background image

 

1

IZOLACJA I RESTRYKCJA PLAZMIDOWEGO DNA 

DNA plazmidowego wektora genetycznego może zostać wyizolowany z bakterii różnymi metodami. Wybór 

odpowiedniej techniki zależy od tego, jaką ilości i czystości DNA zamierzamy uzyskać. Wspólną cechą większości technik 
izolacji plazmidów jest sposób, w jaki następuje oddzielenie DNA genoforowego od DNA plazmidowego. W tym celu 
wykorzystuje się fakt, że w lizacie bakteryjnym poddanym alkalicznej lub termicznej denaturacji a następnie renaturacji, 
następuje wytrącenie DNA genoforowego wraz z białkami, podczas gdy zrenaturowane cząsteczki plazmidów pozostają w 
roztworze. Różnice pomiędzy różnymi technikami, stosowanymi do izolacji plazmidów, dotyczą  głównie tych etapów, 
podczas których następuje oddzielenie plazmidowego DNA od białek, RNA i pozostałych składników lizatu. W tym celu 
stosowane są następujące zabiegi: 

1.  Ekstrakcja fenolem i chloroformem. Oczyszczanie tą metodą stosuje się obecnie coraz rzadziej, ze względu na  jej 

czasochłonność i szkodliwość fenolu. Niskie koszty tych zabiegów sprawiają jednak, że ekstrakcję tego typu wciąż stosuje 
się przy wykonywaniu tzw. minilizatów, czyli podczas jednoczesnej izolacji wielu preparatów DNA w małej skali. 
Minilizaty wykonywane są głównie w celu identyfikacji stransformowanych klonów bakteryjnych. 

2.  Wirowanie w gradiencie chlorku cezu. Ze względu na dużą pracochłonność tej techniki, jak również z powodu dużych 

kosztów wykorzystuje się  ją tylko wtedy, gdy wymagana jest bardzo wysoka czystość plazmidowego DNA, np. 
przygotowując wektor do transfekcji, czyli wprowadzenia do linii komórkowych.  

3.  Oczyszczenie na minikolumnach. W tym przypadku izolację przeprowadza się z wykorzystaniem niewielkich kolumienek, 

w których DNA plazmidowy zostaje związane do membrany, podczas gdy pozostałe składniki lizatu zostają wypłukane 
przy zastosowaniu odpowiednich buforów. Ponieważ technika ta umożliwia izolację DNA o stosunkowo wysokiej 
czystości w bardzo krótkim czasie, obecnie zdobywa ona coraz większą popularność. 

Izolacja plazmidowego DNA z klonów uzyskanych po transformacji 

  Technika przedstawiona w niniejszym ćwiczeniu stosowana jest do charakterystyki klonów uzyskanych po transformacji 
bakterii. Ponieważ obejmuje ona tylko kilka prostych etapów, można ją wykorzystać do izolacji DNA z wielu klonów 
jednocześnie. Do jej wykonania wymagana jest niewielka objętość hodowli co znacznie ułatwia ich przygotowanie. 
Wydajność techniki i czystość uzyskanych preparatów są wystarczające do tego, by można je było poddać analizie 
restrykcyjnej. 

Sprzęt i odczynniki 

−  hodowle bakteryjne 

−  bufor GTE (50mM glukoza, 

25mM Tris pH 8,0; 10mM 
EDTA) 

−  NaOH 4M 

−  SDS 20% 

−  octan potasu 3M; pH4,8  

−  chloroform 

−  izopropanol 

−  etanol 75% 

−  buf TE

10/1

 (10mM Tris, 1mM 

EDTA) 

−  RNase A (1 mg/ml) 

−  H

2

−  enzymy restrykcyjne 

−  buf. do enzymów 

−  sprzęt i odczynniki do 

elektroforezy agarozowe 

Procedura 

1.  Z szalki po transformacji pobrać sterylnie pojedyncze, białe kolonie i przenieść je indywidualnie do probówek 

zawierających po 0,5 ml płynnej pożywki LB z ampicyliną (100

μg/ml). 

2.  Hodowlę inkubować przez noc w +37

o

C. 

3.  Bakterie zwirować w mikrowirówce przez 2 min przy 8000 RPM. Usunąć pożywkę znad osadu bakterii. 

4.  Osad bardzo dokładnie zawiesić w 50 

μl buforu GTE.  

5.  Do próby dodać 100

μl roztworu denaturującego zawierającego 0,2M NaOH i 1%SDS. Roztwór denaturujący przygotować 

bezpośrednio przed użyciem w osobnej probówce eppendorfa. Obliczyć, jakie ilości 4M NaOH i 20% SDS należy pobrać, 
aby po rozcieńczeniu wodą uzyskać 1ml roztworu o właściwym stężeniu obu składników. 

6.  Denaturację DNA prowadzić do uzyskania klarownego roztworu, który powinien stać się kleisty na skutek denaturacji 

DNA genoforowego. 

7.  Do całości dodać 75 

μl 3M octanu potasu (pH 4,8) w celu renaturacji plazmidowego DNA. 

8.  Do mieszaniny dodać następnie 1 objętość chloroformu. Całość wytrząsać przez 5 minut. 

9.  Próbę wirować 10 min w celu oddzielenia wytrąconego DNA plazmidowego (faza wodna) od białek i DNA genoforowego 

(faza dolna). 

10.  Fazę wodną przenieść do nowej probówki Eppendorfa. Kwasy nukleinowe wytrącić przez dodanie 1 objętości 

izopropanolu. 

11.  Wytrącony DNA odwirować 10 min w mikrowirówce. 

12.  Supernatant bardzo ostrożnie usunąć a osad przepłukać 100 

μl 75% etanolu i odwirować w mikrowirówce. 

background image

 

2

13.  Po dokładnym usunięciu supernatantu osad osuszyć i rozpuścić w 20 

μl buf. TE

10/1

. Dodać  2

μl RNA-zy A o stężeniu 

1mg/ml. Trawienie RNA prowadzić przez 10 min. w +37

o

C. 

14.  DNA preparatów zawierających insert poddać analizie restrykcyjnej. Do reakcji należy użyć enzymy restrykcyjne, które 

wycinają cały insert z wektora. Obliczyć ilości składników dla pojedynczej reakcji restrykcyjnej wg podanego poniżej 
schematu. W przypadku, gdy przygotowywanych jest kilka reakcji restrykcyjnych, składniki powtarzające się we 
wszystkich reakcjach, czyli H

2

O, bufor i enzym, powinny zostać przygotowane w postaci mieszaniny wspólnej dla 

wszystkich prób, tzw. mix. Odpowiednia ilość mieszaniny powinna zostać następnie dodana do każdej z badanych prób 
DNA. 

 

DNA 

buf  

(10X do 1X) 

H

2

O  

(do 20 

μl) 

enzym 1 

(2u z 10u/

μl) 

enzym 2 

(2u z 10u/

μl)

obj. na 1 reakcję 

10 

μl 

 

 

 

 

obj. dla wszystkich reakcji, tzw. mix   

 

 

 

 

obj. mix’u podana do 1 reakcji 

 

15.  Mieszaninę restrykcyjną inkubować minimum przez 1 godz., w temp. +37

o

C. 

16.  Preparaty nietrawione i po restrykcji nałożyć na 1% żel agarozowy. Na podstawie porównania migracji preparatów 

nietrawionych wobec próby kontrolnej, nie zawierającej insertu, ustalić, która próba zawiera wbudowany insert. Na 
podstawie preparatów trawionych obliczyć wielkość uzyskanych insertów. 

ANALIZA RESTRYKCYJNA 

 Enzymy 

restrykcyjne, 

dzięki zdolności do rozpoznawania i przecinania specyficznych sekwencji DNA, należą do 

podstawowych narzędzi inżynierii genetycznej. Fakt, że wiele z nich generuje specyficzne lepkie końce pomaga również w 
łączeniu (ligacji) różnych fragmentów DNA. Wszystkie znane enzymy restrykcyjne zostały podzielone na trzy grupy. W 
praktyce laboratoryjnej najczęściej stosowane są enzymy typu II. Nazewnictwo enzymów restrykcyjnych pochodzi od nazwy 
bakterii, z której zostały wyizolowane. Np. Eco RI: Pierwsza litera – rodzaj (Escherichia), dwie następne – gatunek (coli), 
duże litery - szczep lub typ (R), litery rzymskie - nr kolejny enzymu wyizolowanego z danego szczepu (I). Te enzymy 
restrykcyjne, które pochodzą z różnych  źródeł, lecz rozpoznają te same miejsca restrykcyjne nazywamy izoschizomerami. 
Należy pamiętać o tym, że niektóre izoschizomery przecinają rozpoznawaną sekwencję w różnych miejscach generując różne 
końce DNA, np.:  
 
Sma I 5’CCCGGG 

3’ 

 

Xma I 5’CCCGGG 3’ 

 

 

3’GGGCCC 

5’ 

  3’GGGCCC 

5’ 

 

 

Enzymy restrykcyjne przechowywane są w buforach zawierających 50% glicerol, w temp. –20

0

C. W mieszaninach 

reakcyjnych, zawierających glicerol w stężeniu przekraczającym 5%, u wielu enzymów restrykcyjnych może ujawnić się 
aktywność niespecyficzna, tzw. „star aktywność”, objawiająca się przecinaniem DNA w miejscach nietypowych dla danego 
enzymu. Z tego powodu do mieszaniny reakcyjnej należy dodać taką objętość enzymu, żeby stężenie glicerolu nie 
przekraczało 5%. Podczas przygotowywania reakcji restrykcyjnej probówkę ze stężonym enzymem trzymać w lodzie i po 
użyciu należy niezwłocznie przenieść ją do –20

o

C. 

Ilość enzymu, jaką należy pobrać do reakcji oraz czas trwania reakcji, zależą od aktywności enzymu i ilości DNA 

przeznaczonego do trawienia. Aktywność enzymu podawana jest w jednostkach enzymatycznych. Jedna jednostka (u) jest to 
ilość enzymu niezbędna do pełnego strawienia 1 

μg wzorcowego DNA, np. faga λ, w optymalnych warunkach, w ciągu jednej 

godziny. Ponieważ  dłużej przechowywane enzymy restrykcyjne stopniowo tracą aktywność, do reakcji można podać ilość 
enzymu nieznacznie większą od ilość sugerowanej przez producenta.  

Przeciętna długość fragmentów DNA uzyskanych po restrykcji zależy od wielkości motywu rozpoznawanego przez dany 

enzym, np.: motyw 4 nukleotydowy występuje statystyczne raz na 256pz (4

4

), podczas gdy 6 nukleotydowy - 4096pz (4

6

). 

Znajomość tego faktu ma znaczenie przy doborze enzymów do niektórych badań. Np. do badań polimorfizmu genomów 
metodą RFLP, często używamy enzymy trawiące preparat w wielu miejscach, co zwiększa szansę na identyfikacją miejsca 
restrykcyjnego które uległo modyfikacji w wyniku mutacji. Natomiast do klonowania długich fragmentów DNA, np. podczas 
przygotowania biblioteki genetycznej, przydatne są enzymy trawiące DNA stosunkowo rzadko. Należy pamiętać o tym, że 
DNA izolowany z tkanek eukariotycznych często zawiera grupy metylowe, uniemożliwiające pełne trawienie wszystkich 
potencjalnych miejsc restrykcyjnych. 

W niektórych przypadkach trawienie należy wykonać w takich warunkach, aby nie uzyskać pełnego strawienia preparatu 

DNA, czyli tak, aby tylko część miejsc restrykcyjnych została przecięta (ang. partial digestion). Trawienie tego typu 
wykonujemy np. przygotowując bibliotekę genomową, której klony powinny mieć długość znacznie większą, niż odległości 
pomiędzy miejscami restrykcyjnymi występującymi w genomie. Aby to osiągnąć należy odpowiednio zaniżyć ilość enzymu 
lub czas trawienia reakcji restrykcyjnej. 

background image

 

3

Bufory optymalne dla poszczególnych enzymów różnią się głównie rodzajem i stężeniem użytych soli (NaCl, KCl) oraz 

pH. Szczegółowe informacje na temat wymagań konkretnych enzymów można znaleźć w katalogach firm, które je produkują. 
W podanym poniżej przykładzie bufor A jest optymalny dla Eco RI, natomiast bufor B dla Hind III. 
 
 

 

 

Enzym   

Buf. A (100mM NaCl) 

Buf. B (50mM NaCl) 

 

 

 

Eco RI   

  100%   

    

  50% 

 

 

 

Hind III    

 50% 

 

   

  100% 

Informacje te są istotne jeżeli przygotowujemy reakcję, w której zamierzamy użyć kilku enzymów o różnych wymaganiach 
buforowych. W tym przypadku reakcję należy zaplanować tak, by wszystkie enzymy wykazywały w niej tą samą aktywność.  

 Pomimo, 

że  temperatura optymalna dla aktywności większość enzymów wynosi +37

o

C, niektóre popularne enzymy 

trawią DNA w innych temperaturach, np. SmaI w +30

o

C, Taq I w +65

o

C. Reakcje w wyższych temperaturach powinny być 

przeprowadzane w warunkach uniemożliwiających parowanie mieszaniny restrykcyjnej, tzn. pod olejkiem parafilmowym lub 
w termocyklerze z gorącym nakryciem.  
 
Identyfikacja rozkładu miejsc restrykcyjnych. 
 Podczas 

wielu 

eksperymentów przygotowuje się mapy restrykcyjne badanego DNA, czyli identyfikuje się pozycje 

wybranych miejsc restrykcyjnych. Ustalenia te są konieczne na przykład w celu subklonowania fragmentów DNA lub 
poznania orientacji insertu w obrębie wektora. W przypadku, gdy znana jest pełna sekwencja insertu, do identyfikacji miejsc 
restrykcyjnych wykorzystujemy programy komputerowe przeznaczone do analizy sekwencji DNA. W przypadku, gdy nie 
znamy dokładnej sekwencji DNA, mapa restrykcyjna może zostać odczytana na podstawie wielości fragmentów DNA 
uzyskanych po restrykcji i rozdziale elektroforetycznym. Do wykonania tego typu analizy konieczna jest również znajomość 
miejsc restrykcyjnych obecnych w wektorze, do którego wklonowano badaną cząsteczkę. Dane o wektorach dostępne w 
katalogach firm biotechnologicznych. 

 

Przykład 1 
Do wektora genetycznego (3000pz) w miejsce EcoRI wklonowano insert (600pz) zawierający miejsca restrykcyjne 
przedstawione na schemacie. Jaką analizę restrykcyjną, tzn. przy użyciu jakiego enzymu, należy wykonać, aby ustalić 
orientację wklonowanego insertu względem promotora znajdującego się w wektorze? Jakie będą wielkości fragmentów 
restrykcyjnych dla poprawnej i niepoprawnej orientacji insertu? 

wektor
3 kpz

prom.

EcoRI

BamHI

EcoRI

EcoRI

BamHI

insert 
600pz

ORF

 

 

Przykład 2 

Na schemacie przedstawiony jest wektor DNA, o wielkości 3000 pz, do którego wklonowano insert o wielkości 1000pz. 

Klonowanie wykonano z użyciem miejsca restrykcyjnego Eco RI. Konstrukt ten trawiono restrykcyjnie w czterech różnych 
reakcjach a uzyskane fragmenty restrykcyjne posiadały następujące wielkości: 

1.  Bam HI 

 

3400, 600pz  

2.  Hind III 

 

3300, 700pz 

3.  Pst I 

 

3100, 500, 400pz 

4.  Bam HI, Pst I 

3100, 400, 300, 200pz 

W polilinkerze wektora, enzymy te rozpoznają zaznaczone na schemacie, unikatowe miejsca restrykcyjne. Na podstawie 

powyższych informacji należy ustalić położenie poszczególnych miejsc restrykcyjnych w obrębie insertu. 

Bam HI

Pst I

Eco RI

Eco RI

Hind III

100 pz

wektor

insert