1. pGEX vector & The host
1) pGEX vector
GST-recombinant protein의 제작에 있어서 쓰이는 vector는 pGEX vector입니다. 이 벡터의 앞부분에는 GST을 coding하고 있는 sequence가 있습니다. 기본적으로 모든 pGEX vectors는 발현 조절 promoter로서 tau promoter가 있으며, 이 promoter는 Isopropyl β-D thiogalactoside (IPTG)에 의해 발현 유도가 됩니다. 게다가 모든 pGEX vector에는 tau promoter말고 내부의 lacIq gene에 의해서도 조절이 되는데, 이 lacIq gene의 산물은 tau promoter의 operator부분에 붙어 repressor의 역할을 하고, IPTG에 의해 유도 될 때까지 insert된 유전자의 발현을 막고 있어, 결과론 적으로 insert의 over-expression의 밀접하게 조절하는 격이 됩니다.
pGEX vector는 총 10개의 종류가 있으며, 크게 분류하자면 4가지의 vectors (pGEX-P, pGEX-T, pGEX-X, pGEX-2TK)가 있습니다. pGEX vectors의 기본적인 특징은 위에서 언급한것과 같지만, 나중에 GST을 제거하여 insert protein만 얻을 때 필요한, cleavage site의 종류가 다릅니다. (그림 참조)
2) The Host
비록 pGEX vector을 가지고 cloning과 expression에 사용할 수 있는 E.coli host strains을 다양하지만, full-length fusion proteins의 발현을 최대화 할 수 있고 더 안정된 특별히 제작된 stains이 있습니다. 특히 cytoplasmic protease gene products로 알려진 Lon, OmpT, DegP or HtpR들이 없는 균주들은 그 균주로 부터 proteolytic degradation의 영향들을 최소화 함에 따라 그 fusion proteins의 발현에 도움을 줄 수 있습니다.
※ Not protease-deficient을 가진 E.coli 균주를 사용할 경우 fusion protein의 proteolysis의 결과를 줄 수 있습니다.
Omp 와 Lon protease production이 결핍되어 있는 균주인 E.coli BL21은 GST fusion protein의 High level expression을 나타내는 균주로 특히 현재까지 선택 되어지고 있습니다.
※ BL21은 Transform이 잘 않되게 때문에 다른 균주(cloning and maintenance of vector에 많이 쓰이는 균주 e.g. JM105)을 사용할 수 도 있다. 하지만, gene의 발현에 있어서의 연구는 BL21 균주가 선택적으로 쓰이고 있습니다. 그리고, pGEX plasmid의 증폭에 있어서 recA1 allele을 가지고 있는 E.coli strain은 사용하지 말아야 합니다. 그들은 plasmid DNA안에 rearrangements or deletions을 야기 할 수 있다고 보고되고 있기 때문입니다.
2. Overview; GST-Recombinant Protein Purification
전체적으로 간략하게 보면, 일단 insert DNA가 들어가있는 pGEX vector을 먼저 sequencing analysis을 거쳐 정확하게 sequence flame이 맞는지 확인 합니다. 확인된 그 plasmid를 BL21에 transformation합니다. 그 transformed BL21을 적당히 키운 상태에서 IPTG을 넣어서 GST-fusion (GST-recombinant) proteins을 발현 시켜줍니다. 발현 후에 그 cell을 sonication시켜서 cell 내용물들이 buffer안으로 녹아 나오게 하고, pellet은 제거합니다. 그리고 그 상층액만을 모와서 glutathione-sepharose beads을 넣어주어서 GST-fusion proteins을 붙게 한 후, 침전시켜서 그 침전 된 것을 모아서 elution하여 GST-fusion proteins만을 모으면 됩니다. 더 나아가 cleavage단계를 거치면 원하는 recombinant proteins만을 얻을 수 있습니다. (아래 그림 참조)
3. Control points
자. 이제부터 실험하는 사람이 어떠한 전략을 짜느냐가 중요합니다. Recombinant Proteins purification은 실험과정, 실험환경 그리고 실험원의 차이에 따라서도 결과가 다르게 나올 수 가 있기 때문입니다. 한번에 성공하기 보다 실험을 하면서 자신 스스로 set-up을 하나씩 해나가면서 실험을 해야 합니다.
Fusion-protein purification의 최대의 적은 inclusion bodies입니다. 하지만, inclusion bodies을 적을 로만 생각할 것이 아니라, 적을 알면 내가 이기듯 inclusion이 생기는 원인을 자세하게 분석하면서 실험 조건을 변화시켜 최종적으로 Optimizing for soluble expression을 정하는 것입니다. 일반적으로 High-level expression of foreign fusion proteins in E.coli은 종종 inclusion bodies을 형성 할 수 있습니다. Inclusion bodies는 folding intermediates에 실패되어 불용성으로 뭉치고 뭉친 것들입니다. Inclusion bodies가 생기면 거부보단 그 결과를 받아드리되, 그 proteins을 solubilize와 refold 되도록 전략을 발전시켜야 됩니다. 다양한 배양의 parameters을 한가지 또는 여러 가지를 바꿔가면서 실험에 투자하면 soluble fraction에서 non-degraded fusion protein의 좋은 효율을 제공할 수도 있습니다. 간단하게 그 투자할 단계는:
* 배양 온도를 20℃와 30℃사이로 낮춰보는 것입니다.
* rpm을 높여 aeration을 증가시킵니다.
* Induction 조건을 바꿉니다.
일반적으로, 낮은 세포들의 농도(A600=0.5)에서 Induction은 보통 soluble form과 함께 fusion protein의 좋은 수율을 가져옵니다. 하지만 특별한 경우는 세포를 높은 세포 농도로(>1A600 unit) 키우는 것이 이득이 될 수 도 있습니다. 세포를 높은 농도로 키워가고 동시에 IPTG가 넣지 않던가 IPTG의 농도를 0.1mM까지 낮춰가면서 실험을 해봅니다. 물론 수율은 작아지겠지만, fusion protein을 좀더 intact form으로 proteins을 얻을 수 있게 됩니다.
※ 만약 the plasmid를 E.coli strain BL21가 아닌 다른 host에서 증식을 했다면, fusion protein의 발현을 위해서는 BL21으로 이동시켜 줍니다.
※ 각 중요한 단계들에 소량의 sample의 남겨둡니다. Induction 전도 포함하고, Induction 후에 다양한 시간대 별로 그리고 purification 단계들 동안에도 남겨두어서 growth 와 purification methods을 분석하시면 됩니다. 일단 분석이 완료되면, 그 positive clones의 glycerol stocks을 준비하고 -80℃에 저장합니다.
Fusion proteins purification 시 생각해 볼 control points이 있습니다. 아래 그림을 참조하면서 보시면, IPTG의 양, 발현시 배양 온도, fusion protein의 성질, induction 시간, 얼만큼 배양시킬 것과 Handling을 생각할 수 있습니다.
그리고 그러한 단계들을 거치면 또 다시 주의와 결정해야 될 것이, sonication의 시간, lysis시킬 volume, 적당한 lysis buffer의 선택과 그리고 4℃로 유지하여 protease로부터 proteins이 분해되는 것을 막는 것 등 입니다.
4. Important points
Controls points를 지나서 다음으로 중요하게 생각할 점들이 있습니다. 아래의 그림을 참조하시면 됩니다. 일반적으로 glycerol stock clone이나 agar medium에 있는 clone들을 이용하여 expression of fusion protein을 할 때, colony을 바로 접종하여 원하는 농도에서 IPTG을 넣는 것 보다는 seed culture을 한번 해주는 것이 일반적 입니다. 이렇게 하면 장점은 같은 colony로부터 여러 조건들을 변화시킬 수 있는 실험을 할 수 있다는 것과, 한번 seed을 해주고 본 접종에 들어가면 그만큼 균들의 상태가 좋아 진다는 것이 됩니다. 그리고 IPTG의 농도입니다. 여러 참고문헌 에서는 IPTG의 농도를 결정시에 0.1mM~1.0mM까지 넣어준다고 합니다. 하지만 실험에 사용할 때는, 앞서 설명한 봐와 같이 IPTG농도를 적은 상태에서 발현이 잘 되도록 조건 잡는 것이 유리합니다. 마지막으로 중요한 점은, 배양 온도 입니다. 실질적으로 배양을 어떻게 시키느냐에 따라 Inclusion body의 유무와 양이 결정된다는 것을 가장 기본적으로 염두 해 두어야 할 사실 입니다. 가장 좋은 조건은 37℃가 되겠지만, inclusion body가 생기면은 일단 온도를 낮춰가면서 조건을 잡아가시면 됩니다. 일반적으로 fusion protein의 크기가 크면 클수록 낮은 온도에서 배양을 한다고 합니다.
5. Determine points -Quality of Proteins
우리가 분리하고 하는 단백질의 성질을 분석하는 것도 매우 중요합니다. 일반적으로 GST는 26kDa입니다. 예를 들어, GST을 tagging하고 있는 fusion proteins 자체가 14~15kDa이라합시다. 일반적으로 이런 크기의 proteins은 purification하는데 보통 손쉽게 할 수 있습니다. 하지만, 그렇지 않는 경우가 있습니다. 그것이 바로 nuclear proteins입니다. 이 proteins들은 DNA에 붙는 단백질이라는 사실을 잊고서 purification하면은 inclusion body에 좋은 효율을 못 얻을 것입니다. Sonication시에는 세포 안의 chromosome들이 짧은 단편으로 조각이 나게 됩니다. 일반적으로 DNA는 pellet으로 가게 됩니다. 그럴 경우 nuclear proteins에도 그런 DNA조각들이 붙게 되어 pellet으로 가게 됩니다. 그리고 크기가 큰 proteins일수록 발현을 시키는데 어렵습니다. 그리고 발현이 되었더라도 큰 단백질이라 박테리아 세포 안에서는 그것을 불용성으로 되게 만들어 버립니다. 또한 단백질의 기본을 이루고 있는 amino acid sequences을 바탕으로 2차 구조는 그것의 solublity에 영향을 줄 수 있습니다.
6. Determine points -Maintenance of Proteins
Cell sonication후에는 우리가 원하는 단백질을 포함 여러 단백질도 나오게 되고 그중에는 protease도 나오게 됩니다. 이런 상황에 있어서 그런 protease의 action을 저해 시키기는 것은 가장 기본적으로 실험할 때 지켜야 할 상황입니다. Protease의 활성을 저해 시키기 위해 모든 과정을 ice 위에서 하는 것도 그 이유이며, 적당한 protease inhibitor을 첨가 해줍니다. 그리고 Sonication 과정에서도 잘못된 sonication은 단백질을 denature시키기 되며 결과론 적으로 insoluble화 됩니다. 그리고 lysis buffer 조성에 DTT가 들어 가게 됩니다. DTT는 항상 모든 단계에서 1mM로 유지시켜주어서 Protein-Protein aggregation을 막아서 inclusion body을 형성을 억제해 줍니다. 그리고 inclusion body는 제대로 folding이 되지 않은 것들이 포함되어 있어서 배지에 2% ethanol을 첨가해주면 세포내의 chaperons이 증가하게 되어 proteins의 folding이 증가됩니다. 물론 에탄올로 인해 배양 속도는 저하됩니다.
7. Buffers and stock solutions
8. GST & GST-H2AX Protein purification procedure
1). insert와 pGEX vector의 flame이 맞은 positive clone을 BL21 E.coli에 transformation합니다. 그리고 그 균주를 적당량 배양하여 -80C에 보관합니다. 보관중엔 Stock 균주를 꺼내어 Agar medium에 streaking하여 하루 배양합니다.
2). 배양시킨 agar 배지로부터 한 개의 colony을 골라 3ml medium + Amp에 접종합니다. 이단계가 seed culture입니다. 그것을 shaking incubator에서 37℃로 하루 배양합니다. 그리고 본 접종에 필요한 배지의 양을 정한 후, 삼각플라스크에 그 배지를 제조 후, Autoclave살균 시킵니다.
3). 살균된 medium에 Ampicillin을 넣은 후, 1:1000 or 1:500 or 1:100으로 접종합니다.
※ 여기서 pGEX만 들어간 BL21도 동시에 키워야 합니다. GST의 발현과 비교하기 위해 서입니다. 즉 GST alone과 GST-fusion proteins을 동시에 purification합니다. 처음 하시는 분은 일단 GST purification에 먼저 set-up을 한 후, GST-fusion protein purification을 들어갑니다.
4). 그 cells을 OD(A600=0.4, 0.6, 0.8)등으로 키웁니다.
* 즉 IPTG을 넣기 전의 cells의 최적 밀도를 정합니다. 표준은 0.4값에서 IPTG을 넣어서 induction하지만, 여러 OD값에서 접종을 하여서 자신의 실험에 맞은 최적 조건을 잡아 가야 합니다.
5). IPTG을 0.1mM~1mM로 넣고, 배양(즉, Induction)을 시킵니다.
* IPTG의 농도도 gene expression에 영향을 줍니다. IPTG는 reversible하기 때문에 저 농도에서도 충분히 발현된다는 것을 알고, 일반적으로 0.5mM이하로 induction 조건을 잡습니다. 그리고 배양온도도 중요합니다. 일단 먼저 37℃로 배양을 시킵니다. 후에 실험한 결과 inclusion body로 간다면 온도를 일단 25℃로 낮춰서 배양합니다. 어느 실험이건 먼저 37℃을 기준으로 실험을 해야 합니다. 37℃로 induction시키면 그만큼 배양시간이 1~2시간 정도로 짧게 되지만, 25℃이하는 일반적으로 overnight induction을 하기 때문에 시간상으로 1day을 절약할 수 있기 때문입니다.
그리고 배양 시간도 영향을 줍니다. 너무 긴 시간 동안 배양을 시키면 inclusion body로 갈 확률이 커지기 때문입니다. 간단하게 먼저 37℃로 2hr induction을 한 후, 결과가 좋지 않을 경우에 25℃ overnight induction에 들어 갑니다.
6). 배양을 마친 cell을 원심분리 tube에 모아서 cell down을 시킵니다. 4,500rpm 10min~ 15min at 4℃로 해주면 됩니다. 그리고 상층액을 버린 후, pellet을 cold PBS로 resuspension 해준 뒤 다시 원심을 돌려 상층액을 버립니다.
※ 여기서 실험을 잠시 멈출 경우, 그 cell pellet을 -20℃에 보관합니다.
7). cell pellet을 적당량의 cold PBS 또는 cold lysis buffer로 resuspension해준 후, sonication 시킵니다.
※ 주의 : 항상 차가운 상태를 유지하여야 합니다. Sonication 시에도 ice 위에서 하도록 하여 protease의 활성을 약하게 만듭니다.
※ Sonication은 Ultra-sonicator로 할 경우, 그 과정에서 많은 열이 발생하게 됩니다. 일반적으로 1min정도 해주며, ice위에서 해주지 않을 경우, 그 고열로 인해 protein이 denature되게 됩니다.
※ Sonication 할 때의 cell volume도 중요합니다. Amesham phamacia에서 제공한 것을 보면 다음과 같습니다.
8). Sonication 시킨 sample을 12,000rpm for 30min at 4℃을 해줍니다.
9). pellet을 건드리지 않고 상층액 만을 새로운 tube안에 넣어줍니다.
* 만약에 상층액을 옮기는 과정 중에 pellet이 조금 들어갔다면, 다시 원심을 돌려서 상층액만을 새로운 tube로 옮겨줍니다.
10). 적당량의 glutathione-Sepharose bead slurry을 PBS or lysis buffer한번 washing 해주어 bead를 equilibrium해줍니다.
※ Bead의 양은 다음을 참조하시면 됩니다.
Reagent volume requirements for different protein yields (by Amersham Phamarcia)
11). cell lysis sample에 그 bead을 넣어준 후 rotator에 그 tube을 고정시키고 4℃에서 o/n 동안 회전시켜줍니다. 이 단계에서 GST or GST-fusion protein이 the bead에 binding되는 단계입니다.
12). binding이 끝난 sample tube을 간단히 spin down 시킨 후 상층액을 버립니다.
이 단계에서는 non-binding proteins을 없애주는 washing단계입니다. 상층액을 버린 후에 1ml의 cold PBS or lysis buffer included protease inhibitors를 넣어주고, 3~5분간 다시 4℃안에서 rotator을 이용하여 회전시켜 줍니다. 그리고 다시 간단히 spin down시킨 후, 앞서 말한 것을 3~5회 반복하여 줍니다.
※ 너무 많은 washing과 너무 적은 washing은 yield의 양과 질에 영향을 줄 수 있으므로 적절히 조절해 나가야 합니다.
13). 맨 마지막 washing할 때에 , 적정량을(1/2 or 1/5 of 총 부피)을 새로운 tube에 덜어줍니다. 나머지는 일단 glycerol을 섞어서 -20℃에 보관합니다.
※ -20℃에 보관할 때 절대로 bead가 얼어서는 안됩니다.
14). 새로운 tube에 있는 sample은 4X SDS-PAGE sample buffer을 넣어주어서 90~100℃에서 3~5분간 끓여줍니다. 이 단계에서 Bead와 붙은 결합이 끊어지게 됩니다. 그리고 SDS-PAGE를 다음과 같이 걸어줍니다.
※ 여기서 GST total은 Bead에 붙이기 전 lysis sample의 소량을 SDS-PAGE에 걸어준 것입니다. GST-fusion protein total도 마찬가지로 lysis sample의 소량을 걸어준 것입니다. 그리고 -alone은 bead에 binding후에 SDS-PAGE을 걸어 준 것입니다.
15). SDS-PAGE gel을 전기영동 한 후에, coomassive staining을 해주고, gel dry을 해줍니다. 그리고 나온 결과를 바탕으로 purification을 분석 발전된 전략을 세웁니다.
16). 그리고 다음 단계는 elution 단계 입니다. *이 단계는 모든 purificaiton조건을 만족스럽게 setting하고 나서 행하여지는 단계입니다. 이 단계 이후의 설명은 다시 washing 단계에서 시작하겠습니다.
17) Washing & elution
1. Washing에 사용할 lysis buffer를 준비하고 protease inhibitor를 섞어 놓습니다. Bead binding이 끝난 tube를 spin down 하여 bead를 down 시킵니다.
2. Pipette으로 상등액을 조심스럽게 덜어내어 버립니다. 이때 bead가 딸려 올 수도 있으므로 주의해야 합니다. Lysis buffer 1ml을 조심스럽게 pipette으로 넣은 후 살짝 resuspension 해주고 cold chamber에서 10분 동안 incubation 시킵니다.
3. 다시 원심을 돌려서 상등액을 제거하고 lysis buffer 1ml을 첨가하여 incubation 합니다.이 washing 과정을 4회 실시합니다.
4. Elution buffer를 준비하고 역시 protease inhibitor를 섞어 놓습니다. Washing이 끝난 bead를 spin down 후 상등액을 버리고 elution buffer 100㎕를 넣어 상온에서 10분 동안 incubation 시킵니다. Elution 후 spin down 해서 상등액을 새 tube로 옮깁니다. 충분히 elution이 될 때까지 반복적으로 실시합니다.
5. Elution을 통해 얻은 solution에는 원하는 단백질 외에 다른 물질들이 있습니다. 그 물질들을 없애고 원하는 단백질을 농축시키기 위해 dialysis와 ultrafiltration을 행해야 합니다.

18) Dialysis & ultrafiltration
1. Dialysis를 위해 buffer를 만듭니다. 보통 2회의 dialysis를 하고 한 번에 1.5L 정도의 buffer가 소요되고 이 buffer는 미리 만들어 4℃에 보관합니다. Buffer 조성은 해당 단백질을 사용할 실험에 쓰이는 buffer 조성과 동일한 것이 좋습니다. 그래야지 그 단백질을 사용하는 실험에서 buffer 조성이 변하지 않습니다.
2. Dialysis cassette를 준비합니다. 여기서는 Slide-A-Lyzer를 사용하도록 하겠습니다. Dialysis membrane은 hydration 과정을 거쳐야 합니다. 따라서 bouy에 cassette를 끼워서 buffer가 담긴 beaker에 30초 동안 담가둡니다. Membrane은 손이나 다른 곳에 닿지 않도록 주의합니다.

3. 이제 elution 시킨 sample을 주입해야 합니다. Sample은 syringe를 이용하여 cassette의 모서리에 있는 구멍으로 주입을 합니다. 이때 바늘이 완전히 들어간 상태에서 주입을 해야 합니다. 또한 바늘에 의해 membrane이 상하지 않게 조심해야 합니다.
4. Sample 주입 후에 cassette 내에 있는 공기를 완전히 빼냅니다. cassette를 다시 bouy에 끼워서 buffer가 담긴 beaker에 띄워 dialysis를 행합니다. 1차 dialysis는 4℃에서 4~5시간 정도하면 되고 2차 dialysis는 4℃에서 over night 합니다. 이때 stirrer를 이용하여 beaker 안의 buffer을 살짝 교반 시키는 것도 좋습니다.
5. Dialysis 시킨 sample은 적정 농도로 농축을 시키기 위해 syringe를 이용하여 membrane으로부터 빼내야 합니다. 먼저 약간의 공기를 cassette에 syringe를 이용하여 밀어 넣고 아래쪽 모서리에서 sample을 빼냅니다. 빼낸 sample은 새 tube로 옮깁니다.
6. 이제 ultrafiltration을 시킵니다. 여기서는 millipore의 microcon을 사용할 것입니다. Sample reservoir와 filtrate vial을 준비 하고 filter가 vial에 들어가는 방향으로 결합합니다.
7. sample을 reservoir에 넣습니다. 이때 들어가는 양은 500㎕가 최대량 입니다. 12000rpm으로 25℃로 원심을 돌리는데 시간은 실험자가 원하는 농도로 되도록 조절을 해야 합니다. 보통 12분 정도는 돌려야 합니다.
8. 농축된 sample은 회수를 해야 합니다. Filter 부분에 남아있는 sample을 회수하기 위해 reservoir를 filter 부분이 바깥으로 향하도록 vial에 끼우고 살짝 원심을 돌립니다.
9. Vial에 모인 농축된 sample은 새 tube로 옮깁니다. 농도의 확인은 SDS-PAGE 를 통해 하게 되는데 이때는 확실한 농도를 아는 standard 단백질을 같이 걸어주어야 합니다. BCA 정량을 할 수도 있지만 다른 단백질의 함유여부를 확인 할 수 없기 때문에 적절하지 못한 방법이라
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Plasmid의 구성

Plasmid는 크게 다음과 같은 세 부분으로 구성되어 있습니다.

1) Replication origin

이 부분은 plasmid가 자가복제할 때 처음 인식하는 부위이므로 모든 plasmid에 꼭 필요한 부분입니다. 그림에서 보이는 ColE1 ori라고 씌여진 부분입니다.
다른 곳에서 설명할 기회가 없을 것 같아 여기에서 설명하는데, f1(+) origin이라는 것이 보이지요? 이것은 사실 plasmid의 origin of replication이 아니라 bacteriophage의 origin입니다. 이걸 여기에 삽입해 놓으면 이 plasmid가 때로는 bacteriophage처럼 행동하기도 합니다. Bacteriophage의 장점은 life cycle 중에서 single stranded DNA로 존재할 때가 있다는 것인데, 이런 성질이 유용할 때가 있습니다. 어느 쪽 strand가 single strand 상태로 존재하는가에 따라 f1(+) 혹은 f1(-) origin을 이용합니다.

2) Antibiotics resistance gene

이것은 항생제에 내성을 나타내는 유전자입니다. 대개는 ampicillin resistance gene이 들어 있는데, 이 경우 여기서 나오는 단백질은 그 유명한 beta-lactamase입니다. AmpR이라고 씁니다. 때로는 kanamycin resistance gene을 쓰기도 하고, eukaryote expression vector에는 주로 neomycin resistance gene이 들어 있습니다.

3) Multiple cloning site(MCS)와 LacZ'

이 부위는 제한효소로 잘릴 수 있는 부위를 한꺼번에 모아놓은 부분입니다. 제한효소로 잘라서 다른 DNA를 삽입시킬 때 위에서 설명한 중요한 부분들이 같이 잘리면 곤란하겠지요. 그래서 다른 부분은 절대 잘리지 않고 이 부분에만 잘릴 수 있도록 열 몇가지 제한효소 절단부위를 인위적으로 조작해 놓은 것입니다. 이 MCS 부위는 길어야 100 - 150 bp 정도이며 앞 뒤 부분에 SP6, T3, T7 promoter 등이 붙어있게 됩니다. 이런 부위는 RNA를 시험관에서 만들거나 단백질 발현을 시킬 때, 그리고 DNA sequencing 같은 실험을 할 때 쓰이는 부위입니다. 여기에 써 있는 제한효소는 실험실에서 고추장 된장 간장 등에 해당하는 것으로 이름을 반드시 알아야 하겠습니다. 때로는 절단부위까지도 대개 외우고 있게 됩니다.

LacZ'는 꼭 필요한 것은 아니지만 대개는 있으며 반드시 MCS(multiple cloning site)를 포함하고 있습니다. 이 부분에 대해서는 나중에 자세히 설명하겠습니다.

항생제를 이용한 selection

Transformation한 후의 결과는 다음 세 가지 중의 하나로 생각할 수 있습니다.

1) Plasmid가 들어가지 않은 경우
2) Plasmid가 들어갔으나 plasmid에 원하는 gene이 들어가지 않은 경우
3) 원하는 gene이 포함된 plasmid가 들어간 경우

입니다.

Plasmid에는 antibiotics resistance gene이 포함되어 있으므로 항생제가 포함된 배양접시에서 plasmid가 들어가지 않은 cell은 사멸하여 colony를 생성하지 못합니다. 배양접시에 보이는 colony는 모두 plasmid가 들어가 있는 cell입니다.

아무리 transformation 효율을 높인다고 하여도 competent cell 중에서 DNA가 들어간 균은 아주 적습니다. 그러므로 이것들이 모두 colony를 형성한다면 그건 정말 끔찍한 일입니다. 그만큼 항생제를 이용하는 것은 옵션이 아닌 필수적인 것입니다.

그렇지만 이것으로 문제가 모두 해결되는 것은 아닙니다. 재조합 plasmid에 원하는 gene이 제대로 들어가 있는지 확인할 필요가 있습니다. 재조합되지 않은 그냥 plasmid가 cell 내에 들어가 있을 수도 있기 때문입니다. 위 그림에서 두번째와 세번째를 구분하는 것이 바로 다음에 설명할 LacZ를 이용한 color selection 입니다.

LacZ를 이용한 color selection

LacZ를 이해하기 위해서는 Lac operon이란 것을 알아야 합니다. 이는 박테리아에서 시행되는 유전자 발현 조절 기구입니다.

Lac operon은 E. coli가 lactose를 galactose와 glucose로 분해하는데 필요한 효소인 beta-galactosidase를 만드는 유전자입니다. 다음은 Lac operon이 동작하는 얼개입니다.

Lactose가 없을 때에는 불필요한 유전자인 beta-galactosidase는 생성되지 않습니다. 그 이유는 유전자의 앞쪽에 있는 inhibitor region에서 생성된 inhibitor가 promotor 영역의 operator 부분에 결합하여 RNA polymerase 가 활동하는 것을 방해하여 beta-galactosidase가 생성되지 않도록 하기 때문입니다.

그러나 lactose가 배지에 있으면 이 물질이 inhibitor와 결합하여 operator에서 떼어냅니다. 따라서 RNA polymerase가 잘 작용하여 mRNA를 만들고, beta-galatosidase를 만들면서 lactose를 분해합니다. 그 후 lactose가 다 분해되면 inhibitor가 다시 붙어 유전자는 turn off 될 것입니다.

이런 유전자 조절 기구를 실험에 이용하고자 하는 것이 바로 LacZ입니다. 이 부분을 plasmid에 삽입해 놓게 되는데, 이때 LacZ operon이 동작하고 있는가 확인하기 위해서는 IPTG와 X-Gal이라는 두 가지 물질을 사용합니다.

  • IPTG는 LacZ gene inducer역할을 합니다. Lactose 대신 inhibitor와 결합하지만 분해되지 않습니다.
  • X-Gal(5-bromo-4-chloro-3-indolyl-D-galactopyranoside)은 lactose 대신 beta-galactosidase에 의하여 대사되는 물질입니다. 일종의 변형된 galactose sugar로서 원래 무색이지만 beta-galactosidase에 의하여 대사되면 푸른색을 냅니다.

따라서 LacZ의 MCS에 DNA가 재조합되지 않은 박테리아의 colony는 LacZ가 제기능을 발휘하여 X-Gal을 대사시키므로 푸른 색이 되고, DNA가 재조합된 박테리아의 conony는 LacZ가 망가져서 기능하지 않아 X-Gal이 그대로 남아 있어서 흰색 colony가 됩니다. 이렇게 색깔의 차이로 DNA가 plasmid 에 들어가서 세포 내에서 증폭되어 기능하는지 알 수 있습니다. 아래 그림을 보면서 이해하시기 바랍니다.

그림에서 설명이 되듯이 plasmid에 들어가 있는 lacZ는 Lac operon의 일부입니다. Lac operon은 너무 커서 plasmid에 다 넣으면 못씁니다. 그래서 plasmid에서 작은 부분(alpha fragment)을 만들고, E. coli에서 나머지 부분(omega fragment)을 만들어 보완하면 완전한 beta galactosidase의 기능을 할 수 있게 됩니다. 이를 alpha complementation이라고 합니다.

사실, E. coli는 원래 beta galactosidase를 만들 수 있는 유전자를 가지고 있는 미생물입니다. 그러므로 정상적인 균이라면 plasmid가 들어가지 않아도 blue colony를 형성해야 하겠지요. 그래서 실험실에서 사용하는 균주는 거의가 Lac operon이 망가진, 위와 같이 omega fragment만을 만들 수 있는 mutant를 사용하는 것입니다.

Selection의 결과

지금까지의 과정을 정리하면 다음과 같습니다. Ampicillin과 X-Gal/IPTG시약으로 원하는 세포를 고르는 과정입니다.

Ampicllin 처리에 colony를 형성한 것 중에서 X-Gal/IPTG 처리로 흰색을 보이는 colony가 원하는 gene이 plamid에 재조합되어 들어가 있는 cell인 것입니다. 좀 복잡합니까? 이는 참으로 천재적인 발상인 것 같습니다. LacZ를 넣으면서 유전부호를 조작하여 multiple cloning site를 만든 것을 생각해보십시오.

Transformation process

LacZ를 이용하여 재조합 plasmid가 들어간 colony를 선택하기 위해서는 그림처럼 배양 접시에 X-Gal과 IPTG 시약을 넓게 바른 후 그 위에 세포를 골고루 펴서 발라줍니다. X-gal은 빛을 받으면 못쓰게 되므로 배지에 직접 첨가하는 방법은 그다지 좋지 못합니다.

Spreading을 하고 있는 장면입니다. 삼각 밀대를 어떻게 만드느냐고 묻는 사람이 많은데, 유리봉을 달구어 굽혀서 만듭니다. 실험실에서 별거 다하지요? 쇠로 된 걸 팔기도 합니다.

이렇게 해서 37°C 배양기에서 뒤집어 밤새 키우면 아래와 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
왼쪽의 plate를 확대한 것이 오른쪽의 사진입니다. 약간 투명하게 보일 수도 있긴 하지만 이것은 아무래도 플래쉬를 터뜨린 결과인 것 같습니다.

덤으로 보여드리겠습니다. E. coli의 실물사진입니다. 요놈 덕분에 많은 일을 할 수 있게 되었죠.






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배지명
특징
Alpha MEM
(MEM, Alpha
Modification)
MEM의 성분에 아미노산, 비타민 등이 추가로 첨가되어 있어
동물세포의 DNA 형질전환에 유용.
BME
(Basal Media Eagle)
1950년대 Harry Eagle가 개발하여 HeLa 세포 배양에 사용. 세포성장에 필요한 필수 영양분 및 무기염류와 비타민류에 대한 연구의 결과로 얻어진 배지로 현재 널리 사용되는 MEM과 DMEM의 기본조성이 된 배지
DMEM
(Dulbecco's Modified
Eagle's Media)
BME의 변형된 형태 중 하나로 가장 널리 사용. BME에 비해서
아미노산이 4배 정도 많고 ferric nitrate가 더 첨가되어 있음.
F-12 Nutrient Mixtures
(Ham's F12)
CHO(Chinese hamster ovary)세포 클론 증식용으로 1960년대에 Ham, R.G.가 개발. DMEM/F-12(DMEM과 Ham's F-12를 1:1로 혼합)는 다양한 세포의 초대배양에 적용하는 무혈청 배지로 사용.
IMDM
(Iscove's Modified
Dulbecco's Media)
DMEM의 변형된 형태. lymphocyte와 hybridoma 세포 배양에 많이사용.
M 199
(Media 199)
EBSS(Earle's balanced salt solution)과 다수다량의 아미노산, 비타민, 성장인자, 지질복합체가 포함되어 있음. 혈청을 첨가하여 다양한 세포주의 배양에 사용.
McCoy's 5A Media
기본 조성은 BME와 유사하나 아미노산과 비타민이 M 199 수준으로 첨가되어 있음.
MCDB Media
low protein 또는 무혈청 배양을 위해 개발된 배지. 각 MCDB배지는 특정 세포에 맞도록 개발되어 있음.
MEM
(Minimum Essential
Media Eagle)
BME에 비해서 아미노산의 농도가 더 높고 CO2/NaHCO3의 완충 작용을 위해 Earle's salts를 포함하고 있음. 세포 종류에 따라서 비필수아미노산이 더 첨가된 배지와 Earle's salts 대신 Hank's salts가 포함된 배지를 사용하기도 함.
RPMI 1640
부유 배양이 필요한 혈구세포를 in vitro에서 장기간 배양하기 위해서 개발. Rosewell Park Menorial Institute에서 개발되어 RPMI라고 명명. 부유하는 세포를 배양하는데 널리 사용.
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    Tissue culture
        vessels

  Growth area (cm2)

 Medium volume (ml)

     *1Xtrypsin or
   1Xtrypsin-EDTA
solution Volume (ml)

Microwell plates

 

 

 

96 well

0.32

0.3

0.3

24 well

2.0

0.5 - 1.0

0.5

12 well

3.8

1 - 2

1

6 well

9.6

2

1

Culture Dishes

 

 

 

35 mm

9.6

2

1

60 mm

21

5

2

100 mm

55

10

5

150 mm

145

20-30

8

Flasks

 

 

 

25 cm2 (T-25)

25

5-10

2

75 cm2 (T-75)

75

15-30

5

175 cm2 (T-175)

175

30-50

8

225 cm2 (T-225)

225

50-70

15

Roller Bottles

 

 

1250 ml

490

100-200

-

2200 ml

850

100-250

-

4900 ml

1750

100-500

-

* 1X trypsin: contains 0.25% porcine trypsin (1:250)

* 1X trypsin-EDTA: contains 0.05% porcine trypsin (1:250) and 0.53 mM EDTA·4Na

 

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Updated 30 November 2004

 

Introduction

In situ hybridization, as the name suggests, is a method of localizing and detecting specific mRNA sequences in morphologically preserved tissues sections or cell preparations by hybridizing the complimentary strand of a nucleotide probe to the sequence of interest.

Normal hybridization requires the isolation of DNA or RNA, separating it on a gel, blotting it onto nitrocellulose and probing it with a complimentary sequence.

The basic principles for in situ hybridization are the same, except one is utilizing the probe to detect specific nucleotide sequences within cells and tissues. The sensitivity of the technique is such that threshold levels of detection are in the region of 10-20 copies of mRNA per cell.

In situ hybridization presents a unique set of problems as the sequence to be detected will be at a lower concentration, be masked because of associated protein, or protected within a cell or cellular structure. Therefore, in order to probe the tissue or cells of interest one has to increase the permeability of the cell and the visibility of the nucleotide sequence to the probe without destroying the structural integrity of the cell or tissue.

You also have to consider the type of probe to use, and how best to label it, to give the best level of resolution with the highest level of stringency. Some of these choices are dependent on the type of questions being asked, facilities available, and how one intends to assess the outcome, ie qualitatively or quantitatively.

There are almost as many methods for carrying out in situ hybridization as there are tissues that have been probed. So more important than having a recipe is to have an understanding of the different stages in the process and their purpose.

Preparation of Material.

The most common tissue sections used with in situ hybridization are

a) Frozen sections. Fresh tissue is snap frozen (rapidly put into a -80 freezer) and then when frozen embedded in a special support medium for thin cryosectioning. The sections are lightly and rapidly fixed in 4% paraformaldehyde just prior to processing for hybridization.

b) Paraffin embedded sections. Sections are fixed in formalin as one would normally fix tissues for histology and then embedded in wax (paraffin sections) before being sectioned or

c) Cells in suspension. Cells can be cytospun onto glass slides and fixed with methanol

Choice of Probe

Probes are complimentary sequences of nucleotide bases to the specific mRNA sequence of interest. These probes can be as small as 20-40 base pairs or be up to 1000 bp. Although ultimately the question you ask and the type of sequence you are trying to detect is the overriding factor, one needs to optimize, as much as possible the conditions one uses. The strength of the bonds between the probe and the target plays an important role. The strength decreases in the order RNA-RNA to DNA-RNA. This stability is in turn influenced by the various hybridization conditions such as concentration of formamide, salt concentration, hybridization temperature, and pH

Probe types

There are essentially four types of probe that can be used in performing in situ hybridization. We will briefly detail all of your options before explaining why in most cases in situ hybridization performed using correctly designed and purified oligonucleotide probes will represent the easiest, fastest, least labor intensive and most inexpensive method.

  1. Oligonucleotide probes

These are produced synthetically by an automated chemical synthesis. The method utilizes readily available deoxynucleotides which are economical, but of course requires that you know the specific nucleotide sequence you wish to prepare. Designing the sequence of the probe is one of the more critical decisions required when using oligonucleotide probes and is just not a matter of picking any region within the coding region of the target gene to bind to but requires careful design taking into account a number of issues (read below). These probes have the advantages of being resistant to RNases and are small, generally around 40-50 base-pairs. This is ideal for in situ hybridization because their small size allows for easy penetration into the cells or tissue of interest. In addition, because they are synthetically designed, it is possible to make a series of probes that have the same GC content; Since G/C base pairs bond more strongly than A/U base pairs, differences in GC content would require different hybridization conditions, so with oligonucleotides protocols can be standardized for many different probes irrespective of the target genes being measured. Another advantage of the oligonucleotide probes is that they are single stranded therefore excluding the possibility of renaturation.

  1. Single stranded DNA probes.

These have similar advantages to the oligonucleotide probes except they are much larger, probably in the 200-500 bp size range. They can be produced by reverse transcription of RNA or by amplified primer extension of a PCR-generated fragment in the presence of a single antisense primer. That is, once you have amplified the sequence of interest, a subsequent round of PCR is carried out using the first PCR product as template, but only using the anti-sense primers, thus producing single stranded DNA. This is therefore their disadvantage. They require time to prepare, expensive reagents are used during their preparation and a good repertoire of molecular skills are required for their use.

  1. Double stranded DNA probes

These can be produced by the inclusion of the sequence of interest in a bacteria which is replicated, lysed and the DNA extracted, purified and the sequence of interest is excised with restriction enzymes. On the other hand, if the sequence is known then by designing appropriate primers one can produce the relevant sequence very rapidly by PCR, potentially obtaining a very clean sample. The advantage of the bacterial preparation is that it is possible to obtain large quantities of the probe sequence in question. Because the probe is double stranded, it means that denaturation or melting has to be carried out prior to hybridization in order for one strand to hybridize with the mRNA of interest. These probes are generally less sensitive because of the tendency of the DNA strands to rehybridize to each other and are not as widely used today.

   4. RNA probes (cRNA probes or riboprobes)

RNA probes have the advantage that RNA-RNA hybrids are very thermostable and are resistant to digestion by RNases. This allows the possibility of post-hybridization digestion with RNase to remove non-hybridized RNA and therefore reduces the possibility of background staining.

There are two methods of preparing RNA probes:

  1. Complimentary RNA's are prepared by an RNA polymerase-catalyzed transcription of mRNA in the 3' to 5' prime direction.
  2. Alternatively, in vitro transcription of linearized plasmid DNA with RNA polymerase can be used to produce the RNA probes. Here plasmid vectors containing polymerase from bacteriophages T3, T7 or SP6 are used

These probes however can be very difficult to work with as they are very sensitive to RNases (ubiquitous RNA degrading enzymes) and so  scrupulous sterile technique should be observed or these probes can easily be destroyed. So saying this, RNA probes are still probably the most widely used probes with in situ hybridization. Nevertheless below we want to demonstrate to you why the correct oligonucleotide probe is the preferred probe choice for your in situ hybridization experiment.

Benefits of using oligonucleotide probes

While in situ hybridization is undoubtedly a very powerful technique, for the average laboratory it is expensive to undertake, is time consuming, requires detailed molecular biological knowledge of subcloning, in-vitro transcription and bacterial expression. The probes most often used (RNA or cDNA) are not generally available commercially and are often obtained on an ad hoc basis, laboriously prepared on a case by case basis by the investigator and often once purchased require time-consuming and expensive preparation before use. In addition, as mentioned above RNA probes are sensitive to ubiquitous RNAses necessitating the baking of labware and extreme attention to detail to prevent any contamination of solutions. This includes the addition of expensive RNase inhibitors (i.e. DEPC, diethylpyrocarbonate) to all critical solutions. As anybody that has performed in situ hybridization with RNA probes (riboprobes) knows they can be very frustrating to work with.

Furthermore, and this is an important point, if somewhat counter-intuitive, it can be shown that because of their long size (100s of base-pairs as opposed to oligonucleotide probes that are generally 40-50bps long) RNA and cDNA probes are often less specific than shorter oligonucleotide probes. Why? Well because they can often cross-recognize (bind non-selectively to) close members of the same gene family even under stringent hybridizing conditions. Oligonucleotides on the other hand (for example those custom designed by GeneDetect) can be targeted to those DNA sequence within a gene family that are most variable. For example we use various bioinformatic techniques and oligonucleotide optimization design software to design our proprietary GeneDetectTM gene probes (i.e. those not available in the public domain) specifically to distinguish between members of the same gene family.

Longer RNA probes also show poor tissue penetration and while chemical shortening (hydrolysis) enhances tissue penetration it also increases the likelihood of non-selective binding to other non-targeted gene sequences.

What is required therefore to make in situ hybridization an easier technique to work with for the general lab worker is a better all round method for measuring tissue mRNA expression. The technique must be faster, cheaper, more robust and have greater gene specificity. We believe that the correct use of oligonucleotide gene probes and in situ hybridization represents this solution.

Oligonucleotide gene probes have multiple advantages over RNA or cDNA probes when used for in situ hybridization. We can list them here for you. Stability, Availability, Faster and less expensive to use, Easier to work with, More specific, Better tissue penetration, Better reproducibility and a wide range of labeling methods that do not interfere with target detection.

1. Stability. Oligonucleotide probes are very stable. They are not degraded by RNases. Once tissue is fixed, solutions do not need to be RNase free. Simple autoclaving of solutions will do. Oligonucleotide probes in our experience do not degrade when stored lyophilized at -20C. In fact we have not yet seen probe degradation when our probes have been stored in solution at -20C after 3 years. Our experience tells us that the main reason for probe degradation is the addition of bacterial contamination to the probe solution by the use of non-autoclaved pipette tips. If you follow general laboratory sterile technique your probe should last for many years at -20C.

2. Availability. They are available for purchase.  We intend to make oligonucleotide probe packs to newly cloned important genes available as soon as these gene sequence are entered into GenBank. If your probe is not available you can request that we design a probe for you. These sequences can be emailed to you. Furthermore we will synthesize and purify the probe for optimal use with in situ hybridization and ship it to you within a week from first contact. Our probes are >95% full length meaning that you do not get a random mixture of half synthesized probes from us that could lead to increased background staining or cross hybridization to non-targeted genes. The purification of probes after chemical synthesis is also important. Our probes are all cartridge purified. When you receive an oligonucleotide probe there is no "growing-up" of the probe in bacteria or further purification or subcloning required. Simply use the probe as directed in our protocol sheets.

3. Faster and less expensive to use. The technique of in situ hybridization becomes far cheaper and faster when oligonucleotide probes are used. A full in situ hybridization experiment can be done in 2 days depending on the detection step. Approximately the time it takes to perform immunocytochemistry. The costs to the laboratory are dramatically reduced when oligonucleotide probes are used instead of RNA probes because of the high cost of synthesis, purification and labeling of RNA probes and because of the extra chemicals used in the RNA in situ hybridization procedure.

4. Easier to work with. No Molecular Biological knowledge is required to perform in situ hybridization with oligonucleotide probes. If you don't believe us, see our protocol for performing in situ hybridization on fresh frozen tissue sections.

5. More specific. As mentioned, unlike RNA probes, oligonucleotide probes can be designed to selectively recognize members of closely related gene families since they can be designed against regions of high variability within the gene family. This is not the case with RNA probes which are often directed against the entire coding region or against some highly conserved sequences. Specificity of binding of oligonucleotide probes to the target gene in tissue sections with in situ hybridization can be further strengthened with the use and comparison of binding of two probes complementary to different regions within the given target gene in any given experiment.

6. Better tissue penetration. Oligonucleotide probes penetrate tissue far more easily than RNA probes increasing the sensitivity of signal detection into the region of 10-20 copies of mRNA or DNA per cell.

7. Better reproducibility. In situ hybridization with oligonucleotide probes is highly reproducible in every tissue and with every probe. It is possible to make a series of probes that have the same GC content; Since G/C base pairs bond more strongly than A/U base pairs, differences in GC content (often found when comparing two cDNA or RNA probes) would require different hybridization conditions to allow direct comparison of the hybridization signals. Furthermore with oligonucleotide probes the control of the relevant parameters (probe concentration, specific activity and melting temperature, Tm) can allow the determination of quantitative characteristics of the binding such as apparent Kd and Bmax.

8. Labeling methods do not interfere with target detection. Methods used in labeling RNA and cDNA probes for detection in in situ hybridization result in strongly labeled probes but may not always be the best for in situ hybridization because the labeled nucleotides may interfere with the hybridization reaction. This is not an issue for oligonucleotide probes (see below).

Labeling your oligonucleotide

Options

To "see" where the probe has hybridized (bound) within your tissue section or within your cells and thus to determine where your target gene is being expressed you must attach to the probe an easily detectible substance or "label" before hybridization.

Classically oligonucleotide probes have been either 5' or 3' end-labeled or 3' tailed with modified nucleotides that have a "label" attached that can be detected after the probe has hybridized to its target. With end-labeling a single modified ddNTP (that incorporates the label) is added to either the 5' or the 3' end of the molecule enzymatically or during probe synthesis. 3' tailing involves addition of a tail (on average 5-50 nucleotides long of modified dNTPs depending on the method used) using the enzyme terminal transferase (TdT).

We have recently developed a new non-enzymatic proprietary labeling technology, GreenGeneTM that allows for covalent 3' labeling of oligonucleotides subsequent to probe synthesis. Using this technology an optimized number of labels (either Biotin, FITC, rhodamine or DIG) separated by proprietary linker molecules can be added to the 3' end of an oligonucleotide probe in one chemical step. Click here to learn more about the GreenGeneTM labeling technology and our new GreenStarTM labeled probe selection. GreenStarTM labeled probes have been optimized for use with in situ hybridization.

Traditionally oligonucleotide probes have been radiolabeled. Radiolabeled probes are still the choice for many workers. 35Sulphur (35S) is the most commonly used radioisotope because its high activity is necessary to detect transcripts present in low amounts. Radiolabeled probes are visualized by exposure of the tissue section or cells (to which the labeled oligonucleotide has be hybridized) against photographic film which is then developed (See Figure).

Figure. Localization of ActRIIA activin receptor mRNA in rat brain using a 35S-dATP 3'-tailed GeneDetectTM gene probe. After hybridization the tissue was exposed to photographic film for 7 days.

Instead of using photographic film to detect the probe within the tissue section, the slide containing the section of interest may also be dipped into a photographic emulsion which is allowed to dry. The slide is stored in the dark at -80C to allow the slide emulsion to become exposed. After the incubation period, the slides are then developed in the same way as normal photographic film. Thus you view the section or cells of interest through the developed photographic emulsion and the black silver grains indicate the sites of the labeled transcripts. This is particularly useful for investigating gene expression on a cell by cell level. If immunocytochemistry is performed on the tissue before in situ hybridization, it is possible to examine gene expression in phenotypically defined cell populations at single cell resolution.

When using radiolabeling, waste disposal and containment measures must be given thought and it must be remembered that the useful shelf life of your labeled probe is inherently dependent on the half life of the radionucleotide. For 35S  this amounts to an experimental life time of about 80 days for your labeled probe before it would be wise to again relabel the probe with newly purchased radionucleotide. So saying this we still find using 35S labeled oligonucleotide probes very quick, easy and very sensitive.

On the other hand several non-radioactive labels used successfully with in situ hybridization include Biotin, digoxin and digoxigenin (DIG), alkaline phosphatase and the fluorescent labels, fluorescein (FITC), Texas Red and rhodamine. Since these non-radioactive labels have no inherent "decay" kinetics, once a probe has been labeled it can either be used immediately or be divided into aliquots, lyophilized and stored at -20C for later use for as long as 1-2 years with careful storage.

Labeling the probe

GreenStarTM labeled probes.

Our new GreenStarTM labeled GeneDetectTM oligonucleotide probes have been optimized for use with in situ hybridization. Purchase of a GreenStarTM Biotin, FITC, rhodamine or DIG-labeled probe removes the need to label the probe yourself and standard techniques for label detection can still be used (see below).

5' end labeling

In addition we are able to prepare 5' end labeled probes (addition of one Biotin, rhodamine, FITC modified nucleotide to the 5' end) during our synthesis cycle if required. 5' end labeled probes have been shown to work quite well with in situ hybridization when target transcript levels are reasonably high and/or an amplification step is incorporated into the protocol. For example with 5' Biotin labeled probes signal amplification can be achieved by complexes of ExtrAvidin®-Horseradish Peroxidase (HRP) and a biotinylated anti-Avidin antibody as found in the "in situ Hybridization Detection Kit for Biotin-labeled probes" supplied by Sigma-Aldrich.

If you decide to label the probe yourself, these are some of the labeling methods available to you.

3' tailing.

Both radiolabels and non-radioactive labels are "attached" to the single stranded oligonucleotide probe by using the enzyme terminal transferase to add a tail of labeled dioxy nucleotide(s) (dNTPs, for example 35S-dATP, DIG-dUTP, Biotin-dUTP or FITC-dUTP) to the 3' end (3' tailing) of the oligonucleotide. This simple procedure adds a 3'-OH tail to the end of the oligonucleotide probe which ranges in length from 10-100 nucleotides (average of about 50). Many commercial kits are available that allow you to 3' tail your probe. 3' tailed probes work quite well with in situ hybridization. Some of the companies that supply oligonucleotide 3' tailing kits include Sigma, Pierce and Roche Molecular Biochemicals (DIG tailing kits).

3' end labeling

It is also possible to end label the 3' end of the oligonucleotide probe if modified di-deoxy nucleotides (ddNTPs) are used as the substrate for TdT, for example by using DIG-ddUTP instead of DIG-dUTP with a slightly modified protocol. In this case TdT will add a single modified and labeled nucleotide to the 3' end of the oligonucleotide facilitating later detection.

Incorporation of label

In contrast to adding the labeled nucleotides to either end of the oligonucleotide probe it is also possible to have labels incorporated into the oligonucleotide when it is being synthesized, for example by adding biotin- or FITC-labeled dATP in place of non-labeled dATP during synthesis so that a label or "tag" appears every time that the ATP nucleotide appears in the probe sequence. However with this method there is the strong possibility especially with short oligonucleotide probes of causing significant disruption of the hybridization of the probe to the target sequence in the tissue.

For these reasons we recommend 3' tailing with TdT as the preferred method for labeling oligonucleotide probes for use with in situ hybridization if you choose to label the probe yourself.

Detection.

As mentioned, radiolabeled probes are detectable using either photographic film or photographic emulsion.

The fluorescent labels described above are detectible "directly" by using a fluorescent microscope or plate reader to examine the tissue or cells on which the labeled oligonucleotide probe has hybridized to. The use of fluorescent labels with in situ hybridization has come to be known as FISH (fluorescent in situ hybridization) and one advantage of these fluorescent labels is that two or more different probes can be visualized at one time. Additionally FITC labeled probes can be detected using anti-FITC antibodies available from many scientific supply houses.

In contrast both Biotin and DIG labeled oligonucleotide probes generally require an intermediate step(s) before detection of the probe can occur and they are thus detected "indirectly" much like in a typical immunocytochemistry protocol where it would be unusual to have the label on the primary antibody, rather a secondary labeled antibody is used to detect the primary antibody in the tissue section. Specific anti-DIG antibodies can be used to detect the presence of a DIG-labeled probe. Digoxigenin (DIG) is a steroid isolated from the digitalis plant and as the blossoms and leaves are the only known source of digoxigenin, the anti-DIG antibodies are not likely to bind to other biological material. The digoxigenin is linked by a spacer arm containing 11 carbon atoms to the C-5 position of the uridine nucleotide. The advantage of using a DIG labeled probe is that it can be detected with antibodies conjugated to a number of different labels such as alkaline phosphatase, which results in a blue precipitate when the enzyme is incubated in the presence of the substrate NBT/BCIP (Tetrazoliun salt/ 5-bromo- 4-chloro- 3 idolyl-phosphate) or becomes a fluorescent label when incubated with HNPP (2hydroxy-3naphthoic acid-2'phenylanilide phosphate). The level of sensitivity of these labeled probes is purported to be 0.1 pg on a Southern blot but would be about 10 fold less sensitive for in situ hybridization. The Anti-DIG antibodies can be conjugated to other labels that require no development, such as FITC, Texas Red or Rhodamine. In some protocols anti-DIG antibodies are unlabelled and a secondary conjugated anti-anti body is used to visualize the probe. Being closely related in structure to digoxigenin, GreenStar digoxin hyperlabeled probes can be detected using the same methods and kits designed for digoxigenin detection.

Biotin is the other common compound used in the labeling of oligonucleotide probes. Linked to ATP  (other nucleotides have also been biotinylated) it can be detected with antibodies but more often a 65 kd glygoprotein Avidin from egg white or Streptavidin from the fungi Streptomyces avidinii is used, as they have a high binding capacity to biotin and can be conjugated to a similar range of visual and fluorescent labels.

In general, of the two "indirect" labels it is thought that the DIG label is more sensitive than the Biotin label and that the DIG label allows comparable sensitivity to 35S radiolabeled probes (see above).

Hybridization Issues

Lets imagine we have our tissue section on a slide. We already know the gene whose mRNA expression we want to measure, we have our oligonucleotide probe and we have decided on using one of the labeling methods previously discussed to label our probe or have purchased a GreenStarTM hyperlabeled probe. Apart from the necessary in situ hybridization controls (next section) what other issues need to be discussed before we go ahead with our experiment?

Permeablization.

Well firstly it is important that the probe reaches the target, that is the mRNA of the target gene located in your sample. With a tissue section this may not be much of a problem but if you have whole cells or even whole organisms then there are cell membranes which have to be crossed. The act of fixation results in cross-linking of proteins, which once again may present an obstacle to good infiltration of the probe, and finally mRNA sequences are often surrounded by proteins which may mask the target sequence. Therefore the first of the remaining issues to be discussed is sample permeabilization.

There are a number of different elements in permeabilization procedures, some protocols contain most of them, others only a few, but it is important to know why you are treating your sample with particular solutions in order to assess if your particular tissue or cells require it. Three common reagents used to permeabilize tissue are HCl, detergents (Triton or SDS) and Proteinase K.  

HCl. Some protocols call for incubation in 0.2M HCl for 20- 30 min. Although the precise action of the acid is not known, it is thought that extraction of proteins and hydrolysis of the target sequence may help decrease the level of background staining.

Detergent treatment, usually with Triton X-100 or SDS, is frequently used to permeabilize the membranes by extracting the lipids. This is not usually required in tissue that has been embedded in wax, but for intact cells or cryostat sections these may be more critical steps.

Proteinase K is an endopeptidase which is non-specific and attacks all peptide bonds, is active over wide pH range and not easily inactivated. It is used to remove protein that surrounds the target sequence. Optimal concentration have to be determined but a normal starting concentration is 1 µg/ml. Incubation has to be carefully monitored because if the digestion proceeds to far you could end up destroying most of the tissue or cell integrity.

Pretreatment/Prehybridization step(s).

Pretreatment/Prehybridization is generally carried out to reduce background staining. Many of the non-radioactive oligonucleotide probe detection methods utilize enzymes such as peroxidases or alkaline phosphatases to visualize the label. Therefore one has to make certain that any endogenous tissue enzymes which could result in giving a very high background are neutralized. This can be achieved with peroxidases by treating the tissues with 1% H2O2 in methanol for 30 minutes. For Alkaline phosphatases, the drug levamisole may be added to the substrate solution. In general, however, this is considered to be unnecessary since residual alkaline phosphatase activity is usually lost during hybridization.

Another commonly observed pre treatment when using RNA probes is acetylation with acetic anhydride (0.25%) in triethanolamine. This treatment is thought  to be important for decreasing background but it also appears to inactivate RNases and may help in producing a strong signal. Luckily RNases are not an issue when oligonucleotide probes are used. Fixation of tissue effectively "secures the target RNA" i.e. the mRNA within the tissue from RNAse digestion and oligonucleotide probes are naturally resistant to RNases. This is why solutions do not need to be RNase free when using oligonucleotide probes with in situ hybridization.    

Prehybridization involves incubating the tissue/section with a solution that is composed of all the elements of the hybridization solution, minus the probe. Not all protocols use a prehybridization step.

Hybridization

The composition of the hybridization solution is critical in controlling the efficiency of the hybridization process. Hybridization depends on the ability of the oligonucleotide to anneal to a complementary mRNA strand just below its melting point (Tm). The value of the Tm is the temperature at which half of the oligonucleotide is present in a single stranded form.

The factors that influence the hybridization of the oligonucleotide probe to the target mRNA are:

  • Temperature
  • pH
  • monovalent cation concentration
  • presence of organic solvents

The following is a typical hybridization solution with a hybridization temperature of around 37C and an overnight incubation period.

  • Dextran sulphate. This is added because it becomes strongly hydrated and thus reduces the amount of hydrating water for dissolving the nucleotides and therefore effectively increases the probe concentration in solution resulting in higher hybridization rates.
  • Formamide and DTT (dithiothreitol). These are organic solvents which reduce the thermal stability of the bonds allowing hybridization to be carried out at a lower temperature.
  • SSC (NaCl + Sodium citrate). Monovalent cations interact mainly with the phosphate groups of the nucleic acids decreasing the electrostatic interactions between the two strands.
  • EDTA. This is a chelator and removes free divalent cations from the hybridization solution, because they strongly stabilize duplex DNA.

Other components are added to decrease the chance of nonspecific binding of the oligonucleotide probe and include:

  • ssDNA
  • tRNA acts as a carrier RNA
  • polyA
  • Denhardts solution

Washes

Following hybridization the material is washed to remove unbound probe or probe which has loosely bound to imperfectly matched sequences. Washing should be carried out at or close to the stringency condition at which the hybridization takes place with a final low stringency wash.

Controls

Of course the most important part of any experimental procedure is the inclusion of controls. However often with in situ hybridization experiments controls not used properly, if at all.

In carrying out an in situ hybridization experiment one has to be confident that the hybridization reaction is specific and that the probe is in fact binding selectively to the target mRNA sequence and not to other components of the cell or other closely related mRNA sequences. In addition if no staining is observed with the probe does this mean that there really is no expression of that mRNA in the tissue or does it mean that there may be a problem with tissue preparation or the tissue itself?  

If the correct controls are included in the experiment we can, with high certainty, answer these questions. Note that the polyd(T) probe is included with all orders and that the nonsense probe and pan-species actin probe are contained within our Control Probes product,  Cat # 5000-OP. Both sense and antisense probes are sent when you order a probe from us in amounts that allow for 10X competition studies to be performed as mentioned below. RNase enzyme should be purchased from a trusted supplier.

Controls for tissue mRNA quality and the efficacy of your protocol.

If the quality of your tissue is poor and/or your RNA is degraded it will be very hard to get good results with in situ hybridization. There are however a number of controls you can add to your experiment to verify the status of your tissue and mRNA within the tissue. If you are using fresh tissue and these controls are negative, then this suggests a problem with your technique or protocol.

Poly(dT) probe.

The poly(dT) probe we supply will detect total mRNA poly A tails. If a very weak signal is obtained using this probe then it is likely your tissue RNA is degraded. The chance of detecting a specific mRNA in this tissue is therefore unlikely.

Probes against house keeping sequences.

Some genes are always expressed constituently such as Actin or beta-tubulin. We offer probes to detect these mRNAs. A low signal once again suggests tissue RNA degradation.

Positive control.

Perform in situ hybridization using the correct oligonucleotide probe on a fresh, positive control tissue known to have the sequence of interest (not always possible). If you detect no signal then this suggests the problem exists within your technique or protocol.

Specificity controls.

Determine that your probe is only binding to RNA.

When probing for mRNAs one can determine that the binding is specific to RNA by digesting the tissue with RNases prior to hybridization with the oligonucleotide probe. The absence of binding after RNase treatment indicates that binding was indeed to RNA within the tissue. Download the protocol.

Specific versus non-specific binding.

The first control involves hybridization of the tissue with both labeled sense and antisense probes in parallel. The antisense probe in theory detects both the target mRNA and any non-specific targets it can bind to due to the chemical properties of the probe (but not due to the probe sequence). The sense control probe gives a measure of non-specific probe binding only due to the chemical properties of the probe. In essence if your sense probe detects nothing, then you can be sure that any signal detected by your antisense probe is due to sequence-specific binding to mRNA and not due to binding to other targets within the cell.

Competition studies with labeled and excess unlabeled probes can also help distinguish between specific versus non-specific binding. This is because by definition specific binding is saturable (i.e. there are finite target mRNA molecules to which the probe can bind) while non-specific binding is not (there are infinite non-specific targets). Therefore excess unlabeled probe can displace (by competition for binding sites) the specific binding of the labeled probe (i.e. to the target mRNA) but not non-specific binding of the labeled probe. We recommend prehybridizing tissue with 10X molar amount of 1. unlabeled correct sequence oligonucleotide probe and 2. unlabelled nonsense probe before hybridizing with labeled probe. The nonsense probe should preferably have a similar CG content, a similar length and have no homology to the sequence of interest. It is important to note however that competition studies do not verify the identity of the mRNA to which the labeled probe is binding since both the labeled and unlabeled probes have the same sequence. Download the protocol.

Determine that your probe is binding to the correct target sequence.

The best way to ensure that your probe is binding to the correct target sequence is by choosing a correct probe sequence from the start and having high stringency hybridization and wash conditions in your experiment. If you purchase your probe from us we ensure both of these conditions are met by designing your probe ourselves or by offering you a probe that has previously been characterized and validated by publication in the scientific literature. All sequences within our product range are checked through GenBank. This gives a printout of genes that the probe will possibly bind to. We always enclose this search with each probe sent to our customers. Any "public domain" probes entered into our database that we have found might possibly be less than selective we will "flag" and give you, the customer, the option of using the "public domain" probe, or an alternative probe designed by us.   

In summary we recommend that the following controls are performed in parallel with your in situ experiments.

1. poly(dT) probe hybridized to sections. What is the quality of the mRNA in your tissue sample?

2. RNase treatment of sections before labeled antisense probe hybridized. Is probe binding to mRNA?  

3. Hybridize in parallel labeled sense and labeled antisense probes. Is the probe binding to the tissue in a sequence-specific fashion?

4. Hybridize labeled antisense probe in presence of a) 10X unlabeled antisense probe and separately in presence of b) 10X unlabeled nonsense probe. Can sequence-specific binding be displaced?

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 Double cut의 경우 서로 다른 제한효소로 자른 경우가 아니고 같은 제한효소로 자른 경우 ligation 시에
거꾸로 들어가는 경우가 있다. 물론 이때 서로 다른 제한효소라도 compatible end를 가져서는 안된다.
이때 protein이 정상적으로 만들어지지 않는다. promoter는 한쪽으로만 작용하고 거꾸로 들어간 경우 완전히 다른 유전자가 되기 때문이다. 한 유전자의 반대 방향으로 삽입된 경우 거의 대부분 stop codon이 많이 나온다.

 물론 세가지 reading frame 모두.

 거꾸로 들어갔는지는 일단 제한 효소로 잘라보면 알 수 있다. 만약 반대방향으로 삽입되었다면, vector와 insert, 모두에 있는 제한효소site로 자르면 반대로 들어간 것은 서로 다른 패턴으로 나온다.

 또한
PCR로도 검색 가능하다. 한 primer는 벡터에, 다른 primer는 insert에 붙는 것을 사용하면 가능하다.그리고, 이론적으로 생각하면 한 방향으로 들어갈 확률 50%이지만 실제로는 보통 한쪽으로만 들어간다.

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