Qui, presentiamo un metodo in vitro ottimizzato per scoprire, quantificare e convalidare gli interattori proteici di specifiche sequenze di RNA, utilizzando estratto proteico totale da cellule umane, perle di streptavidina rivestite con RNA biotinilato e analisi di spettrometria di massa.
Le interazioni proteina-RNA regolano l’espressione genica e le funzioni cellulari a livello trascrizionale e post-trascrizionale. Per questo motivo, identificare i partner di legame di un RNA di interesse rimane di grande importanza per svelare i meccanismi alla base di molti processi cellulari. Tuttavia, le molecole di RNA potrebbero interagire transitoriamente e dinamicamente con alcune proteine leganti l’RNA (RBP), specialmente con quelle non canoniche. Pertanto, sono estremamente necessari metodi migliori per isolare e identificare tali RBP.
Per identificare i partner proteici di una sequenza di RNA nota in modo efficiente e quantitativo, abbiamo sviluppato un metodo basato sul pull-down e la caratterizzazione di tutte le proteine interagenti, a partire dall’estratto proteico totale cellulare. Abbiamo ottimizzato il pull-down proteico utilizzando RNA biotinilato precaricato su perle rivestite di streptavidina. Come prova di concetto, abbiamo impiegato una breve sequenza di RNA nota per legare la proteina associata alla neurodegenerazione TDP-43 e un controllo negativo di una diversa composizione nucleotidica ma della stessa lunghezza. Dopo aver bloccato le perle con tRNA di lievito, abbiamo caricato le sequenze di RNA biotinilato sulle perle di streptavidina e le abbiamo incubate con l’estratto proteico totale dalle cellule HEK 293T. Dopo l’incubazione e diverse fasi di lavaggio per rimuovere i leganti non specifici, abbiamo eluito le proteine interagenti con una soluzione ad alto contenuto di sale, compatibile con i reagenti di quantificazione proteica più comunemente usati e con la preparazione del campione per la spettrometria di massa. Abbiamo quantificato l’arricchimento di TDP-43 nel pull-down eseguito con il legante RNA noto rispetto al controllo negativo mediante spettrometria di massa. Abbiamo usato la stessa tecnica per verificare le interazioni selettive di altre proteine computazionalmente previste come leganti unici del nostro RNA di interesse o del controllo. Infine, abbiamo convalidato il protocollo mediante western blot attraverso la rilevazione di TDP-43 con un anticorpo appropriato.
Questo protocollo consentirà lo studio dei partner proteici di un RNA di interesse in condizioni quasi fisiologiche, aiutando a scoprire interazioni proteina-RNA uniche e imprevedibili.
Le proteine leganti l’RNA (RBP) sono emerse come attori cruciali nella regolazione genica trascrizionale e post-trascrizionale, poiché sono coinvolte in processi come lo splicing dell’mRNA, la localizzazione cellulare dell’RNA, la traduzione, la modifica e la degradazione 1,2,3. Tali interazioni tra le due macromolecole sono altamente coordinate, bilanciate con precisione ed essenziali per la formazione di hub funzionali e di elaborazione. Variazioni o disregolazioni all’interno di questi hub hanno il potenziale di interrompere le reti proteina-RNA finemente regolate e sono sempre più associate a una varietà di malattie umane, tra cui il cancro 4,5 e le malattie neurodegenerative 6,7,8. Le interazioni tra le molecole di RNA e i loro partner leganti le proteine possono essere stabili e facili da convalidare sperimentalmente, o altamente dinamiche, transitorie e più difficili da caratterizzare.
Negli ultimi anni, sono stati intrapresi intensi sforzi per comprendere queste interazioni. Tra i metodi più consolidati, i saggi di pull-down proteico (PD) sono probabilmente gli approcci più apprezzati e comunemente usati per svelare i principali attori che costituiscono i complessi ribonucleoproteici (RNP) e altre reti di interazione proteina-RNA 3,9,10. I PD includono un ampio ombrello di tecniche informative, come l’immunoprecipitazione dell’RNA (RIP)11,12 o della proteina (CLIP)13,14 di interesse. Alcuni di questi protocolli RNA-PD impiegano un RNA noto come esca per le proteine15, più frequentemente sfruttando tag ad alta affinità come la biotina. In questo caso, i partner di interazione di un RNA biotinilato possono essere rilevati ancorando l’RNA su perle rivestite di streptavidina, consentendo un isolamento efficiente degli RNP. I principali limiti di questi approcci sono solitamente la progettazione delle sonde biotinilate e la verifica della loro capacità di legare le proteine bersaglio. A tal fine, potrebbe essere utile basarsi sui dati CLIP pubblicati della proteina di interesse, se disponibili, poiché rivelano, con alta precisione, le brevi regioni di RNA che corrispondono ai picchi di interazioni con la proteina bersaglio13,16. Queste stesse regioni potrebbero essere utilizzate per sviluppare sonde per PD. Un metodo alternativo per progettare tali esche a RNA potrebbe essere l’evoluzione sistematica dei ligandi mediante arricchimento esponenziale (SELEX)17, che consente la progettazione di aptameri attraverso la selezione in vitro, a partire da una libreria randomizzata completa e attraverso una serie di cicli di ottimizzazione guidati dalla PCR. Tuttavia, SELEX è complesso e richiede molto tempo e i risultati finali dipendono fortemente dalla libreria iniziale. Per selezionare l’esca a RNA da utilizzare nel protocollo qui presentato, è stato sfruttato un altro approccio, consistente nell’utilizzare un’esca a RNA progettata de novo mediante la potenza computazionale dell’algoritmo catRAPID, che prevede il legame preferenziale di una data proteina verso determinate sequenze di RNA18,19,20.
Il protocollo qui introdotto è una versione di un RNA-PD ottimizzato per eluire specifici partner proteici in condizioni quasi fisiologiche, senza l’uso di detergenti, agenti denaturanti o alte temperature. Si basa su perle nano-superparamagnetiche rivestite covalentemente con streptavidina altamente purificata e sull’uso di uno specifico RNA biotinilato progettato in silico come esca. Questo protocollo fornisce un metodo rapido ed efficiente per isolare i partner di legame delle molecole di RNA biotinilato in condizioni native, offrendo il potenziale per una vasta gamma di applicazioni a valle. Per testare questo protocollo, è stata utilizzata una sequenza di aptameri di RNA a singolo filamento a 10 nucleotidi, precedentemente progettata per legare la proteina TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43) con alta affinità e specificità,20. A partire dai lisati delle cellule HEK 293T, gli interattori dell’aptamero di RNA biotinilato sono stati identificati mediante analisi di spettrometria di massa eseguite su campioni staccati dall’esca di RNA utilizzando un tampone ipertonico. Questa analisi ha confermato l’identificazione e la quantificazione con successo del TDP-43 come legante preferito.
Questo protocollo consente di identificare con successo gli interattori proteici utilizzando solo un breve oligonucleotide di RNA sintetizzato in vitro. Inoltre, l’uso di aptameri di RNA progettati in silico come sonde PD21,22 garantisce specificità per i bersagli a costi significativamente ridotti.
Questo lavoro riporta l’ottimizzazione di un protocollo PD eseguito con oligonucleotidi di RNA biotinilato per catturare i loro interattori proteici. Il protocollo qui descritto è semplice da eseguire, richiede poco materiale e produce risultati altamente affidabili. È importante sottolineare che gli aspetti più innovativi di questo protocollo consistono nell’uso di un’esca a RNA progettata completamente in silico e specifica per il bersaglio proteico, e l’eluizione di tutte le proteine legate all’esca di RNA interrompendo direttamente le loro interazioni con una soluzione ad alto contenuto di sale, piuttosto che dissociando la streptavidina dalla biotina con detergente e trattamento ad alta temperatura.
Questo protocollo sfrutta la forza del legame tra biotina e streptavidina29,30. Secondo le sfere di streptavidina scelte, il carico dell’RNA biotinilato deve essere testato e quantificato prima di procedere. Inoltre, il ripiegamento tridimensionale dell’RNA potrebbe influenzare l’efficienza di caricamento sulle perline, poiché potrebbe limitare l’esposizione della biotina alla streptavidina. Bloccare le perle con tRNA non biotinilato migliora la pulizia dei risultati limitando le interazioni non specifiche con le perle. Il buffer di carico e il buffer di eluizione devono essere scelti a seconda delle applicazioni a valle. Qui sono state proposte condizioni molto miti, adatte alla maggior parte delle applicazioni e sviluppate per preservare potenziali complessi proteici. Questo metodo è tuttavia altamente adattabile; l’utente può scegliere qualsiasi linea cellulare e qualsiasi dimensione dell’RNA, e potrebbe decidere di ripetere il protocollo dopo il folding/unfolding dell’RNA per determinare l’effetto della struttura sulle proprietà di legame.
Un altro aspetto originale di questo protocollo è l’uso di strumenti di previsione in silico per garantire la correttezza dei risultati20. Sapere in anticipo quali proteine devono essere identificate come interattori dell’RNA di interesse dà il vantaggio senza precedenti di validare gli aspetti tecnici del protocollo. Ad esempio, utilizzando una semplice analisi WB, è possibile verificare la presenza di un bersaglio proteico noto nei campioni derivati dai diversi passaggi del protocollo prima di procedere con l’analisi MS, che richiede strumentazione specializzata ed è più costosa. Inoltre, è stato recentemente riportato un metodo per utilizzare catRAPID20, un algoritmo interno di predizione proteina-RNA, per progettare RNA de novo specifico per una proteina bersaglio. Fino a poco tempo fa, l’unica pipeline disponibile per progettare aptameri DNA/RNA per una proteina bersaglio era l’approccio SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment)31. Il metodo in silico consente una progettazione molto più rapida ed economica degli aptameri di RNA.
Le principali limitazioni di questo metodo sono associate alla necessità di lavorare in buffer e strumenti privi di nucleasi. Inoltre, se si ritiene necessario confermare in vitro il legame tra un RNA progettato de novo e una proteina bersaglio prima della PD, la proteina deve essere prodotta e purificata e il legame determinato con approcci biofisici. Questa è una limitazione condivisa con la produzione di anticorpi monoclonali.
Nonostante questi problemi minori, metodi affidabili per mappare le interazioni RNA-proteina, come quello qui presentato, possono avvicinare gli scienziati a svelare reti macromolecolari e attori principali complessi di molti meccanismi fisiologici e patologici, come quelli coinvolti nel cancro, cardiomiopatie, diabete, infezioni microbiche e disturbi genetici e neurodegenerativi.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori ringraziano il gruppo di ricerca del Prof. Tartaglia e del Dr. Cuomo per il supporto offerto. E.Z. ha ricevuto finanziamenti dalla borsa di studio MINDED del programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea nell’ambito dell’accordo di sovvenzione 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 |