Pyrosequentiebepaling voor Microbiële identificatie en karakterisering

Biology
 

Summary

Pyrosequencing is een veelzijdige techniek die microbiële genoom die kan worden gebruikt om bacteriële species te identificeren, discrimineren bacteriestammen en detecteren genetische mutaties die resistentie tegen antimicrobiële middelen vergemakkelijkt. In deze video, zal de procedure voor microbiële amplicon generatie, amplicon pyrosequencing, en DNA-sequentie-analyse worden aangetoond.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Cummings, P. J., Ahmed, R., Durocher, J. A., Jessen, A., Vardi, T., Obom, K. M. Pyrosequencing for Microbial Identification and Characterization. J. Vis. Exp. (78), e50405, doi:10.3791/50405 (2013).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Pyrosequencing is een veelzijdige techniek die microbiële genoom die kan worden gebruikt om bacteriële species te identificeren, onderscheiden bacteriestammen en detecteren genetische mutaties die resistentie tegen antimicrobiële middelen vergemakkelijkt. De voordelen van pyrosequentiebepaling voor microbiologie toepassingen zijn onder meer een snelle en betrouwbare high-throughput screening en accurate identificatie van microben en microbiële genoom mutaties. Pyrosequencing omvat sequentiebepaling van DNA door het synthetiseren van de complementaire streng een basisstation tegelijk, het bepalen van de specifieke nucleotide wezen opgenomen tijdens de synthesereactie. De reactie op geïmmobiliseerd enkelstrengs matrijs-DNA waar de vier deoxyribonucleotiden (dNTP) achtereenvolgens toegevoegd en de niet opgenomen dNTP enzymatisch afgebroken vóór toevoeging van de volgende dNTP de synthesereactie. Detectie van de specifieke base opgenomen in de sjabloon wordt gecontroleerd door generatie chemiluminescent signalen. De volgorde van dNTPs die de chemiluminescerende signalen produceren bepaalt de DNA sequentie van de matrijs. De real-time sequencing vermogen van pyrosequencing technologie maakt snelle microbiële identificatie in een enkele assay. Bovendien is de pyrosequencing instrument kan analyseren volledige genetische diversiteit van antimicrobiële resistentie, inclusief de typering van SNPs, puntmutaties, inserties en deleties, en kwantificering van meerdere genkopieën voordoen bij sommige antimicrobiële resistentie patronen.

Introduction

Pyrosequencing is een snelle en accurate manier om sequentie nucleïnezuren die is gebaseerd op het principe van "sequentiebepaling door synthese". "Sequencing door synthese" omvat met een enkelstrengs DNA-matrijs van de complementaire streng een basisstation tegelijk synthetiseren, en het detecteren van de opgenomen base (A, T, G of C) bij elke stap door detectie van een chemiluminescent signaal. Het reactiemengsel omvat pyrosequentiebepaling matrijs DNA, dNTP (dATP, dGTP, dTTP, dCTP), DNA-polymerase, ATP sulfurylase, luciferine, luciferase en apyrase. De synthese reactie wordt geïnitieerd door de toevoeging van een van de vier dNTP's en DNA polymerase de enkelstrengige gebiotinyleerde matrijs-DNA. DNA polymerase bevat de aanvullende dNTP op de mal, met de daaropvolgende afgifte van pyrofosfaat (figuur 1). ATP sulfurylase zet de verhouding pyrofosfaat aan ATP. ATP werkt als een katalysator voor de luciferase-gemedieerde omzetting van luciferine tot oxyluciferine, welkegenereert licht (figuur 2). De intensiteit van het licht is evenredig met het aantal nucleotiden opgenomen en bepaalt of een of meer specifieke dNTP's (dATP, dTTP, dGTP en dCTP) aanwezig op de matrijsstreng achtereenvolgens (figuur 3) is. Eventuele niet opgenomen dNTP wordt afgebroken door apyrase vóór toevoeging van de volgende dNTP voor de voortzetting van de synthesereactie. Deze "sequentiebepaling door synthese" reactie wordt herhaald met toevoeging van elk van de vier dNTPs tot de DNA-sequentie van het enkelstrengs DNA-matrijs wordt bepaald.

