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Biology

线性扩增介导的PCR - 未知侧翼DNA的遗传物质和表征本地化

Published: June 25, 2014 doi: 10.3791/51543

Summary

线性扩增介导的(LAM)-PCR方法是开发,以确定基因组中的整合型病毒载体的精确位置的方法。该技术已经发展成为学习中的基因治疗的患者中,新颖的矢量技术,T-细胞的多样性,癌症干细胞模型等生物安全克隆动力学的优越方法

Introduction

线性扩增介导的PCR(LAM-PCR)技术可识别和表征邻近任何来源的已知的DNA未知侧翼的DNA。更具体地,LAM-PCR方法已经开发出来,定位病毒载体整合位点(IS)宿主基因组1,2内。像逆转录病毒或转座子的遗传元件整合自己的基因组入在一个(半)随机方式3-6宿主基因组中。在许多情况下,它是决定性的确切地知道这些矢量一体化的立场。 LAM-PCR方法已被证明是优于像连接介导的PCR 7和它的变体或反向PCR 8的替代技术。该方法的灵敏度和鲁棒性源自载体基因组结和磁性选择的扩增的PCR产物的初始预扩增。像提到的替代方法,LAM-PCR依赖于使用限制性内切酶,引入偏差为9-11的检索能力。因此,可以在一个反应中检测出的IS剧目(在integrome)的一个子集。这种偏差是通过使用限制性内切酶9的合适组合的给定样品的平行分析最小化。最近,该技术的一个变种称为非限制性的LAM-PCR(nrLAM-PCR)已经开发出来,绕过使用限制性内切酶,并允许在单个反应9,12的样品的无偏的全基因组分析。

在过去,LAM-PCR方法已被用于鉴定致病逆转录病毒IS白血病引起在少数患者中的临床基因治疗试验13-15。从那时起,LAM-PCR已被改编以确定从其它整合载体(慢病毒载体,转座子)和还识别的被动结合像腺相关载体(AAV)或整合酶缺陷型慢病毒载体(IDLV)载体的集成模式IS 16 -21。 LAM-PCR方法的应用是广泛的传播:传统LY,该技术被广泛地用于研究基因修饰的细胞的克隆性组合物中已经历基因疗法的患者或解开他们的整合行为15,16,22-24评估新型载体系统的生物安全。近日,LAM-PCR启用确定特异性和脱靶设计师核酸酶的活性由IDLV诱捕法25。

此外,LAM-PCR方法可以非常方便地跟随转导的细胞的命运随着时间的推移在一个有机体。这允许识别原癌基因以及肿瘤抑制基因和还研究造血或癌症干细胞生物26-28。最后但并非最不重要的,LAM-PCR法适于研究T细胞受体多样性的人类29(和未公布的数据)。

该技术的固有功率是由所述方法连接到深度测序技术,使表征百万未知侧翼DNA的单核苷酸Ř增强esolution在整个基因组。在下面的协议中,我们描述了一步一步的扩增和鉴定未知侧翼DNA的模范,以确定慢病毒载体IS的。在协议中使用的寡核苷酸列于表1。提取的DNA的任何来源的或cDNA可以用作用于LAM-PCR和nrLAM-PCR的DNA模板。

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Protocol

链接器的磁带1。准备(LC)

  1. 混合40微升LC1寡核苷酸( 表1),40微升LC2寡核苷酸( 表1中 ,用适当的限制性内切酶悬),110微升Tris-盐酸(100毫米,pH值7.5),和10微升250毫摩尔MgCl 2组成。
  2. 孵育在95℃下5分钟,让反应冷却下来慢慢至室温。加入300微升H 2 O和集中dsLinker-DNA在离心过滤器。加入80微升H 2 O至洗出液和分装10微升的准备盒式连接器在0.2 PCR管。

载体基因组结2。前置放大

  1. 对于每个待分析样品制备50μl的PCR反应。
    1. 确定DNA样品的浓度。移液器x微升DNA插入0.2 ml的PCR管(1-1000纳克的LAM/100-1,000毫微克的nrLAM)。的DNA的量应该等于在每个样品,并在然GE的0.5至25微升。
    2. 表2中所述制备PCR主混合物混合(50 - x)的微升主混合物用在0.2ml PCR管中各DNA样品。
  2. 使用例示于表2中的PCR条件。PCR完成后Preamplify载体基因组结微升Taq酶添加0.5到每个PCR管中,然后重新运行PCR程序。 PCR产物可被储存在4℃下4天或长期于-20℃。

