Dopamine neurotransmitter determination using graphite sheet- graphene nano-s...
171215_IBMCP_AC
1. Nuevas herramientas para el control de la
expresión génica en plantas basadas en
pequeños RNAs artificiales
Alberto Carbonell
www.slideshare.net/AlbertoCarbonell1
acarbonell@ibmcp.upv.es
@A_Carbonell_
2. Post-transcriptional Small RNA Pathways in Plants
AGO
dsRNA
target RNA
ssRNA
Intramolecular
(folding)
RNA-dependent
RNA polymerase
DCL
RDR
..............
AGO
..............
AGO
.............. An
sRNA
An
An
Translational
repression
.............
RNA-dependent
RNA polymerase
target RNA
RDR
4. Limitations Of Current AmiRNA/Syn-tasiRNA Systems
1. Design (WMD3):
-Non-intuitive interface
-Multi-step
-Slow
-No syn-tasiRNA design tool
http://wmd3.weigelworld.org/
1st PCR
amiRNA insert
2nd PCR
BamHI cut
EcoRI cut
Gel purification
Gel purification
Entry vector
Cut pBSK vector with EcoRI
Alkaline Phosphatase treatment
Gel purification
BamHI cut
Entry plasmid
Mini-prep
Pick up positive colony
Confirm the sequencing
Ligation
Transform into E. coli
Entry plasmid
Binary vector
Binary plasmid
Cut with restriction enzyme(s)
Gel purification
Mini-prep
Pick up positive colony
Confirm the replacement of the fragment
Transform into Agro
Ligation
Transform into E. coli
Cut with restriction enzyme(s)
Alkaline Phosphatase treatment
Gel purification2. Cloning:
-Long and slow (multi-step)
-Non cost-effective
-Non-high throughput capability
-Lack of covenient syn-tasiRNA
cloning systems
Schwabb et al., Plant Cell (2006)
3. Expression:
-Frequent miss-processing of
amiRNAs (-> off target effects!)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
amiRNAs
-21 nt
5. This platform includes:
a) Web-based tools for the design of artificial small RNAs
b) A new generation of artificial small RNA vectors
GOAL:
To develop a new platform for the:
1. Design
2. Cloning (high-throughput) and
3. Expression
of plant amiRNAs and syn-tasiRNAs in a simple, fast, cost-
effective and effective manner for specific gene silencing in
plants.
6. Fahlgren et al. Bioinformatics (2015)
http://p-sams.carringtonlab.org/
7. Precursor Selection For New AmiRNA Vectors
Ath-MIR390a For Eudicots
A
B
Carbonell et al. Plant Physiology (2014)
Osa-MIR390 For Monocots
A
B
Carbonell et al. Plant Journal (2015)
8. Design Of Overlapping And Complementary
Oligonucleotides
For Direct AmiRNA Cloning In MIR390-based Vectors
Carbonell et al. Plant Physiology (2014)
9. AmiRNA Cloning In New B/c Vectors
Carbonell et al. Plant Physiology (2014)
10. Plant binary vectors
New AmiRNA B/c Vectors
Carbonell et al. Plant Physiology (2014)
GATEWAY-compatible
entry vectors
Carbonell et al. Plant Journal (2015)
11. A
AtMIR390a-Lfy
amiR*
amiR
AtMIR390a-Ch42
AtMIR390a-based amiRNA foldbacks
AtMIR390a-Trich
AtMIR390a-Ft
UA
U AAU
A C
G
U GGCUUUCCGUUAUAACCA
UGGUUAUA A G GAA AGG CC
C
G
C
A
UA
U AAU
A C
G
U GCACGUACUUUCACUGUU
AACAGUGA A G UAC GUC GC
A
U
G
C
UA
U AAU
A C
G
U GGGACAGUCUCGAAUGGG
CCCAUUCGA A CUG UCG CC
G
C
C
U
UA
U AAU
A C
G
U AGUUCUCUGUGUAAGCGA
UAAGUGUC ACG GAA UCC CU
U
A
A
Functionality Of New AmiRNA Vectors For Eudicots
amiR-Ch42
Ch42 mRNA
5’ TTAAGTGTCACGGAAATCCCT 3’
|||||||||||||||||| |
3’ CATTCACAGTGCCTTTAGGAA 5’
Carbonell et al. Plant Physiology (2014)
G
- U6
- amiRNA
amiR-
Trich
- +
amiR-
Lfy
- +
amiR-
Ch42
- +
amiRNA accumulation
in Arabidopsis transgenic lines
amiR-
Ft
- +
21-
24-
- amiRNA
amiR-CH42
- +
- U6
amiR-
CH42
Severe
Inter-
mediate
Wea
k
No
phenotype
C
Weak
35S:GUS
Intermediate
Severe
No
phenotype
Silencing of CHLORINA 42 (CH42)
LFY
- +
amiR-Lfy
TargetmRNA
relativeexpression
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
CH42
- +
amiR-Ch42
RNAaccumulation
amiR-CH42
- +
amiR*
AtMIR390a-Ch42
AtMIR390a-Trich
AtMIR390a-Ft
UA
U AAU
A C
G
U GGCUUUCCGUUAUAACCA
UGGUUAUA A G GAA AGG CC
C
G
C
A
UAA CU GCACGUACUUUCACUGUU A G
UA
U AAU
A C
G
U GGGACAGUCUCGAAUGGG
CCCAUUCGA A CUG UCG CC
G
C
C
U
UA
U AAU
A C
G
U AGUUCUCUGUGUAAGCGA
UAAGUGUC ACG GAA UCC CU
U
A
A
35S:GUS
35S:AtMIR390a-Trich
amiR-Trich
target mRNA
5’ TCCCATTCGATACTGCTCGCC 3’
||||||||||||||||||:|
3’ AGGGTAAGCTATGACGAGTGA 5’
TRY
CPC
5’ TCCCATTCGATACTGCTCGCC 3’
||||||||||||||:|||:||
3’ AGGGTAAGCTATGATGAGTGG 5’
ETC2
5’ TCCCATTCGATACTGCTCGCC 3’
||||||||||| ||:|||:||
3’ AGGGTAAGCTACGATGAGTGA 5’
G
- U6
- amiRNA
amiR-
Trich
- +
amiR-
Lfy
- +
amiR-
Ch42
- +
amiRNA accumulation
in Arabidopsis transgenic lines
amiR-
Ft
- +
21-
24-
Silencing of TRICH (TRY, CPC, ETC2)
- amiRNA
- +
- U6
amiR-Trich
amiR-
Trich
vector
TRY CPC ETC2
- + - + - +
amiR-Trich
RNAaccumulation
LFY
- +
amiR-Lfy
TargetmRNA
relativeexpression
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
amiR-Trich
- + - + - +
62/101
25/101
10/101
vector
52/53
48/48
33/33
12. UC
U AG
C
U
A GACAGGCGUAAGAUUGCG
CGCAAUCUU C GCC UGCUC
A
U
G
C
35S:OsMIR390-AtL-
Bri1
16/20
AC
U UG
C
U
A GACAGGCGUAAGAUUGCG
CGCAAUCUU C GCC UGCUC
A
U
G
C
35S:OsMIR390-
Bri1vector
0/7 7/11
Silencing of BRASSINOSTEROID-
INSENSITIVE 1 (BRI1)
Carbonell et al. Plant Journal (2015)
Functionality Of New AmiRNA Vectors For Monocots
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
amiR-Bri1
- +
BRI1 RNA
-
35S:OsMIR390
35S:OsMIR390-
AtL
+
vector
35S:OsMIR390-
Bri1 AtL-Bri1
21 -
24 -
- amiRNA
- U6
amiR-Spl11
35S:
OsMIR390-
Spl11
35S:
OsMIR390-AtL-
Spl11vector
0/33 8/8 23/23
AC
U UG
C
U
A UGGCUACUGCUCAGAUCG
CGAUCUGAG A GUA GCCCA
U
A
G
A
C
UG
C
U
A UGGCUACUGCUCAGAUCG
CGAUCUGAG A GUA GCCCA
U
A
G
A
U
A
vector
35S:OsMIR390-
Spl11 AtL-Spl11
Silencing of SPOTTED LEAF 11
(SPL11)
- + +
SPL11 RNA
21 -
24 -
- amiRNA
- U6
LFY
- +
amiR-Lfy
TargetmRNA
relativeexpression
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
vector
35S:OsMIR390
35S:OsMIR390-
AtL
13. Design Of Overlapping Oligonucleotides For
Direct Syn-tasiRNA Cloning in AtTAS1c-based Vectors
Carbonell et al. Plant Physiology (2014)
17. syn-tasiRNA vectors for targeting single or multiple (sequence
unrelated) genes
-Arabidopsis (and close species) vectors: AtTAS1c-based
-In other species if MIR173 is co-expressed
amiRNA vectors for targeting single or multiple (sequence related)
genes:
-Eudicot vectors: AtMIR390a-based
-Monocot vectors: OsMIR390-AtL-based
Development of a new platform to design, clone and express plant
artificial small RNAs in a simple, fast, cost-effective and effective
manner to silence single or multiple genes in plants
Summary
P-SAMS webtool with two apps (P-SAMS amiRNA Designer and
P-SAMS syn-tasiRNA Designer) for the automated design of
amiRNAs and syn-tasiRNAs, respectively AtMIR390a-B/c
vector
amiRNA
insert
Oligo annealing
BsaI digestion
+ ligation
E. coli transformation
Plasmid purification
Sequencing
amiRNA
construct
1 h
5 min
Plant
transformation
Day
6
Agrobacterium
liquid culture
Day
7
Day
2
amiRNA
oligos
Agrobacterium
transformation
Day
4
E. coli
liquid culture
Day
1
P-SAMS
amiRNA Design
Oligo ordering
Day
3
1-10 min
amiRNA
sequence
21. Acknowledgements
Mockler lab
Todd Mockler
Skyler Mitchell
Past members:
Kevin Cox
Kevin Reilly
DDPSC
Bioinformatics
Core Facility
Noah Fahlgren
Past members:
Doug Bryant
Steven Hill
Carrington lab
Jim Carrington
Kerri Gilbert
Steen Hoyer
Robyn Stevens
Past members:
Atsushi Takeda
Josh T. Cuperus
Águeda Renovell
Sonia Campo
-En primer lugar quería darle las gracias a Luis por organizar estas jornadas del IBMCP y a Toni por darme un hueco en su sesión para hablar de mi trabajo.
-En realidad le pedí a Toni un hueco porque quería dar una charla para mostraros un conjunto de herramientas muy potentes para estudios de función génica basadas en pequeños RNAs artificiales y que he desarrollado en el laboratorio de Jim Carrington en Saint Louis (USA) en los últimos años. Todo el trabajo del que voy a hablar ha sido publicado recientemente en 2014-2015, pero insisto quería dar esta charla en nuestro centro por un lado para estar seguros de que conoceis estas técnicas y por otro lado para convenceros de su tremenda sencillez y utilidad y ojalá que después de oir mi seminario muchos de vosotros os animeis a usarlas.
-Por si a alguien le interesase, mi presentación está disponible públicamente en mi cuenta de slideshare en la siguiente dirección.
Para que se entienda el modo de funcionamiento de los pequeños RNAs artificiales primero necesito introducir brevemente cómo funcionan las rutas posttranscripcionales de pequeños RNAs en plantas.
-Estas rutas son iniciadas por un RNA bicatenario generado por un RNA monocatenario con mucha estructura secundaria (como este con forma de horquilla) o por una RNA polimerasa RNA dependiente que usa como moolde un RNA monocatenario para sintetizar el dsRNA
-En cualquier caso, el dsRNA es procesado por una proteina Dicer-Like o DCL en duplexes de pequeños RNAs
-Normalmente una de las cadenas del dúplex, el pequeño RNA guía, se asocia con una proteína ARGONAUTA y la guía para encontrar RNAs dianas que tienen alta complementariedad de secuencia con el pequeño RNA guía.
-Cuando el complejo ternario sRNA/target RNA se forma, se puede inhibir la traducción del RNA diana, o más habitualmente, la AGO lo corta en 2 fragmentos
-En la mayoría de los casos son degradados por la maquinaria de degradación de RNA celular, usually two things can happen: the target RNA can be translationally repressed or it can get sliced by the AGO protein into two cleaved fragments.
-Sólo para un pequeño conjunto de transcritos esta señal de silenciamiento se puede amplificar ya que uno de los 2 fragmentos puede ser usado como molde por una RDR para sintetizar una nueva molécula de dsRNA que reinicia el ciclo.
-Una vez conocido el funcionamiento estas rutas de silenciamiento enseguida se pensó en explotarlas con el objetivo de silenciar genes intencionadamente, y así disponer de una herramienta para el estudio de la función génica o como una vía para controlar patógenos de RNA como los virus.
-En ppio si uno era capaz de introducir en la planta alguna forma de dsRNA de secuencia complementaria al gen que quería silenciar era esperable que la maquinaria endógena de silenciamineto hiciera el trabajo de procesar el dsRNA, …., para finalmente silenciar el gen de interés.
-Esto se ha llevado haciendo desde finales de los 90-ppios de los 2000 expresando en plantas construcciones de tipo hairpin o horquilla que incluyen secuencias del gen a silenciar en orientación sentido y antisentido y separadas por un espaciador (generalmente un intrón). La trascripción del transgén produce un RNA bicatenario de tipo horquilla que es procesado por una DCL en pequeños RNAs interferentes que silenciaran el gen en cuestión que tiene homología de secuencia. Sin embargo, la principal desventaja de esta aproximación es la más que posible falta de especificidad, ya que son tan numerosos los siRNAs que se generan que es muy probable que alguno de ellos acabe uniendo a un gen no deseado y silenciarlo. Por ello se buscaron estrategias igualmente potentes pero más específicas, que son de las que voy a hablar hoy quí.
-La primera es la de los microRNAs artificiales.
-Aquí el transgen
-Esta tecnología es útil para silenciar genes individuales o varios genes de secuencia similar
-La segunda es la de los t
-Tanto en los amiRNAs como en los syn-tasiRNAs la especificidad viene dada por la capacida de diseñar la secuencia de los sRNAs artificiales y respetar así su especificidad.
Although these technologies have been extensively used during the last years there still have some limitations:
1. Respect to the design, for example, WMD3 is about the only website to design amiRNAs. Although it is being extensively used, it’s interface is not particularity intuitive, you have to go through multiple non integrated steps to finally get the amiRNA sequence and also the oligo sequences that you need to clone the amiRNA, it takes usually up to 24h to receive an e-mail with the results, you can only target genes from sequenced genomes but not for example un-anotated genes or exogenous genes such as reporter genes (GUS, GFP) or pathogenic RNAs (such as viruses…) and, finally, there is no specific syn-tasiRNA design tool
2. Respect to the cloning, or generation of the amiRNA construct, the preferred amiRNA system from the Weigel lab still uses a very long, slow, multi-step, non-cost effective method that is not compatible with high throughput amiRNA librarie. Finally, there is no syn-tasiRNA cloning systems ready to use in a convenient way.
3. Respect to the expression, although it is true that expression levels are usually high, amiRNA foldbacks are sometimes miss-processed leading to the acumulation of amiRNA species of different sizes that can have off-target effects, that is, that they may target genes other than the one we want.
To overcome some of these limitations, the goal of the project was to
develop a new integrated system for the design, cloning and expression for plant amiRNAs and syn-tasiRNAs in a simple, fast, cost-effective and efficient manner for specific gene silencing of single or multiple genes of interest in both eudicot and monocot species
For an improved design tool we are building the P-SAMS web tool.
P-SAMS stands for the Plant Small RNA Maker Suite.
P-SAMS has a very intuitive interface that is compatible with phones and tablets, and has 2 different apps:
-the P-SAMS amiRNA Designer and
-the P-SAMS syn-tasiRNA Designer
for the automated design of amiRNAs and syn-tasiRNA respectively
Design (WMD3):
-Intuitive interface
-Phones and tablets
-Wizard-assisted design
-Short time to retrieve results (on screen)
-Syn-tasiRNA design
-La importancia de escoger un precursor con corta secuencia tallo-bucle distal es que podemos sintetizar dos oligonucleótidos so relativamente cortos y baratos (75 bases) que van a ser solapantes y complementarios y que cubren la region del amiRNA guía, la región tallo-bucle distal y el amiRNA estrella.
-Para el diseño de los oligos es crítico respetar la estructura secundaria del precursor, por lo que hay una serie de reglas a seguir: una vez se tiene la secuencia del amiRNA guía, entonces bastan con
These vectors are available through Addgene website.