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PCR技术在沙门氏菌快速检测中的应用

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维普资讯 http://www.cqvip.com 动物医学进展.2004,25(6):55—58 Progress in Veterinary Medicine PCR技术在沙门氏菌快速检测中的应用 刘华伟 ,郭蔼光 ,马立农¨,邱 立。 (1.西北农林科技大学,陕西杨陵712100;2.深圳职业技术学院,广东深圳518055) 中圈分类号:S852.612 文献标识码:A 文章组号:1007—5038(2004)06—0055-04 摘要:PCR是一种体外核酸扩增技术,具有敏 猪霍乱沙门氏菌、肠炎沙门氏菌、鸭沙门氏菌、新港沙门 其中以鼠伤寒沙门氏菌、肠炎沙门氏菌及猪霍 感性强、特异性高、快速、简便等优点,在医学、生 氏菌等, 物学等领域中得到了广泛应用。文章系统地阐 乱沙门氏菌最为常见。传统的检测方法过程复杂,周期长,所需试剂繁多。 述了PCR技术在沙门氏茵快速检测中的应用, PCR技术以其敏感性强、特异性高、简便、快速等优点, 并对引物基因设计、PCR扩增过程中的技术参 现已广泛应用于微生物检测,本文重点论述了PCR技 数和常见疑难问题做了归纳总结。同时简要介 术在沙门氏菌检测中的应用,并对其研究进展做了简要 绍了PCR技术的研究进展,展望了今后微生物 介绍。 检测的发展方向。 1 PCR技术简介 关键词:PCR;沙门氏茵;快速检测;引物设计; 聚合酶链式反应(polymerase chain reaction)简称 血清型 PCR,是一种体外核酸扩增技术。PCR技术最初是为 na和 沙门氏菌是一类广泛分布于自然界,对人类和动物 了降低化学合成基因的工作量,1971年由Khorais和Cetus公司 具有极大危害的革兰氏阴性致病茵。目前全世界已分 他的同事提出。1985年由Kary Mull离出2 523个血清型[1],我国已发现216个[2]。与人类 的同事首次开发成功,随后在医学、生物学等领域中得 疾病有关的血清型主要集中于A~E群,包括:伤寒沙 到了广泛应用,Kary Mullis因此获得1993年诺贝尔化  门氏菌、甲、乙、丙型副伤寒沙门氏菌、鼠伤寒沙门氏菌、 学奖。收穰日期:2004—07—21 作者简介:刘华伟(1975一),男,陕西西安人,在读硕士研究生,主要从事生物化学与分子生物学研究.*通讯作者 [17] S&we ̄h M,Richter M F,Herrmann C,et aL Unexpected structural requirements for GTPase acfivity Of the eHeron—in_ Virology,1995。206(1)I 545 [22]Rormi T,Matikainen A,Lehtonen A,et aL The pro ̄ma|.ntier- feron-stimulated response elements are essential for interferon re- duced MxA protein[刀.J Biol Chem,1995,270(22)I 13518. 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The antivira1 function of Mx proteins has been successfully found in human and mouse,but not in the duck.A specific amino acid substitution at position 631(Ser to Asn)was considered to determine the antivira1 positive or negative Mx gene in chicken.The application and prospect of Mx proteins in poultry were also discussed in the review. Key words ̄poultry;Mx proteins;antivira1 function!GTPases activity 维普资讯 http://www.cqvip.com 56 动物医学进展2004年第25卷第6期(总第134期)  PCR基本原理是利用Taq DNA聚合酶(Taq酶) 沙门氏菌。依赖DNA模板的特性,利用PCR仪模仿生物体内 (3)hilA基因——编码侵袭基因正调节蛋白。hilA DNA的复制过程:在由DNA模板、引物、dNTP、Taq 是inv基因的正转录调节蛋白。