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        三種寡核苷酸純化方法的比較

        2012-04-29 22:26:51李紅霞
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年14期
        關(guān)鍵詞:固相萃取純化寡核苷酸

        摘要:分別采用固相萃取法、電泳法、色譜法純化寡核苷酸,色譜分析結(jié)果表明產(chǎn)物純度高,固相萃取法純化后的產(chǎn)物純度低于電泳法與色譜法,但產(chǎn)量相對(duì)較大,PCR檢測(cè)結(jié)果證明3種方法純化的寡核苷酸具有良好的檢測(cè)性能。在建立的固相萃取純化試驗(yàn)條件下,對(duì)3種填料純化寡核苷酸的效果、產(chǎn)量、成本進(jìn)行了比較分析,結(jié)果表明,使用硅膠C18和聚苯乙烯-二乙烯基苯填料(PS/DVB)填充的萃取小柱既能達(dá)到良好的純化效果又可降低成本。

        關(guān)鍵詞:寡核苷酸;純化;固相萃?。浑娪?;色譜

        中圖分類號(hào):TQ464.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2012)14-3065-05

        Comparison of Three Purification Methods for Oligonucleotides

        LI Hong-xia

        (Textile and Chemical Engineering College, Binzhou Polytechnic, Binzhou 256603, Shandong, China)

        Abstract: Solid-phase extraction method, electrophoresis method and chromatography method were applied for purifying crude oligonucleotides. The results of chromatography analysis showed that the product was with high purity. The purity of product from solid-phase extraction method was a little bit lower than that of electrophoresis method; but the yield was relatively higher. According to PCR test, all the 3 methods has good detection performance. Under the solid phase extraction purification test conditions, the purification effect, yield and cost of three kinds of fillers was compared. The result showed that good purification effect with low cost could be obtained when usingsilica gel C18 and PS/DVB filling extraction columns.

        Key words: oligonucleotides; purify; solid-phase extraction; electrophoresis; chromatography

        寡核苷酸是由核苷酸通過3′,5′-磷酸二酯鍵連接而成的短鏈DNA分子。它可作為PCR檢測(cè)所需要的引物或探針的主要組成部分,廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-3]。目前,中國(guó)已可使用DNA合成儀快速合成各種序列的寡核苷酸以及熒光標(biāo)記的寡核苷酸,最常用的寡核苷酸為10~30 nt。以鏈長(zhǎng)為25 nt的寡核苷酸為例,產(chǎn)物純度約為80%~85%,其中含有一定量的雜質(zhì),如5′羥基不完全脫二甲氧基三苯甲烷(DMT)保護(hù)基團(tuán)或不完全封閉羥基產(chǎn)生的非目標(biāo)序列等。這些雜質(zhì)不但造成寡核苷酸定量不準(zhǔn),還可能影響到下一步的生物學(xué)試驗(yàn)。因此,合成后的寡核苷酸需要純化。目前大多采用的寡核苷酸純化方法有3種,分別為固相萃取法[4]、電泳法和色譜法。

        研究采用美國(guó)應(yīng)用生物系統(tǒng)公司的DNA合成儀合成寡核苷酸,分別采用3種方法在優(yōu)化的試驗(yàn)條件下進(jìn)行純化,比較純化效果;再應(yīng)用制備的寡核苷酸作為PCR檢測(cè)用引物,成功地從南瓜果實(shí)中檢測(cè)到了黃瓜綠斑駁花葉病毒[5];另外,對(duì)固相萃取法和色譜法純化寡核苷酸進(jìn)行了具體的研究。

        1材料與方法

        1.1材料

        1.1.1原料聚苯乙烯-二乙烯基苯填料(PS/DVB)(粒度50 μm)、YMC*GEL ODS-A制備色譜球形填料/硅膠C18(平均孔徑12 nm,粒度50 μm)購(gòu)自北京慧德易科技有限責(zé)任公司,Oasis HLB固相萃取小柱(貨號(hào)WAT094226)、XTerraTM MS C18柱(50.0 mm×4.6 mm,平均孔徑14 nm,粒度2.5 μm)購(gòu)自美國(guó)Waters公司,篩板、6 mL萃取柱購(gòu)自大連思譜精工有限公司,熒光薄層層析板購(gòu)自青島海洋化工廠,寡核苷酸購(gòu)自中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院動(dòng)植物檢疫研究所。

        1.1.2試劑三羥甲基氨基甲烷、丙烯酰胺、雙丙烯酰胺、溴酚藍(lán)、二甲苯藍(lán)、過硫酸銨(APS)、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)、冰醋酸、三乙胺、乙腈、尿素、三氟乙酸、濃氨水等,以上均為分析純。

        1.1.3主要儀器高效液相色譜儀(包括600泵、600控制器、717自動(dòng)進(jìn)樣器、2996光電二極管矩陣檢測(cè)器)、固相萃取裝置購(gòu)自美國(guó)Waters公司,DYY-10C電泳儀、WD9403E手提式紫外燈購(gòu)自北京市六一儀器廠,DU640核酸蛋白分析儀購(gòu)自美國(guó)BECKMAN公司,ABI Prism 7700實(shí)時(shí)熒光PCR儀購(gòu)自美國(guó)ABI公司,PTC-200梯度PCR儀購(gòu)自美國(guó)MJ Research公司。

        1.2方法

        1.2.1固相萃取純化取篩板置于6 mL萃取柱底端,分別稱量100 mg的硅膠C18、PS/DVB填充萃取柱,平鋪填料后,在其上面放一個(gè)篩板。以一定序列的帶DMT保護(hù)基團(tuán)的寡核苷酸(“Trityl on”形式)為試驗(yàn)樣品,用3 mL pH 8的0.1 mol/L醋酸三乙胺(TEAAc)溶液溶解樣品,振勻后平均分成3份,分別使用Oasis HLB固相萃取小柱、自組裝的PS/DVB和硅膠C18萃取小柱純化寡核苷酸,方法如下:將4 mL乙腈過柱,活化;用4 mL pH 8的0.1 mol/L TEAAc溶液進(jìn)行柱平衡;上樣,3~4 min內(nèi)樣品在重力下通過吸附床,重復(fù)兩次上樣;用3 mL含體積分?jǐn)?shù)為14%的乙腈的pH 8的0.1 mol/L TEAAc溶液沖洗短鏈的寡核苷酸,重復(fù)一遍;用3 mL去離子水洗兩遍;將3 mL體積分?jǐn)?shù)為3%的三氟乙酸加入到填料上方,其在重力下過柱,控制旋鈕,先流出1 mL的三氟乙酸,停3~5 min,完成去DMT保護(hù)基團(tuán)過程,觀察到吸附層變橙紅色后再重復(fù)用3 mL的三氟乙酸過柱;用3 mL去離子水洗兩遍;逐滴加入1 mL含體積分?jǐn)?shù)為10%的乙腈的pH 11.3的0.36 mol/L TEAAc溶液,控制流速為1~2 mL/min,邊洗脫邊收集。定量,分裝,干燥。

        1.2.2電泳純化

        1)電泳。在50 mL的16%聚丙烯酰胺凝膠溶液中加250 μL APS溶液、37.5 μL TEMED,迅速攪拌均勻后,倒入兩玻璃板間,插入樣梳,靜置40~120 min,凝固后拔掉樣梳。接通電源,設(shè)定電壓為600 V,電泳前預(yù)熱30 min。用200 μL飽和尿素溶解樣品,上樣;用含溴酚藍(lán)、二甲苯藍(lán)的飽和尿素溶液作為指示劑,在600 V電壓下電泳,溴酚藍(lán)條帶移動(dòng)到距凝膠前沿1/3處停止電泳。

        2)引物回收。用塑料鑷子啟開玻璃板,小心將膠置于鋪有塑料薄膜的熒光薄層層析板上。用260 nm波長(zhǎng)的紫外光從上方照射凝膠,用刀片切下含有目的條帶的凝膠。采用浸泡法從凝膠中回收寡核苷酸,將切下來的凝膠移入1.5 mL離心管中,擠碎,將破碎的凝膠置于加有5 mL滅菌水的10 mL離心管中,于37 ℃搖床中溫育過夜。離心,取上清液,干燥。

        3)脫鹽。使用自組裝的硅膠C18萃取小柱脫鹽,步驟如下:將4 mL乙腈過柱,活化;將4 mL pH 7的0.1 mol/L TEAAc溶液過柱,使柱平衡;用1 mL pH 7的0.1 mol/L TEAAc溶液溶解樣品,上樣;將4 mL pH 7的0.1 mol/L TEAAc溶液過柱;將4 mL去離子水過柱,脫鹽;最后用1 mL體積分?jǐn)?shù)為70%的乙腈洗脫樣品。

        4)定量、分裝、干燥。

        1.2.3色譜純化流動(dòng)相由pH 7的0.1 mol/L TEAAc溶液和乙腈溶劑組成。柱溫為60 ℃,流速為1 mL/min,色譜柱為XTerraTM MS C18柱(50.0 mm×4.6 mm,粒度2.5 μm,平均孔徑14 nm)。采用254 nm和290 nm雙波長(zhǎng)檢測(cè)。

        1)DNA(“Trityl off”形式)的色譜純化。對(duì)于未選擇“Trityl on”形式的合成(即合成的寡核苷酸不帶DMT保護(hù)基團(tuán)),用濃氨水釋放寡核苷酸后離心、干燥,然后采用反相離子對(duì)色譜法進(jìn)行純化,純化后不需要去DMT保護(hù)基團(tuán),直接定量。

        用200 μL pH 7的0.1 mol/L TEAAc溶液溶解樣品,上樣,檢測(cè)波長(zhǎng)為254、290 nm,當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)產(chǎn)物峰時(shí),人工收集目標(biāo)產(chǎn)物。色譜條件見表1。用色譜純化后干燥;再用硅膠C18萃取小柱脫鹽,定量,分裝,干燥。

        2)DNA(“Trityl on”形式)的色譜純化。對(duì)于選擇“Trityl on”形式的合成(即全長(zhǎng)寡核苷酸的最后一個(gè)核苷酸保留DMT保護(hù)基團(tuán)),用濃氨水釋放寡核苷酸后,離心、干燥;然后采用反相離子對(duì)色譜法進(jìn)行純化,色譜條件見表2;用色譜純化后干燥;用體積分?jǐn)?shù)為80%的冰醋酸去DMT保護(hù)基團(tuán),靜置20~30 min,干燥;用硅膠C18萃取小柱脫鹽,定量,分裝,干燥。

        2結(jié)果與分析

        2.1色譜分析

        2.1.1固相萃取純化結(jié)果分析采用表1中的色譜條件對(duì)3種小柱純化寡核苷酸后的產(chǎn)物進(jìn)行純度分析,在260 nm波長(zhǎng)下,當(dāng)吸光度為1時(shí)寡核苷酸濃度約為30 μg/mL[6],應(yīng)用DU640核酸蛋白分析儀測(cè)定適當(dāng)稀釋后的寡核苷酸的吸光度,再根據(jù)稀釋倍數(shù)和體積計(jì)算出純化后寡核苷酸的產(chǎn)量。由圖1A、圖1B、圖1C以及表3可知,在建立的試驗(yàn)條件下,采用3種填料固相萃取純化的寡核苷酸都有少量雜質(zhì),但是都比較純而且產(chǎn)量相近。因此,該試驗(yàn)條件適用于采用硅膠C18、PS/DVB純化寡核苷酸;固相萃取純化是個(gè)非常粗糙的過程,由于DMT保護(hù)基團(tuán)具有強(qiáng)疏水性以及短鏈寡核苷酸的合成效率高,使得不同填料固相萃取純化的效果相差不大,采用3種填料純化后的寡核苷酸純度都很高。

        2.1.2電泳純化結(jié)果分析電泳法純化一定序列的寡核苷酸(“Trityl off”形式)后,按照表1的色譜條件,在波長(zhǎng)254 nm下檢測(cè)純化后的產(chǎn)物。從圖2可知,雜質(zhì)峰幾乎看不到,可知電泳純化的寡核苷酸純度高。

        2.1.3色譜純化結(jié)果分析由圖3可知,應(yīng)用表1的色譜條件能夠?qū)⒉粠?qiáng)疏水性DMT保護(hù)基團(tuán)的寡核苷酸與雜質(zhì)分離,通過254和290 nm雙波長(zhǎng)檢測(cè)到在8~11 min出來的色譜峰在雙波長(zhǎng)檢測(cè)下吸光度最大,且峰面積最大,所以初步被判斷為目標(biāo)產(chǎn)物。收集后,在相同色譜條件下分析,圖4中僅在10~12 min出現(xiàn)惟一色譜峰,說明在該色譜條件下能很好地純化不帶強(qiáng)疏水性DMT保護(hù)基團(tuán)的寡核苷酸。由圖5可知,在表1的色譜條件下分離20 μL帶有DMT保護(hù)基團(tuán)的寡核苷酸,在梯度洗脫前20 min內(nèi)目標(biāo)寡核苷酸沒有分離出來,而是在20 min后,目標(biāo)寡核苷酸、部分雜質(zhì)由強(qiáng)非極性溶劑100%乙腈一同洗脫出來,試驗(yàn)證明,由于DMT基團(tuán)具有強(qiáng)疏水性,在反相離子對(duì)色譜柱中具有強(qiáng)保留性,因此表1中色譜條件不適用于分離具有DMT保護(hù)基團(tuán)的寡核苷酸,須用非極性更強(qiáng)的流動(dòng)相洗脫。所以,采取增加流動(dòng)相B的非極性的辦法改進(jìn)色譜條件,將流動(dòng)相B中的乙腈體積分?jǐn)?shù)由15%增加至40%,依據(jù)公式T=△φ/tG(T為梯度陡度,△φ為流動(dòng)相中強(qiáng)洗脫液組分B體積分?jǐn)?shù)的變化值,tG為梯度洗脫時(shí)間)計(jì)算梯度陡度(T),T減少到了1.1%/min,從而保證了流動(dòng)相B在梯度洗脫時(shí)間內(nèi)保持較強(qiáng)的非極性。由圖6可知,在254和290 nm雙波長(zhǎng)檢測(cè)下,根據(jù)吸光度和峰面積判斷目標(biāo)產(chǎn)物在14~20 min分離出來,收集后,在同樣色譜條件下分析,圖7在14~20 min出現(xiàn)了惟一一個(gè)色譜峰,無雜質(zhì)峰,說明在表2的色譜條件下,能夠很好地分離帶有強(qiáng)疏水性DMT保護(hù)基團(tuán)的寡核苷酸。

        2.2性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

        將固相萃取、電泳及色譜純化后的寡核苷酸用于黃瓜綠斑駁花葉病毒的RT-PCR及實(shí)時(shí)熒光PCR檢測(cè),考察其檢測(cè)效果。由圖8可知,對(duì)于黃瓜綠斑駁花葉病毒的RT-PCR試驗(yàn),以純化后的一定序列的寡核苷酸作為引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,電泳結(jié)果表明3個(gè)泳道均在近750 bp位置出現(xiàn)了擴(kuò)增條帶。由圖9可知,將純化后的一定序列的寡核苷酸作為實(shí)時(shí)熒光PCR檢測(cè)用引物,得到了實(shí)時(shí)熒光PCR擴(kuò)增曲線,檢測(cè)到了南瓜果實(shí)中的黃瓜綠斑駁花葉病毒。說明采用3種方法純化的寡核苷酸純度高,適用于PCR檢測(cè)。

        2.3產(chǎn)量比較試驗(yàn)結(jié)果

        應(yīng)用DNA合成儀,以0.2 μmol合成規(guī)模合成一定數(shù)量不同序列的20 nt左右的寡核苷酸,應(yīng)用此次研究建立的純化條件,通過多次試驗(yàn),總結(jié)出固相萃取純化的平均產(chǎn)量為600~900 μg;色譜純化的平均產(chǎn)量為300~450 μg;電泳純化的平均產(chǎn)量為300~450 μg。

        3小結(jié)與討論

        1)固相萃取純化寡核苷酸試驗(yàn)中,3種填料純化的產(chǎn)物濃度都較高且產(chǎn)量相差不大。3種填料各有優(yōu)缺點(diǎn),從耐酸堿、耐用性方面比較,硅膠C18不耐酸堿,工作pH 2~7,而聚苯乙烯-二乙烯基苯(PS/DVB)的工作范圍為pH(工作/清洗)2~13/1~14,耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿,可重復(fù)使用。雖然理論上,在pH 7.5以上鍵合硅膠填料的硅基體在水溶液中易于溶解;在pH 2.0以下硅醚鏈不穩(wěn)定并且表面上的官能團(tuán)開始裂開,改變了吸附性能。然而,由于填料暴露于溶劑的時(shí)間很短,若一次使用,硅膠C18的穩(wěn)定性是可以接受的。從價(jià)格上比較,Oasis HLB>PS/DVB>硅膠C18。綜合以上的分析可知,采用固相萃取法,一次性使用自組裝的硅膠C18或重復(fù)使用PS/DVB萃取小柱可達(dá)到良好的純化效果,并且降低了成本。

        2)對(duì)于帶有DMT基團(tuán)的寡核苷酸的純化,由于寡核苷酸的DMT保護(hù)基團(tuán)的強(qiáng)疏水作用,純化時(shí)需要用強(qiáng)非極性的洗脫液洗脫。寡核苷酸在合成時(shí)設(shè)置“Trityl on”形式較合適,這是因?yàn)樵谌粘9押塑账嵘a(chǎn)中,合成的序列是變化的,難以采用標(biāo)準(zhǔn)物對(duì)照進(jìn)行色譜定性。若為“Trityl off”形式的合成,在合成產(chǎn)物效率高時(shí),根據(jù)峰面積可以判斷出目標(biāo)產(chǎn)物峰;但在合成效率不高時(shí),由于沒有明顯大面積的色譜峰,導(dǎo)致無法判斷哪個(gè)峰是目標(biāo)產(chǎn)物。而對(duì)于“Trityl on”形式的合成,由于全長(zhǎng)的寡核苷酸帶有強(qiáng)疏水性的DMT保護(hù)基團(tuán),保留時(shí)間長(zhǎng),與其他雜質(zhì)保留時(shí)間差異大,可根據(jù)保留時(shí)間長(zhǎng)短及峰面積大小識(shí)別目標(biāo)產(chǎn)物峰。

        3)比較3種方法純化產(chǎn)物的色譜分析結(jié)果,合成短片段寡核苷酸時(shí),由于總的合成效率高,失敗序列少,色譜分析結(jié)果證明采用固相萃取法、電泳法、色譜法純化后的產(chǎn)物純度相差不大,但也有差別,固相萃取純化產(chǎn)物的色譜分析圖中有少量的面積小的雜質(zhì)峰,而電泳純化和色譜純化產(chǎn)物的色譜分析圖中幾乎沒有雜質(zhì)峰,這說明固相萃取法純化產(chǎn)物的純度低于電泳、色譜純化的產(chǎn)物。比較3種方法純化后產(chǎn)物的產(chǎn)量,固相萃取純化的寡核苷酸的產(chǎn)量較高,而色譜純化和電泳純化的寡核苷酸的產(chǎn)量相近,純度相對(duì)高。對(duì)于純度要求高的PCR克隆、點(diǎn)突變等分子生物學(xué)試驗(yàn)和修飾/標(biāo)記的寡核苷酸,宜選擇電泳法或色譜法純化。

        參考文獻(xiàn):

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