Методы «прогулки по геному» на основе ПЦР (обзор)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В обзоре рассматриваются ряд классических и современных методов, позволяющих установить нуклеотидную последовательность неизвестных участков ДНК, фланкирующих известные. Они применяются для расшифровки регуляторных областей генов, определения сайтов встраивания Т-ДНК или вирусов и т. д., в тех случаях, когда использование полногеномного секвенирования неоправданно. Чтобы амплифицировать участок ДНК, к концу неизвестной последовательность необходимо добавить участок связывания для праймера; это реализуется либо путем лигирования адаптера, либо посадкой вырожденного праймера в мягких условиях, либо закольцовыванием фрагмента ДНК, чтобы изучаемый участок оказался окружен известными. Второй важной задачей является избавление от неизбежно возникающих продуктов неспецифического связывания адаптеров либо вырожденных праймеров — чаще всего данная проблема разрешается несколькими раундами вложенной ПЦР. Разные методы существенно отличаются по трудоемкости, распространенности и доступности необходимых реактивов.

Об авторах

Елена Сергеевна Окулова

Санкт-Петербургский государственный университет; Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений

Автор, ответственный за переписку.
Email: elenaok.advert@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-7349-8925
SPIN-код: 7166-0090

магистр, инженер-исследователь, кафедра Генетики и биотехнологии

Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9; Санкт-Петербург

Михаил Сергеевич Бурлаковский

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: burmish@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6694-0423
SPIN-код: 3679-0860

канд. биол. наук, младший научный сотрудник, кафедра генетики и биотехнологии

Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9

Людмила Алексеевна Лутова

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: la.lutova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6125-0757
SPIN-код: 3685-7136
Scopus Author ID: 6603722721

