En este artículo se describe un protocolo de alto rendimiento para una determinación rápida y confiable de los niveles de expresión génica en muestras de C. elegans simples o masivas. Este protocolo no requiere aislamiento de ARN y produce cDNA directamente a partir de muestras. Se puede utilizar junto con plataformas qPCR nanofluídicas nanofluídicas multiplexadas de alto rendimiento en tiempo real.
Este artículo presenta un ensayo de PCR cuantitativa de transcripción inversa de alto rendimiento (RT-qPCR) para Caenorhabditis elegans que es rápido, robusto y altamente sensible. Este protocolo obtiene mediciones precisas de la expresión génica de gusanos individuales o de muestras a granel. El protocolo presentado aquí proporciona una nueva adaptación de los métodos existentes para la preparación complementaria del ADN (CDNA) acoplado a una plataforma rt-qPCR nanofluídica. La primera parte de este protocolo, denominado ‘Worm-to-CT’, permite la producción de cDNA directamente a partir de nematodos sin necesidad de aislamiento previo de ARNm. Aumenta el rendimiento experimental al permitir la preparación de cDNA a partir de 96 gusanos en 3,5 h. La segunda parte del protocolo utiliza la tecnología nanofluídica existente para ejecutar RT-qPCR de alto rendimiento en el cDNA. Este trabajo evalúa dos chips nanofluídicos diferentes: el primero ejecuta 96 muestras y 96 objetivos, lo que resulta en 9.216 reacciones en aproximadamente 1,5 días de trabajo en el banco. El segundo tipo de chip consta de seis matrices de 12 x 12, lo que resulta en 864 reacciones. Aquí, el método de gusano a TC se demuestra cuantificando los niveles de ARNm de genes que codifican proteínas de choque térmico de gusanos individuales y de muestras a granel. Se proporciona una extensa lista de imprimaciones diseñadas para amplificar el ARN procesado para la mayoría de los genes de codificación dentro del genoma de C. elegans.
La optimización de la secuenciación de ARN unicelular y qPCR reveló que los pulsos o ráfagas transcripcionales pueden conducir a una variación masiva en el número de moléculas de ARN por célula1. Además, estas tecnologías descubrieron una heterogeneidad celular sustancial que antes no se perdía por las mediciones transcriptómicas a granel estándar. Dependiendo del contexto, cierta variabilidad transcripcional unicelular es causada por la composición celular mixta de los tejidos. Sin embargo, incluso en las poblaciones celulares isogénicas cultivadas bajo el mismo entorno hay heterogeneidad transcripcional generalizada2,3. Esta “variabilidad biológica” se identifica cada vez más como una propiedad omnipresente de las redes celulares, desde bacterias hasta el hombre. En algunos casos, puede tener consecuencias fenotípicas en el desarrollo, progresión del cáncer, latencia del VIH, y respuesta a la quimioterapia4,5.
El nematodo Caenorhabditis elegans es un organismo modelo único con características ideales para estudiar las causas y consecuencias de la variabilidad biológica entre individuos. Estos nematodos son un organismo modelo simple compuesto por 959 células, y su cutícula transparente las hace aptos para estudios de imágenes in vivo6. C. elegans es una especie hermafrodita que se reproduce predominantemente a través de la auto fertilización; esto dio lugar a cepas de laboratorio isogénicas. A pesar de la isogenicidad y las condiciones de cultivo controladas, muchos fenotipos y transcripciones son variables entre los individuos, lo que sugiere que las diferencias estocásticas o microambientales contribuyen a la heterogeneidad entre los individuos7,8. Tal variabilidad en la expresión génica tiene múltiples consecuencias de aptitud, incluyendo variabilidad en la penetrancia de mutaciones, supervivencia, tiempo de desarrollo, y fecundidad7,8,9. Debido a estas características, los estudios de un solo gusano proporcionan la oportunidad sin precedentes de estudiar la variabilidad biológica en todo un organismo.
Hay una necesidad fundamental en el campo para desarrollar y optimizar tecnologías para la detección precisa de transcripciones a un nivel de un solo gusano. Las nuevas tecnologías, como la secuenciación de ARN de un solo gusano10,la secuenciación de ARN de tejidos aislados11y la secuenciación de una sola célula12 ya están disponibles para C. elegans. Sin embargo, sigue existiendo un desafío principal: al monitorear la interindividualidad, los genes débilmente expresados a menudo caen por debajo de los niveles detectables13. Esto es particularmente relevante para las transcripciones raras aisladas de pequeñas cantidades de material de partida, ya que existe una relación inversa y bien establecida entre la expresión media y la varianza técnica, lo que a menudo hace que las transcripciones raras caigan por debajo de los recortes estadísticos13. La optimización de las tecnologías qPCR multiplexadas de alto rendimiento ha demostrado ser útil para estudios monocelulares de mamíferos, en particular cuando se estudia la expresión de transcripciones raras14,15. Esta tecnología también se puede utilizar para fines de benchmarking y validación de otras tecnologías de un solo gusano.
Worm-to-CT es un método rápido y robusto adaptado de un kit utilizado en estudios de biología celular, para la preparación de cDNA de un solo gusano. cDNA obtenido por este método junto con la tecnología qPCR nanofluídica multiplexada fue elegido porque proporciona un mayor rendimiento experimental, un rango dinámico más amplio de detección y ha sido validado para propósitos de una sola célula14,15. La preparación de cDNA descrita también es aplicable para su uso con tecnologías PCR estándar. El rendimiento se incrementa de dos maneras: En primer lugar, la preparación de cDNA es más rápida y fiable que la extracción tradicional de guanidium tiocyanato-fenol-cloroformo, porque los gusanos se agregan directamente al búfer de lisis, omitiendo el aislamiento directo del ARN fácilmente degradable. En segundo lugar, la utilización de tecnologías nanofluídicas aumenta significativamente el número de muestras y objetivos que se pueden ejecutar simultáneamente. En este papel, se comparan dos chips: un chip de una sola matriz y un chip multi-array. Un chip de una sola matriz puede ejecutar 96 gusanos individuales y 96 conjuntos de imprimación, lo que resulta en 9.216 reacciones por experimento. Para lograr un rendimiento similar utilizando tecnologías qPCR estándar requeriría 96 experimentos qPCR separados, utilizando 96 placas de pozo. El chip multi-array más pequeño y flexible consta de seis matrices de 12 x 12 que dan como resultado 864 reacciones. La fiabilidad y sensibilidad superiores del método se ven impulsadas por la tecnología nanofluídica y por la introducción de un paso de preamplificación. El método presentado en este artículo está destinado a ser utilizado junto con un algoritmo estadístico de última generación para extraer varianza biológica. Este artículo presenta el protocolo para la preparación rápida de cDNA y qPCR de alto rendimiento para muestras de gusanos de un solo gusano y por lotes; el algoritmo se publicará en otro lugar. Para este protocolo, la organización de cada chip debe prepararse antes del experimento. La Tabla 1 y la Tabla 2 muestran ejemplos de estos planes para un chip multi-matriz y de una sola matriz, respectivamente. También hay información general del protocolo Worm-to-CT detallada en la Figura 1 y la ejecución de los chips multi-matriz y de matriz única en la Figura 2.
En este artículo, se muestra que el protocolo worm-to-CT es un método rápido y eficiente para extraer ARN de gusanos individuales o un pequeño grupo de gusanos. El alto rendimiento ofrecido por el sistema nanofluídico lo hace ideal para la cuantificación de mediciones de variabilidad inter-individuales. Además, la alta sensibilidad de este método permite la detección de genes expresados a niveles bajos que caen por debajo de la detección cuando se utilizan tecnologías de ARN-seq de un solo gusano9.
Al considerar la elección del método para preparar cDNA a partir de gusanos individuales. Ly et al.29 optimizó un protocolo que se basa en la proteinasa K para la digestión de cutículas. La cutícula es un obstáculo importante para el aislamiento de moléculas de gusanos y proteinasa K proporciona un método eficaz para romperlo. Sin embargo, la proteína K tiene que estar inactivada por calor para poder utilizar enzimas para la transcripción inversa. Mientras que Ly et al. utilizaron una exposición de 10 minutos a 96 °C, este paso se evitó en este protocolo porque el ARN es fácilmente degradable. En lugar de usar la proteína K, se utilizaron ciclos repetidos de congelación y descongelación para romper la cutícula. El congelamiento-deshielo es un método eficaz para romper la cutícula porque más ARN se puede aislar por gusano. Ly et al. informan que el ARN total extraído por gusano es de 35 ng usando proteinasa K, mientras que este protocolo obtiene 51,75 ng ± 6,74 SEM de ARN total por gusano. La evitación de la exposición al calor junto con los pasos de preamplificación aparentemente amplía el rango dinámico de detección de Worm-to-CT en comparación con los protocolos estándar. Informe de valores absolutos de Ct de 21,1 ± 0,15 para hsp-16,2 y 22,8 ± 0,17 para hsp-70 después del choque térmico. Utilizando las mismas condiciones de choque térmico (1 h a 30 °C), este protocolo obtiene valores absolutos de Ct de 17,93 ± 0,57 para hsp-16,2 y 21,13 ±0,33 para hsp-70. Esto indica que el método de lisis congelación-deshielo proporciona mayores rendimientos de ARN y es más apropiado para transcripciones de baja expresada.
Los sistemas nanofluídicos son ideales cuando se investiga un conjunto determinado de transcripciones de objetivos y el uso de muestras más pequeñas (chip multi-matriz) o más grandes (chip de una sola matriz) que permiten la adaptación a la escala del experimento. Para obtener una imagen imparcial de todas las transcripciones expresadas en un solo gusano, la elección obvia es utilizar la secuenciación de ARN. Sin embargo, si el enfoque del experimento es un conjunto más pequeño pero todavía relativamente grande de genes objetivo, es más rentable utilizar este protocolo, siempre que el investigador tenga acceso a una máquina PCR de nanofluídica. El costo de los reactivos del sistema nanofluídico y un chip de una sola matriz se estima en aproximadamente £ 13 por gusano, mientras que los costos de los reactivos para la secuenciación de un solo gusano serían de aproximadamente £ 60 por gusano, sin incluir los costos de secuenciación.
Al considerar qué plataforma PCR utilizar, el método Worm-to-CT acoplado a qPCR nanofluídico ofrece ventajas con respecto al tiempo y el rendimiento. Es posible obtener 9.216 resultados rt-qPCR en aproximadamente 2 días de trabajo, mientras que la amplificación del mismo número de objetivos utilizando una plataforma qPCR estándar tomaría aproximadamente 5 semanas de trabajo utilizando 96 ensayos de placa de pozo, ejecutando cuatro placas al día. Sin embargo, si el número de objetivos a probar es menor, entonces es más rentable usar Worm-to-CT junto con una máquina qPCR estándar. Los chips de matriz única no se pueden volver a ejecutar, por lo que ejecutar pozos vacíos disminuye la rentabilidad.
Una limitación del método es la formación potencial de atenuadores de imprimación durante el paso multiplexante, pero esto ocurre en menos del 1% de los casos. Aunque el protocolo de gusano a TC es eficiente y proporciona resultados fiables cuando se aplica a gusanos individuales, hay una tasa de fallos de aproximadamente el 5%, que probablemente corresponde a casos en los que el gusano permanece atrapado en la tapa o en la parte superior del tubo durante el paso de recolección.
Juntos, este método versátil y confiable ofrece un mayor rendimiento y sensibilidad en comparación con técnicas más estándar. Este método puede ser muy útil para la validación de pantallas de alto rendimiento y es una excelente opción para monitorear o validar los niveles de expresión génica de un solo gusano. Este método se puede aplicar a otras técnicas desafiantes, como la cuantificación de la expresión génica de tejidos aislados. Por ejemplo, el aislamiento de tejidos completos, como el intestino, las gónadas o las células aisladas por los FACs, proporciona suficiente material para realizar experimentos de secuenciación de ARN. Sin embargo, cantidades limitadas de material a menudo conducen a lecturas duplicadas, lo que impide la cuantificación de transcripciones raras. En este escenario, el uso de tecnología basada en nanofluídica debe proporcionar una mayor sensibilidad a los experimentos y aumentar la rentabilidad si los investigadores necesitan monitorear sólo un subconjunto de todas las transcripciones en esos tejidos o células.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Sharlene Murdoch y a las instalaciones del Instituto Babraham por su apoyo. JLP fue apoyado por el Wellcome Trust (093970/Z/10/Z) y OC es apoyado por ERC 638426 y BBSRC [BBS/E/B000C0426].
100µM stock primers for genes of interest. | |||
20X DNA Binding Dye | Fluidigm | 100-7609 | for 96.96 chip (Single-Array Chip) |
2X Assay Loading Reagent | Fluidigm | 100-7611 | |
384 well plates | |||
8-strip PCR tubes | |||
96 well ice block | |||
96 well plates | |||
96.96 Dynamic Array IFC | Fluidigm | BMK-M-96.96 | Referenced throughout the manuscript as "Single-Array Chip" |
96-well sealing tape | |||
BioMark & EP1 Software | Fluidigm | 101-6793 | Contains: Biomark HD Data Collection software, Real-Time PCR Analysis software, SNP Genotyping Analysis software, Digital PCR Analysis software, Melt Curve Analysis software |
BioMark or BioMark HD system | Fluidigm | 100-2451 K1 | Referenced throughout the manuscript as "nanofluidics thermocycler" |
Control Line Fluid Kit for 96.96 and FlexSix IFCs | Fluidigm | 89000021 | Referenced throughout manuscript as "control line fluid" |
DNA Suspension buffer | TEKnova | T0021 | |
domed PCR caps | |||
Exonuclease I | New England BioLabs | M0293L | |
Exonuclease I reaction buffer | New England BioLabs | B0293S | |
FLEXsix DELTAgene Sample Reagent | Fluidigm | 100-7673 | referenced throughout manuscript as "sample reagent" |
FLEXsix Gene Expression IFC | Fluidigm | 100-6308 | referenced throughout manuscript as "Multi-Array Chip" |
Fluidigm Real-Time PCR Analysis User Guide | Fluidigm | 68000088 | This is the protocol used as a basis for section 2 of the protocol, referenced within the manuscript. |
IFC Controller MX | Fluidigm | 68000112 I1 | Referenced throughout the manuscript as "nanofluidics PCR priming machine" |
IFC Controllers SOFTWEAR | Fluidigm | 100-2297 | Contains all softwear and scripts required for running the IFC controller MX |
liquid nitrogen in dewar | |||
Microcentrifuge | StarLab | C1301B-230V | Used to spin down PCR tube strips in the protocol. |
Nuclease Free Water | |||
plate spinner | Labnet | K4050725 | mini plate spinner, mps 1000. referenced through the protocol as "tabletop plate spinner" |
Power SYBR Green Cells-to-Ct kit | invitrogen | 4402955 | This kit is that which is adapted for use in nematodes in the Worm-to-CT protocol. Contense: Store Stop Solution, DNase I and 20X RT Enzyme Mix at -20°C. Store Lysis Solution, 2X SYBR RT Buffer (referenced throughout the manuscript as RT buffer), and Power SYBR®Green PCR Master Mix (refferenced througout the manuscript as PCR Master Mix). This Kit is for 400 reactions, kits also available for 40 and 100 reactions. |
PreAmp Master Mix | Fluidigm | 100-5580, 100-5581 | |
Reverse Transcription Master Mix—480 reactions | Fluidigm | 100-6299 | One tube also available for 96 reactions (PN100-6298) |
Rnase Free water | |||
SsoFast EvaGreen Supermix with Low ROX | Bio-Rad Laboratories | 172-5211 | referenced throughout the manuscript as "fluorescent probe supermix" |
Standard 96 and 384-well Thermal Cycler | |||
TE Buffer (10mM Tris, pH8.0, 1.0mM EDTA | TEKnova | T0224 | Referenced throughout the manuscript as Tris-EDTA buffer |
ThermoMixer C | Eppendorf | 5382000031 | Referenced throughout the text as "thermal mixer" |
Trizol | Thermo-Fisher | 15596026 | Referenced through the protocol as "guanidium thiocyanate-phenol-chloroform" |
Warm water bath |