Om een animatie van de pyrosequentiebepaling reactie te bekijken Klik hier om de film te bekijken .

Protocol

Inleiding: Een enkele bacteriekolonie moeten worden gebruikt om een geschikt kweekmedium dat wordt overnacht geïncubeerd inoculeren. Een bacteriële pellet wordt vervolgens op genomisch DNA met behulp van een commercieel verkrijgbare isolatiekit genomische zuiveren. De gezuiverde genomisch DNA zou een verhouding 260/280 (nm) moet> 1,8 te verzekeren dat het monster geen eiwit verontreinigingen. De hoeveelheid genomisch DNA vereist voor het genereren van de pyrosequencing template 10-20 ng.

A. Versterking van de Template

(PyroMark PCR Handbook; www.qiagen.com / handboeken 1)

Het opzetten van de PCR-reactie

Opmerking: Een primer moet gebiotinyleerd aan het 5'-uiteinde, en het wordt aanbevolen dat het zijn HPLC gezuiverd voor de voorbereiding template. Wij raden de PyroMark Assay Design Software 2.0 voor PCR en seQuence primer ontwerp die zijn geoptimaliseerd voor korte-read sequencing echter Primer-BLAST ( http://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast/index.cgi?LINK_LOC=BlastHome ) van NCBI kan ook worden gebruikt voor primer design.

  1. Dooi alle benodigde oplossingen (vermeld in tabel 1) en meng elk grondig. Stel de reactie volgens tabel 1. Al het werk gedaan kan worden op kamertemperatuur.

Opmerking: De PCR Master Mix bevat MgCl2 voor een eindconcentratie van 1,5 mM, die bevredigende resultaten oplevert in de meeste gevallen. Indien een hogere Mg2 + concentratie is vereist, kan tot 3,5 ui 25 mM MgCl2 toegevoegd aan een reactiemengsel.

  1. De reactie mix goed te mengen door voorzichtig en neer te pipetteren, vervolgens afzien adequate volumes over in PCR-buisjes.
  2. Voeg template DNA aan elke PCR buis. Wij raden aan 10 ng genomisch DNA.
  3. Programmeer de thermische cycler volgens tabel 2. Een laatste houden bij 4 ° C wordt aanbevolen voor het gemak. Bij gebruik van een PCR-apparaat zonder verwarmde deksel, overlay reacties met 100 ui minerale olie.
  4. Plaats de PCR-buizen in de cycler en de cyclus te starten programma.

B. Vacuum Workstation Protocol

Het immobiliseren van het gebiotinyleerde PCR-producten

  1. Voeg een master mix volgens figuur 4.

Opmerking: Voor het pipetteren, schud de fles streptavidine-gecoate Sepharosekorrels om een homogene suspensie te garanderen.

  1. Afhankelijk van de hoeveelheid PCR-product gebruikt afgeven 60-75 pi Master Mix in elk putje van een PCR plaat tot een totaal volume van 80 gl per putje.
  2. Voeg 5-20 ul gebiotinyleerde PCR-product aan elk putje.
  3. Verzegelen van de putten met strip caps en schud de PCR plaat bij 1400 rpm gedurende 5-10 minuten bij kamertemperatuur (15-25 ° C) met behulp van een schudapparaat.

