Введение
Гелевый электрофорез нуклеиновых кислот – это аналитическая техника для разделения фрагментов ДНК или РНК по размеру и реакционной способности. Молекулы нуклеиновой кислоты помещаются на гель, где электрическое поле индуцирует миграцию нуклеиновых кислот (обладающих отрицательным зарядом благодаря фосфодиэфирной основе) к положительно заряженному аноду. Молекулы разделяются по мере продвижения через гель, в зависимости от размера и формы каждой молекулы. Более длинные молекулы перемещаются медленнее, поскольку гель оказывает более сильное сопротивление их движению, чем движению коротких молекул. По истечении некоторого времени электричество отключают и анализируют положение различных молекул. Нуклеиновую кислоту, подлежащую разделению, можно подготовить несколькими способами перед разделением электрофорезом. В случае крупных молекул ДНК, ДНК часто разрезают на более мелкие фрагменты с помощью рестрикционной эндонуклеазы (или фермента рестрикции). В других случаях, например, при анализе продуктов ПЦР, ферменты, присутствующие в образце и способные повлиять на разделение молекул, удаляют различными способами перед анализом. После надлежащей подготовки нуклеиновой кислоты образцы раствора нуклеиновой кислоты помещают в лунки геля и на определенное время подают напряжение через гель. Фрагменты ДНК различной длины визуализируют с помощью флуоресцентного красителя, специфичного для ДНК, такого как бромид этидия. На геле отображаются полосы, соответствующие различным популяциям молекул нуклеиновой кислоты с разным молекулярным весом. Размер фрагмента обычно указывается в "нуклеотидах", "парах оснований" или "кб" (для тысяч пар оснований), в зависимости от того, разделялась одно- или двухцепочечная нуклеиновая кислота. Определение размера фрагмента обычно проводят путем сравнения с коммерчески доступными маркерами ДНК, содержащими линейные фрагменты ДНК известной длины. Наиболее часто используемые типы гелей для электрофореза нуклеиновых кислот – это агарозный гель (для относительно длинных молекул ДНК) и полиакриламидный гель (для высокого разрешения коротких молекул ДНК, например, при секвенировании ДНК). Гели традиционно заливают в виде "пластин", как показано на рисунке, но капиллярный электрофорез стал важным для таких применений, как высокопроизводительное секвенирование ДНК. Методы электрофореза, используемые для оценки повреждения ДНК, включают щелочной гелевый электрофорез и электрофорез в импульсном поле. Для коротких сегментов ДНК, таких как двухцепочечная ДНК длиной 20–60 п.н., получение лучшего разрешения (в нативных условиях) достигается при прохождении через полиакриламидный гель (PAGE). Аналогично, РНК и одноцепочечную ДНК можно анализировать и визуализировать с помощью PAGE-гелей, содержащих денатурирующие агенты, такие как мочевина. PAGE-гели широко используются в таких методах, как анализ отпечатков ДНК, EMSA и других методах изучения взаимодействия ДНК с белками. Измерения и анализ в основном выполняются с помощью специализированного программного обеспечения для анализа гелей. Результаты капиллярного электрофореза обычно отображаются в виде графика, называемого электроферограммой.
Факторы, влияющие на миграцию нуклеиновых кислот
На миграцию нуклеиновых кислот могут влиять несколько факторов: размер пор в геле, приложенное напряжение, ионная сила буфера и концентрация интеркалирующего красителя, например, бромида этидия, при его использовании во время электрофореза.
Размер ДНК
Гель разделяет ДНК по размеру молекулы, при этом более мелкие молекулы перемещаются быстрее. Двухцепочечная ДНК движется со скоростью, приблизительно обратно пропорциональной логарифму числа пар оснований. Однако эта зависимость нарушается при работе с очень крупными фрагментами ДНК, и их разделение с помощью стандартного электрофореза в агарозном геле невозможно. Предел разрешения зависит от состава геля и напряженности электрического поля, а подвижность крупных циркулярных молекул ДНК может быть более чувствительна к размеру пор геля, чем линейных молекул. Для разделения очень крупных фрагментов ДНК требуется электрофорез в импульсном поле (PFGE). В электрофорезе с инверсией поля (FIGE, разновидность PFGE) возможно явление "инверсии полос", когда крупные молекулы могут двигаться быстрее, чем мелкие.
Конформация ДНК
Конформация молекулы ДНК может значительно влиять на её подвижность. Например, суперспирализованная ДНК обычно движется быстрее, чем релаксированная, поскольку она плотно скручена и, следовательно, более компактна. В стандартном препарате плазмидной ДНК могут присутствовать различные формы ДНК, и гель после электрофореза плазмид обычно показывает основную полосу, соответствующую отрицательно суперспирализованной форме, в то время как другие формы ДНК могут проявляться в виде менее интенсивных, дополнительных полос. Эти дополнительные полосы могут представлять собой однонитевую ДНК (открытую кольцевую форму) и релаксированную кольцевую форму, которая обычно движется медленнее, чем суперспирализованная ДНК, а одноцепочечная форма (которая иногда может появляться в зависимости от метода приготовления) может двигаться быстрее суперспирализованной ДНК. Скорость движения различных форм, однако, может изменяться в зависимости от условий электрофореза; например, линейная ДНК может двигаться быстрее или медленнее суперспирализованной ДНК в зависимости от условий, а на подвижность больших кольцевых молекул ДНК размер пор геля может оказывать большее влияние, чем на линейных молекул ДНК.
Концентрация бромида этидия
Концентрация бромида этидия оказывает более сильное влияние на циркулярную ДНК, чем на линейную, если бромид этидия присутствует в геле во время электрофореза. Все встречающиеся в природе циркулярные ДНК являются недокрученными, но бромид этидия, интеркалирующий в циркулярную ДНК, может изменять заряд, длину, а также суперспиральность молекулы ДНК, поэтому его присутствие во время электрофореза может влиять на её подвижность в геле. Увеличение количества бромида этидия, интеркалированного в ДНК, может привести к переходу от отрицательно скрученной молекулы к полностью расслабленной форме, а при максимальной интеркаляции – к положительно скрученной суперспирали. Электрофорез в агарозном геле можно использовать для разделения циркулярной ДНК с различной топологией суперспирали.
Концентрация геля
Концентрация геля определяет размер пор геля, что влияет на миграцию ДНК. Разрешающая способность ДНК изменяется в зависимости от процентной концентрации геля. Увеличение концентрации агарозы в геле снижает скорость миграции и улучшает разделение мелких молекул ДНК, тогда как уменьшение концентрации геля позволяет разделять крупные молекулы ДНК. Для стандартного электрофореза в агарозном геле концентрация 0,7% обеспечивает хорошее разделение или разрешение крупных фрагментов ДНК размером 5–10 кб, а концентрация 2% – хорошее разрешение для небольших фрагментов 0,2–1 кб. Для разделения очень мелких фрагментов можно использовать концентрацию геля до 3%, но для разрешения мелких фрагментов более подходящим будет вертикальный полиакриламидный гель. Однако гели с высокой концентрацией требуют более длительного времени проведения (иногда дней), а гели с высоким процентом содержания часто хрупкие и могут неравномерно застывать. Гели с высоким содержанием агарозы следует использовать с методами PFGE или FIGE. Гели с низким содержанием (0,1–0,2%) хрупкие и могут разрушаться. Гели с концентрацией 1% широко используются для многих применений.
Применяемая область
При низких напряжениях скорость миграции ДНК пропорциональна приложенному напряжению, то есть чем выше напряжение, тем быстрее движется ДНК. Однако при увеличении напряженности электрического поля подвижность фрагментов ДНК с высокой молекулярной массой возрастает неодинаково, эффективный диапазон разделения уменьшается, а разрешение, следовательно, снижается при высоком напряжении. Для оптимального разрешения ДНК размером более 2 кб при стандартном гель-электрофорезе рекомендуется использовать 5–8 В/см. Это явление может приводить к инверсии полос, когда более крупные фрагменты ДНК двигаются быстрее, чем мелкие, в PFGE.
Механизм миграции и разделения
Отрицательный заряд фосфатного остова перемещает ДНК к положительно заряженному аноду при электрофорезе. Однако миграция молекул ДНК в растворе в отсутствие гелевой матрицы не зависит от молекулярной массы во время электрофореза, то есть разделение по размеру без гелевой матрицы невозможно. Гидродинамическое взаимодействие между различными участками ДНК прерывается встречным потоком контрионов, поэтому не существует механизма, создающего зависимость скорости от длины в масштабе, превышающем длину экранирования, около 10 нм. Глобулярный белок или ДНК в виде случайной катушки перемещается через соединенные поры, достаточно большие для его прохождения, и движение более крупных молекул с большей вероятностью замедляется и затрудняется столкновениями с гелевой матрицей, что позволяет разделить молекулы разных размеров в процессе просеивания. Однако существуют и другие модели. Флуоресцентная микроскопия окрашенных молекул в реальном времени выявила более сложную динамику во время электрофореза: ДНК проявляет значительную эластичность, попеременно растягиваясь в направлении приложенного поля и затем сжимаясь в шар или принимая U-образную форму, когда она зацепляется за полимерные волокна. Это наблюдение можно назвать "моделью гусеницы". Другая модель предполагает, что ДНК запутывается в полимерной матрице, и чем больше молекула, тем выше вероятность ее запутывания и затруднения движения.