Dit protocol beschrijft een eenvoudige methode die de R-lus kwantificeert, een driestrengs nucleïnezuurstructuur die bestaat uit een RNA-DNA-hybride en een verplaatste DNA-streng.
Method Article
Dit protocol beschrijft een eenvoudige methode die de R-lus kwantificeert, een driestrengs nucleïnezuurstructuur die bestaat uit een RNA-DNA-hybride en een verplaatste DNA-streng.
De driestrengige nucleïnezuurstructuur, R-loop, wordt steeds meer erkend voor zijn rol bij genregulatie. Aanvankelijk werd gedacht dat R-lussen de bijproducten van transcriptie waren; maar recente bevindingen van minder R-lussen in zieke cellen maakten duidelijk dat R-lussen functionele rollen spelen in een verscheidenheid aan menselijke cellen. Vervolgens is het van cruciaal belang om de rol van R-lussen te begrijpen en hoe cellen hun overvloed in evenwicht brengen. Een uitdaging in het veld is de kwantificering van R-lussen, aangezien veel van het werk berust op het S9.6 monoklonale antilichaam, waarvan de specificiteit voor RNA-DNA-hybriden in twijfel is getrokken. Hier gebruiken we dot-blots met het S9.6-antilichaam om R-lussen te kwantificeren en de gevoeligheid en specificiteit van deze test aan te tonen met RNase H, RNase T1 en RNase III die respectievelijk RNA-DNA-hybriden, enkelstrengs RNA en dubbelstrengs RNA splitsen. Deze methode is zeer reproduceerbaar, maakt gebruik van algemene laboratoriumapparatuur en reagentia en levert binnen twee dagen resultaten op. Deze test kan worden gebruikt in onderzoeks- en klinische omgevingen om R-lussen te kwantificeren en het effect van mutaties in genen zoals senataxine op de overvloed aan R-lus te beoordelen.
Dit protocol biedt een stapsgewijze handleiding voor een dot-blot-test die een snelle vergelijkende beoordeling mogelijk maakt van de overvloed aan R-loop, een driestrengige nucleïnezuurstructuur. R-lus ontstaat wanneer RNA een dubbelstrengs DNA binnendringt om een RNA-DNA-hybride te genereren en de andere DNA-streng te verplaatsen. R-lussen worden aangetroffen in verschillende stadia van de levenscyclus van RNA. In het transcriptiecomplex wordt het ontluikende RNA gesynthetiseerd complementair aan het sjabloon-DNA en wordt de niet-sjabloonstreng verplaatst. De korte RNA-DNA-hybride (<10 bp) wordt opgelost om het ontluikende RNA vrij te maken, zodat het het RNA-polymerasecomplex kan verlaten via het uitgangskanaal 1,2. Buiten het transcriptiecomplex bevindt het ontluikende RNA zich dicht bij zijn DNA-sjabloon, die nog enigszins is afgewikkeld door te worden gekopieerd, dus het RNA kan opnieuw hybridiseren met zijn sjabloon-DNA en R-lussen 3 vormen. Bovendien kunnen R-lussen worden gevormd wanneer replicatie- en transcriptiecomplexen botsen4, en bij antisense-transcriptie5. Gezien de vele mogelijkheden voor hun vorming, zijn R-lussen niet zeldzaam en kunnen ze worden aangetroffen in 3-5% van het menselijk genoom6, afhankelijk van de transcriptiestatus van de cel. R-lussen worden aangetroffen in genpromotors7 en terminatie5-plaatsen in mRNA, en langs ribosomaal RNA8 en transfer-RNA9. R-lussen bevinden zich ook in telomere gebieden van chromosomen.
R-loops spelen een regulerende rol. Ze reguleren genexpressie door transcriptie bij promotorste beïnvloeden 10,11, klasse-switch-recombinatie te mediëren12 en op CRISPR gebaseerde genoombewerking te vergemakkelijken 13,14,15. Zoals veel cellulaire gebeurtenissen, wordt de overvloed aan R-lus strak getitreerd; te veel of te weinig R-lussen hebben invloed op de normale celfunctie16,17. R-lussen worden gereguleerd door een verscheidenheid aan eiwitten, waaronder RNase H, senataxine en andere helicasen die de RNA-DNA-hybriden afwikkelen 18,19,20,21,22.
