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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ici, nous décrivons une stratégie étape par étape pour isoler les petits ARN, enrichir les microARN et préparer des échantillons pour le séquençage à haut débit. Nous décrivons ensuite comment traiter les lectures de séquences et les aligner sur les microARN, à l'aide d'outils open source.
On pense que la moitié de toutes les transcriptions humaines sont réglementées par des microARN. Par conséquent, la quantification de l'expression des microARN peut révéler des mécanismes sous-jacents dans les états de la maladie et fournir des cibles thérapeutiques et des biomarqueurs. Ici, nous détaillons comment quantifier avec précision les microARN. En bref, cette méthode décrit l'isolation des microARN, leur ligature à des adaptateurs adaptés au séquençage à haut débit, amplifiant les produits finaux et préparant une bibliothèque d'échantillons. Ensuite, nous expliquons comment aligner les lectures de séquençage obtenues sur les épingles à cheveux microARN, et quantifier, normaliser et calculer leur expression différentielle. Polyvalente et robuste, cette analyse combinée du flux de travail expérimental et de la bioinformatique permet aux utilisateurs de commencer par l'extraction des tissus et de terminer avec la quantification des microARN.
Découverte pour la première fois en 19931, on estime aujourd'hui que près de 2000 microARN sont présents dans le génome humain2. Les microARN sont de petits ARN non codants qui sont généralement 21-24 nucléotides de long. Ils sont des régulateurs post-transcriptionnels de l'expression génique, souvent liés à des sites complémentaires dans la région 3 non traduites (3-UTR) des gènes cibles pour réprimer l'expression des protéines et dégrader l'ARNm. La quantification des microARN peut donner un aperçu précieux de l'expression des gènes et plusieurs protocoles ont été développés à cette fin3.
Nous avons développé un protocole défini, reproductible et de longue date pour le séquençage de l'ARN, et pour l'analyse des lectures normalisées à l'aide d'outils de bioinformatique open source. Fait important, notre protocole permet l'identification simultanée des microARN endogènes et des constructions exogènes livrées qui produisent des espèces de forme microARN, tout en minimisant les lectures de cette carte à d'autres petites espèces d'ARN, y compris les ARN ribosomal ( rRNAs), transférer les petits ARN dérivés de l'ARN (tsRNAs), les petits ARN dérivés de la répétition et les produits de dégradation de l'ARNm. Heureusement, les microARN sont 5 phosphorylés et 2-3 hydroxylé4 , une caractéristique qui peut être exploitée pour les séparer de ces autres petits ARN et les produits de dégradation de l'ARNm. Plusieurs options commerciales existent pour le clonage et le séquençage de microARN qui sont souvent plus rapides et plus faciles au multiplex ; cependant, la nature exclusive des réactifs de kit et leurs modifications fréquentes rendent difficile la comparaison des exécutions d'échantillon. Notre stratégie optimise la collecte de la taille correcte des microARN par des étapes de purification de l'acrylamide et du gel d'agarose. Dans ce protocole, nous décrivons également une procédure pour aligner la séquence se lit aux microARN à l'aide d'outils open source. Cet ensemble d'instructions sera particulièrement utile pour les utilisateurs d'informatique novices, que notre méthode de préparation de bibliothèque ou une méthode commerciale soit utilisée.
Ce protocole a été utilisé dans plusieurs études publiées. Par exemple, il a été utilisé pour identifier le mécanisme par lequel l'enzyme Dicer fend de petits ARN en épingle à cheveux à une distance de deux nucléotides de la boucle interne de la structure de la boucle de tige - la soi-disant "règle de comptage de boucle"5. Nous avons également suivi ces méthodes pour identifier l'abondance relative des petits ARN en épingle à cheveux livrés (ardendain) exprimés à partir de vecteurs viraux adéno-associés recombinants (rAAV), afin d'identifier le seuil d'expression de l'ARNc qui peut être toléré avant le foie toxicité associée à l'expression shRNA excessive6. En utilisant ce protocole, nous avons également identifié des microARN dans le foie qui répondent à l'absence de microARN-122 - un microARN hépatique très exprimé - tout en caractérisant le modèle de dégradation de ce microARN7. Parce que nous avons utilisé notre protocole de façon cohérente dans de nombreuses expériences, nous avons été en mesure d'observer les préparations d'échantillons longitudinalement, et de voir qu'il n'y a pas d'effets de lots perceptibles.
En partageant ce protocole, notre objectif est de permettre aux utilisateurs de générer une quantification reproductible et de haute qualité des microARN dans pratiquement n'importe quelle ligne de tissus ou de cellules, en utilisant des équipements et des réactifs abordables, et des outils de bioinformatique gratuits.
Les expériences sur les animaux ont été autorisées par le Comité institutionnel de soins et d'utilisation des animaux de l'Université de Washington.
Préparation de la petite bibliothèque d'ARN
1. Isolation de l'ARN
2. 3' ligation adaptateur
3. 5' ligation de liaison
4. Transcription inversée (RT)
5. Amplification de PCR
6. Purification de gel d'Agarose
Petit alignement de séquence d'ARN et bioinformatique
7. Téléchargement de données
8. Suppression d'adaptateur, tri de code à barres, et garniture
9. Alignement des lectures aux microARN
Schéma des étapes de la préparation de la bibliothèque
Un schéma global de petite extraction, de séquençage et d'alignement de l'ARN est décrit à la figure 2.
Des échantillons de foie d'un mâle et d'une souris femelle ont été recueillis et congelés dans de l'azote liquide. L'ARN total a été extrait et évalué pour la qualité et la concentration.
Le séquençage de l'ARN ne donne pas suffisamment d'ARN pour le séquençage
3 g d'ARN provenant de deux extractions indépendantes d'ARN ont été utilisés comme matériau de départ pour le séquençage de l'ARN. Des échantillons ont été exécutés sur un gel d'acrylamide et découpés entre les marqueurs de taille correspondant à 17-28 nt de l'ARN (Figure 1A). Des échantillons ont été découpés en fragments pour l'isolement de l'ARN (figure 1B) et transférés dans un tube centrifugeur de 1,5 mL à faible rétention (figure 1C). Les codes-barres bc7 et bc17 (tableau 1) ont été ligats jusqu'à l'extrémité 5' du petit ARN. Les petites bibliothèques d'ARN ont été amplifiées PCR utilisant 22 cycles de PCR pour produire 8.0 et 11.2 ng/L produit, respectivement. Des échantillons ont été mis en commun et un échantillon de 10 nM mis en commun a été soumis pour le séquençage à haut débit à l'aide d'une longueur de lecture de 50 pb.
MiR-122 est le microARN le plus abondant dans le foie de souris
Après le tri des codes à barres, 851 931 lectures contenaient des codes-barres provenant de l'échantillon de foie 1 et 650 154 de l'échantillon de foie 2. Parmi les lectures, 83,5 % et 90,0 % ont été cartographiées en microARN respectivement, les autres étant cartographiées à des rARN (1,8 % et 0,6 % respectivement), à des tARN et à des fragments de dégradation de l'ARNm. Après l'alignement aux épingles à cheveux humaines de microARN, nous avons observé la concordance forte entre le nombre de lecture de microARN dans chaque réplique (R2 - 0.998 ; Figure 3). Au total, 306 espèces de microARN ont été détectées, le plus grand nombre de lectures étant cartographiés à miR-122 (tableausupplémentaire 4). L'abondance de microARN était semblable entre les échantillons masculins et femelles de foie.

Figure 1. Extraction de petits ARN à partir d'un gel d'acrylamide. (A) Gel d'acrylamide et région coupée correspondant à la taille des microARN. (B) Gel morceaux avant et après la coupe en petits fragments. (C) Processus de transfert de fragments de gel dans des tubes siliconés. (D) Réaction PCR sur le gel d'agarose à faible fusion démontrant un produit cloné correct par rapport au produit linker-linker et aux échantillons insaturés (22 cycles) par rapport aux échantillons saturés (24 cycles). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2. Schéma de protocole. Un calendrier montrant les principales étapes de la procédure. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3. Reproductibilité des résultats de deux extractions indépendantes d'ARN. Scatterplot de microARN lire les comptes d'un foie de souris mâle (x-axe) par rapport à un foie de souris femelle (y-axe) à l'aide d'une échelle à base de journal10. Chaque point représente le nombre de microARN cartographiés par million (RPM) pour chaque microARN individuel. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| apprêt | ordre |
| Lien 3' 1 | rAppCTGTAGGCACCATCAAT-NH2 |
| marqueur de taille inférieure | rarurcrcrcrcrargrgrgrgrgrgrgrgrcrgrgrgrurarcrurarcrurarcrurcr |
| marqueur de taille supérieure | rararurcrargrgrgrgrgrgrgrgrgrargrararcrgrarcrrarcrarcrarararARGGTAACCGCATCATGCGTC |
| code-barres1 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrArGrCrG |
| code-barres2 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrCrGrurC |
| code-barres3 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrCrGrG |
| code-barres4 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrArCruru |
| code-barres5 | /5AmMC6/ACGCTCTTCGATCTrGrGrGrGrU |
| code-barres6 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrGrurura |
| code-barres7 | /5AmMC6/ACGCTCTTCGATCTrUrArUrG |
| code-barres8 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrCrGrC |
| code-barres9 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrCrCrArg |
| code à barres10 | /5AmMC6/ACGCTCTTCGATCTrArArArC |
| code à barres11 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrCrU |
| code à barres12 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrCrAraru |
| code à barres13 | /5AmMC6/ACGCTCTTCGATCTrArArGrA |
| code-barres14 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrGrara |
| code-barres15 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrGrGrGrG |
| code-barres16 | /5AmMC6/ACGCTCTTCGATCTrArUrUrG |
| code-barres17 | /5AmMC6/ACGCTCTTCCGATCTrUrCraru |
| code-barres18 | /5AmMC6/ACGCTCTTCGATCTrGruraru |
| Apprêt RT | ATTGATGGTGCCTACAG |
| Amorce PCR F | AATGATACGGCGACCGAGATCTACACTCTTTCCCTACACGACGCTCTCcTCCGATCT |
| Apprêt PCR R | CAAGCAGAAGACGGCATCATCGAGCTTTCCGATCTTGATGGTGCCTACAG |
Tableau 1. Liste des amorces.