PCR产物的3。磁选

  1. 磁珠的制备
    1. 移液管20微升(200微克)的链亲和素包被的磁珠到1.5ml试管并暴露,以磁性颗粒分离器(MPS),在室温下放置1分钟。弃上清液。
    2. 从MPS除去管,重悬磁珠在40微升PSB / 0.1%BSA(pH 7.5)中。暴露在MPS 1分钟,弃上清。一旦重复此步骤。
    3. 洗珠无线第20微升的3M氯化锂溶液(3M氯化锂,10毫米的Tris-HCl,1 mM EDTA)中暴露于MPS 1分钟,弃上清。重悬珠在50μl6M的氯化锂溶液(6M的LiCl,10mM的Tris-盐酸,1mM EDTA)中。
  2. 混合来自步骤2.2与50微升制备的磁珠整个PCR反应。孵育在水平振荡器上(转速300rpm)至少2​​小时,在室温下进行。这个步骤可让生物素化的PCR产物链霉包被的磁珠(DNA-珠复合物)的结合。 DNA的磁珠复合物可以在摇床上过夜孵育,或储存在4℃下4天。
  3. 暴露的DNA-珠复合体的MPS,在室温下放置1分钟,除去上清,重悬DNA-珠复合于100μlH 2 O。立即着手与LAM或nrLAM第5步第4步。

4,LAM-手续

  1. 双链DNA(dsDNA)的合成(林只)
    1. 暴露的DNA-珠复杂步骤3.3至总薪级第1分钟和DIS卡上清液。加入8.25微升H 2 O,1微升10X六核苷酸缓冲液,0.25μL的dNTP(10毫米)和0.5微升(2学分)Klenow聚合酶。在37℃下1小时。
    2. 加入90微升H 2 O和暴露在MPS 1分钟。弃上清,重悬DNA-珠复杂的100微升H 2 O
  2. 限制文摘
    1. 暴露的DNA-珠复杂,MPS 1分钟,弃上清。加入8.5微升H 2 O,1微升10X限制性内切酶缓冲液和0.5μL限制性内切酶和孵化1小时反应。重复步骤4.1.2。
      注意:孵育反应物在所建议的限制酶的制造商的温度。确保有内没有限制性位点存在,或在感兴趣的DNA用于预扩增的引物结合位点的下游。对于所选择的合适的限制性内切酶/限制性内切酶的组合是指9。
  3. DS结扎链接器(LK)
    1. 暴露的DNA-珠复杂,MPS 1分钟,弃上清。加入5微升H 2 O,1微升10X FastLink缓冲液,1微升ATP(10毫米),从步骤1.2 2微升连接器卡带,和1微升快速连接DNA连接酶(2 U /μL)。在室温下孵育5分钟。重复步骤4.1.2。
  4. 合成的双链DNA变性
    1. 暴露的DNA-珠复杂,MPS 1分钟,弃上清。重悬DNA-珠复杂的5微升0.1N NaOH中。孵育5分钟,在室温下在水平摇动器。
    2. 暴露的DNA-珠复合体的MPS为1分钟,并收集上清液含于新的1.5毫升管预扩增载体基因组的交界处。立即在-20°C进行第6步或存储上清液

5,nrLAM-手续

  1. 单链连接器的连接(SSLC)(nrLAM只)
    1. 暴露的DNA-珠复杂步骤3.3至公安部1分钟,弃上清。加入6.5微升H 2 O,1微升CircLigase 10X反应缓冲液,0.5μL的MnCl 2(50毫米),0.5微升ATP(1毫米),1微升ssLinker寡核苷酸和0.5微升CircLigase(100 U /μL)。孵育在60℃下1小时。
    2. 加入90微升H 2 O和暴露在MPS 1分钟。弃上清,洗DNA-珠复杂的100微升H 2 O再次暴露在MPS 1分钟,弃上清,重悬DNA-珠复杂的10微升H 2 O

