Determinazione della cinetica di accensione in vitro e cellulare per aptameri di RNA fluorogenici
Summary
Il protocollo presenta due metodi per determinare la cinetica degli aptameri fluorogenici dell’RNA Spinaci2 e Broccoli. Il primo metodo descrive come misurare la cinetica dell’aptamero fluorogenico in vitro con un lettore di piastre, mentre il secondo metodo descrive in dettaglio la misurazione della cinetica dell’aptamero fluorogenico nelle cellule mediante citometria a flusso.
Abstract
Gli aptameri di RNA fluorogenico sono stati applicati nelle cellule vive per etichettare e visualizzare gli RNA, riferire sull’espressione genica e attivare biosensori fluorescenti che rilevano i livelli di metaboliti e molecole di segnalazione. Per studiare i cambiamenti dinamici in ciascuno di questi sistemi, è auspicabile ottenere misurazioni in tempo reale, ma l’accuratezza delle misurazioni dipende dalla cinetica della reazione fluorogenica che è più veloce della frequenza di campionamento. Qui, descriviamo i metodi per determinare la cinetica di accensione in vitro e cellulare per gli aptameri di RNA fluorogenico utilizzando un lettore di piastre dotato rispettivamente di un iniettore di campioni e di un citometro a flusso. Mostriamo che la cinetica in vitro per l’attivazione della fluorescenza degli aptameri di Spinaci2 e Broccoli può essere modellata come reazioni di associazione a due fasi e avere diverse costanti di velocità di fase rapida di 0,56 s-1 e 0,35 s-1, rispettivamente. Inoltre, dimostriamo che la cinetica cellulare per l’attivazione della fluorescenza degli Spinaci2 in Escherichia coli, che è ulteriormente limitata dalla diffusione del colorante nei batteri Gram-negativi, è ancora sufficientemente rapida da consentire una frequenza di campionamento accurata sulla scala temporale minuto. Questi metodi per analizzare la cinetica di attivazione della fluorescenza sono applicabili ad altri aptameri di RNA fluorogenico che sono stati sviluppati.
Introduction
Le reazioni fluorogeniche sono reazioni chimiche che generano un segnale di fluorescenza. Gli aptameri di RNA fluorogenico svolgono tipicamente questa funzione legando un colorante a piccole molecole per migliorare la sua resa quantica di fluorescenza (Figura 1A)1. Sono stati sviluppati diversi sistemi di aptameri di RNA fluorogenici costituiti da specifiche sequenze di aptameri di RNA e dai corrispondenti ligandi coloranti1. Gli aptameri di RNA fluorogenico sono stati aggiunti ai trascritti dell’RNA come tag fluorescenti che consentono l’imaging di cellule vive di mRNA e RNA non codificanti 2,3,4. Sono stati anche posizionati dopo sequenze promotrici come reporter fluorescenti di espressione genica, simile all’uso della proteina fluorescente verde (GFP) come reporter, tranne che la funzione di segnalazione è a livello di RNA 5,6. Infine, gli aptameri fluorogenici dell’RNA sono stati incorporati nei biosensori fluorescenti basati sull’RNA, progettati per innescare la reazione fluorogenica in risposta a una specifica piccola molecola. Sono stati sviluppati biosensori fluorescenti basati su RNA per l’imaging di cellule vive di vari metaboliti non fluorescenti e molecole di segnalazione 7,8,9,10,11.
C’è un crescente interesse nello sviluppo di aptameri di RNA fluorogenici per visualizzare i cambiamenti dinamici nella localizzazione dell’RNA, nell’espressione genica e nei segnali di piccole molecole. Per ciascuna di queste applicazioni, è auspicabile ottenere misurazioni in tempo reale, ma l’accuratezza delle misurazioni dipende dalla cinetica della reazione fluorogenica che è più veloce della frequenza di campionamento. Qui, descriviamo i metodi per determinare la cinetica in vitro per gli aptameri fluorogenici dell’RNA Spinaci212 e Broccoli13 utilizzando un lettore di piastre dotato di un iniettore di campione e per determinare la cinetica di accensione cellulare per Spinaci2 espressa in Escherichia coli utilizzando un citometro a flusso. Questi due aptameri di RNA sono stati scelti perché sono stati applicati per studiare la localizzazione dell’RNA 2,3,4, sono stati utilizzati nei reporter5,6 e nei biosensori 7,8,9,10,11, e i corrispondenti ligandi coloranti (DFHBI o DFHBI-1T) sono disponibili in commercio. Un riassunto delle loro proprietà in vitro determinate in letteratura è riportato nella Tabella 1 4,13,14, che ha informato lo sviluppo del protocollo (ad esempio, le lunghezze d’onda e le concentrazioni di colorante utilizzate). Questi risultati dimostrano che le reazioni fluorogeniche influenzate dagli aptameri dell’RNA sono rapide e non dovrebbero impedire misurazioni accurate per le applicazioni biologiche cellulari desiderate.
Protocol
Representative Results
Discussion
Per l’esperimento di cinetica in vitro , lo stesso protocollo generale può essere modificato per misurare la cinetica in vitro di un biosensore fluorescente basato su RNA contenente sia un dominio legante il ligando che un dominio legante il fluoroforo8. In questo caso, l’RNA deve essere incubato con il fluoroforo prima delle misurazioni dopo l’iniezione del ligando al fine di ottenere la cinetica di risposta del ligando. Se si osserva un’elevata variabilità tra le repliche, è…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalle seguenti sovvenzioni a MCH: NSF-BSF 1815508 e NIH R01 GM124589. MRM è stato parzialmente supportato dalla borsa di formazione NIH T32 GM122740.
Materials
| Agarose | Thermo Fischer Scientific | BP160500 | |
| Agarose gel electrophoresis equipment | Thermo Fischer Scientific | B1A-BP | |
| Alpha D-(+)-lactose monohydrate | Thermo Fischer Scientific | 18-600-440 | |
| Amber 1.5 mL microcentrifuge tubes | Thermo Fischer Scientific | 22431021 | |
| Ammonium persulfate (APS) | Sigma-Aldrich | A3678 | |
| Ammonium sulfate ((NH4)2SO4) | Sigma-Aldrich | A4418 | |
| Attune NxT Flow cytometer | Thermo Fischer Scientific | A24861 | |
| Attune 1x Focusing Fluid | Thermo Fischer Scientific | A24904 | |
| Attune Shutdown Solution | Thermo Fischer Scientific | A24975 | |
| Attune Performance Tracking Beads | Thermo Fischer Scientific | 4449754 | |
| Attune Wash Solution | Thermo Fischer Scientific | J24974 | |
| Boric acid | Sigma-Aldrich | B6768 | |
| Bromophenol blue | Sigma-Aldrich | B0126 | |
| Carbenicillin disodium salt | Sigma-Aldrich | C3416 | |
| Chlorine Bleach | Amazon | B07J6FJR8D | |
| Corning Costar 96-well plate | Daigger Scientific | EF86610A | |
| Culture Tubes, 12 mm x 75 mm, 5 mL with attached dual position cap | Globe Scientific | 05-402-31 | |
| DFHBI | Sigma-Aldrich | SML1627 | |
| DFHBI-1T | Sigma-Aldrich | SML2697 | |
| D-Glucose (anhydrous) | Acros Organics | AC410955000 | |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| Dithiothreitol (DTT) | Sigma-Aldrich | DTT-RO | |
| DNA loading dye | New England Biolabs | B7025S | |
| DNA LoBind Tubes (2.0 mL) | Eppendorf | 22431048 | |
| dNTPs: dATP, dCTP, dGTP, dTTP | New England Biolabs | N0446S | |
| EDTA, pH 8.0 | Gibco, Life Technologies | AM9260G | |
| Ethanol (EtOH) | Sigma-Aldrich | E7023 | |
| Filter-tip micropipettor tips | Thermo Fischer Scientific | AM12635, AM12648, AM12655, AM12665 | |
| FlowJo Software | BD Biosciences | N/A | FlowJo v10 Software |
| Fluorescent plate reader with heating control | VWR | 10014-924 | |
| Gel electrophoresis power supply | Thermo Fischer Scientific | EC3000XL2 | |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| Glycogen AM95010 | Thermo Fischer Scientific | AM95010 | |
| GraphPad Prism | Dotmatics | N/A | Analysis software from Academic Group License |
| Heat block | Thomas Scientific | 1159Z11 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H-4034 | |
| Inorganic pyrophosphatase | Sigma-Aldrich | I1643-500UN | |
| Low Molecular Weight DNA Ladder | New England Biolabs | N3233L | Supplied with free vial of Gel Loading Dye, Purple (6x), no SDS (NEB #B7025). |
| Magnesium chloride hexahydrate (MgCl2) | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| Magnesium sulfate (MgSO4) | Fisher Scientific | MFCD00011110 | |
| Microcentrifuge tubes (1.5 mL) | Eppendorf | 22363204 | |
| Microcentrifuge with temperature control | Marshall Scientific | EP-5415R | |
| Micropipettors | Gilson | FA10001M, FA10003M, FA10005M, FA10006M | |
| Micropipettor tips | Sigma-Aldrich | Z369004, AXYT200CR, AXYT1000CR | |
| Millipore water filter with BioPak unit | Sigma-Aldrich | CDUFBI001, ZRQSVR3WW | |
| Narrow micropipettor pipette tips | DOT Scientific | RN005R-LRS | |
| PBS, 10x | Thermo Fischer Scientific | BP39920 | |
| PCR clean-up kit | Qiagen | 28181 | |
| PCR primers and templates | Integrated DNA technologies | ||
| PCR thermocycler for thin-walled PCR tubes | Bio-Rad | 1851148 | |
| PCR thermocycler for 0.5 mL tubes | Techne | 5PRIME/C | |
| pET31b-T7-Spinach2 Plasmid | Addgene | Plasmid #79783 | |
| Phusion High-Fidelity DNA polymerase | New England Biolabs | M0530L | Purchase of Phusion High-Fideldity Enzyme is supplied with 5x Phusion HF Buffer, 5x Phusion GC Buffer, and MgCl2 and DMSO solutions. |
| Polyacrylamide gel electrophoresis gel comb, C.B.S. Scientific | C.B.S. Scientific | VGC-1508 | |
| Polyacrylamide gel electrophoresis equipment | C.B.S. Scientific | ASG-250 | |
| Potassium chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P9333 | |
| Potassium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | P5655 | |
| Razor blades | Genesee Scientific | 38-101 | |
| rNTPs: ATP, CTP, GTP, UTP | New England Biolabs | N0450L | |
| SDS | Sigma-Aldrich | L3771 | |
| Short wave UV light source | Thermo Fischer Scientific | 11758221 | |
| Sodium carbonate (Na2CO3) | Sigma-Aldrich | S7795 | |
| Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | S8045 | |
| Sodium phosphate dibasic, anhydrous | Thermo Fischer Scientific | S375-500 | |
| SoftMax Pro | Molecular Devices | N/A | SoftMax Pro 6.5.1 (platereader software) obtained through Academic Group License |
| Sterile filter units | Thermo Fischer Scientific | 09-741-88 | |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | |
| SYBR Safe DNA gel stain | Thermo Fischer Scientific | S33102 | |
| TAE buffer for agarose gel electrophoresis | Thermo Fischer Scientific | AM9869 | |
| Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Sigma-Aldrich | T9281 | |
| Tris base | Sigma-Aldrich | TRIS-RO | |
| Tryptone (granulated) | Thermo Fischer Scientific | M0251S | |
| T7 RNA polymerase | New England Biolabs | M0251S | |
| Urea-PAGE Gel system | National Diagnostics | EC-833 | |
| UV fluorescent TLC plate | Sigma-Aldrich | 1.05789.0001 | |
| UV/Vis spectrophotometer | Thermo Fischer Scientific | ND-8000-GL | |
| Vortex mixer | Thermo Fischer Scientific | 2215415 | |
| Xylene cyanol | Sigma-Aldrich | X4126 | |
| Yeast Extract (Granulated) | Thermo Fischer Scientific | BP9727-2 |
References
- Su, Y., Hammond, M. C. RNA-based fluorescent biosensors for live cell imaging of small molecules and RNAs. Current Opinion in Biotechnology. 63, 157-166 (2020).
- Zhang, J., et al. Tandem spinach array for mRNA Imaging in living bacterial cells. Scientific Reports. 5, 17295 (2015).
- Wang, Z., et al. In spatial complementation of aptamer-mediated recognition enables live-cell imaging of native RNA transcripts in real time. Angewandte Chemie. 57 (4), 972-976 (2018).
- Strack, R. L., Disney, M. D., Jaffrey, S. R. A superfolding Spinach2 reveals the dynamic nature of trinucleotide repeat-containing RNA. Nature Methods. 10 (12), 1219-1224 (2013).
- Thavarajah, W., et al. Point-of-use detection of environmental fluoride via a cell-free riboswitch-based biosensor. ACS Synthetic Biology. 9 (1), 10-18 (2020).
- You, M., Litke, J. L., Jaffrey, S. R. Imaging metabolite dynamics in living cells using a Spinach-based riboswitch. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (21), 2756-2765 (2015).
- Kellenberger, C. A., Wilson, S. C., Sales-Lee, J., Hammond, M. C. RNA-based fluorescent biosensors for live cell imaging of second messengers cyclic di-GMP and cyclic AMP-GMP. Journal of the American Chemical Society. 135 (13), 4906-4909 (2013).
- Manna, S., Truong, J., Hammond, M. C. Guanidine biosensors enable comparison of cellular turn-on kinetics of riboswitch-based biosensor and reporter. ACS Synthetic Biology. 10 (3), 566-578 (2021).
- Bose, D., Su, Y., Marcus, A., Raulet, D. H., Hammond, M. C. An RNA-based fluorescent biosensor for high-throughput analysis of the cGAS-cGAMP-STING pathway. Cell Chemical Biology. 23 (12), 1539-1549 (2016).
- Wang, X. C., Wilson, S. C., Hammond, M. C. Next-generation RNA-based fluorescent biosensors enable anaerobic detection of cyclic di-GMP. Nucleic Acids Research. 44 (17), 139 (2016).
- Paige, J. S., Thinh, N. -. D., Wenjiao, S., Jaffrey, S. R. Fluorescence imaging of cellular metabolites with RNA. Science. 335 (6073), 1194 (2012).
- Paige, J. S., Wu, K. Y., Jaffrey, S. R. RNA mimics of green fluorescent protein. Science. 333 (6042), 642-646 (2011).
- Filonov, G. S., Moon, J. D., Svensen, N., Jaffrey, S. R. Broccoli: Rapid selection of an RNA mimic of green fluorescent protein by fluorescence-based selection and directed evolution. Journal of the American Chemical Society. 136 (46), 16299-16308 (2014).
- Song, W., Strack, R. L., Svensen, N., Jaffrey, S. R. Plug-and-play fluorophores extend the spectral properties of spinach. Journal of the American Chemical Society. 136 (4), 1198-1201 (2014).
- Sambrook, J., Fritsch, E., Maniatis, T. . Molecular Cloning: A Laboratory Manual. , (1989).
- Basch, H., Gadebusch, H. H. In vitro antimicrobial activity of dimethylsulfoxide. Applied Microbiology. 16 (12), 1953-1954 (1968).
- Kallansrud, G., Ward, B. A comparison of measured and calculated single- and double-stranded oligodeoxynucleotide extinction coefficients. Analytical Biochemistry. 236 (1), 134-138 (1996).
- Wilson, S. C., Cohen, D. T., Wang, X. C., Hammond, M. C. A neutral pH thermal hydrolysis method for quantification of structured RNAs. RNA. 20 (7), 1153-1160 (2014).
- Szatmári, D., et al. Intracellular ion concentrations and cation-dependent remodelling of bacterial MreB assemblies. Scientific Reports. 10, 12002 (2020).
- Boulos, L., Prévost, M., Barbeau, B., Coallier, J., Desjardins, R. LIVE/DEAD® BacLightTM: Application of a new rapid staining method for direct enumeration of viable and total bacteria in drinking water. Journal of Microbiological Methods. 37 (1), 77-86 (1999).
- Huang, H., et al. A G-quadruplex-containing RNA activates fluorescence in a GFP-like fluorophore. Nature Chemical Biology. 10 (8), 686-691 (2014).
- Jeng, S. C. Y., Chan, H. H. Y., Booy, E. P., McKenna, S. A., Unrau, P. J. Fluorophore ligand binding and complex stabilization of the RNA Mango and RNA Spinach aptamers. RNA. 22 (12), 1884-1892 (2016).
- Han, K. Y., Leslie, B. J., Fei, J., Zhang, J., Ha, T. Understanding the photophysics of the Spinach-DFHBI RNA aptamer-fluorogen complex to improve live-cell RNA imaging. Journal of the American Chemical Society. 135 (50), 19033-19038 (2013).
- Wang, P., et al. Photochemical properties of Spinach and its use in selective imaging. Chemical Science. 4 (7), 2865-2873 (2013).
- Dao, N. T., et al. Photophysics of DFHBI bound to RNA aptamer Baby Spinach. Scientific Reports. 11, 7356 (2021).
