC) al sitio de ARNm, lo que resulta en la degradación de ARNm y / o un bloqueo en la traducción de proteínas. Los MiRNAs son una clase extremadamente abundante de ARN no codificantes en sistemas animales, y existen 2.654 miRNAs maduros en el genoma humano (miRBase release 22.1)5. Los MiRNAs suelen asociarse con una complementariedad incompleta con sus dianas deARNm 4. Por lo tanto, un solo miRNA puede regular decenas a cientos de objetivos distintos de ARNm e impactar funcionalmente en una amplia gama de vías biológicas. Para aumentar la complejidad de los mecanismos basados en miRNA, un solo ARNm puede ser regulado por múltiples miRNAs distintos. Por lo tanto, es un desafío investigar cómo la desregulación de miRNA interrumpe el equilibrio homeostático del cuerpo y conduce a la malignidad humana.
La mayoría de los estudios publicados se han centrado en un solo miRNA al caracterizar su papel en los eventos de la enfermedad. Sin embargo, ~ 30% de los genes de miARN humanos están organizados en unidades agrupadas (típicamente ~ 10 kilobases [kb]) que a menudo se transcriben en la misma orientación y se coexpresan, lo que indica un sistema coordinado y complejo de regulación de ARN no codificante6. El grupo de miARN humano policistrónico más grande es el grupo 14q32 que comprende 54 precursores de miARN. Una de las unidades de miARN agrupadas más estudiadas asociadas con los cánceres humanos es el grupo policistrónico miR-17-92 compuesto por miR-17, miR-18a, miR-19a, miR-20a, miR-19b-1 y miR-92-1 que residen dentro del intrón 3 del ARN no codificante, c13orf25. El grupo miR-17-92 se amplifica con frecuencia en neoplasias malignas hematopoyéticas y se sobreexpresa en tumores sólidos y ha establecido funciones oncogénicas en la promoción de la progresión del ciclo celular, la apoptosis y la angiogénesis7. Además, el grupo supresor de tumores miR-15a y miR-16-1 ubicado dentro del intrón del gen no codificante Leu2 a menudo se elimina en leucemias y se regula a la baja en una amplia gama de cánceres, funcionando para bloquear el crecimiento tumoral dirigiéndose al gen antiapoptótico BCL2 y genes adicionales de progresión del ciclo celular8. El grupo miR-888 está elevado en pacientes con cáncer de próstata de alto grado y consta de siete genes miRNA (miR-892c, -890, -888, -892a, -892b, -891b y -891a) localizados en el cromosoma humano Xq27.3 9,10.
El grupo miR-888 se mapea dentro del locus HPCX1 (Hereditary Prostate Cancer, X-linked 1) que abarca Xq27-2, que se identificó mediante el análisis de vinculación de pedigríes familiares de cáncer de próstata hereditario 11,12,13,14,15,29. La caracterización funcional de los miembros agrupados individuales de miR-888 utilizando herramientas convencionales de expresión errónea de miRNA (imitadores de miRNA e inhibidores antisentido) indicó que estos miRNAs desempeñan funciones superpuestas en la regulación del crecimiento y la invasión del tumor de próstata 9,10. Sin embargo, estos métodos experimentales no se prestan fácilmente para estudiar cómo múltiples miembros agrupados de miR-888 actúan sinérgica o antagónicamente en una red de ARN no codificante para controlar la homeostasis tisular y la progresión del cáncer. Este protocolo simplificado descrito utilizando la tecnología de edición de genes CRISPR de alto rendimiento se modifica para diseccionar molecularmente los grupos de miRNA asociados con cánceres humanos (por ejemplo, el grupo miR-888) para cerrar esta brecha de conocimiento.
Los genes crispr bacteriano y crispr asociado (cas) median la inmunidad adaptativa contra bacteriófagos16. El descubrimiento de este antiguo sistema de vigilancia procariota se adaptó rápidamente como una herramienta científica eficiente para atacar fácilmente cualquier locus genómico deseado y realizar alteraciones en la secuencia de ADN dentro de una amplia gama de sistemas animales y tipos de células, tanto in vitro como in vivo16,17. Esta técnica es muy prometedora como un método eficaz para interrogar las redes de miRNA en el contexto de la enfermedad humana. Con este fin, este protocolo de edición de genes CRISPR de alto rendimiento para estudiar el grupo miR-888 que abarca ~ 35 kb en el cromosoma X humano en líneas celulares de cáncer de próstata humano inmortalizadas (LNCaP, PC3-ML) se construye para interrogar cómo los miembros del grupo coordinan las vías de progresión del cáncer. Este enfoque se puede aplicar a la caracterización de cualquier grupo de miRNA y permite a los investigadores generar rápidamente líneas celulares humanas que transportan toda la deleción del grupo de miRNA y las deleciones de grupos de genes de miRNA individuales y combinadas dentro de un solo experimento.
En este procedimiento, se establecen líneas celulares estables que llevan un sistema de expresión lentiviral inducible por doxiciclina (DOX) que permite al investigador controlar la expresión del gen endonucleasa Asociada a Streptococcus pyogenes CRISPR Cas9 (csn1) a través del promotor constitutivo INDUCIBLE POR DOX TRE3G. El sistema bipartito Tet-On 3G implica un promotor constitutivo del factor de elongación humana 1 alfa (hEF1alpha) para impulsar la transcripción tanto del gen Tet-On 3G como del gen de resistencia a la blasticidina (BlastR) como una transcripción bicistrónica. La proteína transactivadora Tet-On 3G solo se une al promotor TRE3G en presencia de DOX, lo que resulta en una transcripción Robusta de Cas9. En ausencia de DOX, no hay o hay una expresión basal de Cas9 muy mínima. Por lo tanto, el investigador puede inducir una alta producción de proteína Cas9 en células cultivadas en medios suplementados con DOX durante los pasos de edición del gen CRISPR y controlar el aclaramiento rápido de la proteína CAS9 tras la retirada de DOX.
Este protocolo también describe el diseño de oligonucleótidos sintéticos de ARN CRISPR (arncr) dirigidos a regiones que flanquean todo el grupo de miARN, regiones individuales de horquilla de miARN (premiRNA) y / o subconjuntos de genes de miARN dentro del grupo. Cada CRRNA diseñado contiene una secuencia guía única de 5'-terminal de 20 nt (complementaria a la secuencia genómica de interés a dirigir), seguida de una secuencia de repetición invariante de 22 nt S. pyogenes (5'-XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX-GUUUUAGAGCUAUGCUGUUUUG-3') que permite el emparejamiento de bases con los oligonucleótidos universales de ARN CRISPR (tracrRNA)18. Juntos, el crRNA recocido y el tracrRNA (relación mixta 1:1) funcionan como el ARN guía para este protocolo (Figura 1A). En cada experimento, dos ARN guía sintéticos se transfectan en células inducidas por DOX para asociar y escoltar la proteína Cas9 bacteriana a los sitios de ADN genómico (5' y 3') que flanquean la región del grupo de miRNA objetivo de eliminación (Figura 1B).
Una secuencia de motivos adyacentes protoespaciadores (PAM) (5'-NGG-3' para el tipo salvaje S. pyogenes Cas9) debe estar presente en el genoma celular y ubicarse inmediatamente adyacente a la secuencia de ADN de 20 nt a la que se dirige el ARN guía17. La secuencia PAM sirve como una señal de unión y posiciona la región catalítica de la enzima endonucleasa Cas9 en el sitio de ADN genómico objetivo, lo que posteriormente conduce a una escisión de ADN dirigida de doble cadena (ds) ubicada ~ 3 nt aguas arriba de la PAM. La maquinaria de reparación del ADN de la célula repara los extremos del ADN escindido, lo que puede resultar en una ligadura perfecta, pero a menudo se produce una unión final no homóloga (NHEJ), causando pequeñas inserciones o deleciones (indels) en el sitio de reparación. Dado que los miRNAs son genes no codificantes que a menudo se encuentran dentro de regiones intergénicas e intrónicas, estos indels conllevan un bajo riesgo de crear mutaciones no deseadas sin sentido / sin sentido.
Al emplear oligonucleótidos de ARN sintéticos (ARNcr recocido y ARNtra, relación molar 1:1) que codifican para el complejo de ARN guía en estos experimentos, esta estrategia de eliminación de genes evita la subclonación de vectores de ADN que consume mucho tiempo y permite una gran flexibilidad para transfectar combinaciones únicas de ARN guía a las células en un formato de 24 pocillos. La preparación de lisados celulares crudos para la detección de genotipos de PCR también evita métodos de purificación de ADN costosos y lentos, al tiempo que permite la generación simplificada de líneas celulares de una sola colonia y el análisis fenotípico. De hecho, este protocolo de edición de genes CRISPR de alto rendimiento se ha utilizado con éxito para transfectar líneas celulares de cáncer de próstata cultivadas (LNCaP, PC3-ML) con 32 combinaciones únicas de ARN guía en un solo experimento y generar líneas eliminatorias que llevan deleciones para toda la región del grupo miR-888 de ~ 35 kb; combinaciones de deleción más pequeñas para los miembros del grupo miR-888 pertenecientes a las familias miR-743 y miR-891a; así como deleciones para miembros individuales de miRNA dentro del grupo miR-888. Estudios como estos proporcionarán una subestimación más clara de cómo los miRNAs agrupados funcionan cooperativamente para regular el crecimiento tumoral, la agresividad y la resistencia a los medicamentos antes de traducir los miRNAs a la clínica como herramientas terapéuticas y de diagnóstico.