Original VOL. 20 / N ÚM. 4 / O CTUBRE-DICIEMBRE 2001 INMUNOLOGÍA, 2001; PP 184-195 Determinación semicuantitativa de la expresión de ARNm de las isoformas de MIP-1α y MIP-1β mediante un competidor recombinante y RT-AFLP 1 1 1 P. ADREANI , I. G ÓMEZ , R. COLOBRAN , P. CARO, F. PELUSA, R. P UJOL-BORRELL, M. J UAN Laboratori d’Immunobiologia per a la Recerca i les Aplicacions Diagnòstiques. Centre de Transfusió i Banc de Teixits. Hospital Universitari Germans Trias i Pujol. Universitat Autónoma de Barcelona. Badalona SEMIQUANTITATIVE ASSESSMENT OF MIP-1α AND MIP1β mRNA ISOFORM EXPRESSION BY USING A RECOMBINANT COMPETITOR FRAGMENT AND RT-AFLP. RESUMEN Dentro de la amplia familia de las citocinas quimiotácticas, MIP-1α y MIP-1β son β-quimiocinas de especial interés por sus efectos sobre linfocitos y monocitos, las principales células de la inmunidad adquirida. En estudios previos hallamos una correlación clara entre los niveles tisulares de MIP-1α y MIP-1β y el diagnóstico clínico en los diversos cuadros de enfermedad autoinmune del tiroides. La existencia de isotipos para estas quimiocinas impone cierta dificultad en su análisis y evaluación funcional. En este trabajo presentamos un protocolo que, aprovechando pequeñas diferencias a nivel de secuencia nucleotídica, combina RTPCR y restricción con MspI para estimar semicuantitativamente los niveles de ARNm de los loci codificantes para cada una de estas dos quimiocinas. El aspecto más relevante de esta técnica es el uso de un fragmento de ADN recombinante que actúa de estándar interno tanto para MIP-1α como para MIP-1β, a la vez que contiene un lugar de restricción para MspI. De esta forma actúa como control no sólo de amplificación (en una RT-PCR competitiva) sino también de eficiencia de la digestión. La validez técnica de la aproximación, se corroboró por la similar cinética de amplificación del estándar interno y de las dos citocinas mediante PCR en tiempo real. Un estudio de la inducción de la expresión de MIP-1β (mediante experimentos de tiempo-respuesta) en células U-937 demostró diferencias claras entre los ARNms de los dos loci indicando que este protocolo puede contribuir al estudio de la expresión diferencial de productos génicos similares mediante técnicas disponibles en la mayoría de los laboratorios. ABSTRACT Among the broad family of chemotactic cytokines, MIP-1α and MIP-1β, β-chemokines are of special interest, because of their central role as chemoattractants for lymphocytes and macrophages, the main cells of the adaptive immune response. In previous studies, we have found a relationship between tissue levels of MIP-1α and MIP-1β and clinical diagnosis in autoimmune thyroid glands. The measurement of these chemokines is difficult because of the existence of different isotypic forms. Here, we present a protocol that, taking advantage of small differences in nucleotide sequence, combines RT-PCR and restriction with MspI to allow the semiquantitative assessment of mRNAs from the two chemokines. The key feature of our approach is the introduction of an internal standard common to MIP-1α and MIP-1β which is co-amplified and contains a MspI restriction site. This allows the easy control of both the amplification (competitive RT-PCR) and the efficiency of the restriction. Real time PCR experiments demonstrated that the kinetics of the amplifications of the internal standard of both chemokines were similar, thus validating the approach. A time course of MIP-1β induction in U-937 cells showed substantial differences among the mRNAs derived from the two loci, an indication that this technique may contribute to study the differential expression of gene products of similar sequence using techniques available at most laboratories. PALABRAS CLAVE: MIP-1β/ MIP-1α/ Quimiocinas/ RT-PCR semicuantitativa/ Estándar interno. KEY WORDS: Chemokines/ MIP-1 . MIP-1 / Chemokines/ Semiquan-titative RT-PCR/ Internal standard. 1 Estos tres autores han contribuido de manera equivalente a la obtención de los resultados presentados, por lo que deberían ser considerados primeros autores independientemente de la posición que ocupan. 184 INMUNOLOGÍA INTRODUCCIÓN U no de los elementos definitorios de los procesos inflamatorios implicados en la mayor parte de las patologías en las que interviene el sistema inmunitario, es el grado y composición del infiltrado leucocitario. La migración selectiva de los leucocitos, controla tanto los procesos de recirculación fisiológica continua de las células del sistema inmunitario, como la llegada masiva localizada a las zonas lesionadas (inflamación). En ambos procesos, recirculación e inflamación, intervienen principalmente mecanismos de adhesión intercelular y del leucocito con la matriz extracelular (1). En todos estos procesos adhesivos se utilizan como mediadores moleculares las quimiocinas, citocinas de pequeño peso molecular que por su afinidad a la matriz extracelular forman gradientes de concentración alrededor de las células productoras. Sus similitudes estructurales y funcionales han llevado a la agrupación de todas estas pequeñas proteínas bajo el término estructural de superfamilia de las quimiocinas. Entre las características más relevantes de las quimiocinas, podríamos decir que son proteínas de pequeño tamaño (60-70 aminoácidos, aproximadamente) y que se encuentran altamente relacionadas en estructura (presentan una homología de al menos un 25%); así son fundamentales sus 2 primeros residuos cisteínicos del extremo N-terminal (2) puesto que son los aminoácidos que permiten subclasificar esta superfamilia en 4 grupos principales: a) las CXC o α-Quimiocinas que presentan un aminoácido separando estas 2 primeras Cisteinas; b) las CC o β- quimiocinas que no presentan aminoácidos adicionales entre ambas cisteinas [dentro de este grupo, ha sido identificada la llamada 6Ckine/SLC, la cual presenta un patrón inusual de 6 cisteinas en lugar de 4 (3)]; c) las