核酸的分离与纯化

核酸的分离与纯化背景核酸是遗传信息的载体，是最重要的生物信息分子，是分子生物学研究的主要对象，因此核酸提取也成为了分子生物学实验技术中的最重要、最基本的操作。核酸提取亦是临床分子诊断最关键的操作，直接关系到实验的成败与否，是临床分子诊断容易发生问题步骤。核酸的存在形式DNA：细胞核DNP线粒体环状DNARNA：细胞质中，mRNA，rRNA，tRNA通常与蛋白质结合，形成RNP核酸的理化性质DNA、RNA和核苷酸都是极性化合物，一般都溶于水，不溶于乙醇、氯仿等有机溶剂，它们的钠盐比游离酸易溶于水，RNA钠盐在水中溶解度可达40g/L。DNA在水中为10g/L，呈黏性胶体溶液。在酸性溶液中，DNA、RNA易水解，在中性或弱碱性溶液中较稳定。DNP在低浓度盐溶液中，几乎不溶解，如在0.14mol/L的氯化钠溶解度最低，仅为在水中溶解度的1%，随着盐浓度的增加溶解度也增加，至1mol/L氯化钠中的溶解度很大，比纯水高2倍。RNP在盐溶液中的溶解度受盐浓度的影响较小，在0.14mol/L氯化钠中溶解度较大。核酸提取方法核酸的分离主要是指将核酸与蛋白质、多糖、脂肪等生物大分子物质分开。核酸提取时应遵循以下原则:1、保证核酸分子一级结构的完整性;2、排除其他分子污染。核酸提取方法大多数核酸分离与纯化的方法一般都包括：细胞裂解、酶处理、核酸与其他生物大分子物质分离、核酸纯化每一步骤又可由多种不同的方法单独或联合实现。核酸提取方法——细胞裂解细胞裂解可通过以下几种方法实现：物理作用化学作用酶作用（生物作用）核酸提取方法——细胞裂解——物理作用：包括低渗裂解、超声裂解、微波裂解、冻融裂解和颗粒破碎等方法。这些方法用机械力使细胞破碎,但机械力也可引起核酸链的断裂,因而不适用于高分子量长链核酸的分离。超声裂解法提取的核酸片段长度从500bp到20kb之间,而颗粒匀浆法提取的核酸一般10kb。核酸提取方法——细胞裂解——化学作用：变性：加热、加入表面活性剂(SDS、TritonX-100、Tween-20、NP-40、CTAB、sar-cosyl、Chelex-100等)或强离子剂(异硫氰酸胍、盐酸胍、肌酸胍)碱性pH环境：强碱(NaOH)或碱性缓冲液(TE、STE等)在一定的pH环境下,表面活性剂或强离子剂可使细胞裂解、蛋白质和多糖沉淀,核酸释放到水相；某些缓冲液中的一些金属离子螯合剂(EDTA等)可螯合对核酸酶活性所必须的金属离子Mg2+、Ca2+,从而抑制核酸酶的活性,保护核酸不被降解。核酸提取方法——细胞裂解——酶作用（生物作用）：主要是通过加入溶菌酶或蛋白酶(蛋白酶K、植物蛋白酶或链酶蛋白酶)以使细胞破裂,核酸释放。蛋白酶还能降解与核酸结合的蛋白质,促进核酸的分离。其中溶菌酶能催化细菌细胞壁的蛋白多糖N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸残基间的β-(1,4)键水解。蛋白酶K能催化水解多种多肽键,其在65℃及有EDTA、尿素(1～4mol/L)和去污剂(0.5%SDS或1%TritonX-100)存在时仍保留酶活性,这有利于提高对高分子量核酸的提取效率。核酸提取方法——酶处理在核酸提取过程中,可通过加入适当的酶使不需要的物质降解,以利于核酸的分离与纯化。如在裂解液中加入蛋白酶(蛋白酶K或链酶蛋白酶)可以降解蛋白质,灭活核酸酶(DNase和RNase)；或者加入DNase或RNase去除不需要的DNA或RNA。核酸提取方法——分离与纯化——酚氯仿法简介：1976，Stafford及其同事创立。现已经不断改进。关键技术：酚的使用用酚来分离核酸首先是Kirty，1956年首次报道。当时发现酚可以从水相中抽提蛋白质，使用阴离子盐时，可以实现核酸分配在水相，而蛋白质在有机相。核酸提取方法——分离与纯化——酚氯仿法核酸提取方法——分离与纯化——酚氯仿法◦酚的准备重蒸酚(去除可引起磷酸二酯键的断裂及导致RNA和DNA的交联的醌类氧化物）；加入8一羟基喹咛，以防止酚氧化，（酚氧化发黄，而氧化的酚可引起核酸链中磷酸二酯键断裂或使核酸链交联）；水饱和酚、平衡PH（大于7.8）（不饱和的酚能与15%其提及的水互溶，从而降低水相中核酸产量）◦发展和改进：SDS取代阴离子盐酚：氯仿混合液（增加了对糖、脂的溶解）异戊醇的使用（减少泡沫、使RNase失活）核酸提取方法——分离与纯化——酚氯仿法1.裂解缓冲液（异硫氰酸胍）处理2.蛋白酶K消化，（根据需要亦可加入Dnase或RNAase）3.50:48:2苯酚:氯仿:异戊醇混合液，与等量的裂解处理液混合，依据应用目的,两相经漩涡振荡混匀(适用于分离小分子量核酸)或简单颠倒混匀(适用于分离高分子量核酸)后离心分离。疏水性的蛋白质被分配至有机相,核酸则被留于上层水相。4.转移水相，重复步骤3，直至满意为止。5.核酸沉淀，在含核酸的水相中加入pH5.0～5.5,终浓度为0.3M的NaAc或KAc后,钠离子会中和核酸磷酸骨架上的负电荷,在酸性环境中促进核酸的疏水复性。然后加入2～3倍体积的预冷的无水乙醇,经一定时间的孵育,可使核酸有效地沉淀。6.14000g离心30分钟@室温，或者如果产量较大可直接用玻璃钩子取出。7.70%乙醇洗涤2-3次，即可将沉淀溶于TE保存。核酸提取方法——分离与纯化——酚氯仿法纯度高，RNA回收效率极高，尤其是200bp的RNA，比如：siRNA，miRNA，mRNA和tRNA等除核酸外，可提取蛋白质耗时，繁琐，不利于自动化。正式名称：异硫氰酸胍-酚-氯仿核酸提取法ByPiotrChomczynskiandNicolettaSacchi1987核酸提取方法——分离与纯化——盐析法-miller1、细胞裂解同前述；2、加入2体积的6mol/L的NaCl，与3体积的细胞裂解液混合，震荡混匀，2500rmp离心15—20min，此时DNP溶解于上清中，蛋白质、RNA等位于离心管底部；3、小心转移上清，同前步骤用乙醇沉淀法进一步纯化。核酸提取方法——分离与纯化——盐析法-NaAC1、细胞裂解同前述；并加入蛋白酶K消化2、加入1/10体积的3mol/L的NaAC，与1体积的细胞裂解液混合，震荡混匀，-20℃孵育~15min；台式离心机最大速度离心15—20min；3、小心转移上清，同前步骤用乙醇沉淀法进一步纯化。核酸提取方法——分离与纯化——盐析法产量较低，但方法简单，比较酚氯仿方法无化学危害；同样不适合大规模自动化提取。提取好的DNA用蛋白酶处理纯度会提高。核酸提取方法——分离与纯化——硅胶吸附法1、细胞裂解和酶处理同前述；2、处理好的裂解液转入硅胶离心柱，高速离心，利用硅胶可以吸附核酸而不能与其它物质如蛋白质，脂类等结合的特点，洗脱这类杂质；3、重复洗涤，提高纯度，最后用核酸洗脱液获得核酸。裂解液；洗涤液；洗脱液装入位置硅胶层液体流出管道核酸提取方法——分离与纯化——硅胶吸附法产量较低，纯度很好；也能造成大片段核酸的损伤；对极小片段核酸提取不够好；简单方便，可进行自动化处理。核酸提取方法——分离与纯化——磁性硅胶吸附法1、细胞裂解和酶处理同前述；2、处理好的裂解液与磁性硅胶颗粒混匀，孵育约30分钟，使裂解液中的核酸物质与硅胶粘附；3、利用磁力架固定吸附了核酸的硅胶颗粒；吸尽管中的液体，加入洗涤液重复本次步骤2次。4、洗脱液收获核酸。核酸提取方法——分离与纯化——磁性硅胶吸附法产量较好，纯度很好；成本较低，无特殊耗材；可通过设计特异探针附着于硅胶颗粒，从而可捕获特异物种的核酸成分；可实现自动化作业。核酸提取方法——分离与纯化——加热煮沸法1、高速离心富集含核酸物质；2、加入促细胞裂解的化学物质（SDS、TritonX-100、Tween20、NP-40、CTAB、sar-cosyl、Chelex-100）等；加入蛋白酶K消化一段时间，也可不加，直接95℃以上加热10分钟左右；3、高速离心，上清中的DNA即可用于PCR扩增。核酸提取方法——分离与纯化——加热煮沸法只能用于DNA提取；一般仅用于血清或体液中病原体DNA的提取；成本最低，临床应用最广；纯度低，产量低；除了PCR外不能直接用于其它分子生物学操作；纯手工操作，临床PCR工作中最易出问题的环节。核酸提取方法——分离与纯化——RNA提取应该注意的问题：无处不在的RNase，比较耐高温，不易失活；解决的办法：1、用于分离RNA的耗材，如有可能必须采用高压灭菌；2、用于分离RNA的试剂尽量采用DEPC水配制，（DEPC是RNase的强烈抑制剂）3、操作人员务必佩戴一次性乳胶手套操作RNA的提取。4、RNA提取体系中两种著名的RNA酶抑制剂,异硫氰酸弧(GTC)和β-巯基乙醇5、低温离心核酸提取方法——分离与纯化——其它核酸分离纯化的方法：1、玻棒缠绕法；玻璃粉（珠）吸附法；2、甲酰胺解聚法；3、离子交换层析；亲和层析法；4、密度梯度离心法；5、等等核酸提取方法——分离与纯化——分离纯化方法小结：产量纯度核酸完整性成本工时安全性酚氯仿***************盐析************硅胶柱***************磁珠****************煮沸法*******