聊科研

核酸抽提的经验和原理

2018.10.22 16:49
106 0 0

核酸抽提原则是保证核酸一级结构的完整性、核酸样品中不应存在对酶有抑制作用的有机溶剂和过高浓度的金属离子、其他生物大分子如蛋白质、多糖和脂类分子的污染应降低到最低程度、其他核酸分子,如RNA,也应尽量去除等。

  一、核酸抽提原理

  核酸抽提包含样品的裂解和纯化两大步骤。裂解是使样品中的核酸游离在裂解体系中的过程,纯化则是使核酸与裂解体系中的其它成分,如蛋白质、盐及其它杂质彻底分离的过程。

  经典的裂解液几乎都含有去污剂 (如 SDS、Triton X-100、NP-40、Tween 20 等) 和盐 (如 Tris、EDTA、NaCl 等)。盐的作用,除了提供一个合适的裂解环境 (如 Tris),还包括抑制样品中的核酸酶在裂解过程中对核酸的破坏 (如 EDTA)、维持核酸结构的稳定 (如 NaCl) 等。去污剂则是通过使蛋白质变性,破坏膜结构及解开与核酸相连接的蛋白质,从而实现核酸游离在裂解体系中。裂解体系中还可能加入蛋白酶;利用蛋白酶将蛋白质消化成小的片段,促进核酸与蛋白质的分开,同时,也便于后面的纯化操作以及获得更纯的核酸。也有直接使用高浓度的蛋白质变性剂 (如 GIT、GuHCl 等) 裂解的,该方法已经成为了 RNA 抽提的主流,却不是基因组 DNA 抽提的主流。

  最常用的纯化方法,一是 PC 抽提 + 醇沉淀,二是介质纯化。第一种方法是利用 PC 对裂解体系进行反复抽提以去除蛋白质,实现核酸与蛋白质的分离;再用醇将核酸沉淀下来,实现核酸与盐的分离。第二种方法则是利用某些固项介质,在某些特定的条件下,选择性地吸附核酸,而不吸附蛋白质及盐的特点,实现核酸与蛋白质及盐的分离。高盐沉淀去除蛋白质是第一种纯化方法的一个变体,省略了 PC 操作的麻烦。当然,也有不纯化的抽提方法,但是用途多局限于简单的 PCR。其它杂质 – 如多糖、多酚等 - 的去除,基本上都是在这两种方法的基础上,通过增加一些特别的试剂,或者增加一些额外的步骤来实现的。

  二、了解你的实验样品

  如果你研究某个实验样品,并且要抽提它的核酸,以下的信息一定要先行收集:该样品的核酸含量、酶含量、特殊杂质含量。如果你对样品的特点一无所知,当样品稍微有一点复杂时,抽提核酸的实验就会碰到许多问题。以血液为例,如果你不知道鸟的血液中有核细胞的含量是人血的千倍左右,而使用人血一样的起始量去抽提鸟血的基因组 DNA,怎么可能成功?失败了又怎么知道原因所在?同时,只有对实验样品有所了解,才能正确选择裂解方法。

  绝大部分情况下,使用新鲜样品可以获得最好的结果。对一些杂质含量高的样品,如果使用新鲜样品抽提基因组 DNA 是碰到杂质残留过大的问题,可以试一下 -20C 保存一天后再抽提的对策,可能会有意想不到的效果。样品如果因为某些原因必须先行保存,也要先简化一下样品:血液最好只保存有核细胞;将样品分割后保存,避免反复冻融。如果实验室不具备合适的保存条件,将样品先裂解后再保存,是一个不错的选择。

  三、裂解方法的评价

  含蛋白酶的裂解方法,可以认为是抽提基因组 DNA 的首选。裂解包括膜蛋白的游离和与基因组 DNA 相连接的蛋白质的游离。蛋白酶的作用是使蛋白质变小,故而对蛋白质的游离有巨大的促进作用;同时,巨大的基因组 DNA 是很容易“缠”住大分子的东西的,蛋白质被蛋白酶消化变小后,则不容易被基因组 DNA “缠”住,有利于蛋白质在纯化操作中的去除,使最终获得的基因组 DNA 的纯度更高。另外一个思路是,如果基因组 DNA 与蛋白质 “缠”在一起,在纯化的过程中有两种可能:如果基因组 DNA 的特性占优势,则纯化时以 DNA 的形式被保留下来,导致蛋白质的残留;如果蛋白质的特性占优势,则纯化时以蛋白质的形式被去除,导致 DNA 的损失。有些样品,如肌肉,即使是 RNA 抽提,也强烈建议使用含蛋白酶的裂解液 (或者在操作中的某个时候使用蛋白酶消化蛋白质) ,原因在于这些样品中的蛋白质,是非常难以去除的。该方法是获得最大得率和最高纯度的基础。

  不使用蛋白酶的去污剂裂解方法,仍然在细胞基因组 DNA 抽提方面有优势,尤其是当得率和纯度要求不是最高,而经济性及操作简单很重要时。控制好裂解液/样品的比例是该方法成功的关键。该方法结合高盐沉淀,可以实现最简单的操作,但纯度及得率的稳定性可能会比用 PC 抽提的差一些。

  高浓度蛋白质变性剂 (如 GIT、GuHCl 等) 的裂解方法,是抽提 RNA 的首选。总 RNA 的抽提,最重要的是快速裂解细胞膜,至于与基因组 DNA 相连接的蛋白质的裂解以及基因组与蛋白质 “缠”住的问题,因为都不会对以后的纯化产生大的影响,可以不考虑。高浓度蛋白质变性剂能快速破坏细胞膜,进而迅速抑制住细胞内的 RNA 酶,从而确保了 RNA 的完整性。除了极少量不适用该方法的样品 – 主要是植物,其它绝大部分样品的 RNA 的抽提,都可以以高浓度的蛋白质变性剂为基础的。该方法也可用于基因组 DNA 抽提,非常快速简单,但纯度不是很高。

  含 CTAB 的裂解液,几乎成为富含多糖的样品,如细菌、植物的基因组 DNA 抽提的首选裂解方法。该方法成功与否与两个因素有关:一是 CTAB 的质量,二是洗涤的彻底程度。CTAB 的质量对裂解效率有很大的影响,而且,似乎还说不清楚原因,因为即使是同一公司生产的纯度一样的 CTAB,批号不同,效果就可能差别很大。洗涤去除 CTAB 要比其它的盐难一些,同时, CTAB 的少量残留也会对酶活性有巨大影响,所以洗涤是否彻底也是该方法成功与否的关键。裂解时的温度,多使用 65C;但如果发现降解严重或者得率太低,可以试一下 37C – 45C 这个相对低温的区域。

  SDS 碱裂解法是质粒抽提的首选裂解方法,具有快速、得率高、几乎无基因组 DNA 污染的特点。控制好裂解液/菌体的比例和操作的温和是该方法成功的关键。蛋白质的沉淀效率在 4C 会更好一些,所以,加入溶液 III 后在 4C 静置一段时间以及采用 4C 离心去蛋白质,都可以提高质量。该方法不一定要使用 PC 纯化,但结合 PC 纯化,可以获得纯度很高的质粒。RNA 的去除可以靠在溶液 I 中加入 RNase A (100ug/ml) 或者在最后的溶解液中加入 RNase A (25 ug/ml) 来实现。总的感觉是,在溶液 I 中使用 RNase A,RNA 的残留少一些。不过,经典沉淀几乎没有办法彻底去除 RNA 残留。另外,对大质粒 (50 kb 以上),该方法可能会有问题。

  PCR 模板的简易裂解方法,也是使用面很广的一类方法。该方法的特点是无须纯化,样品被裂解后即可直接取裂解液用于 PCR,非常快速。也正因为不纯化,所以,假阴性 (即没有扩增出来的阳性) 比例也比较高。该方法最简单的裂解液就是水,复杂一点的就会含有一些不会抑制后续的 PCR 反应,而且能提高裂解效率,甚至还可能部分消除样品内抑制 PCR 反应杂质的东西,如 Triton X-100、甲酰胺等。再复杂一点的就会含有诸如 Chelex 100 之类的能吸附部分杂质的介质。操作也非常简单,多使用温度的变化来实现样品的裂解,如煮沸、或者高温-低温的多次循环等。该方法最适合从一大堆样品中找出阳性样品,但却不适合用于判断某一个样品是阳性还是阴性。降低样品使用量可以提高阳性率,因为样品量的降低,同时意味着 PCR 的抑制物量的降低。

  选择了合适的裂解液,下一步就是要控制好样品与裂解液的比例。这个问题非常重要,但却没有获得足够的重视。严肃的参考资料,都应该会提供一个简单的比例,如 1ml 裂解液可以用于 T mg 组织或者 C 个细胞;我的建议是,你的样品量绝对要小于资料所提供的。起始样品用多大,并没有具体的说法。如果不是样品量有限,则以能抽提出满足数次成功实验所需的核酸量,作为决定样品起始量的基础,会比较合理的。不要因为 1ml 裂解液可以抽提 100mg 样品,就一定使用 100mg 样品。裂解液的用量,表面上与抽提的结果 (纯度及得率) 没有关系,然而,在实际操作中,对结果是有比较大的影响的。裂解液的用量原则是:确保能彻底裂解样品,同时使裂解体系中核酸的浓度适中。浓度过低,将导致沉淀效率低,影响得率;浓度过高,去除杂质的过程复杂且不彻底,导致纯度下降。另外,裂解液的用量是以样品中蛋白质的含量为基准的,而不是以核酸含量为基准,这一点务必牢记。

  四、纯化方法评价

  PC 抽提/醇沉淀方法,是一个永不过时的方法。稳定、可靠、经济、方便。PC 抽提可以彻底去除蛋白质,醇沉淀可以去除盐,对于一般的干净的样品 (杂质为蛋白质),该方法完全可以获得高质量的核酸。虽然每次 PC 抽提都会损失一部分核酸 (因为不可能将水相全部移取),以及低浓度核酸的醇沉淀效率低,但这些问题都可以靠操作的调整而得以解决或者减少影响。该方法的最大的问题是不适合大规模抽提。

  PC 抽提是去除蛋白质的一个非常有效的手段。苯酚能使蛋白质变性,变性后的蛋白质从水相中被析出,处于苯酚中或者苯酚/水相之间。PC 抽提的关键是,一要混匀彻底,二要用量足够。彻底混匀,才能确保苯酚与蛋白质的充分接触,使蛋白质完全变性。许多人总是担心混匀的剧烈程度是否会对核酸,尤其是基因组 DNA 造成破坏,实际上大可不必如此小心。剧烈的混匀操作,是会部分打断大分子的基因组 DNA,但该破坏作用不会强烈到 DNA 变成 10kb 以内的小片段。手剧烈晃动混匀后,基因组 DNA 的片段,大部分会大于 20kb,这个大小,除了一些特别的要求外,对 PCR 和酶切,都是完全适用的。如果要求的片段非常大,如构建文库用,则不能使用剧烈的混匀方法,而只能来回温和颠倒混匀 – 此时的关键是:裂解液的比例要足够大,使体系不要太粘稠。用量要足够,是因为苯酚去除蛋白质是有一定的饱和度的。超过了该饱和度,裂解体系中的蛋白质不会被一次去除,必须靠多次抽提,方可彻底去除。另外,体系太粘稠的坏处是,蛋白质难以彻底去除,以及基因组 DNA 会断裂得更厉害,所以要注意裂解液与样品的比例。4C 离心操作有利于更彻底去除蛋白质。PC 抽提的另外一个用途是,利用酸性酚可以部分去除 DNA 的特点,在 RNA 抽提时获得 DNA 残留极少的 RNA。不过有一点要提醒的是,有些植物样品,在去除某些杂质之前,是不能使用 PC 抽提的,否则核酸必定降解。

  高盐沉淀蛋白质/醇沉淀方法,同样也是一个非常不错的方法。与 PC 抽提方法相比,除了纯度的稳定性可能要低一点外,该方法几乎克服了 PC 抽提的所有缺点。更快、更轻松去除蛋白质所伴随的好处是,可以用于大规模抽提,不足是纯度 (蛋白质残留) 不够稳定。蛋白质的沉淀效率在 4C 会更好一些。

  介质纯化方法,是一个越来越受到重视的方法。其最大特点是非常适合大规模核酸抽提,并且因为受人为操作因素影响小,纯度的稳定性很高 (虽然纯度不一定比PC 纯化方法更高)。其致命弱点是样品过量。介质可以分为两大类,一类是柱式的,即介质被预先装填在下面是通的柱子里;另外一类则是颗粒状 (如Glassmilk、磁性小珠等)。颗粒状的介质的纯化操作与经典的醇沉淀差别不大,都是通过数次的加液-倒液过程,干燥后,溶解即可获得纯化好的核酸。柱式纯化的操作虽然也是有加液-倒液过程,但因为加入的液体通过离心后会进入另外一个离心管中,与含有核酸的柱子完全是分开的,所以洗涤更彻底,操作更省力 (不用操心将核酸倒掉了,或者液体的残留)。不过,介质纯化方法的成本是最高的。

  五、醇的沉淀

  醇的沉淀,目的是使核酸从裂解体系中沉淀下来,从而实现核酸与其它杂质 – 主要是盐 – 的分离。实际操作中,许多杂质也会与核酸一起被醇沉淀下来,尤其是当其它杂质的浓度也比较高的时候。醇的沉淀并不是非常特异性的,任何有机大分子及一些盐,当浓度达到一定水平后,都可能同步被沉淀下来。

  就核酸而言,标准的醇沉淀要求有一定的盐及某一比例的醇用量,但这决不是说这些盐是必不可少的或者醇的比例是不可更改的。实际操作中不难发现,当裂解体系中核酸的浓度达到一定水平后,即使体系中不含教科书中建议的盐,单独使用醇也可以使核酸沉淀下来;或者含有盐,使用低比例的醇也可以使核酸沉淀下来 (当然,得率可能会降低)。知道这一点的意义在于:不要迷信标准方法的唯一性;相反,当使用标准方法碰到问题 – 主要是纯度问题 – 时,完全可以通过调整沉淀条件来改善。最有参考价值的是 TRIzol 提供的一个沉淀方案:一半异丙醇加一半高盐溶液替代纯粹的异丙醇,可以大大降低多糖残留。另外一个问题就是,要坚信核酸的醇沉淀过程同样也是其它杂质的沉淀过程;调整醇沉淀的条件,虽然会降低核酸的得率,但因为可以大大提高纯度。

  如果核酸抽提的起始样品是比较“脏”的,原则上不要使用低温沉淀。低温沉淀能提高沉淀效率:当核酸浓度很低时,效果明显;当核酸浓度比较高时,效果不明显,但却会导致杂质的大大增加。

  醇沉淀使用异丙醇还是乙醇,我没有发现这二者对质量有大的影响,虽然许多人“发现”乙醇沉淀的核酸纯度更高。异丙醇沉淀的核酸比较紧凑,帖壁紧,颜色不是很白;乙醇沉淀的核酸比较蓬松,容易从壁上移动,颜色比较白。这是现象,提示结论:异丙醇沉淀的核酸不容易丢掉,但比较难洗涤。结合丢失和洗涤两个方面综合考虑,则建议:少量核酸用异丙醇沉淀 (量少,洗涤不是问题,不丢失为先),大量核酸用乙醇沉淀 (量大,丢失不是问题,洗涤方便为先)。至于异丙醇沉淀更容易沉淀下盐的说法,我没有碰到过 (我几乎不使用低温沉淀,难道低温沉淀比较容易出现盐沉淀?);我更觉得出现该现象的原因就在洗涤的不彻底。

  当然,也不要忘记异丙醇沉淀的最大优点是体积小,可以使绝大部分的小量抽提操作在 1.5ml 离心管内完成。但由于其沉淀物很紧凑,洗涤时其中心部分不容易被洗涤到,所以,洗涤异丙醇沉淀的核酸的关键是:一定要使沉淀悬浮起来,一定要放置一段时间使沉淀最终变成蓬松的白色。如果再洗涤一次,质量决不会有问题的。

  PEG、LiCl、CTAB 都可以用于核酸沉淀。虽然它们远没有醇沉淀的高使用频率,但却各有特点。LiCl 可以沉淀 RNA 以去除 DNA,CTAB 可以从含多糖的裂解体系中将核酸沉淀下来。PEG 是沉淀病毒颗粒的方便手段。

  六、洗涤

  洗涤首先一定要将沉淀悬浮起来;第二就是要有一定的时间,尤其是当核酸沉淀比较大时 (使核酸沉淀最终蓬松);第三是少量多次;第四则是去上清要彻底。教科书中的操作基本上都是“倒掉上清后倒置在吸水纸上片刻”,这一描述本身没有问题,且十分方便,但因为他来自国外,自然就有了“水土不服”的问题。如果离心管是经过硅化的,因为液体几乎不挂壁,所以上清可以去除得非常彻底;好的管子,即使没有经过硅化,残留量也非常少,也没有什么问题;差的管子,液体的挂壁非常可观,其残留量多到会影响后续的实验。唯一不受管子质量影响的操作,就是倒掉液体后再短暂离心,将残液用移液器吸出。一定要牢记的是,残液中都含有上一步操作中的杂质,其残留量与混匀程度、核酸沉淀的大小都有关。挥发时去掉的是乙醇,杂质是不会被挥发去除的。

  另外,核酸沉淀的大小及裂解液的裂解能力也决定了洗涤的强度。沉淀越大,裂解液的裂解能力越强,洗涤越要彻底:放置时间相对要长一点,洗涤次数也要考虑增加。最关键的,洗涤一定要用室温的 75% 乙醇。

  七、核酸的溶解和保存

  纯化后的核酸,最后多使用水或者低浓度缓冲液溶解;其中 RNA 以水为主,DNA 则多以弱碱性的 Tris 或者 TE 溶解。经典的 DNA 溶解方法多提倡使用 TE 溶解,认为 EDTA 可以减少 DNA 被可能残留下来的 DNase 降解的风险;如果操作过程控制得当,DNase 的残留几乎是可以忽略的,完全可以直接使用 Tris 或者水 (pH 接近 7) 溶解 DNA。

  基本上,核酸在保存中的稳定性,与温度成反比,与浓度成正比。虽然也有部分实验人员发现,-20C 保存的 DNA 比 -70C 保存的稳定,我却宁可认为这是个例。

  如果温度合适,保存中核酸发生降解或者消失,首要原因是酶残留导致的酶解,第二个原因则是保存核酸溶液的 pH 值不合适导致的水解 (RNA 在弱酸性更稳定,而 DNA 在弱碱性更合适)。还有一个不为人重视的,就是 EP 管对核酸的影响。首先一定要坚信一点,那就是核酸一定会与装它的容器的接触面发生反应,达到某种均衡。EP 管的材质,首先可能吸附核酸,其次还可以诱导核酸的结构发生某些变化,如变性。在核酸的浓度比较高时,这个现象可能观察不到;当核酸浓度很低时,则比较明显了。在低浓度的核酸中加入 Geletin,Glycogen,BSA 可以稳定核酸,虽然已经为实验所证明,但许多实验人员并没有将该建议当回事。

  现在制造 EP 管的材料远多于过去。这些新出现的材料,在强度、透明度等物理特征方面可能比原来的纯 PP 材质要好许多,但其化学特征,尤其是对核酸稳定性的可能影响,远没有研究透彻。正如现在的质粒可以改造得越来越适用某些要求一样,其负面产物可能是,抽提的质粒电泳的构型越来越多:除了原来的三种带型外,还可能出现 denatured cc 、multimeric forms of cc 等等带型。

  八、核酸质量的检测问题

  将抽提好的核酸直接用于后续的实验,是唯一可靠的检测方法;除此之外的检测方法,都是相对的,而且并不十分可信。目前用于正式实验前检测核酸质量的方法,一是电泳,二是紫外分光光度仪。电泳检测的主要是核酸的完整性和大小,只要核酸不是太小或者太大 (超出电泳分离范围),该方法还是非常可信的;电泳还可以用于估计核酸的浓度,但其准确度与经验有关;另外,电泳也可能提供某些杂质污染的信息,但是同样与经验有关。紫外分光光度仪检测的是纯度和核酸含量,然而,由于紫外分光光度仪不能确保非常准确,而该仪器的灵敏度又非常高,所以,提供的结果并不十分可信。一般讲,同时进行紫外和电泳检测,综合二者的结果,可以做出一个更合理的判断。但由于这两个方法都有缺陷,所以,即使出现坏的结果能用于后续实验而好的结果却不能用于后续实验,也不用大惊小怪。

  关于紫外分光光度仪的检测。首先,不要使用不能选择波长的仪器;使用那些已经固定了波长的仪器,大概可以算是你梦魇的开始。 其次,一定要经常调较仪器;调较可以使用非常纯的自备核酸,也可以使用苯酚 。最后,要记住读数 A230 : A260 : A280 = 1 : 2 (DNA 为 1.8) : 1 为理论上的数据,实际测定时会有一些差别;但如果差别太大,就有问题了。有两个值得商榷的观点:如果 A260/A230 > 2 就是纯的,如果 A260/A280 > 2.3 就是核酸降解。A260/A230 如果比 2.0 大许多,一定是有杂质残留的 (具体是什么杂质我不知道)。如果核酸抽提好后立即就测定,A260/A280 > 2.3 决不提示核酸降解,原因是:那些能导致 A260/A280 > 2.3 的核酸片段非常小,常规的沉淀是不可能将它们沉淀下来的;更可能的原因是:你仪器提供的 A260/A280 实际是 A262/A282 甚至 A264/A284 的值。纯的核酸的吸光值,在 A230 是谷底,在 A260 是峰顶,在 A280 则正好是半山坡。根据曲线在底和顶的斜率最小,在半山坡的斜率最大的特点,不难得出如下结论:A230 和 A260 的读数受仪器准确性的影响比较小,而 A280 受仪器准确性的影响比较大。

  建议先电泳检测,再用紫外分光光度仪检测。电泳后,可以看到哪些样品根本就不能用 (如降解太厉害),以及核酸的大致浓度,这样就为紫外分光光度仪的检测提供了一个参考 (降解的不必要测了,要测的该取多少量等)。


投诉文章 ©著作权归作者所有
喜欢  |  0
0/200字
没有更多评论了~
悬赏问题
给科研问题设置一定金额,将更容易获得关注与回答哦~
  • 1元
  • 3元
  • 5元
  • 8元
  • 18元
  • 自定义
选择支付方式
  • 微信支付
  • 支付宝支付
  • 余额支付

旗下网站

晟斯医学- 临床医生学术科研发展平台 2014-2019 晟斯医学版权所有
Copyright © 2014-2019 晟斯医学 All Rights Reserved. 备案号:苏ICP备11037034号-5 版权所有:南京孜文信息咨询有限公司