XC quimiocinas o γ-quimiocinas, que pierden el primer y tercer residuo de cisteína (4,5) (sólo se ha descrito la linfotactina en este grupo); y d) las CX3C quimiocinas caracterizadas por sus 3 aminoácidos intercalados entre las 2 cisteínas “clasificadoras” (6,7) con la fractalcina como representante único. En cuanto a sus propiedades biológicas, las quimiocinas se distinguen por su capacidad de regular la movilidad celular por medio de la unión a receptores de membrana que presentan una cierta especificidad en el reconocimiento y en su distribución celular. Su papel en la adhesión es único, ya que modulan de manera muy precisa las funciones adhesivas de las células diana, promoviendo la polarización celular (8), la activación funcional de ciertas moléculas de adhesión (9) e incluso la inducción de diversos genes efectores fundamentales en los mecanismos de adhesión (10,11). No hay que olvidar que las quimiocinas desarrollan también efectos más amplios como la P. A DREANI ET AL. co-estimulación para la proliferación y diferenciación celular o la definición de patrones de síntesis de otras citocinas (1,12). Las quimiocinas actúan, de forma específica y selectiva sobre las células dianas, a través de sus receptores de membrana quienes inducen señales intracelulares mediante su acoplamiento a proteínas G (13,14). Hasta la fecha se han identificado una veintena de estos receptores (15-16), aunque, de acuerdo con evidencias funcionales, contamos con la existencia de otros receptores no definidos molecularmente aún (17). Estudios recientes de nuestro grupo (7), Ashhab y cols. in preparation), indican el posible papel de las β-quimiocinas en los fenómenos autoinmunes, cosa que coincide con el hecho de que en esta subfamilia se encuentran las quimiocinas con un mayor efecto localizador de monocitos y linfocitos (18). Mediante la aplicación y optimización de la metodología MOPAC (Mixed Oligonucleotides Primed Amplification of cDNA) (19), hemos podido demostrar que en glándulas tiroideas de enfermos de Graves-Basedow existe una expresión aumentada de MIP-1α, MIP-1β, MCP-1 y RANTES, mientras que no se detecta MCP-3. La especial sobreexpresión de MIP-1α y MIP-1β en las muestras estudiadas reafirman datos de otros autores que indican la existencia de factores de regulación conjunta de la expresión de ambas quimiocinas y en concreto en las enfermedades autoinmunes del tiroides. Nuestro grupo se ha interesado por diversos elementos de la estructura génica del MIP-1β puesto que el genoma humano presenta la secuencia no-alélica de un segundo locus. La existencia de dos loci para MIP-1β ya había sido postulada por trabajos previos (20, 21) donde se les dió el nombre de locus 744,1 (al que llamaremos en este artículo locus A con la idea de simplificar la terminología) y locus 744,2 (locus B). Aquellos datos basados en estudios genómicos llevaron a sus autores a sugerir que este segundo locus podía ser un pseudogén (20), aunque los trabajos de nuestro grupo (7) indican que el locus B puede ser codificante. De hecho, esta duplicidad de loci codificantes para MIP-1β ha sido constada también para MIP-1α (SCYA3 y SCYA3L) en la que el “segundo locus” (SCYA3L, al que también denominaremos a partir de ahora locus B) codifica para una segunda forma de MIP-1α (MIP-1αP o LD78β) (22). En este trabajo, se expone la aproximación metodológica que nos permite valorar la expresión de MIP-1α y MIP-1β (tanto del locus A como del locus B). Esta técnica se ha puesto a punto como medio para comparar la regulación de la expresión de los dos loci de ambas quimiocinas, y para determinar si contribuyen de forma distinta a los fenómenos de localización y de modulación de la respuesta inmunitaria. Nuestros resultados demuestran la factibilidad de la aproximación, que se fundamenta en el uso de un estándar interno como control en una RT-PCR competitiva y de la discriminación de cada 185 DETERMINACIÓN SEMICUANTITATIVA DE LA EXPRESIÓN DE ARNm DE LAS ISOFORMAS DE MIP-1α Y MIP-1β uno de los loci de interés gracias al uso de una endonucleasa de restricción. Esta aproximación metodológica, debe considerarse como una herramienta simple pero muy útil para la valoración cuantitativa de la expresión de los ARNm de los loci A y B de las quimiocinas MIP-1α y MIP-1β. MATERIAL Y MÉTODOS Cultivo celular Nuestros estudios se han realizado con ARN de la línea monocítica U-937 obtenida de la ATCC (American Tissue Culture Collection). El medio de cultivo utilizado fue RPMI 1640 suplementado con 10% FCS y 2 mM L-glutamina (los tres productos de Life Technologies, Merelbeke, Bélgica), además de gentamicina 40 mM (Sigma, St. Louis, MO, EE.UU.) y Penicilina 100 UI/ml (Laboratorios Ern, Barcelona, España). Todas las incubaciones y cultivos se hicieron a 37º C con 5% CO2 / 95% aire. 2 Los cultivos se realizaron en frascos de 75 cm (Costar, Nalge Nunc International, Dinamarca) en suspensión. Las estimulaciones celulares con Ionomicina (1µg/ml), LPS (0,1µg/ml) y PMA (0,1µg/ml) (Sigma, St. Louis, MO, EE.UU.) se llevaron a término a tiempos de 0, 3, 6 y 24 h, respectivamente. Debido a la inestabilidad intrínseca de los extremos UA 3’ del ARNm de las quimiocinas, agregamos a los cultivos 10 mg/ml de cicloheximida (Sigma, St. Louis, MO, EE.UU.) 3 h antes de la recolección para aumentar la estabilidad. Extracción de ARN El método empleado fue el descrito previamente por Chomczynsky (23) adaptado ligeramente en nuestro laboratorio. Brevemente, el pellet seco pro6 veniente de 5.10 células cultivadas (y estimuladas), guardado a –70º C hasta el momento de su utilización, se homogeneiza agregando 500 µl de solución de desnaturalización (tiocianato de guanidina 4M; citrato de sodio 25 mM; 2-β mercaptoetanol 0,1M; N-lauroilsarcosina 0,5%; antifoam 0,5%) 50 µl acetato de sodio 2M pH 4 y 500 µl de fenol saturado con agua, mezclando con vórtex después de la adición de cada uno de los reactivos. Se incuba en hielo durante 10 min y se agregan 150 µl de una mezcla de cloroformo-isoamilalcohol que también se incuba en hielo por 10 min más. Se centrifuga 20 min a 10.000 rpm (4º C), para separar la fase acuosa de la orgánica, precipitándola seguidamente con 1 vol de isopropanol (incubación de 1 h a -70º C) y centrifugando 30 min a 14.000 rpm (4º C). Tras descartar el sobrenadante, el pellet se resuspende en 300 µl de solución de desnaturalización y 150 µl de fenol saturado en agua. Se mezcla con un vórtex, agregando seguidamente 150 ml de una mezcla de 186 VOL. 20 NÚM. 4 / 2001 cloroformo-isoamilalcohol. Tras incubar 10 min a 4ºC, se centrifuga a 10.000 rpm durante 20 min (4ºC), transfiriendo el sobrenadante a otro tubo donde se reprecipita con 1 vol de acetato potásico y 2 vols de etanol absoluto (post-centrifugación a 14.000 rpm durante 30 min a 4ºC). El pellet obtenido se lava 3 veces con etanol al 70%, se seca bien y se resuspende en 20 µl de agua de DEPC (H2O destilada tratada 20 h con dietilpirocarbonato, [Genaxis Botechnology, Saint-Cloud Cedex, Francia] y posteriormente autoclavada). La concentración de ARN se determina por espectrofotometría a una longitud de onda de 260 nm, evaluando también su pureza (relación entre las lecturas a 260 y 280 nm; este valor debe encontrarse entre 1,8 y 2,0 para que podamos considerar acceptable la extracción). La integridad del ARN se valora por comparación interna (y con una muestra de ARN de E. Coli) por medio de un gel de agarosa teñido con bromuro de etidio. Se considera que el ARN está íntegro, cuando las bandas correspondientes a los ribosómicos presentan aproximadamente una intensidad 2/1 en el ratio 28S/18S. Tratamiento con DNAsa-I de las preparaciones de ARN Para eliminar los residuos de ADN genómico, que pudieron haber sido extraídos junto con el ARN, las muestras son tratadas de la siguiente manera: 2µl de tampón (40mM Tris-HCl pH 7,5; 6mM MgCl2), 2µl DNAasaI (Amersham Pharmacia Biotech. Barcelona. España), Xml de muestra de ARN y 16-X µl de H2O destilada. La mezcla se incuba a 37º C durante 30 min. Luego se cuantifica nuevamente el ARN y se recomprueba su integridad. Finalmente, el ARN se precipita con acetato potásico 3M, glucógeno 20 mg/ml y 1 volumen de isopropanol, lavándolo con etanol al 75%. El pellet obtenido se diluye en agua de DEPC y se conserva a -20ºC. Retrotranscripción Se desnaturaliza previamente el ARN (1µg diluido en agua hasta 11,8 ml) incubándolo a 68ºC durante 5 min. Inmediatamente después se coloca a 4º C durante 5 min. La reacción de retrotranscripción se realiza según las condiciones indicadas por el proveedor de la Superscript II (Life Technologies, Merelbeke, Bélgica): 4µl de Tampón de primera cadena (5X), 1µl de dNTPS (2mM), 2µl DTT (0,1M), 2µl Oligo-dT24 (500µM), los 11,8µl del ARN desnaturalizado, 0,5µl RNAsin (40U/µl), y 0,5µl Superscript-II (200U/µl). La reacción se incuba 60 min a 42º C. Para inactivar el proceso las muestras se calientan hasta 99º C durante 5 min, reenfriándolas a 4º C (5 min más). Los 20 µl de reacción se diluyen 4 veces en EE, usando 1µl de este ADNc INMUNOLOGÍA diluido para cada 10 µl de reacción de la PCR. Todos los reactivos utilizados fueron suministrados por Promega (Madison, WI, USA) a excepción de la Superscript-II y su tampón. RT-PCR. Condiciones generales Las diversas RT-PCR se han desarrollado bajo las siguientes condiciones generales de amplificación: 1ml de tampón de PCR (10X, con MgCl2 15 mM); 1µl de mix dNTPs (2mM); 0,5 µl de cebador antisense (10mµM); 0,5µl cebador antisense (10µM); 2µl de ADNc; 3µl de H2O. Las muestras se someten a los cambios de temperatura controlados por el termociclador (MJ. Research, modelo Mini Cycler), iniciando el proceso con un inicio en caliente (Hot Start) a 80º C, tras lo cual se agregan 500 mU de la ADN-Polimerasa DynaZyme II (Finnzymes OYFinlandia) diluidas en 2µl de agua. Posteriormente se aplica el siguiente programa de ciclación: 30 s a 95º C, 30 s a 59º C y 30 s a 72º C, que se repite por 35 ciclos con una extensión final de 5 min a 72º C. Las secuencias de los cebadores utilizados para la amplificación de MIP-1α son: Cebador α-Sense ⇒ 5’ TTCCGTCACCTGCTCAGAAT 3’; Cebador α-Antisense ⇒ 5’ GAAGAGGTAGCTGTGGAGGTCAC 3’. Para la amplificación de MIP-1β son: Cebador β-Sense ⇒ 5’ CGCAACTTTGTG-GTAGATTACTAT 3’; Cebador β-Antisense ⇒ 5’ AAATAATGGAAATGACACCTAATA 3’, todos ellos validadados en trabajos anteriores de nuestro laboratorio. Normalización del ADNc Para valorar el estado de la muestra y normalizar los resultados a un parámetro común, todas las muestras fueron amplificadas con cebadores específicos (Oligo Etc, Wilsonville, OR, USA) para el gen de la enzima de expresión constitutiva GAPDH (glutaraldehido-fosfato-deshidrogenasa) diseñados en nuestro laboratorio (24): Cebador Sense: 5’ CTTCTTTTGCGTCGCCAG 3’; Cebador Antisense: 5’ TCTTCTTTTGCGTCGGCCAG 3’. Para esta amplificación también se realiza un Hot Start a 80º C, seguida por 25 ciclos del siguiente programa: 30 s a 94º C, 30 s a 63º C y 30 s a 72º C, con un extensión final de 5 min a 72º C. La amplificación se evalua con 5µl del amplímero en un gel de agarosa al 2% agarosa (Estándar media EEO, Ecogen, Barcelona, España). Diseño del Estándar Interno Para generar el Estándar Interno (EI) se utilizó una pequeña región del gen de la insulina (zona 3’ no codificante), ya que presenta un tamaño (339 pb) P. A DREANI ET AL. parecido al de los amplímeros en estudio [MIP-1a (404pb) y MIP-1β (316pb), además de presentar en su secuencia una diana de restricción para la endonucleasa MspI (CCGG). A partir de los cebadores (ILJ3 e ILJ2) utilizados para estudiar el citado fragmento del gen de la insulina, se diseñaron dos cebadores híbridos (IEI1 e IEI2) que manteniendo en 3’ las secuencias de ILJ3 e ILJ2, se les yuxtapuso consecutivamente en sus extremos 5’ las secuencias de los cebadores para MIP-1α y para MIP-1β. Para facilitar su clonación y manipulación, se