56
Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical Applications Second Edition Copyright © 2012 F.A. Davis Company Analysis and Characterization of Nucleic Acids and Proteins Chapter 6

and Characterization of Nucleic Acids and Proteinscsivc.csi.cuny.edu/ChangHui.Shen/files/Ch6.pdf · Author: Chang-Hui Shen Created Date: 6/17/2013 5:50:43 PM

  • Upload
    trandan

  • View
    215

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Analysis and Characterization of Nucleic Acids and Proteins

Chapter 6

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Objectives Describe how restriction enzyme sites are mapped on DNA.

Construct a restriction enzyme map of a DNA plasmid or fragment.

Diagram the Southern blot procedure.  Define hybridization, stringency, and meltingtemperature.

Calculate the melting temperature of a given sequence of dsDNA.

Describe comparative genomic hybridization (CGH).

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Restriction Enzyme Mapping

Clinical and forensic analyses require characterization of specific genes or genomic regions at the molecular level. Because of their sequence‐specific activity, restriction endonucleases provide a convenient tool for molecular characterization of DNA

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Restriction EndonucleasesEnzyme Isolated From Recognition

SequenceEco RI E. coli, strain R,

1st enzymeGν AATTC

Eco RV E. coli, strain R, 5th enzyme

Gv ATATC

Hind III H. influenzae, strain d, 3rd enzyme

Av AGCTT

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Restriction Enzymes Type I methylation/cleavage (3 subunits)

>1000 bp from binding sitee.g., Eco AI GAGNNNNNNNGTCA

Type II cleavage at specific recognition sites

Type III methylation/cleavage (2 subunits) 

24–26 bp from binding sitee.g., Hinf III CGAAT

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

G AATTCCTTAA G

Eco R15′ overhang

5′

5′

CTGCA GG ACGTC

PstI3′ overhang

5′

5′

CCC GGGGGG CCC

Sma1blunt

5′

5′

Restriction enzymes cut DNA at specific sites in one of three ways.

Restriction Enzymes, Type II

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Sticky ends must match (be complementary) for optimal religation.

Sticky ends can be converted to blunt ends with nuclease or polymerase.Blunt ends can be converted to sticky ends by ligating to synthetic adaptors.

Blunt ends can be religated with less efficiency than sticky ends.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Restriction Enzyme Mapping

Digest DNA with a restriction enzyme.

Resolve the fragments by gel electrophoresis.

The number of bands indicates the number of restriction sites.

The size of the bands indicates the distance between restriction sites.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Restriction mapping of a linear DNA fragment (top green bar). The fragment is first cut with the enzyme PstI. Four fragments result, as deter‐mined by agarosegel electrophoresis, indicating that there are three PstI sites in the linear fragment. The size of the pieces indicates the distance between the restriction sites. A second cut with BamHI(bottom) yields two fragments, indicating one site. Since one BamHIfragment (E) is very small, the BamHI site must be near one end of the fragment. Cutting with both enzymes indicates that the BamHI site is in the PstI fragment A.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Restriction Enzyme Mapping

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Under nonstandard conditions, some restriction enzymes will bind to and cut sequences other than their defined recognition sequence. This altered specificity is called star activity. The propensity for star activity varies among enzymes. Thus, the nature and degree of star activity depends on the enzyme and the reaction conditions.

Reaction conditions that induce star activity include suboptimal buffer, contamination with solvents or high concentrations of glycerol, prolonged  reaction time, high concentration of enzymes, and divalent cationimbalance.

Restriction fragment length polymorphisms (RFLPs).  RFLPs were the basis of the first molecular‐based human identification and mapping methods. 

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Hybridization Technologies Procedures performed in the clinical molecular laboratory are aimed at specific targets in genomic 

DNA. This requires visualization or detection of a particular gene or region of DNA in the backdrop of all other genes. There are several ways to find a target region of DNA.

Hybridization Technologies Hybridization Method  Target Probe Purpose Southern blot DNA Nucleic acid  Gene structure Northern blot RNA Nucleic acid  Transcript structure, processing, 

gene expression  Western blot Protein Protein Protein processing, gene 

expression  Southwestern blot Protein  DNA DNA binding proteins, gene 

regulation Eastern blot Protein Protein Modification of Western blot 

using enzymatic detection(PathHunterTM); also, detection of specific agriculturally important proteins

Far‐eastern blot Lipids (None) Transfer of HPLC‐separated lipids to PVDF membranes for analysis by mass spectometry

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot

Restriction enzymedigest

Gel electrophoresis

Genomic DNA

The Southern blot procedure allows analysis of any specific gene or region without having to separate it from a complex background.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blots Restriction Enzyme Cutting and Resolution

appropriate restriction enzyme complete cutting of all sites electrophoresis

Preparation of Resolved DNA for Blotting (Transfer) Depurination

larger fragments (>500 bp) are more efficiently denatured if they are depurinated before denaturation.

the gel is first soaked in dilute hydrogen chloride (HCl) solution, a process that removes purine bases from the sugar‐phosphate backbone. This will “loosen up” the larger fragments for more complete denaturation.

Denaturation DNA is denatured by exposing it in the gel to the strong base sodium hydroxide (NaOH)

Blotting (Transfer) 10X SSC: 1 .5 M NaCl, 0.1 5 M Na citrate

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

An apurinic site in double‐stranded DNA. Loss of the guanine (right) leaves an open site but does not break the sugarphosphatebackbone of the DNA

A/G

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot: DNA Binding Media

Electrostatic and hydrophobic Nitrocellulose Nylon Reinforced nitrocellulose

Electrostatic Nylon, Nytran Positively charged nylon

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot: Capillary Transfer

Drypaper Nitrocellulose

membrane

Gel Soakedpaper

Reservoir

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot: Electrophoretic Transfer

- +

Buffer Buffer

Whatmanpaper Nitrocellulose filter

Gel Glass plates

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot: Vacuum Transfer

Nitrocellulose filter

Porous plate

Gel Recirculatingbuffer

Vacuum

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Immobilization and Prehybridization  After transfer, the cut, denatured DNA is avidly bound to the membrane. 

The DNA can be permanently immobilized to the membrane by baking in a vacuum oven (80°C, 30–60 minutes) or by uv cross‐linking, that is, covalently attaching the DNA to the nitrocellulose using UV light energy

Following immobilization of the DNA, a prehybridization step is required to prevent the probe from binding to nonspecific sites on the membrane surface, which will cause high background noise.  Prehybridization involves incubating the membrane in the same buffer in 

which the probe will subsequently be introduced or in a specially formulated prehybridization buffer. At this point, the buffer does not contain probe. 

Blocking agents as Denhardt solution (Ficoll, polyvinyl pyrrolidane, bovine serum albumin) and salmon sperm DNA. Sodium dodecyl sulfate (SDS, 0.01 %) may also be included, along with formamide, the latter especially for RNA probes.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot: Probe

DNA or RNA Covalently attached signal molecule Radioactive (32P, 33P, 14C) Nonradioactive (digoxigenin, biotin, fluorescent)

Specific (complementary) to target gene

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot Probe: Complementary Sequences

The probe must be complementary to the target region of DNA. Complementary sequences are not identical. Complementary strands are antiparallel.

OP5′ ‐ GTAGCTCGCTGAT ‐ 3′OHOH3′ ‐ CATCGAGCGACTA ‐ 5′OP

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot: Probe

The probe determines what fragments are seen on the blot. 

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Melting Temperature (Tm)

The temperature at which 50% of a nucleic acid is hybridized to its complementary strand.

DS

DS = SS

SS

Tm

Increasing temperature

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Tm in solution is a function of

Length of DNA  GC content (%GC) Salt concentration (M) Formamide concentration

Tm = 81.5°C + 16.6 logM + 0.41 (%G + C) – 0.61 (%formamide) – 600/n

(DNA:DNA)

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Tm

For short (14–20 bp) oligomers:Tm =  4° (GC) + 2° (AT)

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Stringency

Stringency describes the conditions under which hybridization takes place. Formamide concentration increases stringency. Low salt increases stringency. Heat increases stringency.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Stringency Probe in solution

Filter with bound DNA

Stringency too high

Sequence-specific hybridization

Stringency too low

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot: Detection of Bound Probe Radioactive or chemiluminescent detection requires exposure of the blot to 

autoradiography film.

Chromogenic detection occurs directly on the blot.

In end labeling, labeled nucleotides are added to the end of the probe using terminal transferase or T4 polynucleotide kinase. 

In nick translation, the labeled nucleotides are incorporated into single‐stranded breaks, or nicks, that are substrates for nucleotide addition by DNA polymerase. The polymerase uses the intact complementary strand for a template and displaces the previously hybridized strand as it extends the nick. 

Random priming generates new single‐stranded versions of the probe with the incorporation of the labeled nucleotides. The synthesis of these new strands is primed by oligomers of random  sequences that are 6 to 10 bases in length. These short sequences will, at some frequency, complement sequences in the denatured probe and prime synthesis of copies of the probe sequences with incorporated labeled nucleotides.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Radioactive isotope

Probe

Filter with bound DNA

Radioactive Signal Detection

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Nonradioactive Signal Detection

Antidigoxigenin antibody or avidin conjugatedto alkaline phosphatase or horseradish peroxidase

Probe covalently attached to digoxigenin or biotin

Substrate Color or light

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot Results

Radioactive orchemiluminescent detection

(autoradiography film)

Chromogenic detection

(nitrocellulose membrane)

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Southern Blot Applications

Genetics, oncology (translocations, gene rearrangements)

Typing/classification of organisms

Cloning/verification of cloned DNA 

Forensic, parentage testing (RFLP, VNTR)

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Northern Blot

RNA structure and quantity

Similar rationale as Southern blot except RNA target rather than DNA No restriction digestion required Probe must be designed as complement to the single‐stranded RNA  Provides measure of relative expression of genes normalized to internal control

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

(up to approximately 30 µg total RNA or 0.5–3.0 g polyARNA

Gel electrophoresis of RNA must be carried out under denaturing conditions

Denaturant such as formaldehyde must be removed from the gel before transfer because it inhibits binding of the RNA to nitrocellulose. This is accomplished by rinsing the gel in deionized water

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Western Blot Serum, cell lysate, or protein extract is separated on SDS‐polyacrylamide gels (SDS‐PAGE) or isoelectric focusing gels (IEF). The former resolves proteins according to molecular weight, and the latter according to charge.

Samples are treated with denaturant, such as mixing 1:1 with 0.04 M Tris HCl, pH 6.8, 0.1% SDS. 1 –50 µg of protein is loaded per well

5%–20% polyacrylamide gels 

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Western Blot  Proteins may be renatured before blotting to optimize antibody 

(probe)‐epitope binding.

Proteins are blotted to membranes by capillary or electrophoretic transfer. 

Probes are specific binding proteins, polyclonal antibodies, or monoclonal antibodies.

Nitrocellulose has high affinity for proteins and is easily treated with detergent (0.1% Tween 20 in 0.05 M Tris and 0.15 M sodium chloride, pH 7.6) to prevent binding of the primary antibody probe to the membrane itself (blocking) before hybridization.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Western Blot Signal Detection

Target protein

Primaryantibody(probe)

Secondaryantibody

Label

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

The western blot method is used to confirm enzyme‐linked immunoassay results for human immunodeficiency virus (HIV) and hepatitis C virus among other organisms. known HIV proteins are separated by electrophoresis and transferred 

and bound to a nitrocellulose membrane.  The patient’s serum is overlaid on the membrane, and antibodies with 

specificity to HIV proteins bind to their corresponding protein antigens. 

Unbound patient antibodies are washed off, and binding of antibodies is detected by adding a labeled antihuman immunoglobulin antibody. 

If HIV antibodies are present in the patient’s serum, they can be detected with antihuman antibody probes appearing as a dark band on the blot corresponding to the specific HIV protein to which the antibody is specific.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Polyclonal antibodies are products of a generalized response to a specific antigen, usually a peptide or protein.

Polyclonal antibodies are comprised of a mixture of immunoglobulinsdirected at more than one epitope (molecular structure) on the antigen

Monoclonal antibodies are more difficult to produce

In western blot technology, polyclonal antibodies can give a more robust signal, especially if the target epitopes are partially lost during electrophoresis and transfer. Monoclonal antibodies are more specific and may give less background noise; however, if the targeted epitope is lost, these antibodies do not bind and no signal is generated.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Filter‐Based Hybridization Technologies

Target ProbeSouthern blot DNA nucleic acid

Northern blot RNA nucleic acid

Western blot protein protein

Southwestern blot protein DNAEastern blot protein lectin, protein

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Other Blotting Formats ‐Array‐Based Hybridization Dot/Slot blots

Dot blots Amplification analysis, Expression analysis 

(RNA), Mutation analysis Reverse dot blots Slot blots

Amplification analysis, Expression analysis

Genomic Array Technology Array technology is a type of 

hybridization analysis allowing simultaneous study of large numbers of targets (or samples). Arrays are applied to gene (DNA) amplification or deletion on comparative genome hybridization arrays and to gene expression (RNA or protein) analysis on expression arrays.

macroarrays, microarrays, high‐density oligonucleotide arrays

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Macroarrays are reverse dot blots of up to several thousand targets on nitrocellulose membranes.

Microarray ‐ Tens of thousands of targets can be screened simultaneously in a very small area by miniaturizing the deposition of droplets

High‐density oligonucleotide arrays and are used for mutation analysis, single nucleotide polymorphism analysis, and sequencing.

Sample preparation for array analysis requires fluorescent labeling of the test sample, as microarrays and other high‐density arrays are read by automated fluorescent detection systems. The most frequent labeling method used for RNA is synthesis of cDNA or RNA copies with incorporation of labeled nucleotides. For DNA, random priming or nick translation is used.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Expression arrays measure transcript or protein production relative to a reference control isolated from untreated or normal specimens.

Comparative genome hybridization (array CGH) is designed to test DNA. This method is used to screen the genome or specific genomic loci for deletions and amplifications.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Comparative Genomic Hybridization (CGH)

Immobilized, denatured normal chromosomes

Test and reference DNA are labeled by incorporation of nucleotides covalently attached to fluorescent dyes.

(Test) (Reference)

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Comparative Genomic Hybridization (CGH) The labeled DNA is hybridized to the normal 

chromosomes on a microscope slide.

Differences between normal and reference will be revealed. Amplification: test color dominates. Deletion: reference color dominates.

Normal reference DNA

Test sample DNA

(Amplification at this locus)

(Deletion at this locus)

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Comparative Genomic Hybridization (CGH) Green signal (test more than reference) = amplification Red signal (reference more than test) = deletion

Amplification

Deletion

Test:Reference0.5 1.0 1.5 2.0

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Bead Array Technology The probes may also be immobilized on beads, allowing 

hybridization of the targets in the bead suspension

In order to distinguish specific probes carried on different beads, the beads are color‐coded with a fluorescent dye. The sample is then labeled with a different dye so that the combination of the target and bead fluorescent signals indicates the presence or  absence of a specific target. This technology can be used for protein as well as nucleic acid targets. Clinical tests using Luminex systems are available for infectious diseases and tissue typing.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Solution hybridization In solution hybridization, neither the probe nor the target is 

immobilized. Probes and targets bind in solution, followed by resolution of the bound products. 

With the increasing interest in short interfering RNAs (siRNAs) and microRNAs (miRNAs), which are conveniently analyzed by this type of hybridization analysis, solution methods may come into more frequent use.

Solution hybridization has been used to measure mRNA expression, especially when there are low amounts of target RNA. One version of the method is called RNase protection, or S1  mapping, for the S1  singlestrand–specific nuclease.

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

S1  mapping In S1  mapping, the labeled 

probe is hybridized to the target sample in solution. After digestion of excess probe by a single‐strand–specific nuclease, the resulting labeled, double‐stranded fragments are resolved by polyacrylamide gel electrophoresis

S1  mapping is useful for determining the start point or termination point of transcripts

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Gel mobility shift assay

Solution hybridization can also be applied to the analysis of protein‐protein interactions and to nucleic acid–binding proteins using a gel mobility shift assay

After mixing the labeled DNA or protein with the test material, such as a cell lysate, a change in mobility, usually a shift to slower migration, indicates binding of a component in the test material to the probe protein or nucleic acid

Molecular Diagnostics Fundamentals, Methods and Clinical ApplicationsSecond Edition

Copyright © 2012 F.A. Davis Company

Summary Restriction enzymes cut DNA at specific recognition sequences.

DNA can be characterized by restriction enzyme mapping.

Specific DNA regions in a complex mixture are characterized using Southern blot.

Specific proteins in a complex mixture are characterized using western blot.

Regions of genomic amplification or deletion are characterized using comparative genomic hybridization.