Przedstawiona tutaj metoda Direct PCR umożliwia amplifikację PCR bezpośrednio z niewielkich ilości nieoczyszczonych tkanek roślinnych i zwierzęcych.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiona tutaj metoda Direct PCR umożliwia amplifikację PCR bezpośrednio z niewielkich ilości nieoczyszczonych tkanek roślinnych i zwierzęcych.
Metoda bezpośredniej reakcji PCR umożliwia amplifikację PCR bezpośrednio z niewielkich ilości nieoczyszczonych próbek, co zostało tutaj zademonstrowano dla kilku tkanek roślinnych i zwierzęcych (Rysunek 1). Bezpośrednia reakcja PCR opiera się na specjalnie zmodyfikowanych polimerazach DNA Thermo Scientific Phusion oraz Phire, które zawierają domenę wiążącą dwuniciowy DNA, co nadaje im unikalne właściwości, takie jak wysoka tolerancja na inhibitory.
Detekcja docelowego DNA oparta na metodzie PCR znajduje liczne zastosowania w badaniach roślin, w tym w analizie genotypu roślin oraz weryfikacji transgenów. PCR z tkanek roślinnych tradycyjnie obejmuje wstępny etap izolacji DNA, który może wymagać zastosowania drogich lub toksycznych odczynników. Proces ten jest czasochłonny i zwiększa ryzyko kontaminacji krzyżowej1, 2. Z kolei dzięki zastosowaniu zestawu Thermo Scientific Phire Plant Direct PCR Kit docelowe DNA można łatwo wykryć bez uprzedniej ekstrakcji DNA. W prezentowanym tutaj modelu analiza pochodnych sekwencji polimorficznych wzmacnianych i ciętych (dCAPS)3,4 jest przeprowadzana bezpośrednio z liści rośliny Arabidopsis. Testy genotypowania dCAPS mogą być wykorzystywane do identyfikacji polimorfizmów pojedynczego nukleotydu (SNP) poprzez trawienie endonukleazą restrykcyjną specyficzną dla allelu SNP3.
Niektóre próbki roślin mogą sprawiać trudności podczas stosowania metod Direct PCR, ponieważ zawierają składniki zakłócające przebieg tej reakcji, takie jak związki fenolowe. W takich przypadkach tradycyjnie wymagany jest dodatkowy etap usuwania tych związków2,5. W niniejszym protokole problem ten rozwiązano poprzez zastosowanie szybkiego i prostego protokołu rozcieńczania, po którym następuje amplifikacja Direct PCR (Rysunek 1). Jako model trudnych w obróbce roślin wykorzystano liście piętnastoletniego dębu, ponieważ próbki te zawierają duże ilości związków fenolowych, w tym tanin.
Transfer genów do organizmów myszy jest powszechnie stosowany w badaniach nad rolą genów w rozwoju, fizjologii i chorobach ludzkich. Wykorzystanie tych zwierząt wymaga przesiewowego badania obecności transgenu, zazwyczaj za pomocą metody PCR. Tradycyjnie wiąże się to z czasochłonnym etapem izolacji DNA, podczas którego DNA do analizy PCR jest oczyszczane z tkanek ucha, ogona lub palców6,7. Jednak dzięki zestawowi Thermo Scientific Phire Animal Tissue Direct PCR Kit genotypowanie myszy transgenicznych może być przeprowadzone bez wcześniejszego oczyszczania DNA. W niniejszym protokole genotypowanie myszy transgenicznej jest realizowane bezpośrednio z tkanek ucha myszy, co zademonstrowano na trudnym przykładzie, w którym do amplifikacji dwóch fragmentów znacznie różniących się wielkością zastosowano tylko jeden zestaw starterów.
1. Genotypowanie osobników roślin Arabidopsis przy użyciu protokołu bezpośredniego
2. Amplifikacja specyficznych fragmentów DNA z 15-letnich liści dębu z zastosowaniem protokołu rozcieńczania
3. Genotypowanie myszy transgenicznych z wykorzystaniem protokołu rozcieńczeń
4. Reprezentatywne wyniki
W technice dCAPS miejsce restrykcyjne w obrębie badanego SNP jest wprowadzane lub niszczone przy użyciu starterów PCR z jednym lub więcej niedopasowaniami względem docelowego DNA. Genotypowanie osobników roślin Arabidopsis przeprowadzono techniką dCAPS bezpośrednio z wycinków liści. Amplifikowane produkty poddano trawieniu, a powstałe fragmenty ujawniające genotyp każdego osobnika analizowano za pomocą elektroforezy żelowej (Rysunek 2).
W tym przykładzie produkty PCR o długości 160 bp zawierające analizowany polimorfizm SNP (allelu G lub A) w genomie Arabidopsis zostały namnożone z wycinków liści rośliny przy użyciu zestawu Phire Plant Direct PCR Kit. Starter forward zawierał jeden niedopasowany nukleotyd na końcu 3', co stworzyło specyficzną dla enzymu SspI miejsce restrykcyjne w docelowym DNA, obejmujące analizowany SNP (allel A), którego nie było w drugim allelu SNP (Rysunek 2B).
Protokoły rozcieńczania są niezbędne w przypadku trudnego materiału roślinnego, takiego jak liść dębu, ze względu na wysoką koncentrację związków fenolowych. Stosując opisany tutaj protokół rozcieńczania, fragment chloroplastowego DNA o długości 297 bp został powielony przy użyciu protokołu 3-etapowego. Próbki liści dębu przy różnych rozcieńczeniach przedstawiono na Rysunku 3, wraz z kontrolami pozytywną i negatywną.
Zestaw Phire Animal Tissue Direct PCR Kit został wykorzystany w wymagającym protokole, w którym do amplifikacji dwóch fragmentów o znacznej różnicy w wielkości zastosowano tylko jedną parę starterów, co pozwoliło na uzyskanie obfitych ilości obu produktów o prawidłowych rozmiarach: 1,500 bp dla myszy transgenicznych i 200 bp dla myszy typu dzikiego (Rysunek 4). Słabsza górna prążka u myszy heterozygotycznych wynika z konkurencji obu matryc (alleli) o tę samą parę starterów; niemniej jednak wyniki genotypowania są jednoznaczne.
Przebadano również stabilność próbek przygotowanych zgodnie z protokołem rozcieńczania. Wyniki pokazują, że rozcieńczone próbki mogą być przechowywane w temperaturze -20 °C przez co najmniej rok. Co więcej, powtórne cykle zamrażania i rozmrażania nie wpłynęły znacząco na reakcję (Rycina 5). Przedstawiono również wydajną amplifikację z próbek tkanki ucha myszy z wykorzystaniem polimerazy DNA Phire i metody Direct PCR w porównaniu do polimerazy Taq typu hot start oraz oczyszczonego DNA (Rycina 6).
| Składniki | reakcja 20 μl | reakcja 50 μl | Stęż. końcowe |
| H2O | uzupełnić do 20 μl | uzupełnić do 50 μl | |
| 2x Phire Plant PCR Buffer | 10 μl | 25 μl | 1x |
| starter A | X μl | X μl | 0.5 μM |
| starter B | X μl | X μl | 0.5 μM |
| Phire Hot Start II DNA Polymerase | 0.4 μl | 1 μl | |
| Próbka/protokół bezpośredni | wycinek 0.50 mm | ||
| Próbka/protokół z rozcieńczeniem | 0.5-1 μl |
Tabela 1. Warunki reakcji dla PCR roślin wykorzystanego w niniejszym protokole.
| Etap cyklu | Temp. | Czas | Cykle |
| Denaturacja wstępna | 98 °C | 5 min | 1 |
| Denaturacja Przyłączanie* Elongacja | 98 °C X °C 72 °C | 5 sec 5 sec 20 sec | 40 |
| Elongacja końcowa | 72 °C 4 °C | 1 min podtrzymanie | 1 |
Tabela 2. Warunki cykliczne dla PCR roślin wykorzystanego w tym protokole.
* Do wyznaczania Tm dla starterów stosowanych z polimerazą DNA Phire Hot Start II zaleca się korzystanie z kalkulatora Tm dostępnego pod adresem www.thermoscientific.com/pcrwebtools. Zalecana temperatura przyłączania dla starterów ≤ 20 nt jest równa niższej wartości Tm podanej przez narzędzie internetowe. W przypadku starterów > 20 nt należy zastosować temperaturę przyłączania wyższą o 3 °C od niższej wartości Tm podanej przez narzędzie internetowe.
| Składniki | Reakcja 20 μl | Stężenie końcowe |
| H2O | dopełnić do 20 μl | |
| 2x Phire Animal Tissue PCR Buffer | 10 μl | 1x |
| starter A | X μl | 0.5 μM |
| starter B | X μl | 0.5 μM |
| Phire Hot Start II DNA Polymerase | 0.4 μl | |
| Próbka/protokół rozcieńczenia | 1 μl |
Tabela 3. Warunki reakcji dla PCR z tkanek zwierzęcych zastosowanego w tym protokole.
| Etap cyklu | Temp. | Czas | Cykle |
| Wstępna denaturacja | 98 °C | 5 min | 1 |
| Denaturacja Przyłączanie* Wydłużanie | 98 °C X °C 72 °C | 5 sec 5 sec 20 sec ≤ 1 kb 20 sec/kb > 1 kb | 40 |
| Finalne wydłużanie | 72 °C 4 °C | 1 min Przechowywanie | 1 |
Tabela 4. Warunki cyklu dla reakcji PCR z tkankami zwierzęcymi zastosowanej w tym protokole.
* W przypadku wyznaczania Tm dla starterów stosowanych z polimerazą DNA Phire Hot Start II zaleca się korzystanie z kalkulatora Tm dostępnego pod adresem www.thermoscientific.com/pcrwebtools. Zalecana temperatura przyłączania dla starterów ≤ 20 nt jest równa niższej wartości Tm podanej przez narzędzie internetowe. Dla starterów > 20 nt należy zastosować temperaturę przyłączania o 3 °C wyższą od niższej wartości Tm podanej przez narzędzie internetowe.

Rycina 1. Schemat procedury bezpośredniej reakcji PCR. Bezpośrednią reakcję PCR można przeprowadzić przy użyciu dwóch alternatywnych protokołów. W protokole bezpośrednim niewielka ilość próbki jest dodawana bezpośrednio do mieszaniny reakcyjnej PCR. Protokół z rozcieńczeniem wykorzystuje krótki etap wstępnej inkubacji przed PCR w celu uwolnienia DNA z materiału próbki.

Rycina 2. Genotypowanie osobników roślin Arabidopsis metodą dCAPS bezpośrednio z wycinków liści. A) Rycina 2A przedstawia zasadę przeprowadzonego testu dCAPS. Miejsce restrykcyjne w obrębie badanego SNP jest wprowadzane lub usuwane podczas PCR przy użyciu startera z jednym lub więcej niedopasowaniami do docelowego DNA. Produkty PCR są trawione, a powstałe fragmenty ujawniają genotyp każdego osobnika po analizie elektroforetycznej. B) Wycinki o średnicy 0.50 mm z liści roślin umieszczono bezpośrednio w 50 μl reakcji PCR. Produkty PCR o długości 160 bp zawierające miejsce SNP (allela G lub A) zostały namnożone za pomocą starterów wprowadzających unikalne miejsce SspI do alleli A. Nieoczyszczone produkty PCR poddano trawieniu enzymem restrykcyjnym SspI. Powstałe fragmenty przeanalizowano na 3% żelu agarozowym. Ścieżka M to marker wielkości; ścieżki A i G odpowiadają allelom SNP każdego preparatu. Otrzymane wyniki potwierdzono metodą konwencjonalną poprzez ekstrakcję DNA, a następnie PCR i trawienie restrykcyjne (dane nie pokazane). W układzie testowym uwzględniono reakcje kontrolne ujemne bez matrycowego DNA, które przeprowadzono na osobnym żelu agarozowym równolegle z właściwymi reakcjami PCR przed wykonaniem trawienia (dane nie pokazane).

Rycina 3. Protokół rozcieńczania z wykorzystaniem próbek liści dębu. Protokół rozcieńczania został zastosowany w celu amplifikacji fragmentu chloroplastowego DNA o długości 297 bp w próbkach liści dębu (protokół 3-stopniowy, przyłączanie w 62 °C) przy różnych rozcieńczeniach (1:100, 1:10, 1:1 i 2:1) oraz z użyciem kontroli pozytywnej i negatywnej [C+: kontrola pozytywna z oczyszczonego DNA (Arabidopsis), C-: kontrola negatywna bez matrycowego DNA]. Nazewnictwo próbek odnosi się do miejsca pobrania próbki (miasta w Finlandii) oraz numeracji próbek.

Rycina 4. Genotypowanie myszy transgenicznych z użyciem jednej pary starterów zgodnie z protokołem rozcieńczania. Tkanki uszne dziewięciu poszczególnych myszy (ścieżki 1-9) umieszczono w 20 μl buforu do rozcieńczania (Dilution Buffer) zawierającego dodatek uwalniający DNA (DNARelease Additive). Po inkubacji w temperaturze pokojowej oraz w 98 °C, 1 μl supernatantu wykorzystano jako matrycę w 20 μl reakcji PCR. Wielkości fragmentów: 1 500 bp (transgeniczne) i 200 bp (dzikie).

Rysunek 5. Próbki przygotowane zgodnie z protokołem rozcieńczania są stabilne podczas długotrwałego przechowywania. Próbki tkanek ucha myszy inkubowano w 20 μl buforu do rozcieńczeń (Dilution Buffer) zawierającego dodatek uwalniający DNA (DNARelease Additive) i poddano wielokrotnemu zamrażaniu i rozmrażaniu (ścieżka 1), przechowywano w temperaturze -20 °C przez rok (ścieżka 2) lub wykorzystano natychmiast do PCR (ścieżka 3). Wielkości amplifikowanych fragmentów wynosiły 900 bp, 1 500 bp oraz 3 200 bp.

Rycina 6. Zestaw Phire Animal Tissue Direct PCR Kit wykazuje wyższą skuteczność niż komercyjny system oczyszczania DNA w połączeniu z polimerazą DNA Taq typu hot start. Cztery amplikony (0,5-1,5 kb) zostały namnożone z tkanek ucha myszy z zastosowaniem protokołu rozcieńczania z zestawu Phire Animal Tissue Direct PCR Kit. Dla porównania DNA zostało najpierw oczyszczone przy użyciu komercyjnego zestawu do ekstrakcji DNA, a następnie te same fragmenty namnożono z użyciem polimerazy DNA Taq typu hot start zgodnie z zaleceniami producenta. Tylko przy użyciu zestawu Phire Animal Tissue Direct PCR Kit wszystkie cztery amplikony zostały pomyślnie namnożone.

Rysunek 7. Uniwersalne porównanie przepływu pracy z szacunkowym czasem i zużyciem odczynników. Porównano podejście Thermo Scientific Direct PCR z metodą izolacji DNA, metodą z użyciem buforu do ekstrakcji oraz metodą z użyciem buforu do PCR. Szacowany czas dla każdego podejścia przed etapem PCR jest podany czerwonym tekstem. W podejściu Thermo Scientific Direct PCR przygotowanie próbki przed PCR zajmuje jedynie 0-4 min. Poniżej każdej metody wymieniono zużyte odczynniki. Metoda Thermo Scientific Direct PCR wykorzystuje najmniejszą ilość odczynników w porównaniu z pozostałymi metodami. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.
Przedstawiona tutaj metoda Direct PCR umożliwia amplifikację PCR bezpośrednio z niewielkich ilości nieoczyszczonych próbek, co skraca czas pracy i upraszcza proces genotypowania roślin i zwierząt (Rysunek 7). Zaprezentowano również zastosowanie protokołu rozcieńczania w połączeniu z metodą Direct PCR (Rysunek 3). Protokół rozcieńczania jest zalecany w przypadku trudnych próbek (np. starych liści roślin, gatunków roślin zawierających związki interferujące) lub przy długich (lub bogatych w GC) amplikonach. Protokół ten jest szczególnie przydatny podczas rozpoczynania nowego eksperymentu Direct PCR, umożliwiając optymalizację reakcji. Może on służyć jako narzędzie do rozwiązywania sporadycznych problemów, takich jak niska wydajność produktu wynikająca z różnic w materiale tkankowym i/lub zastosowanych starterach. Ponadto, przy przeprowadzaniu wielu reakcji z tej samej próbki, zastosowanie protokołu rozcieńczania gwarantuje, że cała próbka nie zostanie zużyta w jednej reakcji.
W celu oczyszczania DNA z roślin do analizy PCR przyjętą praktyką było przeprowadzanie lizy komórek, a następnie izolacji DNA przy użyciu różnych komponentów, które potencjalnie mogły zakłócać analizę PCR8. W przypadku roślin szczególnie trudnych, o wysokiej zawartości związków fenolowych, tradycyjnie stosowano dodatek poliwinilopirolidonu w celu usunięcia związków wiążących się z DNA po lizie komórek2,5. Jak tutaj pokazano, tych skomplikowanych i czasochłonnych etapów można uniknąć, stosując zestaw Phire Plant Direct PCR Kit do wykrywania docelowego DNA. Etapy lizy komórek i izolacji DNA można pominąć, wykorzystując czułe techniki dCAPS bezpośrednio z liści rośliny Arabidopsis (Rycina 2). Jak wykazano w niniejszym materiale, protokół rozcieńczania skutecznie niweluje obecność problematycznych komponentów, które mogą zakłócać reakcję PCR (Rycina 3).
Tradycyjnie warunkiem wstępnym genotypowania zwierząt była izolacja genomicznego DNA z tkanki zwierzęcej za pomocą toksycznego i czasochłonnego procesu, charakteryzującego się długą inkubacją z proteinazą K w celu strawienia skóry i tkanki łącznej, a następnie etapami ekstrakcji rozpuszczalnikami organicznymi, wytrącania alkoholem i wirowania6,9,10. Jak wykazano w niniejszej pracy, uproszczenie tego procesu osiągnięto dzięki zastosowaniu zestawu Phire Animal Tissue Direct PCR Kit, co pozwoliło na genotypowanie myszy transgenicznych bez wcześniejszego oczyszczania DNA (Rycina 4). Przykład przedstawiony w tym artykule jest szczególnie wymagający, ponieważ do amplifikacji dwóch fragmentów o znacznej różnicy w wielkości użyto tylko jednego zestawu starterów. Pomimo wrodzonej trudności protokołu, zastosowanie podejścia Direct PCR w połączeniu z prostym protokołem rozcieńczania pozwoliło na uzyskanie wysokich wydajności dwóch produktów PCR (Rycina 4).
Wykrywanie docelowego DNA w oparciu o metodę PCR znajduje wiele zastosowań w badaniach, w tym w analizie genotypu w celu zidentyfikowania roli genów w rozwoju, fizjologii i chorobach. Dzięki tolerancji wyspecjalizowanych polimeraz DNA na inhibitory, protokoły te można zrealizować w minimalnym czasie bez konieczności wcześniejszego oczyszczania DNA.
Produkcja i bezpłatny dostęp do tego artykułu są sponsorowane przez Thermo Fisher Scientific, Inc.
Za próbki Arabidopsis oraz odpowiednie primery do PCR dziękujemy profesorowi Jaakko Kangasjärvi i jego zespołowi, The Plant Stress Group, Plant Biology, Department of Biosciences na Uniwersytecie w Helsinkach. Eksperymenty z wykorzystaniem metody tradycyjnej zostały przeprowadzone przez panią Airi Lamminmäki.
Próbki myszy transgenicznych zostały dostarczone przez dr Jaanę Vesterinen z Instytutu Biomedycyny/Biochemii Uniwersytetu w Helsinkach.
Harris Uni-Core oraz Harris Cutting Mat są znakami towarowymi firmy Shunderson Communications Inc. Wszystkie pozostałe znaki towarowe są własnością firmy Thermo Fisher Scientific Inc. oraz jej spółek zależnych.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zestaw Phire Plant Direct PCR | Thermo Fisher Scientific | F-130 | 200 reakcji (po 50 μl każda) |
| Zestaw Phire Animal Tissue Direct PCR | Thermo Fisher Scientific | F-140 | 200 reakcji (po 50 μl każda) |
| Harris Uni-Core 0,35 mm (różowy) | Thermo Fisher Scientific | F-180S/L | Ilość: 5/25 |
| Harris Uni-Core 0,50 mm (niebieski) | Thermo Fisher Scientific | F-185S/L | Ilość: 5/25 |
| Mata do cięcia Harris 6,4 × 7,6 cm | Thermo Fisher Scientific | F-190 | Ilość: 5 |
| SspI | Thermo Fisher Scientific | ER0771 | 100 μl (100 reakcji) |
| Termocykler Piko 24-dołkowy | Thermo Fisher Scientific | TCP0024 | |
| Płytki PCR Piko 24-dołkowe | Thermo Fisher Scientific | SLP0241 | |
| Zestaw do oczyszczania produktów PCR GeneJET Purification Kit | Thermo Fisher Scientific | K0701 K0702 | 50 preparacji 250 preparacji |