DNA提取方法及在古DNA中的应用

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  摘 要:考古遗址留存下来的人类、动物遗骨遗骸和植物残留是古代生物信息的载体,为我们提供了重要的基因信息。文章概述了几种古DNA提取常用的方法及原理,并介绍了这些方法在古DNA研究中的一些应用实例。
  关键词:考古;遗骸;古DNA;提取方法
  我国墓葬、考古遗址中经常发掘出土大量猪、马、牛、羊等动物遗骨遗骸、古尸以及植物残留[1-6],这些遗存为我们提供了古代动物、植物和人类重要的基因信息。古DNA是古代生物的信息载体,作为分子生物学研究的一个工具,在建立DNA动力学模型、探索环境改变与生物多样性的关系、详述灭绝动物的饮食、验证过去群落结构和基因流动障碍、表现生物两性的特性、推断古代和现代人类传播模式、澄清系统发育关系、阐明进化发育生物学等方面已经得到了广泛的应用[7-11]。古DNA对考古学、古生物学以及人类学科具有深远的影响,对于研究物种的起源与进化具有重要意义。文章阐述了几种提取古DNA的主要方法及原理,并列举了一些应用实例。
  1 DNA提取的主要方法
  1.1 Chelex-100法
  原理:当检材比较少时或者基因分型仅需要少量的DNA时,可用Chelex-100提取方法来提取DNA。Chelex-100由苯乙烯、二乙烯苯共聚体组成,是一种螯合树脂,含有亚氨基二乙酸盐离子,可以整合多价金属离子,且比一般的离子交换剂具有更强的金属离子选择性和较高的结合力,可螯合镁离子、钙离子等核酸必需的金属阳离子,防止DNA降解。在低离子强度、碱性及煮沸的条件下,可使细胞膜破裂,并使蛋白质变性,且结合其他有可能会影响进一步分析的外源物质。经过离心,除去了Chelex-100颗粒,同时使得与DNA结合在Chelex-100上的物质分离,保证了下一步的PCR反应,DNA分析也不受抑制剂的干扰[12]。
  方法:以血液DNA提取为例。取微量血液用约400μl纯水震荡破碎红细胞;13,000r/min离心去上清,收集沉淀;向沉淀中加入200μl5% Chelex-100溶液(使用前要充分振摇),在振荡器上反复振荡,放入56°C保温30min以上;取出后振荡混匀,100℃保温8min,振荡后,13,000r/min离心3min,上清用于PCR扩增,或放4°C保存备用。
  应用:Chelex-100法适用于血迹、混合斑、毛根、尸骨等生物检材。整个提取过程只需在一个离心管里进行,大大减少实验中污染的可能性,且操作简便,耗时短,成本低廉。由于使用这种方法提取出来的DNA纯度不太高,且不适合长期保存,所以在实验室科研中该方法应用较少。
  1.2 酚仿抽提法
  原理:苯酚使蛋白质变性,且抑制DNase的降解,但是苯酚会微溶于水。氯仿不溶于水,且苯酚易溶于氯仿,所以可以有效去除苯酚,而且还可以萃取出其他脂类杂质。异戊醇可以减少蛋白质变性过程中产生气泡,而且还有助于不同溶质相的分离,使离心后上层含有DNA的水相、中间变形蛋白相及下层有机溶剂相保持稳定。所以一般酚仿抽提法首先用苯酚抽提,再用25∶24∶1的苯酚-氯仿-异戊醇抽提,最后为了彻底去除苯酚(苯酚对PCR扩增有强烈的抑制作用),采用24:1的氯仿-异戊醇抽提一次,然后用异丙醇或乙醇沉淀DNA。
  方法:先用细胞裂解液和蛋白酶K消化样品,取上清,加入等体积Tris-饱和酚,缓慢颠倒混匀10min后4℃低温12000rpm/min离心10min,再取上清,加入等体积的25∶24∶1的苯酚-氯仿-异戊醇,缓慢颠倒混匀10min后4℃低温12000rpm/min离心10min,再取上清,加入等体积的24:1的氯仿-异戊醇,缓慢颠倒混匀10min后4℃低温12000rpm/min离心10min,加入0.6~1倍体积异丙醇缓慢摇至沉淀出白色的DNA,4℃低温12000rpm/min离心5min,弃上清留下DNA沉淀,加入75%乙醇洗涤DNA沉淀,再次离心去上清洗涤DNA,最后离心取上清,留下DNA沉淀,空气中放置挥发干净乙醇,加入60~100?L水溶解DNA。
