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RT-PCR을 사용한 환경 검체의 RNA 분석

Overview

출처: 이안 페퍼 박사와 찰스 게르바 박사의 연구소 - 애리조나 대학교
시연 저자: 브래들리 슈미츠

역전사-폴리머라제 연쇄 반응(RT-PCR)은 기존의 PCR-사이클링 온도와 동일한 공정을 수반하여 핵산을 증폭시킵니다. 그러나, 기존의 PCR은 탈옥리보핵산(DNA)만 증폭되는 반면, RT-PCR은 보완적인 DNA(cDNA)의 형성을 통해 리보핵산(RNA)의 증폭을 가능하게 한다. 이를 통해 환경 내에서 발견되는 RNA 기반 유기체는 DNA를 위해 설계된 방법과 기술을 활용하여 분석할 수 있습니다.

환경에서 발견되는 많은 바이러스는 RNA를 유전 물질로 사용합니다. 노로바이러스와같은 여러 RNA 계 바이러스 병원체 및 고추 순온 기질 바이러스(PMMoV)와 같은 지표 유기체는 정량화를 위한 배양 기반 검출 방법이 없습니다. 토양, 물, 농업 등으로부터환경 샘플에서 이러한 RNA 바이러스의 존재를 검출하기 위해, 분자 검사는 DNA로 RNA를 변환하기 위해 RT-PCR에 의존한다. RT-PCR없이, 미생물학자는 인간과 환경 건강에 위험을 제기 수많은 RNA 기반의 바이러스를 분석하고 연구 할 수 없을 것입니다.

RT-PCR은 또한 환경에서 미생물 활성을 측정하는 도구로 사용될 수 있다. 메신저 RNA (mRNA)는 단백질 번역을 위한 단 하나 좌초 템플릿이고, 상이한 mRNA의 수준을 측정하는 것은 미생물이 환경 내에서 발현되고 있는 유전자를 나타냅니다. 유전자 발현을 분석하면 생물체가 다른 환경 조건에서 생존하기 위해 어떤 생물학적 경로를 사용하는지 에 대한 단서를 얻을 수 있습니다. 어떤 경우에는, 유전자 발현은 가혹한 조건에서 가장 잘 살아남을 수 있고 오염된 토양 또는 물의 생물 치료를 위한 기능을 가지고 있는 어떤 유기체를 결정하기 위하여 이용될 수 있습니다.

Principles

PCR은 DNA 템플릿의 증폭을 기반으로 하며, 이는 유기체로부터 RNA를 검출하는 데 그 사용을 제한합니다. 그러나 RT-PCR은 역전사(RT)라고 하는 특수 효소를 사용하여 RNA를 사용하여 cDNA를 생성하는 수단을 제공한다. 이러한 cDNA는 종래의 PCR(도1)을이용한 후속 증폭을 위한 시작 템플릿으로 사용될 수 있다.

역전사는 cDNA 합성을 템플릿화하는 데 사용되는 프라이머에 따라 환경 샘플 내에서 발견되는 원하는 제품 또는 전체 핵산 커뮤니티만 증폭하도록 제어될 수 있다. 이것은 중요 한, 토양과 물 샘플은 종종 특정 분석에 대 한 원하지 않는 다양 한 핵산으로 포화. 임의의 미생물에서 발견되는 RNA 서열에 결합할 수 있는 무작위 프라이머는 RT-PCR에서 대부분의 RNA를 검출할 수 있으므로 샘플은 환경에서 다중 유기체의 존재 및 상대적 풍부를 위해 분석될 수 있다. 다른 한편으로는, 서열 특정 프라이머는 하나 또는 몇몇 유기체에서 찾아낸 정확한 순서를 위한 cDNA 합성을 시작합니다. 이를 통해 인간에서 위장질환을 유발할 수 있는 노로바이러스가물 속에서 존재하는지 여부를 결정하는 등 특정 목적을 위해 환경 샘플을 검사할 수 있습니다.


Figure 1
그림 1. 환경 RNA 샘플의 RT-PCR 분석의 단계별 프로세스.

Procedure

1. 샘플 수집 : 토양 샘플

  1. GPS, 좌표 또는 시력을 통해 샘플 위치를 찾습니다.
  2. 무작위 샘플링의 경우, 미생물 서식지의 일반적인 인구 조사를 얻기 위해 지역 내에서 임의의 점을 선택합니다. Transect 샘플링은 스트림베드에 인접한 직선과 같은 지점에서 수집합니다. 그리드 샘플은 일정한 간격으로 지점에서 체계적으로 채취되며 알 수 없거나 가변 영역에서 미생물 커뮤니티를 매핑하는 데 유용합니다.
  3. 3-6 인치 (7.5-15cm) 깊이 내에서 샘플링하면 뿌리 권부체 (식물 뿌리 및 관련 미생물에 의해 직접 영향을받는 토양의 좁은 영역)에 가깝지만 그 안에있는 가장 풍부한 미생물 활성에 대한 액세스를 제공합니다.
  4. 토양 샘플을 수집하려면 손 오거를 땅에 밀어 넣고 미리 정해진 깊이로 비틀어 보냅니다.
  5. 오거를 들어 올립니다. 토양은 오거의 중공 줄기 내에서 발견된다.
  6. 오거 바닥의 토양을 토양 컬렉션 백으로 긁어 넣습니다. 토양을 만지거나 오염시키지 않도록 하십시오.
  7. 가방의 위치, 이름, 날짜 및 시간으로 적절하게 라벨을 지정합니다.
  8. 실험실에서 토양을 2mm 체로 통과하여 자갈과 바위를 제거합니다.
  9. 토양 수분 함량에 대한 토양의 일부를 분석합니다. 이 단계에 대한 자세한 내용은 토양 수분에 대한 JoVE 과학 교육 비디오를 참조하십시오.

2. 샘플 수집 : 물 샘플

  1. GPS, 좌표 또는 시력을 통해 샘플 위치를 찾습니다.
  2. 수납병에 물을 채집합니다. 수집된 물의 양을 기록합니다. 시료내의 미생물이 정량적으로 분석되면, 미생물 농도는 수집된 부피에 기초하여 결정될 수 있다.
  3. 적절한 전자 프로브를 사용하여 실험(온도, pH, 전도도, 염도, 질소 및 인 함량 등)에 필요한 모든 매개변수에 대해 즉시 물을 테스트합니다.
  4. 물 샘플이 들어 있는 병을 얼음이 있는 쿨러에 넣습니다. 쿨러를 실험실로 옮기십시오.

3. RNA 추출

  1. 환경 샘플에서 미생물을 수집하고 농축하려면 지역 사회 핵산 추출에 대한 JoVE 과학 교육 비디오를 참조하십시오.
  2. 제조업체의 지침에 따라 상용 추출 키트를 사용하여 바이러스에서 RNA를 추출합니다.
  3. 먼저 에탄올로 보완된 리시스 버퍼와 샘플을 혼합한 다음 샘플을 스핀 컬럼에 추가합니다.
  4. 약 12,000 x g의 컬럼을 원심분리하고 흐름을 폐기합니다. 열과 원심분리기에 버퍼를 다시 추가합니다.
  5. RNase 가없는 물을 컬럼과 원심분리기에 30 초 동안 RNA를 멸균 1.5mL 저접착 미세 분리 튜브에 넣습니다.

4. 역 전사 - PCR

  1. -20°C 냉동고에서 다음 시약을 검색: dNTP,농축(예를 들어,10x) 역전사 버퍼, 프라이머(이 예에서, 임의의 프라이머). 얼음이나 깨끗한 후드 내부의 실온에서 해동하고, 한 번 해동 얼음에 보관하십시오. 또한 역 전사및 RNase 억제제를 회수하고 얼음에 보관하십시오.
  2. 모든 반응 중 모든 시약을 일정하게 결합하는 "마스터 믹스"를 만드는 데 필요한 시약 볼륨을 계산합니다(샘플 반응의 경우 표 1 참조). 모든 샘플에 대한 충분한 마스터 믹스뿐만 아니라 긍정적 인 제어 (알려진 성적 증명서 템플릿 사용) 및 음성 제어(예 :역 전사없이, 템플릿으로만 물) 반응을 준비합니다. 볼륨에 10%를 추가로 포함합니다.
  3. 마스터 믹스를 1.5mL 저접착 마이크로퍼지 튜브에 조립합니다. 이것은 관의 플라스틱 벽에 시약 분자의 결합을 최소화합니다.
  4. 시약이 해동되면 계산된 볼륨을 미세 분리 튜브에 추가합니다. 부드럽게 소용돌이와 원심 분리기 각 튜브추가 전에. 오염을 방지하기 위해 각 시약을 추가하는 것 사이에 파이펫 팁을 변경해야 합니다.
  5. 모든 시약이 추가 된 후, 소용돌이와 원심 분리는 균일 한 혼합물을 보장하기 위해 마스터 믹스를 합니다. 시약을 -20°C에서 다시 저장에 넣습니다.
  6. 8튜브 PCR 스트립을 준비하고 라벨을 부착하여 각 샘플 또는 제어 반응에 대해 하나의 튜브를 지정합니다.
  7. 알리쿼트 각 튜브에 마스터 믹스의 동일한 볼륨. 이어서, RNA 추출물과 같은 반응 특이적 성분을 추가한다.
  8. 스트립 캡을 PCR 스트립에 단단히 놓고, 스트립 튜브 어댑터가 있는 미니센트심분리기에 원심분리기를 배치하여 모든 액체가 각튜브(그림 2)의바닥에 수집되도록 합니다.
  9. 온도 사이클러에 PCR 스트립을 안전하게 배치합니다. 튜브가 고정되도록 아래로 누릅니다.
  10. 사용 중인 RT에 적합한 프로그램을 실행하도록 열순환기를 설정합니다(샘플 프로토콜의 표 2 참조). 프로그램이 완료되면 튜브에는 cDNA 제품이 포함되어 있으며, 이 제품에는 PCR 증폭이 가능합니다. 자세한 내용은 PCR 및 정량PCR의 JoVE 과학 교육 비디오를 참조하십시오. 사용 전까지 cDNA를 -20°C에 저장합니다.

Figure 2
그림 2. 마스터 믹스와 추출물을 함유한 8튜브 스트립을 덮었다.

시약 반응 1회당 부피(μL)
10x RT 버퍼 2.0
25배 dNTP 0.8
10x 랜덤 프라이머 2.0
멀티스크리브 1.0
Rnase 억제제 1.0
분자 등급 H2O 3.2
총 볼륨 10

표 1. RT 마스터 믹스 성분.

1단계 2단계 3단계 4단계
25°C, 10분 37°C, 120분 85°C, 5분 4 °C, ∞

표 2. RT 반응 열순환기 프로그램.

Results

RT-PCR이 완료되면 일부 PCR 제품을 아가로즈젤(그림 3)에분리하고 시각화할 수 있다. 이 예에서, 유전자 특이적 프라이머는 RNA 바이러스의 존재를 검출하기 위해 사용되었다. 예상 된 크기의 밴드는 두 개의 샘플과 양성 제어 반응에서 얻어지지만 음의 대조군에서 얻어지며, 테스트중인 두 개의 물 샘플에서이 바이러스의 존재를 나타냅니다.

Figure 3
그림 3. RT-PCR 제품의 젤 전기전도. M: DNA 크기 마커; P: 긍정적인 제어; N: 음수 제어. 4개의 물 샘플에서 RNA를 이용한 반응은 차선 1, 2, 3 및 5에서 실행되었다.

Application and Summary

RT-PCR은 RNA 템플릿에서 cDNA를 만드는 데 필요합니다. 이를 통해 RNA 기반 미생물은 DNA를 위해 개발된 분자 분석을 활용하여 분석할 수 있습니다. CDNA가 합성되면 PCR 어약은 환경 샘플 내에서 RNA 기반 미생물의 존재 또는 부재를 결정할 수 있습니다. 이를 통해 추가 다운스트림 분석을 통해 미생물 생태학, 건강 위험 및 환경 위험을 파악할 수 있습니다.

RT-PCR은 또한 어떤 유전자가 환경에서 발현되고 있는지 관찰하는 수단으로 mRNA를 분석하는 데 활용될 수 있다. 이것은 미생물이 특정 환경 조건에서 살아남기 위하여 의지하는 단백질 및 통로에 관하여 정보를 제공합니다. 유전자 발현 분석은 탄화수소 또는 염소 용매와 같은 환경 오염 물질을 분해하는 미생물 경로를 식별할 수 있으며, 이러한 경로를 가진 미생물은 생체 교정을 위해 활용될 수 있습니다.

위험 평가는 인간 및 환경 건강 위험을 분석하기 위해 RT-PCR을 통합합니다. RT와 정량적 PCR을 결합하면 RNA 바이러스를 샘플 내에서 열거할 수 있으므로 정량적 미생물 위험 평가(QMRA)를 위해 인간 및 환경 노출을 계산할 수 있습니다.

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Overview

1:41

Principles of RT-PCR

4:44

Collecting Soil and Water Samples

6:15

RNA Extraction

7:27

Reverse Transcription- Polymerase Chain Reaction

9:49

Applications

11:37

Summary

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