La réticulation cinétique et l’analyse de l’ADNc est une méthode qui permet d’étudier la dynamique des interactions protéine-ARN dans les cellules vivantes à haute résolution temporelle. Ici, le protocole est décrit en détail, y compris la croissance des cellules de levure, la réticulation UV, la récolte, la purification des protéines et les étapes de préparation de la bibliothèque de séquençage de nouvelle génération.
L’interaction entre les protéines de liaison à l’ARN (RBP) et leurs substrats d’ARN présente fluidité et complexité. Au cours de sa durée de vie, un seul ARN peut être lié par de nombreux RBP différents qui réguleront sa production, sa stabilité, son activité et sa dégradation. En tant que tel, beaucoup a été fait pour comprendre la dynamique qui existe entre ces deux types de molécules. Une percée particulièrement importante a été réalisée avec l’émergencede l’encrage et de larécipitation (CLIP). Cette technique a permis d’étudier rigoureusement quels ARN sont liés par une RBP particulière. En bref, la protéine d’intérêt est réticulée par UV à ses substrats d’ARN in vivo, purifiée dans des conditions très strictes, puis les ARN réticulés par covalence à la protéine sont convertis en banques d’ADNc et séquencés. Depuis sa conception, de nombreuses techniques dérivées ont été développées afin de rendre CLIP adapté à des domaines d’étude particuliers. Cependant, la réticulation à l’aide de la lumière ultraviolette est notoirement inefficace. Il en résulte des temps d’exposition prolongés qui rendent impossible l’étude temporelle des interactions RBP-ARN. Pour surmonter ce problème, nous avons récemment conçu et construit des dispositifs d’irradiation UV et de collecte de cellules bien améliorés. À l’aide de ces nouveaux outils, nous avons développé un protocole d’analyses à résolution temporelle des interactions RBP-ARN dans les cellules vivantes à haute résolution temporelle : Kinetic CRoss-linking et Analysis of cDNA (χCRAC). Nous avons récemment utilisé cette technique pour étudier le rôle des RBP de levure dans l’adaptation au stress nutritif. Ce manuscrit donne un aperçu détaillé de la méthode χCRAC et présente les résultats récents obtenus avec le RBP Nrd1.
Les ARN s’appuient souvent sur les RBP pour exercer leur fonction, ce qui a suscité un grand intérêt pour la compréhension de la dynamique entre ces molécules. De nombreuses pratiques de récupération des bénéfices durables ont été identifiées dans une grande variété d’organismes. Cependant, il a toujours été notoirement difficile d’étudier les interactions RBP-ARN in vivo. Une percée majeure dans l’étude de ces interactions est venue avec l’émergence de CLIP1. Cette méthode utilise l’irradiation ultraviolette (UV, 254 nm) pour induire des liaisons covalentes entre les RBP et leurs ARN directement liés (c.-à-d. réticulation à distance nulle). Par la suite, la RBP d’intérêt est immunopurifiée dans des conditions rigoureuses pour s’assurer que seuls les ARN réticulés de manière covalente aux protéines sont identifiés. Les ARN liés sont ensuite partiellement digérés avec des RNases et ensuite convertis en banques d’ADNc pour le séquençage. La rigueur élevée de la purification est importante car elle augmente considérablement la spécificité de la récupération des protéines et de l’ARN, qui est également renforcée par la purification SDS-PAGE du complexe ribonucléoprotéine réticulée (RNP). CLIP et les méthodes connexes fournissent également un aperçu de la résolution nucléotidique dans le site de liaison à la protéine, car lors de la préparation de la bibliothèque de séquençage, les acides aminés qui ont réticulé l’ARN terminent fréquemment la transcriptase inverse ou provoquent l’introduction de mutations par l’enzyme sur ce site 1,2,3.
Depuis son introduction, le protocole CLIP original a produit une variété remarquable de méthodologies dérivées. Une percée particulièrement importante est venue avec le développement de HITS-CLIP (ou CLIP-seq), qui fusionne le séquençage à haut débit avec l’approche CLIP3. Cela a depuis été adopté par toutes les méthodologies basées sur CLIP. iCLIP a introduit des améliorations dans les techniques de rognage et de ligature de l’adaptateur médiées par RNase qui facilitent une cartographie plus précise des sites de liaison RBP4. PAR-CLIP a combiné le marquage 4thio-uridine/uracile avec la réticulation à 365 nm, ce qui a permis de cartographier les sites de réticulation en analysant les substitutions T-C5. CRAC, urea-iCLIP, dCLIP et uvCLAP ont introduit des conditions de dénaturation et des étapes de purification à double affinité qui réduisent davantage la liaison de fond à la résine d’affinité et augmentent encore la spécificité de la capture des protéines 2,6,7,8,9. De plus, CRAC, uvCLAP et dCLIP ont introduit le marquage de la RBP d’intérêt avec une étiquette d’affinité, éliminant ainsi la nécessité de générer des anticorps spécifiques.
Plusieurs optimisations ont également été apportées pour accélérer la méthodologie CLIP. Le protocole CLIP original utilisait le radiomarquage des ARN capturés afin de visualiser les complexes RBP-ARN après SDS-PAGE. Cependant, l’utilisation de la radioactivité peut être problématique pour les laboratoires qui ne sont pas mis en place pour de tels travaux. irCLIP intègre un adaptateur couplé aux fluorophores qui facilite la visualisation par imagerie infrarouge10 et sCLIP utilise la biotinylation des ARN capturés afin de les visualiser à travers HRP11 conjugué à la streptavidine. De plus, eCLIP renonce complètement au marquage de l’ARN; Au lieu de cela, la protéine est excisée uniquement en fonction de sa taille connue12. La purification à base de streptavidine a également été utilisée pour accélérer le processus de préparation de la bibliothèque dans FAST-iCLIP, où un adaptateur 3′ biotinylé est ligaturé sur les ARN et utilisé pour permettre la purification après transcription inverse et circularisation13. Des améliorations supplémentaires apportées au protocole iCLIP ont également considérablement accru la complexité des bibliothèques4.
Enfin, CLIP a été modifié pour permettre la capture de RBP à partir de différents sous-compartiments cellulaires 14,15, pour visualiser les ARN nouvellement transcrits en utilisant l’induction pulsée de ribonucléosides photoactivables 5,16,17, pour capturer les ARN méthylés18,19,20, pour examiner les interactions ARN-ARN 21,22, et pour cartographier les extrémités 3′ 23,24.
Malgré les grandes contributions des techniques basées sur CLIP pour nous aider à comprendre les interactions entre les RBP et les ARN, elles ont été limitées par l’inefficacité de la réticulation UV. Bien que les cellules de culture cultivées dans une monocouche soient généralement relativement faciles à réticuler, cela est beaucoup plus difficile dans les tissus ou les cellules en solution. Les tissus peuvent nécessiter plusieurs cycles d’exposition aux UV pour pénétrer dans les couches cellulaires requises, tandis que les cellules microbiennes sont souvent cultivées dans des milieux riches contenant des composés aromatiques absorbant les UV25. En effet, des temps d’irradiation UV allant jusqu’à 30 min ont été utilisés pour générer une réticulation suffisante entre les RBP et leurs ARN liés pour de tels échantillons26,27,28. Cette exposition prolongée aux UV induit des réponses au stress dans la cellule, telles que des dommages à l’ADN induits par les UV, qui peuvent contaminer les données finales dans certaines applications.
La majorité des études CLIP se sont concentrées sur la génération d’« instantanés » uniques d’interactions protéine-ARN spécifiques dans une cellule. Cependant, les interactions protéine-ARN sont intrinsèquement dynamiques, en particulier lorsque les cellules sont sujettes à des changements dans leur environnement. Cela peut inclure une réduction soudaine de la disponibilité des nutriments essentiels ou des changements rapides de température. Ainsi, pour vraiment comprendre le rôle d’une RBP en période de stress, il est préférable d’effectuer des analyses résolues dans le temps, car elles peuvent saisir tout le spectre des cibles RBP pendant le stress et déterminer à quel stade de la réponse au stress la RBP choisie est active. En particulier, des études sur la levure ont montré que les premières minutes d’adaptation sont absolument cruciales pour la survie et que les demi-vies de l’ARN chez les bactéries peuvent varier de quelques minutes à quelques secondes 29,30,31,32,33. Par conséquent, de telles analyses résolues dans le temps devraient idéalement être effectuées à une résolution temporelle élevée. Cependant, les longs temps de réticulation rendent l’étude des réponses adaptatives à un stade précoce particulièrement difficile.
Afin de surmonter ces problèmes, nous avons récemment développé une méthode améliorée capable de réticuler et de récolter des cellules sur des échelles de temps d’une minute. Notre méthode χCRAC permet une mesure quantitative des changements dynamiques dans les interactions RBP-ARN à une résolution inédite. Le développement d’un nouveau dispositif d’irradiation UV32 qui réduit le temps de réticulation requis dans les levures et les bactéries en solution environ 10 fois, congelant efficacement les interactions RBP-ARN instantanément, a joué un rôle crucial dans cette méthode. De plus, afin de récolter rapidement les cellules après irradiation UV, nous avons développé un dispositif de filtration sous vide capable de récolter des levures à croissance exponentielle dans une culture de 0,5 L en environ 30 s32. Ces innovations technologiques permettent l’étude de la dynamique RBP-ARN à une résolution à l’échelle infime. De plus, nous avons également introduit plusieurs optimisations au protocole originalCRAC 2 afin d’augmenter sa praticité.
En utilisant χCRAC, nous avons récemment étudié le cibleome d’une RBP nucléaire de levure, Nab3, en réponse à la privation de glucose. Chez Saccharomyces cerevisiae, Nab3 peut former un complexe avec Nrd1, un RBP et l’hélicase à ARN Sen1 pour former le complexe NNS. La liaison de NNS à l’ARN polymérase et au transcrit naissant peut déclencher la terminaison transcriptionnelle34. Ce complexe est principalement impliqué dans l’élimination des transcrits d’ARN cryptiques non codants, mais il a également été démontré qu’il régule l’expression des gènes codant pour les protéines. L’étude a montré un ciblage différentiel de Nab3 par rapport aux transcriptions non codantes et codantes après seulement une minute de stress32. Nous avons démontré que la terminaison co-transcriptionnelle par Nab3 entraîne une expression très transitoire, semblable à une impulsion, des gènes rétrotransposons, ce qui aurait été difficile à détecter en utilisant des approches traditionnelles basées sur CLIP. De plus, les temps d’irradiation UV courts dans notre réticulation UV ont également augmenté de manière significative la récupération des ARN non codants à vie courte32. χCRAC sera probablement un outil crucial pour élucider non seulement comment les pratiques commerciales restrictives façonnent la réponse au stress sur des échelles de temps immédiates, mais aussi leurs rôles changeants tout au long du cycle de vie d’une intervention. Ce manuscrit donne un aperçu détaillé de toutes les étapes du protocole χCRAC. À des fins d’illustration, la méthode a été utilisée pour étudier la protéine de levure Nrd1, qui est impliquée dans la terminaison transcriptionnelle et la désintégration de l’ARN35,36, et son cibleome ARN en réponse à la privation de glucose sur une multitude de points temporels. Enfin, nous démontrons également que notre unité d’irradiation UV peut rapidement réticuler les RBP à l’ARN dans les cellules HeLa, ce qui permet également d’effectuer des analyses à haute résolution résolues dans le temps dans les cellules adhérentes.
La méthode χCRAC, combinée aux nouveaux dispositifs de réticulation et de prélèvement cellulaire, présente un grand potentiel car elle est applicable à un large éventail d’organismes modèles et devrait donc présenter un intérêt général pour le domaine de l’ARN. Il existe de nombreux domaines dans lesquels χCRAC peut être utilisé. Par exemple, la méthode pourrait être utilisée pour mesurer l’assemblage hiérarchique des protéines en grands complexes macromoléculaires, tels que le splicéosome et le ribosome, ce qui implique souvent des interactions dynamiques entre les protéines et les molécules d’ARN. Nous l’utilisons aussi couramment pour surveiller les interactions entre les facteurs de désintégration de l’ARN et leurs substrats lorsque les cellules sont soumises à divers types de stress. Cela nous permet de déterminer à quel stade de la réponse adaptative ces facteurs sont les plus actifs, à quels substrats ils se lient et à quel point ces interactions sont dynamiques. Ces données devraient permettre aux chercheurs de déterminer la contribution relative de chaque facteur à l’adaptation aux changements environnementaux.
χCRAC utilise des marqueurs de purification à double affinité (HTF ou HTP) pour purifier la protéine dans des conditions très strictes et dénaturantes. Cela garantit que l’ARN copurifié est hautement enrichi pour les ARN qui ont été réticulés de manière covalente à la protéine d’intérêt. Cependant, s’appuyer sur des balises d’affinité présente des inconvénients. Par exemple, l’étiquette pourrait interférer avec la fonction de la protéine, ce qui pourrait donner une lecture déformée de son interactome de liaison à l’ARN. De plus, pour certains organismes modèles, il n’est pas toujours possible d’utiliser des marqueurs parce que les outils génétiques pour intégrer des fragments d’ADN dans le génome ou pour transformer des plasmides d’expression ne sont pas encore disponibles. Cependant, il est facile de modifier certaines parties du protocole χCRAC pour le rendre compatible avec les protocoles basés sur CLIP qui reposent sur des anticorps pour la purification du RBP. En effet, cette étude a montré qu’il est possible de combiner des purifications à base d’iCLIP avec notre réticulation. Nous sommes actuellement en train de développer des protocoles CLIP pour étudier l’association temporelle des protéines de liaison à l’ARN humain avec les transcrits d’ARN naissants.
Lors de l’exécution de χCRAC sur une nouvelle protéine, l’exposition aux UV doit être optimisée afin d’induire une réticulation maximale. Ceci est important car des expositions élevées aux UV peuvent réduire la récupération de l’ARN pendant l’étape de purification. Les cellules exprimant la RBP recombinante ont été exposées à diverses doses d’UV, 100 mJ/cm2, 250 mJ/cm2, 500 mJ/cm2 et 1 J/cm2. Les RNP ont ensuite été capturés et les ARN ont été fragmentés et radiomarqués. Ensuite, les RNP ont été résolus par SDS-PAGE et un autoradiogramme a été pris afin de déduire quelle exposition donnait le signal le plus intense (c’est-à-dire la réticulation maximale).
Une fois les conditions expérimentales optimisées, plusieurs expériences de contrôle sont recommandées lors de l’exécution de χCRAC. Tout d’abord, un échantillon non marqué irradié par UV peut être utilisé pour surveiller la liaison de fond aux billes de purification. Deuxièmement, lors de l’application de χCRAC au cours d’une expérience de décalage, une deuxième série chronologique où les cellules sont replacées dans le milieu d’origine permet de déterminer si la filtration des cellules elle-même induit des changements dans les niveaux d’ARN ou les interactions protéine-ARN.
Comme mentionné dans l’introduction, de nombreux articles récemment publiés suggèrent un certain nombre d’optimisations du protocole CLIP. Cela comprend l’utilisation d’adaptateurs marqués par fluorescence pour détecter le complexe protéine-ARN par balayage infrarouge10 ainsi que l’optimisation de diverses étapes de purification des acides nucléiques et de sélection de la taille qui augmentent la complexité des bibliothèques résultantes 12,45. Nous mettons actuellement en œuvre certaines de ces améliorations afin d’affiner le protocole χCRAC. Le protocole présenté ici contient déjà un certain nombre d’améliorations par rapport aux protocoles originaux CRAC et χCRAC qui augmentent la complexité des données. Par exemple, auparavant, après avoir résolu les complexes protéine-ARN radioactifs réticulés sur des gels SDS-PAGE, ils étaient transférés dans une membrane de nitrocellulose et l’ARN réticulé était isolé du transfert. Cependant, le transfert du RNP et l’extraction ultérieure de l’ARN peuvent être très inefficaces, en particulier lorsqu’il s’agit de grands RBP tels que les sous-unités d’ARN polymérase. Cela peut entraîner une réduction significative de la récupération de l’ARN réticulé. Dans le protocole actuel, l’ARN réticulé est extrait directement des tranches de gel SDS-PAGE comme illustré à la figure 1. Cela a augmenté la récupération des ARN réticulés. De plus, après amplification par PCR des ADNc, le produit a été initialement résolu sur des gels d’agarose à 3% à basse température de fusion, puis des produits PCR de 175 à 300 pb ont été extraits du gel. Cependant, ces gels peuvent être facilement surchargés, ce qui entraîne une très mauvaise séparation de l’ADN. Le remplacement des gels d’agarose par des gels TBE préfabriqués a permis une séparation plus uniforme de la taille et une meilleure récupération des produits de PCR.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par des subventions du Wellcome Trust (091549 à S.G et 109093/Z/15/A à S.M.), de la subvention de base (092076) du Wellcome Trust Centre for Cell Biology et de la bourse de recherche senior non clinique du Conseil de recherches médicales (MR/R008205/1 à S.G.), de l’Organisation européenne de biologie moléculaire dans le cadre d’une bourse postdoctorale de longue durée (ALTF 1070-2017 à R.A.C), et le Fonds indépendant de recherche du Danemark (T.H.J).
1,4-dithioreitol | Merck | 10708984001 | Buffer component in mammalian cell lysis |
1.5 mL tubes | Eppendorf | 0030 120.086 | General reaction tube |
2 mL tubes | Eppendorf | 0030 123.344 | For holding columns and collection of waste |
32P-yATP | Perkin Elmer | NEG502Z-250 | For radiolabelling the 5' end of the RNA |
4-12% Bis-Tris gel | Invitrogen | NP0321BOX | SDS-PAGE gel |
4X loading buffer | Novex | NP0008 | Protein loading dye concentrate |
50 bp ladder | New England Biolabs | N3236 | Reference ladder for excising region of interest from the amplified cDNA library |
50% PEG | NEB | B100045 | For the L5 linker ligation |
6% TBE gel | Invitrogen | EC6265BOX | For separation and purification of the cDNA library |
Acetone | ACROS Organics | 423245000 | Washing of TCA-precipitated proteins |
anti-FLAG beads | Sigma Aldrich | M8823-1ML | For purifcation of FLAG-tagged RBPs |
ATP (100 mM) | Thermo Fisher Scientific | R0441 | For ligation of the L5 linker onto the 5' end of captured RNAs |
Beta-mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M3148-100ML | Buffer component |
Biomax MS intensifying screen | Sigma Aldrich | Z363162-1EA | For intensifying the autoradiogram signal |
Chloroform | Thermo Fisher Scientific | 1010219 | For phenol-chloroform extraction following RNA purification |
cOmplete EDTA-free protease inhibitor cocktail | Roche | 11873580001 | For inhibition of cellular proteases after lysis |
Complete supplement mixture -TRP | Formedium | DCS0149 | For preparation of synthetic defined medium |
Costar Spin-X 0.22 µm filters | Sigma Aldrich | CLS8160 | For isolating the excised cDNAs following gel extraction |
DNase RQ1 | Promega | M6101 | For DNA digest following cell lysis |
dNTPs (10 mM) | Sigma Aldrich | 4638956001 | For reverse transcription and PCR |
Ethanol | Thermo Fisher Scientific | 10041814 | For phenol-chloroform extraction following RNA purification and DNA precipitation |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Invitrogen | AM9261 | For protease K buffer |
Exonuclease I | New England Biolabs | M0293 | For degradation of primers following PCR |
Glass microfiber filters | Whatman | 1823-010 | For isolating the excised cDNAs following gel extraction |
Glucose | Formedium | GLU03 | For preparation of glucose-containing, synthetic defined medium |
Glycogen (20 mg/mL) | Roche | 10901393001 | Precipitation of proteins, RNA and DNA |
GST-TEV | Homemade | Construct and purification protocol is available upon request | |
Guanidium hydrochloroide | Thermo Fisher Scientific | 10071503 | Required for pulldown denaturing conditions and washing buffer |
IgG beads | GE Healthcare | 17-0969-01 | For purification of protein A-tagged RBPs |
Imidazole | Sigma Aldrich | I2399-100G | For elution of captured proteins from Nickel beads |
Isoamyl alcohol | Thermo Fisher Scientific | A393-500 | For phenol-chloroform extraction following RNA purification |
Luna Universal One-Step RT-qPCR | NEB | E3005S | For qPCR of the cDNA in order to calculate required number of PCR cycles |
Magnesium chloride | Fluka Analytical | 63020-1L | For PNK buffer |
Membrane filters | Millipore | AAWP09000 for yeast or HAWP09000 for bacteria | For vacuum filtration of cells |
Micro bio-spin columns | Biorad | 732-6204 | For collecting eluate after gel extraction |
Ni-NTA beads | Qiagen | 30210 | For secondary protein capture |
NP-40 | Sigma Aldrich | I8896-100ML | Buffer component |
Pfu polymerase | Promega | M7741 | For amplification of the cDNA library |
Phenol | Sigma Aldrich | P4682-400ML | For phenol-chloroform extraction following RNA purification |
Pierce spin columns | Thermo Fisher Scientific | 69725 | For on-column enzymatic reactions |
Protease K | Roche | 3115887001 | For degradation of the RBP following gel extraction |
Quartz Petri dish | UVO3 | N/A | For cross-linking of adherent cells. Available from https://www.vari-x-link.com for 400 GBP |
Radiography films | Amersham | 28906843 | For autoradiography visualisation |
RNAClean XP beads | Beckmann | A63987 | SPRI beads for clean up of RNAs and cDNAs |
RNase H | New England Biolabs | M0297 | For degradation of RNAs following reverse transcription |
RNase-It | Agilent | 400720 | For RNA digestion |
rRNasin | Promega | N2511 | For inhibition of any contaminating RNases during enzymatic reaction |
Sodium acetate | Sigma Aldrich | S2889-1KG | For phenol-chloroform extraction following RNA purification and DNA precipitation |
Sodium chloride | Thermo Fisher Scientific | 7647-14-5 | Buffer component |
Sodium deoxycholate | Sigma Aldrich | D6750-100G | Buffer component in mammalian cell lysis |
Sodium dodecylsulfate | Sigma Aldrich | L3771-1KG | For protease K buffer |
SUPERase-In | Invitrogen | AM2694 | For inhibition of cellular RNases after lysis |
SuperScript IV | Thermo Fisher Scientific | 18090010 | For reverse transcription |
T4 PNK | New England Biolabs | M0201 | For radiolabelling the 5' end of the RNA |
T4 RNA ligase 1 | New England Biolabs | M0204 | For ligation of the L5 adaptor onto the RNA 5' end |
T4 RNase ligase 2, truncated K222Q | NEB | M0351S | For ligation of the App_PE linker onto the 3' end of captured RNAs |
TBE buffer (10X) | Invitrogen | 15581-028 | For running TBE gels |
TEV protease | Homemade | For eluting captured proteins following FLAG capture | |
Thermosensitive alkaline phosphatase | Promega | M9910 | For 5' and 3' dephosphorylation of RNAs |
Trichloroacetic acid (100%) | Sigma Aldrich | T0699-100ML | For precipitation of RBP-RNA complexes |
Tris hydrochloride | Invitrogen | 15504-020 | Buffer component |
Triton X-100 | Sigma Aldrich | T8787-100ML | Buffer component in mammalian cell lysis |
Vari Filter | UVO3 | N/A | Device for vacuum harvesting cells. Available from https://www.vari-x-link.com for 100 GBP |
Vari-X-Linker | UVO3 | N/A | Cross-linker for cross-linking cells. Available from https://www.vari-x-link.com for 16,000 GBP |
Yeast nitrogen base | Formedium | CYN0410 | For preparation of synthetic defined medium |
Zirconia beads | Thistle | 11079105Z for yeast or 11079101Z for bacteria | For cell lysis via bead beating |