Інструментальні методи

Блоттинг

Розділити, перенести на мембрану й розпізнати зондом: як працюють Саузерн-, Нозерн-, Вестерн- та Істерн-блоттинг, чим вони відрізняються й де застосовуються у фізіології та вірусології рослин. Теорія, покрокові алгоритми й інтерактивні моделі.

4 види блоттингу15 інтерактивних моделей31 фото й схемПокрокові алгоритми

01Принцип і історія

Блоттинг (англ. blotting — промокання, перенесення) — це група високочутливих методів, у яких складну суміш біомолекул (ДНК, РНК, білки, глікоконʼюгати, ліпіди чи низькомолекулярні глікозиди) спершу розділяють в гелі або на тонкошаровій пластинці, потім переносять і закріплюють на твердій пористій мембрані й лише після цього розпізнають потрібну молекулу специфічним міченим зондом [1, 2].

Така логіка розв’язує головну проблему аналізу: гель надто крихкий і щільний, щоб в ньому «ловити» молекули зондами чи антитілами, а мембрана — відкрита, міцна, її можна багато разів промивати й обробляти розчинами. Розділення дає розмір, зонд — ідентичність: у підсумку на мембрані видно саме ту смугу, яка містить шукану послідовність, білок чи глікозид.

Основу всієї родини заклав британський біолог Едвін Саузерн (Edwin Southern), який 1975 року описав капілярне перенесення рестрикційних фрагментів ДНК з агарози на нітроцелюлозу й гібридизацію з радіоактивним зондом [3, 4]. Решту варіантів за жартівливою аналогією зі сторонами світу («компас молекулярної біології») назвали Нозерн, Вестерн та Істерн.

БЛОТТИНГрозділити → перенести на мембрану → розпізнати зондомСаузерн-блоттингSouthern · 1975МІШЕНЬДНКРОЗДІЛЕННЯагарозний гель, рестрикціяЗОНДДНК/РНК-зонд: гібридизаціяВІЗУАЛІЗАЦІЯавторадіографія, DIG + CSPDНозерн-блоттингNorthern · 1977МІШЕНЬРНКРОЗДІЛЕННЯформальдегід-агароза / ПААГ+ сечовинаЗОНДДНК- або РНК-зонд (рибозонд)ВІЗУАЛІЗАЦІЯDIG, ³²P, NBT/BCIPВестерн-блоттингWestern · 1979–1981МІШЕНЬБілкиРОЗДІЛЕННЯSDS-PAGE за ЛеммліЗОНДпервинні + вторинні антитілаВІЗУАЛІЗАЦІЯECL, DAB, NBT/BCIP,флуоресценціяІстерн-блоттингEastern · 1990–2000-ніМІШЕНЬПТМ і глікозидиРОЗДІЛЕННЯSDS-PAGE або пластинка ТШХЗОНДлектини, токсин CTB, MAbВІЗУАЛІЗАЦІЯ4-CN, ECL, DAB
Чотири види блоттингу. Єдина схема «розділити → перенести → розпізнати» залишається незмінною, змінюються тільки мішень, спосіб розділення й тип зонда.

1.1Коротка історія

Назва «Саузерн» збігається з прізвищем автора, а решта назв — це гра слів. Термін Нозерн (1977) увів Дж. Алвайн зі співавторами для переносу РНК [5]; Вестерн вперше описали Товбін зі співавторами (1979) [6], а назву «western blotting» закріпив Бернетт (1981) [7]. Електрофорез білків у SDS-PAGE, без якого немає Вестерну, запропонував Леммлі в 1970 р. [8]. Істерн — найменш однозначний термін: ним називають кілька споріднених методик (блотинг посттрансляційних модифікацій білків і ТШХ-блотинг низькомолекулярних глікозидів), створених різними лабораторіями в 1990-х і 2000-х роках [9, 10].

1970Леммлі: SDS-PAGE1975Саузерн: перенос ДНК1977Элвайн, Кемп, Старк:РНК1979Товбін:електропереносбілків1981Бернетт: «Western»1990-тіТШХ-блотинг ліпідіві глікозидів
Основні віхи. Ключ до всіх методів — комбінація розділення (гель чи ТШХ), переносу на мембрану та специфічного розпізнавання.

1.2Універсальна схема: шість стадій

Незалежно від мішені будь-який блот проходить однакові стадії. Оберіть вид блоттингу й клацайте на стадії — побачите, що відбувається на кожній з них.

СхемаШість стадій блоттингу

Верхні кнопки перемикають метод; клацніть на стадію, щоб прочитати параметри й побачити схему.

1.3Який блот мені потрібен?

Вибір методу визначається питанням, на яке потрібна відповідь. Спробуйте підібрати метод для типових задач із фізіології та вірусології рослин.

ПідбірПідбір методу за завданням

Оберіть завдання — підказка покаже метод, мембрану, зонд і те, чого очікувати.

02Порівняння методів

Наведена нижче таблиця зводить відмінності між методами. Проходьте її по рядках: одразу видно, де схожість (стадії, мембрана, візуалізація) і де принципова різниця (мішень та зонд).

КритерійСаузерн-блоттингНозерн-блоттингВестерн-блоттингІстерн-блоттинг
МішеньДНК: геномна, плазмідна, вірусна, мтДНК, хпДНКРНК: мРНК, пре-мРНК, вірусні РНК, мікроРНК, siRNAБілки й поліпептидиПТМ білків (глікани, ліпіди, фосфо-групи) і низькомолекулярні рослинні глікозиди
Підготовка пробиРестрикція, депуринізація (0,25 М HCl), лужна денатурація (NaOH)Нагрівання з формамідом і формальдегідом (або гліоксаль / сечовина)Кип’ятіння в буфері Леммлі з SDS і β-меркаптоетанолом / DTTSDS-PAGE; для глікозидів — метанольний екстракт без денатурації
МатрицяАгароза 0,7–1,5 % (TAE або TBE)Формальдегід-агароза (мРНК) або 15 % ПААГ із 7 М сечовиною (малі РНК)ПААГ: концентруючий 4–5 %, розділяючий 8–15 %SDS-PAGE чи силікагелева пластинка ТШХ / ВЕТШХ
ПеренесенняКапілярне (10–20× SSC), вакуумнеКапілярне або напівсухий електроблотинг (для малих РНК)Мокрий або напівсухий електроблотинг (буфер Товбіна)Електроблотинг або термічне пресування (120–180 °C) з пластинки ТШХ
Мембрана й фіксаціяПозитивно заряджений нейлон (Hybond-N+) або нітроцелюлоза; УФ 254 нм чи 80 °CПозитивно заряджений нейлон; УФ-крослінкінг або 80 °C; для малих РНК — EDCPVDF (активація метанолом) або нітроцелюлозаPVDF або PES; для глікозидів — NaIO₄ і кон’югація з БСА на мембрані
ЗондОдноланцюговий ДНК/РНК-зонд: ³²P, DIG, біотинДНК-олігонуклеотид або рибозонд: ³²P, DIGПервинні й вторинні антитіла (HRP, AP, флуорофор)Лектини (ConA, WGA), CTB, анти-фосфо або анти-глікозидні MAb
Принцип розпізнаванняКомплементарність основ (водневі зв’язки ДНК–ДНК або ДНК–РНК)Комплементарність основ (РНК–ДНК або РНК–РНК)Імунохімічне «антиген–антитіло» (епітоп)Зв’язування вуглеводного/ліпідного епітопу лектином чи токсином або гаптену антитілом
ВізуалізаціяАвторадіографія, фосфорімеджинг, хемілюмінесценція (анти-DIG-AP + CSPD / CDP-Star)Авторадіографія, хемілюмінесценція, колориметрія (NBT/BCIP)ECL (люмінол + H₂O₂), DAB, TMB, NBT/BCIP, ІЧ-флуоресценція4-хлор-1-нафтол, DAB, NBT/BCIP, ECL, флуоресценція

2.1Мембрани: що обрати

Мембрана — серце блоту: вона має міцно утримувати мішень і не «світитися» фоном. Від типу мішені залежать матеріал, ємність і спосіб фіксації. Відфільтруйте мембрани за потрібним типом молекул і порівняйте ємність, обробку й особливості.

