Method Article
A protocol to quantify bacterial 16S rRNA genes and transcripts from coastal sediments via real-time PCR is provided. The methodology includes the co-extraction of DNA and RNA; preparation of DNA-free RNA; and 16S rRNA gene and transcript quantification via RT-q-PCR, including standard curve construction.
תגובת שרשרת פולימראז Real Time הידוע גם בשם PCR כמותי (q-PCR) הוא כלי בשימוש נרחב אקולוגיה מיקרוביאלית לכמת שכיחותם הגן של קבוצות טקסונומיות ופונקציונלי דגימות סביבתיות. להשתמש בשילוב עם תגובת transcriptase הפוכה (RT-q-PCR), זה יכול גם להיות מועסק לכמת תמלילי גן. Q-PCR עושה שימוש כימי איתור פלורסנט רגישות גבוהה המאפשרות כימותים של amplicons PCR בשלב המעריכים של התגובה. לכן, ההטיות הקשורות 'הקצה' PCR זוהו בשלב הרמה של תגובת PCR נמנעות. פרוטוקול לכמת גני rRNA 16S חיידקי תמלילים ממשקעי החוף דרך בזמן אמת PCR מסופק. ראשית, שיטה שיתוף החילוץ של DNA ו- RNA ממשקעים החוף, כולל הצעדים הנוספים הדרושים לעריכת RNA DNA ללא, מפורט. שנית, מדריך צעד-אחר-צעד עבור כימות של גני 16S rRNA ו TRanscripts מן חומצות גרעין שחולצו באמצעות q-PCR ו RT-q-PCR המתואר. מידע זה כולל פרטים לבניית עקומות סטנדרטיות DNA ו- RNA. שיקולים עיקריים לשימוש מבחני RT-q-PCR באקולוגיה מיקרוביאלית כלולים.
מיקרואורגניזמים הם אבן הפינה של הפונקציה האקולוגית נהיגה הביוספרה. רוב מיקרואורגניזמים להישאר חסרי תרבות 1. לכן גישות מולקולריות מבוססות הם יסוד לקדם את הבנתנו את המגוון והתפקוד של מיקרואורגניזמים בסביבה. מרכז גישות אלה הוא המיצוי של חומצות גרעין מ דגימות סביבתיות לבין ההגברה הבאה של גני המטרה באמצעות תגובת שרשרת פולימראז (PCR).
הצעד הראשון של מיצוי DNA / RNA שואפת lyse את דופן התא של ההווה קהילת חיידקים, להסיר מולקולות גרעין-חומצה הלא רצויים (למשל, חומרים אורגניים ואי-אורגניים) ולשמר DNA / RNA בתמיסה לניתוח נוסף במורד הזרם. בין מספר אפשרויות זמינות בספרות 2,3,4,5, כוללים מגוון רחב של ערכות הפקה מסחריות, שיטת גריפיתס 6 מועסק נרחב 7,8,9. זהו חסכוני particularly גם מתאים משקע כפי שהיא משתמשת צעד להכות חרוז כדי lyse תאים משלב צעדים כדי למזער את שאיבת שיתוף של מעכבי ה- PCR, כגון חומצות humic, תוך מחל DNA ו- RNA זמנית.
הצעד השני משתמש תגובת שרשרת פולימראז (PCR) כדי להגביר גני המטרה, כגון סמן 16S rRNA טקסונומיות, מן חומצות גרעין שחולצו. יש גישה זו וממשיכה להקל על החיפושים של 10,11 קופסה שחורה מיקרוביאלי uncharacterized. עם זאת, בשיטות מבוססות PCR קצה לסבול ממגבלות שונות שיכולות להטות את האפיון של קהילות מיקרוביאלי 12. כדי לכמת במדויק שכיחותם הגן / תמליל, בזמן אמת PCR, הידוע גם בשם PCR כמותי (qPCR) חייב לשמש. qPCR מנצל מערכות צבע כתב ניאון העוקבות אחר הצטברות amplicon לאחר כל מחזור של PCR. זה משמעותי כי זה אומר כי כימות יכול להתרחש במהלך שלב המעריכים מוקדם, ולאמתום הנקודות, השלב של תגובת PCR, כאשר תשואת amplicon עדיין ביחס ישר השפע הראשוני של גן המטרה.
שתי מערכות הכתב משמשות: כתם חומצות גרעין intercalating 13 ו 5 '3' פעילות exonuclease של פולימראז DNA 14. מאחר שרשת הכתב לשעבר נקשרה indistinctively לכל הדנ"א הדו-גדילית, זה עלול להוביל יתר של רצף היעד אם amplicons שאינו ספציפי הרצוי או פריימר דיימר ידי מוצרים להתרחש. כדי לעקוף זאת, אופטימיזציה הנרחבת של הגברה ייתכן שתידרש. במערכת האחרונה, הגברת תבנית הוא אתר באמצעות שילוב של פעילות nuclease 5 'של פולימראז תקי מסלקת fluorophore מן התחקיר פנימי. תכונה זו מגבירה את הספציפיות של assay בשל הניצול של חללית fluorogenic שקושר רק sequenc היעד ספציפי משליםדואר בין זוג פריימר. בשתי כימי כימות מושגת על ידי קביעת הנקודה-המעבר (CP) שם ההצטברות של amplicons PCR, כפי שהיא נמדדת על ידי גידול קרינה, היא משמעותי מעל קרינת רקע.
qPCR כבר נעשה שימוש נרחב באקולוגיה מיקרוביאלית לקבוע שכיחותם גן בסביבות שונות 15. יתר על כן, שעתוק לאחור של RNA ל cDNA בשילוב עם qPCR ו RT-qPCR לכמת ביטוי גנים. לפיכך, qPCR ו RT-qPCR מייצגים מהירים, שיטות יעילות עבור כימות של מספרי גן ו / או תמליל בתוך דגימות סביבתיות.
מיקרואורגניזמים במשקעי החוף לנהוג תהליכים אקולוגיים שונים, כוללים מינרליזציה של חומר אורגני, השפלתה של מזהמים ואת אופני biogeochemical של macronutrients כגון 16,17,18 חנקן. ההבנה הממצה של השינויים הללו דורשת accoun הקיףt של אוכלוסיות חיידקים התורמות, כוללים נתונים כמותיים על שכיחותם גני תמליל. כאן אנחנו מציגים סדרה של בדיקות מקיפות, נהלים פשוטים הסטנדרטיים עבור כימות של חיידקי 16S rRNA שכיחותם גני תמליל במשקעי החוף. הפרוטוקול מתאר אוסף מדגם, DNA סימולטני מיצוי RNA, הכנת RNA חופשי-DNA, בדיקת איכות של חומצות גרעין שחולצו, דור של 16S rRNA-DNA וסטנדרטי -RNA וכימות של דגימות סביבתיות. נתונים כמותיים נגזרו השיטות שתוארו כאן יש צורך לשפוך אור על קהילות חיידקי נהיגת מערכות אקולוגיות החוף.
1. DNA & RNA הפקה ממשקעי החוף הימי
2. הכנת בדוק RNA ואיכות RNA DNA ללא
דור 3. סטרנד ראשון cDNA מ- RNA
4. PCR כמותי
הפקת DNA באיכות טובה ו- RNA ממשקעים היא הצעד הראשון בכימות שכיחותם גני תמליל. תשואות חילוץ מוצלחות להקות ה- DNA ו- RNA ברורות כמצוין באיור 1 עבור המדגם AC, שבו 23S ו 16S חדו להקות rRNA גלויות בנוסף להקת הדנ"א הגנומי המשקל המולקולרית הגבוהה.
באיור 1. DNA / RNA החילוץ. תוצאות אופייניות מ- DNA / מיצוי RNA מן בשלושה עותקים (ABC) 0.5 גרם משקעים החוף. 5 μl של רנ"א DNA / נדרס על agarose 1.4% ב 85 V עבור 40 דקות. סמן מולקולרי בטווח 10,037-200 נ"ב היה בשימוש. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
-together.within-page = "1"> כדי להכין RNA, עיכול של ה- DNA שיתוף חילוץ הוא חובה. זה חייב להיות מלווה 16S rRNA נקודת הסיום PCR של רנ"א על מנת להבטיח כי ה- DNA הוסר בהצלחה. אם ה- DNA הוסר לחלוטין רק להקה בבקרה החיובית הוא ציין. חשוב להשתמש בשני מסודר 1:10 דילול של RNA כדי להבטיח מעכבים אינם מונעים ההיווצרות של מוצר ה- PCR. RNA יכול עכשיו לעבור את התגובה transcriptase הפוכה להמירו cDNA. זה יכול להתבצע עם פריימרים משני או hexamers אקראי גן ספציפי. בדרך כלל, התגובה מתבצעת במכונת PCR, כדי להבטיח שפרופיל טמפרטורה אופטימלי. cDNA זה משמש כתבנית תגובת qPCR הבאה. DNA ו- RNA הוא לכמת לקביעת ריכוז התבנית בשימוש כל תגובה.
