Squish PCR: Zeitsparende Methode zur Genotypisierung von Drosophila Stämmen

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Hertha Hofer
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1 Squish PCR: Zeitsparende Methode zur Genotypisierung von Drosophila Stämmen Einleitung: Drosophila melanogaster hat sich als Modellorganismus in der Entwicklungsbiologie und der Genetik bewährt, und findet heute auch als Modell für menschliche Krankheiten in der präklinischen Forschung Anwendung. Die kurze Generationszeit, die verhältnismäßig leichte Haltung und die große Anzahl von produzierten Nachkommen erleichtern die Haltung von Drosophila in der wissenschaftlichen Forschung. Drosophila besitzt vier Chromosomenpaare: die Geschlechtschromosomen (X/X- bzw. X/Y) und die Autosomen 2, 3 und 4. Das gesamte Genom ist etwa 140 Millionen Basen groß und enthält rund Gene (FB2015_02 release of FlyBase). Einer der größten Vorteile von Drosophila als Modellorganismus ist jedoch seine leichte genetische Manipulierbarkeit, was die Generation mutanter Allele von Fliegengenen, die Einführung zusätzlichen genetischen Materials (Transgene) und ihre Kombination durch chromosomale Rekombination umfasst (Ashburner et al., 2005). Die Häufigkeit chromosomaler Rekombinationen ist proportional zu der Distanz zwischen den beiden genomischen Loci. Daher erfordert es die Testung einer großen Anzahl von Tieren um ein Individuum zu identifizieren, bei dem chromosomales Crossover zwischen zwei nah beieinander gelegenen Loci stattgefunden hat. Abbildung 1: Unterscheidung des Geschlechts bei Drosophila melanogaster. Die letzten beiden Hinterleibsegmente der Männchen sind dunkel gefärbt und auf der Vorderseite verfügt das Männchen über einen Genitalbogen mit Penis. Männchen tragen zudem an den Vorderbeinen eine als Geschlechtskamm bezeichnete dunkle Borstenreihe. Weibchen sind im Durchschnitt geringfügig größer als Männchen, ihr Hinterleib läuft spitz zu und alle Hinterleibsegmente sing gleichmäßig gebändert. Weibchen weisen auf Ihrer Vorderseite eine strukturell unauffällige Vaginalplatte auf. Abbildungen modifiziert nach: Flymove; Childress, Behringer und Halder. 1

Die kurze Generationszeit, die verhältnismäßig leichte Haltung und die große Anzahl von produzierten Nachkommen erleichtern die Haltung von Drosophila in der wissenschaftlichen Forschung.

2 Die genomische DNA einer Fliege kann mittels Squish single fly Protokoll (Gloor et al., 1993) schnell und unkompliziert isoliert werden. Die genomische DNA muss dabei nicht gesondert aufgereinigt werden, sondern kann direkt für die Amplifikation mittels Polymerase- Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) eingesetzt werden. Diese einfache Methode erlaubt es eine große Anzahl von Individuen mit wenig Zeitaufwand auf einen bestimmten Genotyp hin zu testen. Die PCR ist eine Methode zum Nachweis und zur enzymatischen Vermehrung kleinster Mengen spezifischer DNA zwischen zwei Nukleotid-Primern. Eine PCR besteht aus Zyklen. Jeder Zyklus umfasst die folgenden drei Schritte: Die zu amplifizierende DNA wird in Einzelstränge aufgeschmolzen (1. Denaturierung), die Primer binden gegenläufig an die DNA-Stränge (2. Hybridisierung) und die DNA-Polymerase heftet Nukleotide an die 3 -OH Primer-Enden und synthetisiert komplementäre DNA-Sequenzen (3. DNA- Synthese). Man spricht von einer Kettenreaktion, da die entstandenen Synthese-produkte eines jeden Zyklus als DNA-Matrize für den nächsten Zyklus dienen und es somit zur exponentiellen Vervielfältigung der DNA-Doppelstränge mit jedem Zyklus kommt (Knippers, 2006). Versuchsablauf: In diesem Experiment nutzen wir die Squish PCR um drei unbekannte Stämme auf Veränderungen im Genlokus des atf3 Gens (z.b. Insertionen, Deletionen, Inversionen) zu analysieren. 2

Diese einfache Methode erlaubt es eine große Anzahl von Individuen mit wenig Zeitaufwand auf einen bestimmten Genotyp hin zu testen.

3 Erste Versuchswoche: 1. Stellen Sie den Squish Extraktionspuffer (SE) in einem 1.5 ml Reaktionsgefäß her: 200 µl Squish Puffer (SP) [10 mm Tris-HCl ph 8.2, 1 mm EDTA ph 8, 25 mm NaCl] 4 µl Proteinase K (PK) [20 mg/ml stock) Vortexen Sie die Lösung, zentrifugieren Sie kurz runter und stellen Sie anschließend auf Eis kalt. 2. Markieren Sie drei PCR-Reaktionsgefäße mit der entsprechenden Stock-Nr. und Ihrer Gruppennummer und stellen Sie sie auf Eis kalt. 3. Die Fliegenstämme wurden zuvor durch einstündige Inkubation bei -20 C eingeschläfert. Überführen Sie die Fliegen des ersten Stammes auf die bereitgestellte Petrischale und identifizieren Sie unter dem Binokular unter zu Hilfenahme von Abbildung 1 ein einzelnes Weibchen. 4. Überführen Sie das Weibchen mit Hilfe einer Pinzette in das entsprechende PCR- Reaktionsgefäß. 5. Entsorgen Sie die restlichen Fliegen aus der Petrischale in dem dafür vorgesehenen Autoklavierabfall. 6. Verfahren Sie gleichermaßen mit den beiden anderen Stämmen. 7. Nehmen Sie 50 µl des vorbereiteten SE mit der Pipette in eine gelbe Spitze auf. Zerdrücken Sie die Fliege in dem PCR Reaktionsgefäß mit Hilfe der gelben Spitze ohne die Flüssigkeit auszuwerfen. Erst wenn die Fliege deutlich aufgeschlossen wurde, werfen Sie die Flüssigkeit aus und vermischen sie mit dem Fliegenextrakt. 8. Gleichermaßen verfahren Sie mit den zwei weiteren Proben. 9. Zentrifugieren Sie die Proben kurz, stellen sie in die vorbereitete PCR Maschine und laufen Sie folgendes Programm nachdem alle Gruppen ihre Proben in dem Gerät platziert haben: Squish Programm 55 o C für 30 min 95 o C für 5 min 4 o C 3

und Ihrer Gruppennummer und stellen Sie sie auf Eis kalt. 3. Die Fliegenstämme wurden zuvor durch einstündige Inkubation bei -20 C eingeschläfert.

4 10. Stellen Sie den Mastermix für die PCR wie folgt her: Master Mix PCR Reagenzien Volumen [µl] steriles ddh 2O 17 2x ExTaq PCR mix 25 dntps 4 Primer 1 (P1) 2 Primer 2 (P2) 2 Gesamtvolumen 50 Tabelle 1: Primer Primer Name Sequenz Nr. 1 Deletion Atf3 For GACAAATGGACAAATGGACAAACGG 2 Brian rev TGGGATGGTTGCTGGCACTGCCAGTT 11. Mischen Sie den Master Mix durch vortexen und zentrifugieren ihn anschließend kurz um die Flüssigkeit am Boden des Reaktionsgefäßes zu sammeln. 12. Kennzeichnen Sie einen PCR-Streifen auf der Seite des Gefäßes wie folgt: N-1 N-2 N-3 N-NK N: Gruppennummer; NK: Negativ Kontrolle 13. Pipettieren Sie jeweils 11 µl des Mastermixes in jedes gekennzeichnete Gefäß des Streifens. 14. Pipettieren Sie 2 µl des Fliegenextraktes in die jeweilige PCR-Reaktion (entsprechend dem Schema: Fliegenextrakt von Stamm 1 in das Reaktionsgefäß N-1, 2 in Reaktionsgefäß N-2, usw.). 15. Pipettieren Sie 2 µl steriles ddh2o in die Negativkontrolle (NK). 16. Zentrifugieren Sie den PCR-Streifen kurz, stellen Sie ihn in die vorbereitete PCR Maschine und laufen Sie folgendes Programm nachdem alle Gruppen ihre Proben in dem Gerät platziert haben: 4

Mischen Sie den Master Mix durch vortexen und zentrifugieren ihn anschließend kurz um die Flüssigkeit am Boden des Reaktionsgefäßes zu sammeln. 12.

5 atf3 PCR Programm C für 5 min, C für 30 sec C für 30 sec C für 2 min 30 sec, wiederhole Schritt x 5. 8 C/end Zweite Versuchswoche 17. Stellen Sie ein ein-prozentiges Agarosegel wie folgt her: 0.5 g Agarose 50 ml 1xTAE 18. Kochen Sie die Lösung in der Mikrowelle kurz auf bis sich die Agarose vollständig gelöst hat (VORSICHT! Beim Erhitzen der Lösung kann es zum Siedeverzug kommen! Deswegen: Flüssigkeit zwischendurch gelegentlich umschwenken und nach dem Erhitzen die Flüssigkeit noch mind. 20 sec im Gerät stehen lassen!)) 19. Lassen Sie die Lösung kurz abkühlen. Bauen Sie währenddessen die Kammer zum Gießen des Gels zusammen. 20. Fügen Sie unter Aufsicht eines Tischassistenten 2 µl Ethidiumbromid zu der Agaroselösung (ACHTUNG: Ethidiumbromid ist gifitig und mutagen! Auf jeden Fall Nitril-Handschuhe tragen! Kontakt vermeiden!), mischen Sie die Lösung durch vorsichtiges schwenken und gießen sie vorsichtig in die vorbereitete Gießapparatur. 21. Fügen Sie 2 µl Ladepuffer (LP) zu jeder PCR-Reaktion hinzu und zentrifugieren Sie erneut runter. 22. Transferieren Sie das erhärtete Agarosegel in die Gelkammer und bedecken Sie es großzügig mit 1xTAE Puffer. 23. Laden Sie 10 µl jeder Ihrer PCR Proben auf dem Agarosegel sowie 4 µl DNA- Leiter (1 kb) entsprechend folgendem Schema: Ladeschema Agarosegel: kb N 1 N 2 N 3 N NK 5

Beim Erhitzen der Lösung kann es zum Siedeverzug kommen! Deswegen: Flüssigkeit zwischendurch gelegentlich umschwenken und nach dem Erhitzen die Flüssigkeit noch mind. 20 sec im Gerät stehen lassen!

6 24. Lassen Sie das Gel bei 80V 40 min laufen und analysieren Sie die Banden anschließend mit Hilfe der Geldokumentation. 25. In der Zwischenzeit nutzen Sie die auf Ihren Computern installierte ApE Software um herauszufinden wo im atf3 Genlokus die für die PCR verwendeten Primer binden und wie groß das zu erwartende PCR-Produkt ist (Datei mit dem atf3 Genlokus finden Sie auf dem Desktop). Tabelle 2: Squish-PCR Ergebnisse Stamm PCR-Fragmentgröße Genotyp Referenzen Ashburner,M., Golic K.G., and Hawley,R.S. (2005). Drosophila - A laboratory handbook. (New York: Cold Spring Harbor). Carvalho,G.B., Ja,W.W., and Benzer,S. (2009). Non-lethal PCR genotyping of single Drosophila. Biotechniques 46, Gloor,G.B., Preston,C.R., Johnson-Schlitz,D.M., Nassif,N.A., Phillis,R.W., Benz,W.K., Robertson,H.M., and Engels,W.R. (1993). Type I repressors of P element mobility. Genetics 135, Knippers, R., 2006, Molekulare Genetik, Stuttgart, Thieme. 6

PCR-Produkt ist (Datei mit dem atf3 Genlokus finden Sie auf dem Desktop). Tabelle 2: Squish-PCR Ergebnisse Stamm PCR-Fragmentgröße Genotyp 1 2 3 Referenzen Ashburner,M., Golic K.G., and Hawley,R.S. (2005).

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