6,指数扩增我

  1. 对于每个待分析样品制备50μl的PCR反应。
    1. 吸取2μL模板DNA(从步骤4.4.2(LAM)或5.1.2(nrLAM))到0.2 ml的PCR管。
    2. 制备PCR主混合物如表3所述。加入48μl反应混合液到每个样品从步骤6.1.1和通过PCR扩增的天气下载体基因组结纳秒列举于表3。PCR产物可以被储存在4℃下4天或长期于-20℃。

PCR产物7。磁分离

  1. 制备磁珠所例示的步骤3.1.1 - 3.1.3。重悬珠在20μl(对于LAM)或6米的LiCl溶液(6M的LiCl,10mM的Tris-盐酸,1mM EDTA)中加入50μl(对于nrLAM)。混合20微升(LAM)或从步骤6.1.2 PCR反应以制备的磁性小珠(步骤7.1)的50微升(nrLAM)孵育在水平振荡器上(转速300rpm)搅拌2小时,在室温下。 DNA的磁珠复合物可以在摇床上过夜孵育,或储存在4℃下4天。
  2. 暴露的DNA-珠复合体的MPS为1分钟,除去上清,重悬DNA-珠复合于100μlH 2 O。暴露的DNA-珠复杂,MPS 1分钟,弃上清。
  3. 重悬DNA-珠复杂的20微升(LAM)或5微升(nrLAM)0.1N氢氧化钠。培育大怒,在室温下在水平摇床10分钟,暴露在MPS 1分钟,并收集在新的1.5 ml管扩增含DNA的上清液。立即在-20°C继续执行步骤8.1或存储上清液

8,指数扩增二

  1. 对于每个待分析样品制备50μl的PCR反应。
    1. 移液管加入2μl模板DNA(来自步骤7.3)到0.2 ml的PCR管中。
    2. 制备PCR主混合物,如表4所述。加入48μl反应混合液到每个样品从步骤8.1.1并通过举例说明在表4中的PCR条件扩增载体基因组结点。PCR产物可以被储存在4℃下进行长达4在-20℃天或长期
  2. 可视化(NR)LAM-PCR产物,负载10微升的PCR产物从2%琼脂糖凝胶步8.1.2。如果带不可见,分析10微升的LAM-PCR产物的高分辨率凝胶。注意:逸hidium溴化物是致突变物。工作很认真,总是穿戴适当的手套。

9。用于制备高通量测序

  1. 的(NR)LAM-PCR产物纯化
    1. 从步骤8.1.2用44μL室温AMPure XP的磁珠混合40微升的PCR产物。孵育5分钟,在室温下暴露于MPS额外的2分钟。
    2. 弃上清,用200μl70%乙醇洗两次在MPS。
    3. 弃上清,重悬DNA-珠复杂的30微升H 2 O孵育1分钟,上清液转移至新鲜0.2毫升管。确定纯化的DNA的浓度。
  2. Fusionprimer PCR加测序专用适配器。
    1. 对于每个待分析样品制备50μl的PCR反应。
    2. 移液器x微升(40毫微克)的DNA为0.2 ml的PCR管。的DNA的量应该等于在每个样品和在0.5至25微升的范围内。
    3. 制备PCR主混合物,如表5中所述添加(50 - x)的μl反应混合液到每个样品从步骤9.2.2和通过列举在表5中的PCR产物的PCR条件引入测序适配器(NR)LAM-PCR产物。可以被保存在4℃下4天或长期在-20℃下
    4. 形象化Fusionprimer-PCR产物负载10微升的PCR产物从2%琼脂糖凝胶步骤9.2.3。 9.1.3 - 按照步骤9.1.1中所述净化剩余的PCR产物。从自动高分辨率电泳设备准确量化的Fusionprimer-PCR产物的浓度和片段大小的步骤9.4分析1微升纯化PCR产物。

