Protocols

Construction and screening of cDNA libraries-Experimentation of methods for identification of newly expressed genes under external environmental stress conditions

Summary

Materials Many organisms are excellent models for disease studies or for exploring the molecular adaptive mechanisms that enable cells and organisms to cope with and survive different stimuli. The construction of cDNA libraries and subsequent screening of target genes can lead researchers to discover new genes that have important roles in regulating and responding to certain external specific environmental stresses that may not be expressed or present in other systems. Identifying the readable frames of these new genes and further analyzing the functions of the proteins they encode can open up entirely new areas of research and allow for more scientifically designed next steps.

By Martin, this experiment is from "Environmental Genomics Experiment Guide".

Operation method

Construction and screening of cDNA libraries -Experimentation of methods for identification of newly expressed genes under external environmental stress conditions

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I. Materials

All chemical reagents were of molecular biology grade purity. Plastic and glass products used, including bottles and pipette tips were autoclaved. Gloves are required for any handling involving nucleic acids.

1. Total RNA Extraction

(1) RNase-free water. Add I mL of diethyl pyrocarbonate (DEPC) (Sigma-Aldrich) to I L of water (0.1%, V/V), stir overnight (>12 h), and autoclave. This inactivates the RNase present in the water, and the treated water is used to prepare the solutions and dissolve the RNA samples in this section.

(2) TRIzo reagent (Invitrogen).

(3) Aerosol (Fisher Scientific).

(4) Isopropyl alcohol (Fisher Scientific).

(5) 70 % ethanol with 30 mL of DEPC-treated water to 70 mL of anhydrous ethanol.

(6) Oligo (dT) cellulose (New England BioLabs, NEB). Dried Oligo (dT) cellulose was mixed with 0 -I mol/L NaOH to make a slurry and filled into a sterile column or I mL of sterilized cotton or glass-wire plugged syringe. Equilibrate the column with Sampling Buffer before spiking.

(7) Sampling buffer: lm ol/L NaCl, 2 mmol/L phosphate buffer, pH 7.2.

(8) Middle wash buffer: sample buffer + 0.3 mol,+LNaCl.

(9) elution buffer: 10 mmol/L Tris--HCl, pH7.2~7.4, I mmol/LEDTA

(10) 3 mol/L sodium acetate, pH 5.2.

(11) Ethanol.

2 cDNA library construction 1. cDNA文库构建的克隆载体。现已有许多载体,各有其特别的用途,研究者应 根据其特性挑选恰当的载体。一些使用较广泛的 cDNA文库构建载体包括: Uni-ZAPXR (Stratagene)、 plTriplEx2 (Clontech)、 pSPORTl (Invitrogen)、 130^££1^-1(1^〇¥&8611/]\46]:〇 10。本章将以1711卜2八?父1^克隆载体为例。 2. 1/xg经过柱纯化的mRNA。 3 . 含 多 聚 ( dT) 区 域 的 寡 聚 核 苷 酸 连 接 物 - 引 物 ( linkerprimer) [例 如 5'- NNNNNNNNCTCGAGdT (15) -3’] 。 4. 核糖核酸酶抑制剂( RNasin, 2 0 U//iL ; Pr〇 mega)。 5. AMV反 转 录 酶 (10 U" L) 和 IOX反转录缓冲液( Promega)。 6 . 核 苷 酸 ( dATP、 dTTP、 dGTP 各 l 〇 mmol/L)。 7. 5-甲基胞嘧啶类似物(dCTP~J_5_mmol._~9_L~B。 8. RNase H (5 U '/ uL; New England Biolabs)。
9. DNA 聚合酶 I CE.coU; 10 U/^L) 和 IOXDNA 聚合酶 I 缓 冲 液 ( New England Biolabs) 〇 10. E coR I接头。 E coR I接头可购买得到,也可用两个不同长度的引物构建,经 过杂交可形成双链并在平末端带有5'-鱗酸基。在一条引物上包含一个有 E coR I酶切位点的5'-AATTCNNN-3'突出末端。双链的另一端( 接头的平末 端)可 连 接 至 任 何 包 含 憐 酸 基 团 的 cDNA末端。接头应用蒸馏水稀释至终 浓度为5 fig/^L 。 11.50\丁八丑缓冲液: 2 111〇 1/[1'1^-乙酸口《 ^ . 5 , 100 111111〇 1/1^〇丁八。 12. 1 % T A E 琼脂糖凝胶: IX T A E 缓冲液, 1 % 琼 脂 糖 ( lg/lOOmL),溴 乙 锭 (1 fig/mL)〇 13. 100 mmol/L EDTA。 14. T4 DNA 连 接 酶 (400 U/V L) 和 IOXT4 DNA 连 接 酶 缓 冲 液 ( New England Biolabs)。 15. T4多聚核昔酸激酶( polynucleotide kinase, 10 U/juL) 和 IOXT4多聚核苷酸 激酶缓冲液( New England Biolabs)。 16. TSM 缓冲液: 50 mmol/L Tris-H Q , ::pH 7. 5, 100 mmol/L NaCl, 8 mmol/L MgSO4, 0.01% (W/V ) 胶原。 17. XLl-Blue (Stratagene)0 18. LB■氨苄青霉素肉汤: IO g蛋白胨, 5 g 酵母抽提物, 5 gNaCl, pH 7. 5 , 用 双 、 蒸水稀释定容至1 L ,高压蒸气灭菌。冷却至室温后,添 加 0 . 2 % 的麦芽糖和 终浓度为1〇〇 fxg/m L的氨苄青霉素。 19. NZY 琼脂: 5 gNaCl, 2 gM gS0 4 .7H20, IOg 蛋白胨, 5 g 酵母抽提物, I5 g 琼脂粉, pH 7. 5。用双蒸水稀释定容至1 L ,高压蒸气灭菌。冷却 至 5〇 »〇铺 平板,储存于4°C 。 20. N ZY上层琼月旨: 5 g NaCl, 2 g MgSO4 • 7H20, I g/L 蛋白陈, 5 g 酵母抽提 物 , 0.7% (W A O 琼脂粉, pH 7. 5。用双蒸水稀释定容至i l ,高压蒸气灭 菌。上层琼脂储存于4°C 。在使用前用微波炉融化。在接种细菌培养前,必须 冷却至45°C 以下。 ’ ' 21. 高保真聚合酶(2.5 U/ML , Stratagene)。 3 Amplification of CDNA libraries

(1) NZY plate (24 cmX24 cm), LB-ambient penicillin broth, XLl-Blue strain, NZY agar, NZY top agar (see items 19 and 20 in 2).

(2) TSM buffer (see item 16 in 2).

(3) Chloroform (Fisher Scientific).

(4) Dimethyl satoxide (DMSO; Sigma-Aldrich).

4 Screening of cDNA library for differential expression

(1) NZY plate (24 cmX24 cm, see items 19 and 20 in 2)

(2) Hybond-14 0.45/1111 pore size nylon membrane (GE Healthcare).

(3) 20XSSC: 3 mol/L NaCl, 0. 3 mol/L sodium citrate (I L formulation: 175 g NaCl, 88 g sodium citrate); diluted with distilled water.

(4) Denaturation buffer: I.5 mol/L NaCl, 0. 5 mol/L NaOH.

(5) Neutralization buffer: I. 5 mol/L NaCl, 0. 5 mol/L Tris-HCl, pH 8.0.

(6) Rinse buffer: 0.2 mol/L Tris-HCl, p H 8. 0, 2XSSC.

(7) Whatman filter paper or chromatography paper (Fisher Scientific).

(8) dNTPs (1 0 mmol/L each of dATP, dTTP, and dGTP).

(9) Immobilized Oligo (dT) primers: 5' - dT (15) A/G/C-3, commercially available (Invitrogen; New England Biolabs).

(10) Nasin (20 U/μL, Promega)

(11) Dithiothreitol (DTT) (Sigma-Aldrich), which was prepared as a ○- I m ol/L stock solution with sterile water.

(12) A M V reverse transcriptase (10 U/μL) and 10X reverse transcription buffer (Promega).

(13) [ α-32P ] dCTP (3000 Ci/mol; GE Healthcare).

(14) RNaseA (60 mg/mL, Sigma-Aldrich)0

(15) Quick spin column (TE; Sephadex 025, Fine) for radiolabeled DNA purification (Roche).

(16) IX T wEl buffer: 10 mmol/L Tris-HCl, pH 8.0, I mmol/L EDTA.

(17) Hybridization buffer, modified Church's buffer: 0.25 mol/L Na2HPO4, 0.25 mol/L NaH2 PO4 (pH 7. 5), lmmol/LED TA, 7 % sodium dodecyl sulfate (SDS; W/V ); or commercially available; Ultrahybe ( Ambion).

(18) Membrane washing buffer: 0. 1XSSC, 0 -1 % SDS (W/ V).

(19) Membrane rinsing buffer: 0.1 X SSC.

(20) X-ray film (Koda).

(21) TSM buffer: (see item 16 in 2).

(22) Chloroform (Fisher Scientific).

(23) XLl-Blue medium.

(24) NZY supernatant agar (see Items 19 and 20 in 2).

5 Detection of intracellular clones

(1) XLl-Blue strain.

(2) 10 mmol/L MgSO4.

(3) ExAssist helper thumbs up the bacteriophage.

(4) Uni-ZAP X R phage storage solution.

(5) LB- Ampicillin Broth (see item 18 in 2).

(6) SOLR cells.

(7) L B Aminobenzylpenicillin Agar Plate: 15 g agar powder was added to L B broth (I L) and autoclaved. Cool to below 50°C and spread the plate, add ampicillin (lOOpg/mL) and spread the plate with proper thickness.

6 Small volume extraction of plasmids

(1) LB-aminobenzylpenicillin broth (see item 18 in 2. 2).

(2) Pre-lysis buffer: 50 mmol/L glucose, 2 5 mmol, LTris-HC1, p H 8. 0, lOmmol/LEDTA

(3) RNase A (see item 14 in 4).

(4) Alkaline lysis buffer: 0.2 mol/L NaOH, 1% S D S , which should be freshly prepared before use.

(5) Neutralization buffer: 5 m olZL potassium acetate, 30% acetic acid, 50 mm 〇 r L glucose, 25 mmol/L Tris-HCl, pH 8.0, 10 mmol/L EDTA0, 0.2 mol/L NaOH, 1% S D S , the solution should be freshly prepared before use.

(6) Isopropyl alcohol (FisherScientific)

7.70% ethanol (see item 5 of 2. 1).

7 Isolation of insertion sequences

(1) Restriction endonucleases: E co R I and Xho I (N ew EnglandBiolabs); can be adjusted according to the junction.

(2) IOX restriction endonuclease buffer; use the buffer that comes with the restriction enzymes.

(3) DNA Sampling Buffer: 0. 25% (W/V ) xylene cyanide, 0. 25% (W/V ) bromophenol blue, 50% glycerol.

(4) 1% TACE Agar Gel and 50X TACE Buffer (see items 11 and 12 in 2.2).

(5) DNA molecular quality standard (Invitrogen), depending on the size of the expressed clone fragment (from 100 bp to several kilobytes).

(6) Pipette tips with cartridges (Im L ).

(7) Sterilized cotton or glass wool.

8 Synthesis of labeled probes 2. 8 标记探针的合成 1. 无〇 10 ^ 的 41^113: ; (〇1 八丁?、 £ 1丁丁?、 £ ^ 丁?各 5 111111〇1/乙)。 2• 随 机 引 物 ( 1〇〇 mmol/L dN6; New England Biolabs)。 3. IOX 随机引物缓冲液: 0.5 mol/L Tris-HCl, pH 7. 6, 20 mmol/L D T T, 50 mmol,L MgCl2,〇. 4 mol/L KC1。 4. DNA 聚合酶 I Klenow 片 段 ( 5 U/|nL; New England Biolabs)。 5. [cr32P] dCTP (3000 Ci/mol; GE Healthcare)。 6. 快 速 离 心 柱 ( TE; S印hadex 0 2 5 , Fine),用 于 放 射 性 标 记 的 D N A 纯化 (Roche)。
9 Northern imprint

(1) 10X MOPS buffer: 200 mmol/L MOPS, 50 mmol/L acetate, 10 mmol/L EDT A , pH 7.0.

(2) I. 25% formaldehyde denaturing gel: dissolve 3.75 g of agarose in 217 m L of double-distilled water, add EB to a final concentration of Iμg / m L, and place the solution in a 60°C incubator. In a separate sterilized bottle, add 30 mL of IOX MOPS buffer and 53 mL of formaldehyde (37%, W) and place the solution in a 60°C incubator. When both solutions have equilibrated to 60°C, mix them, swirl gently to blend, being careful not to create air bubbles, and pour into a larger gelatin plate.

(3) RNA sample lysis buffer: IXMOPS buffer, 2.2 mol/L formaldehyde, 50 % formamide (V/V).

(4) 6X RNA Sampling Buffer: IXMOPS buffer, 50% formamide (V/V), 40% glycerol (V/V), add a few drops of blue bromate and xylene cyanide as tracer dye.

(5) HybondO.45 pm pore size nylon membrane (GE Healthcare).

(6) 20XSSC (see item 3 in 4), diluted with distilled water if necessary to the desired concentration.

(7) Whatman filter paper or chromatography paper (Fisher Scientific).

(8) Paper towels.

(9) Sequencing adhesive plates.

(10) Press weights.

(11) Glass or plastic pipette (5 or IOmL), used to dislodge air bubbles in the membrane transfer device.

(12) Plastic film.

(13) Fixative for Northern blotting: 0 -05 mol/L NaOH.

1 0 Detection of Northern blotting by probe

(1) Hybridization solution: Ultrahybe Hybridization Buffer or modified Church's buffer (see item 17 in 4).

(2) Radiolabeled probe (see 2. 8).

(3) Northern hybridization wash: 0.1XSSC, 0.1% SDS in distilled water.

(4) X-ray film.

(5) Northern blotting eluent: Boil double-distilled water containing 0.5% SDS, place the blotting film in, and detect the radiation signal with a Geiger counter until it falls below the background level.

II. Methods

Commercially available products designed for specific experiments (high or low copies of genes, etc.) have been developed to detect and characterize differentially expressed genes. Despite rapid technological advances, the isolation of mRNA from tissues/organs/organisms of interest to construct cDNA libraries is still the standard method for identifying new genes and proteins. There are many well-established reagents and products available for constructing a library; this chapter describes a common standard method for constructing libraries, screening positive clones and analyzing them. These experimental methods use the Uni-Zap-cDNA Synthesis Kit (Stmtagene) (5), but can be modified for use with other vectors. Some generalized phage cloning vectors include plTriplEX (Clontech), pSPORTl (Invitrgen), and ISCREEN-1 (Novagen), but are not limited to these. After library construction, differential expression screening was used to identify gene clones that were induced or repressed under the conditions tested. Here we illustrate specific experimental steps using the identification of a novel gene, expressed in hepatopancreatic tissues of sea snails and induced under hypoxic conditions, as an example. This up-regulation of expression was confirmed by Northern blotting. After the sequence determination of the imprinted-2 clone, see 3. 11 for further sequence analysis.

1 Total RNA Extraction and Isolation

(1) There are many kits available for total RNA and mRNA isolation (Ambion, Roche, Qiagen, Invitrogen, Novagen, etc.). These kits provide high purity and quality RNA, but are relatively expensive. Here we describe the traditional conventional RN A extraction method.

(2) Add Im L TRIz0I homogenate per 100 mg of tissue and add 0.2 m L' m L chloroform. Invert and mix for 15 s and leave at room temperature for 2~3 min. 4: ° C, 12 000 g■ centrifuge for 15 min.

(3) Transfer the upper aqueous phase to a new Eppendorf tube and add an equal volume of isopropanol to precipitate the RNA. leave at room temperature for 10 min.

(4) Centrifuge at 4°C for 10 min at maximum speed, remove supernatant, wash with 250 pL of 70% ethanol, and centrifuge at maximum speed for 5 min. Aspirate off ethanol, air-dry the RNA for 10 min at room temperature, and dissolve in an appropriate amount of DEPC-treated water (assuming that the amount of RNA obtained from 10 mg of tissue is IOfXg). Store at 4°C (within one week) or at 20°C (long-term storage).

(5) Determine the concentration and purity of RN A by measuring the 260 nm and 280 mn absorbance values with a UV spectrophotometer. A260/A 280 of 1.6 to 2.0 is an acceptable range (see Note 1).

(6) Purify poly (A )+ InRNA using a cellulose column incorporating Oligo (dT). total RNA is heated to 65°C, mixed 1 : 1 with Sampling Buffer (V/V), and loaded onto a cellulose column with Olig0 (dT).

(7) Rinse the column with one column bed volume of Sampling Buffer and collect the eluate in a sterile Eppendorf tube. The eluate was re-sampled, collected, and repeated twice.

(8) Rinse the column with one column bed volume of Sample Buffer and Wash Buffer, respectively, and finally elute with 1.5 times the column bed volume of eluent. As a final step, poly(A)+ InRNA is eluted by adding 0.1 times the volume of 3 mOl/L sodium acetate (p H 5-2), 2-5 times the volume of anhydrous ethanol, and leaving to settle overnight at 20°C. The procedure can be stopped here. The procedure can be stopped here.

(9) The next day, centrifuge at 13,000 g for 45 min at 4°C. Dispose of the supernatant and wash with 70% polyester ethanol (250 fxL) and centrifuge at the same speed for 10 min. The resulting precipitate is mRNA, which is air-dried and dissolved in DEPC-treated water (see Note 2). If the mRNA is not to be used immediately for experiments, store the samples at 180°C. The samples should not be used for experimental purposes.

2 cDNA library synthesis 3.2 cDNA文库的合成 1•在无RNase的 Eppendorf管中,加入mRNA (5 pg, < 3 0 pL) , 寡聚核苷酸连 接物-引 物 (3 pg) 及 RNasin (5 pL)。第一 链 cDNA合成以mRNA为模板,加 人 dNTPs (3 ML)、 5_甲基-dCTP (3 ; xL)、 IOX反转录酶缓冲液(5 , ),补水 至 45 fxL。轻轻混匀,于室温使引物和模板复性10 min。 2 . 加入反转录酶至反应管中(5 / JL, 50 U) 使最终体积为50 juL。轻轻混勻,稍 加离心收集反应液于离心管底部,然后在42°C放 置 I h (见注释3)。 3•于同一管中进行cDNA第二链的合成( 第一链的互补链)。在第一链反应液中加 人以下成分: dNTPs (6 pL)、 10X D N A 聚合酶I 缓 冲 液 (2 0 ^ ) 、 [a-32P] dCTP (I pL)、 RNase H (I fiL, 5 U )、 DNA 聚合酶 I (1〇 yL , 100 U),用 蒸馏水补加至终体积2〇〇 / xL,在 16°C孵 育 2 h。 4.将双链cDNA反应管置于冰上,加 人 22. 5 ^LdNTPs (A. C /C/T ) , DNA 聚 合 酶 (2. 5 yL) 合成平头末端,在 72°C反 应 30 min。 5•加人等体积的苯酸-氯仿( I : 1 V/V , pH 7. 4 ) , 振荡混勻,在台式离心机上室 温以最大速度离心1〇 min。转移水相至新离心管,加入等体积氯仿。振荡混匀
以上述条件再离心5 min,转移水相至新的Eppendorf管。 6•加人等体积异丙醇,加乙酸钠至终浓度为0.1 mol/L 。放置反应管于一20°C沉淀 cD N A 过夜。实验步骤可在此处暂停。 7 . 第二天于4°C ,最大速度离心I h 沉 淀 cD N A 。转移上清至另一离心管,确认获 得的沉淀是cD N A 。 用盖革计数器确定c D N A 沉淀有放射标记,再测定上清确 认大部分放射活性存在于沉淀中。 8•加入7 0 % 乙醇洗涤沉淀(250 ( L i),在微型离心机上用最大转速于室温离心10 min, 小心移除乙醇,当心不要扰动沉淀,室温空气干燥10 min。沉淀位置用笔 在管外部做上标记,因为干燥后沉淀会“消失”。 9. 在 无 菌 水 ( IOfJ J 中重新溶解cDNA沉淀,轻弹样品,稍加离心收集样品于离 心管底部。将离心管静置于室温10 min或 4°C , 30 min使 cDNA充分溶解。转 移 cDNA溶液至一新的离心管,用盖革计数器检测旧离心管,确 定 cDNA已被 完 全 溶 解 ( 见注释4)。 1 0 . 加 人 T 4 D N A 连 接 酶 ( 5 U ) 和 I O X T 4 D N A 连 接 酶 缓 冲 液 ( 1, 5 ML ) 将 Ec0R I 接头连接到平末端。反应终体积为15 (加蒸馏水补足) 。在 10°C反 应 16 h 。 11. 将离心管放置于75°C,反 应 15 min以热灭活连接酶,稍加离心,收集反应液 于管底。将该样品放置于冰上,加入如下试剂: T 4多聚核苷 酸 激 酶 (10 U ) , 10XT4多聚核苷酸激酶缓冲液(0.5 ^L) , 加无菌水将反应终体积补至20 pL。 37°(:孵育3〇 111丨 11,随后于75°(:反应15 111;11以热灭活激酶。稍加离心,收集反 应液于管底,将该离心管放置于冰上。 12■加入4 IOX内切酶反应酶缓冲液, 10 p L 灭菌蒸馏水, 6 X/w I 内切酶 至 cDNA管 中 ( 使终体积为40 f/L),用以切开位于连接物-引物上的; I 酶 切位点。轻弹混匀,稍加离心,收集反应液于管底,在 37°C孵 育 2 h。加人等 体积异丙醇,放置于一20°C沉 淀 过 夜 ( 见注释5)。 13. 在微型离心机上用最大转速于4° C离 心 10 min,小心移除上清,当心不要扰动 沉淀。 14. 加 人 7〇 %乙醇洗涤沉淀(250 fzL),在离心机上用最大转速于4°C离 心 10 m in。 小心移除乙醇,室温空气干燥10 min (见 注 释 6)。用适当体积的无菌蒸馏水 (本例中我们使用了 50 ML) 重新溶解沉淀,于 4°C保存。 15•制备10 mL 1 % T A E 的琼脂糖凝胶,倒 人 10 cm的制胶板,等待其聚合。在胶 底部标记出10个方形网格。 16•用100 mmol'L 的 EDTA溶液 倍 比 稀 释 ( 从 10 ng/fxL到 250 ng/j^L) 已知浓 度的DNA标 准 品 ( 如 2. 7. 5 中的DNA分子质量标准)。 17•在每一稀释度作一标记( 〇、 5、 10、 25、 50、 75、 100、 150、 200、 250 ng' VL)。 18•从每一稀释度中仔细吸取1 卩 L 到胶板上。 19•在每一稀释度下方,点样 I fxL cD N A 样品,放置大约20 m in使其渗透入胶板中。 20.用紫外线照射平板,观 察 cDNA样品,与标准品相比估计其浓度。 21•将cDNA (〜100 ng)、带有黏末端的载体(1网 )、 IOXDNA连接酶反应缓冲
3 Titer assay and cDNA library amplification 3. 3 滴度测定和cDNA文库扩增 1•取出一个保存的XLl-Blue菌种管,划线接种于L& 氨苄青霉素平板上, 37°C 培 养过夜。第二天,挑单克隆接种到25 mL LB-氨节青霉素肉汤中,于 37°C 摇床 培养至〇 D6M= l 。 2. 贫培养物于4°C , 1000 g 离 心 10 min, 重悬细菌沉淀于1〇 mmol/L MgSO4溶液 七,调 整 〇 D6。。至 0.5。 3. 用 TSM 溶液配制文库浓度梯度稀释液各100 (1 : 10, 1 : 1〇〇, 1 : 1〇〇〇, 1:10 000),与等体积新鲜培养的XLl-Blue细菌混合, 37°C培 养 20min。 4 . 将前述每管与N ZY上层琼脂混匀( 冷却至50°C 以下,每一稀释度加3 mL),随 后迅速铺板于10 cm平板上。等平板冷却至上层琼脂完全凝结,翻转培养板于 37°C培养直至观察到噬菌斑形成。计数每块板上的噬菌斑数,用以下公式计算 文库的滴度: pfu/mL= (噬菌斑数X 稀释度)/铺板的体积( 见注释7)。 5 . 为扩增cDNA文库,准备10个 N ZY平 板 (24 cmX24 cm) 和 XLl-Blue菌种的 LB-氨苄青霉素肉汤过夜培养物( 见 1 和 2 项) 。 6•用移液器分别吸取100 ;xL XLl-Blue菌悬液,分装入10个 I.5 m L灭菌离心管 中,分别加人包装噬菌体混合物( 含〜50 000个噬菌体) , 37°C赙 育 15 min。 7. 在各管中加人7 m L融化的顶层琼脂,平铺于N ZY平板之上。 8. 将平板于37°C培养过夜,直至在菌苔上形成噬菌斑。随后在各平板表面加入10 mL TSM 缓冲液,放置于4°C ,轻轻振摇过夜,使得噬菌体从固体培养物中释 放人缓冲液。 9. 收 集 10个平板上的包含有嗟菌体的T SM 培养液,加入氯仿至终浓度为5 % (7/")。室温放置15 1^!1, 5001?离心1〇 1^11,转移上清至新的灭菌容器内。 10. 加人 DMSO至终浓度为7 % (V/V ) ,分装扩增好的文库于I. 5 m L离心管, C 存于一80°C 。用前面的方法滴定扩增文库的滴度。
4 Differential screening of cDNA libraries 3.4 cDNA文库的差异筛选 1,准 备 N Z Y 平 板 (10块板, 24 cmX24 cm),见 3.3中 1〜4。通过计算出的滴 度 ,调整噬菌体文库感染细菌量至每块板为20 000〜50 000 pfu。 2.大 约 12 h 后噬菌斑形成。经常观察至噬菌斑为圆形,直径为I mm左右。 3•在每块新形成噬菌斑的培养板上放置一张Hybond尼龙膜,吸 收 I min。在尼龙 膜和培养板上做好一一对应的标记,以便确定阳性克隆。 4•将每张膜浸泡在变性液中I min, 再浸泡于中和液中5 min, 洗漆液中〇.5 min。 5.将膜放置于滤纸上,在空气中干燥。用紫外交联仪交联噬菌体DNA至膜上。
6•取第二张膜,重复步骤3〜5 , 吸收时间延长至2 min。 7•将尼龙膜放置于两张滤纸中间,于干胶仪中80°C 烘烤。 8. 需合成两套探针来筛选。一套用对照mRNA为模板合成,另一套则以暴露于环 境压力中的mRNA为模板。 9. 用与第一链cDNA合成类似的操作方法合成探针, ( 见 3. 2,材料列于2. 2)。分 装 poly (A )+ mRNA (约 1 辟 )入 DEPC处 理 的 1.5 m L离心管, 65°C 加热 5 min0 10. 立即置于冰上,随后各管分别加人IOX反转录酶缓冲液(5 ^ ) 、 dNTPs (3 / iL 、无 dCTP)、 Oligo (dT) 引 物 (3 jug)、 RNasin (5 pL)。补水至 40 / xL, 轻弹混匀,稍加离心收集液体于离心管底部,在室温退火10 min,使引物结合 至 mRNA模板。 11. 加 5 juL 反转录酶和 5 juL [cr32P] dCTP (3000 Ci/mol) 至各管, 42°C孵育 I h 后 ,将离心管转移至16°C水浴。 12. 为降解RNA,需加人RNase A 5 ( ixL并 于 37°C孵 育 30 mm。经此处理后离心 管内只剩下cDNA,将其上样至快速离心柱, 400 g•离心3 min。洗 脱 液 ( 放射 标记的cDNA) 即可用作探针与尼龙膜杂交。 13. 结合有噬菌斑的膜放置于55°C 的旋转杂交管中在杂交液中预杂交30 min。 14•把放射标记的探针煮沸5 min (见注释8),立即置于冰上。将探针直接加入现 有的杂交液中( 见注释9 ) 至终浓度为l X 10scpm/mL。为便于比较,需加人 等同的放射标记量至匹配的印迹膜上( 对照和实验组) ,在 45°C 下滚动杂交过 夜 ( 〜16 h)。 15. 杂交后,用0.2父33(:, 0 . 1 % ( 灰 / ^)3〇 3溶 液 于 55。〇洗涤杂交膜10 111丨 11 ,再 重复该洗涤步骤3 次以降低放射背景。如果背景仍然很高( 用手持式盖革计数 器测量) ,可重复该洗涤步骤。 16. 将洗涤过的膜保持湿润,有放射活性的一面朝下,放置于塑料薄膜上,封口使 液体不至漏出。用薄膜再次包裹杂交膜。用纸巾抚平表面( 除去折皱和气泡) 。 将杂交印迹曝光于X 光 胶 片 ( 或成像憐屏)适当的时间,其时间取决于特异性 探针结合于杂交膜的cpm值。 17. 曝光X 光胶片,并分析放射自显影结果。图 I A 为第一次筛选的放射自显影结 果。每一点代表一个探针结合的噬菌斑。 18. 根据定位标记,回 到 N ZY平板上找出对应于差异表达克隆的噬菌斑并剪下。 用一灭菌的巴斯德管剪切下各个斑点的琼脂块,放置于加有500 ML TSM 缓冲 液 的 I.5 mL Eppendorf管中。如果不能分离出单个克隆( 特别在初次筛选 时) ,将推定的大致阳性“区 域 “切下。 19. 每管加入氯仿( 至 5 % , W/V ),振荡混匀30 s, 在室温放置30 min,使得噬 菌体从琼脂释放至缓冲液中。 20_将以上样品在4°C , 3OOOg 离 心 5 min, 转移上清至一新的离心管( 包含游离 的噬菌体) ,存放于4°C 。 21.测定每一转移噬菌斑的滴度( 试11/1111)(见 3.3)。
22•按50〜100 pfu/平板的水平将 每 一 阳性克隆重新铺板于NZY平 板 (10 cm直径) 。 23.用一小的圆形尼龙膜重新做第二次噬菌斑筛选,方法与初次筛选相同( 从 第 3 步开始)。 用同样的方法重复差异筛选步骤( 从 第 8 步开始V。通过检查放射自 显影图谱,选择代表感兴趣基因( 具有差异表达)的阳性克隆。图 I B 为第二 次筛选的放射自显影图谱。图 I cDNA文库的表达差异筛选。 ( A) 初次差异筛选使用以海蜗牛( Lto0WmZii0- mz) 的肝胰腺组织的mRNA为 来 源 合 成 的 [32P ] d C T P 掺 入 的 cDNA。正常氧含量 组 :试验动物处于4°C正常氧含量环境。低压氧组:试验动物处于一个大气压的氮气 环境中,持续时间为l h 、 1 2 h、 2 4 h (将来源于各时间点的等量的mRNA混合) 。 (B) 第二次差异筛选,用相同的探针筛选假定的缺氧反应克隆。 ( C) 从噬菌体上切割 质粒载体,随后从细菌中对质粒进行纯化。可分离缺氧诱导的阳性克隆插人片段。第 一泳道为编码蜗牛缺氧响应蛋白2 (snail anoxia-responsive protein 2,似印-幻的质粒 克隆;各类非特异性的基因插人显示于随后几个泳道。阳性克隆需用Northern印迹确 证其差异表达,随后进一步的鉴定如图2 所示
5 Pick-up of in vivo clones
3. 5 体内克隆的捡出 1.本节的操作步骤根据所选用的cDNA文库载体而异。均应购买商业化的试剂 (通常应购自与载体相同的生产商)。本节提供了使用Uni-Zap试剂盒的简要说 明 ( ExAssist Helper 嗟菌体和 SOLR 细胞; Stratagene) (6)。 2•按3. 3.1项准备XLl-Blue细菌。用相同的步骤准备SOLR细胞。细胞在L fr氨 苄青霉素肉汤中37°C过 夜 培 养 ( 〜16 h), 3000 g■离心5 min。 3. 弃上清,重悬细菌沉淀于10_〇 1/乙^%3〇 4至〇〇 6。。= 1 ,存放于4°(:至步骤8。 4 . 分 装 200 噬菌体储液于Eppendorf管中,加人等体积的XLl-Blue细菌,加 入 I fxL helper噬菌体。 5. 将离心管于37°C孵 育 15 min。准备相同数目的加有3〜5 niL LB^氨苄青霉素肉 汤的15 mL试管,孵育结束后将 Eppendorf管中的液 体 转 人 15 m L试管中, 37°C轻轻振摇培养3 h。 6. 将培养管于400 g 离 心 15 min以沉淀菌体细胞和碎片,转 移 上 清 ( 包含中期的 丝状噬菌体)至新试管, 70°C孵 育 15 min。 7. 于 3000 g 离心15 min以沉淀残留的细胞,转 移 上 清 ( 包含丝状噬菌体)至一新 15 mL试管,贮存于4°C 。 8. 将代表每一选择出的噬菌粒的丝状噬菌体储存液(100 ^L) 加人做好标记的试 管中。稍微吹打重悬SOLR细胞,分装200 fiL 到每一试管, 37°C孵 育 15 min。 9. 每管用移液器吸取100〜 2〇〇 JjtL 细胞,加 到 L fr氨苄青霉素平板上,涂布均勻, 37°C培养过夜。 1〇 •挑取单克隆划线接种于新鲜的LB■氨苄青霉素平板,作为含有目的基因pBluescript质粒的SOLR细胞的主板, 37°C培养过夜。 11•从主板上取单克隆接种到3 m L的 LB-氨苄青霉素肉汤。培养至OD6 m= I , 加 人灭菌甘油至终浓度15% (V, V ) 贮存,将每一培养管混匀,_ 4° C 放 置 30 min,再贮存于_80°C 。
6 Small volume extraction of plasmids 3 . 6 质粒的小量抽提 1•已有各种各样的商业试剂盒可为我们提供简便快速的质粒提取方法。这些试剂 盒可从许多公司获得,但不仅限于这些公司,如 BD Bioscience、 Qiagen、 InVitrcgen等。这里提供了一种标准的非试剂盒的抽提方法。 2•从划线接种的主板上挑选一单克隆至含3 mL LB^氨苄青霉素肉汤的15 m L试 管,将该培养管在37°C摇床培养过夜。 3•吸取1.5 m L的过夜培养液至Eppendorf管, 3000心 4°C离 心 10 min, 弃上清。 4. 重悬细菌沉淀于400 预裂解液中,转 移 至 另 一 无 菌 Eppendorf管,加入 RNase A 5 斗并振荡混匀。 5 . 加人等量的新鲜配制的碱性裂解液,放置于室温5 min。 6•加入等量的中和缓冲液,振荡直至将白色沉淀( 蛋白质、基因组DNA和细胞碎 片)打碎。放置于冰上5 min,在 4°C 以最大转速离心1〇 min。
7 Isolation and extraction of insertion fragments 7. 转移上清至另一无菌Eppendorf管,加人等体积异丙醇。颠倒混匀,于室温放 置 10 min。 8•在室温以最大转速离心10 min, 弃上清。用 7 0 % 乙醇洗沉淀( DNA质粒) ,再 次以相同条件离心5 min, 吸弃乙醇,室温空气干燥10 min。 9. 用合适体积的无菌蒸馏水溶解质粒DNA (通常最少用20 pL),用紫外分光光度 计 定 量 ( I 〇 D= 5 0 卩 g/m L 双 链 DNA)。质粒可短期储存于4°C 或长期保存于 —20°C直至再次使用。 3 . 7 插入片段的分离提取 1•用匹配的限制性内切酶酶切质粒DNA (本例中使用的是Ec0R I 和 XA0 I )。 2.混 合 5 质粒DNA,内切酶各0. 5 ML , I juL的 IOX酶切缓冲液,补水至1〇 pL。 37°C 孵育至少I h。 3•于94°C加 热 5 min终止反应,加入0. 1 倍体积的上样缓冲液。 4. 上样于1 % T A E 琼脂糖凝胶, 90 V 在 IX T A E 缓冲液中电泳分离酶切片段。同 时上样合适的DNA分子质量标准以估计插人片段的大小。插入片段的凝胶分离 如 图 IC 所示。 5 . 用灭菌刀片从凝胶上仔细切割下插入片段,放入做好标记的Eppendorf管中。 从凝胶中回收DNA有很多可供选择的方法。可购买使用层析柱和玻璃丝的商业 化试剂盒。这里提供了一种非试剂盒的快速和简洁的操作方法。 6 . 将割下的胶条放置于一80°C直至其冷冻( 约 15 min)。将 I m L 过滤吸头的滤芯 上部切除,将吸头的下部放入其中。这一装置再牢固地置于Eppendorf管中。 冷冻的胶条快速放人吸头的开口中后,将 Eppendorf管 放 人 台 式 离 心 机 , 10 OOOg离 心 3 min。取出离心管,弃去吸头。洗脱液中的插人DNA片段可于 4°C短期保存或放置于_20°C 长期保存。
8 Synthesis of labeled probes 3 . 8 标记探针的合成 1■取1 2 鸿 D N A片段溶液,转 移 人 L 5 m L离心管,补 水 至 8 ML 。 94°C 变 性 3 min,稍加离心收集反应液于离心管底部,立即置于冰上。加人下列试剂: dNTPs (dATP、 dTTP、 dGTP,终浓度各 I mmol/L ) , I )uL 随 机 引 物 (1〇〇 mmol/L d (N)6; New England Biolabs), 2 /JL 10 X 随机引物缓冲液, 2.5 U DN A酶 I 的 Klenow 片 段 ( New England Biolabs), 2.5 yL [cr32P] dCTP (3000 Ci/mol; Amersham)。 2•轻轻混匀,于 37°C 加 热 45 min。将反应液放人快速离心柱中, 400 g 离 心 3 min。洗脱的放射标记探针用于Northern印迹。 3.9 Northern 印迹 1. 准 备 1.25%甲醛变性胶,将其浸没于IXM OPS缓冲液,预电泳15 min。 2. 分装适量的RNA (10〜2 0 ^ 8 ) 于做好标记的离心管中,加入等体积的R N A 样 品缓冲液。
9 Northern imprint 3. 55°C孵 育 10 min后立即置于冰上,加人适量的R N A上 样 缓 冲 液 ( 终浓度为I X ) 到各样品管中。 4 . 轻轻混匀RNA样品,稍加离心收集全部样品溶液于离心管底部。 5. 将各管中的全部RNA样品上样至变性凝胶,记录样品号。 6. 用 100 V 电压电泳直至溴酚蓝到达胶的前沿。 7. 将胶放置于塑料薄膜上,用紫外灯观察RNA条带,用成像仪拍摄保存图像。核 糖体RNA (rRNA) 条带用于检测其降解程度,并可大致确定每孔R N A 的量。 图 2A (下方)为 U V 显示的EB染色的rRNA电泳图。.: 8•分离后的RNA用中性转膜法从凝胶转移至0.2^m 的尼龙膜。把胶浸泡于IOX SSC溶液中10〜15 min,以除去多余的甲醛和EB。 9.在胶浸泡时,装配好转膜装置。准备一大张塑料膜将其折叠成2 ftX 3 ft® 大小, 置于实验台上。 10•于尼龙膜中间放置一树脂玻片测序板( 大于被转膜的胶) ,膜的边距应超出玻 板 3〜4in。 11.裁剪出两张滤纸,各边距超出玻板1〜2in。 12•用10 X SSC润湿玻板,按次序将滤纸片放置于玻片上,推平皱褶并除去气泡。 1 3 . 将胶的正面朝下放置于滤纸中央。 1 4 . 裁切一张与胶的大小一致的膜。用无菌水冲洗膜,再 用 10XSSC冲洗,放置于 胶上,用移液管推平膜,除去气泡。 1 5 . 剪切好两张滤纸( 与胶和膜的大小一致)放置于膜的上方。预先用10XSSC润 湿滤纸,用移液管推平,除去气泡。 16. 放置一张塑料 薄 膜 ( 与开始放置于实验台上的塑料膜同样大小)于整个转移装 置上,用刀片沿着胶和滤纸切一个“窗 口”, 揭去塑料薄膜,在滤纸上方放置 一 叠 纸 巾 (5in 高) 。在转膜装置的两端( 在内外层之间)加 人 10XSSC (10 mL),折叠好塑料薄膜并封口。在纸巾上方放置一重物( 250〜500 g ) , 转膜过 夜 ( 见注释1〇)。 17. 转膜后,用与3.4 中 5 相同的方法交联RNA至膜上,或将膜浸泡于0.05 md/L 的 NaOH中 5 min, 然后用灭菌蒸馏水冲洗。
10 Northern blotting with probes 3 . 1 0 用探针进行Northern印迹 1. Northern印迹的探针检测与噬菌斑印迹膜的检测类似。在 55°C 的杂交炉中用杂 交 液 ( 完全覆盖杂交膜)预杂交至少30 min。 2. 将放射性标记的cDNA探针于94°C 加 热 5 min,立即置于冰上。直接加入杂交 液中。 3. 在 45°C下杂交过夜( 〜16 h)。杂交后,用 Northern洗涤液于55°C 洗涤杂交膜 10 min,重复洗涤步骤共4 次。 4. 如果背景仍然 很 高 ( 用手持式盖革计数器测量) ,可重复该洗涤步骤。
图 2 来 源 于 海 蜗 牛 的 新 基 因 的 鉴 定 。 ( A) 从定名为sarp-2 基因的克隆中分离到插入片段后( 见 图 1),暴露于低氧环境中各时间 点 的 基 因 表 达 用 Northern印迹法监测。 wrp- 2 的表达量用管 家 基 因 的 表 达 量 标 准 化 ,同时也用转膜前凝胶上rRNA的光 密度值作对照。 ( B) 对 插 人 的 基 因 测 序 显 示 有 550个核苷酸 序列,并包含有完整的可读框编码131个氨基酸的蛋白质。使 用 3.11 中所列出的分析工具,在 mRNA和推定的蛋白质序列上发现 多种常见的蛋白结构域,结果显示如图。 5 . 将膜用塑料薄膜包裹,曝 光 X 光 片 ( 或成像磷屏)适当的时间,显影。 6 . 用合适的成像分析软件进行放射自显影图像分析光密度[例如Imagequant (GE Healthcare) 或 QuantityQne (Bio~Rad)],图 2 为 Northern印 迹 结 果 ( 上半部分)。 7•如果需要,将印迹膜用煮沸的含0 . 5 % SDS的去离子水冲洗可除去探针。重复 该步骤直至放射活性达到或低于背景水平。用无菌水冲洗杂交的印迹膜以除去 残 留 的 SDS, 如果需要可以重新再用探针杂交。检测组成性表达、不受试验条 件影响的管家基因,用 来 标 准 化 差 异 表 达 的 目 的 基 因 的 表 达 量 。图 2 中的 Northern印迹膜洗脱后,再 用 探 针 杂 交 检 测 其 表 达 量 用 于 控 制 上 样 量 (中间部分)。
8•进一步鉴定一个新基因还需要其他的实验方法和步骤。对基因启动子的分析可 确定其是否存在对环境压力的响应元件。转录分析可确定基因的转录活性是否 可调节或者其mRNA的水平是否稳定。基因可被表达成蛋白质并且用基本的生 化方法体外分析确定其可能的功能。所表达的蛋白质可用作抗原制备抗体,用 于 Western印迹或亚细胞结构定位。基 因 沉 默 ( 用 siRNA) 或 基 因 敲 除 ( 用遗 传操作手段)可确定该基因缺失后导致的效应和表型。这些方法和技术超出了 本章介绍的范围,它们代表了从这里为起始点的下游的试验方法。简要的操作 步 骤 可 参 考 fn Mo丨 ecwZar 丛书中的其他图书和经典的实验室手 册如 MoZecMZarQowing^jALatoraiory MawwaZ (7)。图 3 所示为用于检测由本图 3 鉴定一个新基因的流程图。从 基 因 组DNA开 始 ,基因的转录活性可用核酸逃逸实验检测( 上 图左边部分)。这 里 所 检 测 的 基 因 a * ^ ) 在低氧环境处理48 h 的海蜗牛的肝胰腺组织细胞核中活跃 表 达 。该基因已于先前被鉴定(4),其 mRNA具有真核基因共有的特性。 暴露于低氧环境的表 达 时 相 由Northern印 迹 法 检 测 ( 图中间部分)。是 m 的表达量用管家基因〇~加6仏>2 的 Northern印迹 标准化,同时也用转膜前凝胶上rRNA 的光密度值作对照。 KVN蛋白的表达时相由W estern印迹测 定 ( 图底部左半部分),其表达量由同一膜上的p-actin蛋白表达量作标准化,同时用丽春红染膜大致 确定每孔的上样量。
11 Cloning Analysis

Clones with differential expression should be sequenced in both directions using standard methods (either in the laboratory or at a DNA/genome sequencing facility). Subsequent sequence analysis can be performed with commercially available software and a host of other online analysis tools. Listed below are some excellent bioinformatics software and application tools for performing cDNA and amino acid sequence analysis.
As a first step, DNA sequences should be copied to NCBI's BLAST server to compare existing and annotated sequences. The similarity of identical gene sequences or expressed sequence tags can be determined by the E-value. The E-value indicates the likelihood that each pair of sequences is similar. When the E-value of -5 means that the sequence pair is not produced by error, the sequence pair is not similar.
The E value -5 means that the sequence comparison is not produced by error. New or unknown genes usually cannot be paired, but some conserved regions can be identified and provide very short sequence pairs.

(1) National Center for Biotechnology Information (NCBI)

http: //www.ncbi.nlm.nih.gov/

1. Basic Local Alignment Search Tool (BLAST): http:/ /blast, ncbi. nlm. nih.gov/Blast

BLAST first gives the residues represented by the four letters in a sequence, and then the fragments formed by the expansion of these letters. In the program used, Wastx is used to translate all the readable frames of the query nucleotide sequence into a protein sequence and then compare it with the data in the protein database. tblastx is used to translate the query nucleotide sequence and compare it with the translation results of the nucleotide sequence database. blastp is to compare the query amino acid sequence with the protein database.
2.ORF (readable frame) finder: http://ncbi.nlm. nih. gov/gorf/gorf.htmlORFfinder can identify the coding regions of all 6 readable frames in a nucleotide sequence. Selected reading frames can be directly transferred to BLAST for searching conserved regions or similar sequences (blastp).

(2) Gene translation and protein sequence identification

The identification of new gene functions is a challenge for many large-scale genome projects. While mRNA sequences contain a lot of information, proteins are usually the functional performers. To predict the function of a particular gene, the gene sequence is often translated into a predicted protein sequence to analyze homology and conserved regions with known functional proteins. In many cases, a cDNA clone usually represents a known homologue. The genes or proteins represented by these clones can often be matched to existing functional models E because these genes are likely to have been identified in other systems, organs, tissues (under various types of stress and environmental conditions) with known roles and functions. However, if the target clone does not have any known homologs, further analysis and characterization is required. Some of the software used to analyze new genes or proteins are listed below:

PredictProtein (Protein Prediction):

http: //www.embl-heidelberg.de/predictprotein<, predictprotein. html

The translated target protein sequences are searched with the PredictProtein server, and the result is a database of similar sequences and protein structure predictions.

Protein Sequence Analysis (PSA).

http:// bmerc-www.bu.edu/psa/request.htmPSA predicts the secondary and quaternary structures of proteins based on amino acid sequences.

SOSUI:

http : //sosui.proteome.bio.tuat.ac.jp/sosui_ submit,html

This tool software predicts the secondary structure of membrane proteins from the physicochemical properties (e.g., hydrophobicity and charge) of the incoming amino acid sequence.

PROSITE:

http: //www.expasy.ch/prosite


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Categories: Protocols
Explore topics: DNA experiment

Da — when not otherwise indicated, molecular weight units are daltons.   Mw — weight-average molecular weight.   Mn — number-average molecular weight.

Products are supplied for research and development use only. Not for use in humans, animals, diagnosis, or therapy.

Cite this article

Aladdin Scientific. "Construction and screening of cDNA libraries-Experimentation of methods for identification of newly expressed genes under external environmental stress conditions" Aladdin Knowledge Base, updated 24 dic 2024. https://www.aladdinsci.com/us_es/faqs/construction-and-screening-of-cdna-libra-en.html
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