Om de overvloed aan R-lussen te monitoren, verrijken genoombrede methoden eerst voor R-lussen met het antilichaam S9.6 8,23,24 of met andere nucleasen 25, waaronder RNase H 10,26,27, en beoordelen vervolgens het aantal verrijkte R-lussen door middel van sequencing. Vroege versies van deze op sequencing gebaseerde methoden bereikten geen adequate sequentiedekking om nauwkeurige kwantificering mogelijk te maken, maar snelle verbetering in sequencingtechnologieën maakt nu locus-voor-locus R-lusanalyse mogelijk. Immunofluorescentietechnieken zijn ook gebruikt om R-lussen te kwantificeren en te lokaliseren10,17. Deze methoden zijn veelomvattend, maar ze zijn niet praktisch in veel klinische omgevingen of als eerste beoordelingen, omdat ze dure apparatuur en gespecialiseerde analyse vereisen.
Er is een procedure nodig die uniform kan worden uitgevoerd in verschillende laboratoria in klinische omgevingen. Dot-blots bieden een dergelijke optie, omdat ze kunnen worden uitgevoerd zonder specifieke apparatuur of computationele analyse. Als voorbereidende stap of in klinische omgevingen om de effecten van mutaties op R-lussen te evalueren, moeten deze dot-blots gevoelige en specifieke resultaten opleveren. Hier beschrijven we onze test die specifiek R-lussen identificeert; het sluit signalen uit van dubbelstrengs (ds) DNA, dubbelstrengs RNA en enkelstrengs RNA. Ons protocol gebruikt het S9.6-antilichaam27 om RNA-DNA-hybriden in R-lussen te identificeren en bevat RNase H, een endoribonuclease dat splitst en daarom leidt tot de afbraak van het RNA in een RNA-DNA-hybride 20,28, om ervoor te zorgen dat de gedetecteerde signalen die van hybriden zijn. We hebben ook RNase T1 opgenomen dat enkelstrengs RNA splitst bij guanine29,30, en RNase III dat dubbelstrengs RNA splitst, inclusief stamlussen 31,32 om te controleren op niet-specifieke signalen. Het S9.6-antilichaam herkent RNA-DNA-hybriden van verschillende lengtes, zelfs die welke slechts 8 nucleotiden lang zijn33.
Hier presenteren we het protocol dat begint met nucleïnezuurisolatie, gevolgd door dot-blot-voorbereiding en R-lusdetectie met S9.6-antilichaam. Ons protocol bevat stappen om ervoor te zorgen dat gelijke hoeveelheden samples worden geladen en dat de signalen specifiek zijn. Het levert oligonucleotiden om te dienen als positieve en negatieve controles. Dit is een snelle, gemakkelijke en gebruiksvriendelijke methode om de overvloed aan R-loop te beoordelen.
1. Cellyse voor nucleaire fractionering
2. Zuivering van genomisch DNA (inclusief RNA-DNA-hybriden)
3. Het deppen van DNA-monsters (waaronder RNA-DNA-hybriden) op nylon membranen
4. RNA-DNA hybride detectie met S9.6-antilichaam
5. Ribonucleasebehandelingen om de signaalspecificiteit te evalueren
OPMERKING: RNase-behandeling moet worden uitgevoerd op de nucleïnezuurmonsters om de specificiteit van S9.6-binding aan te tonen. Behandeling met RNase H, maar niet met RNase T1 of RNase III zou moeten resulteren in een vermindering van de S9.6-immunokleuring.
6. Bereiding van oligonucleotidecontroles om de signaalspecificiteit te evalueren
OPMERKING: Oligonucleotidecontroles kunnen worden gebruikt om de specificiteit van S9.6-binding aan te tonen. S9.6 herkent RNA-DNA-hybriden, maar geen dsDNA- of dsRNA-controles, zoals eerder is gerapporteerd34.
