Усовершенствованный метод полимеразной цепной длины фрагмента реакции-полиморфизм ограничение для генотипирования видов Pufferfish с помощью жидкостной хроматографии / масс-спектрометрии описана. Обратного-фазовой колонке монолита используется для разделения переваренные ампликонов. Этот метод может пролить свет моноизотопном массы олигонуклеотиды, что полезно для идентификации базовой композиции.
Усовершенствованный вариант полимеразной цепной реакции (ПЦР) фрагмента -restriction полиморфизма длины (RFLP) метод для генотипирования токсичных видов Pufferfish с помощью жидкостной хроматографии / ионизацией электрораспылением масс-спектрометрии (ЖХ / МС-ЭРИ) описывается. Выделение ДНК проводят с использованием набора для экстракции ДНК кремнезем мембрана на основе. После ПЦР-амплификации с использованием моющего средства, свободной от ПЦР-буфера, ферменты рестрикции добавляют к раствору без очистки реакционного раствора. Обратного-фазовой колонке монолита и преобразование Фурье масс-спектрометр высокого разрешения с модифицированным KINGDON анализатор ловушки используются для разделения и обнаружения, соответственно. Подвижная фаза, состоящая из 400 мМ 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанола, 15 мМ триэтиламина (рН 7,9) и метанол, поступает со скоростью потока 0,4 мл / мин. Время цикла для ЖХ анализа / ESI-MS составляет 8 мин, включая уравновешивания колонки. Деконволюция программного обеспечения, имеющего модель распределения изотопов Oе олигонуклеотида используется для вычисления соответствующего моноизотопиче- массы из масс-спектра. Для анализа олигонуклеотидов (диапазон 26-79 нуклеотидов), масса точность была 0,62 ± 0,74 частей на миллион (N = 280) , а также высокую точность и точность были выдержаны в течение 180 ч , без использования стандартного замка массы.
Масс – спектрометрия (МС) является общепринятой технологией для быстрой и надежной идентификации нуклеиновых кислот, матричной лазерной десорбцией / ионизацией (MALDI) и ионизацией электрораспылением (ESI) используется для ионизации 1,2. MALDI метод, как правило, в сочетании с временем пролета (TOF) анализатор; Тем не менее, применение MALDI-TOF MS ограничивается короткие олигонуклеотиды (~ 25 нуклеотидов (нт)) в связи с последующей фрагментации, образования аддуктов и низкой эффективностью ионизации 1,2. В противоположность этому , ESI применима к более длительным олигонуклеотиды (> 100 нт), но многие зарядовые состояния нескольких заряженных ионов ([М-нГн] n-) производятся одновременно с биомакромолекулах и, следовательно, масса анализируемого вещества может превышать верхний предел m / z диапазона спектрометра. Это требует интерпретации свернутой спектров, то есть преобразование заряда государственного ряда в соответствующей массыс помощью деконволюции.
В случае измерения массы небольшой молекулы, пик моноизотопном массы, то есть масса молекулы , содержащей только самый общий изотоп каждого элемента является наиболее распространенным и встречающемся в природе 3. По мере увеличения молекулярного веса, изотопные сдвиги в распределении к более высоким м / г и моноизотопном пика затемняется в зависимости от исходного шума 3-5. После того , как пик одноизотопные более не определяется для масс , больших , чем 10 кД 3, средняя молекулярная масса не используется для измерения , а не моноизотопном массы 5. В таких случаях, изотопное распределение , в котором каждый из индивидуальных пиков , разделенных 1 Da может наблюдаться только тогда , когда масс – анализатор с высоким разрешением , таких как TOF, после преобразования Фурье модифицированного KINGDON анализатору Trap 6, или преобразование Фурье ионного циклотронного резонанса анализатор используется для анализа. Тем не менее, наиболее распространенный пик sometimes не согласуется со средней молекулярной массой 5. Эти проблемы могут привести к трудностям для точного определения аналитов.
Учитывая различия в естественном содержании стабильных изотопов и трудности в определении средней молекулярной массы, измерение моноизотопном массы идеально подходит для массового характеристики биомолекул 3,4. На практике, может ли наблюдаться моноизотопной пик или нет, моноизотопном массы можно оценить путем сравнения картины наблюдаемого изотопного распределения к теоретической , рассчитанной из модели аналита 4,7-10. Фитинг алгоритм 8 теперь включены в проприетарное программное обеспечение.
В контексте ESI-MS, диссоциация ДНК – дуплекс, очистки и обессоливания необходимы для непосредственного измерения , чтобы избежать провала ионизации за счет подавления ионов и аддукта 2,10-14. Эти процедуры являются troublesome, тем не менее, полностью автоматизированные аналитические системы были разработаны коммерчески с участием полимеразной цепной реакции (ПЦР), пробоподготовки и ESI-MS для обнаружения возбудителей 15-20. Другой подход представляет жидкостной хроматографии (LC) для разделения. LC обеспечивает он-лайн разделение аналитов из сосуществующих веществ и не требует трудоемкой подготовки образцов до ионизации 21,22. Тем не менее, отделение нуклеиновых кислот с использованием MS-совместимой подвижной фазы является более трудным, чем для большинства других соединений, таких как лекарственные средства, пептиды и белки в связи с полианионная природы нуклеотидов. Наиболее успешные примеры LC / ESI-МС включают использование ионно-пары с обращенной фазой LC. Подвижная фаза 1,1,1,3,3,3-гексафтор-2-пропанол (HFIP) -triethylamine (ТЕА) -метанола первоначально был предложен Apffel и др. Для выделения и обнаружения коротких олигонуклеотидов 23. Применение LC / ESI-MS генотипирования для differentiatioп видов патогенных микроорганизмов, однонуклеотидных полиморфизмов и короткие тандемные повторы сообщается с использованием капиллярного полимер-монолитный столбец , который может отделить более длинные олигонуклеотиды 1,21,24-33.
В Японии и Соединенных Штатах, серьезное пищевое отравление произошло из – за неправильной идентификации и несоответствующей подготовки Pufferfish, и это несмотря на то , что распределение и подготовка Pufferfish строго контролируется законодательством безопасности пищевых продуктов 34,35. Более того, умышленное убийство с использованием экстракта Pufferfish имело место в Японии 36. Таким образом, дифференциация видов Pufferfish требуется как от общественного здравоохранения и судебно-следственных точек зрения. Кроме того, поскольку Бурый Скалозуб гораздо дороже , чем другие виды Pufferfish, возможность дифференциации также необходима в контексте мошенничества еды исследований.
Здесь, подробный способ определения мonoisotopic масса продукта ПЦР с помощью ЖХ / ESI-MS с использованием обращенно-фазовой колонке монолита и масс-спектрометра высокого разрешения описывается. В частности, подход был разработан , чтобы обеспечить дифференциацию токсичных видов Pufferfish , основанных на использовании ПЦР полиморфизма длин рестрикционных фрагментов (ПДРФ) метод 37, который является первым примером для видовой дифференциации животных с использованием MS.
Для того, чтобы извлечь ДНК, коммерческий набор для экстракции ДНК из крови и тканей используется в соответствии с протоколом производителя с незначительной модификацией (количества протеиназы К и центрифугирование раствора для лизиса). Тем не менее, любой набор для выделения может быть использован до тех пор, как клеточной ДНК может быть извлечена с соответствующим восстановлением и чистоты для ПЦР. Этот метод был протестирован с использованием мышц, FIN, печени, яичников и кожи 37. Fin особенно подходит из – за большой площади поверхности, что дает возможность быстрого лизиса протеиназой К. свежие, мороженые, сушеные, вареные и запеченные образцы Pufferfish были успешно испытаны 37.
Набор праймеров ПЦР (таблица 1) предназначена для Pufferfish и усиливает митохондриальной 16S рибосомальной РНК гена из Pufferfish. ДНК – мишень для амплификации составляет 114-115 пар оснований (род Takifugu) и 86 пар оснований (род Lagocephalus) (таблица 5). Для облегчения метода developmeнт, использовались синтезированные олигонуклеотиды, имеющие последовательности-мишени для справки, а не собирать подлинные образцы Pufferfish. Набор праймеров может быть заменен другим набор праймеров в ответ на цели, тем не менее, конечная длина ДНК после ферментативного расщепления должна быть не менее 100 нт с точки зрения поддержания качества масс-спектра, необходимого для успешного деконволюции. Кроме того, давление азота в C-ловушки должна быть уменьшена, когда целевой олигонуклеотид больше, чем приблизительно 75 нт, а качество масс-спектра недостаточна для успешного деконволюции. Такие ограничения могут контролироваться с помощью последних разработок в области программного обеспечения устройства, в противном случае клапан для C-ловушки внутри корпуса должны быть настроены, как описано в разделе протокола. Что касается подготовки проб, использование моющих средств , свободных от реагентов имеет решающее значение для последующего LC с точки зрения соответствующей формы пика, достаточной интенсивности пика и стабильным временем удерживания 31.
<p cдеваха = "jove_content"> Микросотовый-ДВБ капиллярная колонка монолит 21,24-33, C 18 с обращенной фазой 23,40,41 в виде частиц диоксида кремния и хроматографии гидрофобного взаимодействия (HILIC) колонка 42 были использованы для LC / ESI-МС анализ олигонуклеотидов. Среди них, капиллярная колонка монолит превосходит другие с точки зрения способности разделения, однако, капиллярная колонка монолита используется в последних исследованиях было сделано в доме и работает при низкой скорости потока (2 мкл / мин), что требует приборов посвященный микро-LC. Для облегчения операции, коммерчески доступные столбцы были оценены для разделения длинных олигонуклеотидов при более высоких скоростях потока (100-400 мкл / мин). Три пары дуплексов ДНК (26, 37 и 53 п.н.) были разделены с использованием указанных выше столбцов, однако, длительность цикла подачи -bonded колонны в виде частиц диоксида кремния C 18 и колонки PS-ДВБ монолита были 65 и 70 мин, соответственно , в то время как у с <sub> 18 -bonded колонка монолита составляла 8 мин (Рисунок 1). Принимая быстрый анализ во внимание, колонка монолита C 18 -bonded был выбран для наших целей , несмотря на ограниченные возможности разделения; однако остальные две колонны, могут быть использованы, когда требуется улучшенное разделение. Теоретически, в случае колонны монолита, нет интерстициального объема и подвижная фаза будет вынуждена течь через поры твердой фазы при сохранении последовательной длины пути, таким образом , что позволяет эффективное разделение 27. Такие процессы будут проявляться, в частности, при анализе биомакромолекулах таких как олигонуклеотид, как медленной диффузии крупных молекул. Одним из практических достоинств колонны монолита является то , что обратное давление ниже , чем у колонке с диоксидом кремния частиц 27. Несмотря на высокой скорости потока (400 мкл / мин) и низкой температуре колонки (20 ° C), максимальное обратное давлениеСистема была 12,5 МПа 37. Это первая демонстрация преимущество -bonded колонны монолита в C 18 для быстрого анализа длинного олигонуклеотида. Из-за большой скорости потока воды, выделенный инструмент для микро-LC и точного выравнивания на границе раздела не требуется. Вместо этого нагретый ЭРИ зонд требуется диссоциировать ДНК-дуплекса и помочь ионизацию ДНК, как описано позже.Ионно-пара-хроматографии обычно используется для МС-совместимого разделения олигонуклеотидов. Тем не менее, реагент, ионную пару, как правило вмешивается в процесс ESI и снижает чувствительность ESI-MS. Поэтому HFIP часто используется для подвижной фазы, чтобы улучшить чувствительность олигонуклеотида. Тем не менее, HFIP (точка кипения 59 ° С) быстро испаряются на границе раздела до того (точка кипения 65 ° С) , метанол , и, следовательно, эта потеря растворителя повышает рН и способствует диссоциации реагента ионной пары (т.е., ТЭА)от олигонуклеотида. Поскольку настоящий способ использует нагретый ESI зонд, который nebulizes элюата с горячим газообразным азотом при 350 ° С, этот эффект может быть преувеличена. Вместо того , чтобы HFIP-TEA буфера, Эрба и Oberacher рекомендовал cyclohexyldimethylammonium ацетат (CycHDMAA, рН 8,4) для анализа генотипирования из – за снижения образования аддуктов с трассировка ионами металлов 33. Авторы сделал вывод, что само по себе CycHDMAA подавлено образование металлического аддукта. Несмотря на литературу, образование значительное аддукт не наблюдалось в настоящем способе. Кроме того, следует отметить преимущество системы HFIP-ТЭА-метанол , что площадь пика , полученный с системой HFIP-ТЭА-метанол в 17 раз больше , чем полученный из CycHDMAA-ацетонитрил системы при анализе ампликона 86 п.н. Т. poecilonotus (данные не показаны). Одним из недостатков системы HFIP-ТЭА-метанол, тем не менее, является увеличение стоимости по сравнению с CycHDMAA-ацетонитрил системы.
Расчет моноизотопном массы требует разделения изотопных пиков многозарядных ионов. Таким образом, разрешение является критическим для настоящего анализа. Несмотря на то необходимая мощность разрешение зависит от длины пары оснований аналита, обычные TOF анализаторы, которые имеют разрешающую способность нескольких десятков тысяч, может быть ограничено для анализа коротких олигонуклеотидов.
Теоретические моноизотопные массы , показанные в таблице 4 , были рассчитаны из соответствующих базовых композиций аналитов. В качестве альтернативы, Muddiman и др. Разработали программное приложение для расчета базовой композиции из точной массы 43. Аналогичная программа была интегрирована в автоматизированную систему ESI-MS 16-18. Использование этих алгоритмов может повысить надежность данного способа, так как измеренный одноизотопные масса не всегда соответствует уникальной базовой композиции Oкрыло к массовой допуском 3 промилле в результате неизбежной погрешности измерения. К сожалению, мы не смогли получить эти программные продукты для настоящего исследования.
Настоящее определение видов одноизотопные массы на основе могут быть пригодны не только для дифференциации Pufferfish, но и для обнаружения других полиморфизмов ДНК, так как данный способ основан на анализе базовой композиции и не включает в себя процедуры, специально предназначенные для Pufferfish. Что касается обнаружения полиморфизма ДНК, выделенная система ESI-МС полностью автоматизирован и прост в эксплуатации, которые могут быть пригодны для диагностического применения , таких как обнаружение патогенных микроорганизмов 15,17,18,20,30. С другой стороны, данный способ является осуществимым с общих исследовательских инструментов и аппаратов и, следовательно, пригодных для применения в исследовательских целях. ESI-MS уже был применен к полиморфизма ДНК человека , такие как полиморфизм единичного нуклеотида 13,28,32, коротких тандемных повторов 26И митохондриальной ДНК analsis 16,19. Микро РНК также анализировали с помощью капиллярной ЖХ / ESI-MS 44. Эти опубликованные заявки также могут быть реализованы в соответствии с настоящим способом. Кроме того, этот метод может быть пригоден для мониторинга взаимодействия между олигонуклеотидом и низким молекулярным весом соединений, таких как взаимодействие антибиотиков и рибосомальной РНК 45 вследствие разделения низкотемпературной. В таких случаях, олигонуклеотиды и низкомолекулярных соединений веса должны быть обнаружены одновременно, что является преимуществом использования LC / ESI-MS.
Существует ограничение, что аппаратура не подходит для проведения параллельного анализа, как и в обычных методов, таких как Sanger секвенирования и ПЦР в реальном времени. Кроме того, способ согласно настоящему изобретению идентифицирует только базовый состав и любое основание, подмена в пределах одной молекулы не могут быть выделены. Тем не менее, МС-анализ на основе ДНК, описанный здесь, возможно, еще заслугу в срокs точности по сравнению с ДНК-связывающего методы на основе красителей, таких как гель-электрофорез и ПЦР в реальном времени.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by a Grant-in-Aid for Scientific Research by the Japanese Society for the Promotion of Science (15K08060).
DNeasy Blood & Tissue Kit (50) | Qiagen | 69504 | DNA extraction kit |
Proteinase K | Qiagen | 19131 | |
Ethanol (99.5+ vol%) | Wako | 054-07225 | For dilution of wash buffers |
TE buffer (pH 8.0) | Wako | 310-90023 | For dilution of DNA sample |
PCR primer | Fasmac | NA | Purified with reverse-phase cartridge column by the supplier |
Template DNA | Eurofins Genomics | NA | Purified by HPLC by the supplier |
Ultrapurified water | NA | NA | Generated with a Milli-Q Direct water purification system (Merck Millipore), used for sample preparation |
Detergent Free 5X Phusion HF Buffer | Thermo Fisher | F-520L | Use instead of the provided buffer of DNA polymerase |
Pfu-X DNA polymerase | Jena Bioscience | PCR-207S | |
dNTP mix (20 mM each) | Jena Bioscience | NA | Supplied with the DNA polymerase |
10× Universal buffer M | Takara Bio | NA | Containing 100 mM Tris-HCl (pH 7.5), 100 mM MgCl2, 10 mM dithiothreitol and 500 mM NaCl |
Dra I | Thermo Fisher | FD0224 | Restriction enzyme |
Msp I | Thermo Fisher | FD0544 | Restriction enzyme |
1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (HFIP) | Fluka | 42060-50ML | Eluent additive for LC-MS grade. |
Triethylamine (TEA) | Fluka | 65897-50ML | Eluent additive for LC-MS grade. |
Trifluoroacetic acid | Sigma-Aldrich | T6508 | For preparation of calibrant. |
Sodium hydroxide (1.0 M) | Fluka | 72082 | Dilute to 10 mM with ultrapurified water and use for titration of trifluoroacetic acid. |
Acetonitrile | Fluka | 34967 | For preparation of calibrant, LC/MS grade. |
Methanol | Kanto | 25185-76 | For mobile phase, LC/MS grade. |
Water | Thermo Fisher | W6-1 | For mobile phase, LC/MS grade. |
Microcentrifuge tube (0.5 ml) | Eppendorf | 0030123301 | PCR clean grade |
Microcentrifuge tube (1.5 ml) | Eppendorf | 0030123328 | PCR clean grade |
UVette | Eppendorf | 0030106300 | Disposable UV cuvette. |
Gel Green | Biotium | 41004 | Fluorescent DNA stain |
Cosmospin filter G (0.2 μm) | Nakalai Tesque | 06549-44 | Made of hydrophilic polytetrafluoroethylene (PTFE) membrane. Any centrifugal filter unit (pore size, 0.2–0.5 μm) made of hydrophilic PTFE or another low-binding membrane is applicable. |
300-μl PP screw vial | American Chromatography Supplies | V0309P-1232 | |
Preassembled screw cap and septa | Finneran | 5395-09R | |
Monobis C18 analytical column (2.0×50 mm, mesopore size = 30 nm) | Kyoto Monotech | 2050H30ODS | Outside Japan, available for purchase from GL Sciences via its distributors. (http://www.glsciences.com/distributors/) |
Monobis C18 guard column | Kyoto Monotech | GCSET-ODS3210 | Holder included. |
Cadenza CW-C18 (3.0×250 mm) | Imtakt | CW036 | C18-bonded particulate silica column |
ProSwift RP-4H (1.0×250 mm) | Thermo Fisher | 066640 | Poly(styrene-divinylbenzene) monolith column |
Themo Mixer C | Eppendorf | 5382 000.023 | For digestion of fish tissues. |
Spectrophotometer | Shimadzu | UV-3150 | Quantification of DNA concentration. |
Thermal cycler | Bio-Rad | T100 | |
Portable refrigerator | Twinbird | D-CUBE | For aqueous mobile phase to avoid evaporation of HFIP. This can be replaced by an ice box. |
Ultimate 3000 liquid chromatograph | Thermo Fisher | NA | |
Q Exactive mass spectrometer | Thermo Fisher | NA | Fourier transform mass spectrometer equipped with the modified Kingdon trap analyzer. |
Protein deconvolution 3.0 | Thermo Fisher | NA | Use version 3.0 or higher having an isotopic patter model of nucleotide. |