Xuan Guo等n叼证实 酶及其buffer(含M )、去离子水组成的反应混合物 针对hilA基因设计引物,可特异性地检测沙门氏菌。 中,通过不断循环进行的变性一退火(复性)~延伸反 (4)fimA基因——编码I型菌毛主要的亚单元。 应,由Taq酶催化对一对寡核苷酸引物所限定的DNA fimA基因编码沙门氏菌I型菌毛主要的亚单元,介导 片断进行指数式扩增,经电泳、染色后,在紫外光下检测 与上皮细胞表面的特异受体相结合。Cohen H J等n妇 目的条带。 2 PCR技术在沙门氏菌检测中的应用 2.1模板的制备 2.1.1菌株的培养挑取检测样品菌落接种于营养肉 汤,必要时需接种于增菌液,37℃摇床恒温培养18 h 后,进行DNA模板的提取。 2.1.2模板的制备 (1)裂解法(酶裂解法或碱裂解法)。利用溶菌液 I、Ⅱ或碱裂解液I、II裂解沙门氏菌,结合有机溶剂抽 提,预冷的无水乙醇沉淀制备模板DNA。虽然裂解法 比较费时,而且氯仿、异戊醇有一定的刺激性,酚具有很 强的毒性和腐蚀性[32。但此方法蛋白质及其它杂质去 除彻底,而且获得的模板DNA量较多,重复性与稳定 性好,因此是制备模板DNA的经典方法。 (2)冻融法。一2O℃冷冻,37℃溶解,如此反复几 次,迫使沙门氏菌细胞壁破裂,离心去杂,获取模板 DNA。 (3)热裂解法。利用沸水破坏沙门氏菌细胞壁,并 使蛋白质和DNA变性,离心去杂,获取模板DNA。此 法简单、快速,适用于对沙门氏菌的快速检测,但提取的 模板DNA量少,稳定性不如经典裂解法,而且并非对 所有细菌都实用,如加热能释放大量碳水化合物的细菌 不宜使用此方法 ]。 (4)试剂盒提取法。已有很多公司生产DNA提取 试剂盒,只需遵照说明书操作即可。 2.2 引物设计 引物设计是利用PCR检测沙门氏菌成功与否的关 键,用来设计PCR引物的基因主要分3类,即属特异性 引物基因、血清群特异性引物基因与血清型特异性引物 基因。 2.2.1属特异性引物基因 (1)hut基因——编码组氨酸转运操纵子。Cohen N D等[4]根据沙门氏菌组氨酸转运操纵子基因,设计出 沙门氏菌属的特异性引物,章新生等嘲利用此引物检测 沙门氏菌取得了很好的结果,我们也证实对17种A~ F群典型沙门氏菌标准菌株和5种分离菌株均在500 bp附近(496 bp)扩增出一条特异性条带,而大肠埃希 氏菌等6株非沙门氏菌标准菌株则均表现阴性。 (2)inv基因簇——编码吸附和侵袭上皮细胞表面 蛋白。inv基因簇,与沙门氏菌对肠道上皮细胞的侵袭 有关,包括invA、invB、invC、invD、invE等基因。Rahn K等 、Stone G G等 、卢强等 、王军等嘲均证实基 于inv基因簇设计的引物,具有属特异性,可用于鉴别 根据fimA基因设计特异引物,检测出牛奶等食品中的 沙门氏菌。 (5)hns基因——编码与蛋白质结合的DNA。hns 基因编码与蛋白质结合的DNA,Jones D D等n2]根据 该序列设计引物和探针,检测出牡蛎中污染的多种沙门 氏菌。 (6)spv基因——编码沙门氏菌毒性质粒相关的毒 力因子。spv基因编码与沙门氏菌毒性质粒相关的毒 力因子,与沙门氏菌的致病性有关。Mahon J等[”]根 据鼠伤寒沙门氏菌spvR基因设计引物,特异性检测到 具有该毒力相关基因的沙门氏菌,而不含质粒和质粒无 该毒力相关基因的菌株则表现阴性。 (7)16 S rRNA基因。李君文等n 将常规PCR与 半套式PCR相结合,以沙门氏菌中最保守的16 S rRNA基因为模板设计了一对沙门氏菌属的特异性引 物,经过优化反应条件,敏感性提高到3 cfu。 2.2.2血清群特异性引物基因 rfb基因一一编码沙 门氏菌的菌体抗原(0抗原)。O抗原与沙门氏菌对宿 主细胞的粘附、侵袭和在寄主细胞间扩散有关,是沙门 氏菌主要的致病因子之一,刺激机体产生IgM抗体。 目前沙门氏菌属分为A~Z、051~063、065~067等 46个血清群L1],其中引起人类疾病的主要分布在A~E 群。Luk J M C等n5]根据rfbJ、rfbS基因序列分别设 计引物,检测A,B,C2,D群沙门氏菌。Gillespie B E 等[1 ]在此基础上结合Lee S J等[" 设计的c1群rib基 因引物,同时检测到A,B,C1,C2,D群沙门氏菌,不足 的是该C1引物和大肠杆菌有交叉反应,尚需进一步改 进。 2.2.3血清型特异性引物基因沙门氏菌的H抗原 (鞭毛抗原)本质是蛋白质,是沙门氏菌重要的毒力因 子,决定其对寄主细胞表面的吸附、侵入和定居过程,刺 激机体产生IgG抗体。沙门氏菌的H抗原分为H1相 和H2相,根据0抗原的不同分为46个血清群,各血清 群再根据H抗原各相的不同而分成不同的血清型。 (1)fliC基因——编码H1相抗原。H1相又称特 异相,特异性高,大多数沙门氏菌都具有H1相抗原。 Wei L N等口。]测出沙门氏菌几种不同的fliC基因序 列,经序列对比分析后将沙门氏菌的fliC基因分为8个 区,其中I和ⅥⅡ区的保守性达到100 ,李景鹏等[1妇 利用自行设计的I区引物扩增沙门氏菌,证实该引物具 有属特异性。II~VⅡ则表现出不同程度的特异性,其 中H1一d 1 O72~1 089区段序列为伤寒沙门氏菌所特 有。Song J H等[2。。、王礼文等[21]根据此区结合套式 维普资讯 http://www.cqvip.com 刘华伟等:PCR技术在沙门氏菌快速检测中的应用 57 PCR,特异性检测到伤寒沙门氏菌。 (5)dNTP浓度。dNTP浓度过高会促进错配碱基 (2)fljB基因——编码H2相抗原。H2相也称非 的延伸,过低则PCR产物量少甚至出现假阴性。常规 特异相,特异性低,伤寒沙门氏菌、都柏林沙门氏菌等部 PCR反应体系中各dNTP的终浓度为20~250 gmol/ 分沙门氏菌没有H2相。Echeita M A等[2 ]利用多重 L,也可直接选用dNTP MiX[3,193。 PCR检测出沙门氏菌不同的H2相抗原。 2.3.2 PCR参数 模板充分变性是PCR扩增的前 (3)via基因——编码vi抗原。伤寒沙门氏菌、丙 提,但变性温度过高、时间过长,直接影响Taq酶活性。 型副伤寒沙门氏菌等少数沙门氏菌具有表面抗原(Vi 可采取热启动PCR或直接应用HS-Taq酶。复性(退 抗原),功能与大肠杆菌的K抗原相似,与沙门氏菌的 火)温度和时间,也与PCR成败密切相关,通常选低于 致病性有关。Vi抗原不稳定,易丢失,只可作为辅助检 引物Tm值3~5℃并结合降落PCR或梯度PCR试验 验。也可将沙门氏菌几种抗原结合起来,从而直接确定 沙门氏菌特定的血清型。Hirose K等[24]利用多重 PCR选择性扩增rfbE、rfbS、viaB、fliC基因,特异性检 测出伤寒沙门氏菌和甲型副伤寒沙门氏菌。Lim Y H 等[2印利用多重PCR同时扩增rfbJ、fliC、fIjB基因也特 异性检测到鼠伤寒沙门氏菌。 (4)16 S~23 S rRNA基因间序列。Lagatolla C 等[ 阳利用PCR扩增16 S~23 S rRNA基因间序列 (RNA指纹图谱),也区分出沙门氏菌不同的血清型。 (5)PCR—RFLP图谱。Dauga C等口"、Hong Y 等[2胡将PCR扩增产物进行不同的性内切酶酶切, 利用性片断长度多态性(RFLP)也可区分沙门氏 菌不同的血清型。随着沙门氏菌基因组研究的不断深 入,用来设计PCR引物的候选基因将会更多,具体应根 据检测目的的不同来筛选候选基因,设计PCR引物。 2.3 PCR扩增 2.3.1 PCR体系 (1)DNA模板。由于常规PCR检测,对模板要求 不严格,因此使用简便、快速的热裂解法提取模板DNA 即可。但是热裂解法并不能完全取代经典的碱裂解法, 而且并非所有细菌都适合用热裂解法来提取模板 DNA[3.19"1。 (2)Taq酶。Taq酶的含量直接影响PCR结果,若 酶量偏少PCR产物相应减少,反之酶量过高则易增加 非特异性扩增产物。目前已开发出具有不同特性的聚 合酶体系,具体应根据实验要求而定。如Takara公司 的系列Taq酶:为了提高灵敏度可选Ex Taq酶,为了 提高产物特异性可选EX Taq HS酶等。通常对于5o L常规PCR反应体系Taq酶用量为0.5~2.5 Ut3,193。 (3)Mgz+浓度。Mg2+浓度会直接影响Taq酶活 性、模板与PCR产物的变性温度、产物的特异性及引物 二聚体形成。Mg2+浓度过低,Taq酶活力降低导致 PCR产物量少,易造成假阴性;Mg2+浓度过高易产生 非特异性扩增。如果模板中含有EDTA等螯合剂,应 适当增加Mg2+浓度。常规PCR反应体系中Mg2+终 浓度范围为0.5~5.0 mmol/LE3,193。 (4)引物浓度。引物浓度也会影响PCR的结果,引 物浓度过低,PCR产物量少甚至出现假阴性,引物浓度 过高,易产生引物二聚体和非特异性扩增,常规PCR体 系引物终浓度为0.1~1.0 ttmol/LE ¨]。 进行摸索。另外循环次数过少,PCR扩增条带较暗,循 环次数过多则易产生非特异性扩增,通常为25~35个 循环 。 2。4 PCR结果分析 PCR扩增结果进行琼脂糖电泳分离,通常用 0.5 ttg/mL EB(溴化乙锭)染色。由于EB是强诱变 剂,因此制胶和观察结果时应戴上一次性手套,严防EB 交叉污染危害他人。SYBR染料是一种新型的极为敏 感的荧光染料,信号强,背景值低,核酸亲和力高, SYBR Green I主要用于溶液中双链DNA的定量分 析,如实时荧光PCR中双链DNA的检测。SYBR Green II主要用于单链DNA、RNA的染色和溶液中 RNA的定量分析。SYBR Gold用于DNA和RNA的 染色,可用于琼脂糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶的染色,也可 用于含有变性剂的凝胶染色,可检出琼脂糖凝胶中小于 2O pg的双链DNA,是EB极限的1/25。染色的核酸可 直接转移到膜上进行Northern杂交或Southern杂 交 引。 2.5 PCR中的常见疑难问题 2.5.1假阴性造成假阴性通常有以下原因:①Mg'+ 浓度过低或选用的1O×buffer中不含Mg'+・;②变性 不完全;③复性条件不合适;④DNA模板中含有蛋白质 (尤其是组蛋白)、Taq酶抑制剂;⑤Taq酶失活}⑥引物 合成质量低、引物特异性差等。 2.5.2假阳性造成假阳性通常有以下原因:①引物 特异性不高;②预变性温度过高、时间过长}③样品污 染、扩增试剂污染、扩增产物交叉污染等。 2.5.3 出现非特异性扩增带 出现非特异性扩增带通 常有以下原因:①Mg2+离子浓度过高;②退火温度过 低;③PCR循环次数过多;④发生错配或产生引物二聚 体;⑤Taq酶量过多或质量较差等。 2.5.4出现片状拖带 出现片状拖带通常有以下原 因:①Taq酶量过多或酶质量较差}②Mg2+浓度过高} ③退火温度过低;④循环次数过多}⑤模板DNA过量 等。 3 PCR技术研究进展及发展前景 近年来,PCR及其相关技术得到了较大的发展,产 生了多种新的PCR方法。如反相PCR(Inverse PCR)、反转录(RT—PCR)、长距离PCR(Long PER)、随 机扩增多态性DNA技术(RAPD)、套式PCR(Nested PCR)、免疫PCR(Immuno PCR)、不对称PCR(Asym- 维普资讯 http://www.cqvip.com 58 动物医学进展2004年第25卷第6期(总第134期) for detection of Salmonella spp[J].Appfid aend Envivomenntl ametric PCR)、差异显示PCR(DD-PCR)、多重PCR Microbiology,1996,62(12):4303—4308. (Mutiplex PCR)、固相PCR(Sulidus PCR)、实时荧光 [12] JonesDD,LawR,Bej AICDetection of Salmonella spp.in con- PCR(Real time PCR)等。另外将PCR技术与微孔板 检测技术、ELISA技术、探针杂交技术等有机结合起 来,国内外都有不少报导。李君文等[1 将常规PCR与 半套式PCR相结合,提高了检测的灵敏度。马立人 等 。 将PCR与核酸探针技术相结合,已制成生物芯片 taminated oysters using polymerase chain reaction and gene probes [刀.J Food Scl,1993,58(6):1191-1197. [13] Mahon J,Lax A J.A quantitative polymerase chain reaction meth— d for the detectoion in avian faeces of Salmonellas carry ̄the 检测沙门氏菌。 of abequose and paratose synthase genes(rfb)by polymerase 目前国内外已开发出多种具有不同特性的DNA chain reaction for identiifatcion of Salmonella major serovars(A, 聚合酶体系,也开发出了多种PCR试剂盒,简化了 B,C2,and D)[刀.J Clin Microbiol,1993,31(8):2118—2123. lespie B E,Mathew A G,Draughon F A,et a1.Detection of PCR操作,提高了实验的重现性。随着机械手技术的 r16] Gi不断发展,结合PCR仪在质量和技术上的不断发展,实 现了PCR全过程的自动化,如Beckman公司开发成功 [17]的CE 系列遗传分析系统。提高检测灵敏度、缩短 检测时间、简化检测程序,实现检测的自动化、快速化、 Salmonella enteria somaticc groups C1 and E1 by PCR一曲工yme. 2370. spvR gene[J].Epidemoil Infect。1993・111(3):455‘464. 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Key words:PCR;Salmonella I rapid detection;design primer;serotype 

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