7. Kwantificering en normalisatie van de signaalintensiteit van S9.6 R-loop met behulp van ImageJ.
Enzymatische behandeling om de specificiteit van S9.6 (RNA-DNA) antilichaam te evalueren.
Primaire fibroblasten van de menselijke huid werden gekweekt17. DNA met RNA-DNA-hybriden werd geïsoleerd en gekwantificeerd. Twee μg van de monsters werd gedurende 15 minuten bij 37 °C verteerd met RNase T1, RNase H of RNase III. Een proefmonster werd ook geanalyseerd ter vergelijking met de met RNase behandelde monsters. Monsters (200, 100, 50, 25, 12,5 of 6,25 ng) werden op twee verschillende membranen gedept, zoals beschreven in sectie 3. De membranen werden verknoopt, geblokkeerd en een van hen werd onderzocht met S9.6-antilichaam (Figuur 1A).
De resultaten toonden aan dat het S9.6-signaal correleert met de overvloed van het geladen monster. Behandeling met RNase H, maar niet met RNase T1 of RNase III resulteert in een vermindering van de S9.6-kleuring.
Een tweede membraan werd onderzocht met een dsDNA-antilichaam (Figuur 1B) voor de normalisatie. Afbeelding J werd gebruikt om de signaalintensiteiten te analyseren. De 50 ng-monsters werden geselecteerd voor kwantificering omdat de signaalintensiteiten van de S9.6- en dsDNA-antilichamen binnen het dynamische bereik lagen. Signaalintensiteiten werden genormaliseerd naar die in nepmonsters. De gegevens worden weergegeven in figuur 2.
S9.6 antilichaam dot-blot met behulp van synthetische nucleotidecontroles.
Om de specificiteit van het S9.6-antilichaam te evalueren, gebruikten we oligonucleotiden die overeenkomen met dsRNA, dsDNA en RNA-DNA zoals beschreven in sectie 6. Een verdunningsreeks van RNA-DNA-, dsRNA- en dsDNA-nucleotiden werd bereid en op het nylonmembraan gedept zoals beschreven in sectie 3. Het membraan werd onderzocht met het S9.6-antilichaam (Figuur 3). De resultaten toonden aan dat het S9.6-antilichaam specifiek bindt aan RNA-DNA-hybriden op een dosisafhankelijke manier en minimale kruisreactiviteit vertoonde met dsRNA's en dsDNA's.

Figuur 1: Specificiteit van S9.6 zoals aangetoond door dot-blot geladen met nucleïnezuren van menselijke fibroblasten. Nucleïnezuurmonsters van menselijke fibroblasten werden ofwel nagebootst behandeld of behandeld met RNase T1, RNase H of RNase III en vervolgens op nylonmembranen geladen in een verdunningsreeks van 200, 100, 50, 25, 12,5 en 6,25 ng per 2 μL dot. Membranen werden vervolgens onderzocht met S9.6-antilichaam (A) of dsDNA-antilichaam (B). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Kwantificering van S9.6 R-luskleuring. 50 ng-monsters uit figuur 1 werden geselecteerd voor kwantificering met ImageJ. Het S9.6-signaal werd gedeeld door de intensiteit van het dsDNA-signaal en vervolgens genormaliseerd naar het nepmonster volgens de stappen die in sectie 7 worden beschreven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: S9.6 dot-blot met behulp van oligonucleotidecontroles. S9.6 antilichaam dot-blot tegen een verdunningsreeks van synthetische oligonucleotiden als dsRNA, dsDNA of RNA-DNA-hybride. S9.6 bindt specifiek aan RNA-DNA-hybriden op een dosisafhankelijke manier. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Cel lysis buffer | Voor 10 ml | Voor 200 ml | Finale Conc. |
| Water, nucleasevrij | 9 ml | 180 ml | - |
| 10% NP-40 | 0,5 ml | 10 ml | 0.5% |
| 2M KCl | 0,4 ml | 8 ml | 80 mM |
| 0,5 M LEIDINGEN (pH 8,0) | 100uL | 2 ml | 5 miljoen meter |
| Nucleaire lysis buffer | Voor 10 ml | Voor 200 ml | Finale Conc. |
| Water, nucleasevrij | 8,65 ml | 173 ml | - |
| 10% SDS | 1 ml | 20 ml | 1% |