introdujo también en estos cebadores híbridos las secuencias diana de las enzimas de restricción BamHI y NsiI. (Ver esquema de la Fig. 1), más 2-3 bases en el extremo 5’ para que asegurasen una buena eficiencia en la digestión. Así, IEI1 es el oligonucleótido resultante de combinar las secuencias de BamHI + β-Sense + αSense + ILJ3, mientras que IEI2 presenta las secuencias NsiI + β-Antisense + α-Antisense + ILJ2 (según dirección 5’-3’ convencional). En la base del esquema que se presenta en la figura 1 se detallan las secuencias concretas de IEI1 e IEI2. Utilizando los cebadores IE1 e IE2 y las condiciones optimizadas para la amplificación del gen de la insulina con ILJ3 e ILJ2 (35 ciclos del siguiente programa: 20 s a 95º C, 30 s a 65º C y 30 s a 72º C, con un extensión final de 7 min a 72º C) y partiendo de 100 ng de ADN genómico humano, se obtuvo un amplímero de 448 pb. Dicho fragmento se purificó por electroelución en cámara de Biotrap (Schleicher & Schuell; Dassel, Germany) tras electroforesis en agarosa y se clonó por ligación en el vector pZErO2 (Invitrogen; Paisley, Scotland). Su fácil crecimiento en bacterias permite la obtención de un preparado homogéneo que una vez cuantificado posibilita su utilización como estándar interno en una reacción de RT-AFLP (Amplification fragment length polymorphism) competitiva. PCR Semicuantitativa Debido a la elevada homología existente entre los locus A y B de las quimiocinas MIP-1α y MIP1β a nivel de la secuencia nucleotídica, optamos por estudiar los niveles de expresión de cada uno de los loci a través de una RT-PCR competitiva semicuantitativa, a la que asociamos la capacidad discriminativa entre loci de los patrones de restricción en base a la endonucleasa MspI. MspI es una enzima de restricción que reconoce la secuencia CCGG que en el caso de MIP-1α s e encuentra 3 veces en el producto amplificado del locus A, pero sólo 1 vez en el locus B; mientras que en el caso de MIP-1β sólo se encuentra una única vez presente en la secuencia amplificada del locus A (ninguna en el locus B). Así, de manera secuencial utilizamos la siguiente metodología: Partiendo de 2 µl de ADNc, se añaden a la reacción 2 µl del Estándar Interno (EI) recombi- 187 DETERMINACIÓN SEMICUANTITATIVA DE LA EXPRESIÓN DE ARNm DE LAS ISOFORMAS DE MIP-1α Y MIP-1β 20 NÚM. 4 / 2001 lEl2 77 b NsiI β-as 9b α-as 25 b 23 b ILJ2 20 b MspI α-s ILJ3 19 b β-s 20 b BamHI 24 b 8b lEl1 71 b VOL. Gen Insulina 339 pb lEl1: CGGGATCC CGCAACTTTGTGGTAGATTACTAT TTCCGTCACCTGCTCAGAAT TGGAGATGGGTGGGAGTGT BamHI β-sense α-sense ILJ3 lEl2: CCAATGCAT AAATAATGGAAATGACACCTAATAC GAAGAGGTAGCTGTGGAGGTCAC AGGGCTTTATTCCAT NsiI β-antisense α-antisense ILJ2 Figura 1. Esquema del estándar interno(EI) utilizado en nuestra aproximación de RT-PCR. En línea gruesa, se presenta el amplímero del gen de la insulina con el punto de corte para MspI. En trazo más fino asociado al amplímero del gen de la insulina se representan los cebadores híbridos IEI1 e IEI2, cuya secuencia concreta se precisa en la base del esquema señalando los nucleótidos correspondientes a las secuencias de los cebadores de la insulina (ILJ3 y ILJ2), MIP-1α (αsense y α-antisense) y MIP-1β(β-sense y β-antisense) además de las dianas de restricción (BamH1 y NsiI). Las abreviaturas b y pb se refieren las longitudes de las diversas regiones expresadas en bases y pares de bases respectivamente. nante a concentraciones conocidas (en el mismo tubo). Las amplificaciones de MIP-1α y MIP-1β, se realizan sobre muestras separadas utilizando los oligonucleótidos correspondientes. El producto así obtenido es sometido a digestión (37º + C durante 1h) en tampón (Y /Tango) con 10 U de la enzima MspI (Fermentas; Vilnius, Lithuania). P o s t e r i o rmente la definición del patrón de re stricción se realiza en gel de agarosa al 2 %. La densitometría de las distintas bandas electro f o r é t icas permite la cuantificación de las muestras tanto a nivel relativo (proporción de locus A respecto a locus B) como absoluto (en relación con el EI precuantificado). Cabe reseñar aquí, que el EI no sólo permite controlar la amplificación del ADNc sino que también a través de su nivel de digestión (porcentaje de digestión de EI sobre el no digerido) se obtiene otro parámetro básico en esta valoración cuantitativa: el control de la digestión. Este aspecto es fundamental para la evaluación de MIP-1β, puesto que el locus B, al no presentar diana de restricción para MspI, puede confundirse con la parte no digerida del locus A (las digestiones parciales son habituales) y por tanto conocer el grado de digestión del EI permite ponderar las cuantificaciones reales de las quimiocinas de interés. miocinas a estudio, decidimos emplear una aproximación basada en la metodología de PCR a tiempo real (Real Time PCR o rt-PCR). La monitorización de la rt-PCR se realizó con el fluorocromo intercalante SYBRGreen (Roche; Mannheim, Germany) con el equipo LightCycler® (Roche; Mannheim, Germany). Para ello, utilizamos diluciones seriadas tanto de amplímeros precuantificados de los loci en estudio, como del EI (realizando el estudio tres veces con muestras por duplicado). Los ensayos se desarrollaron bajo los siguientes parámetros: 1µl de la mezcla de reactivos de rt-PCR 10X (Taq ADN polymerase, reaction buffer dNTP mix [con dUTP en lugar de dTTP], SYBR Green I dye y 10 mM MgCl2); 1,2 µl de MgCl2 25mM (concentración final 4 mM); 0,5 ml de cebador sense (10 µM); 0,5µl cebador antisense (10 µM); 3 µl de molde-muestra; 4,8 µl de H2O. El estudio realizado tanto con MIP-1α como con MIP-1β, se presenta aquí sólo para MIP-1β. Las amplificaciones se realizaron en 35 ciclos del siguiente programa: 30 s a 95º C, 30 s a 59º C, 30 s a 72º C con una extensión final de 5 min a 72º C. Las lecturas de fluorescencia se realizaron a 72º C en cada ciclo y la evaluación de la temperatura de fusión de los productos amplificados durante el período final de desnaturalización