DE4314271A1 - Verfahren zur Elimination bakterieller DNA aus hitzestabiler DNA-Polymerase mittels eines DNA verdauenden Enzyms - Google Patents

Verfahren zur Elimination bakterieller DNA aus hitzestabiler DNA-Polymerase mittels eines DNA verdauenden Enzyms

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Description

Technisches Gebiet
Das Verfahren betrifft die Elimination von bakterieller DNA, die herstellungsbedingt in der Enzympräparation Taq DNA-Polymerase enthalten ist, welche für das Verfahren der Polymerase- Kettenreaktion benötigt wird.
Stand der Technik
Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist ein Verfahren, das es erlaubt, kleinste Mengen an DNA auf enzymatischem Wege zu vervielfältigen und somit nachzuweisen (U.S.-Patente Nr. 4,683,195 und 4,683,202, Patenteigentümer: Fa. Hoffmann-La Roche). Hierzu werden Startersequenzen (Primer) verwendet, die eine spezifische Auswahl des zu vervielfältigenden Stücks ermöglichen. Die Reaktion verläuft in einem sich zyklisch wiederholenden Temperaturprofil und benötigt den Zusatz einer hitzestabilen DNA-Polymerase, die in der Regel aus dem thermophilen Bakterium Thermus aquaticus stammt (Taq DNA-Polymerase). Dieses Enzym ist im Handel erhältlich als natives Enzym oder als gentechnologisch in E. coli produziertes Enzym (U.S.-Patente Nr. 4,889,818 und 5,079,352). Produktionstechnisch bedingt enthält das Enzym Reste an bakterieller DNA, die in der Mehrzahl der Anwendungen nicht störend in Erscheinung tritt. Werden jedoch Primer verwendet, die einen hohen Grad an Homologie zwischen verschiedenen Bakterienarten aufweisen (Primer für sogenannte hochkonservierte Gene), kommt es zum Entstehen eines Reaktionsprodukts in den Negativkontrollen der PCR (Böttger, 1990; Rand und Houck, 1990; Schmidt et al., 1991). Dies kann dann zur Beeinträchtigung der Versuchsergebnisse führen, wenn mittels solcher hochkonservierter Primer im Untersuchungsmaterial nach unbekannten Bakterien gesucht wird. Eine Amplifikation von DNA unbekannter Bakterien mittels hochkonservierter Primer ist bislang nur erfolgversprechend, wenn die Anzahl der nachzuweisenden Bakterien im Untersuchungsmaterial die Zahl der Kopien bakterieller DNA in Taq DNA-Polymerase wesentlich übersteigt. Die Firma Perkin- Elmer produziert seit kürzerem eine "low DNA Taq", eine Enzympräparation mit deutlich herabgesetztem DNA-Gehalt (Perkin- Elmer, Best. Nr. N808-0107). Außerdem ist erst seit kürzerem eine Methode zur Elimination von DNA aus Taq-Polymerase beschrieben, die unter Verwendung von 8-Methoxypsoralen und anschließender Bestrahlung mit langwelligem UV-Licht abläuft (Meier et al., 1993). Eine Behandlung des Enzyms mit DNase ist bereits von Rand und Houck versucht worden und war erfolglos. Die letzteren Autoren machen allerdings keine Angaben zu den Reaktionsbedingungen ihres DNase-Verdaus.
Kritik des Standes der Technik
Die von der Firma Perkin-Elmer hergestellte "low DNA Taq" erfordert höhere Produktions- und Verkaufskosten als konventionelle Taq DNA-Polymerase und ist überdies nicht frei von bakterieller DNA, sondern besitzt lediglich einen herabgesetzten DNA-Gehalt, so daß bei Amplifikation geringer Ausgangs-DNA-Mengen und unter Verwendung hoher Zykluszahlen die kontaminierende DNA immer noch in Erscheinung tritt (Meier et al., 1993). Die Elimination bakterieller DNA in Taq-Polymerase mittels 8-Methoxypsoralen und UV-Licht ist umständlich bezüglich ihrer Durchführung und benötigt Reagenzien (8-Methoxypsoralen und Dimethylsulfoxyd), die ihrerseits die PCR hemmen, wenn eine zu hohe Menge verwendet wird (Meier et al., 1993). Ferner wird in Form des langwelligen UV-Strahlers zusätzliche Laborausrüstung benötigt. Die UV-Inaktivierung ist nur in einem schmalen Dosisbereich effektiv und die Dosis ist sehr starken Schwankungen unterworfen je nach Durchlässigkeit der verwendeten Reagenzgefäße für UV-Licht und je nach Zustand und Alter des UV-Strahlers. Diese zeigen mit zunehmendem Alter des Brenners starke Dosisverluste, die einer Kalkulation nicht zugänglich sind.
Aufgabe
Aufgabenstellung des vorliegenden Verfahrens ist es, mit einfachen Hilfsmitteln und Reagenzien, die in jedem Labor, das PCR betreibt, zur Verfügung stehen, eine effektive Elimination bakterieller DNA aus Taq DNA-Polymerase zu ermöglichen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Suche nach unbekannten Erregern im Patientenmaterial ist eine der Hauptaufgaben der medizinischen Mikrobiologie. Das Verfahren der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist in der Lage, sehr sensitiv Mikroorganismen nachzuweisen, für die spezifische Primersequenzen gewählt werden. Wenn dagegen nach unbekannten bakteriellen Erregern gesucht wird, kann die bakterielle DNA im thermostabilen Enzym für die PCR störend wirken. Mit einem Verfahren zur Elimination der DNA in diesem Enzym ist es nun möglich, in üblicherweise sterilen Untersuchungsmaterialien von Patienten wie zum Beispiel Liquor oder Blut nach unbekannten bakteriellen Erregern zu suchen. Dies kann eine wertvolle medizinische Hilfe bei der Sepsisdiagnostik oder ähnlichen Fragestellungen sein und ermöglicht ferner den Nachweis und die Charakterisierung von Erregern, die nicht mit konventionellen mikrobiologischen Methoden kultiviert werden können. Das vorliegende Verfahren kann als Bestandteil eines käuflichen Reagenzienkits verwendet werden, mit dessen Hilfe mittels PCR-Technik nach unbekannten Erregern gefahndet wird.
Erzielbare Vorteile des Verfahrens
Das beschriebene Verfahren zur Elimination bakterieller DNA in Taq DNA-Polymerase ist ein einfaches enzymatisches Verfahren, das in jedem Labor, welches PCR betreibt, unter Verwendung eines Minimums an Hilfsmitteln möglich ist. Es beinhaltet einen Schritt, in dem die Versuchsansätze geteilt werden, so daß die aus DNA bestehenden Primer nicht der Wirkung des Enzyms ausgesetzt sind. Die Eliminierung der DNA-Kontaminationen aus der Taq DNA- Polymerase erfolgt im Tris-gepufferten alkalischen Milieu um pH 9, anschließend erfolgt eine Hitzeinaktivierung des DNA verdauenden Enzyms, die die Aktivität der hitzestabilen DNA-Polymerase nicht wesentlich beeinträchtigt, so daß anschließend eine normale PCR- Reaktion durchgeführt werden kann. Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens bestehen in der Einfachheit der Durchführung und in der Effektivität der Beseitigung der DNA. Außerdem werden keine Hilfsmittel wie UV-Strahler benötigt, deren Einwirkung nur in einem schmalen Dosisbereich effektiv sind und deren erbrachte Dosis schwer abzuschätzen ist.
Ausführungsbeispiel
Das Verfahren wurde durchgeführt unter Zuhilfenahme eines Primersystems für die 5S-rRNA von Legionella sp. (Mahbubani et al., 1990), das bei Verwendung einer Annealing-Temperatur von 50°C regelmäßig eine mittels Gelelektrophorese sichtbare Bande in den Negativkontrollen zeigte, die amplifizierter DNA aus Taq DNA-Polymerase entspricht. Diese Bande zeigte aber keine Hybridisierung mit einem Legionella-spezifischen Oligonukleotid und somit war eine Unterscheidung zwischen Legionella-DNA und DNA aus Taq DNA-Polymerase möglich. Zur Durchführung der Behandlung mit DNase I wurde der Reaktionsansatz geteilt: Teil A enthielt 5 µmol KCl, 1 µmol Tris-HCl, pH 8,3, 0,02 µmol von jedem dNTP, 50 pmol von jedem Primer und 0,1 µmol MgCl₂ in einem Volumen von 50 µl. Teil B enthielt 4 µmol Tris-HCl, pH 9,0, 0,1 µmol MgCl₂ und 2,5 U Taq DNA-Polymerase (AmpliTaq® DNA Polymerase, Perkin-Elmer) in einem Volumen von 40 µl. Teil B wurde mit 3 U DNase I (Boehringer Mannheim) bei 25°C für 2 Stunden inkubiert und anschließend für 10 min bei 95°C erhitzt. Die beiden Teile des PCR-Ansatzes wurden zusammengegeben, 10 µl Probe wurde dazugegeben und anschließend erfolgte eine PCR im Thermocycler. Abb. 1A und 1B zeigt die Ergebnisse des Versuchsansatzes. Ohne Behandlung mit DNase und Hitze ist eine Bande in der Negativkontrolle zu sehen (Abb. 1A, Spur 4), die nicht mit dem Legionella-spezifischen Oligonukleotid hybridisiert (Abb. 1B, Spur 4). Bei Einsatz von 100 fg oder 10 fg an Legionella-DNA erfolgt eine Hybridisierung (Abb. 1B, Spur 2 und 3). Unter Verwendung von DNase und Hitze ist auf dem Gel (Abb. 1A) eine schwache Bande jeweils bei 100 fg und 10 fg an Legionella-DNA zu sehen (Spur 5 und 6), während in der Negativkontrolle keine DNA auf dem Gel zu sehen ist (Spur 7). Die Hybridisierung jedoch zeigt, daß kein signifikanter Unterschied in der Amplifikation der Legionella­ spezifischen DNA zu sehen ist zwischen behandelter und unbehandelter Taq DNA-Polymerase (Spur 5 und 6 im Vergleich zu Spur 2 und 3). Die Spuren 8-10 zeigen die Ergebnisse nach alleiniger Hitzebehandlung (ohne DNase) von Teil B des Versuchsansatzes. Hier ist in Abb. 1A und 1B kein Unterschied zu sehen zum unbehandelten Versuchsansatz (Spuren 2-4). Diese Ergebnisse zeigen, daß eine Behandlung mit DNase I und Hitze in der Lage ist, die Amplifikation kontaminierender DNA aus Taq DNA-Polymerase zu unterbinden, während die Amplifikation von Legionella-spezifischer DNA unbeeinträchtigt bleibt.
Legende zur Abbildung:
Abb. 1. (A) Ethidiumbromidgefärbtes Polyacrylamidgel (8%) und (B) Southern Blot mit anschließender Hybridisierung. Spuren: (1) 100 bp DNA-Längenstandard; (2) 100 fg an Legionella-DNA, keine Vorbehandlung; (3) 10 fg an Legionella-DNA, keine Vorbehandlung; (4) keine DNA zugesetzt, keine Vorbehandlung; (5) 100 fg an Legionella-DNA, Vorbehandlung mit DNase und Hitze; (6) 10 fg an Legionella-DNA, Vorbehandlung mit DNase und Hitze; (7) keine DNA zugesetzt, Vorbehandlung mit DNase und Hitze; (8) 100 fg an Legionella-DNA, Vorbehandlung mit Hitze; (9) 10 fg an Legionella- DNA, Vorbehandlung mit Hitze; (10) keine DNA zugesetzt, Vorbehandlung mit Hitze.
Literatur
Böttger, E. C. 1990. Frequent contamination of Taq polymerase with DNA. Clin. Chem. 36: 1258.
Mahbubani, M. H., A. K. Bej, R. Miller, L. Haff, J. DiCesare, and R. M. Atlas. 1990. Detection of Legioflella with polymerase chain reaction and gene probe methods. Mol. Cell. Probes 4: 175-187.
Meier, A., D. H. Persing, M. Finken, and E. C. Böttger. 1993. Elimination of contaminating DNA within polymerase chain reaction reagents: implications for a general approach to detection of uncultured pathogens. J Clin. Microbiol. 31: 646-652.
Rand, K. H., and H. Houck. 1990. Taq polymerase contains bacterial DNA of unknown origin. Mol. Cell. Probes 4: 445-450.
Schmidt, T., B. Pace, and N. R. Pace. 1991. Detection of DNA contamination in Taq polymerase. BioTechniques 11: 176-177.

Claims (3)

1. Verfahren zur Elimination bakterieller DNA aus hitzestabiler DNA-Polymerase mittels eines DNA verdauenden Enzyms, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Behandlung einer hitze­ stabilen DNA-Polymerase, insbesondere Taq-Polymerase, stattfindet unter Verwendung eines DNA-verdauenden Enzyms, insbesondere DNase I, und anschließender Inaktivierung des verdauenden Enzyms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der hitzestabilen DNA-Polymerase stattfindet im alkalischen Milieu, insbesondere pH 8-9,5, in Anwesenheit von Magnesiumchlorid.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Enzymbehandlung eine Teilung der für das Verfahren der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vorgesehenen Reaktionsansätze stattfindet dergestalt, daß die hierfür benötigte hitzestabile DNA- Polymerase der verdauenden Wirkung des Enzyms ausgesetzt ist, während die aus DNA bestehenden Primer erst nach der Reaktion mit dem verdauenden Enzym und einer Hitzeinaktivierung desselben zugesetzt werden.
DE4314271A 1993-04-30 1993-04-30 Verfahren zur Elimination bakterieller DNA aus hitzestabiler DNA-Polymerase mittels eines DNA verdauenden Enzyms Withdrawn DE4314271A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1999007887A3 (en) * 1997-08-06 1999-04-29 Norwegian Inst Of Fisheries An A method of removing nucleic acid contamination in amplification reactions
US6541204B2 (en) 1997-08-06 2003-04-01 Norwegian Institute Of Fisheries & Aquaculture Ltd. Method of removing nucleic acid contamination in amplification reactions

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