本文讨论了一种使用改良末端限制性片段分析法来定量端粒长度的详细实验方案,该方法可快速高效地直接测量端粒长度。该技术可应用于多种DNA细胞来源,用于定量端粒长度。
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本文讨论了一种使用改良末端限制性片段分析法来定量端粒长度的详细实验方案,该方法可快速高效地直接测量端粒长度。该技术可应用于多种DNA细胞来源,用于定量端粒长度。
测量端粒长度有多种不同技术,每种技术各有其优缺点。传统的端粒限制性片段(TRF)分析法采用DNA杂交技术,即用限制性内切酶消化基因组DNA样本,保留端粒DNA重复序列及部分端粒侧翼区DNA。这些片段通过琼脂糖凝胶电泳分离后,转移至滤膜并用带有化学发光或放射性标记的寡核苷酸探针进行杂交,以可视化端粒限制性片段。该方法虽然所需DNA量较PCR等其他技术更多,但可测定细胞群体中端粒长度的分布情况,并以绝对千碱基(kb)为单位进行定量。本文描述了一种改良的DNA杂交法用于测定端粒长度。首先用不切割端粒序列的限制性内切酶消化基因组DNA,然后通过琼脂糖凝胶电泳分离。随后将凝胶干燥,对DNA进行变性并杂交 原位 与放射性标记的寡核苷酸探针杂交。这 原位 杂交可避免端粒DNA的丢失并增强信号强度。杂交完成后,利用磷屏成像系统对凝胶进行成像,并通过绘图软件定量分析端粒长度。该实验流程由德克萨斯大学西南医学中心的Woodring Wright博士和Jerry Shay博士实验室开发。1,2在此,我们详细描述了该实验步骤,并做了一些修改。
位于染色体末端的端粒是由重复的核苷酸序列TTAGGG(在人类染色体上)组成的结构,在保护细胞遗传信息方面发挥着关键作用3,4,5。端粒长度可达数千个碱基对,其功能是在DNA复制过程中维持染色体其余部分的完整性。由于染色体复制并不完全,导致染色体末端无法被完整复制。这种复制效率的缺陷被称为"末端复制问题",其结果是在每一次复制循环中部分端粒重复序列会丢失6,7。细胞分裂后,端粒酶作为一种能够补充丢失的端粒序列的酶,可恢复端粒长度8,9。然而,在大多数人类体细胞中端粒酶并未被激活,因此随着时间推移,端粒会逐渐缩短,最终导致细胞衰老10。由于端粒缩短现象的存在,端粒长度被视为一种与衰老及年龄相关疾病风险相关的生物标志物11,12。此外,端粒长度还可能受到遗传、环境、生活方式因素以及其他刺激(如氧化应激)的影响,表明其在毒理学、流行病学和行为学研究中也可作为重要的生物标志物13,14,15。
本文展示了一种测量端粒长度的技术,该技术采用经Mender和Shay2以及Kimura et al.16改良的末端限制性片段(TRF)分析方法,类似于Herbert、Shay和Wright1以及Haussmann和Mauck17所使用的方法。传统上,TRF分析包含Southern印迹步骤。Southern印迹被认为是研究端粒长度的"金标准",并广泛应用于流行病学研究中白细胞端粒长度的检测18。该TRF分析通过消化基因组DNA,保留端粒重复序列。随后,DNA片段通过凝胶电泳分离,经变性后转移至硝酸纤维素膜上。端粒序列与端粒寡核苷酸探针进行杂交。除将分离的端粒转移至膜上的方法外,其他TRF技术也采用凝胶内杂交方法,可在DNA变性或非变性条件下进行。在检测某些物种中已报道存在的中间型端粒序列时,是否包含变性步骤尤为关键19。缺乏变性步骤的操作仅能检测端粒末端的单链DNA突出端,而无法与中间型端粒序列结合18。
除了TRF分析外,还有其他几种测量端粒长度的技术,每种技术都有其各自的优缺点。Flow-FISH技术可利用流式细胞术测量特定细胞类型单个细胞的平均端粒长度16,20。该方法能够使用高度特异性的探针准确标记端粒,并通过自动化减少人为误差,但Flow-FISH成本较高、效率较低,且需要新鲜样本和熟练的技术人员,限制了其在流行病学研究中的应用16。此外,该方法未考虑细胞群体中染色体数目可能发生的改变。另一种技术qPCR由于通量高、成本低,且所需DNA量少于其他方法,已被广泛接受用于流行病学研究中的端粒长度测量16。然而,qPCR只能测量相对于单拷贝基因的平均端粒DNA含量,因此是对平均端粒长度的间接估算。与其他方法(如Southern印迹)相比,qPCR在比较研究中表现出较高的变异系数,导致其准确性存疑21。
TRF 方法本身存在一些缺陷,限制了其在某些研究中的应用。与其他方法相比,TRF 技术需要较大量的 DNA(每个样品需 2 至 3 µg)。这使得该技术仅适用于能够获得足量基因组 DNA 的临床样本的端粒长度分析,而无法用于已降解的 DNA 样本。此外,TRF 分析成本较高且耗时耗力,通常需要 4 至 5 天才能获得结果。然而,TRF 具有较低的变异系数,因而具有良好的可重复性。尽管本实验方案与传统的 Southern 印迹法有所不同(采用原位凝胶杂交 in situ gel hybridization),但两种技术在本质上是相同的。
本文介绍的技术结合了Southern印迹与凝胶内杂交方法,将Southern印迹中的DNA变性步骤与凝胶内杂交相结合。相比传统的Southern印迹,该方法具有增强探针信号强度的优势,并在本实验室中持续获得可量化的结果。此外,使用放射性探针而非化学发光探针可产生更高的信号强度,并可通过磷屏成像仪进行可视化和定量分析,使端粒重复序列(TRF)的分析更加便捷易行。
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1. 基因组DNA提取
2. DNA 完整性评估
注意:本实验方案的这一部分概述了使用电泳系统进行DNA完整性评估的方法,所用凝胶尺寸为11 cm × 14 cm。也可使用其他系统和不同尺寸的凝胶,但电压和DNA迁移时间可能有所不同。
3. 基因组DNA消化
4. 基因组DNA凝胶电泳
注意:本实验方案的这一部分概述了使用 20 cm × 25 cm 凝胶电泳系统的操作步骤。也可使用其他规格的凝胶电泳系统,但可能需要调整若干变量,包括电压、电泳时间以及加入系统的电泳缓冲液体积,以获得最佳结果。
5. 凝胶荧光成像与杂交
6. 杂交
7. 凝胶洗涤、磷屏曝光与放射自显影
8. 端粒长度定量分析
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三种浓度的DNA(1、2和 3 µg) 来自BJ-hTERT细胞系(端粒酶永生化的人包皮成纤维细胞)22 并分析了人外周血单个核细胞(PBMCs)的端粒长度。 表1 显示每个DNA样本的加样孔分配。 图1 显示了凝胶的核酸荧光染色结果。分子量标准条带清晰可见。测定了每个分子量标准条带距凝胶顶部的距离(图2). 图3 显示了与端粒探针杂交后凝胶的磷屏成像结果。每条泳道中的端粒条带呈弥散状。每条泳道计算了150个方格的网格,另加一个背景泳道(图 4)。每个样本组凝胶中对应端粒条带的分析区域如图所示。 图5为每组样本选择独立的背景条带,以确保每组样本的背景强度相近(标记为 B 的条带)
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电泳结束后,基因组DNA弥散条带应高于800 bp。如果限制性内切酶失效,或需要额外的酶(如上所述),则可能出现此现象。另一个可能的原因是蛋白质仍与DNA结合。通过分光光度计测定DNA浓度时,260/280比值应约为1.8。如果该比值<1.5,则表明存在蛋白质污染,可能干扰限制性内切酶的消化反应。此时需重新分离DNA样品,或使用蛋白酶K消化结合苯酚:氯仿抽提,再经乙醇沉淀去除蛋白质。使用商业化DNA提取试剂盒通常可获得260/280比值为1.8–1.85的DNA。
在将凝胶暴露于磷屏后,未检测到端粒片段。这可能是由于端粒探针放射性标记不佳、杂交条件不当或起始基因组DNA量不足所致。在制备端粒探针时,G-25柱离心结束后,流出液中应能明显检测到放射性信号(代表放射性标记的端粒探针)。若未检测到放射性,则说明探针制备存在问题。此外,必须确保杂交温度不超过42 °C(以防止探针与模板复合物解链),并且杂交缓冲液应完全浸没杂交容器中的凝胶。能够检测到端粒的基因组DNA最低用量为2.0–3.0 µg。起始材料量过少可能导致杂交后信号极弱甚至无信号。
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢匹兹堡大学癌症研究所生物行为肿瘤学共享设施的支持,该设施部分由资助项目 P30CA047904 提供支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>生物制剂 | |||
| Rsa1,限制性内切酶 | 新英格兰生物实验室股份有限公司 | R0167S | 10,000 U/mL,DNA 消化。 附带 Cutsmart 缓冲液(消化缓冲液) |
| Hinf1,限制性内切酶 | New England Biolabs, Inc | R0155S | 10,000 U/mL,DNA 消化。 附带 Cutsmart 缓冲液(消化缓冲液) |
| Seakem GTG 琼脂糖 | Lonza | 50071 | 电泳级琼脂糖 |
| Optikinase | Affymetrix | 78334X 500 UN | T4 多核苷酸激酶 |
| SYBR Green 核酸染料 I | 赛默飞世尔科技 | S7567 | Syber Green |
| exactGene DNA Ladder 24-kB | Fisher Scientific | BP2580100 | |
| C链探针(3'-(G3AT2)4-5') | Integrated DNA Technologies | 定制合成DNA寡核苷酸 | |
| Gamma-ATP-P32 | Perkin Elmer | BLU502Z | 放射性同位素 |
| Qiagen 血液与细胞培养 DNA 小量提取试剂盒 | Qiagen | 13323 | DNA提取试剂盒 |
| GE Illustra Microspin G-25 柱 | GE Healthcare Life Sciences | 27-5325-01 | 用于纯化放射性寡核苷酸探针 |
| Ficoll 400 | 非离子型合成聚合物 | ||
| <强>仪器/软件 | |||
| Owl A5 凝胶电泳系统(20 cm × 25 cm) | 赛默飞世尔科技 | A5 | 凝胶电泳 |
| Horizon 11.4 电泳系统(11 cm × 14 cm) | 科睿尔生命科学 | 11068020 | 凝胶电泳 |
| 尼龙网,50,12" ×12" | Ted Pellam, Inc | 41-12105 | |
| GE 储磷屏 | GE Healthcare Life Sciences | 28-9564-75 | |
| 磷光屏曝光暗盒 | GE Healthcare Life Sciences | 63-0035-44 | |
| Isotemp 杂交孵育箱 | Fisher Scientific | 13-247-20Q | |
| 圆柱形杂交管 | Fisher Scientific | 13-247-300 | |
| The Belly Dancer 轨道摇床 | Sigma-Aldrich | Z768499-1EA | 轨道摇床 |
| Typhoon 9400 | ABI | 用于凝胶和磷屏成像 | |
| GraphPad Prism 6 | GraphPad | 版本 6.05 | 绘图程序 |
| Microsoft Excel | 微软 | Office 365 | 电子表格程序 |
| Nanodrop | 赛默飞世尔科技 | Nanodrp 2000 | 分光光度计 |
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