В этом протоколе подробно описан простой метод, который количественно определяет R-петлю, трехцепочечную структуру нуклеиновой кислоты, состоящую из гибрида РНК-ДНК и смещенной цепи ДНК.
Method Article
В этом протоколе подробно описан простой метод, который количественно определяет R-петлю, трехцепочечную структуру нуклеиновой кислоты, состоящую из гибрида РНК-ДНК и смещенной цепи ДНК.
Трехцепочечная структура нуклеиновой кислоты, R-петля, все чаще признается за ее роль в регуляции генов. Первоначально считалось, что R-петли являются побочными продуктами транскрипции; но недавние открытия меньшего количества R-петель в больных клетках ясно показали, что R-петли играют функциональную роль в различных клетках человека. Далее, крайне важно понять роль R-петель и то, как клетки уравновешивают их численность. Проблемой в этой области является количественное определение R-петель, поскольку большая часть работы опирается на моноклональное антитело S9.6, специфичность которого для гибридов РНК-ДНК была поставлена под сомнение. В данной работе мы используем дот-блоттинг с антителом S9.6 для количественного определения R-петель и демонстрируем чувствительность и специфичность этого анализа с РНКазой H, РНКазой T1 и РНКазой III, которые расщепляют гибриды РНК-ДНК, одноцепочечную РНК и двухцепочечную РНК соответственно. Этот метод отличается высокой воспроизводимостью, использует общелабораторное оборудование и реактивы, а также дает результаты в течение двух дней. Этот анализ может быть использован в исследовательских и клинических условиях для количественной оценки R-петель и оценки влияния мутаций в таких генах, как сенатаксин, на распространенность R-петлей.
Этот протокол представляет собой пошаговое руководство по анализу дот-блоттинга, который позволяет быстро провести сравнительную оценку распространенности R-петли, трехцепочечной структуры нуклеиновой кислоты. R-петля образуется, когда РНК вторгается в двухцепочечную ДНК с образованием гибрида РНК-ДНК и вытесняет другую цепь ДНК. R-петли обнаруживаются на разных стадиях жизненного цикла РНК. В транскрипционном комплексе зарождающаяся РНК синтезируется комплементарно матричной ДНК, а нематричная цепь вытесняется. Короткий гибрид РНК-ДНК (<10.н.) разрешается высвобождать зарождающуюся РНК, чтобы она могла покинуть РНК-полимеразный комплекс через выходной канал 1,2. Вне транскрипционного комплекса зарождающаяся РНК находится близко к своей ДНК-матрице, которая все еще немного раскручивается после копирования, поэтому РНК может регибридизироваться со своей матрицей ДНК, образуя R-петли3. Кроме того, R-петли могут образовываться при столкновении репликационных и транскрипционных комплексов4, а также при антисмысловой транскрипции5. Учитывая множество возможностей для их образования, R-петли не являются редкостью и могут быть обнаружены в 3-5%генома человека6, в зависимости от статуса транскрипции клетки. R-петли обнаружены в промоторахгена 7 и сайтах терминации5 в мРНК, а также вдоль рибосомной РНК8, а также в транспортной РНК9. R-петли также находятся в теломерных областях хромосом.
R-петли играют регулирующую роль. Они регулируют экспрессию генов, воздействуя на транскрипцию в промоторах10,11, опосредуя рекомбинацию переключателей классов12 и облегчая редактирование генома на основе CRISPR 13,14,15. Как и многие клеточные события, распространенность R-петли сильно титруется; слишком большое или слишком малое количество R-петель влияет на нормальную функцию клетки16,17. R-петли регулируются различными белками, включая РНКазу Н, сенатаксин и другие хеликазы, которые раскручивают гибриды РНК-ДНК 18,19,20,21,22.
Для мониторинга распространенности R-петель полногеномные методы сначала обогащают R-петли антителом S9.6 8,23,24 или другими нуклеазами25, включая РНКазу H 10,26,27, а затем оценивают количество обогащенных R-петель путем секвенирования. Ранние версии этих методов, основанных на секвенировании, не достигали адекватного охвата последовательностей для точного количественного определения, но быстрое совершенствование технологий секвенирования теперь позволяет проводить локусный анализ R-петли. Методы иммунофлуоресценции также использовались для количественного определения и локализации R-петель10,17. Эти методы являются комплексными, но они непрактичны во многих клинических условиях или в качестве первоначальной оценки, поскольку требуют дорогостоящего оборудования и специализированного анализа.
Необходима процедура, которая может быть выполнена единообразно во всех лабораториях в клинических условиях. Точечные блоттинги предоставляют такую возможность, так как их можно проводить без какого-либо специального оборудования или вычислительного анализа. В качестве предварительного шага или в клинических условиях для оценки влияния мутаций на R-петли, эти дот-блоттинги должны обеспечить чувствительные и специфические результаты. Здесь мы описываем наш анализ, который идентифицирует именно R-петли; он исключает сигналы от двухцепочечной (ds) ДНК, двухцепочечной РНК и одноцепочечной РНК. Наш протокол использует антитело27 S9.6 для идентификации гибридов РНК-ДНК в R-петлях и включает РНКазу H, эндорибонуклеазу, которая расщепляет и, следовательно, приводит к деградации РНК в гибриде РНК-ДНК 20,28, чтобы гарантировать, что обнаруженные сигналы являются сигналами гибридов. Мы также включили РНКазу Т1, которая расщепляет одноцепочечную РНК на гуанине29,30, и РНКазу III, которая расщепляет двухцепочечную РНК, включая стеблевые петли31,32, для проверки неспецифических сигналов. Антитело S9.6 распознает гибриды РНК-ДНК различной длины, даже те, которые имеют длину всего 8 нуклеотидов из33.
Здесь мы представляем протокол, который начинается с выделения нуклеиновых кислот, за которым следует дот-блоттинг и обнаружение R-петли с антителом S9.6. Наш протокол включает в себя шаги, гарантирующие, что загружено равное количество сэмплов, а сигналы специфичны. Он обеспечивает олигонуклеотиды, которые служат положительным и отрицательным контролем. Это быстрый, простой и удобный для пользователя метод оценки распространенности R-петли.
1. Лизис клеток для ядерного фракционирования
2. Очистка геномной ДНК (к которой относятся гибриды РНК-ДНК)
3. Блоттинг образцов ДНК (в состав которых входят гибриды РНК-ДНК) на нейлоновые мембраны
4. Обнаружение гибрида РНК-ДНК с антителом к S9.6
5. Обработка рибонуклеазой для оценки специфичности сигнала
Примечание: Обработка РНКазой должна быть выполнена на образцах нуклеиновых кислот, чтобы продемонстрировать специфичность связывания S9.6. Лечение РНКазой H, но не РНКазой T1 или РНКазой III, должно привести к снижению иммуноокрашивания S9.6.
6. Получение олигонуклеотидных контролей для оценки специфичности сигнала
Олигонуклеотидный контроль может быть использован для демонстрации специфичности связывания S9.6. S9.6 распознает гибриды РНК-ДНК, но не дцДНК или дцРНК контроль, как сообщалось ранее34.
7. Количественная оценка и нормализация интенсивности сигнала R-контура S9.6 с использованием ImageJ.
Ферментативная терапия для оценки специфичности антител S9.6 (РНК-ДНК).
Были выращены первичные фибробласты кожи человека17. ДНК с гибридами РНК-ДНК была выделена и количественно определена. Два мкг образцов расщепляли с помощью РНКазы Т1, РНКазы Н или РНКазы III в течение 15 мин при 37 °С. Также был проанализирован макет образца для сравнения с образцами, обработанными РНКазой. Образцы (200, 100, 50, 25, 12,5 или 6,25 нг) промокали на двух разных мембранах, как описано в разделе 3. Мембраны были сшиты, заблокированы, и одну из них зондировали антителом S9.6 (рис. 1A).
Результаты показали, что сигнал S9.6 коррелирует с обилием загруженного образца. Лечение РНКазой H, но не РНКазой T1 или РНКазой III, приводит к снижению окрашивания S9.6.
Вторую мембрану зондировали с антителом к дцДНК (рис. 1B) для нормализации. Изображение J было использовано для анализа интенсивности сигнала. Образцы с концентрацией 50 нг были отобраны для количественного определения, поскольку интенсивность сигнала от антител к S9.6 и дцДНК находилась в динамическом диапазоне. Интенсивность сигнала была нормализована по сравнению с таковыми в имитационных образцах. Данные представлены на рисунке 2.
Дот-блоттинг антител S9.6 с использованием синтетических нуклеотидных контролей.
Для оценки специфичности антитела S9.6 мы использовали олигонуклеотиды, соответствующие дцРНК, дцДНК и РНК-ДНК, как описано в разделе 6. Серию разведения нуклеотидов РНК-ДНК, дцРНК и дцДНК готовили и промокали на нейлоновую мембрану, как описано в разделе 3. Мембрану зондировали антителом S9.6 (рис. 3). Результаты показали, что антитело S9.6 специфически связывается с гибридами РНК-ДНК дозозависимым образом и демонстрирует минимальную перекрестную реактивность к дцРНК и дцДНК.

Рисунок 1: Специфичность S9.6 по методу дот-блоттинга, загруженного нуклеиновыми кислотами из фибробластов человека. Образцы нуклеиновых кислот из фибробластов человека подвергали либо имитационной обработке, либо обработке РНКазой Т1, РНКазой Н или РНКазой III, а затем загружали на нейлоновые мембраны в серии разведения 200, 100, 50, 25, 12,5 и 6,25 нг на 2 мкл точки. Затем мембраны зондировали антителом S9.6 (A) или антителом dsDNA (B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Количественное определение окрашивания R-петлей S9.6. Образцы массой 50 нг из рисунка 1 были выбраны для количественного определения с помощью ImageJ. Сигнал S9.6 делили на интенсивность сигнала дцДНК, а затем нормализовали до фиктивного образца в соответствии с шагами, описанными в разделе 7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: S9.6 dot-blot с использованием олигонуклеотидного контроля. Антитела S9.6 дот-блоттинг против ряда разведенных синтетических олигонуклеотидов в виде дцРНК, дцДНК или гибрида РНК-ДНК. S9.6 специфически связывается с гибридами РНК-ДНК дозозависимым образом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
| Буфер для лизиса клеток | Для 10 мл | Для 200 мл | Финальная кон. |
| Вода, без нуклеаз | 9 мл | 180 мл | - |
| 10% NP-40 | 0,5 мл | 10 мл | 0.5% |
| 2М KCl | 0,4 мл | 8 мл | 80 мМ |
| ТРУБЫ 0,5 М (pH 8,0) | 100 мкл | 2 мл | 5 мМ |
| Буфер для ядерного лизиса | Для 10 мл | Для 200 мл | Финальная кон. |
| Вода, без нуклеаз | 8,65 мл | 173 мл | - |
| 10% паспорта безопасности | 1 мл | 20 мл | 1% |
| 1М Tris-HCl (pH 8,0) | 0,25 мл | 5 мл | 25 мМ |
| 0,5 М ЭДТА | 100 мкл | 2 мл | 5 мМ |
| Элюирующий буфер | Для 10 мл | Для 200 мл | Финальная кон. |
| 1М Tris-Cl, pH 8,5 | 0,1 мл | 2 мл | 10 мМ |
| Вода, без нуклеаз | 9,9 мл | 198 мл | - |
Таблица 1. Подготовка буферов
| Шаг | Проблема | Возможная причина | Решение |
| 1.9 | Н/Д | Проверка фракционирования клеток | Качество ядерного и цитоплазматического разделения можно оценить путем добавления в клетку стандартных коктейлей ингибиторов протеазы и буферов для лизиса ядра (табл. 1). Цитоплазматические и ядерные фракции могут быть оценены с помощью вестерн-блоттинга, чтобы подтвердить адекватное ограничение мечения цитоплазматическими маркерами (например, GAPDH или HSP90) в цитоплазматических фракциях и мечение ядерными маркерами (например, HDAC1 или Histon H3) в ядерных фракциях. Вклад митохондриального загрязнения в ядерную фракцию может быть оценен с помощью количественного ПЦР-анализа с использованием зондов, специфичных для митохондриальной ДНК. |
| 2.1 | Проба слишком вязкая | Слишком большое количество ячеек. | Уменьшите ДНК вдвое и перейдите к шагу ультразвуковой обработки 2.1 |
| 2.12 | Нет видимых гранул | Недостаточное количество исходного материала или потери при экстракции. | Начните с самого начала, используя больше ячеек. |
| 2.13 | Низкая концентрация ДНК | ||
| 3.1 | Недостаточно ДНК для разведения | ||
| 3.4 | Образец не будет насыщаться мембраной | Замочите мембрану в 1x TBST. Дайте лишнему буферу высохнуть и начните с шага 3.4 | |
| 4.6 | Обнаружен пятнистый или крапчатый рисунок | Добавьте в образец 0,1% додецилсульфата натрия (SDS) и продолжайте на шаге 3.1 | |
| 4.6 | Точки имеют вид «кофейного кольца» | Добавьте в образец 0,01% саркозила и продолжайте с шага 3.1 | |
| 5.2 | Контроль RNaseH не показывает снижения сигнала | Переваривание рибонуклеазы неполное. | Увеличьте инкубацию или увеличьте концентрацию ферментов. |
| 6.5 | Нет сигнала для олигорегуляторов | Дуплекс не был сформирован. Олигонуклеотиды не были должным образом отожжены. | Проверьте соотношение олигонуклеотидов и буфера для отжига. |
| 6.5 | Сигнал S9.6 не специфичен для гибридов | Партия антител S9.6 имеет неспецифическое связывание | Валидация чувствительности и специфичности новых партий антител S9.6 с использованием ферментов РНКазы или анализа синтетических олигонуклеотидов. |
Таблица 2: Устранение неполадок
| ssRNA, верхняя цепь | 5'-UGGGGGCUCGUCCGGGAUAUGGGAACCACUGAUCCC-3' |
| ssDNA, верхняя прядь | 5'-TGGGGGCTCGTCCGGGATATGGGAACCACTGATCCC-3' |
| ssRNA, нижняя цепь | 5'-GGGAUCAGUGGUUCCCAUCGGACGAGCCCCCA-3' |
| ssDNA, нижняя цепь | 5'-GGGATCAGTGGTTCCCATATCCCGGACGAGCCCCCA-3' |
Таблица 3. Контроль олигонуклеотидных последовательностей
3-цепочечные нуклеиновые кислоты, R-петли, образуются на разных стадиях жизненного цикла РНК и все чаще регулируют клеточные процессы. Чтобы полностью понять R-петли, необходимы надежные методы обнаружения R-петель. В данной статье мы описываем подход к исследованию обилия R-петель с использованием антителаS9.6 8,23,24. Этот метод позволяет быстро оценить распространенность R-петли из клеток и образцов тканевых культур. Для этого не требуется специальное оборудование, или большое количество исходного материала. Он обеспечивает специфические и воспроизводимые результаты с помощью комбинации РНКазных методов лечения.
Некоторые сообщали об опасениях по поводу специфичности антитела S9.6. Как и в случае с любым реагентом, в отношении антитела S9.6 может наблюдаться вариабельность от партии к партии. Наш протокол включает в себя РНКазу H, РНКазу T1 и РНКазу III для проверки специфичности сигнала. Кроме того, мы используем синтетические олигонуклеотиды для обеспечения специфичности каждой партии антител к S9.6.
Биология R-петли — это растущая область; Разработка надежных методов обнаружения и количественной оценки, подобных представленному здесь, облегчит механистические исследования для выяснения того, когда образуются R-петли, как они регулируются и что они регулируют. При наличии соответствующего контроля этот дот-блоттинг является простым методом скрининга распространенности R-петли в клинических и исследовательских условиях.
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была поддержана Медицинским институтом Говарда Хьюза и внутренними исследованиями в Национальном институте неврологических расстройств и инсульта.
Мы благодарим доктора Стивена Леппла за предоставление партий антител к S9.6 для анализа. Мы также благодарим доктора Донгцзюнь Ли за его помощь в лечении рибонуклеазой.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Антитело против дцДНК | Abcam | ab27156 | |
| Гибридное антитело против РНК-ДНК (S9.6) | Kerafast | ENH001 | |
| Ультразвуковой аппарат Biorupter | Diagenode | UCD-200 | |
| EB Buffer | Qiagen | 19086 | |
| EDTA (0.5M) | Invitrogen | AM9261 | |
| Hybond N+ нейлоновая мембрана | GE healthcare Life Науки | RPN203B | |
| KCl (2M) | Invitrogen | AM9640G | |
| NP-40 (Igepal CA-630) | Sigma | I8896 | |
| PBS | Invitrogen | 10010-023 | |
| Фенол:хлороформ:изоамиловый спирт | Invitrogen | 15593031 | |
| ТРУБКИ (0,5M, pH 8,0) | VWR | AAJ61406-AE | |
| Proteinase K | Qiagen | 19131 | |
| РНКаза III | Invitrogen | AM2290 | |
| РНКаза H | New England Biolabs | M0297 | |
| РНКаза T1 | ThermoFisher Sci. | EN0541 | |
| SDS (10%) | Invitrogen | 15553027 | |
| ацетат натрия (3M, pH 5,2) | Invitrogen | AM9740 | |
| Tris-buffered (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 | |
| Ватман маркерная ручка | Sigma | WHA10499001 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission