ソース: ドクターペッパー イアン博士チャールズ Gerba – アリゾナ大学所
示す著者: ブラッドリー ・ シュミッツ
逆転写ポリメラーゼ連鎖反応 (RT-PCR) は、従来の PCR と同じプロセス-核酸を増幅するサイクリングの温度。しかし、従来の PCR は、デオキシリボ核酸 (DNA) を増幅するだけ中、RT-PCR は相補的 DNA (cDNA) の形成をリボ核酸 (RNA) の増幅をできます。これにより、RNA に基づく生物環境分析の利用法や DNA のために設計されている技術の内で見つかった。
環境は、多くのウイルスは、彼らの遺伝物質として RNA を使用します。いくつか RNA 型ウイルスの病原体、ノロウイルス、トウガラシマイルドモットル ウイルス (PMMoV) などの指標生物などには、定量化のため文化基づかせていた検出メソッドはありません。土壌、水、農業、等から環境試料中のこれらの RNA ウイルスの存在を検出するために分子アッセイは、RNA を DNA に変換する RT-PCR 法に依存します。RT-PCR 微生物学者ないなければ試金や健康や環境にリスクをもたらす多数の RNA ベースのウイルスを研究することができます。
RT-PCR は、環境における微生物の活性を測定するツールとしても使用できます。メッセンジャー RNA (mRNA) タンパク質翻訳の単一座礁させたテンプレートでありそこから微生物が環境の中で表現されているどの遺伝子を示す別の Mrna のレベルを測定します。遺伝子発現解析にどのような生物学的経路が異なる環境で生き残るために生物によって使用される手がかりを与えます。いくつかのケースでは、生物が生き残るため過酷な条件で最高と汚染された土壌や水の浄化のための機能を持っているを決定する遺伝子発現を利用できます。
PCR は生物からの RNA の検出でその使用が制限される DNA テンプレートの増幅に基づいています。ただし、RT-PCR は逆転写酵素 (RT) と呼ばれる特殊な酵素を使用して cDNA を生成する RNA を使用するための手段を提供します。この cDNA は、従来 PCR (図 1) にその後拡大のため開始のテンプレートとして使用できます。
逆のトランスクリプションを制御することができますテンプレート cDNA 合成のみ希望の製品または全体のコミュニティによっては、プライマーの環境試料内にある核酸の増幅に使用します。これは、土壌と水のサンプルの特定の分析の必要のない様々 な核酸と飽和頻繁に重要です。微生物の任意のタイプの RNA シーケンスにバインドできます、ランダムのプライマーに存在し、環境内の複数の生物の相対量サンプルを分析できますのでほとんどの RNA を検出する RT-PCR 法で使用できます。一方、配列特異プライマーは cDNA を合成するだけ 1 つまたは少数の有機体の正確なシーケンスを開始します。これはノロウイルス人間の胃腸の病気を引き起こす可能性が、水に存在するかどうかを決定するなど、特定の目的をテストする環境試料をことができます。
図 1。環境の RNA サンプルの RT-PCR 分析のステップバイ ステップのプロセスです。
1. サンプル コレクション: 土壌サンプル
2. サンプル コレクション: 水サンプル
3. RNA の抽出
4. 逆転写 – PCR
図 2。マスター ミックスとエキスを含む 8 チューブ ストリップを頂いた。
試薬 | 1 反応 (μ L) あたりのボリューム |
RT バッファー x 10 | 2.0 |
25 x dNTPs | 0.8 |
任意プライマー x 10 | 2.0 |
Multiscribe | 1.0 |
リボヌクレアーゼ阻害剤 | 1.0 |
分子グレード H2O | 3.2 |
総容積 | 10 |
表 1。RT マスター ミックスの成分。
ステップ 1 | ステップ 2 | ステップ 3 | ステップ 4 |
25 ° C、10 分 | 37 ° C、120 分 | 85 ° C、5 分 | 4 ° C、∞ |
表 2。RT 反応たちプログラム。
逆のトランスクリプション ポリメラーゼの連鎖反応、または RT-PCR、RNA ウイルスと環境微生物の遺伝子発現の検出が有効です。
人間から、遺伝物質として DNA を使用している、細菌に細胞生物とは異なりいくつかのウイルス インフルエンザ、エボラ、HIV など多くの病原性ウイルスを含む RNA のゲノムがあります。大半が文化に基づく特性評価手法.を持たないしながら開発するため、細胞培養の細胞に感染する病原性の表現型を観察することによって、いくつかのウイルスを検出できます。感度が高い環境でこれらのウイルスの存在を検出する RT-PCR 法が使えます。
同じ時間では、DNA ベースのゲノムを持つ生物は、”””m”「翻訳できます」細胞内酵素または構造上の機能を実行する蛋白質に RNA やメッセンジャーにそれらを反訳した DNA ゲノムの遺伝情報を「エクスプレス」。微生物応答回して様々 な遺伝経路の内外の環境の変化に適応、RT-PCR 法はこのような潜在的な生態系の査定として遺伝子発現変化を監視する使用できます。
このビデオは、RT-PCR の原理でこの手法を実行する一般的な手順の概要を説明し、最後に、このメソッドが今日環境微生物学で適用されている方法のいくつかを調べて行きます。
このプロシージャに 2 つの主要部分があります: 生体試料からの RNA の抽出は DNA に逆のトランスクリプションが続きます。
RNA の分離は、脂質やタンパク質、機械的破壊によって続いてを分解する洗剤を追加してサンプルの細胞を溶解を含まれます。通常ウイルスから RNA を抽出タンパク質消化、分解酵素の添加が必要ですウイルスのカプシド – ウイルスの粒子を形成するタフなタンパク質のコートを分解する酵素。その一方で、細胞生物から RNA を取得、するときライセート必要があります DNA 分解酵素や化学的に類似の DNA の存在によって困惑している下流の結果を避けるために、DNAases と扱われます。
RNA は、2 つの方法のいずれかで lysates から精製することができます。酸のためチオシアン酸-フェノール-クロロホルム抽出法として知られている 1 つのメソッドでライセートがフェーズを分離する遠心ですし有機水溶液の混合物を混ぜています。タンパク質は、曇りの相間に分離細胞の残骸と水相に核酸有機相に分割されます。上層の水相を収集しできます、その RNA の核酸の水に対する溶解度が減少、イソプロパノールなどのアルコールの添加により誘発されます。
列に基づく RNA 分離のライセート アルコールと混合、シリカなどの負荷電の樹脂とゲル濾過カラムを通して渡されます。樹脂にバインドする核酸の負荷電の隣酸塩バックボーンを許可するバッファー フォーム「塩橋」に正荷電イオンは、ライセート処理を用意しています。他のすべての汚染物質は、洗い流されます。核酸は、低塩バッファーか水を使用して、列から「溶出」されます。一本鎖 RNA は二本鎖 DNA よりも少ない負電荷があるのでそれが優先的に溶出特定濃度のバッファーを使用しています。
一度分離、RNA がより化学的に安定した DNA に変換されます。科学者は、HIV のようなレトロ ウイルスでエンコードされた自然酵素を活かしたています。この酵素は、逆転写酵素、または”RT”と呼ばれます。
RT は、プライマーと呼ばれるヌクレオチドの短いストレッチから相補的または”c”の DNA を合成します。この入門書は、実験の目的によっては、別のシーケンスを持つことができます。たとえば、特定のシーケンスを持っている特定の遺伝子または有機体を検出するためにプライマーを設計できます。合成、一度、この「最初の繊維は」cDNA は通常 PCR によって増幅することができます。
RT-PCR の背後にある原理を理解しているので、環境から収集された RNA サンプルでこの方法を実行するためのプロトコルを見てみましょう。
手順を開始するには、GPS 座標または視力を使用してサンプルのコレクションの場所を検索します。微生物の生息地の一般的な調査を得るためエリア内にランダム ポイントを選択します。
固体サンプルを収集するためにプッシュし、所定の深さまで地盤に手オーガーをツイストします。オーガーを解除すると、土をオーガーの中空の茎内で見つけることが。
土壌回収袋に直接この土を掻きし、袋は、場所、名前、日付、コレクションおよびその他の必要な情報の時間にラベル付け。
土を実験室に転送し、土を砂利や岩を削除する 2 mm ふるいを通過します。水分は、土壌微生物活性のレベルを形成することができますのための土のサンプルを分析します。これを行うには、このコレクションのビデオ「定量の水分コンテンツの土」を参照してください。
水サンプル コレクションの土壌採取と同様の関心のサイトを選択し、滅菌肉厚のペットボトルに水を集めます。集められる水の容積の注意してください。すぐにパラメーターの試験水のような温度、pH、塩分濃度は、サンプルで期待される微生物レベルに関する重要な情報を提供することができます。その後、クーラーと研究室に転送にボトルを配置します。
ウイルスなどの微生物を収集および環境試料から集中しています。
製造元の指示に従って、商業の RNA 抽出キットを用いたスピン列による収集したウイルスから RNA を抽出できます。換散バッファー、エタノールを添加した混合最初サンプル。コレクション チューブにスピン列の適切な数を配置し、列行列にサンプルを適用します。列に核酸の列にバインドし、液体の通過を破棄させる 1-2 分約 12,000 × g で遠心分離機します。
列に洗浄バッファーを追加し、再び遠心分離します。新しい、滅菌 1.5 mL 低付着の microfuge の管に列を配置します。列および 30 の遠心分離機に RNA を低下させる酵素である RNases の無料の水を加えます s RNA を溶出します。溶出の RNA は、使用するまで-80 ° C で保存できます。
実験前に、は、特定微生物の存在のためのマーカーとして役立つことができる興味のシーケンスを検出するために適切なプライマーを設計する必要があります。
-20 ° C で保存 RT 試薬を取り出して解凍冷凍試薬氷の上 (または室温で)。ヌクレオチド、逆のトランスクリプションのバッファー、およびプライマーが含まれます。解凍後、氷上では; 試薬を維持します。逆転写酵素と RNase 阻害剤は、氷の上常に保たれる必要があります。
試薬が融解しながらボリュームと反応の成分濃度を計算します。試薬は、解凍後、軽く渦とスピン内容を確保するため各チューブも混在しています。
汚染を避けるために、各 PCR チューブに追加するマスター ミックスで構成部品をアセンブリの層流フードで働いています。汚染を防ぐために各試薬間ピペット チップを変更するエッペン チューブにマスター ミックスをアセンブルする場合を確認します。すべての試薬は、エッペン チューブに追加されている後、優しく渦とスピン ・ マスター ダウン ミックス均一混合物を確保するための管。
ラベル コントロールを含めるようにして、PCR チューブのセット。各チューブにマスター ミックスの等量の約数。RNA 抽出物など陰性対照のための水の反応固有のコンポーネントを追加します。
すべてのコンポーネントを追加すると、一度、たちにチューブを配置し、逆のトランスクリプションのプログラムを実行するを設定します。CDNA は、PCR 増幅を受けることが。この手順の詳細については、PCR のこのコレクションのビデオを参照してください。
PCR が完了したら、PCR の製品のいくつかで区切られたおよび agarose のゲルの視覚化にできます。たとえば、遺伝子特定のプライマーは、RNA ウイルスの存在を検出するここで使用されました。予想されるサイズのバンドは、RT-PCR の反作用からはなく、テストされている水のサンプルにこのウイルスの存在を示す負のコントロールから取得されます。
RT-PCR による RNA に基づく微生物の同定には、生態学的な健康、環境リスクと生物多様性保全の分析が可能。 にします。
炭化水素及び汚染土壌や水から溶剤をきれいにする微生物の使用は、ecosustainable 修復代替を表します。ネイティブの微生物遺伝子発現を理解は、これらの条件の下で汚染物質を分解する特定の微生物の経路を強調表示できます。このような環境のサンプルから mRNA を増幅する RT-PCR は頻繁に。
公衆衛生対策環境における感染症のウイルスの源の急速な監視が必要です。鳥インフルエンザなど感染性の高い、家禽、家畜そして人間にすぐに広がることができます。この特定の例では、研究者は野生の鳥によって広がる鳥インフルエンザの脅威を見た。
ポータブルの RT-PCR セットアップおよび装置を使用して、彼らは感染を早期に検出し、感染を防ぐのため、遠隔地でも、野生の鳥の範囲を上映しました。
最後に、RT-PCR は北アメリカでブドウを大きな被害を与える病気のためホスト ガラス翼狙撃兵、 Homalodisca vitripennisなど害虫をターゲットに開発されている「バイオ農薬”の特性評価に使用できます。小説一本鎖の RNA ウイルスは、この昆虫に感染するエージェントとして開発されています。Homalodisca細胞培養、ウイルス負荷の RT-PCR 確認の組み合わせを使用して、これらの著者は生物的防除として使用するためウイルスの高濃度を反映できた
ゼウスの RT-PCR 法による Analyzing RNA-Based 環境生物入門を見てきただけ。プロトコルの背後にある理論を理解する必要があります今、あなたの研究といくつかの方法、それは、フィールドで使用されて、今日に技術を適用する方法。見てくれてありがとう!
RT-PCR が完了したら、PCR の製品のいくつかで区切られたおよび視覚化できる agarose のゲル (図 3)。この例では遺伝子特定のプライマーは、RNA ウイルスの存在を検出する使用されました。水試料の 2 つにこのウイルスの存在を示す負の制御からではなく、2 つのサンプルとポジティブ コントロール反応から予想されるサイズのバンドが得られます。
図 3。RT-PCR 産物の電気泳動。M: DNA サイズ マーカーP: 肯定的な制御;N: 陰性対照.4 つの水のサンプルから RNA を用いた反応は、レーン 1、2、3、および 5 の実行されました。
RT-PCR は RNA テンプレートから cDNA を作成するために必要です。これにより DNA の開発分析による分子アッセイする RNA に基づく微生物です。CDNA を合成すると、一度 PCR の試金は、環境試料中の RNA に基づく微生物の有無を確認できます。これによりさらに、微生物生態学、健康リスクと環境リスクを決定するダウン ストリーム分析です。
RT-PCR は、環境でどの遺伝子が表現されているかを観察する手段として mRNA を試金するためにも利用できます。これはの蛋白質と経路の微生物は、特に環境条件を生き残るために依存情報を提供します。遺伝子発現解析はその内訳に、炭化水素や塩素系溶剤など環境汚染物質、微生物の経路を識別できるし、バイオレメディエーションのこれらの経路で微生物が活きます。
リスク評価には、人間と環境の健康上のリスクを分析するために RT-PCR 法が組み込まれています。量的な PCR と RT を組み合わせると、人間と環境の露出は、定量的微生物リスク評価 (QMRA) 目的を計算できるように、サンプル内で列挙される RNA ウイルスができます。
Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, or RT-PCR, enables the detection of RNA viruses and microbial gene expression in the environment.
Unlike cellular organisms from humans to bacteria, which use DNA as their genetic material, some viruses have genomes made of RNA, including many pathogenic viruses such as flu, Ebola, and HIV. While some viruses can be detected by observing the pathogenic phenotype that develops when used to infect cells in cell culture, a majority has no culture-based characterization methods. RT-PCR can be used to detect for the presence of these viruses in the environment with high sensitivity.
At the same time, organisms with DNA-based genomes “express” the genetic information encoded in their DNA genomes by “transcribing” them into messenger or “m”RNA, which can then be “translated” into proteins to perform enzymatic or structural function in cells. As microbes respond and adapt to changes in the environment by turning on or off various genetic pathways, RT-PCR can be used to monitor such alterations in gene expression to serve as potential ecosystem assessors.
This video will go over the principles behind RT-PCR, outline a generalized procedure to perform this technique, and lastly, examine some of the ways this method is being applied in environmental microbiology today.
There are two key parts to this procedure: the extraction of RNA from biological samples, followed by its reverse transcription into DNA.
The isolation of RNA involves lysing cells in the sample by adding a detergent that breaks down lipids and proteins, followed by mechanical disruption. Extracting RNA from viruses usually requires the addition of proteinases, which are protein-digesting enzymes, to break down the viruses’ capsids – the tough protein coats that form the viral particle. On the other hand, when obtaining RNA from cellular organisms, the lysate may need to be treated with DNA-degrading enzymes, or DNAases, to avoid downstream results being confounded by the presence of the chemically similar DNA.
RNA can then be purified from lysates in one of two ways. In one method, known as acid guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction, the lysate is mixed with an organic-aqueous mixture that is then centrifuged to separate the phases. Proteins will be partitioned into the organic phase, lysed cell debris into the cloudy interphase, and nucleic acids into the aqueous phase. The upper aqueous phase can then be collected, and RNA is precipitated by the addition of alcohol such as isopropanol, which decreases the nucleic acid’s solubility in water.
In column-based RNA isolation, the lysate is mixed with alcohol and then passed through a gel-filtration column with a negatively charged resin, such as silica. The lysate is prepared so that positively-charged ions in the buffer form “salt bridges” that allow the negatively charged phosphate backbone of nucleic acids to bind to the resin. All other contaminants are then washed away. The nucleic acids are “eluted” from the column using a low-salt buffer or water. Because single-stranded RNA has fewer negative charges than double-stranded DNA, it can be preferentially eluted using buffers of specific concentrations.
Once isolated, the RNA is transformed into the more chemically stable DNA. Scientists have harnessed an enzyme naturally encoded by retroviruses like HIV. This enzyme is known as reverse transcriptase, or “RT”.
RT synthesizes complementary or “c”DNA from a short stretch of nucleotides known as a primer. This primer can have different sequences, depending on the purpose of the experiment. For example, the primer can be designed to have a specific sequence, in order to detect specific genes or organisms. Once synthesized, this “first strand” cDNA can be amplified by regular PCR.
Now that we have an understanding of the principles behind RT-PCR, let’s look at a protocol for performing this technique on RNA samples collected from the environment.
To begin the procedure, find a sample collection location using GPS coordinates or sight. Choose random points within an area to get a general survey of microbial habitats.
To collect the solid sample, push and twist a hand auger into the ground soil to the predetermined depth. When the auger is lifted, soil can be found within the hollow stem of the auger.
This soil is scraped directly into a soil collection bag and the bag is labeled with the location, name, date, time of collection and any other necessary information.
Transfer the soil to the laboratory and pass the soil through a 2-mm sieve to remove gravel and rock. Analyze a sample of the soil for moisture content, which can be informative about the level of microbial activity in the soil. To do this, refer this collection’s video “Determination of Moisture Content of Soil”.
For water sample collection, choose a site of interest similar to soil collection, and collect water into a sterile thick-walled plastic bottle. Take note of the volume of water collected. Test the water immediately for parameters like temperature, pH, and salinity, which can provide important information about expected microbial levels in the sample. Then, place the bottle in the cooler and transfer to the laboratory.
Microorganisms such as viruses are collected and concentrated from the environmental sample.
RNA can be extracted from the collected viruses by the spin column method using commercial RNA extraction kits according to manufacturer’s instruction. Lysis buffer, supplemented with ethanol, is first mixed with the sample. Place the appropriate number of spin columns into collection tubes, then apply the samples onto the column matrix. Centrifuge the columns at approximately 12,000 x g for 1-2 min to let the nucleic acids bind to the column, and discard the liquid flow-through.
Add wash buffer to the columns and centrifuge again. Place the columns into new, sterile 1.5-mL low adhesion microfuge tubes. Then, add water that is free of RNases, which are enzymes that degrade RNA, to the columns and centrifuge for 30 s to elute the RNA. The eluted RNA can be stored at -80 °C until use.
Before the experiment, appropriate primers should be designed in order to detect the sequences of interest, which can serve as markers for the presence of specific microorganisms.
Take out the RT reagents stored at -20 °C, and thaw the frozen reagents on ice (or at room temperature). These include nucleotides, reverse transcription buffer, and primers. Once thawed, keep the reagents on ice; the reverse transcriptase enzyme, and RNase Inhibitor should always be kept on ice.
While the reagents are thawing, calculate the volumes and concentrations of the components of the reaction. Once the reagents are thawed, gently vortex and spin each tube to ensure the contents are well mixed.
Working in a laminar flow hood to avoid contamination, assemble the components in a master mix to add to each PCR tube. When assembling the master mix in an Eppendorf tube, make sure to change pipette tips between each reagent to prevent contamination. After all the reagents have been added to the Eppendorf tube, gently vortex and spin down the master mix tube to ensure a homogeneous mixture.
Label a set of PCR tubes, making sure to include controls. Aliquot an equal volume of the master mix into each tube. Then, add reaction-specific components, such as the RNA extracts or water for negative control.
Once all the components are added, place the tubes in a thermocycler and set the reverse transcription program to run. The cDNA can then be subjected to PCR amplification. For a detailed description of this step, refer to this collection’s video on PCR.
When the PCR is complete, some of the PCR product can be separated and visualized on an agarose gel.For example, a gene-specific primer was used here to detect for the presence of an RNA virus. Bands of the expected size are obtained from the RT-PCR reaction but not from the negative controls, indicating the presence of this virus in the water sample being tested.
The identification of RNA-based microorganisms by RT-PCR enables analysis of ecological health, environmental risks and the conservation of biodiversity.
The use of microorganisms to clean up hydrocarbons and solvents from polluted soil and water represents an ecosustainable remediation alternative. Understanding native microbial gene expression can highlight specific microbial pathways that break down contaminants under these conditions. RT-PCR is often utilized to amplify mRNA from such environmental samples.
Public health measures often require rapid surveillance of viral sources of infection in the environment. Avian Influenza, for example, is highly infectious and can quickly spread to poultry, livestock, and even humans. In this particular example, researchers looked for the threat of Avian Influenza spread by wild birds.
Using a portable RT-PCR setup and apparatus, they screened a range of wild birds, even in remote areas, to detect infections early and prevent transmission.
Finally, RT-PCR can be used to characterize “biopesticides” being developed to target pests such as the glassy-winged sharpshooter, Homalodisca vitripennis, the host for a disease that severely damages grapevines in North America. A novel single-stranded RNA-virus is being developed as an agent to infect this insect. Using a combination of Homalodisca cell culture and RT-PCR confirmation of viral load, these authors were able to propagate a high concentration of virus for use as a biological control agent.
You’ve just watched JoVE’s introduction to Analyzing RNA-Based Environmental Organisms by RT-PCR. You should now understand the theory behind the protocol, how to apply the technique to your research, and some of the ways in which it is being used in the field today. Thanks for watching!
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