Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Полимеразная цепная реакция в диагностике инфекционных болезней животных. Учебно-методическое пособие
.pdf
Данная технология значительно повышает производительность лаборатории.
При этом выход НК и чистота материала, воспроизводимость и
прогностичность эксперимента будут максимальными (так же как скорость,
точность и надежность анализа в целом), а риск кросс-контаминации
(перекрестного заражения) минимизируется (рисунок 5).
Рисунок 5 -
Рисунок 5 - Автоматические станции для выделения нуклеиновых
кислот
2.2 КОМПОНЕНТЫ РЕАКЦИИ
Для протекания полимеразной цепной реакции в пробирке необходимы
следующие ключевые компоненты:
1. Анализируемая ДНК. Это может быть как отдельный кусочек
молекулы, так и плазмида, хромосома или геном клетки полностью. Способы
получения очищенной ДНК описаны в предыдущем разделе. ДНК служит
матрицей для многократного копирования нужного участка.
2. Праймеры. Праймер — это искусственно синтезированная короткая
цепочка нуклеотидов (15–30 штук), комплементарная выбранному участку
одной из цепей анализируемой ДНК. Один из праймеров обычно
соответствует началу амплифицируемого отрезка, другой — его концу,
но на противоположной цепи. У праймеров, как и у любого олиго- или
полинуклеотида, есть 3ˊ- и 5ˊ-концы.
3. Нуклеотиды. А точнее, дезоксинуклеозидтрифосфаты — четыре вида
«кирпичиков» для строительства цепей ДНК: дАТФ, дТТФ, дЦТФ и дГТФ.
4. ДНК-полимераза. Фермент, строящий комплементарную матричной
цепь ДНК. Он может начинать синтез только от 3ˊ-конца праймера. Обычно
используют термостабильные полимеразы, изначально выделенные
из термофильных бактерий и архей: Thermus aquaticus (Taq-полимераза),
11

Pyrococcus furiosus (Pfu-полимераза) и Pyrococcus woesei (Pwo-полимераза).
Первая — самая производительная, а две другие — более точные.
5. Буфер. Раствор, содержащий различные ионы для поддержания
нужного рН, соли магния, необходимые для работы полимеразы, и неионный
детергент Tween-20 в сочетании с BSA (бычьим сывороточным альбумином)
для предотвращения налипания компонентов реакции на стенки пробирки
(рисунок 6).
Рисунок 6 – Состав смеси для ПЦР
Все компоненты смешивают в нужном объеме деионизованной воды
в специальных пробирках для ПЦР и помещают в амплификатор (или ПЦРциклер, термоциклер) (рисунок 7). В этом случае ДНК-полимераза будет
синтезировать ДНК из дезоксирибонуклеотидтрифосфатов, подставляя их по
принципу комплементарности к матричной молекуле ДНК, начиная от ДНКзатравки.
Рисунок 7 - Расходные материалы и оборудование для ПЦР (а — ПЦР-
пробирки; б — амплификатор производства Bio-Rad)
12

2.3 ЭТАПЫ РЕАКЦИИ
Классическая ПЦР состоит из повторяющихся температурных циклов,
состоящих, в свою очередь, из трѐх температурных режимов:
1. Денатурация
Чтобы полимераза могла работать, две цепи ДНК-матрицы нужно
разъединить. Для этого реакционную смесь нагревают до 94–98 °С. В таких
условиях разрушаются водородные связи между азотистыми основаниями
параллельных цепей.
2. Отжиг праймеров
На этом этапе праймеры специфично присоединяются
к освободившимся цепям ДНК-матрицы с разных сторон копируемого
участка 3ˊ-концами друг к другу. Чтобы праймеры могли комплементарно
связаться (отжечься) только с нужными участками, при их конструировании
необходимо учитывать такую важную характеристику, как температура
плавления (Тm). Это расчетная температура, при которой половина
праймеров присоединяется к целевому участку ДНК. Отжиг проводят при
температуре на 1–5°С ниже Tm, но не выше оптимальной температуры
работы полимеразы, то есть в пределах 40–72 °С.
Чтобы разработать эффективные праймеры, необходимо знать
последовательность ДНК у концов целевого участка, и, руководствуясь
упомянутыми критериями, выбрать подходящие фрагменты, которым будут
комплементарны будущие праймеры. Всѐ это удобно делать в специальных
компьютерных программах — например, PrimerSelect: они рассчитают Тm и
определят, насколько удачна подобранная пара праймеров.
3. Элонгация, или синтез ДНК
Этот этап чаще проводят при температуре 72 °С — оптимальной для
работы Taq-полимеразы. Фермент присоединяется к комплексам праймерматрица и, выхватывая из раствора нуклеотиды, начинает по принципу
комплементарности прилаживать их к 3ˊ-концу праймера (рисунок 8).
Удлинение, или элонгация, новой цепи ДНК идет с максимальной скоростью
50–60 нуклеотидов в секунду (то есть около 3000 в минуту). Однако при
программировании ПЦР-циклера задают время с запасом: по минуте
на каждую тысячу пар нуклеотидов.
13

Рисунок 8 – Схема полимеразной цепной реакции
Каждая вновь синтезированная цепочка ДНК становится, наравне
со старой, матрицей для синтеза в следующем цикле. Таким образом,
количество нужного продукта в процессе реакции возрастает
экспоненциально. После прохождения всех циклов в реакционной смеси
образуется столько специфических двухцепочечных продуктов, что
их «массив» можно увидеть невооруженным глазом — проведя гельэлектрофорез, который будет описан ниже.
К сожалению, экспоненциальная амплификация не может длиться
вечно. Через 25–30 циклов количество функциональных молекул полимеразы
в реакционной смеси истощается. Но чтобы добиться еще большего выхода
продукта, содержимое пробирки можно разбавить, например, в 1000 раз
и снова использовать для амплификации с уже новыми рабочими
компонентами.
2.4 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРОДУКТОВ ПЦР
Чтобы увидеть, намножились ли нужные участки ДНК, после
окончания ПЦР содержимое пробирок подвергают электрофорезу
в агарозном или полиакриламидном геле с последующим окрашиванием —
так молекулы ДНК разной длины разделяются пространственно и становятся
видны невооруженным глазом. Полиакриламидный гель (ПААГ) намного
плотнее, поэтому больше подходит для разделения очень коротких
фрагментов (несколько десятков пар нуклеотидов), при этом можно увидеть
разницу даже в один нуклеотид (рисунок 9).
14

Рисунок 9 – Электрофорез в полиакриламидном геле
Несмотря на высокую разрешающую способность ПААГ, для
разделения фрагментов ДНК обычно вполне достаточно применения
агарозного геля. Поэтому чаще осуществляется электрофорез в агарозном
геле. Расплавленный при 65°С гель заливают в специальную форму (плашку)
с установленной в ней гребенкой, формирующей лунки (рисунок 10). Когда
гель застывает, гребенку вынимают, ставят форму в камеру для
электрофореза и заливают специальным буфером. Затем в лунки
микропипеткой вносят раствор из ПЦР-пробирок, смешанный с краской —
чаще бромфеноловым синим. Чтобы потом определять размеры
амплифицированных фрагментов, в отдельную лунку вносят маркер
молекулярных масс, содержащий набор кусочков ДНК известных размеров.
Камеру подключают к источнику питания. Электрофорез длится десятки
минут или несколько часов, в зависимости от размера фрагментов ДНК,
плотности геля и приложенного напряжения (рисунок 11).
15

Рисунок 10 - Подготовка геля для горизонтального электрофореза
Рисунок 11 – Электрофорез в агарозном геле
Благодаря отрицательно заряженному сахарофосфатному остову ДНК,
фрагменты движутся в геле под действием электрического поля
от отрицательного катода к положительному аноду. Более короткие
молекулы делают это быстрее, чем длинные. Бромфеноловый синий нужен
для того, чтобы следить за продвижением фронта проб в геле и не допустить
их выхода за его пределы.
После окончания электрофореза гель вынимают из плашки и, чтобы
увидеть расположение фрагментов, вымачивают в растворе
16

флюоресцентного красителя, прочно связывающегося с ДНК. Иногда его
вводят в гель еще до залития плашки. Если красителем служит бромистый
этидий, внедряющийся между нуклеотидами ДНК, визуализацию проводят
под ультрафиолетом с помощью специального прибора –
трансиллюминатора (рисунок 12).
Рисунок 12 – Визуализация результатов электрофореза на
трансиллюминаторе
Контрольные вопросы:
1. Какие методы очистки нуклеиновых кислот существуют?
2. Какие компоненты участвуют в полимеразной цепной реакции?
3. Что такое амплификация?
4. Перечислите температурные режимы ПЦР.
5. Как визуализируют результаты амплификации?
17

3 ТИПЫ И ВАРИАНТЫ ПРОВЕДЕНИЯ ПЦР
3.1 ТИПЫ ПЦР
Выше была описана типичная качественная ПЦР, позволяющую
узнать, есть нужная последовательность в анализируемом образце или нет.
В качестве матрицы ранее упоминалась ДНК, но бывают случаи, когда
в распоряжении экспериментатора есть лишь РНК (при исследовании РНКвирусов) или только она может дать необходимую информацию (при
определении уровня экспрессии генов). Тогда используют ПЦР с обратной
транскрипцией, или ОТ-ПЦР (RT-PCR; не путать с real-time PCR!).
Помимо качественной, существует количественная ПЦР — для
определения количества исходной матрицы в образце. Это ПЦР в реальном
времени, или real-time PCR. Ее тоже можно проводить в двух вариантах:
с ДНК-матрицей и РНК-матрицей.
1. ПЦР с обратной транскрипцией
Полимеразная цепная реакция может идти исключительно на матрице
ДНК, поэтому если у экспериментатора есть мРНК (матричная РНК,
на основе которой строятся клеточные белки), то сначала ее надо как-то
«переписать» в ДНК. Для этого применяют реакцию обратной транскрипции,
в которой фермент обратная транскриптаза по матрице РНК строит
комплементарную ДНК (кДНК). А потом с этой ДНК проводят обычную
ПЦР, как описано выше (рисунок 13).
Рисунок 13 – Схема ПЦР с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР)
18

Впервые ОТ-ПЦР упомянули в 1988 году в журнале Science.
Эту реакцию обычно осуществляют с помощью двух ферментов —
обратной транскриптазы и ДНК-полимеразы — либо в двух пробирках
(в первой при 37°С по матрице РНК синтезируют кДНК, затем во второй
проводят стандартную ПЦР), либо в одной (все реагенты смешивают вместе,
дают отстояться 1 час при 37 °С и помещают в циклер). У каждого
из подходов есть свои недостатки и достоинства. В первом случае высока
вероятность ошибок при пипетировании и загрязнения образца при переносе
во вторую пробирку. Но при этом, однажды проведя обратную
транскрипцию, полученную кДНК можно использовать в нескольких
экспериментах с разными целями. Во втором случае в ПЦР участвует вся
синтезированная кДНК, и повторить реакцию уже невозможно. Однако
время проведения эксперимента существенно сокращается. Первый вариант
применяют для исследования некоторого набора генов, а второй — при
большом количестве образцов, но малом количестве изучаемых генов.
Но ОТ-ПЦР можно проводить и с одним ферментом — Tthполимеразой. Эту термостабильную полимеразу выделили в 1985 году
из бактерии Thermus thermophilus HB-8. Фермент обладает двойной
активностью: в присутствии ионов магния — полимеразной, а в присутствии
ионов марганца — обратнотранскриптазной.
ОТ-ПЦР незаменима при работе с вирусами, геном которых
представлен молекулой РНК, в диагностике некоторых видов рака
по специфическим транскриптам опухолевых клеток, а также в генной
инженерии, если нужно экспрессировать эукариотический ген
в бактериальных клетках.
2. ПЦР (и ОТ-ПЦР) в реальном времени
Этот метод еще называют qPCR (quantitative PCR, или количественная
ПЦР), поскольку он позволяет не только обнаружить в пробе целевую
нуклеотидную последовательность, но и измерить количество ее копий,
а значит, и рассчитать, сколько же было исходной матрицы. Этой матрицей
может быть как ДНК (qPCR), так и РНК (RT-qPCR). Понятно, что
в последнем случае первой стадией будет обратная транскрипция.
ПЦР в реальном времени разработали в 1992 году в Калифорнии
сотрудники Roche Molecular Systems. Они добавили в смесь для ПЦР
флуоресцентный краситель бромистый этидий (EtBr) и запустили реакцию
под ультрафиолетовым светом, который заставлял EtBr светиться. Весь
процесс, а, следовательно, и усиление свечения при накоплении копий ДНК,
19

исследователи записали на видеокамеру. Затем они смогли подсчитать
исходное число копий целевого фрагмента в реакционной смеси.
Метод real-time PCR не требует визуализации продуктов реакции
с помощью гель-электрофореза — их накопление фиксируют в реальном
времени оптические датчики, вмонтированные в амплификатор
и настроенные на определенную длину волны, испускаемую
флуоресцирующими метками (рисунок 14). При этом используют два типа
меток: интеркалирующие агенты («коллеги» EtBr) и зонды с флуорофорами.
Рисунок 14 – Амплификатор для ПЦР в реальном времени
Интеркалирующие красители (лат. intercalatio – вставка, добавка) –
молекулы, способные обратимо встраиваться (интеркалировать) между
двумя комплементарными парами нуклеотидов в двуспиральной ДНК или
РНК.
Самый популярный интеркалирующий агент — SYBR Green,
флуорофор, резко увеличивающий флуоресценцию (в 1000 раз) после
связывания с двухцепочечной ДНК (рисунок 15). Таким образом, увеличение
флуоресценции будет пропорционально увеличению количества ДНК
в каждом цикле ПЦР. К сожалению, интеркалирующие агенты обладают
низкой специфичностью: они могут связываться и с «побочными»
продуктами реакции, и с димерами праймеров. Однако тщательный подбор
праймеров и условий ПЦР минимизируют этот недостаток.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
