Введение
Техника молекулярной биологии
В молекулярной биологии полиморфизм длин фрагментов рестрикции (RFLP) – это техника, использующая вариации в гомологичных последовательностях ДНК, известных как полиморфизмы, в популяциях или видах, для определения местоположения генов в последовательности. Термин может относиться как к самому полиморфизму, обнаруживаемому по различным расположениям участков рестрикционных ферментов, так и к соответствующей лабораторной методике, позволяющей визуализировать эти различия. При анализе RFLP образец ДНК расщепляется одним или несколькими рестрикционными ферментами на фрагменты, которые затем разделяются с помощью гель-электрофореза по размеру. Анализ RFLP в настоящее время в значительной степени устарел благодаря появлению недорогих технологий секвенирования ДНК, однако это был первый метод профилирования ДНК, достаточно доступный для широкого применения. Анализ RFLP являлся важным ранним инструментом в картировании генома, локализации генов, ответственных за генетические заболевания, определении предрасположенности к заболеваниям и установлении отцовства.
In molecular biology, restriction fragment length polymorphism (RFLP) is a technique that exploits variations in homologous DNA sequences, known as polymorphisms, populations, or species or to pinpoint the locations of genes within a sequence. The term may refer to a polymorphism itself, as detected through the differing locations of restriction enzyme sites, or to a related laboratory technique by which such differences can be illustrated. In RFLP analysis, a DNA sample is digested into fragments by one or more restriction enzymes, and the resulting restriction fragments are then separated by gel electrophoresis according to their size. RFLP analysis is now largely obsolete due to the emergence of inexpensive DNA sequencing technologies, but it was the first DNA profiling technique inexpensive enough to see widespread application. RFLP analysis was an important early tool in genome mapping, localization of genes for genetic disorders, determination of risk for disease, and paternity testing.
Анализ РФПП
Основной метод обнаружения RFLP заключается во фрагментации образца ДНК с использованием рестрикционного фермента, который селективно разрезает молекулу ДНК в местах распознавания короткой, специфической последовательности в процессе, известном как рестрикционный анализ. Полученные в результате анализа фрагменты ДНК затем разделяют по длине с помощью агарозного гелевого электрофореза и переносят на мембрану посредством процедуры Саузерн-блоттинга. Гибридизация мембраны с меченым ДНК-зондом определяет длину фрагментов, комплементарных этому зонду. Полиморфизм по длине рестрикционных фрагментов наблюдается, когда длина обнаруженного фрагмента различается у разных индивидуумов, что свидетельствует о неидентичных гомологиях последовательностей. Каждая длина фрагмента рассматривается как аллель, независимо от того, содержит ли она кодирующую область или нет, и может быть использована в последующем генетическом анализе.
Примеры
Существует два основных механизма, посредством которых может изменяться размер конкретного рестрикционного фрагмента. На первой схеме небольшой участок генома детектируется ДНК-зондом (отображен более толстой линией). В аллеле А геном расщепляется ферментом рестрикции в трех близко расположенных участках (обозначенных треугольниками), но зонд обнаруживает только самый правый фрагмент. В аллеле a ограничительный участок 2 был потерян в результате мутации, поэтому зонд теперь обнаруживает более крупный, объединенный фрагмент, простирающийся от участков 1 до 3. На второй диаграмме показано, как это изменение размера фрагмента будет выглядеть на саузерн-блоте, и как каждый аллель (по два на индивидуума) может наследоваться членами семьи. На третьей схеме зонд и фермент рестрикции выбраны для обнаружения области генома, содержащей сегмент с переменным числом тандемных повторов (VNTR) (обозначен прямоугольниками на схеме). В аллеле c в VNTR содержится пять повторов, и зонд обнаруживает более длинный фрагмент между двумя участками рестрикции. В аллеле d в VNTR содержится только два повтора, поэтому зонд обнаруживает более короткий фрагмент между теми же двумя участками рестрикции. Другие генетические процессы, такие как вставки, делеции, транслокации и инверсии, также могут приводить к полиморфизмам. Для проведения RFLP-тестов требуется значительно большее количество ДНК, чем для тестов на короткие тандемные повторы (STR).
Приложения
Анализ вариаций RFLP в геномах ранее был важнейшим инструментом в картировании генома и анализе генетических заболеваний. Если исследователи пытались первоначально определить хромосомную локализацию гена, вызывающего заболевание, они анализировали ДНК членов семьи, страдающих этим заболеванием, и искали аллели RFLP, демонстрирующие схожую с заболеванием картину наследования (см. генетическую связь). После локализации гена заболевания, анализ RFLP в других семьях мог выявить людей, находящихся в группе риска, или вероятных носителей мутантных генов. RFLP-тест используется для идентификации и дифференциации организмов путем анализа уникальных паттернов в геноме. Он также применяется для определения частоты рекомбинации в локусах между участками рестрикции. Анализ RFLP также лег в основу ранних методов генетического типирования, полезных для идентификации образцов, полученных с мест преступлений, установления отцовства и характеристики генетического разнообразия или закономерностей размножения в популяциях животных.
Альтернативы
Однако методика анализа RFLP является медленной и трудоемкой. Она требует большого количества ДНК-образца, а совместный процесс мечения зондов, фрагментации ДНК, электрофореза, переноса на мембрану, гибридизации, промывки и авторадиографии может занимать до месяца. Ограниченная версия метода RFLP, использующая олигонуклеотидные зонды, была описана в 1985 году. Результаты проекта «Геном человека» во многом устранили необходимость в RFLP-картировании, а идентификация множества однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в рамках этого проекта (а также прямое выявление многих генов и мутаций, вызывающих заболевания) заменила необходимость в анализе генетической связи заболеваний с помощью RFLP (см. генотипирование SNP). Анализ аллелей VNTR продолжается, но теперь обычно выполняется методами полимеразной цепной реакции (ПЦР). Например, стандартные протоколы дактилоскопии ДНК включают ПЦР-анализ панелей, содержащих более десятка VNTR. RFLP до сих пор используется в маркерной селекции. Полиморфизм длины терминальных рестрикционных фрагментов (TRFLP или иногда T RFLP) – это методика, первоначально разработанная для характеристики бактериальных сообществ в образцах, содержащих несколько видов. Эта методика также применяется к другим группам, включая почвенные грибы. TRFLP основана на ПЦР-амплификации ДНК с использованием пар праймеров, меченных флуоресцентными метками. Продукты ПЦР затем подвергаются воздействию ферментов RFLP, а полученные паттерны визуализируются с помощью секвенатора ДНК. Результаты анализируются либо путем простого подсчета и сравнения полос или пиков в профиле TRFLP, либо путем сопоставления полос из одной или нескольких серий TRFLP с базой данных известных видов. Разработано несколько различных программных инструментов для автоматизации процесса сопоставления полос, их сравнения и создания баз данных профилей TRFLP. В некоторых аспектах эта методика схожа с электрофорезом с градиентом температуры или денатурирующим градиентом (TGGE и DGGE). Изменения в последовательности, непосредственно связанные с RFLP, также могут быть проанализированы быстрее с помощью ПЦР. Амплификация может быть направлена на участок, содержащий измененный сайт рестрикции, а продукты перевариваются ферментом рестрикции. Этот метод получил название расщепленной амплифицированной полиморфной последовательности (CAPS). В качестве альтернативы, амплифицированный фрагмент может быть проанализирован с помощью аллель-специфических олигонуклеотидных (ASO) зондов, что часто можно сделать с помощью простого блот-анализа.