entre 45º C y 95º C. Real Time PCR RESULTADOS Para comprobar que las cantidades de amplímero producido por la PCR del EI era equiparables con las que se producen en la amplificación de las qui- 1. Obtención de un estándar interno co-amplificable con el ADNc nativo de MIP-1α y MIP-1β como control de RT-PCR. 188 INMUNOLOGÍA P. A DREANI ET AL. La necesidad de controlar el proceso de amplificación de los loci de MIP-1α y MIP-1β, nos llevó a diseñar unos cebadores híbridos que tras la amplificación de un gen no-relacionado nos rind i e ron un producto de PCR de distinto peso molecular al de los amplímeros en estudio, pero que contenía en sus extremos las secuencias de los cebadores que se pretenden utilizar para amplificar el ADNc tanto de MIP-α como de MIP1β (ver Fig. 1). En el caso de MIP-1α (Fig. 2A), los productos amplificados en esta RT-PCR competitiva con los cebadores α-sense y α-antisense se distinguen por su peso molecular, ya que mientras el amplímero del gen rinde un producto de 404-407 pb (404 pb según la secuencia de locus A y 407 pb para el locus B), el producto del amplificado con el EI es de 382 pb (menor peso molecular que el gen de interés). En cambio para MIP1β (Fig. 2B), la RT-PCR competitiva con los cebadores β-sense y β-antisense produce sobre el EI un amplímero de mayor peso molecular (431 pb) que el del MIP-1β (316 pb tanto para locus A como para locus B). Cabe destacar que en ambos casos es demostrable durante la reacción de amplificación la competición entre el ADNc de interés y el ADN del EI. 2. La PCR competitiva permite la cuantificación en número de copias del gen de interés. Partiendo de ADNcs, normalizados para GAPDH, la PCR competitiva permite deducir el número de copias iniciales (de MIP-1α o MIP-1β) en el ADNc problema, a partir de un número de copias conocidas en el EI coamplificado. La figura 3 muestra un ejemplo con una de estas cuantificaciones para MIP1β, en una muestra proviniente de células U-937 estimuladas con LPS y tratadas con cicloheximida. De hecho la metodología atribuye el número de copias iniciales que la PCR amplifica por comparación con el número de copias iniciales del EI. Así, en sentido estricto, sólo si la cantidad del amplímero obtenido de MIP-1β (que incluye las amplificaciones de locus A y de locus B) tuviera su concentración molar igual a la del EI, podríamos deducir que E.I. cDNA 5 10 + 10 + 4 3 10 + E.I. cDNA A. Co-amplificación de E.I.( ) y MIP-1α (→) 40.000 → X X 30.000 Phix174 RF/Rsal E.I. 103 E.I. 103 E.I. 104 E.I. 10 5 – Phix174 RF/Rsal cDNA cDNA cDNA cDNA cDNA – – 20.000 cDNA X X 10.000 105 104 103 E.I Copias Figura 3. Cuantificación de la reacción competitiva. En B. Co-amplificación de E.I.( ) y MIP-1β ( ) Figura 2. Comparación de las co-amplificaciones de EI con MIP-1α o MIP-1β de U-937 estimuladas. En A se muestra la co-amplificación del estándar Interno (EI) y el ADNc de MIP-1α donde la banda superior corresponde al amplímero de MIP-1α (404 pb) y la banda inferior al EI (382 pb). En B se muestra la coamplificación del EI y el ADNc de MIP-1β, donde la banda superior corresponde al EI (431 pb) mientras que la banda inferior corresponde al amplímero del ADNc de MIP-1β (316 pb). el lado izquierdo de la figura se muestra la electroforesis en gel de agarosa de una coamplificación del Estándar Interno 5 4 3 (EI) a concentraciones decrecientes (10 , 10 y 10 ) y del ADNc de las muestras de MIP-1β de U-937 estimuladas (cantidad fija). En la zona izquierda del lado derecho de la figura, se muestra la graficación lineal de esta amplificación, para extrapolar y cuantificar la cantidad de MIP-1β total de la muestra problema. Para ello se grafican (de manera logarítmica) las copias iniciales del EI respecto a las densidades ópticas de sus amplímeros electroforéticamente resueltos (unidades arbitrarias) y densitométricamente evaluados (X de color gris). A partir del valor densitométrico del ADNc (X de color negro) de la muestra problema (en su dilución más equivalente a la amplificación del EI), se extrapola de la gráfica el número de copias iniciales de la muestra. 189 DETERMINACIÓN SEMICUANTITATIVA DE LA EXPRESIÓN DE ARNm DE LAS ISOFORMAS DE MIP-1α Y MIP-1β la concentración inicial también era idéntica. Cuando los valores no son idénticos (lo habitual), procedemos a graficar la relación que existe entre el EI y la muestra en la amplificación más semejante (se grafican los valores densitométricos de las citadas bandas electroforéticas o si se introduce marcaje radioactivo la señal radioactiva de dichos amplímeros) tal y como se muestra en la figura 3, deduciendo a partir de la gráfica el número de copias en el problema. En cualquier caso, la realización del cálculo de ratios en proporción logarítmica (25) permite la cuantificación más exacta de los productos amplificados. 3. El estándar interno actúa como control de la digestión para la evaluación por AFLP posterior de la pro p o rción de los loci A y B de MIP-1α y MIP-1β. El protocolo de co-amplificación pro p u e s t o p e rmite, a través de la digestión con MspI, distinguir el nivel de expresión de los loci A y B tanto de MIP-1α como de MIP-1β (Fig. 4). Dado que el EI coamplificado presenta una diana de restricción, este estándar nos permite monitorizar esta digestión al liberar dos fragmentos de restricción de distinto peso molecular (Tabla I). Así tras la amplificación del ADNc y el EI con los cebadores de MIP-1α tal y como se ha comentado, se obtienen dos amplímeros de 404-407 pb por parte de MIP-1α (404 pb según la secuencia de locus A y 407 pb para el locus B) y de 382 pb por parte del EI. La digestión con MspI digiere los 382 pb del EI en dos fragmentos de 265 y 117 pb que son perfectamente distinguibles de la longitud de los fragmentos de restricción procedentes de MIP1α: 176, 138, 62 y 28 pb por parte del Locus A (4 bandas) y 231 y 176 pb por parte del locus B (2 bandas). Para la amplificación del ADNc y el EI con