| 1M Tris-HCl (pH 8,0) | 0,25 ml | 5 ml | 25 mM |
| 0,5 miljoen EDTA | 100uL | 2 ml | 5 mM |
| Elutie buffer | Voor 10 ml | Voor 200 ml | Finale Conc. |
| 1M Tris-Cl, pH 8,5 | 0,1 ml | 2 ml | 10 mM |
| Water, nucleasevrij | 9,9 ml | 198 ml | - |
Tabel 1. Voorbereiding van buffers
| Stap | Probleem | Mogelijke reden | Oplossing |
| 1.9 | N.V.T | Controleer de celfractionering | De kwaliteit van nucleaire en cytoplasmatische scheiding kan worden geëvalueerd door standaard proteaseremmercocktails toe te voegen aan de cel- en nucleaire lysisbuffers (Tabel 1). De cytoplasmatische en nucleaire fracties kunnen worden geëvalueerd door middel van western blotting-analyse om een adequate beperking van labeling met cytoplasmatische markers (bijvoorbeeld GAPDH of HSP90) in cytoplasmatische fracties en labeling met nucleaire markers (bijvoorbeeld HDAC1 of Histone H3) in nucleaire fracties te bevestigen. De bijdrage van mitochondriale contaminatie in de nucleaire fractie kan worden geëvalueerd door middel van qPCR-analyse met sondes die specifiek zijn voor mitochondriaal DNA. |
| 2.1 | Monster is te stroperig | Het celnummer is te hoog. | Verminder het DNA met de helft en ga verder met de sonicatiestap 2.1 |
| 2.12 | Geen zichtbare korrel | Onvoldoende uitgangsmateriaal of verlies tijdens de winning. | Begin vanaf het begin met het gebruik van meer cellen. |
| 2.13 | Lage DNA-concentratie | ||
| 3.1 | Niet genoeg DNA voor verdunningen | ||
| 3.4 | Het monster verzadigt niet in het membraan | Week het membraan in 1x TBST. Laat overtollige buffer drogen en begin bij stap 3.4 | |
| 4.6 | Er wordt een fragmentarisch of gespikkeld patroon gedetecteerd | Voeg 0,1% natriumdodecylsulfaat (SDS) toe aan het monster en ga verder bij stap 3.1 | |
| 4.6 | De stippen hebben het uiterlijk van een "koffiering" | Voeg 0,01% Sarkosyl toe aan de steekproef en ga verder bij stap 3.1 | |
| 5.2 | De RNaseH-controle vertoont geen afname van het signaal | De ribonuclease-vertering is onvolledig. | Verhoog de incubatie of verhoog de enzymconcentratie. |
| 6.5 | Geen signaal voor de oligo-besturing | Duplex werd niet gevormd. Oligonucleotiden waren niet goed gegloeid. | Controleer de verhoudingen van oligonucleotiden en gloeibuffer. |
| 6.5 | S9.6-signaal is niet specifiek voor hybrides | S9.6-antilichaambatch heeft niet-specifieke binding | Valideer de gevoeligheid en specificiteit van nieuwe batches S9.6-antilichamen met behulp van RNase-enzymbehandelingen of synthetische oligonucleotide-analyse. |
Tabel 2: Problemen oplossen
| ssRNA, bovenste streng | 5'-UGGGGGCUCGUCCGGGAUAUGGGAACCACUGAUCCC-3' |
| ssDNA, bovenste streng | 5'-TGGGGGCTCGTCCGGGATATGGGAACCACTGATCCC-3' |
| ssRNA, onderste streng | 5'-GGGAUCAGUGGUUCCCAUAUCCCGGACGAGCCCCCA-3' |
| ssDNA, onderste streng | 5'-GGGATCAGTGGTTCCCATATCCCGGACGAGCCCCCA-3' |
Tabel 3. Controle oligonucleotidesequenties
De 3-strengs nucleïnezuren, R-lussen, vormen zich in verschillende stadia tijdens de levenscyclus van RNA en blijken steeds vaker cellulaire processen te reguleren. Om R-lussen volledig te begrijpen, zijn betrouwbare technieken voor R-lusdetectie noodzakelijk. Hier beschrijven we een benadering om de overvloed aan R-lussen te ondervragen met behulp van S9.6-antilichaam 8,23,24. Deze methode maakt een snelle beoordeling mogelijk van de R-lus-abundantie van cellen en weefselkweekmonsters. Er is geen speciale apparatuur of een grote hoeveelheid uitgangsmateriaal voor nodig. Het zorgt voor specifieke en reproduceerbare resultaten met behulp van een combinatie van RNase-behandelingen.
Sommigen hebben hun bezorgdheid geuit over de specificiteit van het S9.6-antilichaam. Zoals bij elk reagens, kan er variabiliteit van batch tot batch zijn met het S9.6-antilichaam. Ons protocol omvat RNase H, RNase T1 en RNase III om de signaalspecificiteit te controleren. Daarnaast gebruiken we synthetische oligonucleotiden om de specificiteit van elke batch S9.6-antilichamen te garanderen.
R-lusbiologie is een groeiend veld; de ontwikkeling van betrouwbare detectie- en kwantificeringsmethoden, zoals degene die hier wordt gepresenteerd, zal mechanistische studies vergemakkelijken om op te helderen wanneer R-lussen worden gevormd, hoe ze worden gereguleerd en wat ze reguleren. Met de juiste controles is deze dot-blot-test een eenvoudige methode om te screenen op overvloed aan R-lus in klinische en onderzoeksomgevingen.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dit werk werd ondersteund door het Howard Hughes Medical Institute en Intramural Research van het National Institute of Neurological Disorders and Stroke.
We danken Dr. Stephen Leppla voor het verstrekken van batches S9.6-antilichamen voor analyse. We danken ook Dr. Dongjun Li voor zijn hulp bij ribonucleasebehandelingen.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Anti-dsDNA antibody | Abcam | ab27156 | |
| Anti-RNA-DNA hybrid antibody (S9.6) | Kerafast | ENH001 | |
| Biorupter sonicator | Diagenode | UCD-200 | |
| EB Buffer | Qiagen | 19086 | |
| EDTA (0.5M) | Invitrogen | AM9261 | |
| Hybond N+ nylon membrane | GE healthcare Life Sciences | RPN203B | |
| KCl (2M) | Invitrogen | AM9640G | |
| NP-40 (Igepal CA-630) | Sigma | I8896 | |
| PBS | Invitrogen | 10010-023 | |
| Phenol:chloroform:isoamyl alcohol | Invitrogen | 15593031 | |
| PIPES (0.5M, pH 8.0) | VWR | AAJ61406-AE | |
| Proteinase K | Qiagen | 19131 | |
| RNase III | Invitrogen | AM2290 | |
| RNase H | New England Biolabs | M0297 | |
| RNase T1 | ThermoFisher Sci. | EN0541 | |
| SDS (10%) | Invitrogen | 15553027 | |
| sodium acetate (3M, pH 5.2) | Invitrogen | AM9740 | |
| Tris-buffered saline (10X) | Corning | 46-012-CM | |
| Tris-HCl (1M, pH 8.0) | KD Medical | RGF-3360 | |
| TrypLE | Invitrogen | 12605010 | |
| Tween-20 | Sigma | P9416 | |
| UV Stratalinker 2400 | Stratagene | Stratalinker 2400 | |
| Whatman marking pen | Sigma | WHA10499001 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission