本文介绍一种基于荧光的引物延伸方法,用于确定细菌转录本的转录起始位点及RNA加工情况 体内 使用自动凝胶测序仪。
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本文介绍一种基于荧光的引物延伸方法,用于确定细菌转录本的转录起始位点及RNA加工情况 体内 使用自动凝胶测序仪。
基于荧光的引物延伸(FPE)是一种用于确定RNA分子转录起始点或加工位点的分子方法。该方法通过使用特异性荧光标记的引物对目标RNA进行逆转录,随后通过变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分析生成的cDNA片段。同时,在凝胶上运行传统的桑格测序反应,以将cDNA片段的末端精确定位到其对应的碱基位置。与5'-RACE(cDNA末端快速扩增)技术不同,后者需要对产物进行克隆并测序多个候选克隆,而引物延伸产生的大量cDNA片段可在一次凝胶电泳中同时被检测。此外,整个实验流程(从逆转录到最终结果分析)可在一天内完成。通过使用荧光标记的引物,可避免使用具有危害性的放射性同位素标记试剂,并且由于产物可在电泳过程中直接检测,处理时间也得以缩短。
在以下实验方案中,我们描述了一种体内荧光引物延伸方法,可可靠且快速地检测RNA的5'端,以推断金黄色葡萄球菌(S. aureus)、大肠杆菌(E. coli)及其他细菌中的转录起始点以及RNA加工位点(例如,由毒素-抗毒素系统组分介导的加工位点)。
引物延伸1是一种分子生物学方法,可用于以单碱基分辨率确定特定RNA分子的5’端。与其他方法(如5’-RACE(cDNA末端快速扩增))相比,该方法的优势在于实验周期短,并且能够轻松分析不同长度RNA分子的混合物。
该方法通过使用特异性的荧光引物对RNA分子进行逆转录反应,生成特定长度的cDNA片段。这些cDNA分子与传统的Sanger测序反应2一同在变性聚丙烯酰胺凝胶上电泳,由于使用了荧光标记的引物,可通过荧光检测到cDNA分子。通过与测序梯度标记物比较cDNA片段的长度,从而实现对RNA 5’端的定位作图。
传统上,引物延伸反应结合放射性同位素使用,以在X射线胶片上检测cDNA分子。由于放射性物质存在健康风险、废物处理问题且操作不便,较新的实验方案采用荧光标记结合自动测序仪来检测引物延伸产物,尽管其灵敏度略低。使用荧光标记的引物后,可省去重复的放射性标记步骤,因为荧光引物具有长期稳定性(据我们经验,可稳定保存一年以上)。
本文所述方法采用自动凝胶测序仪,但经过稍加改进后,毛细管测序仪也可用于cDNA的分离与检测3。凝胶分析的并行特性使其能够检测到极微量的RNA切割或加工事件。另一个优势在于该方法具有高分辨率,甚至可以检测到仅一个碱基的末端切割或加工。
关于RNA切割或加工的检测,通常区分两种不同类型的引物延伸。一种情况是在体外(in vitro)使用纯化的RNA和纯化的酶进行酶促处理;另一种情况是在体内(in vivo)完成RNA加工,随后纯化得到加工后的RNA。在这两种情况下,RNA均需进行体外(in vitro)引物延伸反应,但根据RNA来源的不同,该方法分别称为体外(in vitro)或体内(in vivo)引物延伸。在本方案中,我们仅聚焦于体内(in vivo)引物延伸,因其操作简便(无需纯化蛋白质),并可同时确定转录起始位点和加工位点。然而,体外(in vitro)引物延伸的基本设置原理相同,本方案亦可作为其实验设计的起点。
只要细菌种类能够进行高纯度和高得率的核酸制备,本文所示方法便可适用于多种细菌。
我们实验室的研究重点是毒素-抗毒素(TA-)系统的调控范围4,5,该领域广泛使用引物延伸法。TA系统是存在于原核生物基因组中的小型遗传元件,由一种稳定且内源性具有活性的毒性蛋白和一种通常不稳定的蛋白质或RNA抗毒素组成,后者可拮抗毒性作用6,7毒素的活性有时通过抑制复制、细胞壁合成或其他机制发挥作用,但最常见的是通过RNase活性。8,9通常,核糖核酸酶(RNase)的特异性通过多种测试来确定,其中一种方法是引物延伸法。引物延伸反应非常适合此应用,因为可同时分析切割产物与全长片段的混合物,以确定其5’端。使用混合物 体外 和 体内 引物延伸,特异性毒素RNase切割 例如, 序列特异性可以被确定10-13.

图1. 引物延伸实验流程概览。 根据实验需求培养并处理细菌培养物。从细胞中提取总RNA,用DNase I处理以去除残留DNA,并使用靶标特异性的荧光标记DNA引物进行逆转录反应,生成cDNA。同时提取基因组DNA或质粒,并用于进行荧光标记的Sanger测序反应,以便与cDNA片段进行大小比对。将引物延伸产物与Sanger测序产物一同在变性尿素聚丙烯酰胺凝胶上电泳,随后通过自动激光与显微系统进行分析。与cDNA条带对齐的测序碱基即为5’端cDNA的最后一个碱基(蓝色箭头所示)。详见Fekete, et al. 3 请点击此处查看该图的放大版本。
整个引物延伸实验流程的概述见图1。简而言之,首先培养并收集细菌细胞,离心获得菌体沉淀后进行裂解并提取RNA。纯化后的RNA用DNase I处理,以去除可能作为逆转录酶模板的残留DNA分子。将特异性的荧光引物加入RNA中,使其与目标区域杂交,随后进行逆转录反应,生成单链互补DNA(cDNA)。通过使用荧光引物进行传统的Sanger测序,制备测序梯度片段,并与引物延伸产生的cDNA片段一同在变性聚丙烯酰胺凝胶上电泳分离。通过比较凝胶上的荧光条带,可确定目标转录本的5’端。随后通过序列比对, individually分析转录起始点和加工位点。
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1. 高产量RNA制备
2. 引物延伸反应
3. 测序阶梯的制备
注意:测序反应需要中等量的质粒或高量的基因组DNA。在可能的情况下,建议在测序反应中使用质粒,因为其易于分离且信号强度高。在其他情况下,我们常规采用Marmur5,14的方法,从大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)细胞中提取基因组DNA,而无需使用苯酚。原则上,任何能够获得高产量和高纯度基因组DNA的方法均可使用。

图 2. 制作DNA钓鱼竿的操作说明。将玻璃巴斯德吸管的尖端置于本生灯火焰中,数秒后玻璃开始熔化,在末端形成一个小钩。迅速从火焰中取出,静置冷却1分钟。
4. 凝胶装置设置与电泳仪运行
注意:测序凝胶装置的组装方法、凝胶的制备以及凝胶电泳的操作步骤详见制造商提供的说明书。

图3. 凝胶电泳玻璃板的分解示意图。 玻璃板应按方向使用。注意将玻璃板的内侧朝内放置,外侧朝外放置。

图4. 组装完成的凝胶装置示意图。 注入凝胶溶液后,将样品孔垫片置于两块玻璃板之间的溶液中。随后将制胶板插入前玻璃板与凝胶导轨之间,并通过拧紧导轨旋钮固定。

图 5. 带有鲨齿梳的凝胶局部放大图。 样品(紫色)加样于鲨齿之间。
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如图6所示,可通过引物延伸反应确定目标转录本的转录起始位点,并有助于推断启动子区域(通常由-10和-35元件识别)。最上方(最长)的cDNA片段代表mRNA的5’端,因此在与测序梯度标记比较时可轻松定位。

图6. 引物延伸反应的代表性结果左侧为完整 体内 引物延伸凝胶来自 E. coli 使用不同质粒的结果如图所示。感兴趣区域已放大。上部分 (A),对的测定 ompA 转录起始点被标示。逆转录在m...
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荧光引物延伸是一种简单快速的方法,用于确定RNA的5’端,既可用于TSP识别,也可用于二级RNA加工的鉴定。由于使用了荧光标记的引物,该反应的设置和运行无需额外的安全防护措施(与放射性标记引物的情况不同)。由于样品通过荧光检测,可在电泳进行过程中实时成像,相比通常使用X光胶片的放射性方法,可实现更快速的分析。
通常,引物延伸反应的质量在很大程度上取决于引物的纯度及其结合能力。如果结合位点选择得距离目标区域过近,可能会产生引物拖尾现象而掩盖信号;而若结合位点距离5’端过远(>300 bp),则可能导致信号微弱。
在合成过程中,荧光染料必须共价连接至定制DNA寡核苷酸的5’端,且该寡核苷酸应通过HPLC纯化,以避免残留盐类对逆转录反应产生干扰。带有适当染料修饰的寡核苷酸(有关兼容染料的更多信息,请参见试剂列表表格)可向大多数寡核苷酸合成公司订购,并应避光保存。遗憾的是,目前我们尚不了解任何可将染料酶促连接至已有寡核苷酸的方法,而放射性标记核苷酸则可实现此类标记。
在此...
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作者声明无任何可能构成利益冲突的事项需要披露。
感谢Anne Wochele在实验室中的协助,以及Vera Augsburger在自动凝胶测序仪使用方面的帮助。感谢德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft)通过“重点计划”SPP1316和SPP1617中的资助项目BE4038/2和BE4038/5提供的经费支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AMV 逆转录酶(20-25 U/μL)µl) | NEB / Roche | NEB: M0277-T / Roche: 10109118001 | |
| DNase I(RNase-free) | Ambion(Life Technologies) | AM2222 | |
| FastPrep-24 仪器 | MPBio | 116004500 | |
| 荧光标记引物 | Biomers | n/a | 5’ DY-681 修饰 “普通” DNA 寡核苷酸。兼容的染料(如 LICOR IRDye 700/800)也可从其他供应商(如 IDTdna)获得。 |
| Li-Cor 4200 测序仪,含 ImagIR 数据采集软件 | Li-Cor | 产品已停产 | |
| NanoDrop 2000 | 赛默飞世尔科技 | ||
| 无核酸酶水 | Ambion(Life Technologies) | AM9915G | |
| 质粒小提试剂盒 | QIAGEN | 12125 | |
| RapidGel-XL-40% 浓缩液 | USB | US75863 | |
| RNA储存缓冲液 | Ambion(Life Technologies) | AM7000 | |
| Roti-Aqua-P/C/I | 卡尔·罗斯 | X985.3 | 替代方案: “酸性酚-氯仿,pH 4.5(含IAA,125:24:1)” 来自 Ambion (AM9720) |
| SUPERase•在RNase抑制剂中 | Ambion(Life Technologies) | AM2696 | |
| 含7-脱氮-dGTP的Thermo Sequenase荧光标记引物循环测序试剂盒 | GE Healthcare | RPN2538 | |
| TRIzol试剂 | 生命技术公司 | 15596-026 | |
| 氧化锆/二氧化硅珠 0.1 mm | BioSpec | 11079101z |
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