доктор биол. наук, профессор

Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9

Список литературы

  1. Pei J., Sun T., Wang L., et al. Fusion primer driven racket PCR: A novel tool for genome walking // Front Genet. 2022. Vol. 13. ID 969840. doi: 10.3389/fgene.2022.969840
  2. Uchiyama T., Watanabe K. Improved inverse PCR scheme for metagenome walking // Biotechniques. 2006. Vol. 41, N. 2. P. 183–188. doi: 10.2144/000112210
  3. Kotik M. Novel genes retrieved from environmental DNA by polymerase chain reaction: Current genome-walking techniques for future metagenome applications // J Biotechnol. 2009. Vol. 144, N. 2. P. 75–82. doi: 10.1016/j.jbiotec.2009.08.013
  4. Chang K., Wang Q., Shi X., et al. Stepwise partially overlapping primer-based PCR for genome walking // AMB Express. 2018. Vol. 8, N. 1. ID 77. doi: 10.1186/s13568-018-0610-7
  5. Ochman H., Gerber A.S., Hartl D.L. Genetic applications of an inverse polymerase chain reaction // Genetics. 1988. Vol. 120, N. 3. P. 621–623. doi: 10.1093/genetics/120.3.621
  6. Hui E.K.-W., Wang P.-C., Lo S.J. Strategies for cloning unknown cellular flanking DNA sequences from foreign integrants // Cell Mol Life Sci. 1998. Vol. 54, N. 12. P. 1403–1411. doi: 10.1007/s000180050262
  7. Kalendar R., Shustov A.V., Schulman A.H. Palindromic sequence-targeted (PST) PCR, version 2: An advanced method for high-throughput targeted gene characterization and transposon display // Front Plant Sci. 2021. Vol. 12. ID 691940. doi: 10.3389/fpls.2021.691940
  8. Riley J., Butler R., Ogilvie D., et al. A novel, rapid method for the isolation of terminal sequences from yeast artificial chromosome (YAC) clones // Nucleic Acids Res. 1990. Vol. 18, N. 10. P. 2887–2890. doi: 10.1093/nar/18.10.2887
  9. Devon R.S., Porteous D.J., Brookes A.J. Splinkerettes — improved vectorettes for greater efficiency in PCR walking // Nucleic Acids Res. 1995. Vol. 23, N. 9. P. 1644–1645. doi: 10.1093/nar/23.9.1644
  10. Lagerstrom M., Parik J., Malmgren H., et al. Capture PCR: efficient amplification of DNA fragments adjacent to a known sequence in human and YAC DNA // Genome Res. 1991. Vol. 1, N. 2. P. 111–119. doi: 10.1101/gr.1.2.111
  11. Sarkar G., Turner R.T., Bolander M.E. Restriction-site PCR: a direct method of unknown sequence retrieval adjacent to a known locus by using universal primers // Genome Res. 1993. Vol. 2, N. 4. P. 318–322. doi: 10.1101/gr.2.4.318
  12. Schmidt M., Hoffmann G., Wissler M., et al. Detection and direct genomic sequencing of multiple rare unknown flanking DNA in highly complex samples // Hum Gene Ther. 2001. Vol. 12, N. 7. P. 743–749. doi: 10.1089/104303401750148649
  13. Jones D.H., Winistorfer S.C. Sequence specific generation of a DNA panhandle permits PCR amplication of unknown flanking DNA // Nucleic Acids Res. 1992. Vol. 20, N. 3. P. 595–600. doi: 10.1093/nar/20.3.595
  14. Hengen P.N. Vectorette, splinkerette and boomerang DNA amplification // Trends Biochen Sci. 1995. Vol. 20, N. 9. P. 372–373. doi: 10.1016/s0968-0004(00)89079-9
  15. Yuanxin Y., Chengcai A., Li L., et al. T-linker-specific ligation PCR (T-linker PCR): an advanced PCR technique for chromosome walking or for isolation of tagged DNA ends // Nucleic Acids Res. 2003. Vol. 31, N. 12. P. e68. doi: 10.1093/nar/gng068
  16. O’Malley R.C., Alonso J.M., Kim C.J., et al. An adapter ligation-mediated PCR method for high-throughput mapping of T-DNA inserts in the Arabidopsis genome // Nat Protoc. 2007. Vol. 2. P. 2910–2917. doi: 10.1038/nprot.2007.425
  17. Ji J., Braam J. Restriction site extension PCR: A novel method for high-throughput characterization of tagged DNA fragments and genome walking // PLoS ONE. 2010. Vol. 5, N. 5. ID 10577. doi: 10.1371/journal.pone.0010577
  18. Bae J.-H., Sohn J.-H. Template-blocking PCR: An advanced PCR technique for genome walking // Anal Biochem. 2010. Vol. 398, N. 1. P. 112–116. doi: 10.1016/j.ab.2009.11.003
  19. Shyamala V., Ames G.F. Genome walking by single-specific-primer polymerase chain reaction: SSP-PCR // Gene. 1989. Vol. 84, N. 1. P. 1–8. doi: 10.1016/0378-1119(89)90132-7
  20. Parker J.D., Rabinovitch P.S., Burmer G.C. Targeted gene walking polymerase chain reaction // Nucleic Acids Res. 1991. Vol. 19, N. 11. P. 3055–3060. doi: 10.1093/nar/19.11.3055
  21. Myrick K.V., Gelbart W.M. Universal fast walking for direct and versatile determination of flanking sequence // Gene. 2002. Vol. 284, N. 1–2. P. 125–131. doi: 10.1016/s0378-1119(02)00384-0
  22. Tan G., Gao Y., Shi M., et al. SiteFinding-PCR: a simple and efficient PCR method for chromosome walking // Nucleic Acids Res. 2005. Vol. 33, N. 13. P. e122. doi: 10.1093/nar/gni124
  23. Liu Y.-G., Whittier R.F. Thermal asymmetric interlaced PCR: automatable amplification and sequencing of insert end fragments from P1 and YAC clones for chromosome walking // Genomics. 1995. Vol. 25, N. 3. P. 674–681. doi: 10.1016/0888-7543(95)80010-j
  24. Zeng T., Zhang D., Li Y., et al. Identification of genomic insertion and flanking sequences of the transgenic drought-tolerant maize line “SbSNAC1-382” using the single-molecule real-time (SMRT) sequencing method // PLoS One. 2020. Vol. 15, N. 4. ID e0226455. doi: 10.1371/journal.pone.0226455
  25. Wang Z., Ye S., Li J., et al. Fusion primer and nested integrated PCR (FPNI-PCR): a new high-efficiency strategy for rapid chromosome walking or flanking sequence cloning // BMC Biotechnol. 2011. Vol. 11. ID 109. doi: 10.1186/1472-6750-11-109
  26. Li H., Ding D., Cao Y., et al. Partially overlapping primer-based PCR for genome walking // PLOS One. 2015. Vol. 10, N. 3. ID 120139. doi: 10.1371/journal.pone.0120139
  27. Rose T.M., Schultz E.R., Henikoff J.G., et al. Consensus-degenerate hybrid oligonucleotide primers for amplification of distantly related sequences // Nucleic Acids Res. 1998. Vol. 26, N. 7. P. 1628–1635. doi: 10.1093/nar/26.7.1628
  28. Levano-Garcia J., Verjovski-Almeida S., da Silva A.C. Mapping transposon insertion sites by touchdown PCR and hybrid degenerate primers // Biotechniques. 2005. Vol. 38, N. 2. P. 225–229. doi: 10.2144/05382ST03
  29. Li F., Fu C., Li Q. A simple genome walking strategy to isolate unknown genomic regions using long primer and RAPD primer // Iran J Biotechnol. 2019. Vol. 17, N. 2. ID e2183. doi: 10.21859/ijb.2183
  30. Wang L., Jia M., Li Z., et al. Wristwatch PCR: A versatile and efficient genome walking strategy // Front Bioeng Biotechnol. 2022. Vol. 10. ID 792848. doi: 10.3389/fbioe.2022.792848
  31. Frohman M.A., Dush M.K., Martin G.R. Rapid production of full-length cDNAs from rare transcripts: amplification using a single gene-specific oligonucleotide primer // PNAS USA. 1988. Vol. 85, N. 23. P. 8998–9002. doi: 10.1073/pnas.85.23.8998
  32. Zhou M.Y., Gomez-Sanchez C.E. Universal TA cloning // Curr Issues Mol Biol. 2000. Vol. 2, N. 1. P. 1–7.
  33. Rudi K., Fossheim T., Jakobsen K.S. Restriction cutting independent method for cloning genomic DNA segments outside the boundaries of known sequences // Biotechniques. 1999. Vol. 27, N. 6. P. 1170–1172. doi: 10.2144/99276st03
  34. Spalinskas R., Van den Bulcke M., Van den Eede G., Milcamps A. LT-RADE: An efficient user-friendly genome walking method applied to the molecular characterization of the insertion site of genetically modified maize MON810 and rice LLRICE62 // Food Anal Methods. 2013. Vol. 6. P. 705–713. doi: 10.1007/s12161-012-9438-y
  35. Leoni C., Gallerani R., Ceci L.R. A genome walking strategy for the identification of eukaryotic nucleotide sequences adjacent to known regions // BioTechniques. 2008. Vol. 44, N. 2. P. 229–235. doi: 10.2144/000112680
  36. Tsaftaris A., Pasentzis K., Argiriou A. Rolling circle amplification of genomic templates for inverse PCR (RCA–GIP): a method for 5'- and 3'-genome walking without anchoring // Biotechnol Lett. 2010. Vol. 32. P. 157–161. doi: 10.1007/s10529-009-0128-9
  37. Dekker J., Rippe K., Dekker M., Kleckner N. Capturing chromosome conformation // Science. 2002. Vol. 295, N. 5558. P. 1306–1311. doi: 10.1126/science.1067799
  38. Krispil R., Tannenbaum M., Sarusi-Portuguez A., et al. The position and complex genomic architecture of plant T-DNA insertions revealed by 4SEE // Int J Mol Sci. 2020. Vol. 21. ID 2373. doi: 10.3390/ijms21072373

