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Method Article
DNA安定同位体プロービングには、特定の基質を利用することのできる微生物の活発なコミュニティを識別し、特徴付けるために栽培に依存しない方法です。重い同位体に富む基板の同化は、微生物バイオマスへの標識原子の取り込みにつながる。密度勾配超遠心分離は、下流の分子解析のための標識DNAを取得します。
DNA安定同位体(DNA - SIP)プローブは、細胞バイオマスに特定の炭素基質と栄養素を吸収し、アクティブな微生物を識別するための強力な手法です。このように、この栽培に依存しない手法は、陸域と水域環境の広い範囲に生息する多様なコミュニティへの代謝機能を割り当てるための重要な方法論となっています。安定同位体標識化合物による環境試料のインキュベーションに続いて、抽出した核酸は、異なる密度の核酸を分離する密度勾配超遠心分離とその後の勾配分画に供される。塩化セシウムからのDNAの精製は、その後の分子特性(例えば指紋、マイクロアレイ、クローンライブラリ、メタゲノミクス)のための標識と非標識DNAを取得します。このJoveのビデオプロトコルは密度勾配超遠心分離、勾配分画とラベルされたDNAの回復のためのプロトコルの視覚的なステップバイステップの説明を提供します。プロトコルはまた、サンプルのSIPデータとハイライトの重要なヒントが含まれており、成功したDNA - SIPの分析を確実にするために考慮しなければならないことをご承知おき下さい。
1。試薬の調製
DNA - SIPは、実際の手順の事前に準備すべき試薬を使用する必要があります。各試薬を調製するための方向性は、このセクションにリストされており、以前のSIPプロトコル1から変更されています。
2。サンプルのインキュベーションとDNA抽出
DNA - SIPのインキュベーションのために、サンプルは一般的に重い同位体炭素(13 C)基質とインキュベートされています。潜伏期間と条件(例えば、栄養補給、水分、光)がインキュベートされ、サンプルの種類や基板の性質によって異なります。 DNA - SIPの実験は成功し、単一の炭素化合物2,3、マルチ炭素化合物4,5,6、および標識窒素7,8または酸素9を使用してさまざまな方法を使って行われている。しかし、15 N -または18 O -標識化合物を使用する欠点は、炭素原子の相対DNAとRNAの少ない窒素と酸素原子の存在が主な原因標識核酸の減少物理的に分離する、です。
DNA - SIPの実験のための重要なコントロールは、ネイティブ(例えば12 C)基板との間で確立同一のインキュベーションです。このインキュベーションには、核酸のいずれかの明白なラベリングは超遠心分離または分離10に寄与するDNAのG + C含量の密度の違いのアーティファクトではないことを確認するために、後続の比較を示します。それは"光"と"重い"DNAとの比較のために凍結サンプルの材料を保つことも重要である、とSIPのインキュベーションを通じて背景の人口の変化を評価するために、無基質の制御を含めて価値がある。
3。超遠心用グラデーションソリューションの準備
この手順では、チューブを遠心するためにDNAを追加する必要があります。正確なプロトコルが異なりますし、メーカーの指示に依存しますので、チューブとローターには複数のタイプがあります。それはそうと、私たちは光と重いDNAの可能な最大の分離を確保するために縦の穴ローターを使用することをお勧めします。我々は、5.1ミリリットルQuickSealのポリアロマーチューブを保持するための16ウェルとBeckman - Coulter社VTI 65.2ローターを使用し、プロトコルは、これらの条件のための手順と考慮事項を提供します。
4。反応ステップのコントロールのグラデーションを作成(オプション)
流しますがDNAとの複合体は、UV光の下でそれが見えるようにすることインターカレート色素であるため、彼らは前のサンプルチューブ(例えば、図1)の分画に勾配形成の直接の視覚的確認を提供するため、EtBrを含む制御勾配が便利です。流しますと12 C - DNAと13 C - DNA(または14 N - DNAと15 N - DNA)の両方の混合物を含むコントロールチューブを含めると、超遠心分離の完了時にチューブ内のバンドの形成を即座に視覚化できます。超遠心分離または不適切なプログラムの実行条件の間に破裂したチューブが失敗した勾配の形成につながることができるので、これは重要です。 DNAに結合した、反応ステップは、DNAの密度を低下させ、結果として、異なるプロトコルが勾配を準備するために続いている。他の核酸の汚れが代わりに流します11の使用することができるが、プロトコルは、他の蛍光団で最適化が必要になることに注意してください。
5。超遠心分離
6。勾配分画
分別と針の抽出:現在、超遠心チューブからDNAを回収するために使用される2つの方法があります。このプロトコルは、分画の技法を用いてDNAを抽出するプロセスを説明します。ほとんどのSIPの実験のために、標識したDNAが反応ステップで可視化することはできず、代わりに複数のサンプルチューブから同等の光と重い分画を比較することによって検出される必要があるためです。シリンジポンプは、非常に超遠心管から等しい密度勾配分画を取得することをお勧めします。我々は、BSPモデル注入ポンプ(ブレーントリーサイエンティフィック社製)を使用してください。低流量蠕動ポンプまたはHPLCポンプを使用してもよい。
7。 DNA沈殿
8。分数のキャラクタリゼーション
SIPのインキュベーションの成功を評価するために勾配分画を特徴付けるために使用されるメソッドは、機器のラボと可用性によって異なります。 16S rRNA遺伝子を標的とするためのフィンガープリント方式を使用すると、共通のアプローチとそのような端末の制限断片長多型(T - RFLP)や変性剤濃度勾配ゲル電気泳動などの方法であること(DGGE)(図1)に適しています。プロトコル上記に続いて、光DNAを分画9-11(〜1.705〜1.720グラムml -1)を、画分5-8(〜1.720〜1.735グラムml -1の中で関連していることが重いのDNA指紋と関連付けられることを期待)。安定同位体インキュベートした試料の分画5-8、ではなく、ネイティブ基板インキュベートしたコントロールに関連付けられた一意のフィンガープリントは、特定の標識基質の代謝に特定の生物を結ぶ強力な証拠を提供しています。不十分な標識DNAはいくつかのアプリケーション(ハイブリダイゼーション、メタゲノム)のために残っている場合は、複数の変位増幅がより大量13-15を生成するために使用されることがありますが、これは増幅されたDNA 14,16にキメラを導入することができます。
9。結果
典型的なDNA - SIPの結果は、超遠心分離によって形成された勾配の標識および非標識DNAの分離のデモンストレーションを行います。理想的には、標識物質からの高分子量の遺伝物質の完全な分解能(例えば13 C、15 N)が達成されます。解像度は、反応ステップの制御管のバンドの形成を観察することによって視覚的に目撃することができます。個々の勾配分画に含まれる取得されたゲノムDNAの濃度はまた、適切な勾配の形成を確認するために使用されることがあります。
このプロトコルのために、我々は2つの純粋培養(図2)から核酸を使用して実行勾配超遠心分離の代表的な結果が含まれています。ここに含まれ画した勾配はSから抽出したゲノムDNAを用いて調製したmeliloti(ATCC 1021)、および13 C -標識M. capsulatus strに 。バス。続いて遠心分離、分画とDNA回収、ラベル付けと異なる密度(図2A)と、それぞれの勾配分画に分離したゲノムDNAを非標識。非標識DNAを分画9-10に高濃度で検出されるのに対し、重同位体標識されたDNAは、フラクション4-5に観察することができます。各分画からDNAを変性剤濃度勾配ゲル電気泳動17と勾配(図2B)に含まれる2つの生物に対応する離散的なバンドパターンを生成したPCR増幅産物で特徴付けられた。画分の密度は〜1.580の範囲であった- 1.759グラムml -1の 、そしてそれらは左から右に密度の降順に表示されます。
純粋な13の分離は、C -および12 C - DNA(図2)と発音することができる、環境サンプルのインキュベーションでは、解釈するより難しいかもしれませんが。例えば、我々は、インキュベーション15℃14日間の期間のいずれかの12 C -または13 C標識グルコース℃でレゾリュートベイ(ヌナブト準州、カナダ)から土壌をツンドラ勾配分画の精製DNAのアガロースゲルは、ゲノムDNAは、12 C -及び13 C -インキュベーション(それぞれ図3Aと3C、)の両方のための7-10分画を越えて"塗った"されることが示された。この場合、特定の微生物の分類群からバイオマスの13 C -濃縮は、16S rRNA遺伝子のDGGEのようなアプローチを決定することができます。 12 C -グルコース培養土壌のDNAは、すべての勾配分画(図3B)間で類似のパターンを生成しますが、13 C -グルコースインキュベートしたサンプルは、一意に分画5-8(図3D)に関連付けられているDGGEフィンガープリントを生成する。特に興味深いのは、矢印で示される保存のバンドです。この支配的な"phylotypeは、"すべての勾配分画が13 C -グルコース培養土壌から得られたDNAのための重い分画へのシフトを通じて一貫しています。このバンドおよび/またはクローンライブラリー解析のシーケンシング、その後のDNAはこの特定の16S rRNA遺伝子の同一性を確認し、その後のメタゲノムや栽培ベースのアプローチを導くでしょう。
図1サンプルのインキュベーション、DNA抽出、CsCl密度勾配超遠心分離と分子生物学的手法によるDNAの特性評価を含むDNA - SIPの実験の概要。
図2。2つの純粋な培養物からDNAを含むSIP勾配分画の結果が予想される。 (A)勾配分画1から12までのDNAのアリコートを、13 C標識Mを含有する勾配から1%アガロースゲル上で実行されたcapsulatusひずみバス(分画4-6)及び12 C -標識S. meliloti(フラクション8-10)。 1 - kbのラダーは、(B)PCR -増幅DNA同じ画分から10%のDGGEゲル上で実行された比較のために含まれています。指紋のパターンは、例えば分画5と9の間の明確な違いを、明らかに。
図3。土壌サンプルのインキュベーションからSIP勾配分別の結果を期待される。両方の12 C -グルコース改正土壌(A)及び13 C -グルコース改正土壌(C)から勾配分画のアリコートは、1%アガロースゲル上で実行され、1 kbのラダーは、比較のために含まれています。これらのサンプルのそれぞれに対応するDGGE指紋が(B)と(D)に示されています。分数のフィンガープリントは、フラクション5-8(D)における13 C -グルコース改正サンプルに特定の細菌の分類群の濃縮を明らかにする。
安定同位体プロービング実験の適切な設計は、バックグラウンドラベルのない社会の上に標識されたDNAを得るために非常に重要である。サンプルのインキュベーション時間、基質濃度、インキュベーションの条件(例えば、栄養素、土壌水分の含有量)に関連した考慮事項、栄養共生とレプリケーションが他の場所で10,18議論と我々は、SIPインキュベーションを設計する際に、読者が...
この作品は、戦略的プロジェクトとカナダ自然科学工学研究評議会(NSERC)からJDNのディスカバリーの補助金によって支えられている。
Name | Company | Catalog Number | Comments | |
Bromophenol Blue | Reagent | Fisher Scientific | BP115-25 | |
Cesium chloride | Reagent | Fisher Scientific | BP210-500 | |
Ethanol, reagent grade | Reagent | Sigma-Aldrich | 652261 | |
Ethidium bromide | Reagent | Sigma-Aldrich | E1510 | |
Hydrochloric acid | Reagent | Fisher Scientific | 351285212 | |
Linear polyacrylamide | Reagent | Applichem | A6587 | |
Polyethylene Glycol 6000 | Reagent | VWR international | CAPX1286L-4 | |
Potassium Chloride | Reagent | Fisher Scientific | AC42409-0010 | |
Sodium Chloride | Reagent | Fisher Scientific | S2711 | |
Sodium Hydroxide pellets | Reagent | Fisher Scientific | S3181 | |
Tris base | Reagent | Fisher Scientific | BP1521 | |
Dark Reader | Equipment | Clare Chemical | DR46B | |
Microcentrifuge | Equipment | Eppendorf | 5424 000.410 | |
Nanodrop 2000 | Equipment | Fisher Scientific | 361013650 | |
Infusion pump | Equipment | Braintree Scientific, Inc. | N/A | Model Number: BSP See www.braintreesci.com for ordering details. |
Tube sealer | Equipment | Beckman Coulter Inc. | 358312 | |
Ultracentrifuge | Equipment | Beckman Coulter Inc. | ||
Ultracentrifuge rotor | Equipment | Beckman Coulter Inc. | 362754 | |
Ultraviolet light source | Equipment | UVP Inc. | 95-0017-09 | Any UV source will suffice |
Ultraviolet light face shield | Equipment | Fisher Scientific | 114051C | |
Butyl rubber stoppers, gray | Material | Sigma-Aldrich | 27232 | |
Centrifuge tubes | Material | Beckman Coulter Inc. | 342412 | |
Hypodermic needle, 23 gauge, 2” length | Material | BD Biosciences | 305145 | |
Microfuge tubes, 1.5 mL | Material | DiaMed | AD151-N500 | |
Open center seals, 20 mm diameter | Material | Sigma-Aldrich | 27230-U | |
Pasteur pipettes, glass | Material | Fisher Scientific | 13-678-6C | |
Pipet tips | Material | DiaMed | BPS340-1000 | Catalogue number is for 200 μl tips. 10 or 20 μl tips may be purchased from the same source |
Pump tubing 1.5 mm bore x 1.5 mm wall | Material | Appleton Woods | ||
Screw-cap tubes, 15 mL | Material | DiaMed | AD15MLP-S | |
Serum vials, 125 mL volume | Material | Sigma-Aldrich | Z114014 | |
Syringe, 60 mL | Material | BD Biosciences | 309653 |
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