Detection of specific RNA targets by multimerization

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Detection of specific RNA targets via amplification-mediated techniques is widely used in fundamental studies and medicine due to an essential role of RNA in realization of genetic information and diseases development. Here, we report on an approach for detection of RNA targets based on a particular type of isothermal amplification, namely, reaction of nucleic acid multimerization. The proposed technique requires only a single DNA polymerase possessing reverse transcriptase, DNA-dependent DNA polymerase and strand-displacement activities. Reaction conditions that lead to efficient detection of the target RNAs through multimerization mechanism were determined. The approach was approved using genetic material of SARS-CoV-2 coronavirus as a model viral RNA. Reaction of multimerization allowed to differentiate SARS-CoV-2 RNA-positive samples from SARS-CoV-2 negative samples with high reliability. The proposed technique determines detection of RNA even in samples, which undergone multiple freezing.

About the authors

A. R Sakhabutdinova

Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: garafutdinovr@gmail.com
450054 Ufa, Bashkortostan, Russia

A. V Chemeris

Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: garafutdinovr@gmail.com
450054 Ufa, Bashkortostan, Russia

R. R Garafutdinov

Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: garafutdinovr@gmail.com
450054 Ufa, Bashkortostan, Russia

References

  1. Palazzo, A. F., and Lee, E. S. (2015) Non-coding RNA: what is functional and what is junk? Front. Genet., 6, 2, doi: 10.3389/fgene.2015.00002.
  2. Bukasov, R., Dossym, D., and Filchakova, O. (2021) Detection of RNA viruses from influenza and HIV to Ebola and SARS-CoV-2: a review, Anal. Methods, 13, 34-55, doi: 10.1039/d0ay01886d.
  3. Vindeirinho, J. M., Pinho, E., Azevedo, N. F., and Almeida, C. (2022) SARS-CoV-2 diagnostics based on nucleic acids amplification: from fundamental concepts to applications and beyond, Front. Cell. Infect. Microbiol., 12, 799678, doi: 10.3389/fcimb.2022.799678.
  4. Verna, R., Alallon, W., Murakami, M., Hayward, C. P. M., Harrath, A. H., Alwasel, S. H., Sumita, N. M., Alatas, O., Fedeli, V., Sharma, P., Fuso, A., Capuano, D. M., Capalbo, M., Angeloni, A., and Bizzarri, M. (2021) Analytical performance of COVID-19 detection methods (RT-PCR): scientific and societal concerns, Life (Basel), 11, 660, doi: 10.3390/life11070660.
  5. Thapa, S., Singh, K. R., Verma, R., Singh, J., and Singh, R. P. (2022) State-of-the-art smart and intelligent nanobiosensors for SARS-CoV-2 diagnosis, Biosensors (Basel), 12, 637, doi: 10.3390/bios12080637.
  6. Yin, B., Wan, X., Sohan, A. S. M. M. F., and Lin, X. (2022) Microfluidics-based POCT for SARS-CoV-2 diagnostics, Micromachines (Basel), 13, 1238, doi: 10.3390/mi13081238.
  7. Zhang, L., Jiang, H., Zhu, Z., Liu, J., and Li, B. (2022) Integrating CRISPR/Cas within isothermal amplification for point-of-care assay of nucleic acid, Talanta, 243, 123388, doi: 10.1016/j.talanta.2022.123388.
  8. Islam, M. M., and Koirala, D. (2022) Toward a next-generation diagnostic tool: a review on emerging isothermal nucleic acid amplification techniques for the detection of SARS-CoV-2 and other infectious viruses, Anal. Chim. Acta, 1209, 339338, doi: 10.1016/j.aca.2021.339338.
  9. Maiti, B., Anupama, K. P., Rai, P., Karunasagar, I., and Karunasagar, I. (2022) Isothermal amplification-based assays for rapid and sensitive detection of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2: opportunities and recent developments, Rev. Med. Virol., 32, e2274, doi: 10.1002/rmv.2274.
  10. Chaouch, M. (2021) Loop-mediated isothermal amplification (LAMP): an effective molecular point-of-care technique for the rapid diagnosis of coronavirus SARS-CoV-2, Rev. Med. Virol., 31, e2215, doi: 10.1002/rmv.2215.
  11. Bi, S., Yue, S., and Zhang, S. (2017) Hybridization chain reaction: a versatile molecular tool for biosensing, bioimaging, and biomedicine, Chem. Soc. Rev., 46, 4281-4298, doi: 10.1039/c7cs00055c.
  12. Yue, S., Li, Y., Qiao, Z., Song, W., and Bi, S. (2021) Rolling circle replication for biosensing, bioimaging, and biomedicine, Trends Biotechnol., 39, 1160-1172, doi: 10.1016/j.tibtech.2021.02.007.
  13. Garafutdinov, R. R., Sakhabutdinova, A. R., Gilvanov, A. R., and Chemeris, A. V. (2021) Rolling circle amplification as a universal method for the analysis of a wide range of biological targets, Russ. J. Bioorg. Chem., 47, 1172-1189, doi: 10.1134/S1068162021060078.
  14. Bodulev, O. L., and Sakharov, I. Y. (2020) Isothermal nucleic acid amplification techniques and their use in bioanalysis, Biochemistry (Moscow), 85, 147-166, doi: 10.1134/S0006297920020030.
  15. Hafner, G. J., Yang, I. C., Wolter, L. C., Stafford, M. R., and Giffard, P. M. (2001) Isothermal amplification and multimerization of DNA by Bst DNA polymerase, BioTechniques, 30, 852-856, doi: 10.2144/01304rr03.
  16. Garafutdinov, R. R., Burkhanova, G. F., Maksimov, I. V., and Sakhabutdinova, A. R. (2023) New method for microRNA detection based on multimerization, Anal. Biochem., 664, 115049, doi: 10.1016/j.ab.2023.115049.
  17. Wang, G., Ding, X., Hu, J., Wu, W., Sun, J., and Mu, Y. (2017) Unusual isothermal multimerization and amplification by the strand-displacing DNA polymerases with reverse transcription activities, Sci. Rep., 7, 13928, doi: 10.1038/s41598-017-13324-0.
  18. Sakhabutdinova, A. R., Kamalov, M. I., Salakhieva, D. V., Mavzyutov, A. R., and Garafutdinov, R. R. (2021) Inhibition of nonspecific polymerase activity using poly(aspartic) acid as a model anionic polyelectrolyte, Anal. Biochem., 628, 114267, doi: 10.1016/j.ab.2021.114267.
  19. Garafutdinov, R. R., Gilvanov, A. R., and Sakhabutdinova, A. R. (2020) The influence of reaction conditions on DNA multimerization during isothermal amplification with Bst DNA polymerase, Appl. Biochem. Biotechnol., 190, 758-771, doi: 10.1007/s12010-019-03127-6.
  20. Garafutdinov, R. R., Gilvanov, A. R., Kupova, O. Y., and Sakhabutdinova, A. R. (2020) Effect of metal ions on isothermal amplification with Bst exo- DNA polymerase, Int. J. Biol. Macromol., 161, 1447-1455, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.08.028.
  21. Garafutdinov, R. R., Sakhabutdinova, A. R., Kupryushkin, M. S., and Pyshnyi, D. V. (2020) Prevention of DNA multimerization during isothermal amplification with Bst exo- DNA polymerase, Biochimie, 168, 259-267, doi: 10.1016/j.biochi.2019.11.013.
  22. Sakhabutdinova, A. R., Mirsaeva, L. R., Garafutdinov, R. R., Oscorbin, I. P., and Filipenko, M. L. (2020) Elimination of DNA multimerization arising from isothermal amplification in the presence of Bst exo- DNA polymerase, Russ. J. Bioorg. Chem., 46, 52-59, doi: 10.1134/s1068162020010082.
  23. Qasem, A., Shaw, A. M., Elkamel, E., and Naser, S. A. (2021) Coronavirus disease 2019 (COVID-19) diagnostic tools: a focus on detection technologies and limitations, Curr. Issues Mol. Biol., 43, 728-748, doi: 10.3390/cimb43020053.
  24. Panchali, M. J. L., Oh, H. J., Lee, Y. M., Kim, C. M., Tariq, M., Seo, J. W., Kim, D. Y., Yun, N. R., and Kim, D. M. (2022) Accuracy of real-time polymerase chain reaction in COVID-19 patients, Microbiol. Spectr., 10, e0059121, doi: 10.1128/spectrum.00591-21.
  25. Meena, D. S., Kumar, B., Kachhwaha, A., Kumar, D., Khichar, S., Bohra, G. K., Sharma, A., Kothari, N., Garg, P., Sureka, B., Banerjee, M., Garg, M. K., and Misra, S. (2022) Comparison of clinical characteristics and outcome in RT-PCR positive and false-negative RT-PCR for COVID-19: a retrospective analysis, Infez. Med., 30, 403-411, doi: 10.53854/liim-3003-8.
  26. Jackson, L. N., Chim, N., Shi, C., and Chaput, J. C. (2019) Crystal structures of a natural DNA polymerase that functions as an XNA reverse transcriptase, Nucleic Acids Res., 47, 6973-6983, doi: 10.1093/nar/gkz513.
  27. Sakhabutdinova, A. R., Gazizov, R. R., Chemeris, A. V., and Garafutdinov, R. R. (2022) Reverse transcriptase-free detection of viral RNA using Hemo KlenTaq DNA polymerase, Anal. Biochem., 659, 114960, doi: 10.1016/j.ab.2022.114960.
  28. Silva, A., Azevedo, M., Sampaio-Maia, B., and Sousa-Pinto, B. (2022) The effect of mouthrinses on severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 viral load: A systematic review, J. Am. Dent. Assoc., 153, 635-648, doi: 10.1016/j.adaj.2021.12.007.
  29. Hern�ndez-V�squez, A., Barrenechea-Pulache, A., Comand�, D., and Aza�edo, D. (2022) Mouthrinses and SARS-CoV-2 viral load in saliva: a living systematic review, Evid. Based Dent., doi: 10.1038/s41432-022-0253-z.
  30. Tallmadge, R. L., Laverack, M., Cronk, B., Venugopalan, R., Martins, M., Zhang, X., Elvinger, F., Plocharczyk, E., and Diel, D. G. (2022) Viral RNA load and infectivity of SARS-CoV-2 in paired respiratory and oral specimens from symptomatic, asymptomatic, or postsymptomatic individuals, Microbiol. Spectr., 10, e0226421, doi: 10.1128/spectrum.02264-21.
  31. Fujiya, Y., Sato, Y., Katayama, Y., Nirasawa, S., Moriai, M., Saeki, M., Yakuwa, Y., Kitayama, I., Asanuma, K., Kuronuma, K., and Takahashi, S. (2022) Viral load may impact the diagnostic performance of nasal swabs in nucleic acid amplification test and quantitative antigen test for SARS-CoV-2 detection, J. Infect. Chemother., 28, 1590-1593, doi: 10.1016/j.jiac.2022.07.023.
  32. Dutta, D., Naiyer, S., Mansuri, S., Soni, N., Singh, V., Bhat, K. H., Singh, N., Arora, G., and Mansuri, M. S. (2022) COVID-19 diagnosis: a comprehensive review of the RT-qPCR method for detection of SARS-CoV-2, Diagnostics (Basel), 12, 1503, doi: 10.3390/diagnostics12061503.
  33. Ravina, Kumar, A., Manjeet, Twinkle, Subodh, Narang, J., and Mohan, H. (2022) Analytical performances of different diagnostic methods for SARS-CoV-2 virus - a review, Sens. Int., 3, 100197, doi: 10.1016/j.sintl.2022.100197.
  34. Marando, M., Tamburello, A., Gianella, P., Taylor, R., Bernasconi, E., Fusi-Schmidhauser, T. (2022) Diagnostic sensitivity of RT-PCR assays on nasopharyngeal specimens for detection of SARS-CoV-2 infection: a systematic review and meta-analysis, Caspian J. Intern. Med., 13, 139-147, doi: 10.22088/cjim.13.0.139.
  35. Garafutdinov, R. R., Galimova, A. A., and Sakhabutdinova, A. R. (2017) Polymerase chain reaction with nearby primers, Anal. Biochem., 518, 126-133, doi: 10.1016/j.ab.2016.11.017.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».