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A transcrição do genoma resulta na formação de moléculas híbridas temporárias, conhecidas como R-loops, que consistem em estruturas de três fias. Essas estruturas incluem as fitas não codificantes e codificantes do DNA, com a fita não codificante sendo substituída pela formação de híbridos com o RNA complementar1. Durante a transcrição do genoma, um grande número de RNAs não codificantes é produzido em taxas variadas a partir de ambas as cadeias de DNA. A maioria desses RNAs atua como intermediários de curta duração, mas alguns desempenham papéis críticos nas redes regulatórias que regem a biologia do genoma, especialmente aquelas originadas de regiões não codificantes, como telômeros ecentrômeros 1. A distribuição dos híbridos DNA/RNA no genoma também pode refletir a atividade transcricional das células em qualquer momento.
À medida que cresce o interesse nas funções regulatórias de RNAs não codificantes, há um interesse crescente em acompanhar sua transcrição e distribuição pelo genoma, especialmente na forma de híbridos temporários DNA/RNA. Para resolver isso, desenvolvemos um ensaio independente para a detecção de híbridos estáveis de DNA/RNA, aplicável a qualquer célula ou tecido biológico. Esse método permite o isolamento de RNAs complementares que co-purificam com o DNA, seguido por análise via precipitação ou sequenciamento por PCR.
Pesquisas de modelos de cultura celular estabeleceram que, durante a replicação e transcrição do DNA, o estresse de replicação, danos ao DNA, colisões de forquação de replicação e pausas da RNA polimerase II podem ocorrer devido a eventos topológicos, estruturais e de hibridização. Esses processos, especialmente o desenrolamento da dupla hélice do DNA, introduzem estresse torsional, que pode levar à formação de estruturas anormais, como laços R, durante a transcrição1.
A maioria dos dados do R-loop foi gerada usando células cancerígenas de levedura ou cultivadas, baseando-se no anticorpo monoclonal específico de híbrido DNA-RNA S9.6. Estudos estruturais mostraram que o fragmento de ligação ao antígeno (Fab) de S9.6 se liga especificamente a um híbrido RNA-DNAde 13 pb. A detecção de R-loops baseada em anticorpos identificou principalmente híbridos que se formam em regiões ricas em guanina durante a transcrição, onde a hibridização aprimorada RNA-DNA provavelmente ocorrerá. Estudos in vitro usando o anticorpo S9.6 sugerem que RNAs contendo quatro ou mais guaninas consecutivas próximas à extremidade 5′ são mais facilmente detectados, correlacionando-se com o aumento da formação de laçosR 1. Diversas enzimas, como helicases, topoisomerases, RNase H1 e RNase H2, ajudam a manter o equilíbrio do loop R durante a transcrição. A perturbação da homeostase do R-loop está ligada ao aumento da instabilidade genômica, contribuindo para doenças como câncer e distúrbiosneurodegenerativos 2.
Telômeros, antes considerados transcricionalmente silenciosos, foram encontrados transcrevendo RNAs longos e não codificantes conhecidos como RNA Contendo Repetições Teloméricas (TERRA)3. Esses transcritos se originam de regiões subteloméricas e contêm repetições teloméricas, desempenhando papéis essenciais na manutenção da homeostase dostelômeros 4. Neste manuscrito, referimo-nos ao 'RNA TERRA-híbrido' como as moléculas de RNA liberadas de complexos híbridos DNA/RNA via tratamento com DNase I, presumivelmente incluindo sequências TERRA baseadas nas propriedades de extração e na especificidade do primer.
A transcrição do TERRA ocorre na direção do centrómero para o telômero e é variável em duração, variando de 100 bp a 9 kb, com a maior parte do TERRA sendo recuperada na fase aquosa como molécula de RNA livre. Uma pequena fração permanece ligada ao DNA e está associada a processos biológicos chave, como câncer e envelhecimento 4,5. Os níveis de TERRA variam dependendo dos loci subteloméricos e são regulados pelo estado heterocromático dostelômeros 6. Estudos de cultura celular também indicam que transcritos TERRA de várias regiões subteloméricas apresentam heterogeneidade em comprimento. Em alguns estudos de cultura celular derivados de tumores, pesquisadores descobriram que a região subtelomérica 20q é a principal fonte de transcritos TERRA, e essa região é frequentemente metilada em suas ilhas CpG 7,8,9. Em camundongos, a região subtelomérica do cromossomo 18 é um dos principais locais de produção doTERRA 10,11. Além disso, os PAR-TERRAs, que são transcritos TERRA originados de regiões pseudoautossômicas subteloméricas em células embrionárias, demonstraram ter até 200 vezes mais TERRA em comparação com os cromossomos 18,11,12.
A transcrição do TERRA é controlada pela metilação do DNA e modificações de histonas, como a trimetilação H3K9 e H4K20, que suprimem o TERRA, enquanto a acetilação das histonas se correlaciona positivamente com a transcrição doTERRA 6,13,14. O TERRA também se liga a regiões extrateloméricas, incluindo sítios intergênicos e introns, indicando um papel mais amplo na regulação dogenoma 2.
Além disso, a diminuição do TERRA leva à desregulação de inúmeros genes, especialmente aqueles próximos aos seus locais de ligação, sugerindo seu papel na regulação epigenética da cromatina e da expressãogênica 2. A acumulação de TERRA em telômeros encurtados promove a extensão baseada em recombinação homóloga (HR), contribuindo para a homeostase do comprimentodos telômeros 15,16.
Para abordar o papel do TERRA e de outros híbridos DNA/RNA, empregamos um ensaio especificamente projetado para isolar moléculas de RNA hibridizadas de forma estável ao DNA. Brevemente, núcleos foram isolados e tratados com RNase livre de DNase para remover RNa desprotegido. Híbridos DNA/RNA foram então extraídos usando digestão seletiva de DNase, que libera RNA originalmente hibridizado com DNA. Essa fração, chamada de "RNA associado ao híbrido DNA/RNA", foi posteriormente analisada por RNA-seq e comparada ao RNA solúvel total obtido pela extração padrão de fenol-clorofórmio17. Essa abordagem nos permitiu identificar tanto sítios teloméricos quanto não teloméricos da formação de híbridos RNA-DNA, além de comparar os perfis transcriptômicos de pools de RNA ligados ao DNA versus reservas solúveis. Antes considerado apenas um subproduto da transcrição dos telômeros, o TERRA é agora reconhecido por seu papel duplo na manutenção dos telômeros, influenciando a atividade da telomerase e a recombinação homóloga, que são cruciais para a homeostase do comprimento dos telômeros. Além disso, avanços nos ensaios de detecção permitiram uma compreensão mais detalhada das interações dinâmicas entre RNA e DNA ao longo do genoma. Esse conhecimento abre caminho para uma exploração mais aprofundada das implicações dos híbridos DNA/RNA, como o TERRA, nos processos celulares e suas potenciais ligações com doenças como câncer e distúrbios neurodegenerativos. A pesquisa em andamento nessa área, sem dúvida, aprofundará nossa compreensão da regulação genômica e sua relevância para saúde e doença.
O método usado para identificar moléculas TERRA e híbridos DNA/RNA neste estudo é o mesmo protocolo otimizado de extração de guanidinium-tiocianato-fenol-clorofórmio detalhado aqui. Esse protocolo foi desenvolvido para permitir o isolamento simultâneo de híbridos RNA-DNA/RNA, RNA total e DNA genômico dentro de um fluxo de trabalho unificado. Ao modificar estrategicamente o método clássico de separação trifásica, esse protocolo facilita a retenção seletiva de híbridos DNA/RNA na interfase do fenol, minimizando assim sua perda — uma limitação inerente às técnicas convencionais de extração.
Tradicionalmente, a detecção e isolamento de híbridos DNA/RNA dependiam da imunoprecipitação com o anticorpo monoclonal S9.6, que reconhece especificamente estruturas híbridas DNA/RNA 18,19. Essa abordagem baseada em S9.6, embora amplamente utilizada, pode ser limitada pela acessibilidade de anticorpos, custo e potencial reatividade cruzada. Em contraste, nosso protocolo oferece uma alternativa econômica e independente de anticorpos, facilmente aplicável tanto a amostras celulares quanto a amostras derivadas de tecidos.
Para aprimorar ainda mais a pureza e a integridade estrutural da fração isolada de DNA/RNA híbrido, incorporamos desproteinização mediada por K por proteinase, seguida do tratamento com DNase I. O passo da DNase I digere seletivamente a fita de DNA dos híbridos DNA/RNA, liberando assim o RNA hibridizado para posterior isolamento e análise molecularposterior 20. Essa abordagem garante que as espécies de RNA recuperadas sejam especificamente aquelas que foram hibridizadas de forma estável com DNA in vivo. Devido à sua configuração modular e escalabilidade, nosso protocolo é amplamente adaptável a diversos contextos biológicos, fornecendo aos pesquisadores uma ferramenta robusta para interrogar a biologia híbrida DNA/RNA em uma ampla variedade de sistemas experimentais.