Ici, nous présentons une méthode in vitro optimisée pour découvrir, quantifier et valider les interacteurs protéiques de séquences d’ARN spécifiques, en utilisant l’extrait protéique total de cellules humaines, des billes de streptavidine recouvertes d’ARN biotinylé et une analyse par spectrométrie de masse.
Les interactions protéine-ARN régulent l’expression des gènes et les fonctions cellulaires aux niveaux transcriptionnel et post-transcriptionnel. Pour cette raison, l’identification des partenaires de liaison d’un ARN d’intérêt reste d’une grande importance pour dévoiler les mécanismes derrière de nombreux processus cellulaires. Cependant, les molécules d’ARN peuvent interagir de manière transitoire et dynamique avec certaines protéines de liaison à l’ARN (RBP), en particulier avec les protéines non canoniques. Il est donc absolument nécessaire d’améliorer les méthodes permettant d’isoler et d’identifier ces pratiques commerciales restrictives.
Pour identifier efficacement et quantitativement les partenaires protéiques d’une séquence d’ARN connue, nous avons développé une méthode basée sur l’extraction et la caractérisation de toutes les protéines en interaction, à partir de l’extrait de protéine totale cellulaire. Nous avons optimisé l’extraction des protéines en utilisant de l’ARN biotinylé préchargé sur des billes enrobées de streptavidine. Comme preuve de concept, nous avons utilisé une courte séquence d’ARN connue pour lier la protéine TDP-43 associée à la neurodégénérescence et un contrôle négatif d’une composition nucléotidique différente mais de la même longueur. Après avoir bloqué les billes avec de l’ARNt de levure, nous avons chargé les séquences d’ARN biotinylées sur les billes de streptavidine et les avons incubées avec l’extrait protéique total des cellules HEK 293T. Après incubation et plusieurs étapes de lavage pour éliminer les liants non spécifiques, nous avons élué les protéines en interaction avec une solution à haute teneur en sel, compatible avec les réactifs de quantification des protéines les plus couramment utilisés et avec la préparation des échantillons pour la spectrométrie de masse. Nous avons quantifié l’enrichissement de TDP-43 dans le pull-down effectué avec le liant à ARN connu par rapport au contrôle négatif par spectrométrie de masse. Nous avons utilisé la même technique pour vérifier les interactions sélectives d’autres protéines prédites par calcul comme étant des liants uniques de notre ARN d’intérêt ou du contrôle. Enfin, nous avons validé le protocole par transfert Western via la détection de TDP-43 avec un anticorps approprié.
Ce protocole permettra l’étude des partenaires protéiques d’un ARN d’intérêt dans des conditions quasi physiologiques, aidant à découvrir des interactions protéine-ARN uniques et imprévues.
Les protéines de liaison à l’ARN (RBP) sont devenues des acteurs cruciaux dans la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle des gènes, car elles sont impliquées dans des processus tels que l’épissage de l’ARNm, la localisation cellulaire de l’ARN, la traduction, la modification et la dégradation 1,2,3. De telles interactions entre les deux macromolécules sont hautement coordonnées, précisément équilibrées et essentielles à la formation de centres fonctionnels et de traitement. Les variations ou les dérégulations au sein de ces centres ont le potentiel de perturber les réseaux protéine-ARN finement régulés et sont de plus en plus associés à une variété de maladies humaines, y compris le cancer 4,5 et les troubles neurodégénératifs 6,7,8. Les interactions entre les molécules d’ARN et leurs partenaires de liaison aux protéines peuvent être soit stables et faciles à valider expérimentalement, soit très dynamiques, transitoires et plus difficiles à caractériser.
Ces dernières années, des efforts intensifs ont été entrepris pour comprendre ces interactions. Parmi les méthodes les plus établies, les tests de pull-down () de protéines sont probablement les approches les plus appréciées et les plus couramment utilisées pour démêler les principaux acteurs constituant les complexes ribonucléoprotéines (RNP) et autres réseaux d’interaction protéine-ARN 3,9,10. Les MP comprennent un large éventail de techniques informatives, telles que l’immunoprécipitation de l’ARN (RIP)11,12 ou de la protéine (CLIP)13,14 d’intérêt. Certains de ces protocoles ARN-utilisent un ARN connu comme appât pour les protéines15, le plus souvent en tirant parti des marqueurs de haute affinité tels que la biotine. Dans ce cas, les partenaires d’interaction d’un ARN biotinylé peuvent être détectés en ancrant l’ARN sur des billes enrobées de streptavidine, permettant une isolation efficace des RNP. Les principales limites de ces approches sont généralement la conception des sondes biotinylées et le test de leur capacité à lier les protéines cibles. À cette fin, il pourrait être utile de s’appuyer sur les données CLIP publiées de la protéine d’intérêt, si elles sont disponibles, car elles révèlent, avec une grande précision, les courtes régions d’ARN qui correspondent aux pics d’interactions avec la protéine cible13,16. Ces mêmes régions pourraient être utilisées pour développer des sondes pour les DP. Une autre méthode pour concevoir de tels appâts à ARN pourrait être l’évolution systématique des ligands par enrichissement exponentiel (SELEX)17, qui permet la conception d’aptamères par sélection in vitro, à partir d’une bibliothèque randomisée complète et via une série de cycles d’optimisation pilotés par PCR. Cependant, SELEX est complexe et prend beaucoup de temps, et les résultats finaux dépendent fortement de la bibliothèque initiale. Pour sélectionner l’appât à ARN à utiliser dans le protocole présenté ici, une autre approche a été exploitée, consistant à utiliser un appât à ARN conçu de novo au moyen de la puissance de calcul de l’algorithme catRAPID, qui prédit la liaison préférentielle d’une protéine donnée vers certaines séquences d’ARN18,19,20.
Le protocole présenté ici est une version d’un ARN-optimisé pour éluer des partenaires protéiques spécifiques dans des conditions quasi physiologiques, sans utiliser de détergent, d’agents dénaturants ou de températures élevées. Il repose sur des billes nano-superparamagnétiques recouvertes de streptavidine hautement purifiée et l’utilisation d’un ARN biotinylé spécifique conçu in silico comme appât. Ce protocole fournit une méthode rapide et efficace pour isoler les partenaires de liaison des molécules d’ARN biotinylées dans des conditions natives, offrant le potentiel pour un large éventail d’applications en aval. Pour tester ce protocole, une séquence d’aptamère d’ARN simple brin de 10 nucléotides, précédemment conçue pour lier la protéine TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43) avec une affinité et une spécificité élevées, a été utilisée20. À partir de lysats cellulaires HEK 293T, les interacteurs de l’aptamère à ARN biotinylé ont été identifiés au moyen d’une analyse par spectrométrie de masse réalisée sur des échantillons détachés de l’appât à ARN à l’aide d’un tampon hypertonique. Cette analyse a confirmé l’identification et la quantification réussies de TDP-43 comme liant préféré.
Ce protocole permet l’identification réussie d’interacteurs protéiques en utilisant seulement un court oligonucléotide à ARN synthétisé in vitro. De plus, l’utilisation d’aptamères à ARN conçus in silico comme sondes21,22 garantit la spécificité des cibles à des coûts considérablement réduits.
Ce travail rapporte l’optimisation d’un protocole de réalisé avec des oligonucléotides d’ARN biotinylés pour capturer leurs interacteurs protéiques. Le protocole décrit ici est simple à réaliser, nécessite peu de matériel et produit des résultats très fiables. Il est important de noter que les aspects les plus novateurs de ce protocole consistent en l’utilisation d’un appât à ARN conçu entièrement in silico et spécifique à la cible protéique, et l’élution de toutes les protéines liées à l’appât à ARN en perturbant directement leurs interactions avec une solution à haute teneur en sel, plutôt qu’en dissociant la streptavidine de la biotine avec un détergent et un traitement à haute température.
Ce protocole tire parti de la force de la liaison entre la biotine et la streptavidine 29,30. Selon les billes de streptavidine choisies, la charge de l’ARN biotinylé doit être testée et quantifiée avant de procéder. En outre, le repliement tridimensionnel de l’ARN pourrait affecter l’efficacité de chargement sur les billes, car il pourrait limiter l’exposition de la biotine à la streptavidine. Le blocage des billes avec de l’ARNt non biotinylé améliore la propreté des résultats en limitant les interactions non spécifiques avec les billes. Le tampon de chargement et le tampon d’élution doivent être choisis en fonction des applications en aval. Ici, des conditions très douces, adaptées à la majorité des applications et développées pour préserver les complexes protéiques potentiels, ont été proposées. Cette méthode est cependant très adaptable; l’utilisateur peut choisir n’importe quelle lignée cellulaire et n’importe quelle taille d’ARN, et peut décider de répéter le protocole après le repliement / dépliage de l’ARN pour déterminer l’effet de la structure sur les propriétés de liaison.
Un autre aspect original de ce protocole est l’utilisation d’outils de prédiction in silico pour assurer l’exactitude des résultats20. Savoir à l’avance quelles protéines doivent être identifiées comme interacteurs de l’ARN d’intérêt donne l’avantage sans précédent de valider les aspects techniques du protocole. Par exemple, à l’aide d’une simple analyse WB, il est possible de vérifier la présence d’une cible protéique connue dans les échantillons issus des différentes étapes du protocole avant de procéder à l’analyse MS, qui nécessite une instrumentation spécialisée et est plus coûteuse. En outre, une méthode permettant d’utiliser le chatRAPID20, un algorithme interne de prédiction protéine-ARN, pour concevoir de novo l’ARN spécifique d’une protéine cible a récemment été rapportée. Jusqu’à récemment, le seul pipeline disponible pour concevoir des aptamères ADN/ARN pour une protéine cible était l’approche SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment)31. La méthode in silico permet une conception beaucoup plus rapide et rentable des aptamères d’ARN.
Les principales limites de cette méthode sont associées à la nécessité de travailler dans des tampons et des outils sans nucléase. En outre, s’il est jugé nécessaire de confirmer in vitro la liaison entre un ARN conçu de novo et une protéine cible avant la MP, la protéine doit être produite et purifiée et la liaison déterminée par des approches biophysiques. C’est une limitation qui est partagée avec la production d’anticorps monoclonaux.
Malgré ces problèmes mineurs, des méthodes fiables pour cartographier les interactions ARN-protéine, comme celle présentée ici, peuvent rapprocher les scientifiques pour dévoiler des réseaux macromoléculaires et des acteurs principaux complexes de nombreux mécanismes physiologiques et pathologiques, tels que ceux impliqués dans le cancer, les cardiomyopathies, le diabète, les infections microbiennes et les troubles génétiques et neurodégénératifs.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tiennent à remercier le groupe de recherche du professeur Tartaglia et du Dr Cuomo pour le soutien offert. E.Z. a reçu un financement de la bourse MINDED du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Sklodowska-Curie n ° 754490.
6-well tissue culture plates | VWR | 10861-554 | CELLS |
Cell scrapers | BIOSIGMA | 10153 | CELLS |
Dulbecco′s Modified Eagle′s Medium (DMEM) | Thermo Fisher Scientfic | 11995065 | CELLS |
Fetal Bovine Serum, qualified, heat inactivated, Brazil | Thermo Fisher Scientfic | 10500064 | CELLS |
Phosphate Buffer Saline (PBS, Waltham, MA) | Thermo Fisher Scientfic | 14190169 | CELLS |
Trypsin (0.25%), phenol red | Thermo Fisher Scientfic | 15050065 | CELLS |
Anti-rabbit IgG horseradish peroxidase (HRP) | Cellsignal | 7070 | PD |
Biotinylated RNA | Eurofins | Custom RNA oligonucleotides | PD |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A9418 | PD |
Clarity Western ECL Substrate, 500 ml | Biorad | 1705061 | PD |
cOmplete, EDTA-free Protease Inhibitor Cocktail | Merck – Sigma Aldrich | 5056489001 | PD |
NuPAGE 4 to 12%, Bis-Tris, 1.0 mm, Mini Protein Gel, 10-well | Invitrogen | NP0321BOX | PD |
Recombinant anti-TDP43 antibody | Abcam | ab109535 | PD |
Ribonucleic acid, transfer from baker's yeast (S. cerevisiae) | Merck – Sigma Aldrich | R5636-1ML | PD |
Streptavidin Mag Sepharose | Merck – Sigma Aldrich | GE28-9857-99 | PD |
Trans-Blot Turbo RTA Mini 0.2 µm PVDF Transfer Kit | Biorad | 1704272 | PD |
Acetone | Thermo Fisher Scientfic | 022928.K2 | MS |
C18 cartridge | Thermo Fisher Scientfic | 13-110-018 | MS |
Dithiothreitol (DTT) | Thermo Fisher Scientfic | 20290 | MS |
EASY-Spray HPLC Columns | Thermo Scientific | ES902 | MS |
iodoacetamide (IAA) | Sigma Aldrich S.r.l. | I6125 | MS |
Lys-C/Trypsin | Promega | V5073 | MS |
Trifluoroacetic acid (TFA) | Thermo Fisher Scientfic | 28904 | MS |
Urea | Thermo Fisher Scientfic | J75826.A7 | MS |
Equipment | |||
ChemiDoc imaging system | Bio-Rad | CELLS | |
Dyna Mag -2 , Magnetic rack | Invitrogen | CELLS | |
Forma Series 3 water jacketed C02 incubator | Thermo Scientific | PD | |
PROTEAN II xi cell , power supply for PAGE applications | Bio-Rad | PD | |
Rotating wheel, rotator SB3 | Stuart | PD | |
Water bath set at 37 °C | VWR | PD | |
XCell SureLock Mini-Cell electrophoresis system | ThermoFisher Scientific | MS | |
Easy-nLC 1200 UHPLC | Thermo Scientific | MS | |
Q exactive Mass Spectrometer | Thermo Scientific | MS | |
Software | Version | ||
MaxQuant | 2.0.3.0 | MS | |
Perseus | 1.6.14.0 | MS |