DNA瓊脂糖凝膠電泳原理

瓊脂糖凝膠電泳是常用的用于分離、鑒定DNA、RNA的方法,這種電泳方法以瓊脂凝膠作為支持物,利用DNA分子在泳動時的電荷效應和分子篩效應,達到分離混合物的目的。DNA分子在高于其等電點的溶液中帶負電,在電場中向陽極移動。在一定的電場強度下,DNA分子的遷移速度取決于分子篩效應,即分子本身的大小和構型是主要的影響因素。DNA分子的遷移速度與其相對分子量成反比。不同構型的DNA分子的遷移速度不同。如環形DNA分子樣品,其中有三種構型的分子:共價閉合環狀的超螺旋分子(cccDNA)、開環分子(ocDNA)、和線形DNA分子(IDNA)。這三種不同構型分子進行電泳時的遷移速度大小順序為:cccDNA>IDNA>ocDNA

? ? 核酸分子是兩性解離分子,pH3.5是堿基上的氨基解離,而三個磷酸基團中只有一個磷酸解離,所以分子帶正電,在電場中向負極泳動;而pH8.0-8.3時,堿基幾乎不解離,而磷酸基團解離,所以核酸分子帶負電,在電場中向正極泳動。不同的核酸分子的電荷密度大致相同,因此對泳動速度影響不大。在中性或堿性時,單鏈DNA與等長的雙鏈DNA的泳動率大致相同。

圖片摘自網上
圖片摘自網上

影響核酸分子泳動率的因素主要是:

1、樣品的物理性狀

即分子的大小、電荷數、顆粒形狀和空間構型。一般而言,電荷密度愈大,泳動率越大。但是不同核酸分子的電荷密度大致相同,所以對泳動率的影響不明顯。

對線形分子來說,分子量的常用對數與泳動率成反比,用此標準樣品電泳并測定其泳動率,然后進行DNA分子長度(bp)的負對數-——泳動距離作標準曲線圖,可以用于測定未知分子的長度大小。

DNA分子的空間構型對泳動率的影響很大,比如質粒分子,泳動率的大小順序為:cDNA>IDNA>ocDNA但是由于瓊脂糖濃度、電場強度、離子強度和溴化乙錠等的影響,會出現相反的情況。

2、支持物介質

瓊脂糖是一種聚合鏈線性分子。含有不同濃度的瓊脂糖的凝膠構成的分子篩的網孔大小不同,適用于分離不同濃度范圍的核酸分子。選擇不同濃度的凝膠,可以分離不同大小范圍的DNA分子。

3、電場強度

電場強度愈大,帶點顆粒的泳動越快。但凝膠的有效分離范圍隨著電壓增大而減小,所以電泳時一般采用低電壓,不超過4V/cm。而對于大片段電泳,甚至用0.5-1.0V/cm電泳過夜。進行高壓電泳時,只能使用聚丙烯酰胺凝膠。

4、緩沖液離子強度

核酸電泳常采用TAE、TBE、TPE三種緩沖系統。TAE價格低廉,但緩沖能力低。TPE在進行DNA回收時,會使DNA污染磷酸鹽,影響后續反應。所以多采用TBE緩沖液。

在緩沖液中加入EDTA,可以鰲合二價離子,抑制DNase,保護DNA。

緩沖液pH常偏堿性或中性,此時核酸分子帶負電,向正極移動。

核酸電泳中以前常用的染色劑是溴化乙錠(ethidium bromide EB)。BE見光分解,應在避光條件下4℃保存。溴化乙錠是一種扁平分子,可以嵌入核酸雙鏈的配對堿基之間。在紫外線照射BE-DNA復合物時,出現不同的效應。254nm的紫外線照射時,靈敏度最高,但對DNA損傷嚴重;360nm紫外線照射時,雖然靈敏度較低,但對DNA損傷小,所以適合對DNA樣品的觀察和回收等操作。300nm紫外線照射的靈敏度較高,且對DNA損傷不是很大,所以也比較適用。但EB有毒,現實驗室已基本不用,用核酸燃料代替EB。

1、若使用溴化乙錠(EB)需注意安全,EB為中度毒性、強致癌性物質,務必小心,勿沾染于衣物、皮膚、眼睛、口鼻等。所有操作均只能在專門的電泳區域操作,戴一次性手套,并及時更換。

2、預先加入EB時可能使DNA的泳動速度下降15%左右,而且對不同構型的DNA的影響程度不同。所以為取得較真實的電泳結果可以在電泳結束后再用0.5μg/ml的EB溶液浸泡染色。若膠內或樣品內已加EB,染色步驟可省略;若凝膠放置一段時間后才觀察,即使原來膠內或樣品已加EB,也建議增加此步。

3、制膠若形成氣泡需在凝膠液未凝固之前及時清除,否則,需重新制膠;上樣時也不要有氣泡,容易使樣品飄散。

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