Aquí se presenta un protocolo para la administración de nanopartículas de quitosano/dsRNA en larvas de gusano de seda Bombyx mori para inducir el silenciamiento génico a través de la ingestión.
Artículo de método
Aquí se presenta un protocolo para la administración de nanopartículas de quitosano/dsRNA en larvas de gusano de seda Bombyx mori para inducir el silenciamiento génico a través de la ingestión.
El gusano de seda, Bombyx mori, es un importante insecto económico con miles de años de historia en China. Por su parte, el gusano de seda es el insecto modelo de los lepidópteros con una buena acumulación de investigación básica. También es el primer insecto de los lepidópteros con su genoma completo secuenciado y ensamblado, lo que proporciona una base sólida para el estudio de la funcionalidad de los genes. Aunque el ARN de interferencia (ARNi) se usa ampliamente en el estudio de la funcionalidad génica inversa, es refractario en gusanos de seda y otras especies de lepidópteros. Las investigaciones exitosas previas relacionadas con el ARNi para administrar ARN bicatenario (dsRNA) se realizaron solo mediante inyección. Nunca se informa de la entrega de dsRNA a través de la alimentación. En este artículo, describimos los procedimientos paso a paso para preparar las nanopartículas de quitosano/dsRNA, que se alimentan a las larvas de gusano de seda por ingestión. El protocolo incluye (i) la selección de la etapa adecuada de las larvas de gusano de seda, (ii) la síntesis de dsRNA, (iii) la preparación de las nanopartículas de quitosano/dsRNA y (iv) la alimentación de las larvas de gusano de seda con nanopartículas de quitosano/dsRNA. Se presentan resultados representativos, incluyendo la confirmación de la transcripción génica y la observación del fenotipo. La alimentación con dsRNA es una técnica sencilla para el ARNi en las larvas de gusanos de seda. Dado que las larvas de gusano de seda son fáciles de criar y lo suficientemente grandes como para operar, proporciona un buen modelo para demostrar el ARNi larvario en insectos. Además, la simplicidad de esta técnica estimula una mayor participación de los estudiantes en la investigación, lo que convierte a las larvas de gusano de seda en un sistema genético ideal para su uso en el aula.
El gusano de seda, Bombyx mori, es un insecto domesticado hace más de 5000 años en China. Debido a su capacidad para producir seda, el gusano de seda es un insecto económico importante en la agricultura y la sericultura chinas. El gusano de seda ocupa el segundo lugar después de la mosca de la fruta como insecto modelo. Como insecto modelo en lepidópteros, el gusano de seda es fácil de criar, con un gran tamaño corporal y muchos mutantes. Por su parte, el gusano de seda es el primer insecto lepidóptero con su genoma completo secuenciado1. También están disponibles para el público muchas bases de datos que proporcionan información sobre el genoma2, el transcriptoma3, la etiqueta de secuencia expresada (EST)4, el ARN5 no codificante y el microsatélite6 . Los hechos anteriores hacen del gusano de seda un modelo perfecto para la investigación genética.
El ARN de interferencia (ARNi) es un proceso celular en el que las moléculas de ARN bicatenario (dsRNA) se unen y cortan el ARN mensajero complementario (ARNm), logrando así el efecto de silenciamiento del gen diana. Este mecanismo está presente de forma natural en las bacterias para defenderse de la invasión de virus7. Más tarde, se descubrió que el ARNi se conserva en animales, plantas y microbios. Debido a su potente efecto silenciador específico de secuencia, el ARNi se utiliza en investigación fundamental para manipular la expresión génica y estudiar la función de los genes. El ARNi se logra a través de la entrega de dsRNA a las células.
En los insectos, hay tres formas comunes de administrar dsRNA, que son la microinyección, la alimentación y el remojo8. Por el momento, los informes exitosos de ARNi en los gusanos de seda a través de la administración desnuda de dsRNAse realizan mediante la inyección de dsRNA 9. Las ventajas de la microinyección son la administración inmediata de dsRNA en la hemolinfa y el control preciso de la cantidad de dsRNA. Sin embargo, también existen ciertas desventajas de la microinyección. Por ejemplo, requiere mucho tiempo y dispositivos delicados. También es importante optimizar las agujas de inyección, el volumen de inyección y la cantidad de dsRNA. Por lo tanto, se hace necesaria una forma alternativa de administrar dsRNA a los gusanos de seda. Debido a que el exoesqueleto de un insecto es una barrera hermética hecha de quitina, rara vez se informa sobre el remojo de larvas de insectos para lograr ARNi, lo que no es una buena opción para el ARNi en insectos. La alimentación de dsRNA ahorra trabajo, es rentable y fácil de realizar10. Este método también es aplicable para el cribado genético de alto rendimiento11. Sin embargo, se ha descubierto que una nucleasa no específica de ADN/ARN, llamada BmdsRNasa, está presente en el intestino medio y en el jugo del intestino medio de las larvas de gusano de seda12. Se ha demostrado que esta nucleasa digiere el dsRNA, preferiblemente13. Por lo tanto, alimentar al gusano de seda con dsRNA desnudo para silenciar la expresión génica parece ser difícil.
Recientemente, se ha demostrado que el dsRNA protegido por nanopartículas es una buena alternativa para aumentar la eficiencia del ARNi mediante la alimentaciónde 14. El quitosano es un polímero barato, no tóxico y biodegradable, que puede prepararse mediante la desacetilación de la quitina, un biopolímero natural y el segundo más abundante después de la celulosa15. Debido a que el grupo amino en el quitosano está cargado positivamente y el grupo fosfato en la columna vertebral del dsRNA está cargado negativamente, las nanopartículas de quitosano/dsRNA podrían formarse por autoensamblaje de policationes16. Las nanopartículas de quitosano/dsRNA son efectivas para lograr ARNi a través de la alimentación de larvas en mosquitos Aedes aegypti y Anopheles gambiae17, gusano de la cápsula moteada del algodón Earias vittella18 y araña roja del carmín Tetranychus cinnabarinus19.
Con el fin de desarrollar una metodología para la administración de dsRNA mediante la alimentación de gusanos de seda para obtener una eficiencia exitosa de ARNi, este informe se centra en describir los procedimientos paso a paso sobre cómo preparar las nanopartículas de quitosano/dsRNA y alimentar las nanopartículas a las larvas de gusanos de seda. Esta metodología es relativamente barata, ahorra mano de obra y fácil de seguir, y puede adaptarse para estudios de silenciamiento génico en otros insectos. Nuestro objetivo es proporcionar un protocolo más fácil para el método de administración de dsRNA de lepidópteros con una mayor eficiencia de ARNi.
1. Especies de gusanos de seda y cría
2. Selección de larvas de gusano de seda
3. Síntesis de dsRNA
4. Preparación de las nanopartículas de quitosano/dsRNA
5. Alimentar las larvas de gusano de seda con nanopartículas de quitosano/dsRNA
6. Confirmación del silenciamiento génico
Para evaluar la eficiencia del ARNi, se eligió un gen inmune dirigido a BmToll9-2 para el análisis. El gen BmToll9-2 está bien caracterizado en el laboratorio, y el silenciamiento del gen mediante la inyección de dsRNA da como resultado larvas más ligeras y pequeñas en nuestra reciente publicación20. Para confirmar la eficacia del ARNi por ingestión a través de nanopartículas de quitosano/dsRNA, se utilizaron nanopartículas de quitosano como control y se comparó el dsRNA desnudo al mismo tiempo.
En comparación con el control, las nanopartículas de quitosano sin dsRNA, el dsRNA desnudo dirigido al gen BmToll9-2 no muestra ningún efecto silenciador. La alimentación de nanopartículas de quitosano/dsRNA en el gusano de seda inhibe significativamente la transcripción, con un knockdown del 79% (Figura 1). La inhibición de la transcripción relativa indica que el gen BmToll9-2 fue silenciado con éxito a través de la ingestión de quitosano/dsRNA.
La eliminación del gen BmToll9-2 afecta significativamente el crecimiento del gusano de seda. Al observar las larvas, las larvas silenciadas por BmToll9-2 son más pequeñas que las larvas de control (Figura 2A). Al comparar los capullos, los capullos silenciados por BmToll9-2 también son más pequeños (Figura 2B). Las nanopartículas de quitosano/dsRNA muestran efectos exitosos de ARNi tanto en la transcripción como en el fenotipo en el gusano de seda.

Figura 1: Transcripción relativa de BmToll9-2 después de la ingestión de nanopartículas de quitosano/dsBmToll9-2 en larvas de B. mori en el5º estadio. Los niveles relativos de ARNm de BmToll9-2 en las larvas alimentadas con nanopartículas de quitosano como control, dsRNA desnudo y nanopartículas de quitosano/dsRNA. Los datos se representaron como medias ± desviación estándar de tres repeticiones biológicas. Para cada replicación biológica, hubo tres réplicas técnicas. Las diferentes letras en las barras indican diferencias significativas basadas en el análisis de ANOVA de un factor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Observación del fenotipo después de la alimentación con nanopartículas de quitosano/dsBmToll9-2. Las nanopartículas de quitosano se utilizan como control. (A) La aparición de larvas de gusano de seda después de la ingestión de nanopartículas. (B) La aparición de capullos de gusanos de seda después de la ingestión de nanopartículas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Es importante una etapa adecuada para la observación del fenotipo del ARNi, dependiendo de los genes a los que se dirija. Nuestros resultados preliminares mostraron que Toll9-2 está involucrado en el crecimiento del gusano de seda. El tamaño y el peso de las larvas del gusano de seda aumentan rápidamente en el5º estadio21. Por lo tanto, se seleccionan las larvas del5º estadio como etapa para el experimento de alimentación de nanopartículas de quitosano/dsRNA. También es posible seleccionar las larvas del3º o4º estadio para los experimentos de alimentación y observar las diferencias de desarrollo en el5º estadio. Sin embargo, los experimentos de alimentación con nanopartículas requieren una alimentación continua diaria14. La alimentación de las larvas en una etapa más joven requiere más preparación de dsRNA, que es relativamente más costosa. Por las razones anteriores, sugerimos seleccionar las larvas de gusano de seda recién mudadas del5º estadio como punto de partida del experimento de alimentación con nanopartículas.
La optimización de los parámetros de alimentación de nanopartículas también es importante. Una alimentación constante de nanopartículas durante 5-7 días para lograr un ARNi eficiente es común en los estudios actuales 14,18,22,23. Debido a que el dsRNA es el ingrediente más caro en los experimentos de ARNi, las nanopartículas podrían alimentarse a las larvas cada dos días, lo que puede ayudar a reducir la mitad del costo de la preparación del dsRNA. Otra forma de reducir el costo es optimizar la cantidad de dsRNA utilizada en la alimentación. En este protocolo, se utilizan 5 μg de nanopartículas de quitosano/dsRNA para cada larva, que es la dosis universal para la inyección de dsRNA en el laboratorio. Teniendo en cuenta que 5 μg de dsRNA es una dosis alta y la inhibición por alimentación con nanopartículas es significativa. Se sugiere reducir la cantidad de dsRNA en el experimento. Sin embargo, el impacto de los dos parámetros anteriores en la eficiencia del ARNi debe evaluarse en futuros experimentos.
La proporción de quitosano y dsRNA podría optimizarse. En este protocolo, 20 μg de quitosano en 100 μL de acetato de sodio se mezclan con 20 μg de dsRNA en 100 μL de sulfato de sodio. En el primer informe de nanopartículas de quitosano/dsRNA, 20 μg de quitosano en 100 μL de acetato de sodio se mezclan con 32 μg de dsRNA en 100 μL de sulfato de sodio16. En algunos otros informes, 1 μg de quitosano en 100 μL de acetato de sodio se mezcla con 1 μg de dsRNA en 100 μL de sulfato de sodio 18,23. Por lo tanto, la cantidad de quitosano y dsRNA podría optimizarse para lograr la mejor eficiencia de carga de las nanopartículas y un efecto de silenciamiento óptimo del ARNi.
Es necesario considerar el almacenamiento de nanopartículas de quitosano/dsRNA. Las nanopartículas de quitosano/dsRNA se preparan antes del experimento de alimentación, y se sugiere que se utilicen inmediatamente. Un informe reciente mostró que las nanopartículas de quitosano/dsRNA se almacenaron a 4 °C, 24 °C y 37 °C durante 15 días y aún se mantuvieron estables19. Por lo tanto, las nanopartículas de quitosano/dsRNA podrían prepararse con anticipación y almacenarse a 4 °C en el refrigerador, ya que el dsRNA es más estable a bajas temperaturas.
Además del dsRNA, algunos ARN pequeños, como el ARN interferente pequeño (siRNA) y el ARN de horquilla corta (shRNA), se pueden utilizar en la preparación de nanopartículas para experimentos de ARNi. Por ejemplo, las nanopartículas de siRNA mejoran la resistencia de las plantas a Pseudomonas syringae24. La entrega de nanopartículas de shRNA causó un efecto exitoso de RNAi en la chinche apestosa marrón neotropical Euschistus heros25. Por lo tanto, las nanopartículas se pueden aplicar a cualquier molécula de ARN utilizada en el experimento de ARNi.
Se ha reportado que la eficiencia del ARNi en lepidópteros, incluidos los gusanos de seda, es refractaria26. La administración de dsRNA solo se realiza a través de la inyección en gusanos de seda, lo que requiere mucho tiempo y mano de obra. Con este método de administración de nanopartículas de quitosano/dsRNA, se observa un efecto de silenciamiento significativo tanto en la transcripción como en el fenotipo en las larvas y capullos del gusano de seda, posible debido a la menor degradación del dsRNA por la protección del quitosano19. Este método ahorra mano de obra y es fácil de realizar, lo que se puede adaptar a otros insectos. La facilidad de este protocolo se puede aplicar no solo en la investigación científica, sino también en la enseñanza, la demostración y la práctica en el aula. El método de administración de nanopartículas es una nueva dirección para el futuro biocontrol y manejo de plagas27.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31501898), el Programa de Ciencia y Tecnología de Guangzhou (202102010465), el Proyecto de Calidad de la Enseñanza y Reforma de la Enseñanza de la Educación Superior de Guangzhou (2022JXGG057) y el proyecto de investigación del Comité Directivo de Cursos Abiertos en Línea de las Universidades Provinciales de Guangdong (2022ZXKC381).
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Tubo de centrífuga de 1,5 mL | Sangon | F601620 | para la reacción de dsRNA o nanopartículas |
| 10 μ l pipeta | Eppendorf | P13473G | para aspirar o resuspender líquido |
| 100 μ l pipeta | Eppendorf | Q12115G | para aspirar o resuspender líquido |
| 2.5 μ l pipeta | Eppendorf | P20777G | para aspirar o resuspender líquido |
| 20 μ l pipeta | Eppendorf | H19229E | para aspirar o resuspender líquido |
| 200 μ l pipeta | Eppendorf | H20588E | para aspirar o resuspender líquido |
| Placas de pocillos múltiples transparentes con tratamiento TC transparente de 6 pocillos | Costar | 3516 | para la cría individual de gusanos de seda |
| Ácido acético | Aladdin | A116165 | para fabricar TAE |
| Agarose M | BBI Life Sciences | A610013 | para electrofosis en gel de agarosa |
| Balanza analítica | Sartorius | BSA224S | para pesar los ingredientes |
| Centrífuga | Sartorius | Centrisart A-14C | para centrífugar para formar dsRNA o nanopartículas |
| Chitosan | Sigma-Aldrich | C3646 | para combinar con dsRNA para la preparación de nanopartículas |
| EDTA | Sangon | A500895 | para hacer TAE |
| Etanol | Aladdin | E130059 | para hacer TAE, o para la precipitación de dsRNA |
| Congelador Siemens | iQ300 | para almacenar dsRNA o nanopartículas | |
| GoTaq Green Master Mix | Promega | M712 | para reacción de PCR |
| GoTaq qPCR Master Mix | Promega | A6002 | para reacción qRT-PCR |
| Isopropanol | Aladdin | I112011 | para la precipitación de dsRNA |
| NanoDrop Microvolumen Espectrofotómetro UV-Vis | ThermoFisher | One | para determinar la concentración de dsRNA |
| medidor de ph | Sartorius | PB-10 | para preparar tampones |
| Columna SanPrep Kit de purificación de productos PCR | Sangon | B518141 | para la purificación de productos PCR |
| Acetato de sodio | Sigma-Aldrich | S2889 | para hacer 100 mM tampón de acetato de sodio |
| Sulfato de sodio | Sigma-Aldrich | 239313 | para fabricar 100 mM de tampón de sulfato de sodio |
| T7 RiboMAX Express RNAi System | Promega | P1700 | para la síntesis de dsRNA |
| ThermoMixer | Eppendorf | C | para la generación de dsRNA o el calentamiento de nanopartículas |
| Tris | Sangon | A501492 | para hacer TAE |
| Vortex | IKA | Vortex 3 | para preparar nanopartículas de quitosano/dsRNA |
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