Нұқлеин қышқылы электрофорезі: ДНК және РНҚ фрагменттерін өлшеу және талдау
Gel electrophoresis of nucleic acids
ДНҚ/РНҚ гель электрофорезі: молекулаларды мөлшері бойынша бөлу, талдау әдісі. Электр өрісінде зарядталған нуклеин қышқылы фрагменттерінің қозғалысы қарастырылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Нуклеин қышқылдарының гельдік электрофорезі – ДНК немесе РНК фрагменттерін мөлшері және реактивтілігі бойынша бөлуге арналған аналитикалық әдіс. Нуклеин қышқылы молекулалары гельге орналастырылады, онда электр өрісі нуклеин қышқылдарын (олардың қант-фосфат тірек сүйегінің арқасында теріс зарядталған) оң зарядталған анодқа қарай жылжуға мәжбүр етеді. Молекулалар гель арқылы әр молекуланың мөлшері мен пішініне сәйкес бөлінеді. Ұзын молекулалар баяу жылжиды, себебі гель олардың қозғалысына қысқа молекулаларға қарағанда күштірек қарсылық көрсетеді. Біраз уақыттан кейін электр тогы өшіріледі және әртүрлі молекулалардың орналасуы талданады. Бөлінетін нуклеин қышқылын электрофорез арқылы бөлуге дейін бірнеше тәсілмен дайындауға болады. Үлкен ДНК молекулаларының жағдайында ДНК көбінесе ДНК-ны шектеу эндонуклеазасы (немесе шектеу ферменті) арқылы кішірек фрагменттерге кесіледі. Басқа жағдайларда, мысалы, ПТР арқылы күшейтілген үлгілерде, үлгідегі молекулалардың бөлінуіне әсер етуі мүмкін ферменттер талдау алдында түрлі тәсілдермен жойылады. Нуклеин қышқылы дұрыс дайындалғаннан кейін, нуклеин қышқылы ерітіндісінің үлгілері гельдің ұңғымаларына салынады және белгілі бір уақыт бойы гельге кернеу қолданылады. Әртүрлі ұзындықтағы ДНК фрагменттері этидий бромид сияқты ДНК-ға тән флуоресцентті бояуды пайдалана отырып көрінеледі. Гельде әртүрлі молекулалық салмағы бар нуклеин қышқылы молекулаларының популяцияларына сәйкес келетін жолақтар пайда болады. Фрагмент мөлшері әдетте "нуклеотидтер", "негіз жұптары" немесе "кб" (мыңдаған негіз жұптары үшін) түрінде көрсетіледі, бұл бір немесе екі тізбекті нуклеин қышқылының бөлінуіне байланысты. Фрагмент мөлшерін анықтау әдетте белгілі ұзындықтағы сызықтық ДНК фрагменттерін қамтитын коммерциялық ДНК маркерлерімен салыстыру арқылы жүзеге асырылады. Нуклеин қышқылы электрофорезі үшін ең көп қолданылатын гель түрлері – агароза (салыстырмалы түрде ұзын ДНК молекулалары үшін) және полиакриламид (мысалы, ДНК тізбектеуде қысқа ДНК молекулаларының жоғары ажыратылуы үшін). Гельдер көбінесе "тақта" форматында қолданылады, бірақ капиллярлық электрофорез жоғары өнімділіктегі ДНК тізбектеу сияқты қолданыстар үшін маңыздырақ айналды. ДНК зақымдануын бағалауда қолданылатын электрофорез әдістеріне сілтілі гель электрофорезі және импульстік өрістегі гель электрофорезі жатады. 20-60 бп ұзындықтағы қос тізбекті ДНК сияқты қысқа ДНК сегменттерін полиакриламид гелінде (PAGE) жүгірту жақсырақ ажыратымдылықты қамтамасыз етеді (табиғи жағдайда). Сол сияқты РНК және бір тізбекті ДНК-ны PAGE гельдерінде, мысалы, мочевина сияқты денатурациялайтын заттарды қолдана отырып, жүгіруге және көруге болады. PAGE гельдері ДНК із басып шығару, EMSA және басқа да ДНК-белок өзара әрекеттесу әдістерінде кеңінен қолданылады. Өлшемдеу және талдау көбінесе арнайы гельдік талдау бағдарламалық жасақтамасымен жүзеге асырылады. Капиллярлық электрофорез нәтижелері әдетте электроферограмма деп аталатын іздік көріністе көрсетіледі.