Tableau supplémentaire 1. Liste des séquences de codes à barres. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire 2. Liste organisée des séquences de précurseurs de microARN de souris. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire 3. Liste organisée des séquences humaines de précurseurs de microARN. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire 4. Les comptes de lecture de microARN crus et normalisés. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Les auteurs n'ont rien à révéler.
Ici, nous décrivons une stratégie étape par étape pour isoler les petits ARN, enrichir les microARN et préparer des échantillons pour le séquençage à haut débit. Nous décrivons ensuite comment traiter les lectures de séquences et les aligner sur les microARN, à l'aide d'outils open source.
Nous tenons à remercier les membres des laboratoires d'Andrew Fire et de Mark Kay pour leurs conseils et leurs suggestions.
| Échelle à ADN 100 pb | NEB | N3231 | |
| 19:1 bis-acrylamide | Millipore Sigma | A9926 | |
| 25 pb Escabeau à ADN | Promega | G4511 | |
| Phénol acide/chloroforme | ThermoFisher | AM9720 | |
| Colorant de chargement d’ARN acrylamide | ThermoFisher | R0641 | |
| Persulfate d’ammonium (APS) | Biorad | 161-0700 | |
| Bioanalyseur | Agilent | G2991AA | Pour l’évaluation de la qualité et de la concentration de l’ARN |
| Chloroforme | Fisher Scientific | C298-500 | |
| Éthanol (100 %) | Sigma | E7023 | |
| Gel Loading Buffer II | ThermoFisher | AM8547 | |
| GlycoBlue | ThermoFisher | AM9516 | La couleur bleue aide à visualiser les granulés |
| HCl | Sigma | 320331 | |
| KOH | Sigma | P5958 | |
| Maxi Vertical Gel Box 20 x 20cm | Genesee | 45-109 | |
| miRVana kit d’isolation de microARN | ThermoFisher | AM1560 | |
| système miSeq | Illumina | SY-410-1003 | Pour générer de petites données de séquençage d’ARN |
| NaCl | Fisher Scientific | S271-500 | |
| Nusieve agarose à bas point de fusion | Lonza | 50081 | |
| Parafilm (film d’étanchéité de laboratoire) | Millipore Sigma | P7793 | |
| Poly-éthylène glycol 8000 | NEB | inclus avec M0204 | |
| ProtoScript II Kit de synthèse d’ADNc premier brin | NEB | E6560S | |
| QIAquick Gel Kit d’extraction | Qiagen | 28704 | |
| Fluorimètre Qubit | ThermoFisher | Q33226 | Pour quantifier la concentration d’ADN |
| ARN Qubit HS Kit de dosage | ThermoFisher | Q32855 | |
| Lames de rasoir | Fisher Scientific | 12640 | |
| Siliconisé à faible rétention Tubes de 1,5 ml | Fisher Scientific | 02-681-331 | |
| ARN T4 ligase 1 | NEB | M0204 | |
| T4 ARN Ligase 2, tronquée K227Q | NEB | M0351S | |
| TapeStation | Agilent | G2939BA | Pour l’évaluation de la qualité et de la concentration de l’ARN |
| Taq DNA polymérase | NEB | M0273X | |
| TEMED | Biorad | 161-0800 | |
| Tris Base pH 7,5 | Sigma | 10708976001 | |
| Tris-buffered EDTA | Sigma | T9285 | |
| Trizol | ThermoFisher | 15596026 | |
| UltraPure Ethidium bromide (10 mg/ml) | Invitrogen | 15585-011 | |
| miRNA cloning linker | NEB | S1315S | |
| Urea | Sigma | U5378 |