提取和储存核酸的方法和组合物
发明领域
本公开总体上涉及用于以干燥形式从生物样品环境提取、稳定和保存核酸的固体组合物。本公开也描述从固体组合物提取、收集、保存和回收核酸的方法。
发明背景
由于化学自水解和酶介导的降解两者,RNA是最不稳定的生物分子之一。因此,提取和保存从生物样品得到的RNA易受多种环境因素影响,包括但不限于用于提取或收集RNA的缓冲剂、pH、温度,特别是强力(robust)核糖核酸酶(RNases)的普遍存在。因此,纯化和未纯化状态的RNA一般都需要在-80℃储存,以防止水解和酶降解,并保持RNA样品的完整性。为了避免与-80℃冷冻相关的成本和空间要求,在环境条件下提取、收集和保存RNA的能力在经济上合乎需要。
目前在环境条件下以液态保存RNA的方法集中在RNA酶(RNases)的失活,例如,通过使用去污剂、离液化合物(chaotropic compound)、还原剂、过渡金属、有机溶剂、螯合剂、蛋白酶、RNA酶肽抑制剂和抗RNA酶抗体。另外的努力已集中在使RNA化学修饰,以防止酯交换和自水解。但很多市售RNA保存产品仅可在室温保存RNA数天或数星期。声称以干燥形式成功收集和保存RNA的目前技术一般需要在储存RNA之前首先使RNA从生物材料(例如,生物样品,如血液、血清、组织、唾液等)“预纯化”并浓缩。
以干燥形式保存RNA的目前技术还需要另外的干燥设备。因此,这些方法无助于在不进行显著样品处理的情况下从样品(例如,生物样品)直接收集RNA。
因此,本领域期需且需要将从样品(例如,生物样品)提取、稳定和储存/保存RNA整合在单一过程内的组合物和方法。这些组合物和方法允许在环境条件下长期储存RNA,并允许回收完整的RNA用于进一步分析。
发明内容
描述了从样品(例如,下文限定的生物样品)提取和储存核酸的固体基质,其中包含蛋白变性剂、还原剂和缓冲剂的组合物在固体基质中以干燥形式存在。本申请的固体基质允许在环境条件下以干燥形式长期储存RNA和DNA。可使以干燥形式包含核酸(例如,RNA)的固体基质经过一个过程,从而以适用于进一步分析所收集的核酸样品的完整形式从固体基质释放核酸。也提供了用本发明的固体基质从生物样品提取和储存核酸的方法。
附图简述
在参考附图阅读以下详述时,化学改性的多孔薄膜的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解,其中在全部附图中相同的符号代表相同的元件,其中:
图1提供在将培养的人细胞点样到不同组成的固体基质后用电洗脱从纤维素回收的核酸的代表性电泳图。指出了高分子量基因组DNA和28s/18s rRNA带。还提供了用ImageJ.的DNA和RNA的定量。在A组中从各泳道的顶部到底部划垂直线,并且用标绘分布函数(Plot Profile function),将像素强度(灰度值任意单位)作为线距离(cm)的函数作图。在框中显示相当于基因组DNA和28s/18s rRNA的峰。另外的试验细节阐明于以下实施例部分。
图2提供各描述的组合物的28s和18s rRNA的凝胶像素强度,显示为灰度值任意单位。分析前,纤维素样品在干燥箱中在室温储存10天。28s与18s rRNA之比在图上的各条上阐明。另外的试验细节阐明于以下实施例部分。
图3提供各描述的组合物的28s和18s rRNA的凝胶像素强度。分析前,纤维素样品在干燥箱中在室温储存13天。各试验条件的28s与18s rRNA之比在图上的各条上显现。另外的试验细节阐明于以下实施例部分。
图4提供各描述的组合物的28s和18s rRNA的凝胶像素强度。分析前,纤维素样品在干燥箱中在室温储存10天。各试验条件的28s与18s rRNA之比在图上的各条上显现。另外的试验细节阐明于以下实施例部分。
图5提供所示各组合物的28s和18s rRNA条带的凝胶像素强度。分析前,纤维素样品在干燥箱中在室温储存30天。各试验条件的28s与18s rRNA之比在图上的各条上显现。另外的试验细节阐明于以下实施例部分。
图6提供对于所列各条件从纤维素纸上的经干燥血斑(blood spot)检测的RNA完整性计数(RIN),这用RNA 6000 Pico LabChips在Agilent 2100 Bioanalyzer生物分析仪上测定。另外的试验细节阐明于以下实施例部分。
图7提供了在纤维素纸上抗日光破坏的mRNA保护的证据。图形中的各条表示包含图中所示组合物的UV处理和未处理样品之间的qRT-PCR循环阈的差异。另外的试验细节阐明于以下实施例部分。
图8提供在不同缓冲剂存在下在不同温度经4星期时间在纤维素基纸上的TCEP活性。另外的细节提供于实施例部分。
发明详述
本文描述从样品(例如,生物样品)提取并储存核酸(例如,RNA、DNA或其组合)的固体基质,其中包含蛋白变性剂、还原剂和缓冲剂的组合物在固体基质中以干燥状态存在。本发明的组合物允许在环境储存条件下长期干燥保存核酸。关于RNA的环境保存(众所周知其是不稳定的),这一观察结果特别重要。本文所用术语“固体基质”包括但不限于纤维素基产品、纤维素、乙酸纤维素、玻璃纤维或其任何组合。本申请的固体基质可以是多孔的。在具体实施方案中,固体基质为来自Whatman™ 的多孔纤维素纸,例如FTA™或FTA™ Elute。术语“提取”指从样品(更具体地讲,生物样品)分离和分开核酸的任何方法。例如,核酸,如RNA和DNA,可在空气中蒸发性的样品细胞裂解期间释放,或者通过存在于化学改性固体基质(例如FTA™ Elute纤维素纸)中的化合物(其与样品接触时引起细胞裂解并释放核酸)释放。本领域的技术人员应了解,可在公开的组合物和方法中使用使得从样品(例如,未纯化生物样品)提取核酸(特别是RNA)的任何方法,从而核酸能够俘获在固体基质上用于稳定和保存核酸。从样品提取核酸的方法的以上实例只为了说明目的提供。在本文中,对于以适用于进一步分析的形式保持经提取核酸,术语“储存”或“保存”可互换使用。
核酸(特别是RNA)领域的技术人员传统上根据下列评价RNA的稳定性和品质:(1)mRNA靶的定量RT-PCR扩增;(2)在Agilent 2100 Bioanalyzer生物分析仪上的RNA完整性计数(RIN)分析;和(3)28s:18s核糖体RNA(rRNA)之比,这兼顾(compromise)总细胞RNA的整体。高品质细胞RNA一般显示大于1的28s:18s rRNA比,并且RIN评分接近10。另外,高品质细胞RNA支持低丰度和大的(例如,大于1kB) mRNA二者的有效扩增。为了方便的目的,rRNA信号强度和28s:18s rRNA之比通常用于通过凝胶电泳快速筛选并识别具有强的RNA储存性质的样品。
本文限定的“生物样品”包括但不限于从任何生物体(包括人)得到的血液、血清、组织和唾液。生物样品可由经过自诊断检验(例如,血糖监测)的个人得到,或者由受过训练的医学专业人员通过多种技术得到,包括例如用针抽吸血液,或者刮或擦患者皮肤上的特定区域,例如损伤处。收集各种生物样品的方法在本领域熟知。术语“样品”不仅包括以上限定的生物样品,而且还包括例如组织培养细胞和纯化的核酸。
包含蛋白变性剂、还原剂和缓冲剂的组合物存在于本公开的干燥固体基质中。组合物可包含一种或多种各以上所列组分。组合物可任选进一步包含紫外(UV)抑制剂、自由基捕集剂、RNA酶抑制剂、螯合剂或其任何组合。本领域的技术人员应了解,多种蛋白变性剂在本领域已知,并且可经验性地选择用于本文所述的组合物和方法。并非旨在受限于具体的蛋白变性剂,示例性蛋白变性剂包括硫氰酸胍、盐酸胍、精氨酸、十二烷基硫酸钠(SDS)、脲或其任何组合。示例性蛋白变性剂的示意图如下所示:
其中各R可独立为选自氢、含杂原子的基团或烃基的成员。
含杂原子的基团为包含选自氮、氧、硫、磷、硅和硼的一个或多个成员的基团。目的是用反应性官能团结合含胍化合物。携带杂原子的典型反应性基团包括环氧、丙烯酸酯、马来酰亚胺、酰卤、烷基卤、叠氮化物、氰酸酯、异氰酸酯、芳基卤、醛、胺、肟、硫醇、醇、酸、氮丙啶、偶氮、异硫氰酸酯、酐、混合酐、内酯、磺内酯(sultone)和酮。
烃基为包含碳和氢二者的基团,尽管也可包含杂原子,以提高亲水性。目的是用反应性官能团结合含胍化合物。携带烃的典型反应性基团包括烯丙基、苯乙烯基、乙烯基和炔。含杂原子的烃基包括2、3或4-氧基苯乙烯基、氨基烯丙基、氧基烯丙基、氧基乙烯基、氨基乙烯基。
X为阴离子,其为包含一个或多个形式负电荷的基团。一个或多个成员选自氯离子、硫氰酸根、硫酸根、磷酸根、溴、亚氯酸根、氯酸根、硫代硫酸根、碳酸根、碳酸氢根、乙酸根、甲酸根、磷酸氢根、磷酸二氢根。预想可使用一种或多种阴离子,并且可使用携带不同水平(二价、一价、三价)形式电荷的阴离子的组合。阴离子的分子量可在10-100,000之间变化。
术语“还原剂”是指将电子提供到另一种化学物类的化学物类。同样,本领域已知多种还原剂,并且以下和权利要求书中提供的示例性列举不以任何方式限制可用于本公开组合物和方法的还原剂。示例性还原剂包括二硫苏糖醇(DTT)、2-巯基乙醇(2-ME)和三(2-羧基乙基)膦(TCEP)。另外,可用这些或其它还原剂的任何组合来实施本发明。在具体实施方案中,还原剂为TCEP。
本文所用“缓冲剂”包括例如2-氨基-2-羟基甲基-丙-1,3-二醇(Tris)、2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)、3-(N-吗啉代)丙磺酸(MOPS)、柠檬酸盐缓冲剂、4-(2-羟基乙基)-1-哌嗪乙磺酸(HEPES)和磷酸盐缓冲剂。此潜在缓冲剂列举只是为了说明目的。技术人员应认识到,选择用于本文所公开组合物和方法的缓冲剂的pH也是有关的。缓冲剂的pH一般在3至8的范围内。
如上所示,存在于固体基质的组合物可任选包含UV防护剂或自由基捕集剂。并非旨在受限于任何具体UV防护剂,示例性防护剂包括例如氢醌单甲醚(MEHQ)、氢醌(HQ)、甲基氢醌(toluhydroquinone, THQ)和抗坏血酸。在某些方面,自由基为MEHQ。固体基质中的组合物也可包括RNA酶抑制剂,例如氧钒核糖核苷复合物(VRC)或任何市售RNA酶抑制剂(例如,SUPERase-In™)。另外的示例性RNA酶抑制剂描述于Kumar等(2003) Biochemical andBiophysical Research Communications 300:81–86,所述文献全文通过引用结合到本文中。
进一步提供了使用本文所述组合物的方法。在一个实施方案中,提取和保存核酸(例如,RNA、DNA或其组合)的方法包括以下步骤:a)提供固体基质,其中包含至少一种蛋白变性剂、至少一种还原剂、生物缓冲剂和任选的自由基捕集剂的组合物以干燥形式结合到固体基质;b)将样品(例如,生物样品)施加到固体基质,以提取核酸; c)使固体基质干燥;并且d)在环境条件下以干燥状态在固体基质上储存核酸。在所述方法的某些方面,固体基质为多孔纤维素基纸,例如市售FTA Elute™。实施这种方法允许在环境温度下以干燥形式(例如,在固体基质上)储存核酸,特别是RNA,众所周知RNA为储存不稳定的生物分子。在此方法中利用的样品包括但不限于从任何生物体(包括人)得到的生物样品,例如血液、血清、组织和唾液。
以上所述方法可任选包括从固体基质回收核酸用于进一步分析的步骤。例如,通过使固体基质(例如,纤维素纸)在水溶液(例如,以上限定的缓冲剂溶液)或有机溶液中重新水合,可回收核酸。或者,可通过电洗脱从固体基质回收核酸。本领域的技术人员应了解,可用能够从固体基质回收核酸的任何方法实施所公开的方法。
术语“核酸”指所有形式的RNA(例如,mRNA)、DNA(例如,基因组DNA)以及重组RNA和DNA分子或用核苷酸类似物产生的DNA或RNA的类似物。核酸分子可以是单链或双链的。这些链可包括编码或非编码链。本发明包括天然存在的RNA或DNA分子的核酸片段,其可用所公开的组合物和方法回收。“片段”是指核酸(例如,RNA或DNA)的部分。
以下实施例作为说明提供,并且不作为限制。
实施例
实施例1:通用RNA分析
将培养的人淋巴细胞系(即,Jurkat细胞)用作总细胞RNA来源。使细胞在用所示试剂浸渍的7mm纤维素盘上干燥,在干燥箱中在室温储存10天,并根据标准方案电洗脱细胞核酸。简而言之,使盘用15μL在无核酸酶水中的2mg/mL蛋白酶K重新水合,以去除过量蛋白,并干燥~30分钟。将穿孔纸(Punch)放入1% Tris-硼酸盐-EDTA(TBE)琼脂糖凝胶的各孔,并悬浮于包含1X Gel Loading Buffer II的甲酰胺(Ambion)中。细胞核酸在110伏电泳1-2小时,RNA和DNA用SYBR Gold (Invitrogen)后染色,并用Typhoon Imager图像仪(GEHealthcare)检测。所有设备和表面用RNAZap(Ambion)处理,以在从纤维素电洗脱期间和之后保持细胞RNA的完整性。为了同时监测RNA酶污染和识别对照rRNA条带,在琼脂糖凝胶上包括内标,包括RNA 6000 Nano Ladder(Agilent Technologies)和来自肌肉的纯化的人总RNA(Origene)。
电泳图用ImageJ软件数字定量。简而言之,从各泳道的顶部到底部划垂直线,并且用标绘分布函数(Plot Profile function),将像素强度(灰度值任意单位)作为线距离(cm)的函数作图。确定相当于基因组DNA和28s/18s rRNA的峰,并用其计算28s:18s rRNA之比。
图1提供用电洗脱从纤维素回收的核酸的代表性电泳图。指出了高分子量基因组DNA和28s/18s rRNA条带。
图1还提供用Image J的DNA和RNA的定量。在A组中从各泳道的顶部到底部划垂直线,并且用标绘分布函数(Plot Profile function),将像素强度(灰度值任意单位)作为线距离(cm)的函数作图。相当于基因组DNA和28s/18s rRNA的峰在框中显示。
实施例2:经验确定RNA提取和储存的有利条件
本实施例的主要目的是评价试验的各单一因素和组合因素(例如,螯合剂、缓冲剂、pH、蛋白变性剂、还原剂和肽RNA酶抑制剂)对在纤维素纸上保存RNA的作用。本实施例的另外方面是评价还原剂(DTT)的存在潜在增强蛋白变性剂的作用。
再次用Jurkat细胞作为总细胞RNA来源,并将细胞直接施加到纤维素纸样品上,并空气干燥,以模拟一般终端用户应用。总细胞RNA按照以上实施例1中所述的方案通过电洗脱回收到1%琼脂糖凝胶,并根据已知标准分析28s:18s rRNA含量。分析前,包含图2图上各条下所列组分的样品在干燥箱中在室温储存10天。
实施例2的结果示于图2。各条上的数字相当于28s:18s rRNA之比。28s:18s比>1一般表示完整RNA。几种组合物不能使rRNA稳定,包括没有还原剂(DTT)或SUPERase-In使RNA酶失活的样品,或具有碱性pH的样品。含GITC、DTT和中性缓冲剂的样品均优于所有其它试验的试剂组合。
实施例3:继续经验确定RNA提取和储存的有利条件
在实施例2中确定储存RNA的关键组分后,设计实施例3以研究DTT和SDS单独或组合对保存RNA的能力的作用,以及自由基捕集剂和螯合剂加到GITC/DTT组合对实施例2中显示有利RNA稳定性质的性能的作用。
将Jurkat细胞直接施加到纤维素纸样品上,并空气干燥,以模拟一般终端用户应用。总细胞RNA按照以上实施例1中所述的方案通过电洗脱回收到1%琼脂糖凝胶,并根据已知标准分析28s:18s rRNA含量。分析前,将纤维素样品在干燥箱中在室温储存13天。各条上的数字相当于28s:18s rRNA之比。28s:18s比>1一般表示完整RNA。实施例3的结果提供于图3中。
实施例4:继续经验确定RNA提取和储存的有利条件
在实施例3中确定储存RNA的另外的关键组分后,设计实施例4以研究具有更好稳定性和更小气味的备选还原剂(TCEP)是否能够代替DTT。引入本实施例的另一个因素是氧钒核糖核苷复合物(VRC),一种小分子RNA酶抑制剂。比较这些变化,并评价它们稳定rRNA的能力。
将Jurkat细胞直接施加到纤维素纸样品上,并空气干燥,以模拟一般终端用户应用。总细胞RNA按照以上实施例1中所述的方案通过电洗脱回收到1%琼脂糖凝胶,并根据已知标准分析28s:18s rRNA含量。分析前,将纤维素样品在干燥箱中在室温储存10天。各条上的数字相当于28s:18s rRNA之比。28s:18s比>1一般表示完整RNA。实施例4的结果提供于图4中。
实施例5:用于纤维素上RNA储存的选择组合物的长期性能
设计实施例5以评价在室温储存30天后选择组合物的长期性能。将Jurkat细胞直接施加到纤维素纸样品上,并空气干燥,以模拟一般终端用户应用。总细胞RNA按照以上实施例1中所述的方案通过电洗脱回收到1%琼脂糖凝胶,并根据已知标准分析28s:18s rRNA含量。分析前,将纤维素样品在干燥箱中在室温储存30天。各条上的数字相当于28s:18srRNA之比。28s:18s比>1一般表示完整RNA。实施例5的结果示于图5。
实施例6:来自血液的RNA的稳定性分析
设计实施例6以在多种缓冲剂条件下利用新鲜全血评价选择纸组合物的性能。从受试者的尾静脉收集约50μL大鼠全血,并点样到用所示缓冲剂组分制备的RNA稳定纸上。将卡片干燥,并在环境温度但在控制湿度(~20%相对湿度)储存5至22天。将RNA从7mm中心穿孔纸提取到裂解缓冲剂中,并根据在本领域已知的方案通过二氧化硅-膜旋转柱纯化。在纯化和洗脱后,在Agilent 2100 Bioanalyzer生物分析仪上用RNA 6000 Pico LabChips测定RNA完整性计数(RIN)。按常规,RIN>5为良好,但RIN>6对于定量下游分析最佳,例如RT-PCR或微阵列应用。实施例6的结果示于图6。
实施例7:UV防护对RNA稳定性的影响
设计实施例7以证明由在选择干燥基质中存在的UV抑制剂和自由基捕集剂保护mRNA。将无DNA的总Jurkat RNA(1μg)按双份点样到含所示组分的RNA纸上。将各卡片分开,将一半在暗处在35℃保持20小时,而另一半在Q-SUN Xe-1 Xenon试验室(test chamber)中处理20小时(35℃,0.3W/cm2,340nm),以复制完全日光光谱(21.7kJ/m2总能量)。从各样品取1.2mm穿孔纸,并直接落入逆转录酶反应,以产生cDNA库,然后通过qPCR针对HPRT1和网格蛋白mRNA特异性引物进行探测。从暗处储存的未处理配对的CT减去暴露于UV的样品的循环阈值CT。实施例7的结果示于图7。
实施例8:在环境条件下在纸上还原剂的稳定性
将来自Whatman™的31ETF纤维素基纸浸入在GITC存在下在Tris缓冲剂pH 7.4中渐增浓度的TCEP或DTT中。在没有湿度调节下,将纤维素基纸在室温储存。在5、19和105天,将5,5'-二硫代-双(2-硝基苯甲酸)(“DTNB”)放在各纸样品上。在活性还原剂存在下,观察到颜色瞬间变成黄色。在环境条件下储存多达105天,涂覆TCEP溶液的纤维素纸(在所有浓度)仍具有活性,并且能够还原DTNB,如由白至黄的纸颜色变化所示。浸入DTT的纸样品不能还原DTNB,因此,纸颜色保持白色。这些图不能在纸上清楚(in black and white)传达其含义,因此,未在本文中包括,但可应审查员要求得到。与还原DTNB相关的化学反应提供于Cline等(2004) Biochemistry 43:15195-15203。
实施例9:还原剂老化的定性分析
31ETF纤维素纸样品包含Tris缓冲剂pH 7.4中的GITC,具有不同浓度的还原剂TCEP或DTT。在以下不同条件下储存纸样品:1)21℃,10%相对湿度;2)21℃,80%相对湿度;和3)41℃,10%相对湿度。
在第0、1、6和25天,将各条件下的10mg纤维素纸样品放入DTNB溶液,短暂摇动,并拍摄彩色图像。在第1天,各环境条件下的所有TCEP样品能够使DTNB溶液的颜色变成黄色,表明仍能够作为还原剂起作用。相比之下,DTT不能在DTNB存在下使样品变成黄色,甚至在21℃和10%相对湿度。在第25天,在21℃和10%相对湿度储存的TCEP纸仍显示功能性还原活性。然而,提高湿度或温度导致显著减小作为还原剂的TCEP活性,表明温度和湿度二者都是作为还原剂起作用的TCEP的相关因素。
实施例10:纤维素基纸上TCEP活性的定性分析
制备在不同缓冲剂(Tris,pH 7.4;MES,pH 6.2;和MPOS,pH 7.0)中进一步包含GITC和MEHQ的TCEP组合物和不含缓冲剂的对照样品。然后各自用不同的以上溶液之一涂覆纤维素基纸,利用鼓风在烘箱中在50℃快速干燥,用铝箔袋中的干燥剂密封,以保持低水分,然后在4℃、室温或41℃储存。
在数字(0、1和4)所示的星期,用DTNB比色测定分析TCEP活性,其中DTMN加到各3.6mm穿孔纸,搅拌30分钟,然后测定液体在412nm的吸光度。
所有样品均在4℃稳定,且在一个月具有近似100%活性。在室温一个月,TCEP活性显示基于所用缓冲剂的可变性(例如,MOPS(100%)>无缓冲剂(90%)>MES(86%)>Tris(81%))。在41℃一个月后,仍观察到TCEP活性的可变性(例如,MOPS(67%)>MES(63%)>Tris(48%)>无缓冲剂(39%))。
所有出版物、专利公布和专利均通过引用结合到本文中,其程度与在明确和单独指定各单独出版物或专利通过引用结合到本文相同。