Gel electrophoresis of nucleic acids is an analytical technique to separate DNA or RNA fragments by size and reactivity. Nucleic acid molecules are placed on a gel, where an electric field induces the nucleic acids (which are negatively charged due to their sugar phosphate backbone) to migrate toward the positively charged anode. The molecules separate as they travel through the gel based on the each molecule's size and shape. Longer molecules move more slowly because they the gel resists their movement more forcefully than it resists shorter molecules. After some time, the electricity is turned off and the positions of the different molecules are analyzed. The nucleic acid to be separated can be prepared in several ways before separation by electrophoresis. In the case of large DNA molecules, the DNA is frequently cut into smaller fragments using a DNA restriction endonuclease (or restriction enzyme). In other instances, such as PCR amplified samples, enzymes present in the sample that might affect the separation of the molecules are removed through various means before analysis. Once the nucleic acid is properly prepared, the samples of the nucleic acid solution are placed in the wells of the gel and a voltage is applied across the gel for a specified amount of time. The DNA fragments of different lengths are visualized using a fluorescent dye specific for DNA, such as ethidium bromide. The gel shows bands corresponding to different nucleic acid molecules populations with different molecular weight. Fragment size is usually reported in "nucleotides", "base pairs" or "kb" (for thousands of base pairs) depending upon whether single or double stranded nucleic acid has been separated. Fragment size determination is typically done by comparison to commercially available DNA markers containing linear DNA fragments of known length. The types of gel most commonly used for nucleic acid electrophoresis are agarose (for relatively long DNA molecules) and polyacrylamide (for high resolution of short DNA molecules, for example in DNA sequencing). Gels have conventionally been run in a "slab" format such as that shown in the figure, but capillary electrophoresis has become important for applications such as high throughput DNA sequencing. Electrophoresis techniques used in the assessment of DNA damage include alkaline gel electrophoresis and pulsed field gel electrophoresis. For short DNA segments such as 20 to 60 bp double stranded DNA, running them in polyacrylamide gel (PAGE) will give better resolution (native condition). Similarly, RNA and single stranded DNA can be run and visualised by PAGE gels containing denaturing agents such as urea. PAGE gels are widely used in techniques such as DNA foot printing, EMSA and other DNA protein interaction techniques. The measurement and analysis are mostly done with a specialized gel analysis software. Capillary electrophoresis results are typically displayed in a trace view called an electropherogram.
Нуклеин қышқылдарының көшіп кетуіне әсер ететін факторлар
Нуклеин қышқылдарының қозғалысына бірнеше фактор әсер ете алады: гельдің тесіктерінің мөлшері, қолданылатын вольт, буфердің иондық күші және электрофорез барысында қолданылса, этидий бромиді сияқты интеркаляциялық бояғыштың концентрациясы.
A number of factors can affect the migration of nucleic acids: the dimension of the gel pores, the voltage used, the ionic strength of the buffer, and the concentration intercalating dye such as ethidium bromide if used during electrophoresis.
ДНҚ мөлшері
Гель ДНК-ны молекуласының мөлшері бойынша сүзіп алады, нәтижесінде кішкентай молекулалар жылдам қозғалады. Екі тізбекті ДНК негіз жұптары санының логарифміне шамамен кері пропорционал жылдамдықпен жылжиды. Дегенмен, бұл қатынас өте үлкен ДНК фрагменттері үшін бұзылады және оларды стандартты агароза гельдік электрофорез арқылы бөлу мүмкін емес. Ажырату шегі гельдің құрамы мен электр өрісінің күшіне байланысты. Сонымен қатар, үлкен дөңгелек ДНК-ның жылжу жылдамдығына гельдің тесік мөлшері сызықты ДНК-ға қарағанда күштірек әсер етуі мүмкін. Өте үлкен ДНК фрагменттерін бөлу үшін импульстік өрістік гельдік электрофорез (PFGE) қажет. Өріс инверсиялық гельдік электрофорезде (FIGE, PFGE түрі) үлкен молекулалар кішкентай молекулалардан жылдам қозғала алатын "жолақ инверсиясы" құбылысы болуы мүмкін.
The gel sieves the DNA by the size of the DNA molecule whereby smaller molecules travel faster. Double stranded DNA moves at a rate that is approximately inversely proportional to the logarithm of the number of base pairs. This relationship however breaks down with very large DNA fragments and it is not possible to separate them using standard agarose gel electrophoresis. The limit of resolution depends on gel composition and field strength. and the mobility of larger circular DNA may be more strongly affected than linear DNA by the pore size of the gel. Separation of very large DNA fragments requires pulse field gel electrophoresis (PFGE). In field inversion gel electrophoresis (FIGE, a kind of PFGE), it is possible to have "band inversion" where large molecules may move faster than small molecules.
ДНҚ-ның конформациясы
ДНҚ молекуласының құрылымы ДНҚ-ның қозғалысына маңызды әсер етеді. Мысалы, суперспиральденген ДНҚ, әдетте, босаңсыған ДНҚ-ға қарағанда жылдам қозғалады, себебі ол тығыз оралған және осылайша ықшам. Қалыпты плазмидалық ДНҚ дайындамасында ДНҚ-ның бірнеше түрі болуы мүмкін, ал плазмидалардың электрофорезінен алынған гель әдетте теріс суперспиральденген түрін көрсететін басты жолақты көрсетеді, ал ДНҚ-ның басқа түрлері нашар, кішігірім жолақтар түрінде көрінуі мүмкін. Бұл кішігірім жолақтар – жарылған ДНҚ (ашық сақина тәрізді форма) және суперспиральденген ДНҚ-ға қарағанда әдетте баяу қозғалатын босаңсыған сақина тәрізді форма болуы мүмкін, сондай-ақ дайындау әдістеріне байланысты кейде пайда болатын бір тізбекті форма суперспиральденген ДНҚ-дан озып кетуі мүмкін. Дегенмен, әртүрлі формалардың қозғалу жылдамдығы электрофорездің әртүрлі жағдайларын қолдану арқылы өзгеруі мүмкін. Мысалы, сызықтық ДНҚ жағдайларға байланысты суперспиральденген ДНҚ-ға қарағанда жылдам немесе баяу қозғалуы мүмкін, ал үлкен сақина тәрізді ДНҚ-ның жылдамдығына гельдің тесік өлшемі сызықтық ДНҚ-ға қарағанда күштірек әсер етуі мүмкін.
The conformation of the DNA molecule can significantly affect the movement of the DNA, for example, supercoiled DNA usually moves faster than relaxed DNA because it is tightly coiled and hence more compact. In a normal plasmid DNA preparation, multiple forms of DNA may be present, and gel from the electrophoresis of the plasmids would normally show a main band which would be the negatively supercoiled form, while other forms of DNA may appear as minor fainter bands. These minor bands may be nicked DNA (open circular form) and the relaxed closed circular form which normally run slower than supercoiled DNA, and the single stranded form (which can sometimes appear depending on the preparation methods) may move ahead of the supercoiled DNA. The rate at which the various forms move however can change using different electrophoresis conditions, for example linear DNA may run faster or slower than supercoiled DNA depending on conditions, and the mobility of larger circular DNA may be more strongly affected than linear DNA by the pore size of the gel.
Этидий бромидінің концентрациясы
Электрофорез кезінде гельде этидий бромиді болса, циркулярлы ДНК сызықтық ДНК-ға қарағанда этидий бромиді концентрациясына күштірек сезімтал. Табиғатта кездесетін барлық ДНК шеңберлері айналып төменгі күйде болады, бірақ циркулярлы ДНК-ға еніп (интеркаляцияланып) орналасатын этидий бромиді ДНК молекуласының зарядын, ұзындығын және суперспиральдігін өзгерте алады, сондықтан электрофорез кезінде оның болуы гельдегі қозғалысына әсер етеді. ДНК-ға енген этидий бромиді мөлшерінің артуы оны теріс суперспиральдік молекуладан толық босаңсыған түріне, ал ең жоғары интеркаляцияда оң суперспиральге айналдыруы мүмкін. Агарза гельдік электрофорез әртүрлі суперспиральдік топологиясы бар циркулярлы ДНК-ны анықтау үшін қолданылады.
Circular DNA are more strongly affected by ethidium bromide concentration than linear DNA if ethidium bromide is present in the gel during electrophoresis. All naturally occurring DNA circles are underwound, but ethidium bromide which intercalates into circular DNA can change the charge, length, as well as the superhelicity of the DNA molecule, therefore its presence during electrophoresis can affect its movement in gel. Increasing ethidium bromide intercalated into the DNA can change it from a negatively supercoiled molecule into a fully relaxed form, then to positively coiled superhelix at maximum intercalation. Agarose gel electrophoresis can be used to resolve circular DNA with different supercoiling topology.
Гель концентрациясы
Гельдің концентрациясы ДНК-ның миграциясына әсер ететін гельдің тесік мөлшерін анықтайды. ДНК-ның ажыратылу қабілеті гельдің пайыздық концентрациясына байланысты өзгереді. Гельдің агароза концентрациясын арттыру миграция жылдамдығын төмендетіп, кішкентай ДНК молекулаларын жақсы ажыратуға мүмкіндік береді, ал гель концентрациясын төмендету үлкен ДНК молекулаларын ажыратуға қолайлы жағдай жасайды. Стандартты агароза гелі электрофорезі үшін 0,7% гель концентрациясы үлкен 5–10 кб ДНК фрагменттерін жақсы ажыратуды қамтамасыз етеді, ал 2% гель концентрациясы кішкентай 0,2–1 кб фрагменттерді жақсы ажыратуға мүмкіндік береді. Өте кішкентай фрагменттерді ажырату үшін 3% гель концентрациясын қолдануға болады, бірақ кішкентай фрагменттерді ажырату үшін тік полиакриламид гелі тиімдірек. Дегенмен, жоғары концентрациялы гельдерге ұзақ уақыт (кейде бірнеше күн) керек болады, сондай-ақ жоғары пайызды гельдер әлсіз болып, біркелкі қатаюы мүмкін. Агарозаның жоғары пайызды гельдерін PFGE немесе FIGE әдістерімен қолдану керек. Төмен пайызды гельдер (0,1–0,2%) нәзік болып, сынғыш болуы мүмкін. 1% гель көптеген қолданулар үшін жиі қолданылады.
The concentration of the gel determines the pore size of the gel which affects the migration of DNA. The resolution of the DNA changes with the percentage concentration of the gel. Increasing the agarose concentration of a gel reduces the migration speed and improves separation of smaller DNA molecules, while lowering gel concentration permits large DNA molecules to be separated. For a standard agarose gel electrophoresis, 0.7% gel concentration gives good separation or resolution of large 5–10kb DNA fragments, while 2% gel concentration gives good resolution for small 0.2–1kb fragments. Up to 3% gel concentration can be used for separating very tiny fragments but a vertical polyacrylamide gel would be more appropriate for resolving small fragments. High concentrations gel, however, requires longer run times (sometimes days) and high percentage gels are often brittle and may not set evenly. High percentage agarose gels should be run with PFGE or FIGE. Low percentage gels (0.1−0.2%) are fragile and may break. 1% gels are common for many applications.
Қолданылатын сала
Төмен кернеуде ДНК-ның миграция жылдамдығы қолданылатын кернеуге пропорционал, яғни кернеу жоғарылаған сайын ДНК-ның қозғалысы да жылдамдайды. Дегенмен, электр өрісінің күші артқанда жоғары молекулалық салмақты ДНК фрагменттерінің жылдамдығы әртүрлі деңгейде өседі, ал бөліністің тиімді диапазоны тарылып, нәтижесінде жоғары кернеуде ажырату қабілеті төмендейді. Стандартты гельдік электрофорезде 2 кб-дан асатын ДНК-ны ең жақсы ажырату үшін 5-8 В/см ұсынылады. Бұл құбылыс жолақтың керілуіне (band inversion) алып келуі мүмкін, осының салдарынан PFGE-де үлкен ДНК фрагменттері кішірек фрагменттерге қарағанда жылдам қозғалады.
At low voltages, the rate of migration of the DNA is proportional to the voltage applied, i. e. the higher the voltage, the faster the DNA moves. However, in increasing electric field strength, the mobility of high molecular weight DNA fragments increases differentially, and the effective range of separation decreases and resolution therefore is lower at high voltage. For optimal resolution of DNA greater than 2kb in size in standard gel electrophoresis, 5 to 8 V/cm is recommended. This phenomenon can result in band inversion whereby larger DNA fragments move faster than smaller ones in PFGE.
Көшіру және бөліну механизмі
Фосфат тірекшесінің теріс заряды ДНК-ны электрофорез кезінде оң зарядталған анодқа қарай жылжытады. Дегенмен, гель матрицасы болмаған жағдайда ерітіндідегі ДНҚ молекулаларының қозғалысы электрофорез кезінде молекулалық салмаққа тәуелді емес, яғни гель матрицасы болмағанда мөлшері бойынша бөлу жүргізілмейді. ДНҚ-ның әртүрлі бөліктері арасындағы гидродинамикалық өзара әрекеттесулер, кері бағытта жылжылатын ағынды контриондармен тоқтатылады, сондықтан 10 нм-ден аспайтын масштабта жылдамдықтың ұзындыққа тәуелділігін тудыратын ешқандай механизм жоқ. Глобулярлы ақуыз немесе кездейсоқ оралған ДНҚ, өтуіне жеткілікті үлкен байланысқан тесіктер арқылы қозғалады, ал ірі молекулалардың қозғалысы гель матрицасымен соқтығысу нәтижесінде кедергіге ұшырап, баяулауы мүмкін, сондықтан осы сүзу процесінде әртүрлі мөлшердегі молекулалар бөлінеді. Бірақ басқа да модельдер бар. Боялған молекулалардың нақты уақытты флуоресценциялық микроскопиясы электрофорез кезінде одан да нәзік динамиканы көрсетті, ДНК қолданылған өріс бағытында кезекпен созылып, кейін шарға айналып немесе полимерлік талшықтарға ілігіп U пішінін қабылдағанда едәуір серпімділік танытты. Бұл байқауды «қаз» моделі деп атауға болады. Тағы бір модель ДНҚ полимерлік матрицамен араласып, молекуланың мөлшері неғұрлым үлкен болса, соғұрлым ол араласып, қозғалысына кедергі келтіреді деп ұсынады.
The negative charge of its phosphate backbone moves the DNA towards the positively charged anode during electrophoresis. However, the migration of DNA molecules in solution, in the absence of a gel matrix, is independent of molecular weight during electrophoresis, i. e. there is no separation by size without a gel matrix. Hydrodynamic interaction between different parts of the DNA are cut off by streaming counterions moving in the opposite direction, so no mechanism exists to generate a dependence of velocity on length on a scale larger than screening length of about 10 nm. A globular protein or a random coil DNA moves through the connected pores large enough to accommodate its passage, and the movement of larger molecules is more likely to be impeded and slowed down by collisions with the gel matrix, and the molecules of different sizes can therefore be separated in this process of sieving. Other models, however, also exist. Real time fluorescence microscopy of stained molecules showed more subtle dynamics during electrophoresis, with the DNA showing considerable elasticity as it alternately stretching in the direction of the applied field and then contracting into a ball, or becoming hooked into a U shape when it gets caught on the polymer fibres. This observation may be termed the "caterpillar" model. Other model proposes that the DNA gets entangled with the polymer matrix, and the larger the molecule, the more likely it is to become entangled and its movement impeded.