פרוטוקול התגובה qPCR המתואר מיקוד 16S rRNA DNA. עבור 16S rRNA תמלילים להחליף את מ"ק התקןRVE ותבנית עם cDNA. כמו דגימות ידועות הן לכמת נגד עקומת הסטנדרט, זה הכרחי כדי להבטיח את העקומה הסטנדרטית היא באיכות טובה. תרשים 2 מציג את ההכנה (א), עקומות סטנדרטיות דילולי DNA הסביבתי, (B), ההגברה של עקומת הסטנדרט דגימות סביבתיות (C) מרה של עקומת סטנדרט כדי רגרסיה ליניארית וחישוב של מספרי עותק הגן. כאשר מגוון דילול של פי 10 מוכן כראוי ומוגברי הבדל 3.3 מחזור בין כל דילול סטנדרטי נתפסת (זה לוקח 3.3 מחזורי גידול של פי עשר תבנית ב 100% יעילים הגברה) (איור 2Bi). מתארי עקומות סטנדרטיים, כוללים ערכי 2 R של 0.99 ויעילויות PCR בתוך בין 90 ל- 110% (איור 2 ג) הם רצויים. חשוב לדווח על נתוני Cp מן אין שליטת תבנית (NTC) אם הוא קיים. במקרה כזה הפסקת Cp עבור תקני דגימות ידועות 3.3 מחזורים ( כלומר, קפל יומן) גבוה משווי Cp של NTC מוטל 20 (איור 2Cii). תבנית לא ידועה מופקת DNA המשקע הייתה לכמת מ מסודר, 10 -1, 10 -2 ו 10 -3 דילולים (B). המדגם המסודר לא להגביר, ערכי Cp של 10 -1 עד 10 -3 דילולים היו 24.12, 26.02 ו 28.40 בהתאמה. NTC Cp היה 30.5, גידול הפסקת NCT של 27.2 הוטל. המרת שכיחותם גן g -1 משקעי משקל רטובים הביאו 2.5 x 10 7 ו 7.1 x 10 7 ל -10 -1 ו -10 -2 בהתאמה עבור מגוון הדילול. 10 -3 Cp דילול היה מתחת לציון NTC, והיה ולכן לא נעשה שימוש. במקרה זה 10 -2 נבחרת דילול התבנית האופטימלית.
איור 2. 16S rRNA גן QPCהגברת R של תקני DNA הסביבה מופק משקעי החוף. הכנה (א) i) עקום DNA סטנדרטי ii) דילולי DNA הסביבתי הגברת qPCR, (B) qPCR הגברה של i) עקום סטנדרט DNA ו- II) דגימות סביבתיות, Cp עבור כל דגימה מוצגות. (C) i) רגרסיה לינארית של עקומת סטנדרט עם מתארי עקומת סטנדרט; ii) חישוב שכיחותם גנים בין דגימות סביבתיות. NTC:. בקרת תבנית שלילית אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
מֵגִיב | כמות |
CTAB | 5 גרם |
K 2 HPO 4 x3H 2 O | 2.58 גרם |
KH 2 PO 4 | 0.1 גרם |
NaCl | 2.05 גרם |
DH 2 O | עד 100 מ"ל |
הכנת טבלה 1. חיץ CTAB-פוספט.
מֵגִיב | כמות |
PEG 6000 | 30 גרם |
NaCl | 9.35 גרם |
DH 2 O | עד 100 מ"ל |
הערה: להוסיף PEG 6000 לאט מתחת לחימום ערבוב מתון של 50 מ"ל של DH 2 O. |
בתוך-page = "1"> הכנת טבלה 2. פתרון ממטרים PEG-NaCl.
מֵגִיב | כמות |
RNA חי RNA / 01:10 מדולל | 1.0 מיקרוליטר |
10x PCR הצפה | 5.0 μl |
dNTPs 10 מ"מ | 1.0 מיקרוליטר |
פריימר 63F קדימה | 1.0 מיקרוליטר |
CAG GCC TAA GTC CAA CAC ATG | |
פריימר 518R ההפוך | 1.0 מיקרוליטר |
ATT ACC מהפקולטה לרוקחות אוכלים GCT GCT GG | |
פולימראז תקי | 0.4 μl |
DH RNAse ללא 2 O | 40.6 μl |
e = "1"> לוח 3. שילוב הורים PCR בדיקת איכות RNA ללא DNA.
מֵגִיב | כמות |
RNA | 0.5-5 מיקרוגרם |
dNTPs 10 מ"מ | 1 μl |
פריימר הפוך 10 מיקרומטר / Random hexamers 50 מיקרומטר | 1 μl |
DEPC-H 2 O | עד 13 μl |
תמהיל לוח 4. cDNA תגובת סינתזת א
מֵגִיב | כמות |
מאגר 5x | 4 μl |
DTT | 1 μl |
RNAse מונע | 1 μl |
transcriptase הפוכה | 1 μl |
תמהיל לוח 5. cDNA תגובת סינתזת B.
יַעַד | שם פריימר | סדר פעולות | T חישול (° C) | התייחסות |
16S rRNA חיידקים | Bact1369F | CGG TGA ATA CGT TCY CGG | 56 | סוזוקי et al 2000. 19 |
Prok1492R | GGW TAC CTT GTT ACG ACT T | |||
TM1389F (בדיקה) | CTT GTA CAC ACC GCC CGT C |
מֵגִיב | כמות |
2x מיקס מאסטר | 10 μl |
פריימר קדימה (10 מיקרומטר) | 0.8 μl |
פריימר הפוך (10 מיקרומטר) | 0.8 μl |
Probe (10 מיקרומטר) | 0.4 μl |
מַיִם | 7.0 μl |
נפח סופי | 19 μl |
טבלה 7. בזמן אמת תגובת PCR לערבב.
מתאר | מַשְׁמָעוּת |
מקדם המתאם (R 2) | מדד של הליניאריות של עקומת סטנדרט. באופן אידיאלי זה צריך להיות R 2 = 1. ערך של R 2 = 0.98-0.99 כשרים. |
סלופ (α) | מדד של יעילות התגובה. באופן אידיאלי זה צריך להיות שווה ערך ל -3.32. ערך בטווח שבין -3.58 ו -3.1. |
יעילות (= 10 (-1 / שיפוע) -1) | אם זה 100%, את התבניות מכפילות לאחר כל מחזור תרמי במהלך הגברת מעריכים. מגוון יעיל טוב הוא בין 90 ו -110%. |
Y יירוט (β) | לגבול התיאורטי של זיהוי של התגובה. אמנם לא משמש לכמת רגישות התגובה, חשוב כאשר משווים עקומות סטנדרטיות שונות של אותה מטרה. |
לוח 8: QPCמתארי תגובת R.
השילוב של מיצוי DNA / RNA עם qPCR מספק שיטה מהירה, מדויקת, יחסית חסכונית עבור הכימות הרגיש של שכיחותם גני תמליל מתוך מגוון רחב של דגימות סביבתיות, כגון משקעי החוף.
מיצוי חומצות הגרעין הראשוני הוא השלב הקריטי כדי להבטיח תצוגת נציג של ההווה קהילת חיידקים מושגים 22. מספר מגבלות צריכים להילקח בחשבון עבור פרוטוקול החילוץ: א) השגת תמוגה התא הכולל, ב) שיתוף החילוץ של תרכובות מעכבות (למשל, חומצות humic או polyphenolics), ג) זיהום DNA בשבריר RNA, ד) שפלה מהירה של חומצות גרעין שחולצו כאשר הם מאוחסנים. אמצעי זהירות יש לנקוט כדי לעקוף מגבלות אלו. לדוגמא, תשומת לב מיוחדת יש לנקוט על מנת להבטיח כי החילוץ של חומצות גרעין מותאם במיוחד עבור סוג המדגם (למשל, משקעים, אדמה, שפכים, וכו '). שיפורים משמעותיים תשואת חומצות גרעין ואיכות הוא DNA ו- RNA יכולים להיות מושגת על ידי ביצוע ניסויים ראשוניים 23. כדי למזער את ההשפעה של תרכובות מעכבות על יישומים מבוססי PCR 24, לבדוק מגוון של דילולים מ- DNA ו- RNA חילוץ. כדי לעקוף את השפלה המהירה של DNA / RNA מופק להקפיא להפשיר מחזורים מרובים למנוע אובדן אפשרי של מידע גנטי, aliquots נפח קטן מרובים ולאחסן ב -80 מעלות צלזיוס.
כאשר תוכנן בקפידה, qPCR היא שיטה חזקה, מאוד לשחזור ורגישה. יש לציין, כי שיטות הגברה ובנייה עקומת בתקן המפורט בפרוטוקול זה יכול להיות מותאם לכל יעד הגן של עניין, כולל סמנים פילוגנטי אחרים (כלומר, rRNA 16S archaeal, rRNA 18S פטרייתי) או גנים המעורבים פונקציות חשובות בסביבה. מגבלות ידועות בשימוש qPCR הן: א) הדור של באיכות גבוהה לשחזורעקומת tandard כימות מוחלטת, ב) הבחירה של פריימר / בדיקות ואופטימיזציה של תנאי assay q-PCR, ג) השימוש באיכות נמוכה / חומצות גרעין טעון, ד) הבחירה של דילול עובד של RNA DNA / להימנע עיכוב . יתר על כן, זה חייב להיחשב כי טכניקת qPCR מספקת גן / שכיחותם תמליל אשר לא יכול להשוות לתא ספירות: זה נכון במיוחד במקרה כאשר 16S ו 18S גני rRNA ממוקדים, כמו שיש מיקרואורגניזמים מספרים עותק שונה של גן ריבוזומלי בגנום שלהם 25.
עקומות סטנדרטיות באיכות ירודה תגרומנה כימות מדויק של הגן של עניין. זה תרגול טוב כדי לאחסן מלאי של סטנדרטי ריכוז גבוהים aliquots הקטן שממנו עקומות סטנדרטיות טריות יכולות להתבצע. אין לאחסן עקומות סטנדרטיות, תמיד לעשות דילולים טריים מלאה של הריכוז הגבוה ביותר בכל פעם. עבור כימות מדויק של דגימות סביבתיות להבטיח את טווח הריכוזים של סטןעקומת dard משתרעת על פני ערכי Cp הצפויים של הדגימות הידועות. כאשר לכימותי תמלילים, לבנות את עקומת סטנדרט מ- RNA לא להכפיל גדילי הדנ"א. במידת האפשר, כימות של דגימות כדי להשוות ישירות צריך להסתיים בתוך assay אחת להימנע וריאציה-assay היתר 20. זה לא תמיד אפשרי. לכן, כדי להשוות שכיחותם גן שנוצרה בין מבחנים רצוי יש סט-משנה אקראי של דגימות המשוכפלות בין מבחנים. מבחר רחב של ערכות פריימר בדיקה זמין כרגע עבור qPCR מיקוד מיני מיקרוביאליים קבוצות פונקציונליות 15. בחינה קפדנית יש צורך בבחירה אלה כדי להבטיח הן כיסוי מרבי וספציפי קבוצת היעד. אם יעילות התגובה של assay qPCR אינה משביעת רצון, פתרון בעיות מתחילות עם בדיקת תנאי רכיבת תרמית שונה (ככל שזמן חישול ו / או טמפרטורה) ו / או תנאי תגובה, למשל, ריכוזים שונים פריימר-בדיקה. ONCE Q-PCR assay ותנאי התגובה ממוטבים, תמיד לערוך בדיקה ראשונית של מגוון רחב של דילולים DNA / cDNA כדי לקבוע את הריכוז תבנית מתאימה. בחר את טווח הדילול וכתוצאה מכך מספר העותק הגבוה ביותר כמו דילול התבנית האופטימלי עבור מבחנים נוספים.
נכון לעכשיו, טכנולוגיות רצף הדור הבא לשפוך אור ביעילות על מבנה הקהילה חיידקים ופונקציות בתוך שפע של סביבות 26,27,28. עם זאת, מערכי נתונים אלה מבוססים לעתים קרובות על ספריות amplicon נקודת סיום PCR ולכן מספקים רק ערכות וכמותיות של השפע של מינים מסוימים. לפיכך, את היכולת של טכניקת PCR מבוססת בזמן האמת למקד סמנים טקסונומיות ספציפיים (מדומיין גבוה עד לרמת מתח) מאפשר אימות יעילה של התוצאות שהושגו על ידי רצף של הדור הבא. יתר על כן, qPCR שמש בהצלחה בשילוב עם שיטות מולקולריות אקולוגיה מיקרוביאלית אחרות כגון ISO היציבהלהשתכר חיטוט (SIP) או microarrays פילוגנטי / תפקודי. בשילוב עם הכלי לשעבר, qPCR יכול לשמש כדי לכמת את הקהילה פעילה מבחינה מטבולית 29,30. בשילוב עם ניתוח microarray, qPCR מספק פרשנות כמותית המפתח של מבוססי סמן פילוגנטי גן פונקציונלי סקרים של סביבות 31,32.
לכן, אם להשתמש לבד או בשילוב עם אחרים (לעתים קרובות תהליך מבוסס) ערכות של תפקוד מערכת אקולוגי, PCR כמוני הוא כלי חיוני עבור אקולוגים מיקרוביאלי בחיפוש של הקישור החמקמק בין קהילות חיידקי פונקציות מערכת אקולוגיות.
The authors have nothing to disclose.
פרסום זה נובע מן המחקר נערך בתמיכת הכספיים של המועצה למחקר הסביבה הטבעית (NERC) תחת מספר מענק NERC NE / JO11959 / 1 ו קרן מדע אירלנד & the COFUND פעולת מארי קירי תחת גרנט מספר 11 / SIRG / B2159awarded כדי CJs ואת קונסורציום המחקר האקדמי המזרח (מזרח ARC).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Diethylpyrocarbonate | Sigma | 40718 | Toxic, open under chemical hood |
cetrimonium bromide (CTAB) | Sigma | 52365 | Irritant, open under chemical hood |
potassium phosphate dibasic | Sigma | RES20765 | |
potassium phosphate monobasic | Sigma | P9791 | |
Phenol : Chloroform : Isoamylalcohol pH 8 | Sigma | P2069 | Equilibrate at pH 8 before using |
Chloroform : Isoamylalcohol | Sigma | 25666 | |
sodium chloride | VWR | 1.06404.0500 | |
polyethylenglycol 6000 | VWR | 528877-100 | |
Ethanol Molecular Grade | Sigma | E7148 | |
Lysing Matrix E tubes | MP Biomedical | 116914050 | |
Turbo DNAse | Ambion | AM1907 | |
Taq polymerase | Sigma | D1806 | |
dNTPs | Bioline | BIO-39028 | |
SuperScript III | Life Technologies | 18080044 | |
Rnase Inhibitor | Life Technologies | 10777019 | |
RNAse/DNAse free 0.2 ml PCR tubes | Sarstedt | 72.985.002 | |
SureCleanPlus | Bioline | BIO-37047 | |
pGEM Easy T Vector | Promega | A1360 | |
E. coli JM109 competent cells | Promega | L2005 | |
Tryptone | Sigma | T7293 | |
Yeast Extract | Sigma | 70161 | |
Ampicillin | Sigma | 59349 | |
X-Gal | Bioline | BIO-37035 | |
IPTG | Bioline | BIO-37036 | |
Agar | VWR | 20768.235 | |
Plasmid Midi Kit | Qiagen | 12143 | |
Qubit | Life Technologies | Q33216 | |
Quant-IT DNA HS Assay | Life Technologies | Q-33120 | |
Quant-IT RNA HS Assay | Life Technologies | Q32855 | |
MEGAshortscript kit | Ambion | AM1354 | |
TaqMan SensiFast Probe Lo-ROX kit | Bioline | BIO-84002 | |
qPCR machine |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved