Temat 2: Diagnostyka molekularna chorób genetycznych cz I.. Zastosowanie technik biologii molekularnej w diagnostyce chorób.
1. Pozyskiwanie DNA do celów diagnostycznych.
2. Pobieranie i przechowywanie materiału biologicznego.
3. Zasady izolacji DNA i RNA
4. R. Łańcuchowe polimerazy PCR
5. Analiza produktu r. PCR
6. Ocena ekspresji genów z zastosowaniem mikro- i makromacierzy DNA
Materiał wyjściowy do izolacji DNA
- pełna krew obwodowa
- komórki płynu owodniowego
- komórki kosmówki
- fibroblasty skory pochodzącej z hodowli
- komórki epitelialne
- cebulki włosowe
- plamy krwi, nasienie
- wycinki tkanek np. tk. Nowotw. Uzyskiwane pooperacyjnie, pobrane met. Biopsji cienkoigłowej
- szpik kostny
- płyn mózgowo-rdzeniowy
Krew pobieramy na antykoagulant (EDTA, 2,3 ml krwi)
Przechow. – w temp 4 st. do 48 godz, jeśli od pacjenta – zamrażamy do - 70 st
Plamy z wydzieliny w temp. pokojowej
Wyizolowany DNA w temp – 4st, jeśli dłużej przechow. to w - 20st
1. pobieranie krwi obwodowej na EDTA
2. oddzielenie osocza przez wirowanie
3. liza erytrocytów
4. liza leukocytów z wykorzystaniem detergentu jonowego np. SDS, która rozpuszcza bł. kom.
5. trawienie białek przy użyciu proteinazy K w temp 37st., 24- 48 godz. (najczęściej przez noc)
6. oczyszczenie lizatu mieszanina fenol- chloroform- oktanol (25:24:1)
7. precypitacja DNA (wytracanie) 96% etanolem
8. zawieszenie preparatu DNA w buforze, który zabezpiecza przed działaniem endonukleaz
DNA otrzymany tą met. może być wykorzystany w podst. badaniach diagnostycznych z zakresu biologii molekularnej.
Zalety met. Fenolowej
- dobra wydajność – otrzymuje się DNA o dużym stężeniu
- wysoka czystość otrzymanego preparatu
- możliwość izolacji DNA z krwi długo przechowywanej (ok. 1 roku)
Wady met. Fenolowej
- długi czas izolacji – 2-3 dni
- naraża na prace z toksycznymi odczynnikami
Różnice w stosowaniu do metody fenolowej
- wyższa temperatura inkubacji z proteinaza K – 55st
- skrócony czas trwania do 12- 24 godz., a tym samym i czas uzyskania preparatu DNA
- odbialczenie DNA zachodzi w wyniku odsalania białek poprzez odwodnienie i wytracenie z użyciem nasyconego roztworu NaCl
- precypitacja 70%etanolem
Zalety stosowania metody wysalania
- prosta i tania
- krótszy czas izolacji – 2 dni
- rezygnacja z toksycznych odczynników
- możliwość zmniejszenia ilości pobranej krwi
Wada: niska wydajność izolacji DNA z krwi długo przechowywanej
Zalety
- rezygnacja z fenolu i chloroformu
- krotki czas izolacji – 6godz
- duża wydajność
- możliwość uzyskiwania DNA z bardzo małych ilości krwi ok. 1 ml
Wady:
- zanieczyszczenie preparaty DNA glikozoaminoglikanami, brak zanieczyszczeń RNA i białkami
- nie nadaje się do izolacji z izotiocyjaninem guanidyny
Zalety:
- krotki czas wykonywania – kilka godz.
- wydajność przekracza prawie 2- krotnie wydajność tradycyjnej met. Fenolowej
Metoda izolacji za pomocą gotowych zestawów odczynnikowych tzw. KIT-ow
Gotowe zestawy służą do szybkiej i uproszczonej izolacji DNA, upraszczają procedury, ale są bardzo drogie.
Na podstawie pomiaru absorpcji 260nm oblicza się stężenie preparatu DNA wg. wzoru
Z= A260 x 50 x R
Z – stężenie wyizolowanego DNA w roztworze (ug/ml)
R – rozcieńczenie
50 – stały współczynnik dla dwuniciowego DNA. Jedna jednostka absorpcyjna równa się 50 ug DNA/ml
Częstość preparatu ocenia się na podstawie proporcji wartości absorbancji przy długości fali 230 nm, 260nm, 280nm.
Uzyskany preparat DNA charakteryzuje się wartości.
A260/A280 wynosząca 1,7- 2,0
A260/A280 <2 preparat zanieczyszczony RNA i białkiem
A260/A230 >2 preparat zanieczyszczony mukopolisacharydami
Izolacja RNA:
1. pobranie krwi na antykoagulant (EDTA)
2. „zbieranie” leukocytów – nawarstwianie fikolu
3. Odwirowanie – pozostaje zawiesina leukocytów
4. Płukanie leukocytów w roztworze PBS
5. Wirowanie
6. Dodanie PBS i tiocyjanianu guanidyny
7. Wirowanie
8. Właściwe oczyszczanie – dodajemy azotanu sodu, fenolu i mieszaniny chloroformu z alkoholem izoamylowym
9. Inkubacja 0C przez 15min
10. Wirowanie i płukanie alkoholem
11. Przechowywanie w buforze lub sterylnej wodzie
Oznaczenie stężenie spektrofotometrycznie
Technika sekwencjonowania na żelach (elektroforeza)
DNA migruje w kierunku bieguna dodatniego
Najmniejszą rozdzielczość mają żele agarozowe – 0,1-60kpz
Wykorzystanie:
· Sprawdzenie, jaki preparat DNA uzyskaliśmy
· Czy badane DNA zostało pocięte przez enzymy
· Do oceny reakcji PCR
Żel poliakrylamidowy: duża rozdzielczość, >0,1 kpz,
Żele PAGE – do rozdziału DNA otrzymanych podczas sekwencjonowania, gdzie cząsteczki DNA różnią się od siebie o 1 nukleotyd
Łańcuchowa reakcja polimerazy
PCR- enzymatyczna amplifikacja in vitro fragmentu genów DNA o długości od kilkudziesięciu do kilku tysięcy par zasad.
Startery – jednoniciowe oligonukleotydy (ok. 20 zasad), syntetyzowane chemicznie Sekwencja nukleotydów jest komplementarna do końców 3’ obu nici wybranej sekwencji matrycowego fragmentu DNA, które ma być powielona z wielokrotnej kopii.
Amplifikacja DNA w reakcji PCR odbywa się przy udziale polimerazy DNA wyizolowanej z termofilnych bakterii np. polimeraza Tag z Thermas aquaticus jest aktywna w mieszaninie reakcyjnej o temp. 95 st.
Reakcja PCR prowadzona jest w cyklach powtarzających się 20 – 40 razy. W każdym cyklu następuje etap denaturacji cząsteczki DNA, przyłączanie starterów i syntezy nowej nici DNA. Każdy etap zachodzi w innej temperaturze i trwa ok. 15- 60 sek.
Reakcja zachodzi w próbówce umieszczonej w bloku grzejnym (termocykler), który umożliwia szybka i precyzyjna zmianę temperatury, właściwa dla poszczególnych etapów procesu PCR.
Skład mieszaniny reakcyjnej:
· Matrycowy DNA (lub RNA)
· Startery komplementarne do łańcucha i ograniczające długość syntetyzowanego łańcucha
· Tri fosforany czterech deoksyrybonukleotydów (dNTP)
· Termostabilna polimeraza Taq
· Odpowiedni bufor
· Jony Mg2+ - ko faktor aktywności enzymatycznej polimerazy
Objętość mieszaniny reakcyjnej wynosi 20-100ul
Etapy reakcji PCR:
· Denaturacja matrycowego DNA w temperaturze 94C
· Przyłączanie starterów do jednoniciowych matryc DNA w temperaturze 40-68C (im więcej par GC tym wyższa temperatura przyłączania)
· Synteza DNA – wydłużanie starterów przy udziale polimerazy Taq w temperaturze 72C z wykorzystaniem dNTP – elongacja
Podniesienie temperatury 72C po zakończeniu elongacji do temperatury denaturacji DNA rozpoczyna kolejny cykl, proces ten może być powtarzany 25-40x. Po każdym cyklu następuje podwojenie amplifikowanego materiału. Nowo powstające produkty PCR są również matrycą do syntezy następnych. Końcową ilość namnożonych kopii fragmentu DNA można obliczyć ze wzoru:
I=I0x2n ,gdzie:
I, I0 – końcowa i początkowa ilość kopii powielanego odcinka DNA
n – ilość cykli
zalety:
· Szybka do przeprowadzenia: 2,5-4h
· Klonowanie pojedynczych genów
· b. duża czułość i specyficzność metody
wady:
· b. duża czułość i specyficzność (przy zanieczyszczonej próbce, może to prowadzić do błędnych wyników)
zastosowania PCR:
· wykrywanie patogenów infekcyjnych: bakterii, wirusów, pasożytów
· wykrywanie zmian w genomowym DNA w chorobach genetycznych
· preimplantacja i prenatalna diagnostyka chorób genetycznych
· wykrywanie uszkodzeń DNA spowodowanych czynnikami środowiskowymi
· wykrywanie predyspozycji do chorób nowotworowych, monitorowanie i wykrywanie nowotworów
· wykrywanie polimorfizmu sekwencji DNA na potrzeby identyfikacji indywidualnej, ustalanie ojcostwa, identyfikacja sprawców przestępstw
· badania głównego systemu zgodności tkankowej w celu prawidłowego doboru dawców i biorców
Warianty reakcji PCR:
rt-PCR:
proces PCR jest poprzedzany przepisaniem sekwencji mRNA na cDNA w reakcji odwrotnej transkrypcji. Jest to technika amplifikacji genów, w której materiałem wyjściowym jest mRNA lub całkowity RNA komórki
Multiplex PCR
Wielomiejscowa reakcja PCR, umożliwia jednoczasową amplifikację kilku fragmentów DNA w mieszaninie reakcyjnej
Nested PCR
Wewnętrzna reakcja PCR: prowadzi się dwie rundy reakcji, do każdej stosuje się dwie pary primerów: zewnętrznych i wewnętrznych, tak że druga para jest umieszczona wewnętrznie w stosunku do pierwszej. Pierwsza runda to standardowe PCR prowadzona przez 15-20 cykli. Mała porcja tak otrzymanej mieszaniny reakcyjnej jest rozcieńczana i poddawana drugiej rundzie amplifikacji przez 15-20 cykli. Poprawia się dzięki temu specyficzność i czułość reakcji PCR
Real time PCR
Tzw „w czasie rzeczywistym”, po każdej replikacji (powieleniu) informuje ile jest kopii DNA
levisss