CN1978667B - 一种检测转基因产品的基因芯片 - Google Patents
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Abstract
一种检测转基因产品的基因芯片,具有平面型支撑载体的平面,其上被覆有带正电荷材料的膜,在该膜的表层设有点阵,点阵上排布外源插入基因引物及其扩增的PCR产物。本发明的基因芯片探针采用转基因元件的保守序列,覆盖的基因长度较长,可以检测目前的商业转基因产品,并能同时进行多基因、多种商品化的转基因检测,是未知转基因产品“普筛”的好技术;也是开展转基因品种检测和品系鉴定的工具之一,可以达到高效、灵敏、准确、高通量平行检测的效果。
Description
技术领域 本发明涉及一种基因芯片,特别是一种检测转基因产品的基因芯片。
背景技术 通过基因工程手段将一种或几种外源基因转移至植物,并使之有效表达出相应的产物(多肽或蛋日质),以期得到高产、优质、抗逆等的植物新品种,这样的植物品种作为食品或以其为原料加工生产的食品为转基因食品。自1983年世界上首例转基因烟草问世;1993年,转基因延熟番茄获得美国农业部批准进入商业化生产种植,并于1994年获得美国食品与药物管理局批准进入市场。迄今为止,全世界已分离出植物目的基因百余个,转基因研究在多达35科的200种植物中获得了成功,已有近千例转基因植物被批准进入田间试验,48个转基因品种批准进行商业化生产。目前,全球种植的主要转基因作物为玉米、棉花、大豆和油菜,其它转基因植物还包括烟草、番木瓜、土豆、西红柿、亚麻、向日葵、香蕉和一些瓜菜类植物。这些转基因植物所涉及性状包括抗虫、抗病毒、抗细菌、抗真菌、抗除草剂、抗逆境、品质改良,以及为提高产量潜力而对生长发育的调控等方面。但据不完全统计,2003年全球转基因作物种植面积达到6,770万公顷,主要集中在美国、阿根廷、加拿大和中国,预计未来10年,转基因作物种植将会扩展到25个国家,播种面积将达到1亿公顷。利用这些转基因作物生产加工的产品全球超过1万种。
转基因植物在带给人类巨大效益的同时,也可能对人类和动物的健康和生态环境带来一定的影响,为世界各国共同关心的焦点问题。2001年1月,生物多样性公约组织(CBD)在加拿大蒙特利尔召开了“生物多样性安全条约”专题会议,通过了“卡塔赫纳生物安全议定书”,提出了在预防和保护环境的原则指导下,允许缔约方限制或禁止进口活性转基因生物,要求成员国对所有进出境的转基因产品进行检验和检测。全球现有36个国家或地区制定了与转基因产品有关的法律法规。
进出口转基因产品检测主要回答以下三个关键问题:(1)是否为转基因产品;(2)是否为已批准商业化的转基因产品或品系(即转什么基因?);(3)转基因成分是否超标(即是否符合安全标准?)。各国对转基因成分设定的标准或阈值各不相同,如欧盟、澳大利亚和新西兰为1%,韩国为3%,日本、俄罗斯、中国香港与台湾为5%,超过阈值,则需要标识或禁止进口或销售。
转基因产品的检测技术要求快速、准确、灵敏,适应样品量大、目标基因种类繁多等特点。由于转基因的种类多、数量大,一些转基因产品经过深加工、各种条件处理与保存后,转基因成分部分或完全降解,所以检测难度很大。目前转基因检测主要依据欧盟GMF标签法规进行,植物转基因产品检测分为三个步骤:第一步对样品进行筛选,确定植物产品中是否含有转基因成分;第二步是对阳性结果进行鉴定,确定转入外源基因的类型;第三步是定量分析,确定转基因成分的含量。
根据待检对象的不同和实际检测的需要,分为两类:(1)检测转基因产品中的外源插入基因(DNA);(2)检测外源基因的表达物(RNA或蛋白质).外源蛋白的检测主要根据免疫化学的原理,针对某一个特定外源基因表达产物而设计的,通过抗体与抗原的特异识别进行检测.主要有三种方法,即Western杂交、酶联免疫吸附法和侧流法.Western杂交灵敏度极高,能达到标准的固相放射免疫水平,可以测出粗蛋白提取物中小于50ng的抗原,甚至可测出1~5ng水平的抗原;酶联免疫吸附法灵敏性高,用时短,费用低,市场上已有对几种常见的转基因蛋白进行ELISA实验的试剂盒;侧流法是从酶联免疫法发展而来,操作简单,分析迅速,可用于野外操作,且易于避免由于样品的制备不适当而产生的错误结果.但是检测蛋白质的方法仅针对一种特异蛋白,检测通量低;对于加工后的食品,目标蛋白构象改变,则无法检测;有些外源基因并不产生表达产物,如延熟西红柿;另外,蛋白存在特异部位表达问题,如Noertis Bt176玉米,Bt1蛋白只在叶片部位表达,在籽粒中几乎找不到。因此外源蛋白质的检测仅在个别转基因产品中应用。对核酸(DNA和RNA)进行检测是是目前检测转基因产品的权威技术,主要有PCR/电泳检测,传统杂交或测序,PCR-ELISA和实时荧光PCR等,但这些方法往往适合于检测已知单基因,对转基因产品的检测,特别是混合样品或未知样品需要同时检测几个、几十个甚至上百个基因,上述方法显然无法满足要求。
基因芯片的出现是近年来高新技术领域中极具时代特征的重大进展,是物理学、微电子学与分子生物学综合交叉形成的高新技术。利用基因芯片技术开展转基因产品检测,具有高通量平行检测,检测灵敏度和精确度高,自动化程度高和成本低等优点。目前有两项有关专利。
中国实用新型专利ZL01214517.3公开了一种用于转基因产品鉴定的基因检测芯片,但在说明书中未公开任何有关检测探针序列及待检靶基因扩增引物的信息;
中国发明专利CN1584049A公开了一种用于转基因产品检测的寡核苷酸芯片的制作方法及其应用,公开了部分外源插入基因、物种内标基因和特异性边界序列的寡核苷酸探针及相应引物,将探针固定在玻片上制作成检测芯片,用于转基因产品的检测。但所用的探针多为17~25bp的寡核苷酸片段,无法代表所有的外源插入基因序列,可能造成假阳性。
因此,开发一种灵敏、准确、操作简便的用于转基因检测的包含外源插入基因核心保守序列的芯片是目前转基因产品检测的关键。
发明内容 本发明的目的是开发一种能用于多基因、多目标转基因产品检测的基因芯片,并应用于转基因产品的检测,解决待检产品中的是否是转基因、转什么基因以及转基因含量等问题。为实现上述目的,采用的技术路线和方法如下:
通过政府及国际组织网站、文献报道、GENBANK等核酸数据库、专利数据库收集已商业化的转基因产品的基因构建图及相应的外源插入基因序列如转基因产品的启动子、标记基因、终止子或其他表达载体的构建元件和目标性状基因抗如抗除草剂基因、Bt毒蛋白基因和其他已知功能基因,经测序验证;根据这些外源基因的核心保守序列设计相应的探针和引物,通过PCR扩增技术获得这些基因保守的序列片段,建立系列不同的转基因检测文库;将外源核酸序列如启动子、终止子、标记基因、筛选基因和目的基因等特异保守区段(长度控制在500bp左右),通过物理(紫外交联)和化学方法(DNA分子上的氨基基团与芯片上的肽键相互作用而形成共价键)固定在经过化学处理(多聚赖氨酸包被)的载玻片表面,以商业化转基因作物如玉米、棉花、大豆、油菜等内标基因作为阳性对照,以鲍鱼16sRNA基因作为阴性对照,制成DNA芯片;设计特异引物,利用MPCR(Multiplex Polymerase Chain Reaction,MPCR)技术对转基因农产品的外源序列进行荧光标记,与DNA芯片杂交,然后用精密的扫描仪或CCD摄像技术记录,通过计算机软件分析,形成可读信息,以实现对转基因生物及其产品的准确、快速、高通量检测.
本发明的一种检测转基因产品的基因芯片,具有平面型支撑载体的平面,其上被覆有带正电荷材料的膜,在该膜的表层设有点阵,其特征在于在点阵上排布的外源插入基因引物探针扩增的PCR产物,包括但不限于以下引物及其扩
增的PCR产物:
通过芯片点样仪将上述引物扩增的核心序列转移到经化学修饰的玻片上,经SDS、纯水处理制成。玻片修饰基团可选自醛基、异硫氰基或巯基之一。为监控杂交反应中的非特异性杂交,设立与待检转基因产品无关的鲍鱼16s rDNA序列,如杂交后检测无信号,表明正常;否则,表明杂交失败;为监控杂交反应中的假阳性,设立待检转基因产品的物种内标基因序列,如若杂交后检测有信号,表明正常;若无信号,表明杂交失败。
为了使制备的探针更好地固定在玻片上,利用聚赖氨酸对玻片进行修饰包被处理,然后将合成好的探针溶解在电样液中;同时设立不含探针的点样液作为空白对照,用于监控杂交的背景。若杂交后检测无信号,表明正常;若有,表明点样液被污染。将点样液加于点样板中,用点样仪制成所需的阵列,然后进行水合、烘干、紫外交联、封闭、变性处理、乙醇处理和干燥保存,备用。
利用基因芯片检测转基因产品的检测方法,包括基因组抽提、靶序列的荧光标记、芯片杂交、杂交后芯片清洗、扫描分析。具体包括以下步骤:
1、待检产品的基因组DNA抽提:采用CTAB法或其他公司生产的DNA抽提试剂盒,均为公开的技术和商业化产品。
2、靶序列的荧光标记:根据待检靶基因设计相应的PCR扩增引物(见表2),对靶基因序列进行PCR或MPCR扩增,然后进行直接或间接掺入荧光标记。在直接标记方法中,将Cy5-dUTP以2%的比例掺入到dNTPs混合物中。PCR完成后,使用Qiaquick Nucleotide Removal Kit进行纯化,除去没有掺入的带有荧光标记的碱基,用25μL的ddH2O洗脱,-20℃避光储存备用;在间接法掺入荧光标记中,使用aminoallyl-dUTP,掺入比例为10%。PCR结束后,将PCR产物用Qiaquick Nucleotide Removal Kit纯化,用30μL ddH2O洗脱,然后真空抽干(不加热),溶于15μL 0.1mol/l NaHCO3(pH8.0)溶液,与荧光染料混合,25℃黑暗条件下反应1h,再用Qiaquick NucleotideRemoval Kit回收纯化,去除未结合的荧光染料。标记好的样品-20℃条件下避光保存。
3、芯片杂交:取2μL标记好的靶DNA样品于1.5mL的离心管中,在95℃水浴下变性2min,经短暂离心,与68℃预热溶解slidehyb#1杂交液按照1∶10进行混合,然后转移到芯片阵列区,加盖盖玻片(注意防止气泡产生);杂交盒中预先加20μL的3×SSC溶液,以保持湿度,然后将芯片放入,密封杂交盒,将杂交盒面朝上水平放置于50℃的杂交恒温水浴且避光条件下进行保温不低于4h。
4、杂交后芯片清洗:杂交完成后,将芯片从杂交盒中取出,依次用洗脱液1(2×SSC,0.1%SDS)、洗脱液2(0.1×SSC,0.1%SDS)、洗脱液3(0.1×SSC)各洗涤5min,双蒸水洗涤两次,每次5min,800rpm离心5min,37℃烘干30min。室温避光保存。
5、扫描分析:将芯片放入激光共聚焦扫描仪(4000B)扫描,用AxSysTM软件分析检测结果.
由于本发明的基因芯片探针采用转基因元件的保守序列,覆盖的基因长度较长,因此本发明的一种检测转基因产品的基因芯片,可以检测目前的商业转基因产品如转抗除草剂基因(CP4EPSPS)和抗虫Bt基因的大豆、玉米等,并能同时进行多基因、多种商品化的转基因检测,因此是未知转基因产品“普筛”的好技术;同时由于加入多种转基因作物的特异性内标基因,也是开展转基因品种检测和品系鉴定的最好工具之一;再者由于设立了转基因检测的质量控制系统如阴阳对照、空白对照,保证了检测结果的特异性,达到高效、灵敏、准确、高通量平行检测的效果。
附图说明 图1:转基因检测芯片的结构示意图
图2:转基因大豆芯片检测结果示意图
图3:转基因甘蔗芯片检测结果示意图
图4:转基因水稻芯片检测结果示意图
具体实施方式 为了充分公开本发明的一种检测转基因产品的基因芯片,以下结合实施例加以说明。
实施例一:一种检测转基因产品的基因芯片
1、玻片的修饰将干净的载玻片插在载玻片架上,放入聚赖氨酸溶液中轻微震荡30min。然后用ddH2O震荡清洗5次,每次3min;500rpm离心5min;小心将载玻片从载玻片架上转移到干净的载玻片盒中,在烘干箱中42℃烘干1h,然后转移到干燥器内避光保存,3周以后使用。
2、基因芯片探针合成引物的设计和探针的合成
本发明的基因芯片探针合成主要通过PCR方式进行扩增。所有PCR反应体系如下:1×PCR buffer,0.2m mol/L dNTPs,0.25μmol/L引物,1U Taq酶,40ng DNA模板,加水至50μL,只是使用的模板和引物不同。PCR反应程序为:94℃预变性5min;94℃1min,55℃1min,72℃1min,39个循环;72℃延伸10min;4℃保持30min,不同的引物使用的退火温度不同。PCR产物经过电泳后用MOBIO公司UltraClean 15DNA Purification Kit进行回收纯化,用点样液溶解,用核酸蛋白仪定量,浓度调整为500ng/μL。
同时选取一段鲍鱼18s rDNA序列作为阳性对照,用于监控杂交反应中的假阴性的出现,并作为探针阵列的定位点,用于确定芯片杂交区的位置;选取一段人的HLA序列作为阴性对照,用于监控杂交反应中的非特异性杂交。
3、芯片的打印和后处理
(1)将制备好的探针转移到V型底的96孔板中,每个样品的用量为20μL;
(2)将处理好的载玻片放在打印舱平台的凹槽内,注意把载玻片按同一方位推靠在凹槽的角落;
(3)用Cartesian Technologies公司的PixSysTM PA5500点样仪打印,打印头为ChipMakerTM2,打印针为ArrayIt ChipMakerTM2。打印精度为±15microns,打印平台定位精度为X轴和Y轴均为0.05mm,X轴、Y轴和Z轴位移速度为178.6655mm/s,点样针下降加速度为1,000mm/s2,点样针在样品中停留3000ms。环境温度为室温,空气湿度为75%;
(4)按照附图1的阵列模式点样,每张芯片上点4个阵列(见表1、表2),即每个样品重复4次。点样体积为10nL,直径为0.25μm,点间距为0.5mm×0.5mm。
表1转基因大豆检测芯片探针分布表
表2转基因甘蔗、水稻芯片探针分布图
(5)打印后处理芯片打印完成后,从打印舱中取出,一般使用玻璃刀在芯片背面点阵相应位置的边界刻划标记,便于杂交时确定位置。打印后处理包括下列步骤:
●水合处理:将芯片打印面朝下,放置于盛有3×SSC溶液的湿盒中,芯片与液面要有一定的距离,以防污染,水合在室温下进行,需要30min;
●烘干:取一块加热板,将其加热到140℃。水合结束后,将芯片从湿盒中取出,打印面朝上放到加热板上3s;
●紫外交联:将芯片放入紫外交联仪,打印面朝向紫外灯,进行紫外交联处理。打印测试芯片的紫外线照射强度为900mJ/cm2,杂交检测芯片紫外线照射强度为500mJ/cm2;
●封闭:紫外交联完成后,需要对没有结合探针的部位进行封闭处理,防止在杂交过程中靶序列非特异性结合。配制封闭液:称取3.3g琥珀酸酐,溶于200mL 1-甲基-2-吡咯烷酮中,用玻璃棒搅拌。当琥珀酸酐溶解后,立即加入9mL1mol/L硼酸钠(pH 8.0)混合均匀,然后将芯片完全浸入封闭液中,轻微震荡15min;
●变性处理:封闭完成后,取出芯片,尽量去除芯片上残留的封闭液,转入到95℃~100℃双蒸水中变性处理2min,使固定到芯片上的DNA双螺旋打开;
●乙醇处理:变性后的芯片转移到95%的乙醇溶液中浸泡1min;
●干燥保存:将芯片以500rpm的转速离心1min,然后37℃烘干30min,芯片可以立即使用或者避光保存于干燥器中。
实施例二:利用基因芯片检测转基因产品的检测方法。首先,根据待检靶基因设计相应的PCR扩增引物如下:
基因探针的引物序列信息
基因探针的引物序列信息
基因探针的引物序列信息
基因探针的引物序列信息
具体检测方法如下:
1、基因组DNA提取:CTAB方法提取,见试剂盒操作说明书。
2、靶序列的荧光标记:
(1)靶基因序列的PCR扩增:PCR反应体系为:1×PCR buffer,0.2mmol/LdNTPs,不同引物浓度不同,1.5U Taq酶,40ng DNA模板,加水至50μL。PCR反应程序略做修改:99℃ 5min;95℃ 20s,56℃ 30s,72℃ 2min,8个循环,在第一个循环中,当温度降到56℃时,加入Taq酶;然后95℃ 20s,65℃ 30s,72℃ 2min,32个循环;72℃ 7min。
(2)直接法掺入荧光标记:在直接标记方法中,将Cy5-dUTP以2%的比例掺入到dNTPs混合物中。PCR完成后,使用Qiaquick Nucleotide Removal Kit进行纯化,除去没有参入的带有荧光标记的碱基,用25μL的ddH2O洗脱,-20℃避光储存备用。
(3)间接法参入荧光标记:使用aminoallyl-dUTP,掺入比例为10%。PCR结束后,将PCR产物用Qiaquick Nucleotide Removal Kit纯化,用30μL ddH20洗脱,然后真空抽干(不加热),溶于15μL 0.1mol/l NaHCO3(pH8.0)溶液,与荧光染料混合,25℃黑暗条件下反应1h,再用Qiaquick Nucleotide RemovalKit回收纯化,去除未结合的荧光染料。标记好的样品-20℃条件下避光保存。
3、杂交和检测:
(1)芯片杂交:取2μL标记好的靶DNA样品于1.5mL的离心管中,在95℃水浴下变性2min,经短暂离心,与68℃预热溶解slidehyb#1杂交液按照1∶10进行混合,然后转移到芯片阵列区,加盖盖玻片(注意防止气泡产生);杂交盒中预先加20μL的3×SSC溶液,以保持湿度,然后将芯片放入,密封杂交盒,将杂交盒面朝上水平放置于50℃的杂交恒温水浴且避光条件下进行保温不低于4h。
(2)杂交后芯片清洗:杂交完成后,将芯片从杂交盒中取出,依次用洗脱液1(2×SSC,0.1%SDS)、洗脱液2(0.1×SSC,0.1%SDS)、洗脱液3(0.1×SSC)各洗涤5min,双蒸水洗涤两次,每次5min,800rpm离心5min,37℃烘干30min。室温避光保存。
(3)扫描分析:将芯片放入激光共聚焦扫描仪(GenePix 4000B)扫描,用AxSysTM软件分析检测结果,见附图2~附图4。
序列表
SEQUENCE LISTING
<110>福建农林大学
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agta ttactc catcgtgatg a 21
<210>37
<211>21
<212>DNA
<213>苏云金杆菌B.t.aizawai HD-68
<400>37
sgctctcata acggctattc c 21
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<211>21
<212>DNA
<213>苏云金杆菌B.t.aizawai HD-68
<400>38
acctgctatt cttggtccac t 21
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<211>21
<212>DNA
<213>苏云金杆菌B.t.galleriae 11-67
<400>39
saacataata ggcgatgcag c 21
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<211>21
<212>DNA
<213>苏云金杆菌B.t.galleriae 11-67
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<211>21
<212>DNA
<213>苏云金杆菌B.t.san diego,B.t.tenebrionis
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sacaagtaga agcattgatg g 21
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<211>21
<212>DNA
<213>苏云金杆菌B.t.san diego,B.t.tenebrionis
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attgtgtact tgcttcatct g 21
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<211>21
<212>DNA
<213>农杆菌Agrobacterium tumefaciens
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<213>农杆菌Agrobacterium tumefaciens
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<212>DNA
<213>雪花莲snowdrop
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<213>雪花莲snowdrop
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<213>大豆Glycine max
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<213>大豆Glycine max
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缪海珍等.采用基因芯片技术筛查农作物转基因背景.复旦学报(自然科学版)42 4.2003,42(4),634,635页. * |
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