Температуралық және денатурациялық градиент гель электрофорезі
Temperature gradient gel electrophoresis
Температуралық градиент электрофорезі (TGGE) және денатурациялық градиент электрофорезі (DGGE) – ДНК, РНК-ны бөлу әдісі. Базалық құрамына қарай генотиптерді анықтауға көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Температуралық градиент гель электрофорезі (ТГГЭ) және денатуризациялық градиент гель электрофорезі (ДГГЭ) – акриламид гель арқылы үлгінің қозғалуы кезінде оны денатуризациялау үшін температуралық немесе химиялық градиент пайдаланатын электрофорез түрлері. ТГГЭ және ДГГЭ ДНК және РНК сияқты нуклеин қышқылдарына, сондай-ақ (сирек жағдайларда) ақуыздарға қолданылуы мүмкін. ТГГЭ нуклеин қышқылдарын бөлу үшін құрылымның температураға тәуелді өзгерістерін пайдаланады. ДГГЭ бірдей өлшемдегі гендерді олардың денатуризациялану қабілетіне қарай бөліп шығарады, ал бұл қабілеттің өзі ДНК тізбегіндегі базалық жұптардың ретімен анықталады. ДГГЭ – бұл бастапқы техника, ал ТГГЭ оның жетілдірілген нұсқасы.
Temperature gradient gel electrophoresis (TGGE) and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) are forms of electrophoresis which use either a temperature or chemical gradient to denature the sample as it moves across an acrylamide gel. TGGE and DGGE can be applied to nucleic acids such as DNA and RNA, and (less commonly) proteins. TGGE relies on temperature dependent changes in structure to separate nucleic acids. DGGE separates genes of the same size based on their different denaturing ability which is determined by their base pair sequence. DGGE was the original technique, and TGGE a refinement of it.
Тарих
DGGE-ді Леонард Лерман ойлап тапты, ол SUNY Albany университетінде профессор болып жұмыс істеген кезде. Осы құралдарды ақуыздарды талдау үшін де пайдалануға болады, бұл жұмысты алғаш рет Кембридж, Англиядағы MRC Молекулалық биология зертханасының Томас Э. Крейтон жасаған. Ақуыздар мен нуклеин қышқылдары ұқсас нұсқаларды көрсетеді, бірақ негізгі қағидалары мүлдем өзгеше. TGGE-ні алғаш рет Тэтчер мен Ходсон, сондай-ақ Джорджия Технологиялық институтының Роджер Уортелл сипаттаған. Осы сала бойынша көп жұмыс Германиядағы Риснер тобы тарапынан жүргізілді. DGGE үшін коммерциялық жабдықтар Bio Rad, INGENY және CBS Scientific компанияларынан, ал TGGE жүйесі Biometra компаниясынан қолжетімді.
DGGE was invented by Leonard Lerman, while he was a professor at SUNY Albany. The same equipment can be used for analysis of protein, which was first done by Thomas E. Creighton of the MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, England. Similar looking patterns are produced by proteins and nucleic acids, but the fundamental principles are quite different. TGGE was first described by Thatcher and Hodson and by Roger Wartell of Georgia Tech. Extensive work was done by the group of Riesner in Germany. Commercial equipment for DGGE is available from Bio Rad, INGENY and CBS Scientific; a system for TGGE is available from Biometra.
Температура градиенті гельдік электрофорез
ДНҚ теріс зарядталған, сондықтан электр өрісінде оң электродқа қарай жылжиды. Гель – молекулалық тор, оның тесіктері ДНҚ тізбегінің диаметрімен шамалас. Электр өрісі қолданылғанда, ДНҚ гель арқылы ДНҚ молекуласының ұзындығына кері пропорционал жылдамдықпен қозғала бастайды (ДНҚ-ның қысқа тізбектері жылдам қозғалады) – бұл стандартты электрофорездегі мөлшерге тәуелді бөлудің негізі. TGGE-де гель бойында температура градиенті де болады. Бөлме температурасында ДНҚ тұрақты екі жіпті түрінде сақталады. Температура жоғарылағанда жіптер бөліне бастайды (балдырылады), ал гель арқылы қозғалу жылдамдығы күрт төмендейді. Маңыздысы, балқыру температурасы тізбек реттілігіне байланысты (GC жұптары AT жұптарына қарағанда үйісу әрекеттесуіне байланысты тұрақтырақ, сутекті байланыстардың айырмашылығына емес (цитозин мен гуанин жұбы арасында үш сутекті байланыс бар, ал аденин мен тимин арасында тек екеуі ғана бар)), сондықтан TGGE ДНҚ молекулаларын бөлу үшін "тізбек реттілігіне тәуелді, мөлшерге тәуелсіз әдіс" ұсынады. TGGE молекулаларды бөліп қана қоймай, балқыру мінез-құлқы мен тұрақтылығы туралы қосымша ақпарат береді (Биометра, 2000).
DNA has a negative charge and so will move to the positive electrode in an electric field. A gel is a molecular mesh, with holes roughly the same size as the diameter of the DNA string. When an electric field is applied, the DNA will begin to move through the gel, at a speed roughly inversely proportional to the length of the DNA molecule (shorter lengths of DNA travel faster) — this is the basis for size dependent separation in standard electrophoresis. In TGGE there is also a temperature gradient across the gel. At room temperature, the DNA will exist stably in a double stranded form. As the temperature is increased, the strands begin to separate (melting), and the speed at which they move through the gel decreases drastically. Critically, the temperature at which melting occurs depends on the sequence (GC basepairs are more stable than AT due to stacking interactions, not due to the difference in hydrogen bonds (there are three hydrogen bonds between a cytosine and guanine base pair, but only two between adenine and thymine)), so TGGE provides a "sequence dependent, size independent method" for separating DNA molecules. TGGE separates molecules and gives additional information about melting behavior and stability (Biometra, 2000).
Денатуралау градиенті гель электрофорезі
Денетурациялық градиент гель электрофорезі (ДГГЭ) ДНК (немесе РНК) үлгісінің денетурациялық агенті бар электрофорез геліне енгізілуі арқылы жұмыс істейді. Зерттеушілер кейбір денетурациялық гельдердің ДНК-ны әртүрлі сатыларда еруге қабілетті екенін анықтады. Бұл ерудің нәтижесінде ДНК гельде таралып, тіпті 200-700 базалық жұптардай кішкентай компоненттерге дейін талдауға болады. ДГГЭ әдісінің ерекшелігі – ДНК күшейе түсетін денетурациялық жағдайларға ұшырағанда, еру нәтижесінде пайда болған жіптер толығымен жеке жіптерге ыдырайды. Денетурациялық гельдегі денатурация процесі өте айқын: "Көптеген фрагменттер үздіксіз молния сияқты жартылай еритін орнына, бір қадамдық процесс арқылы еруге ұшырайды. Фрагменттің дискретті бөліктері немесе домендері кенеттен денатурациялық жағдайлардың өте тар диапазонында жеке жіптерге айналады" (Хелмс, 1990). Бұл әртүрлі гендердің ДНК тізбектеріндегі немесе мутацияларындағы айырмашылықтарды анықтауға мүмкіндік береді: бірдей ұзындықтағы фрагменттердегі тізбектердегі айырмашылықтар көбінесе олардың градиентте әртүрлі орындарда жартылай еруіне және демек, гельде әртүрлі орындарда "тоқтауына" себеп болады. Денетурациялық градиент гельдерінде полиморфты ДНК фрагменттерінің еру мінез-құлқын салыстыру арқылы, бірінші еру доменінде мутациялары бар фрагменттерді анықтауға болады (Хелмс, 1990). Екі үлгіні гельге қатар қойып, оларды бірге денатурациялауға рұқсат ету арқылы зерттеушілер екі үлгідегі немесе ДНК фрагменттеріндегі ең кішкентай айырмашылықтарды оңай көре алады. Бұл әдістің бірнеше кемшіліктері бар: "ДГГЭ-де қолданылатын химиялық градиенттер жеткілікті қайталана бермейді, оларды орнату қиын және көбінесе гетеродуплекстерді толық шешпейді" (Westburg, 2001). Бұл мәселелер TGGE арқылы шешіледі, ол үлгіні денатурациялау үшін химиялық емес, температуралық градиентті пайдаланады.
Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) works by applying a small sample of DNA (or RNA) to an electrophoresis gel that contains a denaturing agent. Researchers have found that certain denaturing gels are capable of inducing DNA to melt at various stages. As a result of this melting, the DNA spreads through the gel and can be analyzed for single components, even those as small as 200 700 base pairs. What is unique about the DGGE technique is that as the DNA is subjected to increasingly extreme denaturing conditions, the melted strands fragment completely into single strands. The process of denaturation on a denaturing gel is very sharp: "Rather than partially melting in a continuous zipper like manner, most fragments melt in a step wise process. Discrete portions or domains of the fragment suddenly become single stranded within a very narrow range of denaturing conditions" (Helms, 1990). This makes it possible to discern differences in DNA sequences or mutations of various genes: sequence differences in fragments of the same length often cause them to partially melt at different positions in the gradient and therefore "stop" at different positions in the gel. By comparing the melting behavior of the polymorphic DNA fragments side by side on denaturing gradient gels, it is possible to detect fragments that have mutations in the first melting domain (Helms, 1990). Placing two samples side by side on the gel and allowing them to denature together, researchers can easily see even the smallest differences in two samples or fragments of DNA. There are a number of disadvantages to this technique: "Chemical gradients such as those used in DGGE are not as reproducible, are difficult to establish and often do not completely resolve heteroduplexes" (Westburg, 2001). These problems are addressed by TGGE, which uses a temperature, rather than chemical, gradient to denature the sample.
Әдіс
Нуклеин қышқылдарын TGGE арқылы бөлу үшін келесі қадамдар орындалуы тиіс: гельдерді дайындау және құю, электрофорез, бояу және ДНК элюция. Буферлік жүйе таңдалуы керек болғандықтан, жүйенің температураның жоғарылауы кезінде тұрақты болуы маңызды. Сондықтан, гельді дайындау үшін әдетте мочевина қолданылады; алайда, зерттеушілер мочевина мөлшері ДНК-ны бөлуге қажетті жалпы температураға әсер ететінін есте ұстауы керек. Гельге үлгі салынады, сынап жатқан гель түріне сәйкес – яғни, параллель немесе перпендикуляр – үлгі орналастырылады, кернеу реттеледі және үлгінің жүгірілуі үшін қалдырылады. TGGE адамның митохондриялық ДНК-сын зерттеу үшін қолданылуы мүмкін. Бұл авторлардың сөзіне сүйенсек, TGGE митохондриялық геномдағы екі жаңа мутацияны анықтау үшін пайдаланылды: "Митохондриялық цитопатияға күдік танылған, бірақ митохондриялық ДНК (мтДНҚ) нүктелік мутациялары мен жойылған бөліктері теріс нәтиже берген 21 жастағы әйелдің бүкіл митохондриялық геномы температуралық градиент гель электрофорезі арқылы белгісіз мутацияларға тексерілді".
To separate nucleic acids by TGGE, the following steps must be performed: preparing and pouring the gels, electrophoresis, staining, and elution of DNA. Because a buffered system must be chosen, it is important that the system remain stable within the context of increasing temperature. Thus, urea is typically utilized for gel preparation; however, researchers need to be aware that the amount of urea used will affect the overall temperature required to separate the DNA. The gel is loaded, the sample is placed on the gel according to the type of gel that is being run—i. e. parallel or perpendicular—the voltage is adjusted and the sample can be left to run. TGGE can be utilized to examine the mitochondrial DNA of an individual. According to these authors, TGGE was utilized to determine two novel mutations in the mitochondrial genome: "A 21 year old woman who has been suspected of mitochondrial cytopathy, but negative for common mitochondrial DNA (mtDNA) point mutations and deletions, was screened for unknown mutations in the entire mitochondrial genome by temperature gradient gel electrophoresis".
P53 панкреатикалық секрециядағы мутациясы
Лор және оның әріптестері (2001) панкреатикалық карциномасы жоқ адамдардың панкреатикалық секрециясын жан-жақты зерттеуде қатысушылардың аз ғана пайызының панкреатикалық сөлінде p53 мутациялары табылды деп хабарлайды. P53 мутациялары панкреатикалық карциномаларда кеңінен табылғандықтан, бұл зерттеудің авторлары осы мутацияның өзі панкреатикалық қатерлі ісіктің дамуымен байланысты болуы мүмкін бе, анықтауға тырысты. Лор бірнеше қатысушыда TGGE арқылы p53 мутацияларын анықтаса да, ешқайсысы кейіннен панкреатикалық карциномаға шалдыққан жоқ. Осылайша, зерттеушілер p53 мутациясы панкреатикалық карциноманың онкогенезінің жалғыз белгісі болуы мүмкін емес деген қорытынды жасады.
Lohr and coworkers (2001) report that in a comprehensive study of pancreatic secretions of individuals without pancreatic carcinoma, p53 mutations could be found in the pancreatic juices of a small percentage of participants. Because mutations of p53 has been extensively found in pancreatic carcinomas, the researchers for this investigation were attempting to determine if the mutation itself can be linked to the development of pancreatic cancer. While Lohr was able to find p53 mutations via TGGE in a few subjects, none subsequently developed pancreatic carcinoma. Thus, the researchers conclude by noting that the p53 mutation may not be the sole indicator of pancreatic carcinoma oncogenesis.
Микробтық экология
Кішкентай рибосомалық суббұрылғанды кодтайтын гендердің DGGE әдісін алғаш рет Лейден университетінде докторантурадан кейін тағылымдамада болған кезінде Джерард Муйзер сипаттады, және ол микробиологиялық экологияда кеңінен қолданылатын техникаға айналды. Бактериялар мен археялардың 16S рРНК ген фрагменттеріне және эукариоттардың 18S рРНК ген фрагменттеріне арналған спецификалық PCR праймерлерімен аралас микробтық қауымдастықтардан бөліп алынған ДНК-ның PCR амплификациясы, PCR өнімдерінің қоспасын құрайды. Бұл ампликонның барлығы бірдей ұзындықта болғандықтан, оларды агароза гельдік электрофорез арқылы бір-бірінен бөліп алу мүмкін емес. Дегенмен, әртүрлі микробтық рРНК арасындағы тізбектелген өзгерістер (яғни, ГК-мазмұны мен таралуындағы айырмашылықтар) осы ДНК молекулаларының әртүрлі денатурациялық қасиеттеріне алып келеді. Сондықтан, DGGE жолақтық үлгілері микробтық генетикалық әртүрліліктің өзгеруін көрнекі түрде көрсетуге және басым микробтық қауымдастықтың мүшелерінің байлығын шамамен бағалауға мүмкіндік береді. Бұл әдіс көбінесе қауымдық саусақ іздері деп аталады. Соңғы кездегі бірнеше зерттеулер функционалдық гендердің (мысалы, күкіртті азайту, азотты бекіту және аммонийді тотығу процестеріне қатысатын гендер) DGGE-сі микробтық функция және филогенез туралы ақпаратты бір уақытта беруге қабілетті екенін көрсетті. Мысалы, Табатабей және авторлар тобы (2009) DGGE әдісін қолданып, алғаш рет пальма майын өңдеу қалдықтарының (POME) анаэробты ферментациясы кезіндегі микробтық құрамын анықтауға қол жеткізді.
DGGE of small ribosomal subunit coding genes was first described by Gerard Muyzer, while he was Post doc at Leiden University, and has become a widely used technique in microbial ecology. PCR amplification of DNA extracted from mixed microbial communities with PCR primers specific for 16S rRNA gene fragments of bacteria and archaea, and 18S rRNA gene fragments of eukaryotes results in mixtures of PCR products. Because these amplicons all have the same length, they cannot be separated from each other by agarose gel electrophoresis. However, sequence variations (i. e. differences in GC content and distribution) between different microbial rRNAs result in different denaturation properties of these DNA molecules. Hence, DGGE banding patterns can be used to visualize variations in microbial genetic diversity and provide a rough estimate of the richness of abundance of predominant microbial community members. This method is often referred to as community fingerprinting. Recently, several studies have shown that DGGE of functional genes (e. g. genes involved in sulfur reduction, nitrogen fixation, and ammonium oxidation) can provide information about microbial function and phylogeny simultaneously. For instance, Tabatabaei et al. (2009) applied DGGE and managed to reveal the microbial pattern during the anaerobic fermentation of palm oil mill effluent (POME) for the first time.