ソース: エワ・ブコフスカ・ファニバンド1, ティルデ・アンダーソン1, ロルフ・ルード1
1臨床科学ルンド, 感染医学の部門, ルンド大学生物医学センター, 221 00 ルンド, スウェーデン
惑星地球は何百万もの細菌種の生息地であり、それぞれが特定の特性を持っています。細菌種の同定は、感染した患者を診断するために環境試料および医療微生物学の生物多様性を決定するために微生物生態学で広く使用されている。細菌は、顕微鏡検査、特定の培法上の成長、生化学的および血清学的試験、抗生物質感受性アッセイなどの従来の微生物学的方法を使用して分類することができます。ここ数十年で、分子微生物学の方法は細菌の同定に革命を起こしました。一般的な方法は、16SリボソームRNA(rRNA)遺伝子シーケンシングです。この方法は、従来の方法よりも速く、より正確であるだけでなく、実験室の条件で成長することが困難な株の同定を可能にします。さらに、分子レベルでの株の分化は、典型的に同一の細菌(1-4)間の判別を可能にする。
16S rRNAは19個のタンパク質の複合体と結合し、細菌リボソーム(5)の30Sサブユニットを形成する。これは、リボソームアセンブリに不可欠な機能のために存在し、非常に保存されている16S rRNA遺伝子によってコードされています。ただし、特定の種の指紋として機能する可変領域も含まれています。これらの特徴により、16S rRNA遺伝子は、細菌の同定、比較、系統的分類に使用される理想的な遺伝的断片となっています(6)。
16S rRNA遺伝子シーケンシングは、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)(7-8)に基づいてDNAシーケンシング(9)を行う。PCRは、以下を含む一連のサイクルを通じてDNAの特定の断片を増幅するために使用される分子生物学的方法です。
i) 二本鎖DNAテンプレートの脱生
ii) テンプレートを補完するプライマー(短いオリゴヌクレオチド)のアニーリング
iii) 新しいDNA鎖を合成するDNAポリメラーゼ酵素によるプライマーの拡張
このメソッドの概略図を示します。
図 1:PCR反応の概略図。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
PCR反応を成功させるには重要ないくつかの要因があり、そのうちの1つはDNAテンプレートの品質です。細菌からの染色体DNAの単離は、標準プロトコルまたは市販キットを用いて行うことができる。PCR反応を阻害する汚染物質を含まないDNAを得るためには、特別な注意が必要です。
16S rRNA遺伝子の保存領域は、任意の細菌種の標的領域に結合し、増幅することができるユニバーサルプライマーペア(1つの前方および1逆)の設計を可能にする。ターゲット領域のサイズはさまざまです。プライマーペアの中には、16S rRNA遺伝子のほとんどを増幅できるものもあれば、その一部だけを増幅するものもあります。一般的に使用されるプライマーの例を表 1に示し、その結合部位を図 2 に示します。
プライマー名 | シーケンス (5’→3′) | フォワード/リバース | 参照 |
8F b) | アガグットガットックカッグカグ | 転送 | -1 |
27F | アガグットガットツクトカッグ | 転送 | -10 |
515F | GTGCCAGCMGGCGGTAA | 転送 | -11 |
911R | GCCCCCGTCAATTTTGA | 逆 | -12 |
1391R | ガグッググググGTRCA | 逆 | -11 |
1492R | グッタクットタクタクト | 逆 | -11 |
表 1:16S rRNA遺伝子a)の増幅に用いられる標準的なオリゴヌクレオチドの例。
a)異なるプライマーの組み合わせを使用して生成されたPCR製品の予想長さは、フォワードとリバースプライマーの結合部位間の距離を計算することによって推定できます(図2参照)。プライマーペア8F-1492Rを使用した製品は~1500bp、プライマーペア27F-911R~900bpです。
b) fD1 とも呼ばれます。
図 2:16S rRNA配列およびプライマー結合部位の代表的な図。保存された領域は灰色で色付けされ、可変領域は対角線で塗りつぶされます。最も高い分解能を可能にするために、プライマー8Fおよび1492R(rRNA配列上の位置に基づく名前)を使用して配列全体を増幅し、遺伝子のいくつかの可変領域のシーケンシングを可能にする。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
PCRのサイクリング条件(すなわち、DNAが変性し、プライマーでアニールされ、合成されるのに必要な温度と時間)は、使用されるポリメラーゼの種類およびプライマーの特性に依存する。特定のポリメラーゼの製造元のガイドラインに従うことをお勧めします。
PCRプログラムが完了すると、製品はアガロースゲル電気泳動によって分析されます。正常な PCR は、期待されるサイズの単一バンドを生成します。製品は、PCR反応に存在していた残留プライマー、デオキシリボヌクレオチド、ポリメラーゼ、およびバッファーを除去するために、シーケンシングの前に精製されなければならない。精製されたDNA断片は、通常、商用シーケンシングサービスにシーケンシングのために送られます。しかし、一部の機関は、独自のコア施設でDNAシーケンシングを行います。
DNA配列は、コンピュータによってDNAクロマトグラムから自動的に生成され、手動編集が必要な場合があるため、品質を慎重にチェックする必要があります。このステップに続いて、遺伝子配列は16S rRNAデータベースに沈着した配列と比較される。類似性の領域が識別され、最も類似したシーケンスが配信されます。
1. 設定
2. プロトコル
注:実証されたプロトコルは、細菌の純粋な培養から16S rRNA遺伝子シーケンシングに適用されます。メタゲノム研究には適用されません。
図 3:バチルス・サチリスから単離されたgDNAのアガロースゲル電気泳動.レーン 1: M – 分子量マーカー (上から下へ: 10000 bp, 8000 bp, 6000 bp, 5000 bp, 4000 bp, 3500 bp, 3000 bp, 2500 bp, 2000 bp, 1500 bp, 1000 bp)レーン2: gDNA –バチルス・サチリスから単離されたゲノムDNA.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
コンポーネント | 最終濃度 | 反応あたりの体積 | x反応あたりの体積(マスターミックス) |
5x反応バッファー | 1x | 10 μL | 10 μL × x |
10 mM dNTP | 200 μM | 1 μL | 1 μL × x |
10 μM プライマー 8F | 0.5 μM | 2.5 μL | 2.5 μL × x |
10 μM プライマー 1492R | 0.5 μM | 2.5 μL | 2.5 μL × x |
フシオンポリメラーゼ | 1ユニット | 0.5 μL | 0.5 μL × x |
テンプレート DNA * | – | 1 μL | – |
ddH2O | – | 32.5 μL | 32.5 μL × x |
総ボリューム | 50 μL | 49 μL × x |
表 2:PCR反応成分。*ステップ2.3から10x、100xまたは1000x希釈されたgDNAを使用してください。
ステップ | 温度 | 時間 | サイクル |
初期の非核化 | 98°C | 30秒 | |
変性 | 98°C | 10秒 | 25-30 |
焼鈍 | 60°C | 30秒 | |
拡張子 | 72°C | 45秒 | |
最終拡張子 | 72°C | 7 分 | |
保持 | 4°C | ∞ |
表 3:16S rRNA遺伝子の増幅のためのPCRプログラム。
図 4:プライマー8F及び1492R及びgDNAをテンプレートとして増幅したPCR製品のアガロースゲル電気泳動。B.subtilis由来のgDNAサンプル(図3参照)を、最良の結果をテストするために10、100および1000回希釈した。レーン1:M – 分子量マーカー(上から下へ:10000 bp、8000 bp、6000 bp、5000 bp、4000 bp、3500 bp、3000 bp、2500 bp、2000 bp、1500 bp、1000bp、750bp、500bp)。レーン2:10倍希釈テンプレートを使用したPCR反応。レーン 3:100倍希釈テンプレートを使用したPCR反応。レーン4:1000x希釈テンプレートを使用したPCR反応。レーン5:(C-)-陰性制御(DNAテンプレートを使用まない反応)。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
3. データ分析と結果
注:PCRプロダクトは、フォワード(ここでは8F)と逆(ここでは1492R)プライマーを使用してシーケンス化されます。したがって、2 組のデータ シーケンスが生成され、1 つはフォワード用、もう 1 つはリバース プライマー用です。各配列について少なくとも2種類のファイルが生成される:i)DNA配列およびii)DNAクロマトグラムは、シーケンス実行の品質を示す。
図 5:DNA シーケンシングのトラブルシューティングの例。A) 高品質のクロマトグラム配列の例(均等間隔、明確なピーク)。B)通常クロマトグラムの先頭に発生する品質の悪いシーケンス。グレーゾーン領域は低品質と見なされ、シーケンスソフトウェアによって自動的に削除されます。より多くの塩基は手動でトリミングすることができます。C) ダブルピークの存在(矢印で示す)。赤い矢印で示されるヌクレオチドはシーケンサーで「T」(赤いピーク)と読み取られたが、青いピークが強く、「C」とも解釈できる。D)重なり合うピークはDNA汚染(すなわち複数のテンプレート)を示す。E)解像度の損失と、信頼性の高いベースコールを防ぐいわゆる「広いピーク」(長方形でマーク)。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 6:ヌクレオチドBLAST結果の例。B.subtilis 168の純粋培養からの16S rRNA遺伝子配列を照会配列として用いられた。トップヒットは、期待どおりにB.サチリス株168に100%アイデンティティ(下線付き)を示す。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
地球には何百万もの細菌種が生息しており、それぞれがユニークな特徴を持っています。これらの種を同定することは、環境サンプルを評価する上で重要です。医師はまた、感染した患者を診断するために異なる細菌種を区別する必要があります。
細菌を同定するために、コロニーの形態を観察するために、特定の媒体上の形態の顕微鏡観察や成長を含む様々な技術を採用することができます。遺伝子解析は、細菌を同定するための別の技術が近年人気が高まっており、一部は16SリボソームRNA遺伝子シーケンシングに起因する。
細菌リボソームは、2つのサブユニットからなるタンパク質RNA複合体である。これら2つのサブユニットのうち小さい30Sサブユニットには、ゲノムDNAに含まれる16S rRNA遺伝子によってコードされる16S rRNAが含まれています。16S rRNAの特定の領域は、リボソームアセンブリに不可欠な機能のために、高度に保存されています。他の領域は、機能に対してそれほど重要ではないが、細菌種によって異なる場合がある。16S rRNAの可変領域は、細菌種に対するユニークな分子指紋として機能することができ、表現価が一般的に同一の株を区別することができます。
gDNAの品質サンプルを得た後、16S rRNAコード遺伝子のPCRを開始することができる。PCRは、二本鎖DNAテンプレートの変性のサイクル、遺伝子の保存状態の高い領域を増幅するユニバーサルプライマーペアのアニーリング、およびDNAポリメラーゼによるプライマーの拡張からなる、一般的に使用される分子生物学法です。プライマーの中には、16S rRNAコード遺伝子のほとんどを増幅するプライマーもあれば、その断片のみを増幅するものもあります。PCR後、製品はアガロースゲル電気泳動を介して分析することができる。増幅が成功した場合、ゲルは、使用されるプライマーペアに応じて、16S rRNA遺伝子のおおよその長さである、期待されるサイズの単一バンドを含む必要があります。
精製およびシーケンシングの後、得られた配列をBLASTデータベースに入力し、参照16S rRNA配列と比較することができます。このデータベースは、最も高い類似性に基づいて一致を返すので、これは目的の細菌の同一性を確認することができます。このビデオでは、PCR、DNA配列解析および編集、配列アセンブリ、データベース検索を含む16S rRNA遺伝子シーケンシングを観察します。
微生物を取り扱う場合、無菌技術の使用や適切な個人用保護具の着用など、良好な微生物生物学的実践に従うことが不可欠です。対象の微生物または環境試料に対して適切なリスク評価を行った後、試験培養を得る。この例では、バチルス・サビリスの純粋な培養が用いられる。
まず、適切な条件で適切な培地で微生物を増育します。この例では、バチルス・サチリス168は、37°Cで200rpmに設定された揺動インキュベーターで一晩LBブロスで成長する。次に、市販のキットを使用して、B.サチリス一晩培養の1.5ミリリットルからゲノムDNAまたはgDNAを分離します。
単離されたDNAの品質を確認するには、まず、単離されたgDNAの5マイクロリットルを1マイクロリットルのDNAゲルロード色素と混合します。次に、サンプルを0.8%のアガロースゲルにロードし、SYBRセーフまたはEtBrなどのDNA染色試薬を含む。この後、ゲルに1キロベースの分子質量標準をロードし、前色素がゲルの底から約0.5センチメートルになるまで電気泳動を実行します。ゲル電気泳動が完了したら、青色光トランジユリニエータ上のゲルを視覚化します。gDNAは、サイズが10キロベースを超える厚いバンドとして表示され、塗りつぶしが最小限に抑えられます。
この後、gDNAのシリアル希釈を作成するために、3つのマイクロ遠心分離管に10X、100X、および1000Xとしてラベルを付けます。次に、ピペットを使用して、90マイクロリットルの無菌蒸留水を各チューブに分配します。次に、10XチューブにgDNA溶液の10マイクロリットルを追加します。溶液が完全に混合されていることを確認するために、ボリューム全体を上下にピペット。次に、10Xチューブから溶液の10マイクロリットルを取り出し、これを100Xチューブに移します。前述のように溶液を混ぜます。最後に、100Xチューブ内の溶液の10マイクロリットルを、1000Xチューブに移す。
PCRプロトコルを開始するには、氷上で必要な試薬を解凍します。次に、PCRマスターミックスを準備します。DNAポリメラーゼは室温で活性であるため、氷上で起こる反応が必要です。各PCRチューブにマスターミックスのアリコット49マイクロリットル。次に、各実験管に1マイクロリットルのテンプレートを加え、1マイクロリットルの滅菌水を負の制御管に加え、上下に配管して混合する。この後、表に記載されているプログラムに従ってPCRマシンを設定する。チューブをサーモサイクラーに入れ、プログラムを開始します。
プログラムが完了したら、前に示したように、アガロースゲル電気泳動を介して製品の品質を調べます。記載されたプロトコルを使用して成功した反応は、約1.5キロベースの単一バンドを生成する必要があります。この例では、100X希釈gDNAを含むサンプルは、最高品質の製品を得た。次に、市販のキットで、最高のPCR製品(この場合は100X gDNA)を精製します。これで、PCR 製品をシーケンス用に送信できるようになりました。
この例では、PCR 製品はフォワードプライマーとリバース プライマーを使用してシーケンスされます。したがって、DNA配列とDNAクロマトグラムを含む2つのデータセットが生成されます。まず、各プライマーから生成されたクロマトグラムを調べます。理想的なクロマトグラムは、バックグラウンド信号をほとんどまたは全く持たない均等なピークを持つ必要があります。
クロマトグラムが二重ピークを示す場合、PCR製品に複数のDNAテンプレートが存在している可能性があり、配列を破棄する必要があります。クロマトグラムに同じ場所に異なる色のピークが含まれている場合、シーケンシングソフトウェアはヌクレオチドと誤呼び出された可能性があります。このエラーは、テキスト ファイルで手動で識別および修正できます。クロマトグラムの広範なピークの存在は、関連する領域におけるヌクレオチドの誤カウントを引き起こす分解能の喪失を示す。このエラーは修正が困難であり、後続の手順のいずれかで不一致は信頼できないものとして扱う必要があります。クロマトグラム読み取り品質が悪く、複数のピークの存在によって示され、通常、配列の5つの素数および3つの素数端で生じる。一部のシーケンシング プログラムでは、これらの低品質のセクションが自動的に削除されます。シーケンスが自動的に切り捨てられなかった場合は、低品質のフラグメントを識別し、テキスト ファイルからそれぞれのベースを削除します。
DNA アセンブリ プログラムを使用して、2 つのプライマー 配列を 1 つの連続配列に組み立てます。フォワードプライマーとリバースプライマーを使用して取得したシーケンスは、部分的に重複する必要があります。DNA 組立プログラムで、FASTA 形式の 2 つのシーケンスを適切なボックスに挿入します。次に、送信ボタンをクリックし、プログラムが結果を返すのを待ちます。
組み立てられたシーケンスを表示するには、[結果] タブで [Contigs] をクリックします。次に、線形の詳細を表示するには、アセンブリの詳細を選択します。基本的なローカルアライメント検索ツール(BLAST)のウェブサイトに移動し、ヌクレオチドBLASTツールを選択してシーケンスをデータベースと比較します。クエリ シーケンステキスト ボックスにシーケンスを入力し、下のスクロール メニューで適切なデータベースを選択します。最後に、ページの下部にある BLAST ボタンをクリックし、ツールがデータベースから最も類似したシーケンスを返すのを待ちます。
この例では、トップヒットはB.subtilis株168であり、BLASTデータベース内のシーケンスとの100%のアイデンティティを示す。トップヒットが期待される種やひずみに100%のアイデンティティを示さない場合は、クエリに最も近いシーケンスをクリックして、線形の詳細を確認します。整列されたヌクレオチドは短い垂直線で結合され、不一致のヌクレオチドはそれらの間にギャップを持つことになります。識別された不一致の領域に焦点を当てて、シーケンスを修正し、必要に応じて BLAST 検索を繰り返します。
細菌種の特定は、異なる研究者にとっても、ヘルスケアの研究者にとっても重要です。16S rRNAシーケンシングは、最初に細菌間の系統的関係を決定するために研究者によって使用されました。やがて、潜在的な病原体を同定する方法として、環境試料の生物多様性を決定するメタゲノム研究や臨床検査室で実施されてきた。それは臨床サンプルに存在する細菌の速く、正確な同一証明を可能にし、患者の早期診断およびより速い処置を促進する。
Earth is home to millions of bacterial species, each with unique characteristics. Identifying these species is critical in evaluating environmental samples. Doctors also need to distinguish different bacterial species to diagnose infected patients.
To identify bacteria, a variety of techniques can be employed, including microscopic observation of morphology or growth on a specific media to observe colony morphology. Genetic analysis, another technique for identifying bacteria has grown in popularity in recent years, due in part to 16S ribosomal RNA gene sequencing.
The bacterial ribosome is a protein RNA complex consisting of two subunits. The 30S subunit, the smaller of these two subunits, contains 16S rRNA, which is encoded by the 16S rRNA gene contained within the genomic DNA. Specific regions of 16S rRNA are highly conserved, due to their essential function in ribosome assembly. While other regions, less critical to function, may vary among bacterial species. The variable regions in 16S rRNA, can serve as unique molecular fingerprints for bacterial species, allowing us to distinguish phenotypically identical strains.
After obtaining a quality sample of gDNA, PCR of the 16S rRNA encoding gene can begin. PCR is a commonly used molecular biology method, consisting of cycles of denaturation of the double-stranded DNA template, annealing of universal primer pairs, which amplify highly conserved regions of the gene, and the extension of primers by DNA polymerase. While some primers amplify most of the 16S rRNA encoding gene, others only amplify fragments of it. After PCR, the products can be analyzed via agarose gel electrophoresis. If amplification was successful, the gel should contain a single band of an expected size, depending upon the primer pair used, up to 1500bp, the approximate length of the 16S rRNA gene.
After purification and sequencing, the obtained sequences can then be entered into the BLAST database, where they can be compared with reference 16S rRNA sequences. As this database returns matches based on the highest similarity, this allows confirmation of the identity of the bacteria of interest. In this video, you will observe 16S rRNA gene sequencing, including PCR, DNA sequence analysis and editing, sequence assembly and database searching.
When handling microorganisms, it is essential to follow good microbiological practice, including using aseptic technique and wearing appropriate personal protective equipment. After performing an appropriate risk assessment for the microorganism or environmental sample of interest, obtain a test culture. In this example, a pure culture of Bacillus subtilis is used.
To begin, grow your microorganism on a suitable medium in the appropriate conditions. In this example, Bacillus subtilis 168 is grown in LB broth overnight in a shaking incubator set to 200 rpm at 37 degrees Celsius. Next, use a commercially available kit to isolate genomic DNA or gDNA from 1.5 milliliters of the B. subtilis overnight culture.
To check the quality of the isolated DNA, first mix five microliters of the isolated gDNA with one microliter of DNA gel loading dye. Then, load the sample onto a 0.8% agarose gel, containing DNA staining reagent, such as SYBR safe or EtBr. After this, load a one kilobase molecular mass standard onto the gel, and run the electrophoresis until the front dye is approximately 0.5 centimeters from the bottom of the gel. Once the gel electrophoresis is complete, visualize the gel on a blue light transilluminator. The gDNA should appear as a thick band, above 10 kilobase in size and have minimal smearing.
After this, to create serial dilutions of the gDNA, label three microcentrifuge tubes as 10X, 100X, and 1000X. Then, use a pipette to dispense 90 microliters of sterile distilled water into each of the tubes. Next, add 10 microliters of the gDNA solution to the 10X tube. Pipette the whole volume up and down to ensure the solution is mixed thoroughly. Then, remove 10 microliters of the solution from the 10X tube and transfer this to the 100X tube. Mix the solution as previously described. Finally, transfer 10 microliters of the solution in the 100X tube, to the 1000X tube.
To begin the PCR protocol, thaw the necessary reagents on ice. Then, prepare the PCR master mix. Since the DNA polymerase is active at room temperature, the reaction set up must occur on ice. Aliquot 49 microliters of the master mix into each of the PCR tubes. Then, add one microliter of template to each of the experimental tubes and one microliter of sterile water to the negative control tube, pipetting up and down to mix. After this, set the PCR machine according to the program described in the table. Place the tubes into the thermocycler and start the program.
Once the program is complete, examine the quality of your product via agarose gel electrophoresis, as previously demonstrated. A successful reaction using the described protocol should yield a single band of approximately 1.5 kilobase. In this example, the sample containing 100X diluted gDNA yielded the highest quality product. Next, purify the best PCR product, in this case, the 100X gDNA, with a commercially available kit. Now the PCR product can be sent for sequencing.
In this example, the PCR product is sequenced using forward and reverse primers. Thus, two data sets, each containing a DNA sequence and a DNA chromatogram, are generated: one for the forward primer and the other for the reverse primer. First, examine the chromatograms generated from each primer. An ideal chromatogram should have evenly spaced peaks with little to no background signals.
If the chromatograms display double peaks, multiple DNA templates may have been present in the PCR products and the sequence should be discarded. If the chromatograms contained peaks of different colors in the same location, the sequencing software likely miscalled nucleotides. This error can be manually identified and corrected in the text file. The presence of broad peaks in the chromatogram indicates a loss of resolution, which causes miscounting of the nucleotides in the associated regions. This error is difficult to correct and mismatches in any of the subsequent steps should be treated as unreliable. Poor chromatogram reading quality, indicated by the presence of multiple peaks, usually occurs at the five prime and three prime ends of the sequence. Some sequencing programs remove these low quality sections automatically. If your sequence was not truncated automatically, identify the low quality fragments and remove their respective bases from the text file.
Use a DNA assembly program to assemble the two primer sequences into one continuous sequence. Remember, sequences obtained using forward and reverse primers should partially overlap. In the DNA assembly program, insert the two sequences in FASTA format into the appropriate box. Then, click the submit button and wait for the program to return the results.
To view the assembled sequence, click on Contigs in the results tab. Then, to view the details of the alignment, select assembly details. Navigate to the website for the basic local alignment search tool, or BLAST, and select the nucleotide BLAST tool to compare your sequence to the database. Enter your sequence into the query sequence text box and select the appropriate database in the scroll down menu. Finally, click the BLAST button on the bottom of the page, and wait for the tool to return the most similar sequences from the database.
In this example, the top hit is B. subtilis strain 168, showing 100% identity with the sequence in the BLAST database. If the top hit does not show 100% identity to your expected species or strain, click on the sequence which most closely matches your query to see the details of the alignment. Aligned nucleotides will be joined by short vertical lines and mismatched nucleotides will have gaps between them. Focusing on the identified mismatched regions, revise the sequence and repeat the BLAST search if desired.
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