los cebadores de MIP-1α, se obtienen un a m p l í m e ro de 431 pb por parte del EI y otro de 316 pb por parte de MIP-1b. En este caso (Fig. 4), la digestión con MspI produce fragmentos de 290 y 141 pb provenientes del EI y de 316 (locus B), 190 y 126 pb (correspondientes al locus A) por lo que se refiere a MIP-1β. De hecho es en el estudio de MIP-1β donde se demuestra la mayor utilidad del EI como control de la digestión con MspI, puesto que debido a que la valoración del locus B es sólo posible por la ausencia de la diana de MspI en el locus B, es imprescindible un buen control que permita valorar el nivel de digestión parcial de la misma. Este nivel de digestión, calculado como porcentaje de la densidad restante de la banda de 431 pb respecto a la de 290 pb ponderada por 1,48 (la relación entre las 431 bases y las 290 de ambas bandas), nos permite reevaluar, con un mayor nivel de precisión, la cuantificación densitométrica del locus B, evitando que se sobrevalore su expresión por la prop o rción de locus A no digerido y a su vez la del locus A que si no, se vería subvalorado. 190 VOL. 20 NÚM. 4 / 2001 Digerido No Digestivo con Mspl Estándar Interno (431 pb) Digestión parcial E.I. cDNA Locus A + Locus B (316 pb) Locus B (315 pb) Fragmento 1 Estándar Interno (290 pb) Fragmento 1 Locus A (190 pb) Fragmento 2 Estándar Interno (141 pb) Fragmento 2 Locus A (126 pb) Figura 4. Discriminación de los isotipos de MIP-1β. La figura muestra la resolución electroforética de la digestión (locus A del MIP-1β y el Estándar Interno (EI)) con la enzima de restricción MspI en relación con la misma muestra sin digerir. El carril izquierdo muestra el ADNc de MIP-1β y del EI sin digerir, definiéndose 2 bandas: una de 431 pb (correspondiente al EI) y la otra de 316 pb (que corresponde a los ADNc del locus A y del locus B). El carril derecho muestra la digestión de la misma muestra por la enzima MspI, la cual origina 5 bandas: 2 que corresponden al EI (290 pb y 141 pb), 2 al ADNc del locus A (190 pb y 126 pb) y una al ADNc del locus B (315 pb) que no es digerible por la enzima. Además se señala con una flecha superior los restos de EI que permanecen por falta de digestión (digestión parcial). Tabla I Longitud (en pb) de los productos de amplificación y de los fragmentos de restricción tras RT-AFLP para MIP-1α y MIP-1β MIP-1α Digestión Mspl Moldes para PCR - MIP-1β + - 265 EI 382 290 431 117 407 (B) cDNA 404 (A) + 141 231 (B) 176 (A y B) 316 (B) 316 (B) 138 (A) 316 (A) 190 (A) 62 (A) 126 (A) 28 (A) En la tabla se muestran los pesos moleculares (en pares de bases) de los productos de amplificación con los cebadores específicos para MIP-1α y MIP-1β y de los subsiguientes fragmentos de restricción obtenidos tras la digestión con Mspl. En la tabla se separan los productos del EI y de los genes de interés (el molde usado son los cDNA obtenidos tras retrotranscripción de los RNA´s extraidos de los muestras a estudio) aunque en la metodología propuesta los fragmentos de uno y otro se entremezclan en la electroforesis convencional sobre gel de agarosa. Entre paréntesis se expresan los loci génicos de los que provienen los amplímeros y fragmentos discriminados. Las flechas indican la procedencia de los fragmentos. INMUNOLOGÍA P. A DREANI ET AL. 4. Uso de la 1a RT-AFLP para la evaluación de la inducción génica de MIP-1α y MIP-1β. A partir de la cuantificación densitométrica de los fragmentos de restricción con MspI, se determina semicuantitativamente el número de copias trascritas por el locus A o el locus B de ambas β-quimiocinas, obteniendo a su vez una información exacta de la proporción en que ambos loci contribuyen a la síntesis de cada quimiocina. En la figura 5 se muestra como esta estrategia aplicada al estudio de MIP-1β permite discriminar la inducción diferenciable entre el locus A y el locus B frente a diversos estímulos y tipos celulares. La figura 5A ejemplifica en uno de los geles para el estudio de la expresión de MIP-1β en la línea mielomonocítica U-937 frente a la estimulación con Ionomicina, LPS y PMA. En la figura 5B, se grafican los resultados densitométricos de este experimento una vez analizados y ponderados, dis- PMA A LPS 3h 6h 24h 3h 6h + - + - + - + - + - tinguiendo la contribución a la inducción de la expresión de los loci de MIP-1β. De hecho, tanto esta figura de ejemplo como otros datos propios (en preparación para su publicación) realizados con esta estrategia nos han permitido demostrar que los estímulos inductores actúan a niveles y con cinéticas muy distintos para locus A y locus B de MIP-1β lo cual implica diferencias en sus promotores, que hasta ahora no han sido estudiados de forma comparativa. De manera equivalente, la metodología es aplicable al estudio de los locus A y B de MIP-1α. 5. Comparacación de las cinéticas de la reacción de amplificación del EI con la de los ADNcs de MIP-1β. Evaluación conjunta de la cinética de co-amplificación. Dado que la metodología de la co-amplificación competitiva respecto a un estándar precuantificado presupone que el comportamiento del estándar es equivalente al del gen que se estudia, planteamos lonomicina 24h No estim. MIP-1β + - + - Dig.Mspl 3h - 6h + -- 24h ++ - + GAPDH 1. Cuantificación de la expresión de MIP-1β Locus A B 2. Cuantificación de la expresión de MIP-1β Locus B 12000 900 8000 600 4000 300 0 0 0h 3h 6h PMA 0h 24h LPS Ionom. 3h 6h 24h No estim. Figura 5. Análisis semicuantitativo de MIP-1β tras la estimulación de células U-937. En A se muestra la resolución electroforética de la cinética (situación basal, 3h, 6h y 24h post-estímulo) de inducción de la expresión tanto del locus A como del locus B del MIP-1β tras la estimulación de la línea celular U-937 con PMA, LPS e Ionomicina. También se muestra la digestión (+) y la no digestión (-) con la enzima MspI en cada uno de los casos. Las muestras fueron normalizadas previamente con GAPDH (imagen inferior de la figura). En B se representan las cuantificaciones normalizadas de la expresión del MIP-1β tanto del locus A (lado izquierdo) como del locus B (lado derecho) tras las citadas estimulaciones con PMA, LPS e Ionomicina. 191 DETERMINACIÓN SEMICUANTITATIVA DE LA EXPRESIÓN DE ARNm DE LAS ISOFORMAS DE MIP-1α Y MIP-1β analizar la veracidad de esta afirmación mediante el uso de la PCR en tiempo real (rt-PCR). Para ello, comparamos las cinéticas de amplificación de los ADNcs de los genes a estudio respecto al EI, mediante la monitorización continuada que ofrece la rtPCR. Concretamente, la figura 6 muestra las curvas de amplificación para los cebadores de MIP-1β aplicados a amplímeros de MIP-1β (precuantificados y 7 6 diluidos hasta 10 y 10 copias iniciales) en relación a las curvas del EI que hemos desarrollado (pre7 6 5 cuantificados y diluidos a 3x10 , 10 y 10 copias iniciales). Las curvas de amplificación del EI, si bien no son idénticas a las propias del MIP-1β, sí que son globalmente equiparables, en especial las pendientes de las mismas que definen la eficiencia de amplificación y por tanto la cantidad de copias del molde de partida. De hecho, el estudio demostró que esta similitud de comportamiento se produce especial7 5 mente en el rango de 10 -10 copias iniciales. Por debajo y por encima de ello existe una mayor divergencia entre el EI y el producto normal (datos no mostrados). En cualquier caso, estos resultados nos demuestran que el EI puede considerarse una aproximación absolutamente aceptable en la evaluación semicuantitativa de la expresión de los transcritos de los genes de MIP-1β. 20 NÚM. 4 / 2001 cuantitativa por RT-PCR del ARNm de las quimiocinas MIP-1α y MIP-1β, de manera sencilla y fiable. Conceptualmente, el interés real de esta aproximación radica en el estudio de las funciones de las quimiocinas, al quedar bien establecido que su expresión define la localización de las células inmunitarias y, por tanto, el funcionamiento del sistema inmunitario (26) y de los órganos linfoides (27-28), en situaciones fisiológicas y patológicas (29-30). Su valoración en todas estas condiciones, a menudo requiere de la evaluación de los ácidos nucleicos codificantes. La cuantificación de los transcritos es necesaria en las quimiocinas inducibles, como MIP-1α y M I P - 1β, en las que se conoce que los cambios relativos se relacionan con comport a m i e n t o s funcionales distintos (31). El uso de la RT- P C R sin duda posibilita esta evaluación, aunque la diversidad de comportamiento de la PCR en las diversas circunstancias de los ensayos y su cinética que converge hacia la meseta de máxima amplificación hacen necesario el uso de controles del proceso. Existen diversas aproximaciones para controlar el proceso, pero hasta la reciente irrupción de la PCR en tiempo real, el uso de cont roles internos (en cada tubo de amplificación) se ha demostrado como la mejor apro x i m a c i ó n metodológica. La existencia de 4 loci genéticos codificantes (locus A y locus B) de MIP-1α y MIP-1β obliga a diseñar estrategias para su análisis por separado si se desea estudiar su contribución individual al conjunto. Dada la gran similitud entre estas isoformas DISCUSIÓN Los resultados presentados muestran que el d e s a rrollo y uso del fragmento competidor recombinante (EI) permite la valoración semi35,0 32,5 30,0 27,5 VOL. 3x107 EI 106 MIP-1β 106 EI 25,0 22,5 20,0 17,5 107 MIP-1β 105 MIP-1β 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 -2,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Cycle Number Figura 6. Comparación de cinéticas de amplificación del EI o fragmento competidor respecto al ADNc de MIP-1β. Se presentan las curvas obtenidas por rt-PCR (PCR a tiempo real) que muestran cinéticas de amplificación tanto del MIP-1β 7 6 5 como del EI. Las curvas corresponden a las amplificaciones de las diferentes diluciones del EI (3x10 , 10 , y 10 copias), y 7 5 de amplímeros pre-cuantificados de MIP-1β (10 , y 10 copias). Merece la pena observar que las cinéticas, si bien no son idénticas, sí que pueden considerarse equivalentes, en especial respecto a las pendientes de amplificación de las mismas. 192 INMUNOLOGÍA (los mensajeros no sólo son prácticamente iguales en cuanto a longitud, sino que incluso las secuencias son más de un 99% homólogas), este estudio requiere la combinación de otra metodología que se añade a la simple RT-PCR. En nuestro caso, planteamos como estrategia metodológica el uso de MspI que posibilita la discriminación de ambos loci por la longitud de los fragmentos de restricción de los amplímeros (RT-AFLP). Para poder cuantificarlos, hay que controlar los dos parámetros que podrían introducir más variaciones en este doble proceso: la diversidad de la cinética de amplificación del ADNc y la eficiencia de la digestión con MspI. Con este objetivo, de nuevo el EI será una herramienta imprescindible puesto que permite a) controlar la eficiencia de la digestión con la citada endonucleasa sobre cada tubo, distinguiendo los fragmentos no digeridos (no presentan esta diana), y b) recuantificar de manera precisa los valores calculados por densitometría. De hecho en el caso concreto de MIP-1β, los loci A y B presentan una homología muy elevada en su secuencia codificante (ADNc), aunque difieren en algunas bases. Esta diferencia es clave para la identificación de cada locus al utilizar la enzima MspI que reconoce la secuencia CCGG, presente sólo en el locus A (el locus B presenta la secuencia CTGG). Cuando se produce el corte, se generan 2 fragmentos en el locus A; mientras que el locus B queda intacto. Estos fragmentos son perfectamente visualizables en un gel de agarosa. Merece la pena destacar aquí, que en algunos casos también se puede distinguir una forma truncada del locus B, que presenta 15 pb menos (datos no mostrados). Esta aproximación metodológica se demuestra simple y útil para el estudio de la expresión de las quimiocinas MIP-1α y MIP-1β, aunque presenta algunas limitaciones que podrían cuestionar su exactitud. Por un lado, tal y como se describe, se trata de una estrategia que más que cuantitativa debe adjetivarse como semi-cuantitativa (y así se cataloga a lo largo del trabajo) El prefijo semi- debe aplicarse porque los valores de copias iniciales de transcrito no son absolutos, ya que no se correlacionan exactamente con los ARNm de partida. El control que aporta el EI se aplica a partir del ADNc, por lo que no monitoriza los procesos previos (específicamente la extracción de ARN desde las células y la posterior retrotranscripción). Si bien no resulta demasiado atrevido asumir eficiencias equivalentes para estos procesos previos a la amplificación, en sentido estricto sería conveniente introducir el control desde la extracción. Para ello bastaría con transcribir el EI in vitro a partir del plásmido recombinante (aprovechando para ello la secuencia promotora Sp6 del pZErO-2), cuantificar el ARN producido y añadirlo a la concentración adecuada en el mismo momento de la extracción. De este modo, este EI en forma de ARNm controlaría la eficiencia de todo el proceso. Es obvio que P. A DREANI ET AL. esta estrategia aunque más precisa, resulta técnicamente más compleja y delicada, y si bien puede ser requerida en determinadas aplicaciones (por ejemplo evaluación de cargas virales para virus ARN), en general no suele exigirse en el estudio de la expresión de genes eucariotas, asumiendo que la aplicación de un control a partir de la PCR permite obtener resultados que “sólo pueden considerarse semicuantitativos” (como es nuestro caso). En este sentido, el uso de un EI competidor (incluso en forma de ARN) de distinto peso molecular presupone que éste mantiene la misma eficiencia de amplificación que el ADNc de interés. Y de nuevo esta presunción, si bien en general es aceptable, en sentido estricto es como mínimo imprecisa. De hecho, nuestros resultados (Fig. 6) demuestran esta imprecisión, puesto que las diferencias de secuencia de los moldes (en este caso debido al distinto peso molecular) influyen en la eficiencia de la amplificación. Por ello, se diseñan EI de peso molecular muy similar al del producto a estudio, prefiriendo usar en general, estándares internos de mayor peso molecular (como MIP-1β) que de menor peso (como MIP-1α). Con ello, se busca sobreestimar el gen de interés (en general los amplímeros de menor peso molecular se amplifican mejor), evitando la infravaloración que un EI menor que el gen de interés pudiera producir al competir con mayor eficiencia. Todas estas limitaciones conceptualmente se evitan con la aplicación de la RT-PCR a tiempo real, puesto que el seguimiento continuo de la reacción que permiten estos equipos hace innecesaria la introducción de un EI de distinto peso en la muestra. En la rt-PCR, son los parámetros de la cinética de amplificación (pendiente, señal de fondo, meseta final, etc.) los que permiten asegurar la cuantificación por comparación respecto a muestras previamente cuantificadas que se amplifican en reacciones simultáneas (e incluso previamente almacenadas). Es posible que en aras de una máxima precisión fuera aconsejable cuantificar globalmente MIP-1α o MIP-1β por rt-PCR, añadiendo a posteriori el EI amplificado para que controlara el nivel de eficacia de la digestión, permitiéndonos así definir la contribución de cada loci a esta cantidad global de CC-quimiocinas. En cualquier caso, nuestros resultados con rt-PCR, confirman que la aproximación más clásica con el EI parece proporcionar resultados globalmente equiparables a los de la rt-PCR y por lo tanto igualmente aceptables, lo cual sin duda es importante dado que los equipos de PCR en tiempo real todavía no están disponibles más que en contados centros. El desarrollo propuesto se ha diseñado para evaluar preferentemente la expresión de los loci A y B de MIP-1β, más que de los correspondientes de MIP-1α. De hecho los loci de MIP-1β son mucho más homólogos entre ellos que las secuencias de las isoformas de MIP-1α, para las que otras estrategias más simples 193 DETERMINACIÓN SEMICUANTITATIVA DE LA EXPRESIÓN DE ARNm DE LAS ISOFORMAS DE MIP-1α Y MIP-1β pueden ser tanto o más útiles. En cualquier caso, este artículo no pretende definir las peculiaridades de regulación de ambos loci de MIP-1β, sino ilustrar la fiabilidad de la metodología desarrollada. Así pues, en resumen, este trabajo permite afirmar que a través de nuestra aproximación es posible cuantificar de una manera fácil, rápida y económica la cantidad de mensajero de MIP-1α y MIP-1β, definiéndose además la participación en esta expresión de los transcritos codificados por el locus A y los codificados por el locus B. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha podido ser realizado gracias a la financiación del Fondo de Investigaciones Sanitarias (FIS99/1063). Agradecemos especialmente al Dr. Yaqoub Ashhab y al Dr. Orlando Domínguez, quienes habiendo realizado trabajos previos en nuestro laboratorio nos abrieron la línea de investigación que ha condicionado y guiado el desarrollo del trabajo presentado en nuestro artículo. También quisiéramos extender nuestro agradecimiento a Pilar Armengol, por su orientación durante el desarrollo del trabajo, así como su paciencia y dedicación. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. CORRESPONDENCIA: Manel Juan i Otero Unitat d´ Immunologia, Lirad-CTBT Hospital Universitari Germans Trias i Pujol Ctra. Canyet s/n. P.O. BOX 72 08916 Badalona (Barcelona). España 18. 19. 20. 21. Bibliografía 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 194 Springer TA. Traffic signals for lymphocyte recirculation and leukocyte emigration: The multistep paradigm. Cell 1994; 76: 301-14. Zlotnik A, Yoshie, O. Chemokines: a new classification system and their role in immunity. Immunity 2000; 12: 121-127. Hedrick JA, Zlotnik A. 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