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Die
Erfindung betrifft das Feld der Reinigung und Verstärkung von
Nukleinsäuren
aus einer Nukleinsäure,
die Ausgangsmaterialien enthält,
insbesondere aus biologischen Materialien wie Urin, Fäkalien,
Sperma, Speichel, Blut als solches, Serum oder anderen Körperflüssigkeiten,
Anteilen von solchen Flüssigkeiten wie
Leukozytenanteilen (Leukozytenfilm oder crusta phlogistica), Zellkulturen
und ähnlichem,
aber auch Proben aus der Umgebung wie Boden, Wasser und ähnlichem.
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Bis
vor kurzem war die Isolierung und/oder Reinigung von Nukleinsäuren aus
komplexen Mischungen wie oben beschrieben arbeitsintensive Prozeduren
mit vielen Schritten. In
EP 0
389 063 wird eine einfache und schnelle Reinigung von Nukleinsäurematerial
aus einer komplexen Mischung offenbart. Dieses Verfahren umfasst
die Behandlung der komplexen Mischung, wie Blut im Ganzen mit einem
chaotropischen Agens in Gegenwart eines Nukleinsäure bindenden Siliziumdioxid
festes Phasenmaterial unter Bedingungen, die das Binden vom gesamten
Nukleinsäurematerial
an die feste Phase und das Trennen der besagten festen Phase aus der
Mischung gestatten. Die Referenz zeigt, dass sowohl einzelsträngige als
auch doppelsträngige
Nukleinsäuren
an die feste Phase gebunden wird, wenn diese in einer Mischung vorhanden
sind. Die Referenz zeigt auch die Verstärkung (PCR) einer bestimmten
Nukleinsäure
mit einer bekannten Sequenz, von der man annimmt, dass sie in einer
Mischung auftreten.
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Zusätzlich zur
Isolierung vom gesamten Nukleinsäurematerial
offenbart die internationale Anwendung WO 95/04140 ein Verfahren
zur Isolierung von ausschliesslich doppelsträngiger DNS unter Einsatz einer
Siliziumdioxid festen Phase und eines chaotropischen Agens unter
den geeigneten Bedingungen.
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Eine
Fraktionierung von Mischungen von doppel-(ds) und einzel-strängigen (ss)
Nukleinsäuren
(NA) in einzel- und doppel-strängigen
Formen wird häufig
benötigt
beispielsweise in der Trennung von markierten ss-NA Proben aus ds-Hybriden,
in der Trennung von in vitro Transkripten aus ds-DNS Templates,
und in der Trennung von genomischer DNS aus mRNS. Derzeit kann die
Trennung von verschiedenen Arten von Nukleinsäuren durch unterschiedliche
Techniken erreicht werden. Electrophorese kann eingesetzt werden,
um verschiedene Formen von Nukleinsäuren zu fraktionieren, wobei
dies auf Grund der Unterschiede in Grösse und Form (1–3) möglich ist.
Zentrifugierung nutzt zum Vorteil Unterschiede in der Dichte (4),
und kürzlich
ist die Technologie der hoch auflösenden Flüssigchromatographie (HPLC)
angewandt worden, um einzel- und doppel-strängige DNS und RNS Moleküle (5–8) zu trennen
und zu reinigen.
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RNS,
die von eukaryotischen Zellen durch die heutzutage am meisten und
breitesten eingesetzte Verfahren (9) gereinigt worden ist, scheint
signifikante Mengen von genomischer DNS zu enthalten, eine Adaptation
davon, die genomische DNS Kontamination des ss-RNS Teils vermindert,
ist kürzlich
beschrieben worden (10).
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Es
ist nicht möglich,
einzelsträngiges
und/oder doppelsträngiges
Material getrennt zu betrachten, wenn man das Verfahren nach der
EP 0 389 063 oder der WO
95/04140 einsetzt.
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Die
vorliegende Erfindung liefert daher ein Verfahren zum Trennen von
einzelsträngigem
Nukleinsäure-Material
aus doppelsträngigem
Nukleinsäure-Material
wie es in Anspruch 1 beschrieben ist, mit dem Kontaktieren einer
Mischung von sowohl mit einer Flüssigkeit
mit einem chaotropischen Agens und einer Nukleinsäure bindenden
festen Phase, wobei die Flüssigkeit
eine Zusammensetzung dergestalt, dass doppelsträngige Nukleinsäure an die
feste Phase bindet und eine wesentliche Menge von einzelsträngiger Nukleinsäure dies
nicht tut, und mit dem Trennen der festen Phase aus der Flüssigkeit.
Geeignete Umstände,
um zu solch einer Trennung zu gelangen, können durch den Fachmann leicht
bestimmt werden.
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Umstände, unter
denen doppelsträngiges
Material an das feste Material bindet und einzelsträngiges Material,
wird variieren, wesentliche Parameter, um solche unterschiedliche
Bindungen zu erhalten, sind die Konzentration des chaotropischen
Agens, die grob gesehen zwischen 1–10 M, vorzugsweise zwischen
3–6 M und
insbesondere um die 5 M angelegt, sein sollte; die Konzentration
des chelatbildenden Agens, das in dem Fall, das EDTA angewandt wird,
gleich oder grösser
sein sollte als 10 mM und vorzugsweise nicht grösser als 1 M; der pH-Wert der
wässrigen
Lösung,
in der die Trennung auszuführen
ist, sollte über
2 sein, wenn ein Thiocyanat als chaotropischer Agens eingesetzt
wird, und er sollte kleiner sein als 10, weil ansonsten immer ein Risiko
besteht, dass das ds Material ss werden wird. Die Temperatur, bei
der das Verfahren ausgeführt
wird, scheint nicht kritisch zu sein, es ist jedoch wahrscheinlich
am besten, sie zwischen 40 Grad Celsius und 60 Grad Celsius zu halten.
Ein wesentlicher Aspekt des Verfahrens ist natürlich, dass das ds Material
während der
Trennung doppelsträngig
verbleibt. Unter den Umständen,
wie sie oben beschrieben worden sind, wird dies normalerweise der
Fall sein, falls die ds Nukleinsäure
mindestens 50 bp lang ist bei 40% GC Basispaaren. Der Fachmann weiss,
wie diese Länge
variieren kann bei geringerem oder höherem GC Gehalt. In van Ness et
al. (26) und/oder Thompson et al. (27) wird gezeigt, dass das gesamte
Verfahren von den verwickelten Wechselwirkungen zwischen den oben
erwähnten
Faktoren abhängt.
Unter Einsatz dieser Offenbarung und den erwähnten Referenzen wird der Fachmann
fähig sein,
die Umstände
an sein bestimmtes Verfahren anzupassen.
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Chaotropische
Agentien sind ein sehr wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung.
Sie sind definiert als jegliche Substanz, die die sekundäre, tertiäre und/oder
quaternäre
Struktur der Nukleinsäuren
verändern
kann. Diese sollten keinen wesentlichen Effekt auf die primäre Struktur
der Nukleinsäure
haben. Falls Nukleinsäuren
vorliegen, die anderen Molekülen
zugeordnet sind, wie Proteine, können
diese Zuordnungen auch durch dieselben oder verschiedenen chaotropischen
Agentien verändert
werden. Viele chaotropische Agentien sind für den Einsatz in der vorliegenden
Erfindung geeignet, sie Natriumiodid, Kaliumiodid, Natrium(iso)thiocyanat,
Harnstoff oder Guanidinesalze, oder Kombinationen davon. Eine bevorzugte
Klasse von chaotropischen Agentien gemäss der Erfindung sind Guanidinesalze,
von denen Guanidinethiocyanat das am meisten bevorzugte ist.
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Durch
glücklichen
Zufall haben wir gefunden, dass ss-Nukleinsäure nicht an Siliziumdioxid-Partikel oder
zweiatomige Erden in Gegenwart von Puffer L11 (siehe Beispiele)
binden, wohingegen ds Nukleinsäure es
tat. Experimente unter verschiedenen Umständen haben gezeigt, dass das
Hinzufügen
von Mg2+ oder anderen positiven (bivalenten)
Ionen an die ungebundene Fraktion von grosser Wichtigkeit war. Die
besten Ergebnisse sind mit einer Konzentration an bivalenten Ionen
(Mg2+) von ungefähr gleich zu der Konzentration
des chelatbildenden Agens (EDTA) erhalten worden.
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Die
einzusetzende feste Phase ist weniger kritisch. Wesentlich ist,
dass es Nukleinsäuren
reversibel binden sollte.
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Viele
solche Materialien sind bekannt, von denen eine gewisse Anzahl Silizium-basiert
sind, wie Aluminium-Silikat und ähnliches,
vorzugsweise Siliziumdioxid. Siliziumdioxid bedeutet, SiO2 Kristalle und andere Formen von Siliziumoxiden
zu umfassen, wie Diatomskelette, Glaspulver und/oder Partikel und
amorphe Siliziumoxide. Die feste Phase kann in jeglicher Form vorliegen,
es kann sogar das Gefäss
sein, welches die Nukleinsäure-Mischungen
oder einen Teil von solch einem Behälter enthält. Es kann auch ein Filter
oder jegliche andere geeignete Struktur sein. Abgesehen von Silizium-basierten
Materialien sind auch andere Materialien geeignet, wie Nitrozellulose
(Filter), Latex-Partikel und andere Polymer-Substanzen. Eine bevorzugte Form der
festen Phase ist eine partikuläre
Form, die eine einfache Trennung des gebundenen und des freien Materials
gestattet, beispielsweise durch Zentrifugierung. Die Partikelgrösse der
festen Phase ist nicht kritisch. Geeignete mittlere Partikelgrössenbereiche
liegen zwischen 0.05 und 500 Mikrometer. Vorzugsweise wird der Bereich
so gewählt,
dass mindestens 80, vorzugsweise 90 Prozent der Partikel eine Grösse aufweisen,
die zwischen den Werten liegen, die eben erwähnt worden sind. Dasselbe gilt
für die
bevorzugten Bereiche, von denen die mittleren Partikelgrössen zwischen
0.1 und 200 Mikrometer liegen, vorzugsweise zwischen 1 und 200 Mikrometer.
Die Bindekapazität
eines gegebenen Gewichts der Partikel erhöht sich mit abnehmender Grösse, die
untere Grenze der Grösse
ist jedoch erreicht, wenn Partikel nicht in einfacher Weise nach
einer Trennung redispersiert werden können, beispielsweise durch
Zentrifugierung. Dies wird der Fall sein bei Startmaterialien, die
reich sind an Nukleinsäuren,
die viele Nukleinsäuren
eines höheren
Molekulargewichts enthalten. Die Partikel und die Nukleinsäuren können in
diesen Fällen
Aggregate ausbilden. Der Fachmann wird fähig sein, die richtige Partikelgrösse für die bestimmte
vorgesehene Anwendung zu wählen.
Die Ausbildung der Aggregate kann durch Einsatz von fraktioniertem
Siliziumdioxid oder diatomare Erde in einer Anzahl von Anwendungen vermieden
werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Isolieren
von einzelsträngigem
Nukleinsäure-Material
aus einer Mischung von Nukleinsäure-Material,
mit den Schritten des Unterwerfens der Mischung einem Verfahren
wie oben beschrieben und Behandeln des Supernatants, das das einzelsträngige Nukleinsäure-Material,
mit einer zweiten Flüssigkeit
mit einem chaotropischen Agens und einer zweiten Nukleinsäure bindenden
festen Phase, wobei die zweite Flüssigkeit eine Zusammensetzung
dergestalt hat, dass es der sich ergebenden Mischung des Supernatants
und der zweiten Flüssigkeit
gestattet, das einzelsträngige
Nukleinsäure-Material
an die zweite feste Phase zu binden.
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Dieserart
wird das doppelsträngige
Nukleinsäure-Material
aus der rohen Mischung entfernt und die einzelsträngige Nukleinsäure wird
aus der verbleibenden immer noch rohen Mischung in einem anderen
Einzelschritt gereinigt. Sowohl das doppelsträngige Material als auch das
einzelsträngige
Material werden reversibel an die jeweiligen festen Phasen gebunden,
so dass sie in einfacher Weise auf der besagten festen Phase eluiiert
werden können,
um weitere Analyse oder andere Behandlungen durchzuführen. Eine
sehr nützliche weitere
Behandlung ist die Verstärkung
des (doppel- oder einzelsträngigen)
Nukleinsäure-Material.
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Kurze Beschreibung der
Figuren
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1: Abriss
des Protokolls R
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Wiedergewinnung
der ds-NA findet statt von dem ursprünglichen Pressling (R-Pressling),
Wiedergewinnung der ss-NA findet statt von dem ursprünglichen
Supernatants (R-sup). L11, L10, L6 und L2 sind GuSCN basierte Puffer;
SC ist Siliziumbasierte Suspension. Für Details wird auf den Abschnitt
Materialien % Verfahren Abschnitt verwiesen.
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2: Trennung
von ds-DNS und ss-DNS
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NA
ist gereinigt worden (im Doppel) durch Protokoll R aus einer Mischung
von ds-DNS (Phage Lambda, HiadIII Digest, 1 μg) und ss-DNS (Phage M13 DNS,
500 ng). Letztendliche Elutionen waren in 50 μl TE und 25 μl sind durch 1% Agarose Gel
(enthaltend Äthidiumbromid)
elektrophoresiert worden, was nachfolgend unter UV-Beleuchtung photographiert
worden ist. Fahne 1, 100% Wiedergewinnungsmarker für ds-DNS
Fragmente; Fahne 2, 100% Wiedergewinnungsmarker für ss-DNS;
Fahne 3, 100% Wiedergewinnungsmarker-Mischung ds-DNS/ss-DNS; Fahnen
4 und 5, Ausgangs-Protokoll R-Pressling; Fahnen 6 und 7, Ausgangs-Protokoll R-sup.
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3: Trennung
von ds-RNS und ss-RNS
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NA
ist gereinigt worden (im Doppel) durch Protokoll R aus einer Mischung
von ds-RNS (Rotavirus ds-RNS) und ss-RNS (Phage MS2 RNS, 800 ng).
Letztendliche Elutionen waren in 50 μl TE und 25 μl sind durch 1% Agarose Gel
(enthaltend Äthidiumbromid)
elektrophoresiert worden, was nachfolgend unter UV-Beleuchtung photographiert
worden ist. Fahne 1, 100% Wiedergewinnungsmarker für ds-RNS
Fragmente; Fahne 2, 100 Wiedergewinnungsmarker für ss-RNS; Fahne 3, 100 Wiedergewinnungsmarker
für ds-RNS/ss-RNS
Mischung; Fahnen 4 und 5, Ausgangs-Protokoll R-Pressling; Fahnen
6 und 7, Ausgangs-Protokoll R-sup.
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4: Trennung
von ds-DNS und ss-RNS
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NA
ist gereinigt worden (im Doppel) durch Protokoll R aus einer Mischung
von ds-DNS (750 ng Phage Lambdas verdaut durch HindIII) und ss-RNS
(Phage MS2 RNS, 800 ng). Letztendliche Elutionen waren in 50 μl TE und
25 μl sind
durch 1% Agarose Gel (enthaltend Äthidiumbromid) elektrophoresiert
worden, was nachfolgend unter UV-Beleuchtung photographiert worden
ist. Fahne 1, 100% Wiedergewinnungsmarker für ds-DNS Fragmente; Fahne 2,
100% Wiedergewinnungsmarker für
ss-RNS; Fahne 3, 100 Wiedergewinnungsmarker für ds-DNS/ss-RNS Mischung; Fahnen
4 und 5, Ausgangs-Protokoll R-Pressling; Fahnen 6 und 7, Ausgangs-Protokoll
R-sup.
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5: Trennung
von ds-DNS und ss-RNS
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NA
ist gereinigt worden durch Protokoll R aus einer Mischung von ds-DNS
(1000 ng linearisiertes pHC624, 2 kb) und ss-RNS (Phage MS2 RNS,
800 ng). Letztendliche Elution war in 50 μl TE und 25 μl oder zehnfache serielle verdünnungen
der SS-NA Fraktion sind durch 1% Agarose Gel (enthaltend Äthidiumbromid) elektrophoresiert
worden, was nachfolgend unter UV-Beleuchtung photographiert worden
ist.
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Panel
A: Obere Reihe: Fahne 1, HindIII verdaute Phage Lambda DNS; Fahne
2, 100% Wiedergewinnungsmarker für
ds-DNS und ss-RNS
und zehnfache Verdünnungen
davon (Fahnen 3 bis 6); Bodenreihe, Ausgang des Protokolls R-sup
(Fahne 2) und zehnfache serielle Verdünnungen (Fahne 3 bis 6).
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Panel
B: ds-DNS ist nachfolgend einem Nitrozellulosefilter transferiert
und mit einer 32P-markierten Probe hybridisiert
worden, die homolog zu Eingangs ds-DNS ist. Es ist auf ds-DNS und
Ss-RNS hingewiesen worden.
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6: Trennung
von genomischer DNS und ss-RNS
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Wie
wird ss-RNS gefangen. E. coli Bakterien sind direkt als Eingangsmaterial
für das
doppelte Extrahieren durch das Protokoll R (Fahnen 6 und 7; R-Pressling;
Bahnen 8 und 9; R-sup)
eingesetzt worden. Alternativ ist das gesamte NA zuerst durch Protokoll
Y unter Einsatz von Diatomen für
das Protokoll R (was genomische DNS schert) gereinigt worden. Die
gereinigten Nukleinsäuren
sind nachfolgend als Eingang für
das Protokoll R (Bahnen 2 und 3, R-Pressling; Bahnen 4 und 5, R-sup)
eingesetzt worden. Letztendliche Elution war in 50 μl TE und
25 μl sind
durch 1% Agarose Gel (enthaltend Äthidiumbromid) elektrophoresiert
worden, was nachfolgend unter UV-Beleuchtung photographiert worden
ist.
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Markierungsbahnen
1 und 10 (500 ng Phae Lambda DNS, HindIII verdaut). 23S und 16S
rRNS und ds-DNS Molekulargewichtsmarker (23 kb und 2.0 kb) sind
gezeigt.
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7: Abriss
der Prozedur
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8
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Einzel-strängige Nukleinsäure ist
aus Proben, die HIV-1 RNS und TE umfassen (negative Kontrolle) enthalten,
durch das Protokoll R-sup gereinigt worden und nachfolgend mit dem
nicht-selektiven RT-PCR verstärkt.
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Panel
A: Fahne 1, 100 bp DNS-Leiter; Fahnen 2 und 3 zeigen negative Auszugskontrollen;
Fahnen 4 und 5 nicht selektive verstärkte HIV-1 RNS; Fahnen 6, 7,
8 und 9, 600, 60, 6 beziehungsweise 0 Moleküle des pHCrec (positive PCR-Steuerung).
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Panel
8: Southern Blot Hybridisierung mit 32P-markierten
HIV-1 Proben (mit enthaltenen GAG, POL und ENV-Genen des Hiv-1)
der in Panel A gezeigten Proben. Nach der Hybridisierung über Nacht
bei 65 Grad Celsius in 6 × SSC,
0,1% SDS,. 10 Dextransulfat und 50 μg/l Lachssperma DNS, ist der
Filter nachfolgend gewaschen worden unter starken Reinheitsbedingungen
mit 0,1 SSC/0,1% SDS bei 65 Grad Celsius und auf einem Röntgenfilm
für zwei
Stunden bei –70
Gard Celsius autoradiographed worden. Dieses Experiment hat gezeigt,
dass die meisten der sichtbaren Fahnen auf dem Äthiniumbromid gefärbten Agarosegel
von dem HIV-1 Genom hervorgehen.
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The
Erfindung wird nun im Folgenden in grösserem Detail mit Hilfe der
beigefügten
Beschreibung näher
beschrieben.
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Trennung/Isolierung
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Materialien und Verfahren
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Quelle der Nukleinsäuren
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Phage
MS-2 ss-RNS (3569 nt), E. coli rRNS (16 und 235; jeweils 1,7 kb
und 3,5 kb), Phage M13 ss-DNS (7599 nt) und HindIII verdaute Phage
Lambda ds-DNS sind von Boehringer (Mannheim, Deutschland) gekauft
worden. Rotavirus ds-RNS ist aus Fäkalien eines infizierten Individuums
durch Protokoll Y/SC (11) gereinigt worden. Plasmid DNS ist aus
E. coli HB101 wie durch Ish-Horowicz und Burke (13) beschrieben
gereinigt worden, gefolgt von Säulenchromotographie
mit Sepharose CL2B (Pharmacia, Inc. Uppsala, Schweden). Gesamte
NA ist aus E.coli durch das Protokoll Y/D (11) gereinigt worden.
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Chemikalien
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Guanidinethiocyanat
(GuSCN) ist von Fluka (Buchs, Schweiz) erhalten worden.
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EDTA
(Titriplex) und MgC12·6H20
ist von Merck (Darmstadt, Deutschland) erhalten worden. TRIS ist von
Boehringer (Mannheim, Deutschland) erhalten worden. Die Herstellung
von grössen-fraktionierten
Siliziumdioxid-Partikel (Siliziumdioxid grob, SC) und diatome Suspension
ist beschrieben worden (11). Triton X-100 war von Packard (Packard
Instrument Co., Inc., Downers Grove, Ill).
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Zusammensetzung von Puffern
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Der
Lyse/Binde-Puffer L6, der Wasch-Puffer L2, und TE (10 mM Tris·HCl, 1
mM EDTA; pH = 8.0) ist beschrieben worden (11). 0.2 M EDTA (pH 8.0)
ist durch Auflösen
von 37.2 g EDTA (Merck, Deutschland) und 4.4 g NaOH (Merck, Deutschland)
in aqua zu einem Gesamtvolumen von 500 ml hergestellt worden. Lyse/Binde-Puffer L11 ist durch
Auflösen
von 120 g von GuSCN in 100 ml 0.2 M EDTA (pH = 8.0) hergestellt
worden.
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Binde-Puffer
L10 ist durch Auflösen
von 120 g GuSCN in 100 ml 0.35 M TRIS·HCl (pH 6.4) hergestellt worden;
nachfolgend sind 22 ml 0.2 M EDTA (pH 8.0) und 9.1 g Triton X-100
hinzugefügt
worden und die Lösung
ist homogenisiert worden; schliesslich sind 11 g von festem MgCl2·6H2O hinzugefügt worden. Die endgültige Konzentration
von MgCl2 in L10 liegt bei ungefähr 0.25
M. L10 ist für
mindestens 1 Monat stabil, wenn es bei Raumtemperatur im Dunkeln
gelagert werden.
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Fraktionierung von ds-NA
und ss-NA durch das Protokoll R
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Das
Verfahren wird in 1 umrissen. Ein 50 μl Muster
(mit einer Mischung von NA-Typen in TE Puffer) ist zu einer Mischung
von 900 μl
L11 und 40 μl
SC in einer Eppendorf-Röhre
hinzugefügt
worden und ist nachfolgend durch Verwirbeln homogenisiert worden.
Nach 10 Minuten Binden bei Raumtemperatur ist die Röhre zentrifugiert
worden (2 Minuten bei ungefähr
10.000 × g),
was in einem Siliziumdioxid/ds-NA Pressling ("ursprünglicher Siliziumdioxid-Pressling") und einem Supernatant
umfassend ss-NA resultierte.
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Um
ss-NA Formen (Protokoll R-sup) wiederzugewinnen, sind 900 μl des Supernatants
zu einer Mischung des 400 μl
L10 und 40 μl
SC hinzuzufügen
und ss-NA sind während
einer 10 Minuten Inkubationszeit bei Raumtemperatur gebunden worden.
Die Röhre
ist nachfolgend zentrifugiert worden (15 Sekunden bei ungefähr 10.000 × g), und
das Supernatant ist verworfen worden (durch Absaugen). Der sich
ergebende Pressling ist nachfolgend zweifach gewaschen worden mit
1 ml des L2, zweifach mit 1 ml Äthanol
70% (vol/vol) und einfach mit 1 ml Azeton. Der Siliziumdioxid-Pressling
ist getrocknet worden (10 Minuten bei 56 Grad Celsius mit einem
offen Deckel in einem Eppendorf Heizblock) und in 50 μl TE Puffer
(10 Minuten bei 56 Grad Celsius; geschlossener Deckel) eluiert worden.
Nach Zentrifugierung (2 Minuten bei ungefähr 10.000 × g) enthält das Supernatant die ss-NA
Fraktion.
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Um
ds-NA Formen (Protokoll R-Pressling) aus dem ursprünglichen
Siliziumdioxid-Pressling wiederzugewinnen, ist das verbleibende
Supernatant entfernt worden, und der Siliziumdioxid-Pressling ist
zweifach mit L11 gewaschen worden, um ungebundenes ss-NA zu entfernen.
Der sich ergebende Siliziumdioxid-Pressling ist nachfolgend zweifach
mit L2, zweifach mit Äthanol
70%, einfach mit Azeton gewaschen worden, getrocknet und eluiert
worden wie oben beschrieben. Nach Zentrifugierung (2 Minuten bei
ungefähr
10.000 × g)
enthält das
Supernatant die ds-NA Fraktion.
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In
dem gesamten Verfahren (was ungefähr eine Stunden andauert) zur
Fraktionierung des NA durch Protokoll R, werden nur zwei Eppendorf-Röhren eingesetzt
werden.
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Fraktionierung von genomischer
DNS und ss-NA
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Aufgrund
des Aufnehmens der ss-NA in genomischer DNS mit einem hohen Molekulargewicht,
ergibt Protokoll R wie oben beschrieben nur geringe Ausbeuten von
ss-NA. Dies kann umgangen werden durch zuerst Isolieren des gesamten
NA durch Protokoll Y/D (11), was zu einigem Scheren der genomischen
DNS mit einem hohen Molekulargewicht führt, ausreichend, um ein Abfangen
des ss-NA zu vermeiden. Die so gereinigte gesamte NA kann nachfolgend
eingesetzt werden als Eingangsmaterial für das Protokoll R.
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Gel-Elektrophorese
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Bei
allen Experimenten ist NA electrophoresiert worden (8 bis 10 V/cm)
durch neutrale Agaroseplattengels mit Äthidiumbromid (1 μg/ml) in
dem Puffersystem (40 mM TRIS-20 mM Natriumazetat 2 mM EDTA eingestellt
auf pH 7.7 mit Essigsäure; Äthidiumbromid
ist hinzugefügt
worden auf eine Konzentration von 1 μg/ml Puffer) beschrieben durch
Aaij und Borst (14).
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Hybridisierung
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DNS-Fragmente
sind zu Nitrozellulosefilter durch das Verfahren von Southern (15)
transferiert worden und mit [alpha-32P]dCTP
markierte pHC624 (16) hybridisiert worden, hergestellt durch zufälliges Markieren (Boehringer,
Deutschland). Hybridisierungsbedingungen sind oben früher beschrieben
worden (12).
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Ergebnisse
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Der
Vergleich von verschiedenen GuSCN-enthaltenden Lysepuffern in Bezug
auf das Binden von verschiedenen NA-Typen an Siliziumdioxid-Partikel
hat aufgezeigt, dass nur doppelsträngige Formen gebunden werden,
wenn L11 (was ungefähr
100 mM für
EDTA ist) als Bindepuffer eingesetzt wird; auf der anderen Seite werden
sowohl doppel- und einzel-strängige
Formen in Bindepuffer L6 gebunden (was ungefähr 20 mM für EDTA ist) (Tabelle 1). Diese
Betrachtungen bildeten die Basis für die Entwicklung eines Protokolls
(Protokoll R) für
die Fraktionierung von einzel-strängigen Nukleinsäuren und
doppelsträngigen
Nukleinsäuren
(1).
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Sobald
doppel-strängige
Nukleinsäure
durch Siliziumdioxid-Partikel
in L11 gebunden sind, wird eine kurze Zentrifugierung den Siliziumdioxid/ds-NA
Pressling von dem Supernatant getrennt, der die einzel-strängigen Formen
enthält.
Das Hinzufügen
dieses Supernatants zu einer Mischung von Siliziumdioxid-Partikeln und
Bindepuffer L10 (was ungefähr
250 mM für
Mg2+ ist) ist das Binden der einzel-strängigen Nukleinsäuren an
die Siliziumdioxid-Partikel wiederhergestellt. Double-strängige und
einzel-strängige
Formen kann nachfolgend durch Waschen und Eluieren der Siliziumdioxid-NA
Komplexe (Protokoll R) gereinigt werden. Doublesträngige Nukleinsäure wird
aus dem anfänglichen
Siliziumdioxid-Pressling (Protokoll R-Pressling) wiedergewonnen,
wohingegen einzel-strängige
Formen aus dem ursprünglichen
Supernatanten (Protokoll R-sup) wiedergewonnen werden.
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Zur
Optimierung des Protokolls R wurden Rekonstruktionsexperimente durchgeführt, in
denen vorab gereinigte oder kommerziell verfügbare Nukleinsäuren gemischt
und nachfolgend durch das Protokoll R fraktioniert worden sind.
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Fraktionierung einer Mischung
von doppel-strängiger
DNS und einzel-strängiger
DNS
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Die
Fraktionierung einer ds-DNS/ss-DNS-Mischung in doppelsträngige- und
einzelsträngige
Formen ist in 2 dargestellt. Die geschätzte Wiedergewinnung
von der Bandintensität
des Äthidiumbromid
verfärbtes
Gel für
ss-DNS lag bei ungefähr
50 Prozent, die geschätzte
Wiedergewinnung von ds-DNS im Bereich von 500 bp zu 4,6 kb 1ag bei
80%–90%
[ähnliche
Wiedergewinnungen sind für
ds-DNS Fragment im Bereich von 100–500 bp (nicht dargestellt)
erhalten worden], wobei grössere
Fragmente in wesentlichem Masse geschert sind, wie früher festgestellt
(11). Auf dem Niveau der Erfassung durch UV-Beleuchtung war die
Fraktionierung in ds- und ss-Formen
vollständig.
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Fraktionierung einer Mischung
von doppel-strängiger
RNS und einzel-strängiger
RNS
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3 zeigt
die Fraktionierung einer Mischung von ds-RNS (menschliches Rotavirusgenomsegmente 1–11; für einen
Review siehe 14) und ss-RNS (Phage MS2 RNS) in doppelsträngige- und einzelsträngige Formen.
Die geschätzte
Wiedergewinnung von ds-RNS
und ss-RNS lag bei mindestens 80%. Auf dem Niveau der Erfassung
durch UV-Beleuchtung war die Fraktionierung in ds- und ss-Formen vollständig.
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Fraktionierung einer Mischung
von doppel-strängiger
DNS und einzel-strängiger
RNS
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In 4 ist
dargestellt worden, dass ds-DNS auch effizient von ss-RNS getrennt
werden kann.
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Wieder
lag das Wiedergewinnen für
beide Fraktionen bei mindestens 80%. Ähnliche Ergebnisse sind erhalten
worden, wenn E.coli rRNS (23S und 16S) als ss-RNS Eingang (nicht
dargestellt) eingesetzt worden sind.
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Bei
den oben beschriebenen Experimenten erschien die Fraktionierung
der ds- und ss-NA Formen (geprüft
durch visuelle Inspektion von Bandintensitäten nach Äthidiumbromid-Färbung und UV-Beleuchtung) komplett
zu sein. Um die Leistung des Fraktionierungs-Verfahren für eine Mischung
von ds-DNS und ss-RNS in ss- und ds-Formen zu etablieren, wurde
durch das Protokoll R-sup gereinigtes NA von solch einer Mischung durch
Southern-Blotting und Hybridisierung mit einer 32P-markierten DNS
Probe zu prüfen,
homolog zu der ds-DNS, die als Eingang für die Fraktionierung eingesetzt
worden ist. Dieses Experiment hat gezeigt, dass die ss-NA Fraktion
weniger als 0,1% des ds-DNS Eingangs (5) enthält.
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Fraktionierung einer Mischung
von genomischer DNS und einzelsträngiger RNS
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Als
wir die Trennung von (genomischer) dsDNS und ss-RNS mit hohem Molekulargewicht
durch direkte Fraktionierung unter Einsatz von E. coli als Eingang
für Protokoll
R untersucht haben, erschien es, dass die ds-DNS Fraktion in grossem
Masse mit rRNS (6, Bahnen 6 und 7) kontaminiert
ist, und die ss-RNS Wiedergewinnung war gering (6,
Bahnen 8 und 9). Dies ist wahrscheinlich dadurch bedingt, dass RNS
in (genomischer) ds-DNS mit hohem Molekulargewicht gefangen wird,
wenn Siliziumdioxid/NA Komplexe ausgebildet worden sind. Auf der
anderen Seite ist keine genomische DNS in der ss-RNS Fraktion beobachtet
worden. Die gesamte Nukleinsäure,
die unter Einsatz des Standard Protokoll Y/D (11) zuerst isoliert
worden ist und im Nachhinein als Eingangs-Material in Protokoll
R eingesetzt wird, zeigte in wesentlichem Masse eine höhere Rückgewinnung
der ss-RNS Fraktion (6, Bahnen 2 und 5).
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Verstärkungen
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Materialien und Verfahren
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Quelle der Nukleinsäuren
-
HIV-1
RNS ist aus einer Viruskultur (23) isoliert worden, Phage MS-2 RNS
ist von Boehringer (Mannheim, Deutschland) gekauft worden und die
7.5 Kb Poly(A)Tailed RNS und die 100 bp Leiter ist als Marker von Life
Technologies (Gaithersburg, Maryland, USA) gekauft worden. Der PCR
TA3 Klonierungsvektor ist von Promega (Madison, USA) erhalten worden.
Plasmid 5' NOT Hxb2ENN (24) [enthaltend die GAG und POL Gene des
HIV-1 von Nukleotiden 638–4647]
und 168.1 RTN (24) (enthaltend das ENV Gen des HIV-1 aus dem Nukleotide
5674–8474)
sind gereinigt worden wie oben beschrieben durch Ish-Horowicz und
Burke (13) gefolgt von dem Protokoll R-Pressling wie in den Beispielen
beschrieben. Das Plasmid pHCrec, das als eine positive Kontrolle
in den PCR Experimenten eingesetzt worden ist, wurde durch eine
schwache Annealing PCR auf Lambda DNS (Boehringer) unter Einsatz
von PCR Primer RB 8 (siehe unten) gemacht. Die diskreten PCR Produkte
sind gereinigt worden durch Protokoll Y/D (11) und nachfolgend geklont
in einem PCR III Vektor (Invitrogen) Das aufdeckende Plasmid pHCrec
mit einem ungefähr 600
bp Einsatz ist nachfolgend von E.coli HB101 wie durch Ish-Horowicz und Burke
(13) gereinigt worden, gefolgt von Säulenchromotographie durch Sepharose
CL2B (Pharmacia, Inc. Uppsala, Schweden).
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Chemikalien und Enzyme
-
EDTA,
KCl, MgCl2·6H2O,
NaCl und tri-Natriumcitratdihydrat sind von Merck (Darmstadt, Deutschland) erhalten
worden. TRIS und BSA sind von Boehringer(Mannheim, Deutschland)
erhalten worden. Triton X-100 ist von Packard (Packard Instruments
Co., Inc., Downers, Ill, USA) erhalten worden. Natrium-Dodecylsulfat (SDS)
ist von Serva (Heidelberg, Deutschland) erhalten worden.
-
Die
dNTP's und Dextransulfat
sind von Pharmacia (Uppsala, Schweden) erhalten worden.
-
Die
in Protokoll R eingesetzten Chemikalien sind hier beschrieben.
-
Reverse
Transkriptase Superscript II ist von Life Technologies (Gaithersburg,
Maryland, USA) gekauft worden. DNS polymerase Sequenase 2 ist von
Amersham (Vereinigtes Königreich)
erhalten worden. Ampli-Taq DNS Polymerase ist von Perkin Elmer (Norwalk,
USA) erhalten worden. RNAse H ist von Boehringer (Mannheim, Deutschland)
erhalten worden. Lachssperma DNS ist von Sigma (St. Louis, USA)
erhalten worden.
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Zusammensetzung von Puffern
und Lösungen
-
Die
Herstellung von Puffern, die in Protokoll R eingesetzt worden sind,
sind hier beschrieben worden, mit Ausnahme, dass Lysepuffer und
Waschpuffer (L10, L11, und L2), die in Protokoll R eingesetzt worden
sind, für
die Isolierung der Nukleinsäuren
durch eine Säule
gefiltert worden sind, die mit Diatomen (11) gepackt worden sind,
um jegliche endogene Nukleinsäuren
in dem Lysepuffer und Waschpuffer zu entfernen.
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Der
10 × reverse
Transkriptionspuffer (CMB1) besteht aus 100 mM Tris·HCl (pH
8.5), 500 mM KCl und 1% Triton X-100.
-
Der
10 × PCR
Puffer besteht aus 500 mM Tris·HCl
(pH 8.3), 200 mM KCl und 1 mg/ml BSA.
-
Der
Elutionspuffer Tris/EDTA (TE, pH 8.0) besteht aus 10 mM Tris·HCl (pH
8.0) und 1 mM EDTA (pH 8.0).
-
Oligonukleotide
-
Der
erste Strangprimer TAG 20 ist:
5'GACAGAATGCCGAAATGACCCCNNNNNG3'
-
Der
zweite Strangprimer TAG 7 ist:
5'DIG-GACAGAATGCGAAATGANNNNNG3'
-
Der
PCR primer RB 8 ist:
5'GACAGAATGCCGAAATGA3'
unterstrichen:
PCR Motiv
fett: Motiv für
direkte Sequenzierung
N = A, T, C, oder G
-
Protokoll für erste
Strangsynthese
-
ss-RNS,
die in den kommerziell verfügbaren
reversen Transkriptasen vorliegen, erschien, um ungewollte Seitenprodukte
zu erzeugen, wenn diese in ersten Strangsynthesen eingesetzt werden.
Um dieses Problem zu überwinden,
ist reverse Transkriptase zuerst in einer Mischung für cDNS Synthese
vorbehandelt worden, denen exogene zugefügte Primer fehlen:
-
-
-
Inkubiere 15 Minuten bei
37 Grad Celsius
-
Nukleinsäuren (20 μl), gereinigt
durch Protokoll R-sup, sind für
5 Minuten bei 60 Grad Celsius inkubiert worden und nachfolgend auf
Eis gequencht worden. Nachfolgend ist die folgende Mischung hinzugefügt worden:
-
-
Schliesslich
sind 10 μl
des vorinkubierten Superscripts II (SS II) sind hinzugefügt worden
und die sich ergebende Mischung ist für 30 Minuten bei 42 Grad Celsius
inkubiert worden.
-
Nach
der reversen Transkriptionsreaktion ist SS II durch Inkubierung
der Mischung für
5 Minuten bei 80 Grad Celsius inaktiviert worden, und die Mischung
ist nachfolgend auf Raumtemperatur abgekühlt worden. Um die RNS/DNS
Hybriden in einzel-strängige
cDNS zu wandeln, werden zwanzig Einheiten der RNAse H zu der Mischung
hinzugefügt
und sind für
60 Minuten bei 37 Grad Celsius inkubiert worden. Die einzel-strängige cDNS
ist nachfolgend unter Einsatz des Protokolls R-sup isoliert worden.
Die einzelsträngige
cDNS ist in 40 μl TE
eluiert worden und 20 μl
sind als Eingang für
die zweite Strangsynthese eingesetzt worden.
-
Protokoll für zweite
Strangsynthese
-
Zu
zwanzig Mikroliter von einzel-strängiger cDNS ist die folgende
Mischung (auf Eis) hinzugefügt
worden:
-
-
-
Die
Mischung ist für
10 Minuten auf Eis inkubiert worden, und nachfolgend für 60 Minuten
bei 37 Grad Celsius. Nach der zweiten Strangsynthese ist die doppel-strängige cDNS
unter Einsatz des Protokolls R-Pressling isoliert worden. Die doppel-strängige cDNS
sind in 40 μl
TE eluiert worden. Zwanzig Mikroliter sind genommen worden und 2 μl sind als
Eingang für
PCR eingesetzt worden. Die verbleibenden 18 μl sind bei –20 Grad Celsius gespeichert
worden.
-
Protokoll für die Polymerasekettenreaktion
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Zwei
Mikroliter von doppel-strängiger
cDNS sind zu 48 μl
einer PCR Mischung hinzugefügt
worden, die besteht aus:
-
-
Nach
einer Inkubation für
5 Minuten bei 95 Grad Celsius ist die Probe 45 Zyklen der Verstärkung in einem
DNS thermalen Zykler (Typ 480; Perkin Elmer Cetus) unterworfen worden.
Ein Zyklus bestand aus der Denaturierung von 1 Minute bei 95 Grad
Celsius, Annealing für
1 Minute bei 63 Grad Celsius, und Elongation für 2 Minuten bei 72 Grad Celsius.
Nach dem Durchzykeln ist die Probe für 8 Minuten bei 72 Grad Celsius inkubiert
worden, und nachfolgend ist die Temperatur auf 4 Grad Celsius abgesenkt
worden. Fünfundzwanzig Mikroliter
des PCR Produktes ist durch Agarose Gel Elektrophorese und Äthidiumbromid
Färbung
betrachtet worden. In jedem Experiment ist TE als eine negative
Extraktionskontrolle und als eine negative PCR Kontrolle eingesetzt
worden.
-
*Teilweiser
Ersatz des dTTP mit dUTP liefert eine Methodologie zum Gewährleisten,
dass Produkte aus früheren
PCR Reaktionen nicht wieder verstärkt werden kann. Produkte von
PCR Verstärkungen
wird uracil-enthaltende Deoxyribonukleinsäuren enthalten. Mögliche kontaminierende
PCR Produkte aus einer früheren
PCR Verstärkung
werden eliminiert durch Ausschneiden von Uracil-Basen unter Einsatz
des Enzyms Uracil N-Glykosylase (UNG) vor der PCR (25)
-
Gelelektrophorese
-
In
allen Experimenten sind die Nukleinsäuren durch neutrale Agaroseblockgels
electrophoresiert worden (8 bis 10 V/cm), die Äthidiumbromid (1 μg/ml) in
dem Puffersystem enthalten ist, wie es durch Aaij und Borst (14)
beschrieben worden ist.
-
Hybridisierung
-
DNS
Fragmente sind nach einem Southern Blotting (15) durch Hybridisierung
mit 32P-markierten Proben erfasst worden,
die die gesamten GAG, POL, und ENV Gene des HIV-1 darstellen [Plasmid
5' NOT Hxb2ENN und Plasmid 168 1 RTN] (10).
-
Ergebnisse
-
Parallel
sind 105 Moleküle von HIV-1 RNS (23) und negative
Kontrollen (TE) extrahiert worden unter Einsatz des Protokolls R-sup.
Die sich ergebenden einzel-strängigen
Nukleinsäuren
werden durch die nicht-selektive RT-PCR wie oben beschrieben verstärkt, was
in einem diskreten Fahnenmuster für HIV-1 RNS resultiert, und
keine Verstärkungsprodukte
in den TE-Kontrollen
(8). Die Variation zwischen den Duplikaten ist
eine Reflektion der Nicht-Selektivität der Prozedur. Als eine Kontrolle
für die
Effizienz des PCR Teils des Verfahrens ist ein Eingang von 0, 6,
60 und 600 Molekülen
des Plasmid pHCrec eingesetzt worden.
-
Um
den HIV-Ursprung der in der 8A sichtbaren
Fahnen zu bestätigen,
ist eine Southern Blot Hybridisierung unter hohen Zwängen mit 32p-markierten Proben durchgeführt worden,
umfassend fast das ganze HIV-1 Genom (8B). Dieses
Experiment zeigte, dass die meisten der Fahnen, die durch UV-Beleuchtung sichtbar
sind, mit der HIV-1 Probe hybridisieren. Die Fahnen, die nicht mit
der Probe hybridisieren, können
homolog mit Teilen des HIV-1 Genoms sein, die anders sind als die
in der Probe vorliegenden, oder könnten aus einzelsträngiger RNS,
die in der HIV-1 RNS Herstellung vorliegt (beispielsweise zelluläre mRNS),
oder aus ss-RNS hervorgehen, die in Superscript II vorliegt, was
nicht gewandelt worden war in ds-Hybriden während der Präinkubation
des SuperScript II.
-
Ähnliche
Ergebnisse sind mit anderer einzel-strängigen RNSs wie Hepatitis C
Virus RNS, Phage MS2 RNS, und der 7.5 Kb Poly(A)-Tailed RNS (Ergebnissen
nicht dargestellt).
-
Es
ist geschlossen worden, dass die beschriebenen Verfahren eingesetzt
werden können,
um einzelsträngige
RNS Ziele (beispielsweise in Serum vorliegend) in eine Abfolge von
diskreten Fahnen in Agarosegels zu verstärken. Die diskreten Fahnen
können
aus Agarosegels gereinigt werden, geklont in beispielsweise einem
bakteriellen Vektor und die Klone können nachfolgend sequenziert
worden. Aufgrund der Tatsache, dass einer der Identifizierprimer
(TAG 20) ein Sequenzmotiv beherbergt, ist es möglich, die diskreten Bänder ohne Klonierung
zu sequenzieren, nachdem die Bänder
von dem Gel zu reinigen. Das hier beschriebene Verfahren ist nützlich bei
der Isolierung und der Charakterisierung von unbekannten Sequenzen,
die in klinischen Proben vorliegen (beispielsweise virale Sequenzen),
oder für
die Verstärkung
der cDNSs aus Transkripten ohne das Vorliegen von jeglichen Sequenzdaten.
-
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-
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-
-
Das
Binden von verschiedenen NA-Typen der Siliziumdioxid- Partikel in verschiedenen
Lysepuffern; ähnliche
Ergebnisse sind unter Einsatz von Diatomen im Gegensatz zu Siliziumdioxid-Partikeln
(Daten nicht dargestellt) erhalten worden.