  應用:苯酚氯仿法可以用来提取各种生物的各种组织细胞的DNA,是提取DNA最常用的方法,方法步骤虽然不一,但这种技术对于高质量DNA提取是十分有效的。但是在提取古DNA过程中,一些色素物质在沉淀DNA时会一起沉淀,这些物质一般都是PCR反应中DNA聚合酶的抑制剂,会影响之后的PCR扩增效率。而且实验过程中需反复萃取,每一步都有DNA的损失,要求实验样品有较高的DNA含量。另外,苯酚、氯仿是有机溶剂,对人体和环境影响较大。因此,现在古代生物样品的DNA提取通常不采用苯酚氯仿法。
  1.3 碱裂解法
  原理:碱裂解法提取质粒DNA是根据染色体DNA与质粒DNA在变性和复性上的差异来达到分离它们的目的。在pH为12.6的强碱溶液里,染色体DNA的碱基之间的氢键会断裂,使DNA双螺旋结构解开而变性。质粒DNA的碱基之间的大多数氢键也会断裂,但是超螺旋共价闭合环状的两条互补链是不会完全分离的[13],当以pH为4.8的NaAc缓冲溶液去调节其pH到中性时,变性了的质粒DNA又会恢复变性之前的构型而保存在溶液中,而染色体DNA则不能复性,形成缠连的网状结构,经过离心,染色体DNA及其他大分子物质一起被去除。
  方法:收集菌液,加入溶菌液,摇动混匀,冰浴10min。加入SDS-NaOH溶液冰浴10min。加入pH4.8的NaAC溶液冰浴10min。4℃10000r/min离心10min,小心地把上层清液倒入到另一个新离心管中,加入预冷好的无水乙醇,再把离心管放置-20℃冰箱中1h,沉淀析出DNA,离心10min,丢弃上清液,加入无菌水或TE缓冲液溶解DNA。
  应用:碱裂解法主要用于菌液、动物毛发等样品的DNA快速提取,其优点在于简单、快速,价格低廉,不需大型仪器设备。但是不足之处是十分明显的:一是pH值调节不准确会导致随后的PCR扩增经常失败,二是提取的DNA中包含大量的蛋白质,纯度不高,不适合做Southern或其他对DNA质量要求高的实验。   1.4 二氧化硅(硅粒)法
  原理:当溶液中的pH值低于或等于二氧化硅表面pKa值时,二氧化硅表面携带的负电荷就会减少,与DNA分子带的负电荷之间的排斥力也随之减小,会形成很多的水合离子,降低了DNA分子的水合程度,DNA分子从而集聚到二氧化硅的表面上。另外,细胞裂解剂干扰了双链DNA分子之间氢键的形成,从而产生了单链DNA分子,DNA单链分子与二氧化硅表面形成氢键,这种氢键力远高于DNA分子与二氧化硅表面的静电排斥力。先用洗涤液洗掉吸附有DNA分子的二氧化硅表面的其他杂质,再用pH值高于pKa的溶液洗脱吸附在二氧化硅表面上的DNA分子[13]。
  方法:采用Rohland N[14]的方法步骤。
  应用:二氧化硅法是基于常用于提取古DNA的硅粒法的基础之上而改进的,传统的硅粒法在提取DNA时仅仅使用了高浓度的异硫氰酸胍来裂解骨粉,这对骨粉只进行了有限的裂解,DNA并没有完全的释放出来[15]。本文采取的方法里的提取溶液含有EDTA和蛋白酶K,EDTA的作用是脱钙,蛋白酶K的作用是消化组织和包围了DNA的蛋白质,两者结合使用,可以使骨粉得到更好的裂解,充分释放出DNA。此方法简单、经济,可有效去除PCR抑制物,且提取的DNA纯度高,适合实验室常规、大规模使用,可提取年限久远的骨骼DNA。
  1.5 试剂盒法
  原理:试剂盒法中含有吸附材料,可以特异性地吸附DNA,过滤RNA及蛋白质等杂质,市场上主要有硅离心试剂盒,磁珠法试剂盒等。
  方法:每种试剂盒的操作步骤见各种试剂盒的说明书。
  应用:试剂盒法操作简单、规范,是提取和纯化DNA的比较简便的方法,硅离心柱试剂盒在市场上比较普遍,成本低,在提取古DNA研究中比较常用。磁珠法试剂盒提取纯化DNA有着更好的效果,在提取古DNA实验中有着明显的优势,但是成本较高[16]。
  2 DNA提取方法在古DNA研究中的应用案例
  Faerman[17]等在提取古骨头DNA鉴定性别时,使用了蛋白酶K消化,酚-仿抽提和Chelex纯化相结合的方法,发现使用Chelex纯化的DNA比不使用Chelex纯化的DNA得到了更好的PCR结果,并且在该实验中,Chelex的纯化效果比其他方法好,可以适用于很少样本量(少于1mg)的样本。Tracqui和Ludes[18]在提取古人类骨头DNA实验中使用了酚-仿抽提法提取DNA,再用CleanMix purification kit纯化DNA,所得的DNA在后续的PCR扩增等步骤中进行顺利。Maria de Lourdes Mu?oz[19]等人利用3种方法提取前西班牙人(距今200~1500年)的骨头及组织的DNA,并进行PCR扩增和测序,发现第1种方法最好。第1种方法:使用提取溶液(0.01M Tris-HCl,0.1 M EDTA and 0.2% SDS pH 8.0)和蛋白酶K消化及温育后,再用酚-仿抽提法提取,接下来用Amicon? Ultra-0.5 30 kDa columns浓缩。第2种:使用提取溶液(0.01 M Tris-HCl, 0.5 M EDTA pH 8.0),温育后再使用结合溶液(5M GuSCN, 0.025 M NaCl, 0.010 M Tris-HCl pH 8.0),然后QIAquick (Qiagen) silica column过滤,最后用TE缓冲液洗脱。第3种:苯酚-氯仿异戊醇(24∶4∶1)提取的DNA与5% Chelex-100在94℃煮10分钟,再离心。郭丽萍[20]等在研究明代古尸时使用了经典的酚-仿抽提法和Chelex-100法提取肌肉DNA,并用QiAquick PCR Purification Kit (Qiagen)纯化,得到了较好的结果。
  Calvignac[21]等对古熊类样本进行DNA提取时,先用蛋白酶K和提取溶液进行抽提,然后用苯酚-氯仿-异戊醇(25:24:1)洗三次上清液,再用Centricon 30 column浓缩DNA并用超纯水洗脱,最后用QIAquick kit (QIAGEN)纯化。H?ss和P??bo[22]在提取25000年前的马属动物的DNA时使用了硅粒法,并将它鉴定为野驴。Rohland和Hofreiter[23]用更新世时期洞熊的骨头和牙齿样本试验了Silica,Centricon,Phenol/chloroform,DNeasy tissue kit,DNeasy tissue kit,DNA IQ system這6种方法,发现silica方法效果最好,同时对silica方法进行了优化。Dabney[24]等在研究更新世中期洞熊时用Rohland和Hofreiter的方法提取了35bp~150bp一系列的DNA片段,发现随着DNA片段从150bp减少到35bp,提取效率也从75%降到25%。对此,他们改进了该方法,使之在提取35bp的DNA片段时达到提取150bp的效率。Cole[25]等报道了新西兰古DNA的研究进展,包括几维鸟、查塔姆岛鸭和哈斯特鹰等生物,以及骨头、毛发、博物馆样品中提取出的古DNA,成功揭露了新西兰不同生物的进化史和系统进化树。
  Wood等[26]对新西兰北部图比多湾海岸线共济会酒馆考古遗址发现的距今750年左右的狗粪便化石分析时,一方面用EDTA、SDS和蛋白酶K溶液消化样品,取上清液,再用Dneasy Blood & Tissue Kit (Qiagen, Valencia, CA, USA)提取DNA并进行PCR实验分析,另一方面用氢氧化钾和盐酸对化石样品预处理,再用显微镜对上浮液分析,结果表明了粪化石来自于欧洲人还未迁移到新西兰之前的狗,并揭示了这些狗的饮食习惯。
  蔡大伟等[27]使用了基于硅粒法和硅离心柱法的4种方法(方法A :Modified Silica Particles Method;方法B:Ceneclean Method ;方法 C :QIA amp Method;方法 D:Modified QIA quick method)提取5个距今约4000年的线粒体DNA,之后进行PCR扩增,发现基于硅离心柱方法的PCR成功率明显优于基于硅粒法的方法,Modified QIA quick method的效果最好。Levison等[28]用磁珠法从1.5mL的大肠杆菌JM109细胞培养中提取到了8.2?g的高质量的DNA,从每100?L的大马哈鱼精子水溶里提取到了至少14?L的DNA。樊龙江[29]对该方法稍作改进后,提取古稻样品的DNA,并用植物界保守通用引物和水稻分子标记SSR引物对DNA进行PCR扩增和琼脂糖凝胶检测,获得了清晰的目标条带。   参考文献
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