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编号:10231497
中药材 DNA 分子标记研究的技术问题 Ⅰ.植物药基因组 DNA 的提取
http://www.100md.com 《中草药》 2000年第12期
     作者:郭宝林 李家实 阎玉凝

    单位:北京中医药大学 100029

    关键词:DNA分子标记;基因组;DNA提取;多糖;酚类

    中草药001238

    摘 要 随着 DNA 分子标记技术在中药中的广泛应用,快速有效地将 材料中的 DNA 提取出来 成为研究的关键步骤。综述了 90 年代以来文献报道的针对提取过程中出现的各种问题所 采取的相应措施,主要涉及如何去除提取材料中的酚类和多糖类杂质。

    DNA 分子标记应用于中药资源、鉴定、栽培等方面有着很好的发展前景,目前研究报道正日 益增多。一般来说,该技术涉及的分子生物学原理比较简单,实验方法也不复杂,但熟练掌 握,灵活运用,并有效地解决实验中出现的各种情况,仍有许多问题值得重视,作者曾就该 研究的策略性问题作过论述[1],现则着重介绍技术方面的一些关键问题。
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    1 材料的预处理

    1.1 洁净:目的是去除任何可能的外源 DNA 污染,如细菌、真菌等。根、茎、果类材料 要用刀认真刮取干净部分。花、叶、种子或小饮片等材料则在尽可能切去菌斑、菌块之后 ,用次氯酸、乙醇浸洗,或用紫外灯照射,有些植物有与细菌或真菌共生现象,菌丝深入到 组织内部,则外来 DNA 不可能去除干净。而有些材料,如冬虫夏草,本身就为多种生物的 复合体,研究时应予以注意。

    1.2 粉碎:材料经液氮速冻后粉碎是通用方法。对于新鲜材料,液氮处理可抑制 DNase(D NA 酶)的活性,防止 DNA 的降解,但对干材料,液氮速冻只使材料变脆易磨,因而加玻璃 砂或砂子共研则更经济,效果也很好[2~4],而且如果没有液氮,对于新鲜材料也 可用砂子共研,只要同时加入提取缓冲液(可抑制 DNase 的活性)即可[5]

    基因组 DNA 的有效提取是进行任何 DNA 下游工作的前提和基础,有效提取指的是得到的基 因组 DNA (或称总 DNA) 有足够的量,尽可少的降解和不含有影响下一步酶反应的杂质,植 物药中的小分子次生产物如萜类、黄酮、香豆素、有机酸、鞣质等含有酚羟基的化合物,氧 化后易与 DNA 结合,引起 DNA 降解或抑制酶的活性,而植物中存在的多糖类由于与 DNA 同属大分子化合物,一般提取过程很难去除干净,也可能影响 DNA 的进一步酶处理或 PCR (聚合酶链式反应) 扩增。
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    2 一般提取方法

    2.1 CTAB 法[6]:CTAB(Cetyltriethylammonium bromide)是一种去污剂,它可 与核酸形成复合物,这些复合物在高盐溶液(>0.7 mol/L NaCl)中可溶并且稳定存在,但如 果 降低盐的浓度(<0.5 mol/L NaCl),CTAB 与核酸的复合物就会因溶解度降低而沉淀出来, 大部分的蛋白及多糖仍溶于溶液中。

    该方法是植物 DNA 提取的经典方法[7~11],抽提缓冲液加入一定量的 β-巯基 乙醇,可起到防止酚类氧化的作用,如果材料中酚类成分较多,可将其含量提高至6%[ 12]。技术关键是提取过程加入 10% CTAB 提取液和 1% CTAB 沉淀缓冲液的量一定要准 确,否则 CTAB-DNA 复合物沉淀不易产生或得到的 DNA 会有部分降解[13,14]
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    当材料中多糖少时,可不用 1% CTAB 沉淀缓冲液来沉淀 DNA,在经氯仿-异戊醇(24∶1)抽 提之后,用异丙醇或乙醇沉淀 DNA,使提取过程简化[15,16]

    2.2 SDS 法[7]:SDS(Sodium dodecyl sulfate)是阳离子去污剂。用含有高浓度 SDS 的抽提缓冲液在 55 ℃ 对植物细胞进行裂解后,用提高盐浓度(KAc 或 NH4Ac)和降 低温度(冰上保温)的办法沉淀除去蛋白和多糖,剩下的 DNA 再进一步纯化,该法提取出的 DNA 常含有较多的多糖,但如果材料本身多糖含量不高或其含量未超过一定限度而对进一步 研究无影响时仍可使用。已有较多使用 SDS 法提取 DNA 成功的报道[17~19]

    3 DNA 提取过程中杂质的去除

    对于幼嫩的材料(鲜品或硅胶快速干燥品),一般方法都可得到很好的 DNA,但对于中药,研 究材料常常无法选择。各种各样的来源、药用部位、采收季节、加工方法及贮藏条件都将会 碰到,虽然中药的 DNA 提取方法已有一些报道[13,17],但目前尚没有通用的方 法。针对某一具体材料,常规的方法可能都不奏效,如何去除上述的两类主要杂质,下列处 理办法可供参考。
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    3.1 去除多糖:如果材料中含有较多多糖,一般提取方法将很难去除。多糖常与 DNA 共 沉淀 而使沉淀物呈胶冻状。少量的多糖一般不影响 DNA 的限制性酶解或扩增,但当下一步研究 无法进行时,则要考虑在提取 DNA 过程中去除多糖。

    3.1.1 在 DNA 未溶出之前,先用一些缓冲液洗去多糖。如可用缓冲液:100 mmol/LTris -HCl(pH=8.0)、5 mmol/L EDTA和0.35 mol/L Sorbitol洗几次[3,20]

    3.1.2 使 DNA 提取液中的多糖先沉淀。在提取液中加入 0.35 倍体积的无水乙醇,迅 速混匀,多糖会先沉淀[22]

    3.1.3 沉淀 DNA 时,使多糖保留在溶液中。

    1)高盐法:如用乙醇沉淀时,在待沉淀溶液中加入 1/2 体积的 5 mol/L NaCl[23] ,或加 NH4Ac 使终浓度为 10 mmol/L[24]
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    2)PEG(聚乙二醇,WT 8 000)代替乙醇沉淀 DNA:如在500 μL DNA 液中加入200 μL 20% P E G 8000 (含 1.2 mol/L NaCl,冰浴 20 min)[18] 或 0.5 mL DNA 液中加 0.12 5 mL 4 mol/L NaCl 和 0.625 mL 13% PEG 8000(冰浴 1 h)[24]

    3.1.4 多糖和 DNA 的共沉淀物进行再分离。如用 TE(DNA 溶解缓冲液)反复清洗共沉淀 物,将清洗液合并再用醇沉淀 DNA[25];或将沉淀物溶解后,经琼脂糖电泳,切下 DNA 部分再将胶回收[12],或者用多糖水解酶将多糖降解[21,31]。还 有在提取缓冲液中加一定量的氯苯(1/2体积),氯苯可以与多糖的羟基作用而去除多糖 [27]

    上述方法还可组合使用,以达到最佳效果[3,28]。然而这些方法均会在一定程度 上 减低 DNA 的提取量;如果材料较少或要求较高,则可考虑用柱层析方法,使用对 DNA 具有 特异性吸附的树脂来纯化 DNA,可选用 Wizard Purification Kit(作者经验),PRC-5 柱 [19],Sephacryl S-1000 或 S-500[18],Qiagen Genomic tip 500/G [26],或者 CsCl 梯度离心纯化 DNA。
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    3.2 去除酚类:含有酚类杂质的 DNA 其沉淀物多呈黄色至褐色,难以溶解或溶液色深。 由于酚类化合物在植物材料中存在十分普遍,因而抽提缓冲液中要加入一定量的 β-巯基 乙醇(防止酚氧化),PVP (聚乙烯吡咯烷酮,可与酚类结合)也十分常用,但有时仍无法全部 去除。可以考虑下述方法。

    3.2.1 对酚类的预提取(清洗):对未粉碎的干材料可水浸过夜,主要去除水溶性鞣质等 [18],对粉碎后的材料用丙酮浸提,去除脂溶性酚类化合物(作者经验),或用可去 除酚类的缓冲液清洗(0.25 mol/L NaCl,0.2 mol/L Tris-HCl,50 mmol/L EDTA,2%~4% PVP)(作者经验)。

    3.2.2 抽提液中再加一些防止酚类氧化的试剂:多是一些抗氧化剂,如抗坏血酸(参考终 浓度 30~60 mmol/L)[17]、半胱氨酸(10~60 mmol/L)[19]、亚硫酸钠( 10 mmol/L)[29]、二硫苏糖醇(0.1%)[21]及二乙基二硫氨基甲酸(4 mmol /L或0.5%)[30]
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    3.2.3 抽提液中再加入易与酚类结合的试剂:这类试剂与酚类有较强的亲和力,可防止 酚类与 DNA 的结合,PVP 属于这一类,还有 PEG(聚乙二醇)(参考终浓度 10%)[5]

    在 SDS 法中调整抽提液为低 pH 值(pH=5.5),使酚类呈未解离状态,也可防止其氧化 [17,19]

    酚类杂质也可用上述提到的柱层析纯化,对于既含多糖又有多量酚类的材料,去除两类杂质 的方法常组合使用。

    4 花(孢)粉、种子或浸制标本的 DNA 提取

    4.1 花(孢)粉:有效破除花(孢)粉壁是花(孢)粉 DNA 提取的关键,Simel 比较了前人报 道的多种方法,如 MMNO(4-methylmorpholin-N-oxide)处理,渗透破 裂,快速冷冻,微 波降解,酸碱处理并加纤维素、半纤维素酶消化,以及微珠机械粉碎等方法,试验了 8 种 裸子植物和被子植物花粉,以用最后一种方法最好,提取介质为十二烷基磺酸锂(lithium dodecyl sulfate)优于 SDS 和 CTAB[31]
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    4.2 种子:种子中常贮藏较多的蛋白和淀粉,一般不影响 DNA 的有效提取,CTAB 法和 S DS 法均可,得到的 DNA 一般有些降解,与种子的贮存时间呈正相关,但情况好于腊叶标本 材料[14,32]

    4.3 浸制标本:有时会需要从浸制标本中提取 DNA。不论浸液是卡诺固定液、FAA 或 不同 浓度的醇均对材料中的蛋白起作用,使得染色体中与 DNA 结合的蛋白质不易解离,提 取介质中一定要加入蛋白酶,Proteinase E 或 Proteinase K 均可[33]

    5 DNA 质量的检测

    提取得到 DNA 要进行数量和质量的检测。

    5.1 外观:好的 DNA 沉淀为白色,干后透明。如果干后仍呈白色,常因蛋白较多;若呈 黄至棕色,则是有多酚类杂质;呈胶冻状则含有多糖。
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    5.2 紫外分光光度法[19]

    1)测量 260 nm 处的紫外吸收值,用于定量,每个 OD 值相当于 DNA 浓度为 50 μg/mL。

    2)A260/A280比值若为 1.80 左右,则 DNA 比较干净:>1.80,则含有 R N A;<1.80,则含有蛋白质,需要去除。前者用 RNase 将 RNA 降解,后者可用酚/氯仿再 抽提。

    如果含有其它小分子杂质(药材中常有),它们在相应波长可能有吸收,则单从 OD 值的变化 情况无法很好地判断 DNA 的纯度。

    5.3 琼脂糖凝胶法

    1)琼脂糖电泳后胶孔处有 EB(溴化乙锭)吸收,表明有多糖。
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    2)未降解的 DNA,电泳时用标准量的 λDNA 进行定量。

    3)干药材的DNA 大多降解,电泳呈弥散状(不同的材料降解的程度不同),可点于凝胶上,与 标准量的 DNA(分子量较小)通过紫外投射大致定量。

    5.4 DNA 中是否有影响 PCR 或酶切的杂质,则要根据实验的需要进行相应反应的试验才 可确定。

    总之,植物药 DNA 的提取对于具体的材料还是一个需要不断摸索的过程,今后的研究中将 会积累更多的经验。

    Address: Guo Ba olin Beijing University of TCM, Beijing

    郭宝林 医学博士,副研究员,现为北京中医药大学博士后。研究方向为药用植物(中药)的 分类、资源和质量评价;分子生物学在中药中的应用是目前的主要研究内容。研究对象曾涉 及淫羊藿、珍珠菜、牡丹、芍药、厚朴及金丝桃等,发表论文近40篇,现承担多项国家级和 部级研究课题。
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    (2000-06-19收稿), 百拇医药