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ARN condicional pequeño

Un ARN condicional pequeño ( scRNA ) es una molécula o complejo de ARN pequeño (normalmente de menos de aproximadamente 100 nt ) diseñado para interactuar y cambiar la conformación condicionalmente en respuesta a entradas moleculares cognadas para realizar la transducción de señales in vitro , in situ o in vivo . [1]

En ausencia de moléculas de entrada cognadas, los scRNA se diseñan para coexistir de manera metaestable o estable sin interactuar. La detección de las entradas cognadas inicia cambios conformacionales posteriores de uno o más scRNA que conducen a la generación de la señal de salida deseada. La señal de salida puede estar destinada a leer el estado de los circuitos biológicos endógenos (p. ej., mapear la expresión génica para investigación biológica o diagnóstico médico), [2] o para regular el estado de los circuitos biológicos endógenos (p. ej., perturbar la expresión génica para investigación biológica o tratamiento médico). [1] Las secuencias de scRNA se pueden programar para reconocer diferentes entradas o para activar diferentes salidas, [1] [2] [3] logrando incluso selectividad de secuencia de un solo nucleótido. [3] La transducción de señales de scRNA explota los principios de las disciplinas emergentes de nanotecnología de ARN dinámico, programación molecular y biología sintética .

Figura 1. Amplificación de la señal fluorescente utilizando ARN condicionales pequeños. Los scRNA fluorescentes metaestables se autoensamblan en polímeros de amplificación fluorescente tras la detección de un iniciador de ARN cognado. El iniciador I se nuclea con la horquilla H1 a través del apareamiento de bases hasta el punto de apoyo monocatenario '1', mediando una migración de ramificación de 3 vías que abre la horquilla para formar el complejo I·H1 que contiene el segmento monocatenario '3*-2*'. Este complejo se nuclea con la horquilla H2 mediante el apareamiento de bases hasta el punto de apoyo '3', mediando una migración de ramificación que abre la horquilla para formar el complejo I·H1·H2 que contiene el segmento monocatenario '2*-1*'. De este modo, la secuencia iniciadora se regenera, proporcionando la base para una reacción en cadena de pasos de polimerización alternados de H1 y H2. Las estrellas rojas indican fluoróforos. Imagen de Choi et al. 2010; [2] utilizada con permiso de Nature Publishing Group.

Ejemplos de transducción de señales de scRNA

Los scRNA marcados con fluoróforos han sido diseñados para transducir entre la detección de dianas de ARNm y la generación de polímeros de amplificación fluorescentes brillantes in situ (Figura 1). [2] En este contexto, la transducción de señales de scRNA permite el mapeo multiplexado de la expresión de ARNm dentro de embriones de vertebrados intactos (Figura 2). [2] Los scRNA han sido diseñados para realizar la transducción de forma y secuencia para producir condicionalmente un sustrato Dicer dirigido al ARNm Y 'diana de silenciamiento' tras la detección de un ARNm X 'diana de detección' independiente, con el posterior procesamiento de Dicer produciendo un pequeño ARN interferente ( siRNA ) dirigido al ARNm Y para su destrucción (Figura 3). [1] En este contexto, la transducción de señales de scRNA proporciona un paso hacia la implementación de la interferencia de ARN condicional (Figura 4).

Figura 2. Mapeo simultáneo de cinco ARNm diana diferentes dentro de un embrión de pez cebra intacto utilizando amplificación de señal de ARNm y microscopía confocal. Las sondas de ARN complementarias a los ARNm diana desencadenan reacciones en cadena en las que los ARNm marcados con fluoróforos se autoensamblan en polímeros de amplificación fluorescentes anclados. La programabilidad y selectividad de secuencia de estas cascadas de amplificación permiten que cinco amplificadores de ARNm funcionen de forma independiente al mismo tiempo en la misma muestra, cada uno tiñéndose para la expresión de uno de los cinco ARNm diana. Barra de escala: 50 μm. Imagen de Choi et al. 2010; [2] utilizada con permiso de Nature Publishing Group.
Figura 3. Formación del sustrato Dicer condicional a través de la transducción de forma y secuencia con ARN condicionales pequeños. El scRNA A·B detecta el objetivo de detección de ARNm X (que contiene la subsecuencia 'abc'), lo que lleva a la producción del sustrato Dicer B·C que se dirige al objetivo de silenciamiento de ARNm Y (que contiene la subsecuencia independiente 'wxyz'). Los scRNA A·B y C son estables en ausencia de X. A intercambia B por X (paso 1) a través de la migración de ramificación de 3 vías mediada por toehold y la disociación espontánea. B se ensambla con C (paso 2) a través de la nucleación de bucle/toehold y la migración de ramificación de 3 vías para formar el sustrato Dicer B·C. Las modificaciones químicas (2′OMe-RNA) previenen la degradación: A y parte de C (cadena principal discontinua). Imagen de Hochrein et al. 2013; [1] utilizada con permiso de la American Chemical Society.
Figura 4. El ARN condicional i (si se transcribe el gen X, se silencia el gen independiente Y) proporciona un marco conceptual para ejercer un control espaciotemporal sobre la inhibición de genes. Con este fin, los ARN condicionales pequeños (scRNA) interactúan y cambian la conformación para transducir entre la unión del ARNm "diana de detección" X y la producción de un sustrato Dicer que se dirige al ARNm "diana de silenciamiento" independiente Y. Imagen de Hochrein et al. 2013; [1] utilizada con autorización de la American Chemical Society.

Elementos de diseño

Los scRNA se pueden diseñar para explotar diversos elementos de diseño: [1]

Referencias

  1. ^ abcdefg Hochrein LM, Schwarzkopf M, Shahgholi M, Yin P, Pierce NA (2013). "Formación condicional del sustrato Dicer a través de la transducción de forma y secuencia con ARN condicionales pequeños". Journal of the American Chemical Society . 135 (46): 17322–17330. doi :10.1021/ja404676x. PMC  3842090 . PMID  24219616.
  2. ^ abcdef Choi HM, Chang JY, Trinh LA, Padilla JE, Fraser SE, Pierce NA (2010). "Amplificación in situ programable para imágenes multiplexadas de la expresión de ARNm". Nature Biotechnology . 28 (11): 1208–1212. doi :10.1038/nbt.1692. PMC 3058322 . PMID  21037591. 
  3. ^ ab Sternberg JB, Pierce NA (2014). "Exquisita selectividad de secuencia con ARN condicionales pequeños". Nano Letters . 14 (8): 4568–4572. Bibcode :2014NanoL..14.4568S. doi :10.1021/nl501593r. PMC 4134187 . PMID  24979041.