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PCR方法鉴定结核分枝杆菌临床分离株

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维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年8月 农垦医学 Aug.2007 V01.29 No.4 第29卷第4期 Journal of Nongken Medicine ・论著・ PCR方法鉴定结核分枝杆菌临床分离株 黄 春 李 蕾2 吴 芳2 王 萍2 吴江东2 杜 燕2 张万江2 (1.石河子大学2004级病理学与病理生理学研究生; 2.石河子大学医学院地方与民族高发病重点实验室,石河子,832002) 【摘要】目的:用3对引物PCR扩增的方法对结核分枝杆菌临床分离株进行菌种鉴定。方法:将3对特征性的 结核分枝杆菌标记基因:MFr40基因、a抗原基因和IS6100插入序列,分别放入PCR体系中,在各自的退火温度下进 行PCR扩增,通过对扩增产物的不同带型进行分析,对结核分枝杆菌临床分离株进行菌种鉴定。结果:用3对引物 PCR扩增的方法可将各种类型的结核分枝杆菌以及结核分枝杆菌与非结核分枝杆菌鉴别开。结论:3对引物PCR 扩增的方法是一种有效的结核分枝杆菌菌种鉴定的方法,可用于结核分枝杆菌与非结核分枝杆菌以及各种类型的 结核分枝杆菌的区分。 【关键词】结核分枝杆菌;菌种鉴定;聚合酶链反应 中图分类号:Q78l 文献标识码:A 结核病是由结核分枝杆菌引起的世界性传染 病,也是单一致病菌感染导致死亡率最高的感染性 疾病。近年来随着人口流动增加、HIV与结核分枝 杆菌伴发感染以及结核分枝杆菌多重耐药性菌株的 倍,1.51倍和3.88倍。结核病死亡率为38.10/10 万,肺结核死亡率为34.64/10万,结核病疫情南疆 高于北疆,农村高于城市,少数民族高于汉族 2 J。 面对结核病流行的复杂性以及区域之间的显著 差异性,对采集的分枝杆菌标本进行菌种鉴定是必 要的。也是科学研究、明确诊断以及合理用药的基 础。目前,结核分枝杆菌菌种鉴定多采用PCR技术 出现等原因,使全球结核病疫情再度回升,全球每年 新发结核病患者1 000万人,死亡300万人,因此,世 界卫生组织(WHO)将结核病与艾滋病、疟疾列为二 十一世纪人类需要攻克的三大传染性疾病之一。 取代复杂、费时的传统生化实验方法,但是,在应用 PCR技术作为诊断工具多年以后,人们逐渐发现了 它的一些缺陷。例如,结核分枝杆菌常用的基因诊 我国是全球22个结核病高负担国家之一,疫情 较为严峻,流行趋势呈现出患病年轻化、病变多系统 化的特点。全国已有5.5亿人受到感染,发病率、死 亡率和耐药率均明显高于发达国家水平,特别是广 大农村由于经济发展慢、卫生条件较差,流行蔓延趋 势尤为严峻。根据2000年进行的第4次全国结核 断工具是IS6100插入序列,但在某些结核分枝杆菌 菌株的基因组DNA中缺乏此序列,则会出现假阴性 结果。同时它也不能将感染人型的结核分枝杆菌从 其它类型的结核分枝杆菌中区别开,这使得PCR技 术的应用受到。 文献报告的多重PCR技术【3 J,将3对特征性的 结核分枝杆菌标记基因:MPT40基因、a抗原基因和 IS6100插入序列在同一个体系中进行扩增,即用3 对结核分枝杆菌特异性引物,在同一退火温度条件 下同时扩增待检菌株的基因组DNA,可以一次性将 病流行病学抽样调查结果估算,目前我国约有450 万活动性肺结核病人,结核病人数位居世界第2位, 约占全球结核病人的四分之一,传染性肺结核病人 约150万,每年约有12.7万人死于结核病…。 维吾尔自治区第4次结核病流行病学抽样 调查报告结果显示:全区活动性肺结核患病率为 463.65/10万。菌阳患病率为252.23/10万,涂阳患 病率为159.50/10万,分别是全国平均水平的1.26 分枝杆菌与非分枝杆菌、结核分枝杆菌与非结核分 枝杆菌鉴别开。更重要的是,可以将感染人型的结 基金项目:国家自然科学基金30460129 *:通讯作者张万江,病理生理学副教授,硕士生导师,E—mail:zwjl】17@sina.com ・245・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 农垦医学 第29卷 核分枝杆菌与牛型结核分枝杆菌、鸟型结核分枝杆 菌等较易混淆的菌种鉴别开,而且,当菌株缺乏 IS6100插入序列时仍可以靠另外的种特异标记基因 Ml ̄40将结核分枝杆菌鉴定出来。 本实验验证了上述方法。