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港口航道致病性細(xì)菌檢測(cè)微陣列基因芯片的研制

2017-04-29 00:00:00郭微微邱軍強(qiáng)何培民管峰楊先樂(lè)

摘要:【目的】制備出一套針對(duì)港口航道致病性細(xì)菌檢測(cè)的基因芯片,為港口航道基因芯片檢測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用打下基礎(chǔ)?!痉椒ā坎捎贸R?guī)方法提取目標(biāo)菌株基因組DNA,以16S rDNA通用引物和gyrB基因保守區(qū)引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,使用AlleleID 6.0和Array Designer 4.25對(duì)擴(kuò)增獲得的目的片段進(jìn)行寡核苷酸探針設(shè)計(jì),經(jīng)PCR篩選驗(yàn)證,目標(biāo)探針以氨基化修飾后通過(guò)芯片點(diǎn)樣儀點(diǎn)制在醛基玻片上;優(yōu)化芯片雜交固定條件,并用于港口航道的水樣檢測(cè),以驗(yàn)證微陣列基因芯片的檢測(cè)效果。【結(jié)果】?jī)?yōu)化后的芯片雜交固定條件為探針點(diǎn)樣濃度10 μmol/L、紫外交聯(lián)時(shí)間2.0 h、雜交溫度65 ℃,有效提高了基因芯片檢測(cè)的靈敏度,與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比可實(shí)現(xiàn)快速、高通量、準(zhǔn)確的目標(biāo)。研制的微陣列基因芯片可特異性檢測(cè)出港口航道中含有的霍亂弧菌(Vibrio cholerae)、陰溝腸桿菌(Emterobacter cloacae)、溶藻弧菌(V. alginolytivus)、哈氏弧菌(V. harveyi)、副溶血弧菌(V. parahemolyticus)、嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydrophila)和創(chuàng)傷弧菌(V. vulnificus)等7株致病性細(xì)菌,且均未出現(xiàn)非特異性雜交?!窘Y(jié)論】針對(duì)港口航道致病性細(xì)菌建立的微陣列基因芯片檢測(cè)技術(shù)具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、快速便捷的特點(diǎn),可用于港口航道及周邊地區(qū)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)。

關(guān)鍵詞: 致病性細(xì)菌;港口航道;基因芯片;檢測(cè)

中圖分類號(hào): S917.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-1191(2017)07-1304-06

0 引言

【研究意義】作為人類航海活動(dòng)和貨物進(jìn)出口的集散地,港口航道及其附近水域的生態(tài)狀況對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。港口航道病原菌監(jiān)測(cè)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一(陳斯婷,2008)。目前,病原菌檢測(cè)在醫(yī)學(xué)上已十分成熟,但在水產(chǎn)養(yǎng)殖、水環(huán)境監(jiān)控等方面尚未實(shí)現(xiàn)快速、低成本、高通量等檢測(cè)目標(biāo),大多數(shù)國(guó)家仍沿用傳統(tǒng)的細(xì)菌培養(yǎng)鑒定方法,檢測(cè)周期長(zhǎng)、操作繁瑣、靈敏度低,且每次只能檢測(cè)出一種致病菌,面對(duì)日益增加的多重混合污染,該檢測(cè)方法顯得嚴(yán)重滯后?;蛐酒墙臧l(fā)展起來(lái)的一種高新生物技術(shù),可對(duì)多種靶基因同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)鑒定,憑借其快速、高通量、平行化等特點(diǎn)已得到廣泛應(yīng)用(陳昱等,2009)。因此,建立一種基于基因芯片技術(shù)的多病原菌檢測(cè)方法,對(duì)加強(qiáng)港口航道病原菌監(jiān)測(cè)及采取有效預(yù)防措施具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】1995年,Schena等首次發(fā)表了關(guān)于基因芯片研究的科技論文;1996年底,F(xiàn)odor研制出第一塊DNA芯片。隨后,陸續(xù)有學(xué)者將基因芯片應(yīng)用于食品致病菌檢測(cè)。Call等(2001)報(bào)道,采用基因芯片檢測(cè)鑒定大腸桿菌O157∶H7不同基因型時(shí),其靈敏度(1 fg)是多重PCR的32倍。González等(2004)研究發(fā)現(xiàn),采用基因芯片檢測(cè)海水病原菌的靈敏度也比多重PCR高,可在20 fg以下。此外,基因芯片可解決多重PCR對(duì)部分菌株無(wú)法進(jìn)行分型的問(wèn)題。AI-Khaldi等(2004)、Jung等(2004)均研究表明,采用基因芯片檢測(cè)病原菌的靈敏度明顯高于多重PCR,且在菌株分型方面具有更大優(yōu)勢(shì)。在國(guó)內(nèi),唐曉敏和高志賢(2003)率先將基因芯片檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水體細(xì)菌檢測(cè);蔣紅霞等(2004)研制出寡核苷酸芯片用于檢測(cè)獸醫(yī)病原菌耐藥性;曹三杰等(2009)以S、S3、sM、M、N、ORF7、POL等為靶基因,構(gòu)建了豬傳染性胃腸炎病毒檢測(cè)基因芯片;李晨等(2011)研制出針對(duì)3種水產(chǎn)病原菌的簡(jiǎn)型基因芯片,并將基因芯片技術(shù)推廣到水產(chǎn)領(lǐng)域;朱業(yè)培等(2015)以線粒體DNA基因(mtDNA)和細(xì)胞色素b基因(cytb)為目標(biāo)基因,建立了可同時(shí)鑒別牛、羊、豬、馬、鹿、兔6種動(dòng)物源性成分的基因芯片檢測(cè)技術(shù),為我國(guó)肉及肉制品快速檢測(cè)和種屬鑒別提供了技術(shù)支持;楊國(guó)淋等(2016)將不對(duì)稱PCR和基因芯片兩種技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建了同步檢測(cè)雞傳染性喉氣管炎病毒(Infectious laryngotracheitis virus,ILTV)、新城疫病毒(Newcastle disease virus,NDV)、傳染性支氣管炎病毒(Infectious bronchitis virus,IBV)的基因芯片?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前,基因芯片技術(shù)已普遍應(yīng)用于動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、抗生物和非生物逆境、病蟲(chóng)害檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)、品質(zhì)和產(chǎn)量形成等研究(肖翔等,2012;薛輝等,2015;蘇寧等,2016),在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域取得了巨大成就,但至今尚無(wú)運(yùn)用基因芯片技術(shù)檢測(cè)上海港口航道致病性細(xì)菌的研究報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】根據(jù)分離獲得的港口航道致病性菌株,設(shè)計(jì)一套特異性引物和探針,優(yōu)化芯片雜交固定條件,制備出檢測(cè)港口航道致病性細(xì)菌的基因芯片,為港口航道基因芯片檢測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)菌株是從上海洋山港港口航道分離鑒定獲得的7株致病性菌株,分別為:副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus)、嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydro-

phila)、霍亂弧菌(V. cholerae)、陰溝腸桿菌(Entero-

bacter cloacae)、哈氏弧菌(V. harveyi)、溶藻弧菌(V. alginolyticus)和創(chuàng)傷弧菌(V. vulnificus)。光學(xué)級(jí)醛基基片、芯片雜交盒、芯片蓋片、芯片和蓋片儲(chǔ)存盒、微陣列芯片離心管、雜交Buffer、紫外交聯(lián)儀、晶芯Lux Scan 10K微陣列芯片掃描儀等購(gòu)自北京博奧生物有限公司;細(xì)菌基因組抽提試劑盒、Klenow酶及DL2000 DNA Marker購(gòu)自TaKaRa公司;圓底低容量NBS表面384孔板購(gòu)自美國(guó)Corning公司。

1. 2 含特異性探針的目的片段擴(kuò)增

16S rDNA通用引物(27F-1492R)和gyrB基因保守區(qū)引物(gyrB-F:5'-AAGCGHCCNGSNATGTAYATHG

G-3',gyrB-R:5'-CCNGCNGARTCNCCYTCNAC-3')由上海杰李生物技術(shù)有限公司合成。以試劑盒提取目標(biāo)菌株基因組DNA后,采用以上引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,以期獲得含特異性探針的目的片段。

1. 3 探針設(shè)計(jì)與合成

使用AlleleID 6.0和Array Designer 4.25對(duì)上述擴(kuò)增獲得的目的片段進(jìn)行寡核苷酸探針設(shè)計(jì)。選擇特異性高、引物二聚體少、退火溫度(Tm)盡可能接近的片段,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約40 bp。針對(duì)每株致病性菌株設(shè)計(jì)1~3條探針,詳見(jiàn)表1。探針5'端氨基化修飾與合成均由上海杰李生物技術(shù)有限公司完成。

1. 4 芯片點(diǎn)制

將合成的探針與芯片點(diǎn)樣液等體積混合后,按點(diǎn)陣布局(圖1)點(diǎn)制在醛基基片上。通過(guò)水合(37 ℃下水合溫育2 h,過(guò)夜干燥)、紫外交聯(lián)(參數(shù)設(shè)為2400 MJ/cm2)加強(qiáng)探針固定效果,經(jīng)NaBH4還原后以0.2% SDS和無(wú)菌水洗凈,4 ℃避光保存。

1. 5 芯片雜交

將PCR擴(kuò)增獲得的特異性片段用帶Cy3熒光素標(biāo)記的隨機(jī)引物9N進(jìn)行熒光標(biāo)記(用Klenow酶進(jìn)行標(biāo)記)。將雜交Buffer與熒光標(biāo)記物配制成雜交體系20.0 μL,即4×雜交Buffer 5.0 μL,熒光標(biāo)記產(chǎn)物15.0 μL;然后以芯片雜交盒進(jìn)行雜交,65 ℃水浴2 h。芯片掃描儀掃描芯片(激光強(qiáng)度100%,PMT為100%),記錄檢測(cè)圖譜。

1. 6 芯片雜交條件優(yōu)化

1. 6. 1 探針點(diǎn)樣濃度確定 采用晶芯Smart Arrayer 48微陣列芯片點(diǎn)樣系統(tǒng)以不同濃度點(diǎn)片,探針終濃度設(shè)30、20、10和5 μmol/L 4個(gè)梯度。每個(gè)濃度設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1. 6. 2 UV紫外交聯(lián)時(shí)間確定 紫外照射能量和交聯(lián)時(shí)間對(duì)探針與芯片的結(jié)合固定有著直接影響。在設(shè)定紫外交聯(lián)能量為2400 MJ/cm2的前提下,設(shè)交聯(lián)時(shí)間分別為0.5、1.0、2.0和4.0 h。

1. 6. 3 雜交溫度確定 雜交溫度是影響雜交效果的重要因素,將點(diǎn)制完成玻片與熒光標(biāo)記后的PCR產(chǎn)物進(jìn)行雜交,雜交溫度設(shè)為55、60和65 ℃,分別雜交2.0 h。

1. 7 港口航道海水樣品檢測(cè)

分別于春、夏、秋三個(gè)季節(jié)采集上海洋山港附近5個(gè)水域(采樣點(diǎn)1:東經(jīng)122°2′513″,北緯30°38′276″;采樣點(diǎn)2:東經(jīng)122°4′150″,北緯30°37′;采樣點(diǎn)3:東經(jīng)122°5′266″,北緯30°36′263″;采樣點(diǎn)4:東經(jīng)122°5′680″,北緯30°36′30″;采樣點(diǎn)5:東經(jīng)122°6′915″,北緯30°35′250″)的水樣,同一采樣時(shí)間的5個(gè)水樣混勻后作為1份待測(cè)海水樣品,分別編號(hào)為海水樣品1、海水樣品2和海水樣品3。經(jīng)定性濾紙抽濾、0.45和0.22 μm孔徑硝酸纖維素膜過(guò)濾后,收集濾液多次過(guò)濾,10000 r/min離心濃縮至5.0 mL以內(nèi)。菌體濃縮液樣品經(jīng)LB液體培養(yǎng)基增菌培養(yǎng)(200 r/min,12 h),提取各菌株基因組總DNA,以16S rDNA通用引物和gyrB基因保守區(qū)引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,與優(yōu)化后的芯片進(jìn)行雜交。

2 結(jié)果與分析

2. 1 含特異性探針目的片段的擴(kuò)增結(jié)果

由圖2可看出,從7株目標(biāo)菌株中均擴(kuò)增獲得16S rDNA(約1400 bp)和gyrB基因(約1000 bp)目的片段。

2. 2 芯片雜交條件優(yōu)化結(jié)果

選擇不同的探針點(diǎn)樣濃度、紫外交聯(lián)時(shí)間和雜交溫度等進(jìn)行雜交后,記錄各雜交掃描結(jié)果。在探針點(diǎn)樣濃度達(dá)10 μmol/L時(shí),掃描熒光強(qiáng)度為3578,即可產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的清晰雜交信號(hào)(圖3);紫外交聯(lián)時(shí)間為2.0 h已有較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度(圖4),既可滿足芯片檢測(cè)的快速要求,又能縮短芯片檢測(cè)時(shí)間;當(dāng)雜交溫度達(dá)65 ℃時(shí),雜交信號(hào)較其他溫度強(qiáng)(圖5)。

2. 3 基因芯片檢測(cè)結(jié)果

基因芯片檢測(cè)結(jié)果(圖6)表明,7株目標(biāo)菌株間均未出現(xiàn)非特異性雜交,說(shuō)明設(shè)計(jì)的探針具有良好特異性,可用于副溶血弧菌、霍亂弧菌、哈氏弧菌、創(chuàng)傷弧菌、溶藻弧菌、嗜水氣單胞菌、陰溝腸桿菌等病原菌的檢測(cè)。

2. 4 港口航道海水樣品檢測(cè)結(jié)果

以優(yōu)化的基因芯片雜交檢測(cè)采集到的3份海水樣品,結(jié)果(圖7)顯示,海水樣品1檢出霍亂弧菌、哈氏弧菌、嗜水氣單胞菌、陰溝腸桿菌和溶藻弧菌,海水樣品2檢出霍亂弧菌、哈氏弧菌、嗜水氣單胞菌、陰溝腸桿菌和溶藻弧菌,海水樣品3檢出霍亂弧菌、創(chuàng)傷弧菌、嗜水氣單胞菌和副溶血弧菌。

3 討論

目前在港口航道微生物檢測(cè)中,對(duì)細(xì)菌的檢測(cè)仍以傳統(tǒng)微生物檢測(cè)與PCR相結(jié)合的方法為主,而采用基因芯片進(jìn)行檢測(cè)的研究較少。在重要海域致病性細(xì)菌檢測(cè)方面,基因芯片檢測(cè)技術(shù)已初顯成效。郭建麗(2014)采用PCR與基因芯片相結(jié)合的方法,從大連海域的海濱浴場(chǎng)檢測(cè)出6種致病性細(xì)菌。本研究以港口航道致病性細(xì)菌為目標(biāo)菌株,選擇16S rDNA通用引物以提高檢測(cè)效率;并通過(guò)對(duì)探針點(diǎn)樣濃度、紫外交聯(lián)時(shí)間和雜交溫度等條件的優(yōu)化,最終確定探針點(diǎn)樣濃度為10 μmol/L、紫外交聯(lián)時(shí)間為2.0 h、雜交溫度為65 ℃,有效提高了基因芯片檢測(cè)的靈敏度,與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比可實(shí)現(xiàn)快速、高通量、準(zhǔn)確的目標(biāo)。

特異性是基因芯片檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵,與選取的靶基因和篩選的引物、探針密切相關(guān)(肖翔等,2012;薛輝等,2015;蘇寧等,2016)。由于本研究中副溶血弧菌、霍亂弧菌、哈氏弧菌、創(chuàng)傷弧菌和溶藻弧菌等5株目標(biāo)菌株的遺傳關(guān)系相近,因此在選擇靶基因時(shí)需嚴(yán)格篩選,且探針的特異性越高越好。將本研究設(shè)計(jì)的探針和引物在GenBank中進(jìn)行BLAST比對(duì),發(fā)現(xiàn)每條探針和引物序列均具有很高的特異性,且均未出現(xiàn)非特異性雜交。基因芯片檢測(cè)靈敏度是評(píng)價(jià)一種鑒定新方法的重要指標(biāo)之一。本研究結(jié)果顯示,在探針點(diǎn)樣濃度10 μmol/L、掃描熒光強(qiáng)度3578的條件下,即可產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的清晰雜交信號(hào),具有極高的靈敏度。基因芯片檢測(cè)技術(shù)不需要通過(guò)擴(kuò)增目的片段來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷,更適合于復(fù)雜基質(zhì)樣本致病菌的檢測(cè)與鑒定。本研究利用檢測(cè)這一優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)副溶血弧菌、霍亂弧菌、哈氏弧菌、創(chuàng)傷弧菌、溶藻弧菌、嗜水氣單胞菌和陰溝腸桿菌等7株致病性細(xì)菌進(jìn)行同時(shí)檢測(cè),具有良好的特異性,可在10 h內(nèi)完成檢測(cè)鑒定,較常規(guī)的細(xì)菌學(xué)診斷更快速、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用,為流行病學(xué)調(diào)查和突發(fā)性傳染病早期診斷提供了一種有效的檢測(cè)手段。

4 結(jié)論

針對(duì)港口航道致病性細(xì)菌建立的微陣列基因芯片檢測(cè)技術(shù)具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、快速便捷的特點(diǎn),可用于港口航道及周邊地區(qū)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)。

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(責(zé)任編輯 蘭宗寶)

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