李 妍, 李春華, 梁 文, 許 麗, 劉 剛
(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院 化學(xué)與電離輻射所, 上海 201203)
與傳統(tǒng)化學(xué)樣品相比,目前基因檢測(cè)的量值溯源水平有待提高,可溯源的DNA準(zhǔn)確定量方法非常缺乏,無法滿足相關(guān)檢測(cè)過程中工作標(biāo)準(zhǔn)賦值、方法驗(yàn)證、質(zhì)量控制等的需求,影響了相關(guān)分析儀器的計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)程的建立。常用的定量DNA方法主要有紫外分光光度法(UV)、熒光染料法、qPCR(Quantitative PCR)、dPCR(Digital PCR),前兩種方法在靈敏度和穩(wěn)定性方面還有待提高[1];后兩種方法存在假陽性的風(fēng)險(xiǎn)較大,而且對(duì)于以上DNA定量方法,量值溯源性問題仍然是很大挑戰(zhàn)。
隨著元素分析方法的發(fā)展,定磷法成為一種可行的DNA定量檢測(cè)方法,由于對(duì)于特定的DNA分子來說,其磷含量是一個(gè)固定參數(shù),通過檢測(cè)DNA分子中的磷含量,就可以計(jì)算DNA分子的含量,該方法的靈敏度較高,可以溯源到國際單位,而且檢測(cè)成本較低。電感耦合等離子體發(fā)射光譜技術(shù)(ICP-OES)是一種溯源清晰的DNA定量方法[2], 韓國標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院(KRISS)及美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)[3]等, 將該方法用于基因組核酸[4]、質(zhì)粒DNA[5-7]和寡聚核酸[8-9]等核酸純品物質(zhì)的定量測(cè)量。中國計(jì)量科學(xué)研究院也在核酸ICP-OES 定量分析方面做了大量的嘗試[10]。高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜(HR-ICP-MS)定量的質(zhì)量數(shù)能精確到0.000 1,其對(duì)痕量和超痕量元素良好的檢測(cè)能力以及譜圖的簡(jiǎn)單易識(shí),使其成為分析痕量和超痕量元素的常規(guī)方法[11-14]。
本文研究HR-ICP-MS定量檢測(cè)DNA中磷含量從而定量DNA的方法,考察純化和微波消解等樣品前處理步驟,考察生物實(shí)驗(yàn)中常用的TE溶液對(duì)該方法的影響,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線的配制進(jìn)行優(yōu)化,保證檢測(cè)結(jié)果量值可溯源,且提高該方法與其它DNA定量方法的可比性。本方法具有良好的最低檢出限和精密度,可以應(yīng)用于較低濃度質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值,符合相關(guān)技術(shù)文件要求[15-16],有助于提高基因檢測(cè)領(lǐng)域的量值溯源水平,保證相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目的結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
試劑:高純度硝酸(HNO3,10 mg/L,日本多摩化學(xué)),磷酸二氫銨標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW06502,中國計(jì)量科學(xué)研究院),釔標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW08657,中國計(jì)量科學(xué)研究院),HR-ICP-MS測(cè)試試驗(yàn)所用試劑均為分析純以上,實(shí)驗(yàn)用水經(jīng)超純水系統(tǒng)制備,所用器皿均經(jīng)30%的硝酸浸泡,超純水清洗。Tris(生工生物公司),EDTA(生工生物公司),優(yōu)級(jí)純鹽酸(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),脫氧核糖核酸酶I(寶生物公司),異丙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),無水乙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),質(zhì)粒提取試劑盒(OMEGA)、質(zhì)粒純化試劑盒(德國MN公司),NIST P標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(SRM3139a),小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(中國計(jì)量院 GBW09801),鮭魚精DNA成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(中國計(jì)量院BW2701-1),轉(zhuǎn)基因大豆質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(上海計(jì)量院GBW(E)100274)。
儀器:Element2 高分辨電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(美國Thermo公司),MARS 微波消解儀(MILESTONE微波消解儀公司),Millipore Q 超純水系統(tǒng)(美國Millipore 公司),分析天平(瑞士梅特勒公司),eppendorf高速冷凍離心機(jī)(德國eppendorf 公司), nanodrop2000紫外分光光度計(jì)(美國Thermo公司),電泳儀和電泳槽(美國伯樂公司),凝膠成像分析系統(tǒng)(美國伯樂公司),冷藏冰箱(海爾公司),冷凍冰箱(海爾公司),超低溫冷凍冰箱(美國Thermo公司),立式壓力蒸汽滅菌器(上海申安醫(yī)療器械廠),恒溫混勻儀(德國eppendorf 公司),渦旋振蕩器(德國IKA公司),pH計(jì)(上海精科公司),移液槍(德國eppendorf公司)。
1.2.1TE溶液的配制
1 mol/L Tris-HCl(pH7.4):稱量121.1 g Tris置于1 L燒杯中,加入800 mL去離子水,充分?jǐn)嚢枞芙猓{(diào)節(jié)pH值,定容至1 L,高溫高壓滅菌后,室溫保存。
10×TE Buffer (pH7.4):量取100 mL 1 mol/L Tris-HCl Buffer(pH7.4),20 mL 500 mmol/L EDTA(pH8.0)置于1 L燒杯中,加入800 mL去離子水,混合均勻,定容至1 L,高溫高壓滅菌后,室溫保存。
1.2.2瓊脂糖凝膠電泳鑒定DNA純度
吸取2 μL質(zhì)粒pXL02于1.5 mL EP管中,加入1 μL EcoRI核酸內(nèi)切酶, 2 μL酶解緩沖液和15 μL無菌水,置于37 ℃水浴酶解2 h。取10 μL酶切液上樣0.8%瓊脂糖凝膠,電泳條件為電壓80~100 V、30 min,電泳后凝膠成像分析DNA條帶。
1.2.3樣品的微波消解
天平稱重空微波消解管質(zhì)量記為mo,加適量的樣品于微波消解管中稱重記為mp,再加入適量2%硝酸溶液,微波消解條件為200 ℃,1 500 W,4 h;將消解后的微波消解管稱重質(zhì)量記為mp;根據(jù)公式計(jì)算樣品的稀釋倍數(shù)
1.2.4計(jì)算樣品中磷元素的含量
根據(jù)基因測(cè)序測(cè)得DNA樣品的堿基數(shù)和相對(duì)分子質(zhì)量,計(jì)算DNA樣品中P元素含量百分比:
wP%=堿基數(shù)×磷的原子量÷
DNA相對(duì)分子質(zhì)量×100%
1.2.5HR-ICP-MS定磷法計(jì)算模型
根據(jù)定磷法原理,建立HR-ICP-MS檢測(cè)核酸濃度的計(jì)算模型:
式中:c為核酸樣品濃度;cs為由標(biāo)準(zhǔn)曲線求得樣品中P含量;Vs為檢測(cè)時(shí)樣品最終體積;V為吸取核酸樣品原液的體積;wP%為核酸樣品中P元素含量百分比。
將高濃度DNA樣品稀釋后用HR-ICP-MS檢測(cè)DNA樣品中磷元素的質(zhì)譜信號(hào)豐度,再根據(jù)HR-ICP-MS檢測(cè)核酸濃度的計(jì)算模型得出DNA濃度。
1.2.6HR-ICP-MS定磷法和UV法的最低檢出限(LOD)
利用小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液,P濃度分別為1、2、3、4、5 ng/mL,用HR-ICP-MS對(duì)上述5種P標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率k。以DNA儲(chǔ)存液TE buffer為空白樣品,用HR-ICP-MS連續(xù)測(cè)量6次超純水和空白樣品的信號(hào),計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差SD和 SDICP;根據(jù)公式計(jì)算:HR-ICP-MS定磷法檢測(cè)磷元素的最低檢出限
LODP=3SDICP/k
以wP%的DNA樣品為例,換算成HR-ICP-MS定磷法檢測(cè)DNA的最低檢出限
LODDNA=3SDICP/(0.1k)
核酸分子含有嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)的共軛雙鍵,其紫外可見吸收光譜在260 nm附近有一強(qiáng)的吸收峰,針對(duì)雙鏈DNA,樣品濃度和吸光值之間有以下關(guān)系:
雙鏈DNA濃度=A260×50,其中A260為核酸在260 nm處的吸光值,單位為ng/μL。本項(xiàng)目中用TE buffer做空白樣品,用紫外分光光度計(jì)測(cè)量6次空白樣品在260 nm處的吸光值,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差SDUV。UV法檢測(cè)DNA的最低檢出限
LODUV=3SDUV×50
1.2.7HR-ICP-MS定磷法的精密度
HR-ICP-MS定磷法測(cè)量轉(zhuǎn)基因大豆質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),連續(xù)測(cè)量8次,計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,考察HR-ICP-MS定磷法的精密度。
以人工設(shè)計(jì)并合成的質(zhì)粒DNA樣品(編號(hào)pXL02)為目標(biāo),開展HR-ICP-MS定量分析,并考察了前處理?xiàng)l件優(yōu)化的必要性。質(zhì)粒DNA樣品基因測(cè)序得到的基本信息如下:質(zhì)粒名稱pXL02,堿基數(shù)4 266 bp,相對(duì)分子質(zhì)量2 593 133 D,磷元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))10.19%。
(1) DNA樣品的純度。用堿裂解法提取的質(zhì)粒DNA樣品中?;煊屑?xì)菌基因組DNA和RNA雜質(zhì),而HR-ICP-MS定磷法根據(jù)核酸中的磷定量,不能區(qū)分DNA和RNA。因此,保證樣品中不含有目標(biāo)DNA外的核酸雜質(zhì),才能進(jìn)行定磷法檢測(cè)。
將質(zhì)粒DNA 樣品PXL02用限制性內(nèi)切酶EcoRI 單酶切消化成線性片段,然后進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳分析。由于質(zhì)粒DNA 序列上有且僅有一個(gè)EcoRI酶切位點(diǎn),環(huán)裝質(zhì)粒DNA經(jīng)過酶切消化后變成一條線性DNA(分子大小不變,仍為4 266 bp)。從圖1中可以看出清晰的DNA條帶,沒有細(xì)菌基因組DNA和RNA、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)污染,滿足瓊脂糖凝膠電泳鑒定標(biāo)準(zhǔn)。理論上,高純度DNA樣品的A260/A280檢測(cè)結(jié)果應(yīng)為1.8~2.0,而A260/A230檢測(cè)結(jié)果應(yīng)達(dá)到2.0;本實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)過純化后的樣品pXL02用紫外分光光度計(jì)檢測(cè),A260/A280=1.9,A260/A230=2.0,滿足紫外分光光度法鑒定標(biāo)準(zhǔn)。表明,實(shí)驗(yàn)室制備的質(zhì)粒DNA樣品純度已經(jīng)足夠高,沒有RNA污染,因此無需進(jìn)一步增加純化步驟。
M-核酸標(biāo)準(zhǔn)片段DL 5 000 Marker; 1-PXL02 經(jīng)限制性內(nèi)切酶EcoRI 酶切后的產(chǎn)物
圖1 PXL02 電泳分析結(jié)果
(2) 微波消解的必要性。由于微波消解是HR-ICP-MS檢測(cè)樣品常用的前處理方法,因此,設(shè)計(jì)試驗(yàn)考察質(zhì)粒DNA樣品是否需要微波消解的前處理方法及其對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。同樣的DNA樣品分成兩組,一組經(jīng)過微波消解;另一組不經(jīng)過微波消解,分別開展HR-ICP-MS檢測(cè),數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn),微波消解后的樣品HR-ICP-MS檢測(cè)信號(hào)降低9%,標(biāo)準(zhǔn)偏差增加32%。原因可能是低濃度的DNA在長(zhǎng)時(shí)間的高溫微波消解過程中容易吸附在管壁上,導(dǎo)致部分DNA樣品損失,使樣品間檢測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差增大。
表1 微波消解質(zhì)粒樣品對(duì)HR-ICP-MS影響的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)
t-test統(tǒng)計(jì)分析微波消解和未微波消解質(zhì)粒樣品濃度的檢測(cè)結(jié)果(表1)t(t-crit,說明兩種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不存在顯著性差異。因此,微波消解DNA樣品的方法會(huì)降低質(zhì)譜信號(hào),并引入更多的質(zhì)譜檢測(cè)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏差,但對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度沒有實(shí)質(zhì)性影響。
因此,通過考察分析樣品的前處理?xiàng)l件,確定HR-ICP-MS定磷法定量DNA樣品的前處理過程無需進(jìn)行微波消解,但需要鑒定樣品DNA純度,保證樣品中不含有目標(biāo)DNA外的核酸雜質(zhì)。
考慮到DNA樣品的生物特殊性,用無機(jī)磷做標(biāo)準(zhǔn)曲線可能與實(shí)際DNA樣品有差異。因此,分別用無機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液,考察兩種標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)HR-ICP-MS檢測(cè)DNA的影響。根據(jù)3次獨(dú)立試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(見圖2)分析,小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率小于無機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析t-test統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2,兩種標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率存在顯著性差異。因此,小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線與無機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線有很大不同。
(a)
圖2 無機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線和小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線((a)~(c)分別表示在不同時(shí)間進(jìn)行的3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn),每次實(shí)驗(yàn)每種標(biāo)準(zhǔn)曲線做3個(gè)重復(fù))表2 無機(jī)磷和小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線差異統(tǒng)計(jì)分析
為進(jìn)一步選擇適合檢測(cè)DNA的工作標(biāo)準(zhǔn),將鮭魚精DNA成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為被測(cè)樣品。HR-ICP-MS測(cè)量樣品依據(jù)無機(jī)磷工作標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算結(jié)果為843.37 mg/L,依據(jù)小牛胸腺DNA工作標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算結(jié)果為944.68 mg/L。鮭魚精DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書上標(biāo)明其標(biāo)準(zhǔn)值為(968±38) mg/L,k=2。用小牛胸腺DNA工作標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的HR-ICP-MS測(cè)量結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)值,而用無機(jī)磷工作標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的結(jié)果與比標(biāo)準(zhǔn)值明顯偏低12.9%。分析原因,認(rèn)為在檢測(cè)核酸樣品時(shí),DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比無機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與樣品具有更好基體一致性,HR-ICP-MS定磷法測(cè)量DNA樣品時(shí)應(yīng)該選擇小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線作為工作標(biāo)準(zhǔn)。
利用儀器調(diào)試溶液對(duì)儀器進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)試,儀器的最優(yōu)化條件為:冷卻氣流量16.86 L/min,輔助氣流量0.99 L/min,霧化氣流量1.123 L/min,功率1 350 W。
以小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中磷的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x),質(zhì)譜信號(hào)豐度為縱坐標(biāo)(y)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,如圖3所示,線性擬合度良好。
用HR-ICP-MS連續(xù)測(cè)量6次超純水和空白樣品,兩者質(zhì)譜信號(hào)值差別很小,說明空白樣品中沒有干擾HR-ICP-MS檢測(cè)的元素。其中空白樣品的SDICP為35.06 cps。HR-ICP-MS定磷法的磷元素最低檢出限LODP為0.032 ng/mL,換算成HR-ICP-MS定磷法檢測(cè)DNA的最低檢出限LODDNA為0.000 32 ng/μL,UV法連續(xù)測(cè)量6次空白樣品的SD為0.002 Abs,檢測(cè)DNA的最低檢出限LODUV為0.3 ng/μL,可見HR-ICP-MS檢測(cè)DNA的最低檢出限優(yōu)于紫外分光光度法3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,HR-ICP-MS定磷法檢測(cè)DNA的靈敏度更低,適用于定量低濃度DNA樣品。用HR-ICP-MS定磷法8次測(cè)量轉(zhuǎn)基因大豆質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.15%,證明該方法精密度良好。
圖3 小牛胸腺DNA含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線
在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制中,將HR-ICP-MS定磷法應(yīng)用于阪崎腸桿菌檢測(cè)質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值。4個(gè)阪崎腸桿菌檢測(cè)質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(PXL04、PXL05、PXL06、PXL07)采用UV法和HR-ICP-MS定磷法2種方法定值;HR-ICP-MS檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。匯總?cè)吭紨?shù)據(jù)后經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)確認(rèn)各組數(shù)據(jù)無離群值、各組數(shù)據(jù)等精度、每組數(shù)據(jù)的平均值之間不存在顯著性差異后,取檢測(cè)結(jié)果的平均值為各質(zhì)粒DNA 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值,分別為52.4,61.6,74.4,85.4 ng/μL。因此,HR-ICP-MS定磷法的精確度和靈敏度都能很好的滿足質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值,在今后研究中可以應(yīng)用于質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值。
表3 HR-ICP-MS定磷法測(cè)量阪崎腸桿菌質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)
本文通過實(shí)驗(yàn)研究,建立了一種HR-ICP-MS定磷法定量檢測(cè)DNA分子的方法。該方法可作為常規(guī)制備DNA稀釋后直接定量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值方法,具有簡(jiǎn)便快捷、靈敏度高、精密度好等優(yōu)點(diǎn),滿足DNA實(shí)際定量測(cè)量的應(yīng)用需求。該方法重點(diǎn)攻克生物分析量值溯源領(lǐng)域的瓶頸問題,實(shí)現(xiàn)DNA分子HR-ICP-MS可溯源定值,推動(dòng)DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制工作,為生物檢測(cè)過程提供量值傳遞依據(jù)。
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