在做Northern等雜交實驗、構建cDNA文庫、獲取能夠編碼真核生物蛋白的基因、獲得RNA病毒基因時,會用到RNA提取和RT-PCR技術。
真核生物的基因組是DNA,為什么不直接從DNA PCR得到我們需要的基因呢?因為真核生物的基因含有大量的非編碼區,稱為內元(intron),真正編碼蛋白的區段是被這些內元隔開的,這些編碼區叫做外元(exon)。真核生物的DNA轉錄成為RNA之后,經過剪切和拼接,去掉這些非編碼區,才形成成熟的mRNA,由mRNA再翻譯成蛋白質。
所以,如果直接從真核生物的基因組DNA獲取目的基因,克隆再表達,試圖獲取目的蛋白的思路是行不通的,因為獲取的DNA里面會含有非編碼區。要表達真核生物的基因并表達出相應的蛋白,只能通過提取其 mRNA并RT-PCR這條頗費周折的途徑。
1.RNA的提取
RNA的提取其實原理很簡單:通過變性劑破碎細胞或者組織,然后經過氯仿等有機溶劑抽提RNA,再經過沉淀,洗滌,晾干,最后溶解。但是由于RNA酶無處不在,隨時可能將RNA降解,所以實驗中有很多地方需要注意,稍有疏忽就會前功盡棄。
1.1 分離高質量RNA
成功的cDNA合成來自高質量的RNA。高質量的RNA至少應保證全長并且不含逆轉錄酶的抑制劑,如EDTA或SDS。RNA的質量決定了你能夠轉錄到cDNA上的序列信息量的最大值。一般的RNA純化方法是使用異硫氰酸胍/酸性酚的一步法。
一般不必使用oligo(dT)選擇性分離poly(A)+RNA。不管起始模板是總RNA還是 poly(A)+ RNA,都可以檢測到擴增結果。另外,分離poly(A)+RNA會導致樣品間mRNA豐度的波動變化,從而使信息的檢出和定量產生偏差。然而,當分析稀有mRNA時,poly(A)+RNA會增加檢測的靈敏度。
1.2 RNA提取的最大影響因素-RNA酶
在所有RNA實驗中,最關鍵的因素是分離得到全長的RNA。而實驗失敗的主要原因是核糖核酸酶(RNA酶)的污染。由于RNA酶廣泛存在而穩定,可耐受多種處理而不被滅活,如煮沸、高壓滅菌等,RNA酶催化的反應一般不需要輔助因子。因而RNA制劑中只要存在少量的RNA酶就會引起RNA在制備與分析過程中的降解,而所制備的RNA的純度和完整性又可直接影響RNA分析的結果,所以RNA的制備與分析操作難度極大。
在實驗中,一方面要嚴格控制外源性 RNA酶的污染;另一方面要最大限度地抑制內源性的RNA酶。外源性的RNA酶存在于操作人員的手汗、唾液等,也可存在于灰塵中。在其它分子生物學實驗中使用的RNA酶也會造成污染。這些外源性的RNA酶可污染器械、玻璃制品、塑料制品、電泳槽、研究人員的手及各種試劑。而各種組織和細胞中則含有大量內源性的RNA酶。
1.3 常用的RNA酶抑制劑
*焦碳酸二乙酯(DEPC):是一種強烈但不徹底的RNA酶抑制劑。它通過和RNA酶的活性基團組氨酸的咪唑環結合使蛋白質變性,從而抑制酶的活性。
*異硫氰酸胍:目前被認為是最有效的RNA酶抑制劑,它在裂解組織的同時也使RNA酶失活。它既可破壞細胞結構使核酸從核蛋白中解離出來,又對RNA酶有強烈的變性作用。
*氧釩核糖核苷復合物:由氧化釩離子和核苷形成的復合物,它和RNA酶結合形成過渡態類物質,幾乎能完全抑制RNA酶的活性。
*RNA酶的蛋白抑制劑(RNasin):從大鼠肝或人胎盤中提取得來的酸性糖蛋白。RNasin是RNA酶的一種非競爭性抑制劑,可以和多種RNA酶結合,使其失活。
* 其它:SDS、尿素、硅藻土等對RNA酶也有一定抑制作用。
1.4 防止RNA酶污染的措施、RNA提取之前需要注意和準備的工作
*盡可能在實驗室專門辟出RNA操作區,離心機、移液器、試劑等均應專用。RNA操作區應保持清潔,并定期進行除菌。
*操作過程中應始終戴一次性橡膠手套和口罩,并經常更換,以防止手、臂上的細菌和真菌以及人體自身分泌的RNase帶入各種容器內或污染用具。盡量避免使用一次性塑料手套。塑料手套不僅常常給操作帶來不便,而且塑料手套的多出部分常常將器具有RNase處傳遞到RNase-free處,擴大污染。
*盡量使用一次性的塑料制品,避免共用器具如濾紙、tips、tubes等,以防交叉污染。例如,從事RNA探針工作的研究者經常使用RNase H、T1等,在操作過程中極有可能造成移液器、離心機等的污染。而這些污染了的器具是RNA操作的大敵。
*關于一次性塑料制品,建議使用廠家供應的出廠前已經滅菌的tips和tubes等。多數廠家供應的無菌塑料制品很少有RNase污染,買來后可直接用于RNA操作。用DEPC等處理的塑料制品,往往由于二次污染而帶有RNase,從而導致實驗失敗。
*所有的玻璃器皿均應在使用前于180℃的高溫下干烤6hr或更長時間。
*無法用DEPC處理的用具可用氯仿擦拭若干次,這樣通常可以消除RNase的活性。
*配制溶液用的乙醇、異丙醇、 Tris等應采用未開封的新瓶裝試劑。
*塑料器皿可用0.1% DEPC水浸泡或用氯仿沖洗(注意:有機玻璃器具因可被氯仿腐蝕,故不能使用)。
*有機玻璃的電泳槽等,可先用去污劑洗滌,雙蒸水沖洗,乙醇干燥,再浸泡在3% H2O2 室溫10min,然后用0.1% DEPC水沖洗,晾干。
*配制的溶液應盡可能的用0.1% DEPC,在37℃處理12hr以上。然后用高壓滅菌除去殘留的DEPC。不能高壓滅菌的試劑,應當用DEPC處理過的無菌雙蒸水配制,然后經 0.22μm濾膜過濾除菌。
1.5 RNA提取的一般步驟
RNA提取的一般步驟是:破碎組織→分離RNA→沉淀RNA→ 洗滌RNA→融解RNA→保存RNA
破碎組織和滅活RNA酶可以同步進行,可以用鹽酸胍、硫氰酸胍、NP-40、SDS、蛋白酶K等破碎組織,加入β-ME可以抑制RNA酶活性。
分離RNA一半用酚、氯仿等有機溶劑,加入少量異戊醇,經過此步,離心,RNA一般分布于上層,與蛋白層分開。
沉淀RNA一般用乙醇、3M NaAc(pH-5.2)或異丙醇。
洗滌RNA使用70%乙醇洗滌,有時,為避免RNA被洗掉,此步可以省掉,洗滌之后可以晾干或者烤干乙醇,但是不能過于干燥,否則不易溶解。