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La transcripción del genoma da lugar a la formación de moléculas híbridas temporales, conocidas como R-loops, que consisten en estructuras de tres cadenas. Estas estructuras incluyen las cadenas no codificantes y codificantes del ADN, siendo la cadena no codificante desplazada por la formación de híbridos con el ARNcomplementario 1. Durante la transcripción del genoma, se producen a diferentes ritmos un gran número de ARN no codificantes a partir de ambas cadenas de ADN. La mayoría de estos ARN actúan como intermediarios de vida corta, pero algunos desempeñan papeles críticos en las redes reguladoras que rigen la biología del genoma, especialmente aquellos que se originan en regiones no codificantes como los telómeros y loscentrómeros 1. La distribución de híbridos ADN/ARN en el genoma también puede reflejar la actividad transcripcional de las células en cualquier momento.
A medida que crece el interés por las funciones reguladoras de los ARN no codificantes, existe un interés creciente por rastrear su transcripción y distribución a lo largo del genoma, especialmente en forma de híbridos temporales de ADN/ARN. Para abordar esto, desarrollamos un ensayo independiente para la detección de híbridos estables de ADN/ARN, aplicable a cualquier célula o tejido biológico. Este método permite aislar ARN complementarios que co-purifican con el ADN, seguido de un análisis mediante precipitación o secuenciación por PCR.
La investigación de modelos de cultivos celulares estableció que durante la replicación y transcripción del ADN pueden producirse tensiones de replicación, daños en el ADN, colisiones de horquillas de replicación y pausas de la ARN polimerasa II debido a eventos topológicos, estructurales e hibridados. Estos procesos, en particular el desenrollamiento de la doble hélice del ADN, introducen estrés torsional, que puede conducir a la formación de estructuras anormales, como los lazos R, durante latranscripción 1.
La mayoría de los datos de bucle R se han generado utilizando células cancerosas de levadura o cultivadas, basándose en el anticuerpo monoclonal específico de híbrido ADN-ARN S9.6. Estudios estructurales han demostrado que el fragmento de unión al antígeno (Fab) de S9.6 se une específicamente a un híbrido ARN-ADNdúplex 1 de 13 pb. La detección basada en anticuerpos de los R-loops ha identificado principalmente híbridos que se forman en regiones ricas en guanina durante la transcripción, donde es probable que se produzca una hibridación mejorada ARN-ADN. Los estudios in vitro que utilizan el anticuerpo S9.6 sugieren que los ARN que contienen cuatro o más guaninas consecutivas cerca de su extremo 5′ son más fácilmente detectables, correlacionándose con un aumento en la formación de lazoR 1. Diversas enzimas, como helicasas, topoisomerasas, RNasa H1 y RNasa H2, ayudan a mantener el equilibrio del lazo R durante la transcripción. La alteración de la homeostasis del bucle R está relacionada con un aumento de la inestabilidad genómica, contribuyendo a enfermedades como el cáncer y trastornosneurodegenerativos 2.
Se ha encontrado que los telómeros, que antes se creía que eran transcripcionalmente silenciosos, transcriben ARN largos y no codificantes conocidos como ARN Que Contienen Repeticiones Teloméricas (TERRA)3. Estos transcritos se originan en regiones subtelómeras y contienen repeticiones teloméricas, desempeñando un papel esencial en el mantenimiento de la homeostasis de lostelómeros 4. En este manuscrito, nos referimos a 'ARN TERRA-híbrido' como las moléculas de ARN liberadas de complejos híbridos ADN/ARN mediante tratamiento con DNasa I, presumiblemente que incluyen secuencias TERRA basadas en las propiedades de extracción y la especificidad del cebador.
La transcripción de TERRA ocurre en la dirección de centrómero a telómero y es variable en longitud, oscilando entre 100 bp y 9 kb, siendo la mayor parte de TERRA recuperada en fase acuosa como molécula de ARN libre. Una pequeña fracción permanece unida al ADN y está asociada con procesos biológicos clave, como el cáncer y el envejecimiento 4,5. Los niveles de TERRA varían según los loci subtelómeros y están regulados por el estado heterocromático de lostelómeros 6. Los estudios de cultivo celular también indican que los transcritos TERRA de diversas regiones subtelómeras presentan heterogeneidad en longitud. En algunos estudios de cultivo celular derivado de tumores, los investigadores han encontrado que la región subtelómera 20q es la fuente principal de transcritos TERRA, y esta región suele estar metilada en sus islas CpG 7,8,9. En ratones, la región subtelómera del cromosoma 18 es un importante lugar de producción deTERRA 10,11. Además, se ha demostrado que los PAR-TERRAs, que son transcritos de TERRA originados en regiones subtelóricas pseudoautosómicas en células embrionarias, tienen hasta 200 veces más TERRA en comparación con los cromosomas 18,11,12.
La transcripción de TERRA está controlada por la metilación del ADN y modificaciones de histonas como la trimetilación de H3K9 y H4K20, que suprimen TERRA, mientras que la acetilación de histonas se correlaciona positivamente con la transcripciónde TERRA 6,13,14. TERRA también se une a regiones extratelóricas, incluyendo sitios intergénicos e intrones, lo que indica un papel más amplio en la regulacióngenómica 2.
Además, el agotamiento de TERRA provoca desregulación de numerosos genes, especialmente aquellos cercanos a sus sitios de unión, lo que sugiere su papel en la regulación epigenética de la cromatina y la expresióngénica 2. La acumulación de TERRA en telómeros acortados favorece la extensión basada en recombinación homóloga (HR), contribuyendo a la homeostasis de la longitudde los telómeros 15,16.
Para abordar el papel de TERRA y otros híbridos ADN/ARN, empleamos un ensayo diseñado específicamente para aislar moléculas de ARN hibridadas de forma estable con ADN. Brevemente, se aislaron núcleos y se trataron con RNasa libre de DNasa para eliminar ARN no protegido. Los híbridos ADN/ARN se extrajeron entonces mediante digestión selectiva de DNasa, que libera ARN originalmente hibridado con ADN. Esta fracción, denominada "ARN híbrido asociado ADN/ARN", fue posteriormente analizada por RNA-seq y comparada con ARN soluble total obtenido mediante extracción estándar defenol-cloroformo 17. Este enfoque nos permitió identificar tanto sitios teloméricos como no teloméricos de formación de híbridos ARN-ADN, y comparar los perfiles transcriptómicos de grupos de ARN unidos al ADN frente a los solubles. Antes considerado simplemente un subproducto de la transcripción de telómeros, TERRA es ahora reconocida por su doble papel en el mantenimiento de los telómeros, influyendo en la actividad de la telomerasa y la recombinación homóloga, que son cruciales para la homeostasis de la longitud de los telómeros. Además, los avances en los ensayos de detección han permitido una comprensión más detallada de las interacciones dinámicas entre ARN y ADN a lo largo del genoma. Este conocimiento allana el camino para una exploración más profunda de las implicaciones de los híbridos ADN/ARN, como TERRA, en los procesos celulares y sus posibles vínculos con enfermedades como el cáncer y los trastornos neurodegenerativos. La investigación en curso en este campo sin duda profundizará nuestra comprensión de la regulación genómica y su relevancia para la salud y la enfermedad.
El método utilizado para identificar moléculas TERRA e híbridos ADN/ARN en este estudio es el mismo protocolo optimizado de extracción de guanidinio-tiocianato-fenol-cloroformo detallado aquí. Este protocolo fue desarrollado para permitir el aislamiento simultáneo de híbridos ARN-ADN/ARN, ARN total y ADN genómico dentro de un flujo de trabajo unificado. Al modificar estratégicamente el método clásico de separación trifásica, este protocolo facilita la retención selectiva de híbridos ADN/ARN en la interfase del fenol, minimizando así su pérdida, una limitación inherente a las técnicas convencionales de extracción.
Tradicionalmente, la detección y aislamiento de híbridos ADN/ARN se ha basado en la inmunoprecipitación con el anticuerpo monoclonal S9.6, que reconoce específicamente estructuras híbridas ADN/ARN 18,19. Este enfoque basado en S9.6, aunque ampliamente utilizado, puede estar limitado por la accesibilidad de los anticuerpos, el coste y la posible reactividad cruzada. En cambio, nuestro protocolo ofrece una alternativa rentable e independiente de los anticuerpos, que es fácilmente aplicable tanto a muestras celulares como de tejido extraídas.
Para mejorar aún más la pureza e integridad estructural de la fracción híbrida de ADN/ARN aislada, incorporamos desproteinización mediada por K de la proteinasa, seguida de tratamiento con DNasa I. El paso I de la DNasa digiere selectivamente la cadena de ADN de los híbridos ADN/ARN, liberando así el ARN hibridado para su posterior aislamiento y análisis molecularposterior 20. Este enfoque garantiza que las especies de ARN recuperadas sean específicamente aquellas que fueron hibridadas de forma estable con ADN in vivo. Gracias a su configuración modular y escalabilidad, nuestro protocolo es ampliamente adaptable a diversos contextos biológicos, proporcionando a los investigadores una herramienta robusta para interrogar la biología híbrida ADN/ARN en una amplia variedad de sistemas experimentales.