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如何尋找轉(zhuǎn)錄起始位點?

2023.5.12

一、引物延伸分析(primer extension analysis)


引物延伸分析用于定量mRNA的量,測定低豐度的mRNA的種類。另外引物延伸實驗可標定轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的5`-端, 確定轉(zhuǎn)錄的精確起始。特異的末端標記的引物退火到RNA鏈的互補區(qū)域,隨后用RNA作為模板,用反轉(zhuǎn)錄酶延伸引物得到cDNA,用變性聚丙烯酰胺凝膠電泳分析cDNA。

cDNA的長度為引物的標記的核苷酸到RNA-5`末端間的堿基數(shù),所得cDNA的量和目的RNA的起始量成正比。理想的引物是ssDNA,長度為20-40個核苷酸,與要分析的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的5`末端區(qū)域互補。延伸產(chǎn)物小于150個核苷酸,可得到最佳分離效果。引物延伸實驗非常靈敏,可檢測2 pg的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,這相當于1個細胞中的1個RNA。引物延伸實驗非常適合于對單個基因作定量和定性分析。


1. 引物延伸分析所用試劑:引物延伸實驗需要模板RNA,可用總RNA或poly(A)+RNA。一個特異的末端標記的核苷酸或DNA片段作為引物,用反轉(zhuǎn)錄酶合成cDNA。除RNA模板和標記的引物,還需要反轉(zhuǎn)錄酶,AMV或MMLV反轉(zhuǎn)錄酶、反應(yīng)溶液、脫氧核苷酸、聚丙烯酰胺凝膠試劑,和電泳裝置。所得結(jié)果用放射自顯影和磷成像儀分析。


2. 引物延伸系統(tǒng)的組分:引物延伸系統(tǒng)中AMV反轉(zhuǎn)錄酶和反應(yīng)溶液、焦磷酸鈉、正對照RNA模版和對照引物、去磷酸的PhiX174Hinf I DNA 標準分子參照物、T4多核苷酸激酶和溶液、樣品溶液、AMV反轉(zhuǎn)錄酶2X溶液100 mM Tris-HCl(pH8.3, 42℃)、100 mM KCl、 20 mM MgCl2、20 mM DTT、2 mM每一種dNTP、1 mM精胺。PhiX174標準分子參照物和T4 多核苷酸激酶用作引物標記,和確定延伸產(chǎn)物長度的標準。

對照RNA可得到87個堿基的延伸產(chǎn)物作為正對照。引物延伸反應(yīng)中用焦磷酸鈉和精胺可增加全長cDNA的得率,抑制模板RNA產(chǎn)生發(fā)卡結(jié)構(gòu)。雖然其作用方式未確定,但結(jié)果是增加全長cDNA的得率,抑制模板RNA產(chǎn)生發(fā)卡結(jié)構(gòu)。MMLV被焦磷酸鈉和精胺抑制,如使用MMLV,放線菌素D可用于增加全長cDNA的得率,抑制模板RNA產(chǎn)生發(fā)卡結(jié)構(gòu)。焦磷酸鈉和放線菌素D抑制cDNA第二條鏈的合成。


3. 引物延伸實驗的優(yōu)化:

(1)雜交溫度。引物延伸實驗中所用的雜交溫度是最關(guān)鍵的需優(yōu)化的因素。一般而言,最高緊密度,或引物和互補序列完全雜交所需的最適條件是,低于引物溶解溫度的5℃。低于最高緊密度的溫度可極大地增加雜交速度。

應(yīng)在不同的緊密度的雜交溫度下作雜交,以控制引物和特異RNA的雜交。增加雜交緊密度時,帶來的延伸產(chǎn)物的丟失表明,引物和相關(guān)的卻不是等同的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物雜交。在堿和雙價陰離子的存在下,RNA在較高溫度會降解,應(yīng)用甲酰胺雜交操作方案,這可有效降低溶解溫度,因此可使雜交在較低的溫度進行??稍陔s交步驟中用以下的溶液:40 mM PIPES、1 mM?EDTA、0.4 mM NaCl、80%的甲酰胺。如用這個雜交溶液,延伸步驟前甲酰胺和鹽需用乙醇沉淀后除去。

(2)模板RNA和引物的量。以下討論了所用RNA模板和引物的起始量。反轉(zhuǎn)錄酶對不同模板使用的效率不同。這部分是由于RNA中存在的次級結(jié)構(gòu)干擾反轉(zhuǎn)錄酶的聚合酶活力。如產(chǎn)生短的產(chǎn)物,這通常不是一個問題。如用AMV反轉(zhuǎn)錄酶,延伸溫度可達55℃。

(3)每次反應(yīng)所用RNA的量。每次反應(yīng)所用RNA和引物的量取決于分析的RNA的種類(總RNA或poly(A) + RNA),目的RNA的相對豐度。如用總RNA,起始量為10 ug,但分析稀有信號,每次反應(yīng)用100 ug RNA。poly(A)+RNA每次反應(yīng)用0.1-1.0 ug,具體決定于總RNA中poly(A)+RNA的富含量,需分析的特異RNA的濃度。在引物延伸分析前需檢查目的RNA的完整。通過凝膠分析總RNA,應(yīng)有完整的18S和28S核糖體RNA帶。在引物延伸反應(yīng)中用Northern印跡和RT-PCR分析來確定特定RNA的存在。

(4)每次反應(yīng)所用引物的量。用引物延伸實驗定量RNA,標記的引物必須多于目的RNA。引物應(yīng)是互補RNA的5-10倍。但一般,總RNA或poly(A)+RNA中,特定目的RNA量未知。對未分析的轉(zhuǎn)錄物,初次分析用50 ug 總RNA和100 fmol 引物。如所有RNA中與引物互補的位點飽和,測試信號和投入的RNA的量成正比,而不依賴于引物的濃度。引物應(yīng)至少為20個核苷酸,雜交位點應(yīng)位于轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物5`-末端下游的100個堿基處,而不會自互補。也可用從限制性酶切片段所得的ssDNA作為探針,長度應(yīng)不長于50-100個核苷酸,以獲得最佳分辨率。

(5)AMV和MMLV的選擇。引物延伸反應(yīng)通常用AMV,AMV性能更好,對次級結(jié)構(gòu)耐受。用AMV的延伸溫度可達55℃, 以消除次級結(jié)構(gòu),但在這樣溫度下,引物延伸反應(yīng)的得率通常降低。MMLV的最適溫度為37 ℃,在更高溫度下,MMLV不穩(wěn)定,但MMLV可合成更長的產(chǎn)物,這一特點對引物延伸反應(yīng)不適用,因引物延伸反應(yīng)所得的產(chǎn)物一般較短,為100-500個核苷酸。

(6)會導(dǎo)致非特異,短的和多個引物延伸產(chǎn)物的影響因子:所研究的轉(zhuǎn)錄的差異程度可導(dǎo)致產(chǎn)生不同長度的延伸產(chǎn)物,它們來源于選擇式剪切和使用不同的轉(zhuǎn)錄起始位點。差異核RNA的存在也能導(dǎo)致產(chǎn)生多個延伸產(chǎn)物。引物和RNA中相關(guān)或無關(guān)序列的交叉雜交也會導(dǎo)致非特異延伸產(chǎn)物的產(chǎn)生。產(chǎn)物短于預(yù)測可能和RNA模板的降解有關(guān),或者是轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中次級結(jié)構(gòu)阻制了反轉(zhuǎn)錄酶的合成,產(chǎn)生斷缺的cDNA。RNA樣品中存在DNA污染同樣可得延伸產(chǎn)物,加放線菌素D(75 ug/ml)可抑制這類產(chǎn)物的產(chǎn)生。應(yīng)作無RNA模板的負對照實驗,以確定所用試劑中無RNA和DNA污染。同時還應(yīng)用從不表達目的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的細胞或組織中提取的RNA模板作負對照實驗。

4. 計算RNA轉(zhuǎn)化為cDNA的量。RNA轉(zhuǎn)化為cDNA的量可對引物延伸產(chǎn)物,和`無RNA`對照實驗的cpm作測量得到。從凝膠中分別切割引物延伸產(chǎn)物和`無RNA`對照實驗中產(chǎn)物,在閃爍液中測定凝膠塊的讀數(shù),可有效平衡聚丙烯酰胺凝膠的湮滅和32P的衰退。以下的例子表明如何計算fmol的RNA轉(zhuǎn)化為cDNA,在這個例子中,一半的引物延伸產(chǎn)物(20 ul/40 ul)加入凝膠中作分析。`無RNA`對照實驗的引物濃度為100 fmol,一半的反應(yīng)液加入凝膠中作分析。切割的帶的讀數(shù)為:樣品為3912 cpm,引物為142359 cpm,首先計算引物cpm/ fmol:cpm/ fmol=142359 cpm/[100 fmolX(20/40)]=2847 cpm/ fmol,接下來計算引物延伸產(chǎn)物的fmol,或cDNA:3912 cpm/[2847 fmolX(20/40)]=2.75 fmol cDNA。所得值表明引物延伸中所得的cDNA的量。

5. 確定引物延伸產(chǎn)物的精確長度的分子標準參照物。為確定引物延伸產(chǎn)物的精確長度,應(yīng)同同位素標記的DNA分子標準參照物對照。DNA分子標準參照物末端作了標記,上變性凝膠前先作變性,引物延伸產(chǎn)物也作變性。長度在20-500核苷酸范圍的分子標準參照物在確定引物延伸產(chǎn)物的長度方面很有用。去磷酸的PhiX174Hinf I DNA 標準分子參照物非常方便,已去磷酸,可作5`末端標記,分子標準參照物的長度為24-726核苷酸。用于引物延伸產(chǎn)物分離的聚丙烯凝膠的規(guī)格為16X18cm, 含8%聚丙烯、7 M 尿素、1×TBE溶液。這種膠和測序膠很相似,故一般可用測序膠。應(yīng)注意不使引物延伸產(chǎn)物和自由引物跑到膠外,特別是需對cDNA定量時。


二、核酸酶S1作圖(Mapping RNA with Nuclease S1)


三種不同的核酸酶——S1核酸酶、RNA酶、外切核酸酶VII被用來進行RNA定量,確定內(nèi)含子位置,及鑒定在克隆的DNA模板上mRNA的5`-末端和3`-末端的位置。含有目的mRNA的RNA樣品與互補的DNA或RNA探針在利于形成雜合體的條件下溫育。

在反應(yīng)的末期,用核酸酶用來降解未雜合的單鏈RNA和DNA。余下的DNA-RNA或RNA-RNA雜合體用凝膠電泳分離,接著用自顯影或Southern雜交來觀察。當探針的摩爾數(shù)在雜交反應(yīng)中過量時,信號強度與樣品中目的mRNA的濃度成正比。用過量探針與一系列定量的靶序列雜交作出標準曲線,從而可準確估算樣品的濃度。在真核系統(tǒng)中,S1核酸酶消化過的5`-末端通常代表轉(zhuǎn)錄起始點,而3`-末端代表聚腺苷酸化的位點。同樣的策略可用來對拼接位點的5`-末端和3`-末端作圖


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