虽然可以达到将结核 CAGCq'G'W_.C3 )扩增表达32kDa蛋白的基因序列_4 ; tfl(5 CGGCAACGCGCCGTCGGTGG 3 )和FI'2(5 CCCCCCACGGCACCGCCGGG3 )扩增表达MTP40种 特异蛋白的基因序列I5 ;IS5(5 CGGAGACGGTGCC GTA ACTGG3 )和IS6(5 CATGGACCGGCCAGGGC兀 G 分枝杆菌与非结核分枝杆菌以及不同类型的结核分 枝杆菌鉴别开的目的,但是,将3对分枝杆菌标记基 因在同一个反应体系进行扩增比较困难,先分析原 C 3 )扩增IS6110插入序列 。扩增的总反应体积 为50vL,其中DNA模板1~2t,-L,引物各0.4tanol(上 海生工生物工程技术服务有限公司合成,PAGE纯 因如下。 1材料与方法 1.1材料 1.1.1 标准株 结核分枝杆菌国际标准强毒株 H37Rv株和国际标准弱毒株H37Ra株由中国药品 生物制品鉴定所提供。 1.1.2临床分离株 l2株临床分离株分枝杆菌均 来自阿勒泰地区疾病控制中心。 1.1.3培养基改良罗氏固体培养基用于分枝杆 菌的活化、传代培养。苏通液体培养基用于分枝杆 菌的培养。 1.1.4主要试剂PCR buffer,dNTP mix,Taq DNA polymemse为日本TaKaRa公司产品,PCR弓l物、 100bpDNA梯度Mark由上海生工生物工程技术服务 有限公司提供,Agarose gel为美国BBI公司产品,三 氯甲烷为天津大茂化学试剂厂产品,苯酚、异丙醇、 无水乙醇为上海试剂一厂产品,溴酚兰、EB为美国 Promega公司产品,1×TAE按照《分子克隆》方法配 制。 1.2方法 1.2.1菌株的培养12例临床菌株标本均取自痰 菌涂片阳性及胸片证实为活动性肺结核病患者,经 1%的碳酸氢钠处理后,罗氏固体琼脂培养基分离培 养得到阳性菌落。结核分枝杆菌国际标准强毒株 H37Rv菌株、国际标准弱毒株H37Ra菌株和临床分 离株均接种于苏通液体培养基,37 ̄C静置培养4周, 形成片状淡黄色新鲜菌落。 1.2.2基因组DNA的提取收集浮于液体表面的 新鲜菌落;稍加研磨后重悬于一定体积的溶菌酶和 蛋白酶K溶液中,37 ̄C水浴5小时,采用标准酚一氯 仿纯化法提取结核分枝杆菌国际标准强毒株H37Rv 菌株、结核分枝杆菌国际标准弱毒株H37Ra菌株和 临床分离株基因组DNA(具体方法从略)。 1.2.3 PCR扩增设计引物分别为:MT1(5 TrCCT ACCACCCACC1 CCG3 )和MT2(5 CCCCAGTACT CC ・246・ 化),TaqDNA聚合酶2.5ttL/反应,dNTP 200ttmol,1× PCR缓冲液。扩增用美国ERICOMP公司PCR仪。 热循环为:94oC×lmin、71 oC×1.5min、72oC×2min, 反复35次后,再以72 ̄C保持10min,热循环结束。 分次PCR热循环条件:扩增表达32kDa蛋白的 基因序列的热循环条件为:94cC×lmin、66cC×1.5 imn、68oC×2 min,反复35次后再以68cc保持l0 imn,热循环结束。扩增表达MTP40种特异蛋白的 基因序列的热循环条件为:94oC×1 min、67cc×1.5 arin、71 oC×2 min,反复35次后再以7l cc保持l0 min,热循环结束。扩增IS6110插入序列的热循环条 件为:94oC×1 min、70oC×1.5 min、72oC×2 min,反 复35次后再以72 ̄C保持10 imn,热循环结束。 1.2.4扩增产物的分析以1.5%含染色剂(50t ̄g/ lOOml溴化乙锭)琼脂糖凝胶进行恒压电泳,扩增产 物5 孔,上样缓冲液为溴酚蓝和二甲青胺的混合 液。电泳缓冲液为I×TAE缓冲液。 2结果 2.I PCR对分枝杆菌鉴定的特异性PCR扩增分 枝杆菌DNA时产生1~3条带。其中引物Pr1、FI'2 引导扩增的是一段约400bp长的种特异带;引物 MT1、M12引导扩增产生1条500bp的属特异带;而 引物IS5、IS6引导扩增产生1条1000bp的结核分枝 杆菌复合群特异带。感染人型结核分枝杆菌基因组 DNA扩增产物为3条带,牛型结核分支杆菌为2条 带(MT和IS),非结核分枝杆菌只有1条带(MT),而 非分枝杆菌则不产生带的扩增见表1。 表1各种菌株PCR扩增结果 2.2经用PCR技术对结核分枝杆菌国际标准强毒 维普资讯 http://www.cqvip.com

2007年8月 农垦医学 Aug.2007 V01.29 No.4 第29卷第4期 Journal of Nongken Medicine 株H37Rv株和国际标准弱毒株H37Ra株进行菌种 鉴定,结果均为3条带,证明了该方法的可重复性 (图1)。对12株地区结核分枝杆菌临床分离 株进行菌种鉴定,发现其中有1株为牛型结核分枝 标记基因,对采集的地区结核分枝杆菌临床分 离株进行菌种鉴定,同时对中国药品生物制品鉴定 所提供的已知菌种结核分枝杆菌国际标准强毒株 H37Rv株和国际标准弱毒株H37Ra株进行验证,结 杆菌,其它均为感染人型结核分枝杆菌复合群。用 3对引物联合扩增地区结核分枝杆菌临床分离 果表明:该方法确实可以达到将结核分枝杆菌与非 结核分枝杆菌以及不同类型的结核分枝杆菌鉴别开 的目的,而且对已知菌种结核分枝杆菌国际标准强 株,虽可获得三条不同的DNA带谱,但重复性差, 重复20次,可成功1次,成功率5%;而用代表种、 属和群的3对单引物分次扩增地区结核分支杆 菌临床分离株,也可获得同样的结果,而且重复性 好,重复20次,可成功10次,成功率50%(图2)。 M 1 2 3 司 5 6 1、3、5:代表种、属和群的单引物扩增结核分枝杆菌国 际标准强毒株H37Rv株DNA带谱;2、4、6:代表种、属 和群的单引物扩增结核分枝杆菌国际标准弱毒株 H37Ra菌株DNA带谱;M: ̄00brlDNA梯度Mark。 图1 分次PCR扩增结核分枝杆菌国际标准株结果 M l 2 3 4 5 1 000bD一 500bD—— 400bp—— 1:3对引物联合扩增大肠杆菌对照组;2:3对引物联 合扩增结核分枝杆菌临床分离株DNA带谱;3、4、5: 代表种、属和群的单引物扩增地区结核分枝杆 菌临床分离株DNA带谱;M:100bpDNA梯度Mark。 图2结核分枝杆菌临床分离株PCR扩增结果 3讨论 309医院的王仲元等报告的多重PCR技 术,将3对特征性的结核分枝杆菌标记基因在同一 个体系中进行扩增,可以一次性将分枝杆菌与非分 枝杆菌、结核分枝杆菌与非结核分枝杆菌鉴别开。 本室采用该方法,用这3对特征性的结核分枝杆菌 毒株H37Rv株和国际标准弱毒株H37Ra株进行的 验证性试验具有可重复性,但是,在PCR扩增时发 现:将3对引物置于同一个反应体系进行扩增比较 困难,成功率较低,只有5%,故加以变动,将3对引 物置于不同退火温度条件下,分别扩增待检菌株的 基因组DNA,成功率提高,达到50%,较容易地得到 了菌种鉴定结果。 总结原因可能是:①变性所需Tm值不同:在第 一轮循环前,使模板完全解链需要的温度和时间是 由基因组的Tm值决定的,而Tm值的高低又是由 GC含量决定的,当用3对引物同时进行PCR扩增 时,由于各自的GC含量不同,各自的Tm值不同,很 难在同一个退火温度下完成扩增。例如,400bp引 物中MT1的GC含量是80%,Tm值是70.10,MT2的 GC含量为90%,Tm值是74.20;500bp引物中Prr1 的GC含量是70%,Tm值是66.0,P-12的GC含量是 66.67%,Tm值是65.82;1000bp引物中Is5的GC含 量是65%,Tm值63.95,IS6的GC含量是70%,Tm 值是66.oo(上海生工生物工程技术服务有限公司 提供)。所以,3对引物同时进行PCR扩增时会导致 富含GC的1Im值高的序列变性不完全,DNA双链会 很快复性,导致DNA产量减少甚至使PCR失败,提 高变性温度或变性时间过长又会导致酶活性的损 失,很难兼顾。②退火温度有差异:退火温度是PCR 的一个关键参数。合理的退火温度从55 ̄C到70 ̄C, 以保证引物同目的序列有效结合,退火温度越高,所 得产物的特异性会越高,会减少引物二聚体和非特 异性产物的形成。一般情况下,如果两个引物Tm 值不同,将退火温度设定为比最低的Tm值低5℃即 可。但如果6个引物Tm值均不同,则很难将退火 温度设定在一个都可以兼顾的温度。③延伸所需时 间不同:延伸反应通常为72 ̄C,接近于Taq DNA聚 合酶的最适反应温度75℃。延伸反应时间的长短 取决于目的序列的长度和浓度,在一般反应体系中, Taq DNA聚合酶每分钟约可合成lkb长的DNA。延 伸时间过长会导致产物非特异性增加。将3条DNA 片段长度不同的序列在同一体系中同时延伸,需要 ・247・ 维普资讯 http://www.cqvip.com

第4期 农垦医学 第29卷 的时间不同,势必导致短片段延伸时间过长或长片 乏IS61 10插入序列的结核分枝杆菌的诊断是一个 段延伸时间过短的现象发生,导致试验结果不稳定。 很大的补充。另外,本文鉴定的菌株尚少,有待进一 ④循环次数不同:当其它参数确定之后,循环次数 步积累经验。 主要取决于DNA浓度。循环次数过多,会使PCR 产物中非特异性产物大量增加。如果小片段序列与 参考文献 大片段序列同时扩增,一方面,小片段序列在反应中 l 全国结核病流行病学抽样调查技术指导组.第四次全国结核病流 消耗的Taq DNA聚合酶量与大片段序列不同;另一 行病学抽样调查报告[J].中华结核和呼吸杂志,2002 方面,在扩增后期,由于产物积累,使原来呈指数扩 2金鑫,范新春,闰化奎,等.维吾尔自治区第四次结核病流 行病学抽样调查报告[J].中国防痨杂志,2004 增的反应变成平坦的曲线,产物不再随循环数而明 3王仲元,匡铁吉,金关甫,等.复方PCR用于分支杆菌菌种鉴定的 显上升,出现平台期,小片段序列就会出现由于错配 初步研究.中国防痨杂志,2003,25(6):391 而产生的低浓度非特异性产物大量扩增,达到较高 4 Borremans M L,Witter D,Volckaert G,et a1.Cloning,. ̄ ̄]llence tenninat- 水平。 ion and expressino of a 32 kilo Dalton protein gene of Mycobacterium 因此,本实验认为,将3对结核分枝杆菌标记基 tuberculosis.Infect Inlmun,1989,57:3123~3l3O 5 Para C A,Londono L P,Porei11o P D,et a1.1sol ̄ino,characterizatino and 因在同一个反应体系进行扩增比较困难,成功率低, molecular cloning of a speciifc Mycobacterium tuberculosis antigen: 只有5%,不适合临床应用。改为分次PCR扩增,成 identiifcation of a species speciifc sequence.Infect Immune,1991,59: 功率提高,达50%,可以达到同样目的。总之,应用 34l1~l7 PCR技术可以有效地鉴别结核分枝杆菌和非结核分 6 Thierry D A.Brisson Noel V.Vincent L F,et a1.characterization of a 枝杆菌以及不同类型的结核分枝杆菌,弥补了以往 Mycobacterium tuberculsois insertino sequeElee IS 61 10,and its 单基因PCR技术用于结核病诊断的不足,尤其对缺 applicatino in diagnosis.J ClinMicn ̄ol,1990.28:2668~73 Species identiifcation of Mycobacterium tuberculosis with multi primer PCR Huang Chun ,Li lei2,Wu Fang,Wang ping ̄,Wu Jiangdonf,Du yna2,Zhnag Wanjinag3 (1,The master of pathophysiology in Grade 2004 Shihezi University School of medicine; 2.The department of pathophysiology in Shihezi Universiyt School of medicine; 3.Laboratory of Xinjinag endemic and ethnic diseases in Shihezi Universiyt,Shihezi,832002) 【Abaract】Objective:To do Species identiifcation for Cllinical Mycobacterium tubewulosis with muhiprimer RCR. Methods:Use tht ̄t primers for Mycobacterium to amplify the genome DNA of Mycobacterium including type strains and solne clinical s[ ̄ins to identify Species.Results: s method can distinguish Mycobacterium tubewulosis complex from Nontuberculous or dose M.tuberculosis from M.bovis.Condusion:It showde that muhiprimer PCR is an effective species identfication method ofr Mycobactefia.So it call be used fol‘iintila diferentiation diagnosis between M.tuberculosis complex and Nontuberculous Mycobaeterium or Mycobacterium and non Mycobacterium. 【Keywords】Mycobaeterium;Species identiifcation;PCR ・248・ 

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