$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
W przeciwieństwie do DNA i białek, protokoły łatwej, wydajnej i opłacalnej produkcji dużych ilości RNA nie są obfite. Jednak badania i przemysł wymagają coraz większych ilości tych biomolekuł do zbadania ich unikalnych właściwości biologicznych1, lub do wykorzystania w zaawansowanych zastosowaniach biotechnologicznych, w tym jako wysoce specyficznych aptamerów2, środki terapeutyczne3, lub selektywne pestycydy4. Transkrypcja in vitro i synteza chemiczna są powszechnie stosowane w badaniach do produkcji RNA. Metody te wiążą się jednak z istotnymi ograniczeniami, gdy wymagane są duże ilości produktów. Logiczną alternatywą jest wykorzystanie endogennej maszynerii transkrypcyjnej żywych komórek, a następnie proces oczyszczania w celu oddzielenia interesujących RNA od komórkowych towarzyszy. Podążając za tą strategią, opracowano metody wytwarzania rekombinowanych RNA w komórkach bakteryjnych, takie jak przyjazny dla laboratorium Escherichia coli5 lub morsko-fioletowy fototroficzny alfa-proteobacterium Rhodovolum sulfidophilum6. Większość metod wytwarzania rekombinowanego RNA u bakterii opiera się na ekspresji natywnego, wysoce stabilnego rusztowania RNA, takiego jak tRNA lub rRNA, w którym wstawiany jest interesujący RNA7. Nakłada to konieczność uwolnienia interesującego RNA z cząsteczki chimerycznej, jeśli obecność dodatkowego RNA stanowi problem dla dalszych aplikacji8. Inną koncepcją w biotechnologii rekombinacji RNA jest produkcja rekombinowanych kompleksów rybonukleoproteinowych, które same w sobie mogą być pożądanym produktem lub być stosowane jako strategia ochronna w celu zwiększenia stabilności interesującego RNA9,10. Podobnie, produkcja cyrkularnych RNA została również zasugerowana jako strategia generowania bardziej stabilnych produktów11.
Niedawno opracowaliśmy nową metodę produkcji dużych ilości rekombinowanego RNA u E. coli, która uczestniczy w trzech z powyższych koncepcji: wstawieniu interesującego RNA do wysoce stabilnego okrągłego rusztowania RNA i koekspresji rekombinowanego RNA z białkiem oddziałującym, aby prawdopodobnie wytworzyć stabilny kompleks rybonukleoproteinowy, który gromadzi się w znacznych ilościach w komórkach bakteryjnych12. W przeciwieństwie do poprzednich opracowań, użyliśmy rusztowania RNA całkowicie obcego dla E. coli, a mianowicie wiroidu. Wiroidy są bardzo szczególnym rodzajem czynników zakaźnych roślin wyższych, które składają się wyłącznie ze stosunkowo małego (246-401 nt) wysoce sparowanego z zasadami kolistego RNA13. Co ciekawe, wiroidy są niekodującymi RNA i bez pomocy własnych białek są w stanie wykonywać złożone cykle zakaźne w zakażonych gospodarzach14. Cykle te obejmują replikację RNA do RNA w jądrach lub chloroplastach, w zależności od rodziny wiroidów - odpowiednio Pospiviroidae lub Avsunviroidae - przemieszczanie się przez zakażoną roślinę i unikanie odpowiedzi obronnej gospodarza. Wiroidy muszą być zaliczane do najbardziej stabilnych RNA w przyrodzie, w konsekwencji bycia nagim okrągłym RNA i konieczności przetrwania w nieprzyjaznym środowisku komórek zakażonych roślinami. Ta właściwość może sprawić, że wiroidy będą szczególnie przydatne jako rusztowania do stabilizacji rekombinowanego RNA w podejściach biotechnologicznych. Ponadto nowa metoda opiera się na koekspresji rusztowania wiroidowego z oddziałującym białkiem roślinnym. Wiroidy replikują się w mechanizmie toczącego się koła, w którym enzymy gospodarza są rekrutowane w celu katalizowania różnych etapów procesu. Warto zauważyć, że niektóre wiroidy, a dokładniej te, które należą do rodziny Avsunviroidae15, zawierają rybozymy, które są również zaangażowane w replikację. W zależności od gatunku wiroidu, w transkrypcji wiroidalnych RNA pośredniczy polimeraza RNA gospodarza II lub polimeraza RNA kodowana jądrowo (NEP) w postaci chloroplastu. Przetwarzanie wiroidalnego RNA wydaje się być katalizowane przez RNazę typu III gospodarza, chociaż w wiroidach z rybozymami oligomeryczne RNA pośrednie ulegają samorozszczepieniu podczas replikacji. Wreszcie, powstałe monomery wiroidowe są cyrkularyzowane, w zależności od rodziny wiroidów, przez ligazę DNA gospodarza 1 lub izoformę chloroplastyczną ligazy tRNA16,17. Ten ostatni enzym bierze udział w ligacji monomerycznych form wiroidów z rodziny Avsunviroidae, takich jak utajony wiroid bakłażana (ELVd)18.
W trakcie pracy nad analizą sekwencji i wymagań strukturalnych ELVd, które decydują o rozpoznaniu przez ligazę tRNA bakłażana (Solanum melongena L.), stworzyliśmy eksperymentalny system oparty na koekspresji obu cząsteczek w E. coli19. Zauważyliśmy, że dłuższe niż jednostka transkrypty ELVd skutecznie rozszczepiają się w komórkach E. coli przez osadzone rybozymy młota i że powstałe monomery wiroidowe z końcami 5'-hydroksylowymi i 2',3'-fosfodiestrowymi były skutecznie krążone przez współeksprymowaną ligazę tRNA bakłażana. Co więcej, powstały w ten sposób kolisty wiroidowy RNA osiągnął nieoczekiwanie wysokie stężenie w E. coli, przewyższając stężenie endogennych rRNAs12. Brak produktów pośrednich replikacji wskazywał na brak amplifikacji RNA do RNA ELVd w tych komórkach bakteryjnych. Co ciekawe, insercja heterologicznych RNA w określonej pozycji cząsteczki wiroidu miała umiarkowany wpływ na akumulację kolistych RNA pochodzących z wiroidów12. Te obserwacje skłoniły nas do wyobrażenia sobie metody wytwarzania dużych ilości rekombinowanych RNA u bakterii. W tej metodzie cDNA odpowiadające interesującym RNA są wprowadzane do cDNA ELVd, a powstały chimeryczny RNA ulega ekspresji w E. coli przez silny konstytutywny promotor. Aby system działał, E. coli musi zostać przekształcona z plazmidem w celu ekspresji ligazy tRNA bakłażana. Transkrypt pochodzący z ELVd dłuższy niż jednostka jest przetwarzany przez osadzone rybozymy młota, a powstałe monomery z odpowiednimi końcami są rozpoznawane i cyrkularyzowane przez współeksprymowaną ligazę tRNA. W ten sposób interesujący RNA jest wprowadzany do bardzo stabilnego okrągłego rusztowania składającego się z wiroidalnej cząsteczki kolistej. Ten rekombinowany chimeryczny RNA jest najprawdopodobniej dalej stabilizowany wewnątrz komórek E. coli poprzez tworzenie kompleksu rybonukleoproteinowego poprzez interakcję z ligazą tRNA. Korzystając z tej metody (patrz protokół poniżej), aptamery RNA, RNA spinki do włosów i inne ustrukturyzowane RNA zostały łatwo wyprodukowane w ilościach kilkudziesięciu miligramów na litr kultury E. coli w normalnych warunkach laboratoryjnych i oczyszczone do jednorodności z wykorzystaniem cyrkularności12.