Denaturatie van DNA en toevoeging van sequentiebepalingsprimer

  1. Verdun de sequencing primers met 0,3 uM annealing buffer en 25 pl afzien in elk putje van een reactieplaat. Plaats de plaat op het werkstation.
  2. Vul het werkstation goten volgens fig. 5 diagram.
  3. Schakel de vacuümpomp, en zorg ervoor dat de schakelaar op het vacuüm gereedschap is ingeschakeld (Figuur 6). Spoel het filter sondes met een hoge zuiverheidsgraad water (Milli-Q 18,2 MW x cm of gelijkwaardig) in trog 5 (figuur 5). Vul de bak met verse hoogzuivere water voor gebruik in stap 12.
  4. Snel te werken, de positie van de PCR-plaat met kralen op de werkplek. Controleer of beide platen in dezelfde richting als bij de monsters werden geladen.
  5. Met de vacuüm-schakelaar ON, verlagen het vacuümGereedschap in de putjes van de PCR-plaat gedurende 20 seconden of tot al volume is afgezogen. De beads worden opgevangen door het vacuüm gereedschap (figuur 7).
  6. Met het vacuüm nog ON, spoelt u de tool met 70% ethanol (trog 1) gedurende 20 seconden of totdat alle volume is opgezogen.
  7. Met vacuum ON, spoelt u de tool met denaturatie-oplossing (goot 2) gedurende 20 seconden of totdat alle volume is opgezogen.

Opmerking: De denaturatie oplossing bevat natriumhydroxide, die een oog en huidirritatie. Draag altijd een laboratoriumjas, handschoenen en een veiligheidsbril.

  1. Met vacuum ON, spoelt u de tool met wasbuffer (goot 3) gedurende 20 seconden of totdat alle volume is opgezogen.
  2. Met vacuum ON, verhogen het vacuüm tool om buiten 90 ° verticaal voor 5 seconden, zodat alle vloeistof uit de vacuüm tool. Schakel de pomp uit, en lijn het vacuüm tool met de reactie plaat. Laat de stofzuiger gereedschap in deputten en schud van links naar rechts om de kralen introductie in de putjes die sequencing primer.
  3. Om het vacuüm hiervan schoon schud het filter probes in hoge zuiver water (goot 4) gedurende 10 sec.
  4. Schakel de stofzuiger aan en spoel de tool met een hoge zuiverheidsgraad water (trog 5) gedurende 20 seconden of totdat alle volume is opgezogen.
  5. Hef het vacuüm tool om buiten 90 ° C verticaal voor 5 sec, zet vervolgens de stofzuiger uit en op te slaan in de stand "Park".

Gloeien sequencing primer om DNA-strengen

  1. Plaats de reactie plaat in een voorverwarmde plaat houder.
  2. Verwarm de plaat op een verwarmingsblok bij 80 ° C gedurende 2 minuten.
  3. Verwijder de plaat uit de houder en plaats op de teller afkoelen bij kamertemperatuur gedurende 5 minuten.

Pyromark Q24 Operation

Opmerking: Schakel het apparaat met de schakelaar boven de stroomkabel. Stertup kan tot 1 min.

  1. Vul een cartridge volgens de instructies in de PyroMark Gold Q24 Reagentia Handboek 2. Om te bepalen volumes nodig, het opzetten van een run-bestand in het instrument software, en onder het menu Extra selecteert Pre Run Informatie
  2. Als het instrument was al op, ervoor te zorgen dat het niet is het uitvoeren van een run en open vervolgens het deksel. Een akoestisch waarschuwingssignaal zal worden uitgezonden als de deksel wordt geopend wanneer het onveilig is om dat te doen.
  3. Open de cartridge poort en plaats de cassette met het label naar voren (figuur 8). Zorg ervoor dat de cartridge goed is geplaatst (een lijn moet zichtbaar zijn aan de voorzijde te zijn) en sluit de poort.
  4. Open de plaathoudende frame en plaats de plaat met samples in het instrument.
  5. Sluit de plaathoudende frame en het instrument deksel (Figuur 9).

Het starten van een run

  1. Steek de USB-stick met de run-bestands gemaakt met het instrument software in de USB-poort aan de voorzijde van het instrument.
  2. Selecteer 'Uitvoeren' in het hoofdmenu en druk op "OK".
  3. Gebruik de pijltoetsen om het gewenste run bestand te selecteren en druk op "Select".

Opmerking: Het instrument zal beginnen doseren reagentia als alle vooraf ingestelde druk en temperatuur zijn bereikt (dit kan enkele minuten duren). Tijdens een run, het scherm toont het toestel de pyrogram van de geselecteerde goed in real-time. Gebruik de pijltoetsen om de pyrogram van andere bronnen bekijken.

Het invullen van een run

  1. Wanneer het instrument bevestigt dat de run is voltooid en de run bestand is opgeslagen op de USB-stick, druk op "Close".
  2. Verwijder de USB-stick. Indien het werd verwijderd voordat de run klaar, steek de USB-stick. Selecteer "Beheer" en vervolgens "Copy-opgeslagen Runs".
  3. De run-bestand kan nu worden geopend en geanalyseerd met behulp van het instrument software en vergelekeneen bibliotheek van bekende bacteriën met de Identifire software.

Representative Results

De resultaten van een typische run pyrosequencing met de software toont de locatie van de voorwaartse en achterwaartse primers die voor amplicon productie en de sequencing primer voor de pyrosequencing reactie binnen het geconserveerde 16S ribosomale sequentie (Figuur 10). De hypervariabele sequentie tussen de primer plaatsen maakt bacteriële identificatie van een groot aantal bacteriesoorten met de geconserveerde sequentie primer (5'-TACATGCAAGTCGA). Als een interne kwaliteitscontrole, de DNA sequentie bracketing het variabele gebied kunnen worden gecontroleerd om te verzekeren dat de juiste DNA gebied geanalyseerd . De pyrosequentiebepaling software maakt vergelijking en aanpassing van de gegenereerde sequentie een interne database van bacteriële ribosomale sequenties voor identificatie van bacteriën. Daarnaast kan een sequentie worden geanalyseerd om mutaties die antibioticum resistentie bepalen. Bijvoorbeeld, analyse van mutaties in het 23S ribosomale genen Helicobacter pylori toont twee mutatie patronen (GAA of AGA) dat resistentie tegen antibiotica verlenen (figuur 11). Analyse van meerdere isolaten van dezelfde patiënt kunnen gelijktijdig worden getest op het ontstaan ​​van resistentie tegen geneesmiddelen te volgen in de tijd om te helpen bij epidemiologisch onderzoek naar resistentie tegen antibiotica uitbraken.

Figuur 1
Figuur 1. Gebiotinyleerd PCR-product wordt gebruikt als een sjabloon om dNTP nemen door DNA polymerase, waardoor de vorming van pyrofosfaat (PPi).

Figuur 2
Figuur 2. ATP sulfurylase converteert verhouding pyrofosfaat aan ATP. ATP katalyseert de luciferase-gemedieerde omzetting van luciferine tot oxyluciferine, dat licht dat pro genereertgepasseerde de hoeveelheid ATP. Het licht wordt opgenomen als piek op de pyrogram spoor en geeft nucleotide incorporatie. De niet opgenomen dNTPs zijn afgebroken door apyrase voordat de volgende dNTP wordt toegevoegd voor de voortzetting van de synthese.

Figuur 3
Figuur 3. De intensiteit van het opgewekte licht geeft aan of een of meer specifieke dNTP's (dATP, dTTP, dGTP en dCTP) werd achtereenvolgens opgenomen op de matrijsstreng.

Figuur 4
Figuur 4. Stroomschema voor de bereiding van master mix aan het gebiotinyleerde PCR-product te immobiliseren.

Figuur 5

ge = "altijd"> Figuur 5. PyroMark werkstation, met PCR-plaat, PyroMark plaat, en dal locaties.

Figuur 6
Figuur 6. Locaties van de Vacuum schakelaar aan en uit posities.

Figuur 7
Figuur 7. Vacuüm tool. Deskundige behandeling van het vacuüm tool.

Figuur 8
Figuur 8. Cartridge poort met cartridge geopend in plaats.

Figuur 9
Figuur 9. Cartridge correct geplaatst met poort gesloten.

"Fo: keep-together.within-page =" altijd "> Figuur 10
Figuur 10. Pyrosequencing based bacteriële identificatieresultaten. PCR primers ontworpen voor geconserveerde gebieden van de DNA-matrijs en de primer sequentie onmiddellijk stroomopwaarts van een goed gekarakteriseerd identificeren hypervariabele DNA sequentie in het amplicon (in blauw).

Figuur 11
Figuur 11. Detectie van antibiotica resistentie in Helicobacter pylori met pyrosequencing. Analyse van de mutaties in het 23S genen die antibacteriële resistentie in Helicobacter pylori met GAA of AGA sequenties. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

<td> Component
Volume per reactie Eindconcentratie
Pyro PCR Master Mix, 2x 12,5 ul 1x
CoralLoad Concentrate, 10x 2,5 pl 1x
25 mM MgCl2 (optioneel) Veranderlijk ≥ 1,5 mM
Q-Solution, 5x (optioneel) 5 pi 1x
Primer A / Primer B Variabele / Variabele 0.2 μM/0.2 uM
RNase-free water Veranderlijk -
Totaal Volume (na toevoeging van het template-DNA) 25 gl

Tabel 1. PCR reactiemengsel.

& Nbsp; Aanvullende opmerkingen
Eerste PCR activeringsstap 15 min 95 ° C HotStartTaq DNA Polymerase geactiveerd
3 stap fietsen: Denaturatie 30 sec 94 ° C
Gloeien 30 sec 60 ° C
56 ° C
Voor genomisch DNA
Voor bisulfiet omgezet DNA
Uitbreiding 30 sec 72 ° C
Aantal cycli 45
Laatste verlenging 10 min 72 ° C

Tabel 2. PCR Cycle Specificaties.

Discussion

Verschillende nieuwe next generation sequencing methoden zijn gecommercialiseerd. Drie van de meest gebruikte methoden ion halfgeleider sequencing, molecuul realtime sequencing en sequentiebepaling door synthese (SBS). 3-11 Elk van deze werkwijzen afhankelijk van sequentiebepaling door synthese maar investeren nieuwe platforms voor de detectie van de opgenomen nucleotiden. In ion halfgeleider sequencing, een enkele streng van DNA dient als een matrijs voor de sequentiebepaling streng. 12 Polymerase en nucleotiden opeenvolgend in pyrosequencing toegevoegd. Wanneer een nucleotide wordt toegevoegd aan de groeiende DNA-streng, is een waterstof-ion vrijgegeven. De waterstof ionen wordt gedetecteerd door een veldeffect transistor gebaseerde sensor.

Single molecule realtime sequencing afhankelijk van de nul-stand golfgeleider (ZMW). ZMW 13 is een kleine structuur waarin een polymerase molecule is bevestigd aan de bodem van de put. Het wordt belicht zodanig dat een floregeur molecuul kan worden gedetecteerd. Elke nucleotide is gelabeld met een fluorescerend molecuul. Als fluorescent gelabeld nucleotide wordt geïncorporeerd, een detector identificeert de nucleotide. Wanneer de volgende nucleotide wordt toegevoegd, wordt de fluorescerende molecule gesplitst. 14

Sequentiebepaling door synthese (SBS) maakt gebruik van een unieke methode voor het amplificeren van de doelwit DNA zodat clusters van unieke sequenties worden gegenereerd. Single 15 matrijzen worden gegenereerd en de complementaire streng wordt gesynthetiseerd. Elk nucleotide wordt gelabeld met een fluorescerend molecuul en na elke toevoeging base de fluorescentie van de toegevoegde base wordt opgenomen.

Disclosures

Productie en gratis toegang tot dit artikel wordt gesponsord door Qiagen.
Auteurs Ahmed, Durocher, Jessen en Vardi zijn medewerkers van Qiagen Inc, dat reagentia en instrumenten gebruikt in dit artikel oplevert.

Acknowledgments

Dit project was steun voor een deel door de Johns Hopkins University, Bureau van de provoost via de Gateway Science Initiative en Qiagen Inc

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PyroMark PCR Master Mix, 2x Qiagen 978703
CoralLoad Concentrate, 10x Qiagen 978703, 978705
Q-Solution, 5x Qiagen 978703, 978705
MgCl2, 25 mM Qiagen 978703, 978705
RNase-Free Water Qiagen 129112
Primers Qiagen 978776 or 978777 Primers should be purchased from an established oligonucleotide manufacturer (i.e. QIAGEN Pyromark Custom Assays, IDT, etc). Lyophilized primers should be dissolved in TE to provide a stock solution of 100 μM.
Pyromark Gold Q24 Reagents Qiagen 970802
High-purity water (Milli-Q 18.2 MΩ x cm or equivalent)
Streptavidin Sepharose High Performance Beads GE Healthcare 17-5113-07
PyroMark Annealing Buffer Qiagen 979009
PyroMark Denaturation Solution Qiagen 979007
PyroMark Wash Buffer Qiagen 979008
PyroMark Q24 Qiagen 9001514
PyroMark Q24 Cartridge Qiagen 979202
PyroMark Q96 HS Tip Holder Box Qiagen 979105
PyroMark Q24 Vacuum Workstation Qiagen 9001516
PyroMark Q24 Plate Holder Qiagen 9022273
Orbital shaker Fisher 11-675-297
Heat block Fisher 11-718Q

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. PyroMark PCR Handbook. [about 27p.]. Available from: http://www.qiagen.com/handbooks (2009).
  2. PyroMark Q24 User Manual. [about 27p.]. Available from: http://www.qiagen.com/handbooks (2012).
  3. Elahi, E., Ronaghi, M. Pyrosequencing: a tool for DNA sequencing analysis. Methods Mol. Bio. 255, 211-219 (2004).
  4. Fakhrai-Rad, H., Pourmand, N., Ronaghi, M. Pyrosequencing: and accurate detection platform for single nucleotide polymorphisms. Hum. Mutat. 19, (5), 479-485 (2002).
  5. Langaee, T., Ronaghi, M. Genetic variation analyses by pyrosequencing. Mutat. Res. 573, (1-2), 96-102 (2005).
  6. Liu, Z., Lozupone, C., Hamady, M., Bushman, F. D., Knight, R. Short pyrosequencing reads suffice for accurate microbial community analysis. Nucleic Acids Res. 35, (18), e120 (2007).
  7. Novais, R. C., Thorstenson, Y. R. The evolution of Pyrosequencing for microbiology: From genes to genomes. J. Microbiol. Methods. 86, (1), 1-7 (2011).
  8. J, Metagenomic pyrosequencing and microbial identification. Clin. Chem. 55, (5), 856-866 (2009).
  9. Quince, C., Lanzen, A., Curtis, T. P., Davenport, R. J., Hall, N., Head, I. M., Read, L. F., Sloan, W. T. Accurate determination of microbial diversity from 454 pyrosequencing data. Nat. Methods. (9), 639-6341 (2009).
  10. Ronaghi, M., Karamohamed, S., Pettersson, B., Uhlen, M., Nyren, P. Real-time DNA sequencing using detection of pyrophosphate release. Anal. Biochem. 242, 84-89 (1996).
  11. King, C., Scott-Horton, T. Pyrosequencing: A simple method for accurate genotyping. J. Vis. Exp. (11), e630 (2008).
  12. Rothberg, J. W., Heinz,, et al. An integrated semi-conductor device that enabling non-optical genome sequencing. Nature. 475, 348-352 (2011).
  13. Levene, M. J., Korlach, J., Turner, S. W., Foquet, M., Craighead, H. G., Webb, W. W. Zero-Mode Waveguides for Single-Molecule Analysis at high concentrations. Science. 299, 682-686 (2003).
  14. Eid, J., Fehr, A. Real-Time DNA Sequencing from Single Polymerase Molecules. Science. 323, 133-138 (2009).
  15. Sequencing Technology | Sequencing by Synthesis | Illumina [Internet]. Illumina. Available from: http://www.illumina.com/technology/sequencing_technology.ilmn (2012).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics