Apresentado aqui é um protocolo para entrega de nanopartículas de quitosana/dsRNA em larvas de Bombyx mori de bicho-da-seda para induzir o silenciamento de genes por ingestão.
Artigo de método
Apresentado aqui é um protocolo para entrega de nanopartículas de quitosana/dsRNA em larvas de Bombyx mori de bicho-da-seda para induzir o silenciamento de genes por ingestão.
O bicho-da-seda, Bombyx mori, é um importante inseto econômico com milhares de anos de história na China. Enquanto isso, o bicho-da-seda é o inseto modelo de lepidópteros com um bom acúmulo de pesquisa básica. É também o primeiro inseto em lepidópteros com seu genoma completo sequenciado e montado, o que fornece uma base sólida para o estudo funcional do gene. Embora a interferência de RNA (RNAi) seja amplamente utilizada no estudo funcional do gene reverso, ela é refratária em bichos-da-seda e outras espécies de lepidópteros. Pesquisas anteriores bem-sucedidas relacionadas ao RNAi para fornecer RNA de fita dupla (dsRNA) foram realizadas apenas por injeção. A entrega de dsRNA por meio da alimentação nunca é relatada. Neste artigo, descrevemos procedimentos passo a passo para preparar as nanopartículas de quitosana/dsRNA, que são alimentadas com as larvas do bicho-da-seda por ingestão. O protocolo inclui (i) seleção do estágio adequado das larvas do bicho-da-seda, (ii) síntese de dsRNA, (iii) preparação das nanopartículas de quitosana/dsRNA e (iv) alimentação das larvas do bicho-da-seda com nanopartículas de quitosana/dsRNA. Resultados representativos, incluindo confirmação de transcrição gênica e observação de fenótipo, são apresentados. A alimentação com dsRNA é uma técnica simples para RNAi em larvas de bicho-da-seda. Como as larvas do bicho-da-seda são fáceis de criar e grandes o suficiente para operar, ele fornece um bom modelo para demonstrar o RNAi larval em insetos. Além disso, a simplicidade dessa técnica estimula mais o envolvimento dos alunos na pesquisa, tornando as larvas do bicho-da-seda um sistema genético ideal para uso em sala de aula.
O bicho-da-seda, Bombyx mori, é um inseto domesticado há mais de 5000 anos na China. Devido à sua capacidade de produzir seda, o bicho-da-seda é um importante inseto econômico na agricultura e sericultura chinesas. O bicho-da-seda perde apenas para a mosca da fruta como inseto modelo. Como um inseto modelo em lepidópteros, o bicho-da-seda é fácil de criar, com um grande tamanho corporal e muitos mutantes. Enquanto isso, o bicho-da-seda é o primeiro inseto lepidóptero com seu genoma completo sequenciado1. Muitos bancos de dados que fornecem informações para o genoma2, transcriptoma3, etiqueta de sequência expressa (EST)4, RNA não codificante5 e microssatélite6 também estão disponíveis ao público. Os fatos acima tornam o bicho-da-seda um modelo perfeito para a pesquisa genética.
A interferência de RNA (RNAi) é um processo celular no qual moléculas de RNA de fita dupla (dsRNA) se ligam e cortam o RNA mensageiro complementar (mRNA), alcançando assim o efeito silenciador do gene alvo. Esse mecanismo está naturalmente presente nas bactérias para se defender contra a invasão de vírus7. Mais tarde, descobriu-se que o RNAi é conservado em animais, plantas e micróbios. Devido ao seu poderoso efeito de silenciamento específico da sequência, o RNAi é usado em pesquisas fundamentais para manipular a expressão gênica e estudar a função do gene. O RNAi é obtido através da entrega de dsRNA nas células.
Nos insetos, existem três maneiras comuns de fornecer dsRNA, que são microinjeção, alimentação e imersão8. No momento, relatórios de RNAi bem-sucedidos nos bichos-da-seda por meio da entrega de dsRNA nu são conduzidos por injeção de dsRNA9. As vantagens da microinjeção são a entrega imediata de dsRNA na hemolinfa e o controle preciso da quantidade de dsRNA. No entanto, também existem certas desvantagens da microinjeção. Por exemplo, é demorado e requer dispositivos delicados. Também é importante otimizar as agulhas de injeção, o volume de injeção e a quantidade de dsRNA. Portanto, uma maneira alternativa de entregar dsRNA aos bichos-da-seda torna-se necessária. Como o exoesqueleto de um inseto é uma barreira à prova d'água feita de quitina, a imersão de larvas de insetos para obter RNAi raramente é relatada, o que não é uma boa opção para RNAi em insetos. A alimentação de dsRNA economiza mão de obra, é econômica e fácil de realizar10. Este método também é aplicável para triagem genética de alto rendimento11. No entanto, verificou-se que uma nuclease não específica de DNA / RNA, ou seja, BmdsRNase, está presente no suco do intestino médio e do intestino médio das larvas do bicho-da-seda12. Esta nuclease é mostrada para digerir dsRNA, de preferência13. Portanto, alimentar o bicho-da-seda com dsRNA nu para silenciar a expressão gênica parece ser difícil.
Recentemente, o dsRNA blindado com nanopartículas provou ser uma boa alternativa para aumentar a eficiência do RNAi por meio da alimentaçãode 14. A quitosana é um polímero barato, não tóxico e biodegradável, que pode ser preparado por desacetilação da quitina, um biopolímero natural e o segundo mais abundante depois da celulose15. Como o grupo amino na quitosana é carregado positivamente e o grupo fosfato na espinha dorsal do dsRNA é carregado negativamente, as nanopartículas de quitosana / dsRNA podem ser formadas pela automontagem de policátions16. As nanopartículas de quitosana/dsRNA são eficazes na obtenção de RNAi por meio da alimentação larval em mosquitos Aedes aegypti e Anopheles gambiae17, lagarta manchada de algodão Earias vittella18 e ácaro-aranha carmim Tetranychus cinnabarinus19.
A fim de desenvolver uma metodologia para a entrega de dsRNA alimentando-se em bichos-da-seda para obter eficiência de RNAi bem-sucedida, este relatório se concentra na descrição de procedimentos passo a passo sobre como preparar as nanopartículas de quitosana/dsRNA e alimentar as nanopartículas para as larvas do bicho-da-seda. Essa metodologia é relativamente barata, economiza mão de obra e é fácil de seguir, que pode ser adaptada para estudos de silenciamento de genes em outros insetos. Nosso objetivo é fornecer um protocolo mais fácil para o método de entrega de dsRNA de lepidópteros com maior eficiência de RNAi.
1. Espécies e criação do bicho-da-seda
2. Seleção de larvas de bicho-da-seda
3. Síntese de dsRNA
4. Preparação das nanopartículas de quitosana/dsRNA
5. Alimentando as larvas do bicho-da-seda com nanopartículas de quitosana/dsRNA
6. Confirmação do silenciamento gênico
Para avaliar a eficiência do RNAi, um gene imune direcionado ao BmToll9-2 foi escolhido para análise. O gene BmToll9-2 é bem caracterizado em laboratório, e o silenciamento gênico por injeção de dsRNA resulta em larvas mais leves e menores em nossa recente publicação20. Para confirmar a eficácia do RNAi por ingestão através de nanopartículas de quitosana/dsRNA, nanopartículas de quitosana foram usadas como controle, e o dsRNA nu foi comparado ao mesmo tempo.
Em comparação com o controle, nanopartículas de quitosana sem dsRNA, dsRNA nu direcionado ao gene BmToll9-2 não mostra efeito de silenciamento. A alimentação de nanopartículas de quitosana/dsRNA no bicho-da-seda inibe significativamente o transcrito, com um knockdown de 79% (Figura 1). A inibição do transcrito relativo indica que o gene BmToll9-2 foi silenciado com sucesso por meio da ingestão de quitosana / dsRNA.
O knockdown do gene BmToll9-2 afeta significativamente o crescimento do bicho-da-seda. Ao observar as larvas, as larvas silenciadas por BmToll9-2 são menores que as larvas de controle (Figura 2A). Ao comparar os casulos, os casulos silenciados BmToll9-2 também são menores (Figura 2B). As nanopartículas de quitosana/dsRNA mostram efeitos bem-sucedidos de RNAi tanto no transcrito quanto no fenótipo no bicho-da-seda.

Figura 1: Transcrição relativa de BmToll9-2 após a ingestão de nanopartículas de quitosana/dsBmToll9-2 em larvas de B. mori de5º ínstar. Os níveis relativos de mRNA de BmToll9-2 nas larvas alimentadas com nanopartículas de quitosana como controle, dsRNA nu e nanopartículas de quitosana/dsRNA. Os dados foram representados como médias ± desvio padrão de três repetições biológicas. Para cada replicação biológica, houve três repetições técnicas. Letras diferentes nas barras indicam diferenças significativas com base na análise ANOVA unidirecional. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Observação do fenótipo após alimentação com nanopartículas de quitosana/dsBmToll9-2. As nanopartículas de quitosana são usadas como controle. (A) O aparecimento de larvas de bicho-da-seda após a ingestão de nanopartículas. (B) O aparecimento de casulos de bicho-da-seda após a ingestão de nanopartículas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Um estágio adequado é importante para a observação do fenótipo de RNAi, dependendo dos genes visados. Nossos resultados preliminares mostraram que Toll9-2 está envolvido no crescimento do bicho-da-seda. O tamanho e o peso das larvas do bicho-da-seda aumentam rapidamente no5º ínstar21. Portanto, as larvas de5º ínstar são selecionadas como palco para o experimento de alimentação de nanopartículas de quitosana/dsRNA. Também é possível selecionar as larvas de3º ou4º ínstar para experimentos de alimentação e observar as diferenças de desenvolvimento no5º ínstar. No entanto, os experimentos de alimentação de nanopartículas requerem alimentação contínua diária14. Alimentar as larvas em um estágio mais jovem requer mais preparação de dsRNA, que é relativamente mais caro. Pelas razões acima, sugerimos selecionar as larvas de bicho-da-seda recém-mudadas do5º ínstar como ponto de partida do experimento de alimentação de nanopartículas.
A otimização dos parâmetros de alimentação de nanopartículas também é importante. Uma alimentação constante de nanopartículas por 5-7 dias para atingir RNAi eficiente é comum em estudos atuais 14,18,22,23. Como o dsRNA é o ingrediente mais caro nos experimentos de RNAi, as nanopartículas podem ser fornecidas às larvas em dias alternados, o que pode ajudar a reduzir metade do custo da preparação do dsRNA. Outra maneira de reduzir o custo é otimizar a quantidade de dsRNA usada na alimentação. Neste protocolo, 5 μg de nanopartículas de quitosana/dsRNA são usados para cada larva, que é a dose universal para injeção de dsRNA no laboratório. Considerando que 5 μg de dsRNA é uma dose alta e a inibição pela alimentação de nanopartículas é significativa. Sugere-se reduzir a quantidade de dsRNA no experimento. No entanto, o impacto dos dois parâmetros acima na eficiência do RNAi precisa ser avaliado em experimentos futuros.
A proporção de quitosana e dsRNA pode ser otimizada. Neste protocolo, 20 μg de quitosana em 100 μL de acetato de sódio são misturados com 20 μg de dsRNA em 100 μL de sulfato de sódio. No primeiro relatório de nanopartículas de quitosana/dsRNA, 20 μg de quitosana em 100 μL de acetato de sódio são misturados com 32 μg de dsRNA em 100 μL de sulfato de sódio16. Em alguns outros relatos, 1 μg de quitosana em 100 μL de acetato de sódio é misturado com 1 μg de dsRNA em 100 μL de sulfato de sódio18,23. Portanto, a quantidade de quitosana e dsRNA pode ser otimizada para obter a melhor eficiência de carregamento das nanopartículas e o efeito ideal de silenciamento de RNAi.
O armazenamento de nanopartículas de quitosana/dsRNA precisa ser considerado. As nanopartículas de quitosana/dsRNA são preparadas antes do experimento de alimentação, e sugere-se que sejam usadas imediatamente. Um relatório recente mostrou que as nanopartículas de quitosana/dsRNA foram armazenadas a 4 °C, 24 °C e 37 °C por 15 dias e ainda estavam estáveis19. Assim, as nanopartículas de quitosana/dsRNA podem ser preparadas com antecedência e armazenadas a 4 °C na geladeira, uma vez que o dsRNA é mais estável em baixas temperaturas.
Além do dsRNA, alguns RNAs pequenos, como o RNA interferente pequeno (siRNA) e o RNA em grampo curto (shRNA), podem ser usados na preparação de nanopartículas para experimentos de RNAi. Por exemplo, as nanopartículas de siRNA melhoram a resistência das plantas a Pseudomonas syringae24. A entrega de nanopartículas de shRNA causou um efeito de RNAi bem-sucedido no percevejo marrom neotropical Euschistus heros25. Portanto, as nanopartículas podem ser aplicadas a qualquer molécula de RNA usada no experimento de RNAi.
A eficiência do RNAi em lepidópteros, incluindo bichos-da-seda, é relatada como refratária26. A entrega de dsRNA é apenas por injeção em bichos-da-seda, o que é demorado e caro. Com este método de entrega de nanopartículas de quitosana / dsRNA, um efeito de silenciamento significativo é observado no transcrito ou no fenótipo nas larvas e casulos do bicho-da-seda, possível devido à menor degradação do dsRNA pela proteção da quitosana19. Este método economiza trabalho e é fácil de executar, podendo ser adaptado a outros insetos. A facilidade deste protocolo pode ser aplicada não apenas na pesquisa científica, mas também na demonstração e prática de ensino em sala de aula. O método de entrega de nanopartículas é uma nova direção para o futuro biocontrole e manejo de pragas27.
Os autores não têm nada a divulgar.
Este estudo foi financiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (31501898), pelo Programa de Ciência e Tecnologia de Guangzhou (202102010465), pelo Projeto de Qualidade de Ensino e Reforma do Ensino Superior de Guangzhou (2022JXGG057) e pelo projeto de pesquisa do Comitê Diretivo de Cursos Online Abertos das Universidades Provinciais de Guangdong (2022ZXKC381).
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Tubo de centrífuga de 1,5 mL | Sangon | F601620 | para reação de dsRNA ou nanopartículas |
| 10 μ l pipeta | Eppendorf | P13473G | para aspirar ou ressuspender líquido |
| 100 μ l pipeta | Eppendorf | Q12115G | para aspirar ou ressuspender líquido |
| 2,5 μ l pipeta | Eppendorf | P20777G | para aspirar ou ressuspender líquido |
| 20 μ l pipeta | Eppendorf | H19229E | para aspirar ou ressuspender líquido |
| 200 μ l pipeta | Eppendorf | H20588E | para aspirar ou ressuspender placas de |
| poços múltiplos tratadas com TC transparente de 6 poços | Costar | 3516 | para criação individual de bicho-da-seda |
| Ácido acético | Aladdin | A116165 | para fazer TAE |
| Agarose M | BBI Life Sciences | A610013 | para eletrofose em gel de agarose |
| Balança analítica | Sartorius | BSA224S | para pesar ingredientes |
| Centrífuga | Sartorius | Centrisart A-14C | para centrifugar para formar dsRNA ou nanopartículas |
| Chitosan | Sigma-Aldrich | C3646 | para combinar com dsRNA para preparação de nanopartículas |
| EDTA | Sangon | A500895 | para fazer TAE |
| Etanol | Aladdin | E130059 | para fazer TAE, ou para precipitação de dsRNA |
| Freezer | Siemens | iQ300 | para armazenar dsRNA ou nanopartículas |
| GoTaq Green Master Mix | Promega | M712 | para reação PCR |
| GoTaq qPCR Master Mix | Promega | A6002 | para reação qRT-PCR |
| Isopropanol | Aladdin | I112011 | para precipitação de dsRNA |
| NanoDrop Microvolume UV-Vis Spectrophotometer | ThermoFisher | Um | para determinar a concentração de dsRNA |
| ph | meter Sartorius | PB-10 | para preparar tampões |
| SanPrep Column PCR Product Purification Kit | Sangon | B518141 | para purificação de produtos PCR |
| Acetato de sódio | Sigma-Aldrich | S2889 | para fazer tampão de acetato de sódio 100 mM |
| Sulfato de sódio | A Sigma-Aldrich | 239313 | para fazer tampão de sulfato de sódio de 100 mM |
| T7 RiboMAX Express RNAi System | Promega | P1700 | para síntese de dsRNA |
| ThermoMixer | Eppendorf | C | para geração de dsRNA ou aquecimento de nanopartículas |
| Tris | Sangon | A501492 | para fazer TAE |
| Vortex | IKA | Vortex 3 | para preparar nanopartículas de quitosana/dsRNA |
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