Viral enfeksiyonlarda RNA modifikasyonlarının rolü yeni yeni araştırılmaya başlanmıştır ve yeni viral konak etkileşim mekanizmalarını vurgulayabilir. Bu çalışmada, viral enfeksiyonlar bağlamında m6A ve m5C RNA modifikasyonlarını araştırmak için bir boru hattı sağlıyoruz.
RNA modifikasyonlarının biyolojik süreçlerdeki rolü, son birkaç yılda artan sayıda çalışmanın odak noktası olmuştur ve günümüzde epitranscriptomics olarak bilinmektedir. Diğerleri arasında, N6-metildenozin (m6A) ve 5-metilsitozin (m5C) RNA modifikasyonları mRNA molekülleri üzerinde tanımlanmıştır ve hücresel süreçlerin modülasyonunda rol alabilir. Epitranscriptomics, viral enfeksiyonlar da dahil olmak üzere herhangi bir kimyasal veya biyolojik maddeye maruz kalarak da değiştirilebileceği veya modüle edilebildiği için transkriptomik analizlere ek olarak dikkate alınması gereken yeni bir düzenleme katmanıdır.
Burada, insan immün yetmezlik virüsü (HIV) ile enfekte olmuş veya enfekte olmayan hücrelerde, m6A ve m5C izlerinin eklem hücresel ve viral epitranscriptomik manzarasının aynı anda analizini sağlayan bir iş akışı sunuyoruz. HIV ile enfekte ve enfekte olmayan hücrelerden mRNA izolasyonu ve parçalanması üzerine, iki farklı prosedür kullandık: M6A işareti içeren RNA parçaları için zenginleştirmek için RNA immün önkoşullama tabanlı bir teknik olan MeRIP-Seq ve iki çekirdekli dönüşüm tabanlı bir teknik olan BS-Seq, m5C işaretini tek bir nükleotid çözünürlüğünde tanımlamak için. Metilasyona özgü yakalama üzerine, RNA kitaplıkları yüksek verimli sıralama için hazırlanır. Ayrıca, bazal ifade profillerinden bağımsız olarak farklı metillenmiş (DM) transkriptleri tanımlamak için özel bir biyoinformatik boru hattı geliştirdik.
Genel olarak, metodoloji aynı anda birden fazla epitranscriptomic işaretin araştırılmasına izin verir ve viral enfeksiyon veya başka bir hücre pertürbasyonu üzerine bir DM transkript atlası sağlar. Bu yaklaşım, viral replikasyonu teşvik eden veya kısıtlayan hücresel faktörler gibi yeni oyuncuları ve hücre tepkisinin yeni mekanizmalarını tanımlamak için yeni fırsatlar sunar.
RNA moleküllerinin değiştirilebildiği uzun zamandır bilinmektedir ve bugüne kadar 150’den fazla transkripsiyon sonrası modifikasyon tanımlanmıştır1. RNA moleküllerinin pirimidin ve pürin halkalarının hemen hemen her pozisyonuna başta metil grupları olmak üzere kimyasal grupların eklenmesinden oluşurlar2. Bu tür transkripsiyon sonrası değişikliklerin transfer RNA (tRNA) ve ribozomal RNA’da (rRNA) oldukça zenginleştirilmiş olduğu ve son zamanlarda mRNA molekülleri üzerinde de tanımlandığı gösterilmiştir.
Yeni Nesil Dizileme (NGS) gibi yeni teknolojilerin yükselişi ve kesin kimyasal modifikasyonları tanıyan spesifik antikorların üretilmesi, ilk kez transcriptome çapında belirli kimyasal modifikasyonların yerinin ve sıklığının araştırılmasına izin verildi. Bu gelişmeler, RNA modifikasyonlarının daha iyi anlaşılmasına ve mRNA molekülleri üzerinde çeşitli değişikliklerin haritalanmasına yol açmıştır3,4.
Epigenetik, transkriptomi regülasyonunda DNA ve histon modifikasyonlarının rolünü araştırırken, benzer bir şekilde epitranscriptomics RNA modifikasyonlarına ve rollerine odaklanmaktadır. Epitranscriptomic modifikasyonların araştırılması, çeşitli hücresel süreçleri (örneğin, RNA birleştirme, dışa aktarma, kararlılık ve çeviri) ayarlayabilecek yeni düzenleme mekanizmalarını vurgulamak için yeni fırsatlar sağlar 5. Bu nedenle, son çalışmaların hem hücresel hem de viral RNA’larda viral enfeksiyon üzerine birçok epitranscriptomik modifikasyonu ortaya çıkarması büyük bir sürpriz değildi. Şimdiye kadar araştırılan virüsler hem DNA hem de RNA virüslerini içerir; bunlar arasında HIV öncü bir örnek olarak kabul edilebilir. Tamamen, viral enfeksiyonlar bağlamında RNA metilasyonunun keşfi, viral ifade veya replikasyonun henüz atfedilmemiş mekanizmalarının araştırılmasına izin verebilir, böylece onları kontrol etmek için yeni araçlar ve hedefler sağlayabilir7.
HIV epitranscriptomics alanında, viral transkriptlerin modifikasyonları yaygın olarak araştırılmış ve bu değişikliğin varlığının viral replikasyon için yararlı olduğunu göstermiştir8,9,10,11,12,13. Bugüne kadar transkriptom düzeyinde epitranscriptomic izleri tespit etmek için çeşitli teknikler kullanılabilir. m6A tanımlama için en çok kullanılan teknikler MeRIP-Seq ve miCLIP gibi immün çökeltme tekniklerine dayanır. MeRIP-Seq metillenmiş kalıntılar içeren parçaları yakalamak için RNA parçalanmasına güvenirken, miCLIP RNA-antikor UV çapraz bağlama üzerine α-m6A antikor spesifik imza mutasyonlarının üretimine dayanır, böylece daha kesin bir haritalama sağlar.
m5C modifikasyonunun tespiti, m6A algılamasına (m5C RIP) benzer antikor bazlı teknolojilerle veya bisülfit dönüşümüyle veya AZA-IP veya miCLIP ile elde edilebilir. Hem Aza-IP hem de m5C miCLIP, RNA metilasyonundan geçerken RNA’yı hedeflemek için yem olarak belirli bir metiltransfenaz kullanır. Aza-IP’de, hedef hücreler 5-azacytidin’e maruz kalır ve bu da sitidin analog 5-azasitidin bölgelerinin nascent RNA’ya rastgele girmesiyle sonuçlanır. MiCLIP’te, NSun2 metiltransfez C271A mutasyonu14,15’i barındıracak şekilde genetik olarak değiştirilmiştir.
Bu çalışmada, HIV’i bir model olarak kullanarak, enfekte hücrelerde m6A ve m5C modifikasyonlarının ikili karakterizasyonuna odaklanıyoruz. Metodolojik optimizasyon üzerine, metillenmiş RNA immünödeksiyasyon (MeRIP) ve RNA bisülfit dönüşümünü (BS) birleştiren, m6A ve m5C epitranscriptomic izlerinin hem hücresel hem de viral bağlamlarda transkriptom çapında eşzamanlı olarak araştırılmasını sağlayan bir iş akışı geliştirdik. Bu iş akışı hücresel RNA özlerine ve viral parçacıklardan izole edilmiş RNA’ya uygulanabilir.
Metillenmiş RNA İmmün Önkseçasyon (MeRIP)16 yaklaşımı, m6A’nın transkriptome-wide düzeyinde araştırılmasına izin verir ve bugüne kadar bir dizi m6A spesifik antikor ticari olarak mevcuttur17. Bu yöntem, m6A içeren RNA parçalarının m6A’ya özgü bir antikor kullanılarak seçici olarak yakalanmasından oluşur. Bu tekniğin iki önemli dezavantajı(i) RNA parçalarının boyutuna oldukça bağlı olan ve böylece metillenmiş kalıntıyı içeren yaklaşık bir konum ve bölge sağlayan sınırlı çözünürlük ve (ii) analizi gerçekleştirmek için gereken büyük miktarda malzemedir. Aşağıdaki optimize edilmiş protokolde, parça boyutunu yaklaşık 150 nt’ye standartlaştırdık ve başlangıç malzemesi miktarını şu anda tavsiye edilen başlangıç malzemesi miktarı olan 10 μg poli-A seçilen RNA’dan sadece 1 μg poli-A seçilen RNA’ya düşürdük. Ayrıca fenol bazlı teknikler veya proteinaz K kullanarak daha geleneksel ve daha az spesifik elution yöntemleri yerine m6A peptitli bir rekabet yaklaşımı ile bir elution kullanarak spesifik antikorlara bağlı m6A RNA parçalarının geri kazanım verimliliğini en üst düzeye çıkardık. Bununla birlikte, bu RIP tabanlı tahlilin ana sınırlaması, kesin olarak değiştirilmiş A nükleotidinin tanımlanmasına izin vermeyen yetersiz çözünürlük olmaya devam etmektedir.
M5C işaretinin analizi şu anda iki farklı yaklaşım kullanılarak yapılabilir: m5C’ye özgü antikorlara sahip RIP tabanlı bir yöntem ve RNA bisülfit dönüşümü. RIP metillenmiş kalıntının tanımlanmasında sadece sınırlı çözünürlük sunduğundan, tek nükleotid çözünürlüğü sunabilen bisülfit dönüşümünü kullandık. Bisülfit (BS) RNA maruziyeti sitozin deaminasyonuna yol açar, böylece sitozin kalıntısını urasiye dönüştürür. Bu nedenle, RNA bisülfit dönüşüm reaksiyonu sırasında, metil olmayan her sitozin deaminasyona edilir ve urasil haline dönüştürülürken, sitozinin 5 pozisyonunda bir metil grubunun varlığı koruyucu bir etkiye sahiptir, BS kaynaklı deaminasyonu önler ve sitozin kalıntılarını korur. BS tabanlı yaklaşım, m5C modifiye nükleotitin tek baz çözünürlükte algılanmasına ve her transkriptin metilasyon sıklığının değerlendirilmesine olanak tanır ve m5C modifikasyon dinamikleri hakkında içgörü sağlar18. Bununla birlikte, bu tekniğin ana sınırlaması metillenmiş kalıntıların yanlış pozitif oranına dayanır. Gerçekten de, BS dönüşümü erişilebilir C kalıntılarına sahip tek iplikli RNA üzerinde etkilidir. Bununla birlikte, sıkı bir RNA ikincil yapısının varlığı N5C konumunu maskeleyebilir ve BS dönüşümünü engelleyebilir, bu da U kalıntılarına dönüştürülmeyen metillenmiş olmayan C kalıntılarına ve dolayısıyla yanlış pozitiflere neden olabilir. Bu sorunu atlatmak ve yanlış pozitif oranı en aza indirmek için 3 tur denatürasyon ve bisülfit dönüşüm döngüsü uyguladık19. Ayrıca, bisülfit dönüşüm verimliliğinin tahmin edilmesini sağlamak için numunelerde 2 kontrol sunduk: ERCC sıralama kontrollerinde (metillenmemiş standartlaştırılmış ve ticari olarak kullanılabilen diziler)20 ve bir yandan bisülfit dönüşüm oranını değerlendirmek için poli-A tükenmiş RNA’lar, ve RT-PCR tarafından bilinen ve iyi korunmuş bir metillenmiş site olan C4447’nin varlığını doğrulamak için, diğer yandan 28S ribozomal RNA üzerinde21.
Viroloji alanında, bu iki epitranscriptomik araştırma yönteminin yeni nesil dizileme ve doğru biyoinformatik analiz ile birlenmesi, m6A ve m5C dinamiklerinin derinlemesine incelenmesine izin verir (yani, viral enfeksiyon üzerine ortaya çıkabilecek ve klinik kullanım için terapötik olarak ilgili bir dizi yeni hedefi ortaya çıkarabilecek RNA modifikasyon zamansal değişiklikleri).
Viral enfeksiyonda RNA modifikasyonlarının rolü hala büyük ölçüde bilinmemektedir. Epitranscriptomic modifikasyonların viral enfeksiyon bağlamındaki rolünün daha iyi anlaşılması, yeni antiviral tedavi hedefleri arayışına katkıda bulunabilir.
Bu çalışmada, enfekte hücrelerin m6A ve m5C epitranscriptomelerinin araştırılmasına izin veren eksiksiz bir iş akışı sağlıyoruz. Biyolojik soruya bağlı olarak, başlangıç malzemesi olarak poli-A-seçilmiş RNA’yı kullanmanızı tavsiye ederiz. İsteğe bağlı olsa da, işlem hattı toplam RNA ile kullanılabileceğinden, rRNA’ların yanı sıra küçük RNA’ların da yüksek oranda değiştirildiğini ve önemli sayıda metillenmiş kalıntı içerdiğini akılda tutmak önemlidir. Bu, anlamlı sıralama verilerinin kalitesinin ve miktarının azalmasına neden olabilir.
Bununla birlikte, çalışmanın odak noktası poli-adenilasyonlu olmayan RNA ise, RNA ekstraksiyon adımı, küçük RNA’nın atılmasını önlemek (sütun bazlı RNA ekstraksiyonu durumunda) ve boru hattına girmek için poli-A seçimi yerine ribozom tükenmesi tekniklerini imtiyaz etmek için uyarlanmalıdır.
Kütüphane hazırlığı için yüksek kaliteli RNA, doğru parçalanma ve uygun m6A ile zenginleştirilmiş ve BS dönüştürülmüş RNA kalitesi sağlamak için bir parça analizörü veya biyoanalizör kullanmanızı şiddetle tavsiye ederiz. Ancak, bu ekipman her zaman mevcut değildir. Alternatif olarak, RNA, mRNA ve parçalanmış RNA’nın büyüklüğü de agarose jel üzerinde görselleştirme ile değerlendirilebilir. Alternatif olarak, kütüphane hazırlığı RNA miktarı önceden değerlendirilmeden gerçekleştirilebilir.
M6A epitranscriptomic manzarayı keşfetmek için antikor bazlı MeRIP-Seq16 tekniğini kullandık. Bu teknik RNA immün önksepitasyona dayanır ve başarılıdır; ancak, bazı adımların dikkatli bir optimizasyona ihtiyacı vardır ve kritik olabilir. M6A metilasyonunun esas olarak konsensüs dizisi RRA*CH içinde gerçekleştiği açıklansa da, bu motif mRNA molekülleri boyunca oldukça sık görülür ve metilasyon bölgesinin kesin olarak tanımlanmasına izin vermez. Bu nedenle, RIP tabanlı çözünürlüğü iyileştirmek için küçük RNA parçaları üreten tekrarlanabilir ve tutarlı bir RNA parçalanması elde etmek önemlidir. Bu protokolde, deneysel ortamımızda tekrarlanabilir ve tutarlı sonuçlar sağlayan optimize edilmiş bir prosedür öneriyoruz; ancak, bu parçalanma adımının belirli örnek özelliklere göre daha fazla iyileştirmeye ihtiyacı olabilir.
Son zamanlarda m6A doğrudan dizileme izin yeni bir teknik tanımlanmıştır. M6A RNA modifikasyonu24 ile karşılaşmaya yanıt olarak benzersiz RT imzaları sergileyen belirli ters transkriptaz varyantlarının kullanımına dayanmaktadır. Bu teknoloji, dikkatli optimizasyon üzerine, MeRIP-Seq ile karşı karşıya kalınmış büyük sınırlamayı aşabilir (ilk malzeme miktarını azaltır ve daha yüksek bir çözünürlüğe izin verir). M5C modifikasyonu keşfetmek için, modifiye C kalıntılarını nükleotid çözünürlüğünde tespit etmek için bisülfit dönüştürme tekniğini kullanmaya karar verdik. RNA ikincil yapıların varlığı nedeniyle yanlış pozitif oranı azaltmak için, ERCC çivili kontrollerin kullanımı sayesinde 3 döngü denatürasyon / bisülfit dönüştürme ve bisülfit dönüşüm oranı performansını daha fazla kontrol ettik. Bu tekniğe bağlı sınırlamalardan biri, bisülfit dönüşümünün çok sert olması ve üç denatürasyon / bisulfite dönüştürme döngüsünün bazı RNA’ları bozabileceği ve bu nedenle çözünürlüğü azaltabileceğidir. Ancak, bizim ayarımızda, veri kümesinin kalitesini artırmak için potansiyel olarak biraz daha düşük bir çözünürlükle yetinmeyi seçtik.
Bu optimizasyonlar ve kontroller sayesinde, epitranscriptomik manzarayı ve viral enfeksiyonlar, konak-patojen etkileşimleri veya belirli tedavilere maruz kalma bağlamındaki değişimini araştırmak için yararlanılabilen güvenilir ve sağlam bir iş akışı sağlayabildik.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (31003A_166412 ve 314730_188877 hibeleri) tarafından desteklendi.
AccuPrime Pfx SuperMix | Invitrogen | 12344-040 | |
anti-m6A antibody _Clone 17-3-4-1 | Millipore | MABE1006 | |
Chloroform | Merck | 67-66-3 | |
ERCC | Invitrogen | 4456740 | |
EZ RNA Methylation Kit | Zymo Research | EZR5001 | |
Fragment analyzer RNA Kit – HS RNA Kit | Agilent | DNF-472-0500 | |
Fragment analyzer RNA Kit – RNA Kit | Agilent | DNF-471-0500 | |
High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Applied Biosystem | 4368814 | |
Illumina TruSeq Stranded mRNA | Illumina | 20020594 | |
Magnetic Beads A/G Blend | Merck | 16-663 | |
N6-Methyladenosine, 5′-monophosphate sodium salt (m6A) | Sigma Aldrich | M2780-10MG | |
Normal Mouse IgG | Merk | 12371 | |
Oligo(dT)25 | Life Technologies | 61005, | |
PCRapace | Stratec | 1020220300 | |
Quick RNA Viral Kit | Zymo Research | 1034 | |
RNA Clean & Concentrator | Zymo Research | R1015 | |
RNA Fragmentation Reagent | Ambion | AM8740 | |
RNase Inhibitor | Ambion | AM2684 | |
Trizol | TRIzol Reagent | 15596026 |