熊燕飛,班宜輝,張建坤,劉 東,徐 鵬,陳 燕
(武漢理工大學(xué) 化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430070)
紫外吸收法定量核酸具有簡便、快速、不破壞樣品等特點(diǎn),是實(shí)驗(yàn)室常用的簡便快速的核酸初步定量方法。該方法以核酸的組成和理化性質(zhì)為基礎(chǔ),利用分光光度法原理和技術(shù)進(jìn)行定量,為消除小分子光吸收物質(zhì)的干擾,還需進(jìn)行沉淀離心操作,涉及多方面基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)原理,所以,被不少生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材收錄[1-2]
但該方法受寡核苷酸、核苷酸等小分子紫外吸收物質(zhì)的干擾,為消除這類干擾,采用鉬酸銨-過氯酸沉淀核酸大分子后,測定小分子干擾物質(zhì)的光吸收值進(jìn)行校正[1-2]。實(shí)際測定中發(fā)現(xiàn),鉬酸銨-過氯酸沉淀劑本身在260 nm處產(chǎn)生一定的紫外吸收,而且其較強(qiáng)的酸性可能導(dǎo)致核酸大分子部分降解,同時(shí),核苷酸等物質(zhì)在260 nm處的紫外吸收受溶液pH值的影響,這些因素對測定結(jié)果帶來嚴(yán)重影響。筆者對這一方法存在的問題進(jìn)行了分析探討,并提出了改進(jìn)方法。改進(jìn)后,所用試劑更簡單安全,測定結(jié)果比原方法準(zhǔn)確可靠,可用于核酸紫外吸收法定量測定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和核酸定量的一般快速分析檢測。
小牛胸腺DNA鈉鹽:Sigma公司,Type I。
標(biāo)準(zhǔn)DNA儲(chǔ)備液:準(zhǔn)確稱取25.0 mg的小牛胸腺DNA鈉鹽,去離子水溶解并定容至25 mL,DNA的濃度為1.0 mg/mL(pH ≈ 6.5)。
標(biāo)準(zhǔn)DNA樣品液:根據(jù)需要取標(biāo)準(zhǔn)DNA儲(chǔ)備液稀釋至所需濃度,本試驗(yàn)主要使用100 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)DNA樣品溶液。
DNA樣品:常規(guī)氯仿-異戊醇抽提法[3]自制豬肝DNA 3份,均為略帶灰白色固體,分別以1 mol/L NaCI溶液溶成糊狀,加稀NaOH助溶至完全溶解,稀HCl調(diào)pH值至6.5,去離子水定容至25 mL,分別記為樣品溶液Ⅰ、樣品溶液Ⅱ和樣品溶液Ⅲ,其A260/A280分別為2.059、2.048、1.870。
鉬酸銨-過氯酸沉淀劑:0.25%鉬酸銨-2.5%的過氯酸溶液(四水合鉬酸銨、過氯酸均為分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品)。
島津紫外-可見分光光度計(jì)UV-2500。
高速冷凍離心機(jī):HERMLE LABORTECHNIK。
1.2.1 鉬酸銨-過氯酸沉淀劑 1)鉬酸銨-過氯酸的紫外吸收
采用島津紫外-可見分光光度計(jì)UV-2500對沉淀劑及鉬酸銨溶液進(jìn)行全吸收譜掃描,重點(diǎn)檢測其在紫外區(qū)的光吸收情況。
2)鉬酸銨-過氯酸溶液對樣品的影響
試驗(yàn)管:取標(biāo)準(zhǔn)DNA樣品溶液0.5 mL,加入鉬酸銨-過氯酸沉淀劑0.5 mL,混勻,冰浴沉淀一定時(shí)間,3 000 r/min離心10 min,取上清液0.5 mL,去離子水稀釋至5.0 mL,去離子水作參比,測260 nm處光吸收值。
對照管:以去離子水替代沉淀劑,其他同試驗(yàn)管處理,測定光吸收值。
空白沉淀劑管:以去離子水替代樣品,其他同試驗(yàn)管處理,測定光吸收值。
觀察鉬酸銨-過氯酸沉淀劑對測定結(jié)果的影響,分析鉬酸銨-過氯酸沉淀劑對樣品是否產(chǎn)生變性、降解等作用。
3)原方法檢測液稀釋過度
按原方法,樣品經(jīng)沉淀和離心后,上清液由0.4 mL稀釋至50 mL,樣品被稀釋250倍[1],檢測液中DNA濃度稀釋至0.4~0.5μg/mL,稀釋過度。
1.2.2 改進(jìn)方法 以無水乙醇沉淀樣品中DNA大分子,校正上清液中可溶性小分子物質(zhì)的干擾。對乙醇pH值、用量、沉淀時(shí)間、離心速度、離心時(shí)間等條件進(jìn)行考察。按摩爾磷消光系數(shù)計(jì)算樣品DNA含量,確定乙醇沉淀法的測定條件。
1)乙醇pH值
以稀鹽酸調(diào)節(jié)配制不同pH值的95%的乙醇,以100 μg/mL小牛胸腺DNA鈉鹽溶液為樣品,按下述方法測定樣品DNA含量,根據(jù)測定值確定乙醇沉淀適宜pH值。
試驗(yàn)管:取7組小試管,按樣品溶液與乙醇體積比1∶2的比例加入樣品溶液和不同pH值的乙醇,冰浴中沉淀30 min,高速冷凍離心機(jī)4℃、8 000 r/min離心10 min,取上清液1.0 mL,去離子水稀釋至5.0 mL,去離子水作參比,測上清液在260 nm處的光吸收值,記為A。因溶液的pH值對堿基的光吸收有一定的影響,乙醇在紫外區(qū)產(chǎn)生微弱的光吸收,故按下述方法設(shè)置對照管和空白沉淀劑管。
對照管:以相應(yīng)pH值的去離子水替代乙醇,其他同試驗(yàn)管,260 nm處的光吸收值記為A0。
空白沉淀劑管:以去離子水替代樣品,其他同試驗(yàn)管,260 nm處的光吸收值記為Ai。
按下式計(jì)算DNA含量,確定乙醇適宜pH值。
DNA含量(μg/mL)=((A0-(A-Ai))/0.02)× 稀釋倍數(shù)。
2)乙醇用量
用1.2.2 1)確定的適宜pH值的乙醇,按不同的樣品溶液∶乙醇體積比進(jìn)行沉淀,分別為1∶1,1∶2,1∶3,1∶4,加入上述確定的適宜pH值的乙醇,其他處理同方法1.2.2 1),同樣設(shè)置對照管和空白沉淀劑管,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,根據(jù)測定結(jié)果,確定乙醇用量。
3)沉淀時(shí)間
按方法1.2.2 1)及1.2.2 2)確定的乙醇pH值及用量,冰浴條件下,分別沉淀不同時(shí)間,其他處理同方法1.2.2 1),確定沉淀時(shí)間。
4)離心速度
根據(jù)1.2.2 1)、1.2.2 2)、1.2.2 3)確定的乙醇pH值、乙醇用量和冰浴沉淀時(shí)間,4℃下,以不同速度進(jìn)行離心,其他處理同方法1.2.2 1),確定離心速度。
5)離心時(shí)間
按上述確定的試驗(yàn)條件處理,沉淀完成后,于4℃、8 000 r/min分別離心10、20、30 min,確定有效離心時(shí)間。
1.2.3 改進(jìn)方法的穩(wěn)定性及回收試驗(yàn) 以3份自制豬肝DNA樣品溶液和1份小牛胸腺DNA溶液為樣品,每個(gè)樣品測定5次,檢驗(yàn)方法的穩(wěn)定性。
每個(gè)樣品中分別加入不同已知量的小牛胸腺DNA鈉鹽,測定樣品回收率,檢測方法的準(zhǔn)確性,每個(gè)樣品測定3次
5.0 mL自制豬肝DNA樣品溶液Ⅰ,加1.0 mL去離子水,為樣品Ⅰ-1;5.0 mL自制豬肝DNA樣品溶液Ⅰ,加1.0 mL 200 μg/mL小牛胸腺DNA溶液,為回收試驗(yàn)樣品Ⅰ-2。
4.5 mL自制豬肝DNA樣品溶液Ⅱ,加1.5 mL去離子水,為樣品Ⅱ-1;4.5 mL自制豬肝DNA樣品溶液Ⅱ,加1.5 mL 200 μg/mL小牛胸腺DNA溶液,為回收試驗(yàn)樣品Ⅱ-2。
自制豬肝DNA樣品溶液Ⅲ,為樣品Ⅲ-1;20.0 mL自制豬肝DNA樣品溶液Ⅲ,加0.5 mg小牛胸腺DNA鈉鹽固體,搖勻至完全溶解,定容至25 mL,為回收試驗(yàn)樣品Ⅲ-2。
100 μg/mL小牛胸腺DNA鈉鹽溶液4.8 mL,加1.2 mL H2O,為樣品Ⅳ-1,100 μg/mL小牛胸腺DNA鈉鹽溶液4.8 mL,加0.4 mL 200 μg/mL小牛胸腺DNA鈉鹽溶液和0.8 mL H2O,為回收試驗(yàn)樣品Ⅳ-2。
0.5 mL樣品溶液,加pH 3.0的95%乙醇1.0 mL,混勻,冰浴中沉淀40 min,4℃、8 000 r/min離心20 min,取上清液1.0 mL,去離子水稀釋至5.0 mL,去離子水調(diào)零,測A260,記為A′。參照1.2.2 1)設(shè)對照管和空白溶劑管,測260 nm處的光吸收值分別記為,計(jì)算樣品DNA含量和回收率。
樣品回收率=((回收樣品DNA量-樣品DNA量)/已知DNA加入量)×100%。
2.1.1 鉬酸銨-過氯酸沉淀劑本身的干擾 圖1為稀釋100倍的鉬酸銨-過氯酸沉淀劑的吸收譜,在260 nm處的光吸收值達(dá)0.141 1,為保證目標(biāo)物沉淀完全,沉淀劑通常是過量的,這對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾。
圖1 稀釋100倍的鉬酸銨-過氯酸沉淀劑吸收譜Fig.1 Absorption spectrum of ammonium molybdate-perchloric acid precipitant with 100 times dilution
通過設(shè)置空白沉淀劑管以扣除沉淀劑本身的光吸收,可消除部分干擾,但沉淀目標(biāo)物消耗的沉淀劑量無法確定,由此帶來的誤差不可忽略。此外,沉淀劑本身的吸收值不穩(wěn)定,平行測定的相對偏差較大。
鉬酸銨-過氯酸沉淀劑在紫外區(qū)產(chǎn)生的光吸收主要來自鉬酸銨,如圖2所示,0.25%的鉬酸銨溶液稀釋200倍后在260 nm處的光吸收值達(dá)0.115 1,鉬酸銨溶液產(chǎn)生的紫外吸收較鉬酸銨-過氯酸溶液產(chǎn)生的紫外吸收更強(qiáng)烈。試驗(yàn)中還觀察到,鉬酸銨-過氯酸溶液的pH值約為3,與樣品溶液混合,冰浴沉淀后,溶液pH值下降至2,這種酸性環(huán)境可能導(dǎo)致DNA變性或降解,影響檢測結(jié)果。
圖2 0.25%鉬酸銨溶液稀釋200倍后的吸收譜Fig.2 Absorption spectrum of 0.25%ammonium molybdate solution with 200 times dilution
2.1.2 鉬酸銨-過氯酸沉淀劑對樣品的影響 圖3是鉬酸銨-過氯酸沉淀劑沉淀樣品不同時(shí)間對上清液在260 nm處光吸收產(chǎn)生的影響。圖3顯示,隨著沉淀劑與樣品作用時(shí)間延長,代表小分子干擾物的上清液的A260值呈現(xiàn)輕微增大的趨勢,從20 min延長到60 min,A260從0.573增加到0.622,意味著沉淀劑與DNA大分子作用不穩(wěn)定,或沉淀物不穩(wěn)定,或?qū)е翫NA變性甚至降解,對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。
圖3 鉬酸銨-過氯酸沉淀樣品時(shí)間對上清液A260值的影響Fig.3 Effect of precipitation time with ammonium molybdate-perchloric acid onA260value of supernatant
2.1.3 原方法過度稀釋使測量誤差增大 原方法中,樣品經(jīng)一系列處理,最后進(jìn)行光吸收值測定的溶液,共稀釋250倍,假設(shè)光吸收值讀數(shù)至少達(dá)到0.1,則原樣品濃度至少需要達(dá)到1.25 mg/mL。文獻(xiàn)[1]提到,樣品濃度達(dá)到5 mg/mL DNA,最后測定液中樣品共被稀釋200倍,即使樣品為純DNA,對照管溶液讀數(shù)也只有0.5左右。多數(shù)情況下能夠獲得的DNA樣品很少,難以配成高濃度溶液。同時(shí)也浪費(fèi)樣品。
總之,鉬酸銨-過氯酸作為沉淀劑會(huì)對試驗(yàn)產(chǎn)生較大干擾,而且這種干擾難以消除,有必要對原測定方法進(jìn)行改進(jìn)。
以無水乙醇代替鉬酸銨-過氯酸作為沉淀劑,通過單因素分析,逐一確定新方法的測定條件。
2.2.1 乙醇沉淀DNA的適宜pH值 以100 μg/mL小牛胸腺DNA鈉鹽溶液為樣品,按1.2.2 1)方法,以pH值分別為5.0、4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0的乙醇作為沉淀劑,測得樣品的DNA含量見表1。
表1 不同pH值乙醇作沉淀劑測定的DNA含量(±s)Tab.1 DNA content determined with ethanol as precipitant with different pH
表1 不同pH值乙醇作沉淀劑測定的DNA含量(±s)Tab.1 DNA content determined with ethanol as precipitant with different pH
2.0 88.5±4.5 11.5 DNA含量和相對誤差DNA含量/(μg·mL-1)相對誤差/%5.0 74.8±11.5 25.2 4.5 83.8±10.2 16.2 4.0 86.1±4.7 13.9 pH值3.5 93.3±3.4 6.7 3.0 95.8±2.9 4.2 2.5 87.3±3.0 12.7
由表1可見,以pH 3.0~3.5的乙醇沉淀DNA大分子以校正小分子物質(zhì)干擾時(shí),可獲得較好結(jié)果,誤差可以控制在5%左右,pH值繼續(xù)降低,測定結(jié)果趨于減小,誤差增大。故以下試驗(yàn)采用pH 3.0的95%乙醇作為沉淀劑。
2.2.2 乙醇用量 以不同用量的pH 3.0的乙醇沉淀時(shí),測得樣品DNA含量見表2。
表2 不同乙醇用量時(shí)測定的DNA含量(±s)Tab.2 DNA content determined with ethanol as precipitant with different amounts
表2 不同乙醇用量時(shí)測定的DNA含量(±s)Tab.2 DNA content determined with ethanol as precipitant with different amounts
1∶5 95.0±2.9 5.0 DNA含量和相對誤差DNA含量/(μg·mL-1)相對誤差%1∶1 80.3±9.3 19.7 1∶2 95.7±3.4 4.3樣品∶乙醇體積比1∶3 96.0±4.1 4.0 1∶4 95.8±5.6 4.2
由表2可見,試驗(yàn)條件下,乙醇用量達(dá)到2倍體積后,所得結(jié)果無明顯差異,即2倍體積pH 3.0的95%的乙醇即可使大分子DNA基本沉淀,繼續(xù)增大乙醇用量,有利于DNA大分子沉淀,但意義不大,故選擇2倍體積的pH 3.0的95%乙醇作為沉淀劑。
2.2.3 沉淀時(shí)間 以2倍體積的pH 3.0的95%的乙醇分別沉淀樣品20、30、40、50、60 min時(shí),測定結(jié)果見表3。
表3 乙醇沉淀不同時(shí)間所測定的DNA含量(±s)Tab.3 DNA content determined with ethanol as precipitant with different precipitation time
表3 乙醇沉淀不同時(shí)間所測定的DNA含量(±s)Tab.3 DNA content determined with ethanol as precipitant with different precipitation time
60 96.0±3.2 4.0 DNA含量和相對誤差DNA含量/(μg·mL-1)相對誤差/%20 88.5±4.7 11.5 30 95.5±3.1 4.5沉淀時(shí)間/min 40 96.0±3.5 4.0 50 95.7±2.2 4.3
表3數(shù)據(jù)顯示,隨著沉淀時(shí)間延長,測定誤差減小,冰浴沉淀30 min即可使大分子DNA沉淀完全,測定誤差小于5%,繼續(xù)延長時(shí)間,對沉淀DNA大分子影響不明顯,為保證沉淀完全,以下試驗(yàn)選擇沉淀40 min。
2.2.4 離心速度 沉淀完成后,采用不同速度離心,測定結(jié)果見表4。
表4 不同離心速度時(shí)所測DNA含量(±s)Tab.4 DNA content determined with different centrifugation speeds
表4 不同離心速度時(shí)所測DNA含量(±s)Tab.4 DNA content determined with different centrifugation speeds
10 000 DNA含量和相對誤差5 000離心速度/(r·min-1)6 0007 0008 0009 000 DNA含量/(μg·mL-1)相對誤差/%95.5±4.8 4.5 96.0±4.0 4.0 96.0±3.4 4.0 97.0±4.3 3.0 96.9±1.7 3.5 97.1±3.4 4.0
由表4數(shù)據(jù)可知,在考察的離心速度下所得結(jié)果誤差均小于5%,考慮到對設(shè)備的要求,選擇轉(zhuǎn)速8 000 r/min進(jìn)行離心。
2.2.5 離心時(shí)間 pH 3.0的95%的乙醇作為沉淀劑,沉淀時(shí)間為40 min,離心速度8 000 r/min,離心時(shí)間分別為10、20、30 min,測得DNA含量見表5。
表5 離心不同時(shí)間時(shí)測得DNA含量(±s)Tab.5 DNA content determined with different centrifugation time
表5 離心不同時(shí)間時(shí)測得DNA含量(±s)Tab.5 DNA content determined with different centrifugation time
30 96.80±2.9 3.2 DNA含量和相對誤差DNA含量/(μg·mL-1)相對誤差/%10 95.8±1.7 4.2離心時(shí)間/min 20 96.2±2.4 3.8
由表5數(shù)據(jù)可知,離心時(shí)間為10 min時(shí),測定結(jié)果為95.8 μg/mL,誤差4.2%,基本可將DNA大分子沉淀。實(shí)際操作時(shí),可根據(jù)混合溶液多少,選擇離心10~20 min。
按上述確定的測定條件,以2倍體積、pH 3.0的95%乙醇作為沉淀劑,冰浴沉淀40 min,4℃、8 000 r/min離心10 min,對1.2.3中設(shè)計(jì)的8個(gè)樣品進(jìn)行檢測,結(jié)果見表6。
表6 方法穩(wěn)定性試驗(yàn)及回收試驗(yàn)結(jié)果(±s)Tab.6 Method stability test and recycling test
表6 方法穩(wěn)定性試驗(yàn)及回收試驗(yàn)結(jié)果(±s)Tab.6 Method stability test and recycling test
DNA含量和回收率DNA含量/(μg·mL-1)回收率/%平均回收率/%Ⅰ-1 141.8±3.3Ⅱ-1 156.3±3.5Ⅲ-1 74.7±5.1樣品Ⅳ-1 114.8±2.7Ⅰ-2 175.3±2.2 100.5±3.4Ⅱ-2 205.0±1.6 97.0±3.8Ⅲ-2 87.5±3.4 95.2±5.6Ⅳ-2 358.8±3.8 97.6±1.8 97.7±2.1
表6中數(shù)據(jù)顯示,改進(jìn)后,4組樣品測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差最高5.1 μg/mL,樣品回收率(97.7±2.1)%,方法準(zhǔn)確度和精密度均可以滿足一般常量和半微量生化組分的檢測要求。其中,樣品Ⅲ-2檢測誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差相對較大,主要是Ⅲ-2樣品濃度較低,濃度為93.3 μg/mL。在低濃度時(shí),一方面沉淀不完全導(dǎo)致結(jié)果偏低,相對誤差較大,另一方面,讀數(shù)誤差不可忽視,致使最終檢測結(jié)果的相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均較大。
通過對酸性乙醇的沉淀效果和沉淀?xiàng)l件的考察,筆者提出了在DNA紫外吸收定量分析中,校正寡核苷酸等可溶性物質(zhì)干擾的改進(jìn)方法,即采用pH 3.0的95%乙醇作沉淀劑,按樣品∶酸性乙醇體積比1∶2的用量,冰浴沉淀40 min,4℃、8 000 r/min離心10~20 min,取上清液稀釋10倍,去離子水調(diào)零,測260 nm處光吸收值,同時(shí)設(shè)對照管和空白沉淀劑管,扣除空白沉淀劑的吸收值后,根據(jù)對照管與試驗(yàn)管的吸光值差值和稀釋倍數(shù)計(jì)算DNA大分子含量。
酸性乙醇在260 nm處的光吸收值很小,對于濃度較大或要求不高的樣品可不設(shè)空白沉淀劑管。該方法可測定DNA濃度在100 μg/mL以上的樣品,相對誤差可控值在5%以內(nèi),樣品濃度過低則誤差較大。
原紫外吸收法定量檢測DNA時(shí),采用鉬酸銨-過氯酸沉淀核酸大分子,檢測上清液的光吸收值,以校正可溶性小分子物質(zhì)的干擾,所用沉淀劑鉬酸銨-過氯酸因自身存在紫外吸收而嚴(yán)重干擾檢測結(jié)果,同時(shí),可能存在對核酸的破壞作用、方法不穩(wěn)定、重現(xiàn)性很差等問題。
改進(jìn)后的方法不僅避免了沉淀劑對測定結(jié)果的影響,同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn):所用試劑簡單、安全、操作方便;對儀器設(shè)備要求低;不破壞樣品,必要時(shí)可去除乙醇對核酸進(jìn)行復(fù)性,回收樣品;直接根據(jù)核酸的摩爾磷消光系數(shù)ε(P)進(jìn)行核酸含量的計(jì)算,無需標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)參比;因此,用于核酸的常規(guī)定量十分便利。
由于DNA的摩爾吸光系數(shù)僅1 000數(shù)量級(jí),靈敏度較低,因此,本方法不適合微量或痕量DNA片段的檢出或要求較高的樣品檢測,對核酸濃度大于75 μg/mL的樣品測定結(jié)果較準(zhǔn)確。測定誤差主要來自以下幾方面:1)乙醇對核酸大分子的沉淀作用不完全,特別是樣品濃度較低時(shí),因沉淀不完全引起的誤差較大,應(yīng)盡量控制樣品濃度在100 μg/mL以上;2)乙醇可沉淀RNA和蛋白質(zhì)等大分子,如樣品含有RNA或蛋白質(zhì)等雜質(zhì),將使測定結(jié)果偏高,可預(yù)先通過A260/A280加以判斷,對樣品進(jìn)一步純化,去除RNA或蛋白質(zhì),這是紫外吸收法測定核酸存在的共同問題。
隨著核酸技術(shù)的發(fā)展,核酸定量檢測技術(shù)的研究也不斷向著高通量、高靈敏度和高特異性的方向發(fā)展,熒光染料法、實(shí)時(shí)熒光定量PCR法[4]、數(shù)字定量PCR法[5]、共振光散射法[6]等各種相對定量與絕對定量方法逐步建立并完善起來,為核酸的快速高通量檢測提供了更靈敏的方法。但這些方法均依賴于特殊的儀器設(shè)備,不太適合于基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué),并難以普及,核酸紫外吸收定量檢測方法在基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)中仍具有很好的實(shí)用意義。
致謝:本研究得到武漢理工大學(xué)生物技術(shù)系郭海英老師和劉念博士的大力支持和幫助,并在多屆武漢理工大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生參與的課外研究討論下完成,在此,一并表示衷心的感謝!