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение принципа инвертированной ПЦР (на основе E.K. Hui и соавт. [6]). Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; стрелка — сайт посадки праймера; белые прямоугольники — сайты рестрикции. ДНК расщепляют рестриктазой, которая не имеет сайта разрезания в интегрируемом участке, закольцовывают в условиях, благоприятных для образования мономерных колец и амплифицируют. При ПЦР используют разнонаправленные праймеры, комплементарные концам интегрируемого фрагмента

Скачать (152KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схематическое изображение принципа ПЦР, опосредованной лигированием. Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; пунктирная линия — продукт амплификации; маленькая стрелка — сайт посадки праймера; черные прямоугольники — адаптер

Скачать (230KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схематическое изображение принципа «vectorette PCR» (на основе E.K. Hui и соавт. [6]). Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; заштрихованная стрелка — сайт посадки праймера к «vectorette»; заштрихованный участок — фрагмент ДНК, комплементарный праймеру к «vectorette»; черная стрелка — сайт посадки праймера к ДНК-мишени. ДНК расщепляется рестриктазой с образованием липкого 5'-конца. Затем к 5'-концу лигируется синтетический олигонуклеотид (линкер), называемый «vectorette». ПЦР-амплификацию фрагмента ДНК проводят с использованием внутреннего праймера, специфического для ДНК-мишени, и праймера, специфического для «vectorette»

Скачать (485KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схематическое изображение структур кассет «vectorette» и «splinkerett» (на основе E.K. Hui и соавт. [6])

Скачать (102KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схематическое изображение принципа ПЦР с захватом (CPCR) (на основе M. Lagerstrom и соавт. [10]). Сплошная линия — геномная ДНК; черные прямоугольники — адаптер; стрелка — сайт посадки праймера; В — биотин. Первая цепь синтезируется на основе одного генспецифического биотинилированного праймера, что позволяет зафиксировать этот фрагмент на покрытой стрептавидином подложке. Немеченная ДНК удаляется в ходе промывки. Целевой фрагмент амплифицируют с праймером к адаптору и вторым специфическим праймером

Скачать (205KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схематическое изображение принципа T-linker ПЦР (на основе Y. Yuanxin и соавт. [15]). Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; стрелка — сайт посадки праймера; черные прямоугольники — линкер; S1, S2 и S3 — специфические праймеры, связывающиеся с известной последовательностью молекулы-мишени; W1 и W2 — шагающие праймеры, связывающиеся с последовательностью Т-линкера; А — А-«хвост» молекулы-мишени; Т — Т-нуклеотид Т-линкера; Δ — предполагаемая разница в продуктах амплификации со специфическими праймерами S2 и S3 в разделенных реакциях второго цикла

Скачать (456KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Общая схема расположения праймеров при ПЦР со случайными праймерами. Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; стрелки — сайты посадки праймеров

Скачать (93KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Схематическое изображение принципа метода UFW (на основе K.W. Myrick и W.M. Gelbart [21]). Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; пунктирная линия — продукт амплификации; короткие стрелки с числами — праймеры UFW, пронумерованы в порядке использования

Скачать (459KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Схематическое изображение принципа метода ПЦР SiteFinding (на основе G. Tan и соавт. [22]). Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; стрелка — сайт посадки праймера; белый прямоугольник — сайт рестрикции; GSP — генспецифические праймеры, SFP — праймеры SiteFinding

Скачать (599KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Схематическое изображение принципа метода TAIL-PCR (на основе Y.-G. Liu и соавт. [23]). Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; стрелка — сайт посадки праймера; TR1, TR2, TR3 — вложенные праймеры, комплементарные известной последовательности; AD — короткие произвольные вырожденные праймеры (15–16 п. н.) с низкой температурой плавления и различной степенью вырожденности. Чередуя температуру отжига от высокой (62 до 68 °С) в циклах высокой точности до низкой (44 °С) в циклах низкой точности, термически контролируется относительная эффективность амплификации специфических и неспецифических продуктов

Скачать (524KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Схематическое изображение принципа метода POP-PCR (на основе H. Li и соавт. [26]). Сплошная линия — известная последовательность ДНК; штриховая линия — неизвестный участок ДНК; стрелка — сайт посадки праймера

Скачать (600KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Схематическое изображение принципа RCA–GIP (на основе A. Tsaftaris и соавт. [36]). Черная линия — геномная ДНК; стрелки — случайные гексамерные праймеры; пунктирные линии — копии конкатемеров

Скачать (273KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Схематическое изображение принципа 4SEE. Заштрихованный круг — область сшивки ДНК формальдегидом; серая линия — последовательность известной ДНК; черная линия — неизвестный участок ДНК; белые и серые прямоугольники — сайты рестрикции

Скачать (332KB)
Метаданные
15. Изображение 1. Схематическое изображение принципа EPTS/LM-PCR (на основе Schmidt et al., 2001)
Скачать (75KB)
Метаданные
16. Изображение 2. Схематическое изображение принципа «Panhandle»-PCR (на основе Douglas et al., 1992)
Скачать (113KB)
Метаданные
17. Изображение 3. Схематическое изображение принципа «boomerang»-PCR (на основе Hengen, 1995)
Скачать (112KB)
Метаданные
18. Изображение 4. Схематическое изображение принципа ПЦР с лигированием адаптера (на основе O'Malley et al., 2007)
Скачать (121KB)
Метаданные
19. Изображение 5. Схематическое изображение принципа ПЦР с удлинением сайта рестрикции (на основе Ji et al., 2010)
Скачать (70KB)
Метаданные
20. Изображение 6. Схематическое изображение принципа Template-blocking PCR (на основе Bae and Sohn, 2010)
Скачать (81KB)
Метаданные
21. Изображение 7. Схематическое изображение принципа SSP-PCR (на основе Shyamala and Ames, 1989)
Скачать (103KB)
Метаданные
22. Изображение 8. Схематическое изображение принципа ПЦР сайта рестрикции (на основе Sarkar, Turner and Bolander, 1993)
Скачать (45KB)
Метаданные
23. Изображение 9. Схематическое изображение принципа метода FPNI-PCR (на основе Wang et al., 2011)
Скачать (71KB)
Метаданные
24. Изображение 10. Схематическое изображение принципа метода SWPOP-PCR (на основе Chang et al., 2018).
Скачать (77KB)
Метаданные
25. Изображение 11. Схематическое изображение принципа метода PST-PCR (на основе Kalendar, Shustov and Schulman, 2021)
Скачать (75KB)
Метаданные
26. Изображение 12. Схематическое изображение принципа метода SLRA-PCR (на основе Li, Fu and Li, 2019)
Скачать (60KB)
Метаданные
27. Изображение 13. Схематическое изображение принципа метода FPR-PCR (на основе Pei et al., 2022)
Скачать (183KB)
Метаданные
28. Изображение 14. Схематическое изображение принципа метода wristwalch PCR (на основе Wang et al., 2022)
Скачать (236KB)
Метаданные
29. Изображение 15. Схематическое изображение принципа независимого от рестрикции метода клонирования сегментов геномной ДНК за пределами известных последовательностей (на основе Rudi, Fossheim and Jakobsen, 1999)
Скачать (101KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2024


 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах