荧光Cy5DNA扩增及酶切产物分离–检测
Amplification of Fluorescent Cy5DNA and Separation-Detection of Digestion Product
DOI: 10.12677/AMB.2022.114030, PDF, HTML, XML,  被引量 下载: 190  浏览: 322  国家自然科学基金支持
作者: 郑园霞, 张 毅, 李雪刚:河南农业大学,生命科学学院,河南 郑州;刘亮伟:河南农业大学,生命科学学院,河南 郑州;农业部农业酶工程重点实验室,河南 郑州
关键词: 荧光DNA扩增酶切产物纯化柱分离荧光检测Fluorescent Cy5dna Amplification Digestion Product Column Separation Fluorescence Detection
摘要: dNTPs加入一定比例Cy5-dATP可以扩增荧光Cy5DNA,用于T5外切酶(T5exo)类DNA酶检测,关键是酶切产物分离–检测。[方法]本研究以1/1000 Cy5-dATP的dNTPs扩增5851 bp荧光Cy5DNA pET28a-xyn。基于纯化柱吸附DNA原理,首先确定2倍P3缓冲液(2×P3)为纯化柱吸附DNA最小用量,进而用纯化柱以2×P3分离Cy5DNA溶液、等量Cy5DNA经T5exo酶切反应液(Cy5DNA-T5exo),分别得到洗脱液(含有Cy5DNA)和滤出液(含有酶切产物Cy5-dATP)。[结果]酶标仪定量检测显示,含120 ng Cy5DNA洗脱液荧光值5824、滤出液0。含120 ng Cy5DNA-T5exo滤出液荧光值7573、洗脱液0。激光共聚焦显微镜定性检测显示,Cy5DNA洗脱液有荧光、滤出液无。Cy5DNA-T5exo滤出液有荧光、洗脱液无。定量和定性检测结果与纯化柱吸附DNA、滤出酶切产物原理和功能相同。进而分析了Cy5DNA浓度、Cy5-dATP浓度与荧光值的定量关系。[结论]荧光Cy5DNA成功扩增,其酶切产物经纯化柱以2×P3成功分离,为荧光DNA扩增和用于DNA酶活性检测奠定了基础。
Abstract: [Objective] Amplified with dNTPs added with a specific ratio of fluorescent Cy5-dATP, fluorescent Cy5DNA can assay exonuclease such as T5 DNA exonuclease (T5exo), key is separation-detection of digestion product. [Method] Amplified with dNTPs added with 1/1000 Cy5-dATP, a 5851 bp fluorescent Cy5DNA pET28a-xyn served for T5exo digestion. Basing on DNA-absorbing principle of DNA-clean column, a 2-flod buffer P3 (2×P3) that of DNA solution was determined as the least quantity of a column to absorb DNA. Next, a DNA-clean column with 2×P3 served to separate a solution containing Cy5DNAs or equal amount of Cy5DNAs digested by T5exo to collect filtrate and elute, respectively.[Result] Assayed by a microreader SpectraMax® i3x, the filtrate and elute from 120 ng Cy5DNAs-T5exo solution had a fluorescence value of 7573 and 0, respectively. The elute and filtrate from 120 ng Cy5DNA solution had a fluorescence value of 5824 and 0, respectively. Assayed by a con-focal microscope, the filtrate from Cy5DNA-T5exo solution exhibited Cy5-dATP fluorescence, while the elute did not. The elute from Cy5DNA solution exhibited Cy5 fluorescence, while the filtrate did not. Both the quantity and the quality assay were in agreement with the principle and usage of DNA-clean column. Additionally, correlation was analyzed for concentration of Cy5DNA and Cy5-dATP with fluorescence intensity. [Conclusion] Cy5DNA pET28a-xyn was amplified successfully, and its T5exo digestion product Cy5-dATP was separated by a DNA-clean column with a 2×P3 buffer. The study provided a basis for fluorescent DNA amplification and usage in assaying DNA-cutting enzyme.
文章引用:郑园霞, 张毅, 李雪刚, 刘亮伟. 荧光Cy5DNA扩增及酶切产物分离–检测[J]. 微生物前沿, 2022, 11(4): 241-250. https://doi.org/10.12677/AMB.2022.114030

1. 引言

DNA酶学性质涉及底物DNA和酶切产物核苷酸,但是二者均难以检测,所以DNA酶学性质研究的关键是酶切产物分离和检测。放射性标记DNA最早作为底物研究DNA酶活性,经DEAE-sephadex吸附、NaCl-NaOAc/urea缓冲液梯度洗脱,通过检测酶切产物放射性探讨外切酶性质 [1] - [6]。但是,放射性标记DNA制备复杂而且危害健康 [5] [6] [7]。此后,荧光染料PicoGreen、SYBR Green I、BEBO用于DNA酶学性质研究 [8] [9],定量检测模板DNA拷贝数 [8] [10] [11] [12]。但是,荧光染料不能定量结合DNA,不是专一性染色酶分子底物,所以特异性低。基于荧光淬灭–激发原理,分子标记用于DNA多态性 [13] [14]、定量PCR [10] [11]、T4DNA连接酶和topoisomerase酶学性质 [15] [16]。特别是Sanger终止法测序使用荧光标记ddNTPs [17] [18],荧光素Cy5-ATP标记double-stranded breaks连接中间物用于激光共聚焦显微镜检测 [19],为荧光DNA扩增、用于酶学性质提供了新途径。

与荧光素Cy5-ATP类似,荧光素Cy5-dATP在激发光649 nm、发射光675 nm时显示红色荧光。dNTPs中加入Cy5-dATP可以扩增荧光Cy5DNA。根据目的DNA分子大小、DNA链中dA碱基个数,在dNTPs中加入一定比例Cy5-dATP可以在荧光DNA中加入定量荧光分子。这种荧光Cy5DNA扩增方便,而且特异性修饰酶分子底物,在酶学性质研究更加优越,但是酶切产物分离–检测是关键。

酶切产物分离可以利用DNA纯化柱解决。其纯化原理是:DNA溶液中加入5倍(×)体积P3缓冲液调节溶液pH值和离子强度 [20],从而将DNA吸附在硅胶材料表面,通过离心得到滤出液(含有P3及酶切产物)。而后纯化柱中央加入30 μL TE洗脱缓冲液,改变硅胶材料pH值和离子强度,从而将吸附DNA重新溶解在TE缓冲液中,通过离心得到洗脱液(含有DNA)。这种原理可以分离酶切产物和底物。

本研究基于上述设想,以加入1/1000 Cy5-dATP的dNTPs扩增5851 bp荧光Cy5DNA pET28a-xyn (xyn为黑曲酶GH11木聚酶基因) [21],用于T5 DNA外切酶(T5exo)酶切反应。首先探讨纯化柱截留DNA所需P3缓冲液的最小用量,进而分离Cy5DNA溶液、Cy5DNA-T5exo反应液,分别得到洗脱液(含有Cy5DNA)和滤出液(含有酶切产物Cy5-dATP),通过酶标仪、激光共聚焦显微镜定量、定性检测,为荧光Cy5DNA扩增、用于DNA酶学性质研究奠定基础。

2. 材料与方法

2.1. 材料

Cy5-dATP (母液浓度1 mM)来自于Thermo Fisher Scientific,高保真Q5 DNA聚合酶,dNTPs,T5 DNA外切酶(T5exo)来自于NEB,正向引物JFV2810 (CAGCCATATGATGAGTGCCG)、反向引物JRV2812 (CATATGGCTGCCGCGCGGCACC,下划线表示正、反向引物间有10 bp同源)、DNA回收试剂盒来自于上海生物工程公司。5851 bp质粒pET28a-xyn (黑曲酶GH11木聚酶基因)由本实验室构建 [21]。

2.2. 荧光Cy5DNA的扩增

5851 bp线性LDNA pET28a-xyn扩增:取1 μL 10 ng/μL pET28a-xyn模板质粒,25 uM正向引物JFV2810、2.5 uM JRV2812,1U Q5 DNA聚合酶,1 μL 10 mM dNTP Mix (终浓度200 μM),10 μL Q5 DNA聚合酶buffer,以水补足50 μL。以双退火程序扩增LDNA [22]:98℃变性2 min,98℃变性20 s,74℃退火15 s,61℃退火15 s,72℃延伸3 min 45 s,72℃延伸10 min,28个循环,4℃保温。扩增60管共3000 μL PCR产物,利用大量–高纯–高浓度DNA的制备方法 [23],在1.55 g/mL氯化铯0.2 mg/mL EB溶液中经76000 rpm密度梯度离心6 h纯化并回收LDNA,用Nanodrop 1000检测浓度(Thermo scientific)。

荧光Cy5DNApET28a-xyn扩增:取1000 ng LDNA pET28a-xyn (2.53×10-4 nmol)为模板,以25 uM JFV2810扩增F链荧光Cy5DNA,1U Q5 DNA聚合酶,1 μL 10 mM dNTP Mix (终浓度200 μM),1 μL 10 μM Cy5-dATP (母液稀释100倍达到10 μM),10 μL Q5 DNA聚合酶buffer,以水补足50 μL反应体系。因为PCR体系中有1 μL 10 mM的dATP,则Cy5-dATP:dATP比值为1:1000。PCR程序为:98℃变性2 min,98℃变性20 s,74℃退火20 s,72℃延伸3 min 45 s,72℃延伸10 min,18个循环,4℃保温。扩增30管共1500 μL PCR产物,利用大量–高纯–高浓度DNA的制备方法 [23],纯化并回收Cy5DNA,用Nanodrop 1000检测浓度。

2.3. 纯化柱截留DNA所需P3缓冲液最小用量

检测纯化柱截留DNA所需P3缓冲液最小用量。按照纯化柱操作说明 [20],含120 ng LDNA的溶液,调整体积为100 μL,分别加入溶液体积1~5倍(×)的P3缓冲液,混匀后加入纯化柱中央,8000 g离心30 s分离得到滤出液(含有核苷酸),而后在柱中央加入500 μL洗涤缓冲液,9000 g离心30 s,并重复一次,而后将纯化柱放入新EP管中,柱中央加入30 μL TE缓冲液,9000 g离心1 min洗脱得到25 μL DNA洗脱液(含有DNA)。用Nanodrop检测滤出液和洗脱液DNA含量和纯度指标,而后电泳检测洗脱液和滤出液DNA条带。

2.4. 荧光Cy5DNA酶切反应纯化柱分离

Cy5DNA-T5exo酶切反应:10 μL切割反应体系中加入360 ng荧光Cy5DNA (9.3 × 10−5 nmol),加入1 μL T5exo (10 U),1×T5exo buffer,37℃酶切反应30 min。阴性对照与酶切反应相同,只是加入120 ng荧光Cy5DNA (3.1 × 10−5 nmol),保温完成后加入1 μL (10 U)热失活T5exo (10% SDS条件下98℃热变性10 min),而后相同条件下定量检测反应液荧光值。

根据纯化柱截留DNA所需最小用量2×P3,将Cy5DNA-T5exo反应液调整为100 μL体积,以2×P3 (200 μL)柱分离,并重复一次,加水补足600 μL滤出液,则每200 μL滤出液对应120 ng Cy5DNA酶切产物。柱中央加入30 μL TE洗脱液,得到25 μL洗脱液加水补足200 μL。

含120 ng 荧光Cy5DNA的溶液调整体积为100 μL,以2×P3柱分离得到600 μL滤出液、25 μL洗脱液加水补足200 μL。酶切产物经过柱分离后得到600 μL滤出液,每200 μL滤出液相当于120 ng荧光Cy5DNA。

为探讨P3对荧光值影响,直接以P3进行2×P3柱分离得到600 μL滤出液、25 μL洗脱液,加水补足200 μL。

2.5. 酶标仪检测Cy5荧光

分别将样品通过2×P3柱分离得到的600 μL滤出液、200 μL洗脱液加入200 μL标准黑色酶标板,以水作为空白对照。以SpectraMax® i3x酶标仪定量检测样品荧光值(Molecular Devices, Thermo Fisher Scientific),因为Cy5dATP为红色荧光,动态方式检测时激发光和发射光波长相差必须大于24 nm,所以选择649 nm激发光、675 nm发射光检测,每30 s采集一次数据,共采集21次荧光值平均。

用IBM SPSS Statistics软件分析各样品荧光值数据显著性,选用软件中“分析”→“比较均值”→“单因素ANOVA”,“两两比较”,选择“LSD (L)、Tukey s-b (K)和Waller-Duncan”参数(Duncan’s multiple range test, P < 0.05),将各样品分为显著性差异的不同组。

检测Cy5DNA与荧光值定量关系时,分别取含有60、120、500 ng Cy5DNA的溶液在200 μL体系中检测荧光值,将荧光值与Cy5DNA浓度(nM)拟合得到线性回归方程,可以通过荧光值计算底物Cy5DNA浓度(nM)。

检测Cy5-dATP与荧光值定量关系时,分别取0.1、0.2、0.4、0.5、0.7、0.9 (0.1~0.9) nM Cy5-dATP检测荧光值,将荧光值与Cy5-dATP浓度(nM)拟合得到线性回归方程,可以通过荧光值计算酶切产物Cy5-dATP浓度(nM)。

2.6. 激光共聚焦显微镜检测Cy5荧光

定性检测样品荧光时,先以70%乙醇溶液超声处理10 min载玻片和盖玻片,镊子取出玻片置于擦镜纸晾干。从酶标仪检测后的滤出液和洗脱液中,分别取出5 μL样品滴加到载玻片上,镊子夹住盖玻片倾斜覆盖液体,避免气泡产生。以A1R HD25激光共聚焦显微镜(Nikon Corporation, Japan),选择638 nm处检测Cy5-dATP样品荧光。

3. 结果与分析

3.1. 荧光Cy5DNA的扩增

荧光Cy5DNA扩增如图1 (上)所示:先以pET21a-xyn质粒为模板、dNTPs为底物、JFV2810和JRV2812为引物反向PCR扩增全长5851 bp线性LDNA。而后以LDNA为模板、JFV2810引物、加入1/1000 Cy5-dATP的dNTPs为底物扩增荧光Cy5DNA。而后,Cy5DNA经T5exo酶切,经DNA纯化柱分离得到酶切产物,进而经酶标仪、激光共聚焦显微镜检测。

对于PCR扩增产物,经过大量–高纯–高浓度DNA制备,分离纯化后共得到74214 ng浓度111.1 ng/μL的LDNA,分离纯化得到39030 ng浓度为130.1 ng/μL荧光Cy5DNA,电泳检测得到5851 bp的LDNA (图1下1、2)和Cy5DNA条带(图1下3、4)。

Figure 1. Amplification and electrophoresis of Cy5DNA. (up) LDNA and Cy5DNA were amplified, digested by T5 DNA Exonuclease, separated by DNA-clean column, and assayed by con-focal microscope and microplate reader. (down) Electrophoresis of Cy5DNA and LDNA recovered by DNA-clean column. M: DNA Marker VI, 1~2: linear DNA, 3~4: fluorescent Cy5DNA, 5~9: filtrate from column with 1~5×P3 buffer recovery of LDNA, 10~14: elution from column with 1~5×P3 buffer recovery of LDNA

图1. Cy5DNA扩增及电泳(上) Cy5DNA扩增模式:依次扩增线性LDNA、荧光Cy5DNA,经T5exo酶切,纯化柱分离、检测(下)纯化柱截留DNA电泳,M:DNA marker VI,1~2:线性LDNA,3~4:荧光Cy5DNA,5~9:1~5×P3缓冲液柱回收LDNA的滤出液,10~14:1~5×P3缓冲液柱回收LDNA的洗脱液

5851 bp LDNA正链有1374个dA (23.5%)、1388个dT (23.7%)、1583个dC、1506个dG碱基,在扩增荧光Cy5DNA时加入1/1000 Cy5-dATP的dNTPs,则每个荧光Cy5DNA分子中引入1.374分子Cy5-dATP,这种荧光分子是随机插入这1374个位置的,引物位置除外。

3.2. 纯化柱截留DNA所需最少用量的P3缓冲液

基于DNA纯化柱回收DNA原理,理论上DNA-T5exo酶切产物随P3缓冲液进入滤出液,未酶切DNA截留在洗脱液。与纯化柱以5×P3回收DNA目的不同 [19],分离酶切产物时要减少P3的稀释作用,所以要探讨截留DNA所需P3最少用量。取LDNA溶液调整为100 μL体积,分别加入1、2、3、4、5倍体积的P3 (1~5×P3),按照纯化柱说明书回收LDNA [20],分别得到滤出液和洗脱液,Nanodrop检测DNA浓度,分析1~5×P3用量截留LDNA效果,从而得到截留DNA P3最小用量。

Nanodrop检测DNA浓度表明,纯化柱以2×P3回收LDNA时,洗脱液DNA浓度为6.8 ng/μL,A260/A230指标为1.94,4×P3洗脱液A260/A230指标2.44,均接近于核酸纯度指标2 (表1)。2×P3滤出液有微量DNA,但其A260/A230纯度指标只有0.28,A260只有0.03,接近3~4×P3滤出液DNA浓度(1.77~1.99 ng/μL),3×P3滤出液A260为负值,5×P3滤出液DNA浓度为负值,说明滤出液DNA是碳水化合物污染的误差。所以,2×P3是纯化柱截留LDNA、稀释酶切产物最小用量。

电泳检测显示,2×P3滤出液没有DNA条带(图1,6),而1×P3滤出液有微量DNA条带(图1,5),而且1~5×P3洗脱液DNA含量接近(图1,10~14)。与其它泳道不同,M和10泳道边缘出现拖尾现象,可能因为5~9泳道滤出液中带有清洗缓冲液,其中异丙醇有展开剂作用。电泳检测与Nanodrop结果相同,显示2×P3纯化柱是截留DNA、分离酶切产物的最少用量。

Table 1. Column recovery of LDNA by 1~5×P3

表1. 1~5×P3柱回收线性DNA

3.3. P3缓冲液不影响荧光值

图2. 定量检测荧光值。H2O:空白对照水,P3-E:2×P3经柱回收的洗脱液,P3-F:2×P3经柱回收的滤出液,F-E:Cy5DNA溶液经柱回收的洗脱液,F-F:Cy5DNA溶液经柱回收的滤出液,T5exo-F:T5exo-Cy5DNA经2×P3柱回收滤出液,T5exo-E:T5exo-Cy5DNA经2×P3柱回收洗脱液,T5exo:T5exo-Cy5DNA反应液,a (H2O、P3-E、P3-F、F-F、T5exo-E),b (F-E、T5exo),c (T5exo-F):组间显著性差异(Duncan’s multiple range test, P < 0.05)

纯化柱需要2×P3缓冲液截留DNA、分离酶切产物,i.e.,有2×P3通过纯化柱滤出到酶切产物中,所以需要探讨P3对酶切产物荧光值的影响。以纯化柱单独分离P3分别得到洗脱液和滤出液,酶标仪定量检测显示P3洗脱液、P3滤出液、水空白对照的荧光值相同(图2,a组P3-E、P3-F、H2O),P3洗脱液和P3滤出液荧光值为0,表明P3不影响酶切产物Cy5-dATP荧光值,该结果与P3不含荧光物一致,可以用于定量检测Cy5-dATP。与无荧光相同的a组还包括T5exo-Cy5DNA经2×P3柱回收洗脱液、Cy5DNA溶液经柱回收的滤出液。有显著荧光值的b组包括Cy5DNA溶液经柱回收的洗脱液、T5exo-Cy5DNA反应液,明显高于b组荧光值的c组包括T5exo-Cy5DNA经2×P3柱回收滤出液。

3.4. Cy5DNA荧光定性及定量检测

激光共聚焦显微镜定性检测Cy5荧光素显示,Cy5DNA溶液有荧光(图3,左),而未加入Cy5-dATP的dNTPs扩增LDNA无荧光(图3,中)、Cy5DNA-T5exo反应物也有荧光(图3,右),无法与Cy5DNA荧光区分开来。

Figure 3. Con-focal microscope 20×image of Cy5DNA (left), LDNA (middle), and Cy5DNA-T5exo digestion product (right)

图3. 激光共聚焦显微镜检测Cy5DNA (左)和LDNA (中) Cy5DNA-T5exo酶切产物(右)

Cy5DNA-T5exo酶切反应液检测有荧光(图3右),定量检测荧光值为5387 ± 866 (图2,b组T5exo),接近Cy5DNA洗脱液荧光值(5824 ± 937),阴性对照反应液荧光值为3451 ± 782。Cy5DNA溶液和阴性对照中均有荧光值说明酶切产物无法与底物分离开来,无法确定T5exo是否切割、以及Cy5DNA的切割程度如何。必须经纯化柱以2×P3分离酶切产物,从而与底物Cy5DNA区分开来。

3.5. Cy5DNA-T5exo酶切产物的柱分离、定量检测

Cy5DNA-T5exo反应液经纯化柱以2×P3分离得到600 μL滤出液(酶切产物Cy5-dATP)、200 μL洗脱液。定量检测发现,200 μL滤出液(相当于120 ng Cy5DNA酶切产物)荧光值7573±1527(图2,c组T5exo-F),其洗脱液荧光值0,与水空白对照相同,结果与T5exo酶切Cy5DNA产生游离核苷酸一致 [3] [24]。因为检测荧光值的各种设备所用检测单位不同,只能用绝对单位a.u或数据表示 [25]。

Figure 4. Fluorescence value relationship with Cy5DNA (left), Cy5DNA recovered after DNA-clean column (middle), and fluorescence value relationship with Cy5-dATP (right)

图4. 荧光值与Cy5-dATP定量关系(左) Cy5DNA柱回收洗脱液荧光(中)及荧光值与Cy5DNA定量关系(右)

分别取0.1~0.9 nM Cy5-dATP检测荧光值,Cy5-dATP与荧光值定量关系方程:y = 368957 × x (y为荧光值,x为Cy5-dATP nM浓度,R2为0.996) (图4,左)。根据Cy5-dATP与荧光值定量关系方程,滤出液荧光值7573 ± 1527相当于Cy5DNA浓度为7573 ÷ 368957 ÷ 1.374 × (5851 ÷ 1374) × 2 = 0.127 nM,i.e.,120 ng Cy5DNA经T5exo酶切产物Cy5-dATP荧光值。结果说明T5exo完全切割120 ng荧光Cy5DNA产生了Cy5-dATP核苷酸,并通过纯化柱以2×P3分离到了滤出液中。

含120 ng Cy5DNA的溶液经纯化柱以2×P3分离得到600 μL滤出液、加水补足200 μL洗脱液。定性检测发现Cy5DNA洗脱液有荧光基团(图4,中)。定量检测洗脱液荧光值5824 ± 937,滤出液荧光值0,该结果与纯化柱截留DNA原理一致。

分别取含60、120、500 ng Cy5DNA的溶液检测荧光值,Cy5DNA与荧光值定量关系为:y = 29079 × x (y,x分别为荧光值和Cy5DNA nM浓度,R2为0.992) (图4,右)。根据Cy5DNA荧光值定量关系方程(图3,右),5824 ± 937洗脱液荧光值相当于5824 ÷ 29079 ÷ 1.374 = 0.146 nM Cy5DNA,接近于120 ng Cy5DNA理论计算浓度0.155 nM。因为Cy5DNA长度为5851 bp,正链中有1374个dA碱基,每1000 dATP中加入1.374个荧光Cy5-dATP (dNTPs中加入1/1000的Cy5-dATP用于扩增Cy5DNA,i.e.,每个荧光Cy5DNA中有1.374个荧光Cy5-dATP)。

Figure 5. Con-focal microscope 20×image of T5exo filtration (left), Cy5DNA-T5exo elution (middle) and Cy5DNA filtration (right)

图5. 激光共聚焦检测Cy5DNA-T5exo切割反应滤出液(左),洗脱液(中),Cy5DNA滤出液(右)

定量检测必须与定性检测结果保持一致,定性检测显示Cy5DNA-T5exo滤出液有明显荧光(图5,左),而Cy5DNA洗脱液有明显荧光(图4中)。所以说2×P3纯化柱分离了酶切产物Cy5-dATP与底物Cy5DNA。检测发现Cy5DNA-T5exo洗脱液没有明显荧光,但是有痕量荧光基团(图5中),这种荧光在误差范围内,Cy5DNA滤出液没有明显荧光,但是也有痕量荧光基团(图5右),这种荧光在误差范围内,定量检测荧光值的差异显著性分析中与水、P3滤出液、P3洗脱液没有显著性差异(图2,a组)。

4. 讨论

放射性标记DNA制备过程复杂而且危害健康 [1] - [6],荧光染料PicoGreen、SYBR Green I、BEBO是非特异性荧光染料 [8] [10] [11] [12],不能定量确定一个DNA分子结合多少个荧光分子。这些染料对所有DNA染色,不是专一性染色酶分子底物,所以特异性不高。本研究dNTPs中加入1/1000 Cy5-dATP扩增5851 bp荧光Cy5DNA pET28a-xyn。Cy5DNA优势在于扩增方便、扩增量大、特异性高、灵敏度高,而且可以在每个DNA分子定量加入荧光分子,所以特异性高。酶学性质研究的关键是产物和底物分离,根据纯化柱吸附DNA原理,探讨了纯化柱截留DNA最小用量为2×P3,为荧光值定性和定量检测奠定基础。

dNTPs中Cy5-dATP比例可以控制Cy5DNA荧光强度,进而控制酶切产物荧光强度,提高酶切产物检测灵敏度。5851 bp线性DNA pET21a-xyn正链含有1374个dA碱基,dNTPs加入1/1000 Cy5-dATP,则每个Cy5DNA带有1.374分子Cy5-dATP。120 ng (3.1 × 10−5 nmol) 荧光Cy5DNA荧光值5824 ± 937,其T5exo酶切产物滤出液荧光值提高1.3倍达到7573 ± 1527,与正链1374个dA碱基中加入1/1000 Cy5-dATP一致。3.1 × 10−5 nmol Cy5DNA有等nmol (3.1 × 10−5 × 10−9 × 6.02 × 1023 = 18.7 × 109)个Cy5-dATP,相当于1/1374 (13.6 × 106)个全链标记荧光Cy5DNA分子。表明DNA双螺旋影响Cy5荧光的释放、检测,而酶切产物游离核苷酸有利于荧光释放、检测。这个结果与荧光Cy5DNA浓度、Cy5dATP浓度与荧光值关系一致。如果扩增1000 bp DNA,则需要dNTPs加入1:100的Cy5-dATP使每个DNA带1个荧光分子。与之相比,EB染色检测DNA的最低限度为10 ng,电泳酶切产物呈现大小不一的弥散条带,所以只能检测底物降解量。长度大小不一的DNA结合EB量也不相同,无法定量比较不同大小的DNA。超螺旋DNA与线性DNA结合EB量也不相同。另外,EB与PicoGreen、SYBR Green I、BEBO荧光染料一样不能定量结合DNA。Nanodrop、分光光度计可以检测DNA浓度A260值,但是酶切反应是产物和底物混合物,无法区分产物和底物,同时无法区分dsDNA和ssDNA。

荧光值定量酶切产物时用到标准曲线,结果显示0.1 nM~0.9 nM Cy5-dATP标准曲线合适,定量检测时发现大于0.4 nM Cy5-dATP有光漂白现象,小于0.4 nM则几乎没有漂白现象,i.e.随检测时间增加荧光强度衰减现象,这与荧光分子数量有关,所以检测荧光时需要合适浓度。荧光定量检测时与溶液体积有关,选择酶标板最大200 μL体积能最大限度减少误差。定量检测显示Cy5DNA-T5exo洗脱液和Cy5DNA滤出液与水空白、非荧光DNA对照相同,定性检测确认不含DNA。但是二者有痕量荧光基团(图5,中右),说明纯化柱不能100%截留Cy5DNA,也不能100%滤出Cy5-dATP,显著性分析显示痕量残留在误差范围内(图2,a组T5exo-E,F-F)。纯化柱分离和检测荧光时,样品间平行操作可以去除这种误差。

研究发现与DNA纯化柱不同,蛋白浓缩的超滤管(3 kDa和100 kDa)不能分离Cy5DNA-T5exo酶切产物,可能蛋白浓缩时不考虑小分子物质是否滤出或吸附膜上。另外,纯化柱吸附200 bp以下DNA效率较低 [20],如果酶切产物小于200 bp,需要通过聚丙烯酰氨凝胶检测,垂直电泳提供聚丙烯酰氨的无氧环境。荧光Cy5DNA在酶学性质研究中特异性更高,但是每个样品都需要纯化柱分离荧光Cy5DNA,探讨更方便的分离方法也是荧光Cy5DNA研究的发展方向。

5. 结论

本研究以1/1000 Cy5dATP加入dNTPs扩增5851 bp的荧光Cy5DNA pET28a-xyn,其T5exo酶切产物通过纯化柱以2×P3有效分离,从而与底物Cy5DNA荧光分离开来。在荧光基团Cy5相应激发光649 nm和发射光675 nm波长下,通过激光共聚焦显微镜、酶标仪定性、定量检测酶切产物荧光值,进而分析了Cy5DNA浓度、dATP浓度与荧光值的定量关系,为荧光DNA定量用于DNA酶学性质研究奠定了基础。

基金项目

国家自然科学基金:基于同源/非同源结构置换的木聚糖酶–葡聚糖酶结构元件功能解析(31771915)。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

[1] Joseph, J.W. and Kolodner, R. (1983) Exonuclease VIII of Escherichia coli II. Mechanism of Action. Journal of Biological Chemistry, 258, 10418-10424.
https://doi.org/10.1016/S0021-9258(17)44473-5
[2] Joseph, J.W. and Kolodner, R. (1983) Exonuclease VIII of Escherichia coli I. Purification and Physical Properties. Journal of Biological Chemistry, 258, 10411-10417.
https://doi.org/10.1016/S0021-9258(17)44472-3
[3] Sayers, J. and Eckstein, F. (1990) Properties of Overexpressed Phage T5 D15 Exonuclease Similarities with Escherichia coli DNA Polymerase I 5’-3’ Exonuclease. Journal of Biological Chemistry, 265, 18311-18317.
https://doi.org/10.1016/S0021-9258(17)44753-3
[4] Ma, X., Hong, Y., Han, W., et al. (2011) Single-Stranded DNA Binding Activity of XPBI, but Not XPBII, from Sulfolobus tokodaii Causes Double-Stranded DNA Melting. Extremophiles, 15, 67-76.
https://doi.org/10.1007/s00792-010-0338-z
[5] Richardson, C.C. (1966) The 5’-Terminal Nucleotides of T7 Bacteriophage Deoxyribonucleic Acid. Journal of Molecular Biology, 15, 49-61.
https://doi.org/10.1016/S0022-2836(66)80208-5
[6] Richardson, C.C., Inman, R.B. and Kornberg, A. (1964) Enzymatic Synthesis of Deoxyribonucleic Acid, XVIII the Repair of Partially Single-Stranded DNA Templates by DNA Polymerase. Journal of Molecular Biology, 9, 46-69.
https://doi.org/10.1016/S0022-2836(64)80090-5
[7] 刘静波. 临床医学与研究中的放射性同位素——用测定还是用测定[J]. 国际放射医学核医学杂志, 1990, 14(1): 45-46.
[8] Tolun, G. and Myers, R.S. (2003) A Real-Time DNase Assay (ReDA) Based on PicoGreen Fluorescence. Nucleic Acids Research, 31, e111.
https://doi.org/10.1093/nar/gng111
[9] Zhang, J., Xing, X., Herr, A.B. and Bell, C.E. (2009) Crystal Structure of E. Crystal Structure of E. coli RecE Protein Reveals a Toroidal Tetramer for Processing Double-Stranded DNA Breaks. Structure, 17, 690-702.
https://doi.org/10.1016/j.str.2009.03.008
[10] Druml, B., Kaltenbrunner, M., Hochegger, R., et al. (2016) A Novel Reference Real-Time PCR Assay for the Relative Quantification of (Game) Meat Species in Raw and Heat-Processed Food. Food Control, 70, 392-400.
https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2016.05.055
[11] Carr, A.C. and Moore, S.D. (2012) Robust Quantification of Polymerase Chain Reactions Using Global Fitting. PLOS ONE, 7, e37640.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0037640
[12] Kubista, M. andrade, J.M., Bengtsson, M., et al. (2006) The Real-Time Polymerase Chain Reaction. Molecular Aspects of Medicine, 27, 95-125.
https://doi.org/10.1016/j.mam.2005.12.007
[13] 王楷宬, Linda van der Graaf, 陆承平, 等. 猪链球菌荧光DNA扩增片段长度多态性检测方法的建立[J]. 中国兽医学报, 2012, 32(10): 1498-1501.
[14] 李倩倩, 赵福杰, 丁庆文, 等. 猪萨佩罗病毒实时荧光定量检测方法的建立[J]. 西北农林科技大学学报自然科学版, 2021, 49(11): 10-16.
[15] Marcussen, L.B., Jepsen, M.L., Kristoffersen, E.L., et al. (2013) DNA-Based Sensor for Real-Time Measurement of the Enzymatic Activity of Human Topoisomerase. Sensors (Basel), 13, 4017-4028.
https://doi.org/10.3390/s130404017
[16] Zhao, B., Tong, Z.X., Zhao, G.J., et al. (2014) Effects of 2’-O-methyl Nucleotide on Ligation Capability of T4 DNA Ligase. Acta Biochimica et Biophysica Sinica, 46, 727-737.
https://doi.org/10.1093/abbs/gmu058
[17] 姚亭秀. 四代DNA测序技术简述[J]. 生物学通报, 2017, 52(2): 5-8.
[18] 宋沁馨, 周国华. 用Cy5-ddNTP结合修饰引物延伸测定人类3种SNP[J]. 中国药科大学学报, 2006, 37(6): 569-572.
[19] Li, X., Jin, J., Wang, M., et al. (2022) Abortive Ligation Intermediate Blocks Seamless Repair of Double-Stranded Breaks. International Journal of Biological Macromolecules, 209, 1498-1503.
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.04.098
[20] Sangon Biotech (2021) Diamond, DiaSpin PCR Product Purification Kit. User Manual, V 1.0. 12-15.
[21] Yang, A., Cheng, J., Liu, M., et al. (2018) Sandwich Fusion of CBM9_2 to Enhance Xylanase Thermostability and Activity. International Journal of Biological Macromolecules, 117, 586-591.
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.05.199
[22] 黄亚威, 贺添艳, 杨昂, 等. 双退火温度PCR扩增DNA[J]. 微生物学报, 2017, 57(8): 1262-1269.
[23] 邵玉强, 金家铖, 李雪刚, 刘亮伟. 大量-高纯-高浓度DNA的制备[J]. 微生物前沿, 2022, 11(2): 67-74.
https://doi.org/10.12677/amb.2022.112008
[24] Wang, H., Li, Z., Jia, R., et al. (2017) ExoCET Exonuclease in Vitro Assembly Combined with RecET Recombination for Highly Efficient Direct DNA Cloning from Complex Genomes. Nucleic Acids Research, 46, e28.
https://doi.org/10.1093/nar/gkx1249
[25] Bajar, B.T., Wang, E.S., Zhang, S., Lin, M.Z. and Chu, J. (2016) A Guide to Fluorescent Protein FRET Pairs. Sensors, 16, 1488.
https://doi.org/10.3390/s16091488