Un ensayo celular basado en reporteros para monitorear la eficiencia del empalme
Summary
Este protocolo describe un ensayo de reportero de minigenes para monitorear el impacto de las mutaciones del sitio de empalme 5’en el empalme y desarrolla snRNA supresor U1 para el rescate de la inhibición del empalme inducida por la mutación. Las construcciones de snRNA U1 reportero y supresor se expresan en células HeLa, y el empalme se analiza por extensión de cebador o RT-PCR.
Abstract
Durante la expresión génica, el paso vital del empalme pre-ARNm implica el reconocimiento preciso de los sitios de empalme y el ensamblaje eficiente de los complejos espliceosómicos para unir exones y eliminar los intrones antes de la exportación citoplasmática del ARNm maduro. La eficiencia del empalme puede verse alterada por la presencia de mutaciones en los sitios de empalme, la influencia de los factores de empalme de acción trans o la actividad de la terapéutica. Aquí, describimos el protocolo para un ensayo celular que se puede aplicar para monitorear la eficiencia de empalme de cualquier exón dado. El ensayo utiliza un plásmido adaptable codificado 3-exon/2-intron minigene reporter, que puede expresarse en células de mamíferos por transfección transitoria. Después de la transfección, se aísla el ARN celular total, y la eficiencia del empalme de exones en el ARNm reportero se determina mediante la extensión del cebador o la reacción en cadena semicuantitativa de la polimerasa con transcriptasa inversa (RT-PCR). Describimos cómo se puede determinar el impacto de las mutaciones del sitio de empalme 5′ asociadas a la enfermedad introduciéndolas en el reportero; y cómo la supresión de estas mutaciones se puede lograr mediante la coinfección con el ARN nuclear pequeño (snRNA) U1 que lleva mutaciones compensatorias en su región de 5′ que se fusiona con los sitios de empalme 5′ en las uniones exón-intrón en pre-ARNm. Por lo tanto, el reportero se puede utilizar para el diseño de partículas terapéuticas de U1 para mejorar el reconocimiento de los sitios de empalme mutantes de 5 ‘. La inserción de sitios reguladores de acción cis, como secuencias de potenciador de empalme o silenciador, en el informador también se puede utilizar para examinar el papel de U1 snRNP en la regulación mediada por un factor de empalme alternativo específico. Finalmente, las células que expresan al reportero se pueden incubar con moléculas pequeñas para determinar el efecto de la terapéutica potencial en el empalme constitutivo de pre-ARNm o en exones que transportan sitios de empalme mutantes de 5 ‘. En general, el ensayo de reportero se puede aplicar para monitorear la eficiencia del empalme en una variedad de condiciones para estudiar los mecanismos fundamentales de empalme y las enfermedades asociadas al empalme.
Introduction
El empalme pre-ARNm es un paso de procesamiento esencial que elimina los intrones no codificantes y liga con precisión los exones codificantes para formar ARNm maduro. El reconocimiento de secuencias de consenso en las uniones exón-intrón, denominadas sitio de empalme de 5′ y sitio de empalme de 3′, por componentes de la maquinaria de empalme inicia el proceso de empalme. La ribonucleoproteína nuclear pequeña U1 (snRNP) reconoce el sitio de empalme 5′ por emparejamiento de bases del snRNA U1 con el pre-ARNm1. Las mutaciones heredadas genéticamente que alteran las secuencias del sitio de empalme 5′ se asocian con muchas enfermedades2,3. Se predice que la pérdida de emparejamiento base de SnRNA U1 con los sitios de empalme mutantes de 5’causa un empalme aberrante, que puede comprometer la traducción de la transcripción afectada. Un enfoque terapéutico potencial para corregir los defectos de empalme implica la supresión de mutaciones por snRNA U1 modificado que transporta cambios de nucleótidos compensatorios en su región de 5′que se basa con el sitio de empalme de 5‘. Se ha encontrado que estos snRNAs U1 modificados, también conocidos como snRNAs U1 específicos del exón, son efectivos para revertir los defectos de empalme, lo que resulta en una mayor expresión de proteínas del ARNm rescatado4,5,6,7,8.
Aquí, describimos el ensayo de complementación U1 snRNP, un ensayo de empalme celular basado en reporteros que permite la evaluación del efecto de las mutaciones de 5′-ss en el empalme de un exón y también se puede usar para el desarrollo de snRNAs U1 modificados para permitir el rescate de la inclusión de exones. También proporcionamos protocolos para el monitoreo de las transcripciones de reportero empalmadas por extensión de imprimación y RT-PCR, y para determinar la expresión de snRNAs U1 modificados por extensión de imprimación y RT-qPCR.
Protocol
Representative Results
Discussion
El ensayo se puede adaptar para el análisis de empalme en líneas celulares distintas de HeLa, sin embargo, es posible que sea necesario optimizar los factores que afectan la eficiencia de la transfección, como la confluencia celular y la cantidad de ADN. La relación de constructo reportero-U1 es otro parámetro crítico que puede necesitar ser determinado dependiendo de los niveles de expresión observados en otros tipos de células. La calidad del ARN extraído es crítica para el análisis de empalme; por lo tanto,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por fondos a S.S. de los Institutos Nacionales de Salud (R21CA170786 y R01GM127464) y la Sociedad Americana del Cáncer (la Subvención de Investigación Institucional 74-001-34-IRG) y a S.S. y W.M. del Programa de Asociación de Investigación del Valle (P1-4009 y VRP77). El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.
Materials
| Reagent Grade Deionized Water | ThermoFisher Scientific | 23-751628 | |
| Diethyl pyrocarbonate (DEPC) | Sigma-Aldrich | D5758-25ML | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) powder packet | Gibco | 12100-046 | |
| Sodium Bicarbonate | ThermoFisher Scientific | S233-500 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS), Australian Source, Heat Inactivated | Omega Scientific | FB-22 | |
| Penicillin-Streptomycin (P/S) | Sigma-Aldrich | P4458-100ML | |
| Sodium Hydroxide, Standard Solution 1.0N | Sigma-Aldrich | S2567-16A | |
| Hydrochloric Acid, Certified ACS Plus, 36.5 to 38.0% | ThermoFisher Scientific | A144-500 | |
| Disposable PES Bottle Top Filters | ThermoFisher Scientific | FB12566510 | |
| EDTA Disodium Salt Dihydrate | Amresco | 0105-2.5KG | |
| 2.5% Trypsin (10x), no phenol red | ThermoFisher Scientific | 15090046 | |
| Sodium Chloride | Fisher Bioreagent | BP358-212 | |
| Potassium Chloride | Fisher Bioreagent | BP366-1 | |
| Disodium Hydrogen Phosphate Heptahydrate | Fisher Bioreagent | BP332-1 | |
| Potassium Dihydrogen Phosphate | Fisher Bioreagent | BP362-1 | |
| Transfection medium – Opti-MEM™ I Reduced Serum Medium, no phenol red | ThermoFisher Scientific | 11058021 | |
| Transfection Reagent – Lipofectamine™ 2000 | ThermoFisher Scientific | 13778150 | |
| TRIzol™ Reagent | ThermoFisher Scientific | 15596018 | |
| Chloroform (Approx. 0.75% Ethanol as Preservative/Molecular Biology) | ThermoFisher Scientific | BP1145-1 | |
| Ethanol, Absolute (200 Proof), Molecular Biology Grade, Fisher BioReagents | ThermoFisher Scientific | BP2818-4 | |
| Isopropanol, Molecular Biology Grade, Fisher BioReagents | ThermoFisher Scientific | BP2618-212 | |
| Glycogen (5 mg/ml) | ThermoFisher Scientific | AM9510 | |
| Direct-zol RNA Miniprep Kit | Zymo Research | R2052 | |
| ATP, [γ-32P]- 6000Ci/mmol 150mCi/ml Lead, 1 mCi | PerkinElmer | NEG035C001MC | |
| T4 Polynucleotide Kinase | New England Biolabs | M0201L | |
| Size exclusion beands – Sephadex® G-25 | Sigma-Aldrich | G2580-10G | |
| Size exclusion mini columns | USA Scientific | 1415-0600 | |
| pBR322 DNA-MspI Digest | New England Biolabs | N3032S | |
| Low Molecular Weight Marker, 10-100 nt | Affymetrix | 76410 100 UL | |
| Rnase inactivating reagents – RNaseZAP™ | Sigma-Aldrich | R2020-250ML | |
| dNTP Mix (10 mM ea) | ThermoFisher Scientific | 18427013 | |
| RNaseOUT™ Recombinant Ribonuclease Inhibitor | ThermoFisher Scientific | 10777019 | |
| Reverse Transcriptase – M-MLV Reverse Transcriptase | ThermoFisher Scientific | 28025013 | used for primer extension |
| Taq DNA Polymerase | ThermoFisher Scientific | 10342020 | |
| Random Hexamers (50 µM) | ThermoFisher Scientific | N8080127 | |
| Real time PCR mix – SYBR™ Select Master Mix | ThermoFisher Scientific | 4472903 | |
| SuperScript™ III Reverse Transcriptase | ThermoFisher Scientific | 18080093 | used for cDNA preparation |
| Dithiothreitol (DTT) | ThermoFisher Scientific | 18080093 | |
| 5X First-Strand Buffer | ThermoFisher Scientific | 18080093 | |
| Formamide (≥99.5%) | ThermoFisher Scientific | BP228-100 | Review Material Safety Data Sheets |
| Bromophenol Blue sodium salt | Sigma-Aldrich | 114405-5G | |
| Xylene Cyanol FF | Sigma-Aldrich | 2650-17-1 | |
| Tris Base (White Crystals or Crystalline Powder/Molecular Biology) | ThermoFisher Scientific | BP152-5 | |
| Boric Acid (Crystalline/Electrophoresis) | ThermoFisher Scientific | BP168-500 | |
| Acrylamide: Bis-Acrylamide 19:1 (40% Solution/Electrophoresis) | ThermoFisher Scientific | BP1406-1 | Review Material Safety Data Sheets |
| Urea (Colorless-to-White Crystals or Crystalline Powder/Mol. Biol.) | ThermoFisher Scientific | BP169-212 | |
| Ammonium peroxodisulphate (APS) ≥98%, Pro-Pure, Proteomics Grade | VWR | M133-25G | |
| Sigmacote | Sigma-Aldrich | SL2-100ML | |
| N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMED) ≥99%, Ultrapure | VWR | 0761-25ML | Review Material Safety Data Sheets |
| Adjustable Slab Gel Systems, Expedeon | VWR | ASG-400 | |
| Vertical Gel Wrap™ Glass Plate Sets, 16.5 x 14.5cm | VWR | NGP-125NR | |
| Vertical Gel Wrap™ Glass Plate Sets, 16.5 x 22.0cm | VWR | NGP-200NR | |
| Vertical Gel Wrap™ Glass Plate Sets, 16.5 x 38.7cm | VWR | NGP-400NR | |
| GE Storage Phosphor Screens | Sigma-Aldrich | GE28-9564 | |
| Typhoon™ FLA 7000 Biomolecular Imager | GE Healthcare | 28-9610-73 AB | |
| Beckman Coulter LS6500 Liquid Scintillation Counter | GMI | 8043-30-1194 | |
| C1000 Touch Thermal Cycler | ThermoFisher Scientific | ||
| QuantStudio 6 Flex Real-Time PCR Systems | ThermoFisher Scientific |
References
- Zhuang, Y., Weiner, A. M. A compensatory base change in U1 snRNA suppresses a 5′ splice site mutation. Cell. 46 (6), 827-835 (1986).
- Scotti, M. M., Swanson, M. S. RNA mis-splicing in disease. Nature Review Genetics. 17 (1), 19-32 (2016).
- Ward, A. J., Cooper, T. A. The pathobiology of splicing. Journal of Pathology. 220 (2), 152-163 (2010).
- Scalet, D., et al. Disease-causing variants of the conserved +2T of 5′ splice sites can be rescued by engineered U1snRNAs. Human Mutatation. 40 (1), 48-52 (2019).
- Yamazaki, N., et al. Use of modified U1 small nuclear RNA for rescue from exon 7 skipping caused by 5′-splice site mutation of human cathepsin A gene. Gene. 677, 41-48 (2018).
- Yanaizu, M., Sakai, K., Tosaki, Y., Kino, Y., Satoh, J. I. Small nuclear RNA-mediated modulation of splicing reveals a therapeutic strategy for a TREM2 mutation and its post-transcriptional regulation. Science Reports. 8 (1), 6937 (2018).
- Balestra, D., et al. Splicing mutations impairing CDKL5 expression and activity can be efficiently rescued by U1snRNA-based therapy. International Journal of Molecular Sciences. 20 (17), 20174130 (2019).
- Donadon, I., et al. Exon-specific U1 snRNAs improve ELP1 exon 20 definition and rescue ELP1 protein expression in a familial dysautonomia mouse model. Human Molecular Genetics. 27 (14), 2466-2476 (2018).
- Desjardins, P., Conklin, D. NanoDrop microvolume quantitation of nucleic acids. Journal of Visualized Experiments. (45), e2565 (2010).
- Summer, H., Gramer, R., Droge, P. Denaturing urea polyacrylamide gel electrophoresis (Urea PAGE). Journal of Visualized Experiments. (32), e1485 (2009).
- Dominski, Z., Kole, R. Selection of splice sites in pre-mRNAs with short internal exons. Molecular Cell Biology. 11 (12), 6075-6083 (1991).
- Amir-Ahmady, B., Boutz, P. L., Markovtsov, V., Phillips, M. L., Black, D. L. Exon repression by polypyrimidine tract binding protein. RNA. 11 (5), 699-716 (2005).
- Le Guedard-Mereuze, S., et al. Sequence contexts that determine the pathogenicity of base substitutions at position +3 of donor splice-sites. Human Mutation. 30 (9), 1329-1339 (2009).
- Sharma, S., Wongpalee, S. P., Vashisht, A., Wohlschlegel, J. A., Black, D. L. Stem-loop 4 of U1 snRNA is essential for splicing and interacts with the U2 snRNP-specific SF3A1 protein during spliceosome assembly. Genes and Development. 28 (22), 2518-2531 (2014).
- Steitz, J. A., et al. . Functions of the abundant U-snRNPs. Structure and function of major and minor small nuclear ribonucleoprotein particles. , 115-154 (1988).
- Fortes, P., et al. Inhibiting expression of specific genes in mammalian cells with 5′ end-mutated U1 small nuclear RNAs targeted to terminal exons of pre-mRNA. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 100 (14), 8264-8269 (2003).
- Roca, X., et al. Widespread recognition of 5′ splice sites by noncanonical base-pairing to U1 snRNA involving bulged nucleotides. Genes and Development. 26 (10), 1098-1109 (2012).
- Roca, X., Krainer, A. R. Recognition of atypical 5′ splice sites by shifted base-pairing to U1 snRNA. Nature Structural Molecular Biology. 16 (2), 176-182 (2009).
- Taladriz-Sender, A., Campbell, E., Burley, G. A. Splice-switching small molecules: A new therapeutic approach to modulate gene expression. Methods. 167, 134-142 (2019).
- Hamid, F. M., Makeyev, E. V. A mechanism underlying position-specific regulation of alternative splicing. Nucleic Acids Research. 45 (21), 12455-12468 (2017).
- Martelly, W., et al. Synergistic roles for human U1 snRNA stem-loops in pre-mRNA splicing. RNA Biology. , 1-18 (2021).
