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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.