Введение

Градиентный гелевый электрофорез (TGGE) и денатурирующий градиентный гелевый электрофорез (DGGE) – это разновидности электрофореза, использующие температурный или химический градиент для денатурации образца по мере его продвижения в акриламидном геле. TGGE и DGGE могут применяться к нуклеиновым кислотам, таким как ДНК и РНК, и (реже) к белкам. TGGE основан на структурных изменениях, зависящих от температуры, для разделения нуклеиновых кислот. DGGE разделяет гены одинакового размера, исходя из их различной способности к денатурации, которая определяется последовательностью пар оснований. DGGE была первоначальной методикой, а TGGE – ее усовершенствованной версией.

История

DGGE был изобретен Леонардом Лерманом, когда он был профессором в Университете штата Нью-Йорк в Олбани (SUNY Albany). То же самое оборудование можно использовать для анализа белков, что впервые было сделано Томасом Э. Крейтоном из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета (MRC) в Кембридже, Англия. Белки и нуклеиновые кислоты дают схожие по виду рисунки, но фундаментальные принципы, лежащие в их основе, существенно различаются. TGGE был впервые описан Тэтчером и Ходсоном, а также Роджером Уортеллом из Технологического института Джорджии (Georgia Tech). Значительные исследования в этой области были проведены группой Риснера в Германии. Коммерческое оборудование для DGGE доступно у компаний Bio-Rad, INGENY и CBS Scientific, а система для TGGE – у Biometra.

Электрофорез в геле с температурным градиентом

ДНК имеет отрицательный заряд и поэтому будет двигаться к положительному электроду в электрическом поле. Гель представляет собой молекулярную сетку с отверстиями, приблизительно равными диаметру молекулы ДНК. При приложении электрического поля ДНК начинает перемещаться через гель со скоростью, приблизительно обратно пропорциональной длине молекулы ДНК (более короткие фрагменты ДНК перемещаются быстрее). Это лежит в основе разделения по размеру в стандартном электрофорезе. В TGGE также присутствует температурный градиент по всему гелю. При комнатной температуре ДНК стабильно существует в двухцепочечной форме. При повышении температуры цепи начинают разделяться (денатурировать), и скорость их перемещения через гель резко уменьшается. Важно отметить, что температура денатурации зависит от последовательности (GC-пары оснований более стабильны, чем AT-пары из-за π-π стэкинга, а не из-за различий в количестве водородных связей – между цитозином и гуанином три водородные связи, а между аденином и тимином – две). Таким образом, TGGE обеспечивает "метод разделения, зависящий от последовательности и не зависящий от размера" молекул ДНК. TGGE разделяет молекулы и предоставляет дополнительную информацию о поведении при денатурации и стабильности (Biometra, 2000).

Электрофорез в геле с денатурирующим градиентом

Денетурирующий градиентный гелевый электрофорез (ДГГЭ) основан на нанесении небольшого образца ДНК (или РНК) на гель для электрофореза, содержащий денатурирующий агент. Исследователи установили, что определенные денатурирующие гели способны вызывать плавление ДНК на различных стадиях. В результате этого плавления ДНК распространяется по гелю и может быть проанализирована на отдельные компоненты, в том числе размером от 200 до 700 пар оснований. Уникальность метода ДГГЭ заключается в том, что при воздействии на ДНК все более жестких условий денатурации, расплавленные цепи полностью фрагментируются на одноцепочечные. Процесс денатурации на денатурирующем геле происходит резко: "Вместо частичного плавления наподобие расстегивающейся молнии, большинство фрагментов плавятся ступенчато. Дискретные участки или домены фрагмента внезапно становятся одноцепочечными в очень узком диапазоне условий денатурации" (Helms, 1990). Это позволяет выявлять различия в последовательностях ДНК или мутации в различных генах: различия в последовательности фрагментов одинаковой длины часто приводят к их частичному плавлению в разных позициях градиента и, следовательно, к "остановке" в разных позициях геля. Сравнивая поведение при плавлении полиморфных фрагментов ДНК, расположенных рядом друг с другом на денатурирующих градиентных гелях, можно обнаружить фрагменты с мутациями в первом домене плавления (Helms, 1990). Размещая два образца рядом на геле и позволяя им денатурироваться одновременно, исследователи могут легко заметить даже незначительные различия между двумя образцами или фрагментами ДНК. Этот метод имеет ряд недостатков: "Химические градиенты, используемые в ДГГЭ, менее воспроизводимы, их сложно установить, и они часто не полностью разделяют гетеродуплексы" (Westburg, 2001). Эти проблемы решаются в TGGE, где для денатурации образца используется температурный, а не химический градиент.

Метод

Для разделения нуклеиновых кислот методом TGGE необходимо выполнить следующие этапы: приготовление и заливка гелей, электрофорез, окрашивание и элюирование ДНК. Поскольку необходимо выбрать буферную систему, важно, чтобы она оставалась стабильной при повышении температуры. Таким образом, для приготовления геля обычно используется мочевина; однако исследователям следует учитывать, что количество используемой мочевины повлияет на общую температуру, необходимую для разделения ДНК. Гель загружается, образец помещается на гель в зависимости от типа используемого геля – то есть параллельно или перпендикулярно – регулируется напряжение, и образец оставляют для прохождения. TGGE можно использовать для изучения митохондриальной ДНК человека. Согласно этим авторам, TGGE был использован для выявления двух новых мутаций в митохондриальном геноме: "21-летняя женщина, у которой подозревалась митохондриальная цитопатия, но не были обнаружены распространенные точечные мутации и делеции митохондриальной ДНК (мтДНК), была обследована на наличие неизвестных мутаций во всем митохондриальном геноме методом электрофореза в градиенте температуры".

Мутация p53 в секретах поджелудочной железы

Лор и его коллеги (2001) сообщают, что в ходе комплексного исследования секрета поджелудочной железы у людей без рака поджелудочной железы мутации p53 были обнаружены в панкреатическом соке у небольшого процента участников. Поскольку мутации p53 широко выявляются при карциномах поджелудочной железы, исследователи в рамках данного исследования пытались установить, можно ли связать саму мутацию с развитием рака поджелудочной железы. Хотя Лору удалось обнаружить мутации p53 методом TGGE у нескольких испытуемых, ни у кого из них впоследствии не развилась карцинома поджелудочной железы. Таким образом, исследователи заключают, что мутация p53, возможно, не является единственным индикатором онкогенеза карциномы поджелудочной железы.

Микробиологическая экология

DGGE генов, кодирующих малые рибосомальные субъединицы, был впервые описан Джераром Муйзером во время его работы постдоком в Лейденском университете и стал широко используемым методом в микробной экологии. ПЦР-амплификация ДНК, выделенной из смешанных микробных сообществ, с использованием праймеров для ПЦР, специфичных к фрагментам гена 16S рРНК бактерий и архей, и фрагментам гена 18S рРНК эукариот, приводит к образованию смесей продуктов ПЦР. Поскольку все эти ампликоны имеют одинаковую длину, их нельзя разделить друг от друга с помощью электрофореза в агарозном геле. Однако вариации в последовательности (то есть различия в содержании и распределении GC) между различными микробными рРНК приводят к различным свойствам денатурации этих молекул ДНК. Следовательно, паттерны полос DGGE могут быть использованы для визуализации вариаций в микробном генетическом разнообразии и получения приблизительной оценки богатства и обилия преобладающих членов микробного сообщества. Этот метод часто называют "отпечатком сообщества". В последнее время несколько исследований показали, что DGGE функциональных генов (например, генов, участвующих в восстановлении серы, фиксации азота и окислении аммония) может одновременно предоставлять информацию о микробиальной функции и филогенезе. Например, Tabatabaei et al. (2009) применили DGGE и впервые смогли выявить микробный состав во время анаэробной ферментации сточных вод пальмомасличного производства (POME).