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Representative Results

LAM-PCR结果在载体基因组路口放大与定义的片段大小为每个结。个体的PCR片段的大小取决于在基因组中的已知的DNA的位置与最近的限制性内切酶识别位点之间的距离。这允许通过凝胶电泳, 例如可视化扩增结的多样性分析的样品中。如果只有单一的(单克隆),几个(寡克隆)或多个(多克隆)频带上存在的凝胶。 LAM-PCR的结果,最好是由高分辨率凝胶电泳( 图2A)被观看,但也可以在2%琼脂糖凝胶( 图2B)可视化。 nrLAM-PCR结果以各种长度为每个单独的连接点的PCR片段。因而单克隆,寡克隆或多克隆的样品显示为涂片通过电泳,并且不能在视觉上区分开来。可视化nrLAM-PCR产物在2%琼脂糖凝胶足以确定SUC塞斯协议( 图2C)的。测序后,将回收的基因组DNA可以被对准到各自的宿主基因组中,以确定载体( 图3A)的位置的准确位置。的基因组注释允许分析IS剧目像偏爱融入基因的编码区( 图3B)或靠近转录起始位点( 图3C)不同的载体的特定功能。

图1
图1:LAM-PCR和nrLAM-PCR的原理轮廓。 A)这两种方法都开始使用生物素化的引物杂交的接近已知的DNA序列的逆转录病毒载体(在此长末端重复序列(LTR))的末端载体基因组结点的初始预扩增。预扩增结果中生物素化单链DNA的不同尺寸的相同或不同的载体基因组的路口。生物素标记的单链DNA上捕获磁性粒子B)对于林PCR,合成双链DNA组成的酶反应的步骤,限制性消化和一个已知的接头DNA产生不同尺寸的产品上的两端的已知序列的产品结扎。由于限制性长度多态性扩增每个连接处有特征长度。变性后的LAM-PCR产物进行巢式PCR扩增与连接体和载体特异性引物。C)适用于nrLAM一个单链DNA连接子序列被直接连接到来自A的预扩增的单链DNA的未知端)使指数扩增通过巢式PCR与接头和矢量特异性引物。这个数字已经被修改 2,12。 请点击此处查看此图的放大版本。 >

图2
图2。LAM-PCR和nrLAM-PCR的代表性结果。从基因疗法治疗的患者的外周血中分离的DNA的A,B)LAM-PCR分析。凝胶上的条带的数目对应于存在于样品中的数量。高分辨率凝胶(B)是更适合的可视化分析样品的克隆性高于2%琼脂糖凝胶(A),C)的慢病毒载体转导的单细胞克隆或散装细胞nrLAM-PCR分析。独立扩增插入位点的数目的涂片电泳后可见在凝胶上。 M,100 bp梯度;三菱商事,单克隆;业主立案法团,寡克隆;电脑,多克隆抗体。这个数字已经被修改2,9。

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图3为典型例子是由LAM-PCR和随后的高通量测序分析。从gammaretroviral(蓝色)或慢病毒(绿色)临床基因治疗试验中两个病人分布。测序和LAM-PCR产物映射到各自的基因组是可以被评估之后,例如 :为B)的差异,根据该优先级用于插入gammaretroviral和慢病毒载体 C之间的基因编码区域A)的全基因组分布偏爱插入靠近转录起始位点。 请点击此处查看该图的放大版本。

目的名称序列(5'-3')
LK-通用 LC1 GACCCGGGAGATCTGAATTCAGTGGCACAG
CAGTTAGG
LK-AATT LC2(AATT) AATTCCTAACTGCTGTGCCACTGAATTCA
GATC
LK-CG LC2(CG) CGCCTAACTGCTGTGCCACTGAATTCAGATC
LK-TA LC2(TA) TACCTAACTGCTGTGCCACTGAAATCAGATC
LK-nrLAM-PCR检测 SSLC (P)CCTAACTGCTGTGCCACTGAATTCAGATC
TCCCGGGTddC
前置放大 LTR-I(3'-方向) (B)AGTAGTGTGTGCCCGTCTGT
LTR-I(5'-方向) (B)TTAGCCAGAGAGCTCCCAGG
指数扩增我 LTR-二(3'-方向) (B)GTGTGACTCTGGTAACTAGAG
LTR-II(5'-方向) (B)GATCTGGTCTAACCAGAGAG
LC-I GACCCGGGAGATCTGAATTC
指数扩增二 LTR-III(3'-方向) GATCCCTCAGACCCTTTTAGTC
LTR-III(5'-方向) CCCAGTACAAGCAAAAAGCAG
LC-II GATCTGAATTCAGTGGCACAG

表1寡核苷酸。为LAM-和nrLAM-PCR扩增慢病毒IS。SSLC被磷酸化在5'-端(P)和具有3'didesoxycytidin(DDC),以避免SSLC的多聚化过程中结扎。一般情况下,(NR)LAM-PCR引物应包括18-25个核苷酸,而不应调整到宿主基因组中。引物用于扩增前应放在尽可能接近(≤120碱基对)到载体的5'或3'末端。需要两个额外的引物进行PCR扩增指数I和II放置底漆之间用于预扩增和矢量末端。引物为前置放大和指数的PCR我需要5'-磷酸化(P)。

试剂体积(μl) 浓度 PCR技术参数温度时间
H2O 43 - x 初始变性 95°C 5分钟
缓冲 5 10× 变性 95°C 45秒
的dNTP 1 10毫米(LAM); 0.5微米(nrLAM) 退火 60°C 45秒 2×50个循环
LTR-I 0.5 0.17微米伸长 72°C 60秒(LAM); 10秒(nrLAM)
Taq酶聚合酶 0.5 2.5 U /μL 最终伸长率 72°C 5分钟(只LAM)

表2。PCR-条件载体基因组路口(步骤2)的预扩增。列1-3表示用于单个DNA样品的扩增的PCR试 ​​剂。列4-6例证PCR程序到preamplify载体基因组路口。

试剂体积(μl) 浓度 PCR技术参数温度时间
H 2 O 40.5 初始变性 95°C 5分钟
缓冲 5 10× 变性 95°C 45秒
的dNTP 1 </ TD> 10毫米退火 60°C 45秒 35个循环
LTR-II 0.5 16.7微米伸长 72°C 60秒(LAM); 5秒(nrLAM)
LC-I 0.5 16.7微米最终伸长率 72°C 5分钟(只LAM)
Taq聚合酶 0.5 2.5 U /μL

表3。PCR-条件指数扩增I(步骤6)。列1-3表示用于单个DNA样品的指数扩增的PCR试 ​​剂。列4-6举例说明用接头序列结扎后成倍放大一个样品的PCR程序。

</ TBODY>
试剂 VOlume明(微升) 浓度 PCR技术参数温度时间
H 2 O 40.5 初始变性 95°C 5分钟
缓冲 5 10× 变性 95°C 45秒
的dNTP 1 10毫米退火 60°C 45秒 35个循环
LTR-III 0.5 16.7微米伸长 72°C 60秒(LAM); 5秒(nrLAM)
LC-II 0.5 16.7微米最终伸长率 72°C 5分钟
Taq聚合酶 0.5 2.5 U /μL

表4。PCR-条件指数扩增I(步骤8)。列1-3表示用于单个样品的嵌套的指数扩增的PCR试 ​​剂。列4-6举例说明用于从一个样品载体基因组路口嵌套指数扩增​​PCR程序。

试剂体积(μl) 浓度 PCR技术参数温度时间
H 2 O 42.5 - x 初始变性 95°C 2分钟
缓冲 5 10× 变性 95°C 45秒
的dNTP 1 10毫米退火 58°C 45秒12个周期
Fusionprimer一个 0.5 10微米伸长 72°C 60秒
Fusionprimer乙 0.5 10微米最终伸长率 72°C 5分钟
Taq聚合酶 0.5 2.5 U /μL

表5。PCR-条件Fusionprimer-PCR方法(步骤9.2)。专栏1-3显示用于引进测序适配器(NR)LAM-PCR产物的PCR试 ​​剂。列4-6举例说明用于Fusionprimer-PCR检测PCR程序。

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Discussion

在LAM-PCR技术允许识别侧翼已知的DNA区域未知的DNA序列。因为高灵敏度从具有特异性的引物杂交的已知DNA序列中的结的预扩增得到的,能够扩增并检测甚至罕见路口下至单个细胞水平。相反,在多克隆情况LAM-PCR能够扩增数千种不同的结在一个单一的反应。

然而,由于使用了限制性内切酶的integrome只有一个子部分可以由LAM-PCR检测结与每一个特定的限制性内切酶的存在下进行分析。因此,对于不同的酶对同一样品重复分析,建议9。如果没有LAM-PCR扩增子存在于凝胶,最有可能是已知的DNA片段的位置和所选择的限制性内切酶的最接近的识别位点之间的距离过大而导致LAM-PCR产物9,在这种情况下其它的酶应当用于扩增的交界处。

nrLAM是独立使用限制性内切酶,因此代表了非常有价值的方法来全面表征侧翼序列已知的DNA序列。省略从协议的结果中的特定的限制性片段长度多态性表征每个扩增的​​交界处的损失的限制性消化。不是每扩增结是由导致电泳,独立的放大路口的多样性后涂抹于凝胶不同大小的PCR产物为代表。

既LAM-和nrLAM-PCR产物是完全适合于下游的高通量测序。的(NR)LAM-PCR产物和检索原始序列的映射高通量测序的基因组中相应的允许表征未知侧翼DNA或识别载体基因组结30的精确定位。通过引入条形码序列到fusionprimers数百林和nrLAM-PCR产物进行测序一次测序运行30。

由于灵敏度高,LAM-PCR是容易受污染,如果执行不留神。因此,PCR级的环境和特殊注意清洁处理的协议是非常重要的,成功地扩增未知侧翼DNA而不污染样品。因此,包括未转导的基因组DNA和水控制,每PCR反应作为阴性对照到LAM-PCR方法,强烈推荐。如果对照样品表明,该协议过程中发生交叉污染,可使用的产品,从每一个暂停点,重复该协议的部分。当带依然存在,建议放弃所有的试剂( 例如 。,引物,dNTPs浓度,聚合酶等)和重复(NR)LAM-PCR方法与新的等分。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Taq DNA Polymerase Genaxxon Bioscience GmbH M3001.5000 Alternative Taq Polymerases may be used
PCR Buffer Qiagen 201203 Use of this buffer is recommended
dNTP-Mixture Genaxxon Bioscience GmbH M3015.4020 or any other dNTPs
Oligonucleotides (Primers) MWG Biotech HPLC purified
Dynabeads M-280 Streptavidin  Invitrogen 11206D
PBS Gibco 14190-086 0.1% wt/vol BSA
6 M LiCl Roth 3739.1 10 mM Tris-HCl (pH 7.5)/1 mM EDTA
Tris-HCl, pH 7.5 USB Corporation  22637 or any other supplier
EDTA Applichem A1103,0250 or any other supplier
Klenow Polymerase Roche Diagnostics 10104523001
Hexanucleotide mixture Roche Diagnostics 11277081001
Restriction endonuclease NEB or any other supplier
Fast-Link DNA ligation kit Epicentre Biotechnologies LK11025
CircLigase ssDNA Ligase Kit Epicentre Biotechnologies CL4111K
NaOH Sigma-Aldrich 72068 or any other supplier
Agarose LE Roche Diagnostics 11685660001 or any other supplier
TBE buffer Amresco 0658 or any other supplier
Ethidium bromide Applichem A2273,0005 Ethidium bromide is mutagenic
100 bp DNA Ladder Invitrogen 15628-050 or any other DNA ladder
20 mM NaCl Sigma-Aldrich 71393-1L or any other supplier
Magna-Sep Magnetic Particle Separator  Life Technologies K158501 for use with 1.5 ml Tubes
Magna-Sep Magnetic Particle Separator Life Technologies K158696 for use with 96-well plates
Amicon Ultra-0.5, Ultracel-30 membrane Millipore UFC503096
PerfectBlue Gelsystem Midi S PeqLab 40-1515 or other electrophoresis system 
TProfessional 96 Biometra 050-551 or other Thermocycler for 96-well plates
Orbital shaker KS 260 basic IKA 2980200 or other horizontal shaker
PCR softtubes 0.2 ml Biozym Scientific GmbH 711082 or other 0.2 ml PCR tubes
1.5 ml tubes Eppendorf 12682 or other 1.5 ml tubes
Gel documentation system PeqLab or any other gel documentation system
Nanodrop ND-1000 spectrophotometer Thermo Scientific ND-1000
Spreadex EL1200 precast gel Elchrom Scientific 3497
Submerged gel electrophoresis apparatus SEA 2000  Elchrom Scientific 2001E
2100 Electrophoresis Bioanalyzer Agilent Technologies G2939AA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Gabriel, R., Kutschera, I., Bartholomae, C. C., von Kalle, C., Schmidt, M. Linear Amplification Mediated PCR – Localization of Genetic Elements and Characterization of Unknown Flanking DNA. J. Vis. Exp. (88), e51543, doi:10.3791/51543 (2014).

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