ДовідникДовідник мембран

Фільтр за мішенню; значення ємності орієнтовні й залежать від виробника.

2.2Скільки триває кожен блот

Усі блоти — багатоденні, але «руками» працюють лише частину часу: решта — інкубації та перенесення «на ніч». Діаграма показує хронометраж кожного протоколу з цієї сторінки.

ДіаграмаХронометраж протоколів

Темні сегменти — активна робота; світлі — очікування, інкубація; наведіть курсор на сегмент.

03Розділення: електрофорез і ТШХ

Блот лише настільки добрий, наскільки добре розділено суміш. Тому першою стадією завжди є електрофорез (або ТШХ для малих молекул). У гелі сітка полімеру працює як молекулярне сито: під дією електричного поля негативно заряджені молекули рухаються до анода, і чим менша молекула, тим швидше вона мігрує [11].

Основне співвідношення, яким користуються для оцінки розміру невідомої смуги за маркером:

lgM=a−b·dДля ДНК (M — довжина в п.н.), РНК (нт) та SDS-білків (M — молекулярна маса): логарифм розміру лінійно спадає з відстанню міграції d у середній області роздільності гелю.
Rf=ddфронтуВідносна рухливість: відстань міграції смуги, поділена на відстань до фронту барвника. Її зручно порівнювати між гелями.

3.1Модель гель-електрофорезу

Оберіть тип гелю, змінюйте концентрацію та час електрофорезу й дивіться, як розходяться смуги маркера й досліджуваної проби. Клацніть на смузі, щоб оцінити її розмір за калібрувальним графіком lg M — d.

МодельАгарозний гель, SDS-PAGE і денатуруючі гелі

Лінійна залежність lg M від відстані працює лише в «робочій» області гелю; за її межами смуги стискаються.

3.2Як це виглядає в лабораторії

Агарозний гель із фрагментами ДНК
Агарозний гель із рестрикційними фрагментами геномної ДНК перед блоттингом; ліворуч — маркер.abigail · CC BY-SA 3.0
Камера для гель-електрофорезу
Камера горизонтального гель-електрофорезу під час розділення.Ajay Kumar Chaurasiya · CC BY-SA 4.0
Гель SDS-PAGE і авторадіограма фосфорилювання
Гель SDS-PAGE (Coomassie) і авторадіограма (³²P) для кальцій-залежної протеїнкінази рослин CPK16; ліворуч — маркер маси, кДа.Amy Curran, Ing-Feng Chang, Chia-Lun Chang, Shilpi Garg, Rodriguez Milla Miguel, · CC BY 3.0

3.3Три типи гелів і чому вони різні

  • Агарозний гель (0,7–1,5 %) — для ДНК від сотень п.н. до десятків т.п.н. Агароза має великі пори; для ДНК чим більша концентрація, тим краще розділяються малі фрагменти [11].
  • Денатуруюча формальдегід-агароза (1,0–1,2 %) — для довгих РНК. Формальдегід і формамід руйнують шпильки, тож міграція залежить лише від довжини; 5–15 мкг РНК на доріжку.
  • ПААГ — для білків (SDS-PAGE: концентруючий 4–5 % + розділяючий 8–15 %) і малих РНК (15 % ПААГ + 7 М сечовина у 0,5× TBE) [12, 13]. Поліакриламід має дрібні пори й дозволяє розрізняти молекули, що відрізняються на одиниці нуклеотидів чи кілька кДа.

Контроль розділення ДНК та РНК фарбують бромистим етидієм (EtBr) чи SYBR Safe й фотографують під УФ: цілісна рослинна РНК дає смуги цитоплазматичних 25S і 18S рРНК у співвідношенні ≈ 2 : 1, у листках додатково видно хлоропластні 23S і 16S рРНК. Якщо смуги розмиті чи співвідношення порушене, РНК деградувала — продовжувати немає сенсу.

04Перенесення на мембрану

Після електрофорезу молекули з гелю потрібно перенести на мембрану так, щоб зберегти їх положення. Для цього використовують три принципи перенесення: капілярний (для нуклеїнових кислот), електричний (для білків і малих РНК) і термічний (для ТШХ-пластинок).

4.1Капілярне перенесення нуклеїнових кислот

Буфер (20× SSC) піднімається з ванночки крізь «ґніт» і гель до сухих паперових рушників, захоплюючи ДНК або РНК, які осідають на мембрані над гелем. Гель кладуть лунками донизу, між шарами обов’язково викочують повітря, а на стопку кладуть невеликий вантаж (≈ 500 г) [4].

АнімаціяКапілярний блот: збирання й перенесення

Клацайте на шари, щоб прочитати їхню роль; повзунок часу показує, яка частка ДНК переходить на мембрану; без депуринізації великі фрагменти залишаються в гелі.

4.2Електроблотинг білків: «сендвіч»

У мокрому (танковому) або напівсухому блоті білки виходять із гелю в напрямку анода (+) під дією поля. Тому мембрана має бути з боку анода, а гель — з боку катода (−). Порядок збирання «сендвіча»: катод (−, чорна панель) → губка → 2–3 аркуші Whatman → гель → мембрана → 2–3 аркуші Whatman → губка → анод (+, червона панель) [14]. Поставте шари у правильному порядку й запустіть перенос.

Гра-тренажерСкладання сендвіча для Вестерн-блоту

Переставляйте шари кнопками ↑ ↓, потім натисніть «Запустити перенос». Помилка в порядку призведе до втрати білків.

4.3Термічне перенесення з ТШХ

Низькомолекулярні сполуки (глікозиди, сапоніни, ліпіди) не мігрують у гелі, тому їх розділяють на пластинці ТШХ, а на мембрану переносять тепловим пресуванням з розчинником переносу [15, 16].

Термічний блот-перенос із пластинки ТШХНагрівальна плита (120–180 °C)Скловолоконний фільтрPTFE-плівка (тефлон)PVDF або PES-мембрана (активована)Силікагелева пластинка ТШХ з розділеними плямамиОпорна плитатиск + теплоРозчинник переносу (ізопропанол–метанол–вода) вивільняє речовини із силікагелю; 30–50 с — і плями лишаються на мембрані.
Схема термічного блоттера для ТШХ-Істерн-блоттингу: розчинник вивільняє речовини з силікагелю, тепло й тиск переносять їх на PVDF- чи PES-мембрану.

4.4Фіксація й контроль якості переносу

  • ДНК та РНК закріплюють на нейлоні УФ-опроміненням (254 нм, ≈ 120 мДж/см²) або запіканням при 80 °C протягом 2 год; для малих РНК додатково використовують хімічний крослінкінг карбодіїмідом EDC.
  • Білки фіксуються на PVDF чи нітроцелюлозі гідрофобно-електростатично; PVDF перед використанням обов’язково активують 100 % метанолом (30–60 с).
  • Контроль: оборотне забарвлення Ponceau S (білки), 0,02 % метиленовий синій (рРНК на мембрані), візуалізація залишку в гелі — все це підтверджує рівномірність переносу й слугує контролем навантаження.
Мембрана з білками, забарвлена Ponceau S
Мембрана, забарвлена Ponceau S: червоні смуги підтверджують рівномірний перенос білків.Argymeg · CC BY-SA 3.0
Касета й ролер для збирання сендвіча
Компоненти «сендвіча» для мокрого переносу: касета, папір і ролер для видалення бульбашок.Lilly_M · CC BY-SA 3.0
Камера мокрого електропереносу
Камера для мокрого переносу білків із зібраними касетами.Lilly_M · CC BY-SA 3.0
УФ-крослінкер
УФ-крослінкер (UV Stratalinker 2400) для ковалентної фіксації нуклеїнових кислот на мембрані.Matylda Sęk · CC BY-SA 3.0
Гібридизаційна піч
Гібридизаційна піч з обертовими циліндрами: тут проходять прегібридизація та гібридизація мембрани із зондом.Matylda Sęk · CC BY-SA 3.0

05Саузерн-блоттинг: ДНК

Саузерн-блоттинг виявляє конкретну послідовність ДНК серед усієї геномної ДНК. Його принцип — комплементарна гібридизація: одноланцюгова ДНК, іммобілізована на мембрані, за правилом Уотсона — Кріка зв’язується з міченим ДНК- чи РНК-зондом [11].

Геномна ДНК надто довга, тому її спершу ріжуть рестриктазами; отримані дволанцюгові фрагменти розділяють в агарозі за довжиною (фосфатні групи несуть негативний заряд, тож ДНК рухається до анода). Для ефективного виходу великих (> 10–15 т.п.н.) фрагментів гель обробляють 0,25 М HCl — депуринізація частково відщеплює пурини; наступна лужна обробка (0,5 М NaOH) розриває фосфодіефірний кістяк у депуринізованих місцях і водночас роз’єднує ланцюги, перетворюючи dsDNA на ssDNA, яка зв’язується з мембраною та гібридизується із зондом [4].

1. Фрагменти dsDNA у геліпісля рестрикції0,25 М HCl0,5 М NaOH2. ssDNA на мембранінейлонова мембрана, УФ-фіксаціязонд42–68 °C3. Гібридизація з міченим зондом★немічений фрагмент —зонд не зв’язуєтьсякомплементарність → дуплекс → сигналвідмиванняSSC / SDS4. Детекціясмуги на плівці
Принцип Саузерн-блоттингу: комплементарний зонд «знаходить» свою послідовність на мембрані, решту змивають жорсткими відмивками.

5.1Жорсткість відмивок: теорія й модель

Специфічність визначається жорсткістю (stringency): температурою й іонною силою відмивок. Для ДНК–ДНК-дуплексів температуру плавлення оцінюють за емпіричним рівнянням:

Tm=81,5+16,6lg[Na+]+0,41(%GC)−0,63(%формамід)−600LL — довжина дуплексу в нуклеотидах. Чим нижча [Na⁺], більше формаміду чи нуклеотидних невідповідностей, тим легше дуплекс розплавляється; кожен 1 % невідповідностей знижує Tm приблизно на 1–1,5 °C.

Перед відмивкою мембрана зв’язує зонд і з ідеальною мішенню, й із гомологічними (споріднені гени, паралоги). Підвищуючи жорсткість (менше SSC, вище T), поступово «знімаємо» неповні дуплекси й залишаємо тільки ідеальні. Це особливо важливо під час аналізу мультигенних родин.

МодельСимулятор жорсткості відмивки

Змінюйте концентрацію SSC, температуру, довжину зонда й GC-склад — бачите, які дуплекси лишаються на мембрані.

5.2Де застосовують у біохімії й фізіології рослин

  • Кількість копій трансгена. Після Agrobacterium-опосередкованої чи біолістичної трансформації визначають кількість вставок Т-ДНК (пшениця, кукурудза, тютюн, ріпак): однокопійні лінії зручніші для селекції й стабільніші [11].
  • Епігенетичне метилювання. Використовують пари чутливих і нечутливих до метилювання ізошизомерів (HpaII / MspI або Sau3AI / MboI) і оцінюють статус цитозинового метилювання (CG, CHG, CHH) у промоторах стресових генів [17].
  • Мультигенні родини — наприклад, гени Рубіско активази TaRca1, білків теплового шоку HSP, лектинів бобових [18].
  • Класична генетика: картування рестрикційних сайтів, RFLP, діагностика делецій/дуплікацій, довжина теломер, аналіз мтДНК.

5.3У вірусології рослин

Для ДНК-вмісних вірусів (родина Geminiviridae, роди Begomovirus, Mastrevirus, Curtovirus; а також Caulimoviridae) Саузерн-блот — «золотий стандарт»: без рестрикції одночасно видно одноланцюгову ДНК (ssDNA), суперспіралізовану (scDNA), відкриту кільцеву (ocDNA) та лінійну форми вірусної ДНК в інфікованих тканинах (Nicotiana benthamiana, бавовник, маніок, томат) [19, 17]. Так само підтверджують транс-реплікацію сателітів (альфа-, бета-) і дефектних інтерферуючих ДНК та перевіряють інфекційні клони [20].

Рослини Nicotiana benthamiana
Nicotiana benthamiana — модельна рослина для вірусологічних експериментів і агроінфільтрації.Chandres · CC BY-SA 3.0
Мозаїчні симптоми TMV на листку тютюну
Симптоми мозаїки на листку тютюну, спричинені вірусом тютюнової мозаїки (TMV).R.J. Reynolds Tobacco Company Slide Set · CC BY 3.0 us

5.4Віртуальний Саузерн: копійність трансгена й метилування

Модель відтворює два типові завдання: підрахунок копій трансгена у трансформованих ліній та оцінку метилювання через пари ізошизомерів. Змінюйте фермент і зонд та читайте блот.

Віртуальний дослідВіртуальний Саузерн-блот

Навчальні дані: розміри фрагментів умовні.

5.5Обладнання й реактиви

Показати список

Обладнання: горизонтальна камера для агарозного електрофорезу з джерелом живлення; УФ-трансілюмінатор з гель-документацією; орбітальний шейкер; установка для капілярного блоттингу (ванночка, місток, вантаж 0,5–1 кг) або вакуумний блоттер; УФ-крослінкер (254 нм, 120 мДж/см²) чи вакуумна піч (80 °C); гібридизаційна піч із обертовими циліндрами; водяна баня; рентгенівська касета з екранами або хемілюмінесцентний іміджер.

Реактиви: агароза молекулярної чистоти; 1× TAE або 0,5× TBE; рестриктази (EcoRI, BamHI, HindIII) з буферами; маркер ДНК (бажано DIG-мічений); EtBr або SYBR Safe; 0,25 М HCl; денатуруючий розчин (0,5 М NaOH + 1,5 М NaCl); нейтралізуючий розчин (0,5–1,0 М Tris-HCl, pH 7,5 + 1,5 М NaCl); 20× SSC (3 М NaCl, 0,3 М цитрат натрію, pH 7,0); позитивно заряджена нейлонова мембрана (Hybond-N+) і Whatman 3MM; прегібридизаційний буфер (DIG Easy Hyb або Денхардта, 5× SSC, 0,1 % SDS, 50 % формамід, ДНК сперми лосося 100 мкг/мл); мічений зонд (DIG High Prime або [α-³²P]dCTP); розчини відмивок (2× SSC + 0,1 % SDS; 0,1–0,5× SSC + 0,1 % SDS); анти-DIG-AP та субстрат CSPD/CDP-Star.

5.6Покроковий алгоритм

  1. 1

    Виділення й рестрикція ДНК4–12 год

    Виділіть високомолекулярну геномну ДНК з листя (наприклад, CTAB-методом). Візьміть 5–10 мкг ДНК (геном рослини) або 1–5 мкг тотальної ДНК (виявлення гемініві­русів без рестрикції), додайте 20–50 од. рестриктази в 1× буфері; 37 °C.

    Неповна рестрикція дає «хвости» й зайві смуги — перевіряйте аліквоту в гелі.

  2. 2

    Електрофорез3–4 год або «на ніч»

    Нанесіть зразки й маркер на 0,8 % агарозний гель; 1–3 В/см (30–60 В на ніч або 80–100 В 3–4 год). Сфотографуйте гель поруч із флуоресцентною лінійкою.

  3. 3

    Депуринізація (для > 10 т.п.н.)10–15 хв

    Занурте гель у 0,25 М HCl на шейкері до жовтого кольору бромфенолового синього; промийте водою.

    Не перетримуйте: зайва депуринізація дає надто короткі фрагменти.

  4. 4

    Денатурація2 × 15–20 хв

    Двічі промийте гель денатуруючим розчином (0,5 М NaOH, 1,5 М NaCl) — dsDNA стає ssDNA.

  5. 5

    Нейтралізація2 × 15–20 хв + 10 хв

    Двічі промийте нейтралізуючим розчином (1 М Tris-HCl pH 7,5; 1,5 М NaCl) і врівноважте 10 хв у 20× SSC.

  6. 6

    Збирання капілярного блота12–18 год

    У ванночку з 20× SSC покладіть скляну пластину з «ґнітом» Whatman 3MM. Послідовно: гель (лунками донизу) → змочена нейлонова мембрана → 3 аркуші Whatman → стопка рушників 8–10 см → скло → вантаж 500 г. Викочуйте бульбашки скляною паличкою.

    Бульбашки повітря й «короткі замикання» навколо гелю (рушники, що торкаються ґніта) порушують перенос.

  7. 7

    Фіксація≈ 2 год

    Розберіть піраміду, олівцем позначте положення лунок, ополосніть мембрану в 2× SSC і зафіксуйте ДНК УФ (120 мДж/см²) або запіканням 80 °C, 2 год.

  8. 8

    Прегібридизація та гібридизація1–2 год + 12–16 год

    Прегібридизація 1–2 год при 42 °C (50 % формамід) або 65 °C (водний буфер). Зонд денатуруйте 5 хв при 95–100 °C і одразу на лід; 10–25 нг/мл у свіжому буфері; гібридизація 12–16 год.

  9. 9

    Відмивки різної жорсткості≈ 40 хв

    2 × 5 хв у 2× SSC, 0,1 % SDS при кімнатній температурі; потім 2 × 15 хв при 65–68 °C у 0,5× або 0,1× SSC, 0,1 % SDS.

    Саме ця стадія визначає специфічність (див. симулятор вище).

  10. 10

    Детекція1–3 год

    Радіоактивний зонд: плівка при −80 °C. DIG-зонд: блокуючий буфер 30 хв → анти-DIG-AP 30 хв → промивання → CDP-Star → іміджер.

06Нозерн-блоттинг: РНК

Нозерн-блоттинг визначає розмір і кількість конкретної РНК (мРНК, пре-мРНК, вірусні РНК, мікро- і малі інтерферуючі РНК). Принцип той самий, що в Саузерн-блоті, але РНК потрібно розділяти в денатуруючих умовах [13].

Одноланцюгова РНК легко утворює внутрішньомолекулярні шпильки й петлі за рахунок спарювання основ, що спотворює електрофоретичну рухливість: два фрагменти однакової довжини з різними вторинними структурами мігрують по-різному. Тому в гель і буфер для зразка вводять формальдегід і формамід, гліоксаль із ДМСО або 7–8 М сечовину (для ПААГ): водневі звʼязки руйнуються, і РНК мігрує пропорційно довжині [21].

Нативна РНК: внутрішньомолекулярні шпилькиДенатурована РНК: лінійна молекуласкладчаста форма мігрує швидше й нерівномірноформамід,65 °C · формальдегідрухливість залежить лише від довжини (lg N)
Формамід і формальдегід розплітають шпильки РНК — і лише тоді рухливість відповідає довжині молекули.

6.1Застосування в біохімії та фізіології рослин

  • Експресія генів на рівні транскрипції: пряма оцінка рівня, точний розмір мРНК, альтернативні сплайс-варіанти, процесинг рРНК (28S/25S, 18S, 5,8S, 5S) і малих некодуючих РНК.
  • Стрес-індуковані та фотосинтетичні гени: накопичення транскриптів Рубіско активази TaRca1 у термотолерантних та термочутливих сортів пшениці при тепловому стресі [18]; реакція на зміну CO₂ у Chlamydomonas.
  • Тканинна й добова специфічність — корінь, листок, стебло, суцвіття, плід; дія ABA, ауксинів, жасмонатів, саліцилової кислоти.
  • МікроРНК та транс-діючі siRNA, що регулюють морфогенез листка, перехід до цвітіння, стійкість до посухи й засолення.

6.2Вірусологія рослин: геномні, субгеномні та малі РНК

Більшість вірусів рослин мають +ssRNA-геном. Нозерн-блот дозволяє на одній доріжці побачити всі сегменти геному вірусу огіркової мозаїки (CMV) — РНК1, РНК2, біцистронну РНК3 — та субгеномні РНК (РНК4, з якої транслюється білок оболонки CP, та РНК4A), а також вивчати вибіркову деградацію РНК3 системою нонсенс-залежного розпаду (NMD) [22]. Так само аналізують сателітні та дефектні інтерферуючі РНК (satRNA, DI-RNA) [23].

Високороздільний Нозерн у 15 % ПААГ із 7 М сечовиною використовують для виявлення вірусних малих інтерферуючих РНК (vsiRNA, 21–24 нт) — маркера противірусного РНК-сайленсингу (PTGS) під дією ферментів DCL2, DCL3, DCL4 та вірусних супресорів сайленсингу; β-елімінаційний тест показує 3′-метилювання малих РНК ферментом HEN1 [24, 25, 26].

Віртуальний дослідВіртуальний Нозерн: РНК вірусу огіркової мозаїки

Оберіть зонд — побачите, які РНК (геномні й субгеномні) його розпізнають.

6.3Обладнання й реактиви

Показати список

Обладнання: електрофоретична камера, очищена від РНКаз (3 % H₂O₂ чи RNaseZAP); витяжна шафа (формальдегід, формамід); водяна баня чи термоблок на 65 °C; установка для капілярного або напівсухого переносу; УФ-крослінкер; гібридизаційна піч; система детекції (плівка або CCD-іміджер).

Реактиви: TRIzol (гуанідинтіоціанат–фенол) для тотальної РНК; 0,1 % DEPC-вода (автоклавована); інгібітори РНКаз; 10× MOPS (0,2 М MOPS pH 7,0; 50 мМ ацетат натрію; 10 мМ ЕДТА); деіонізований формамід; 37 % формальдегід (12,3 М); агароза (мРНК) або акриламід/бісакриламід 19 : 1 + 7 М сечовина у 0,5× TBE (малі РНК); завантажувальний барвник з EtBr; позитивно заряджений нейлон; 20× (або 10×) SSC; 0,02 % метиленовий синій (у 0,3 М ацетаті натрію, pH 5,5) для видимості 25S/28S та 18S рРНК; DIG-мічений рибозонд (Т7/SP6 РНК-полімераза) або ДНК-олігонуклеотидний зонд; буфери прегібридизації та відмивок (2× SSC + 0,1 % SDS; 0,1× SSC + 0,1 % SDS).

6.4Покроковий алгоритм

  1. 1

    Середовище без РНКаз≈ 4 год

    Прожарте скло при 180–200 °C 4 год; пластикові камери й гребінки обробіть RNaseZAP або 0,1 М NaOH / 1 мМ ЕДТА і сполосніть DEPC-водою. Працюйте в нітрилових рукавичках.

    РНКази всюдисущі: один дотик «голою» рукою може зруйнувати зразок.

  2. 2

    Виділення та денатурація РНК≈ 30 хв

    Виділіть тотальну РНК (5–15 мкг на доріжку). Змішайте з буфером денатурації (50 % формамід, 2,2 М формальдегід, 1× MOPS, EtBr 10 мкг/мл); 65 °C, 10–15 хв; на лід 2 хв.

  3. 3

    Гель і електрофорез≈ 4 год

    Розплавте 1,0–1,2 % агарозу в DEPC-воді, охолодіть до 55–60 °C, під витяжкою додайте 10× MOPS (до 1×) і 37 % формальдегід (0,66–2,2 М). Pre-run 15 хв при 5 В/см у 1× MOPS; внесіть зразки; 4–5 В/см 2–3 год. Перевірте цілісність під УФ: смуги 25S і 18S ≈ 2 : 1.

    Для siRNA 21–24 нт замість агарози — 15 % ПААГ із 7 М сечовиною в 0,5× TBE.

  4. 4

    Відмивання гелю й капілярний перенос12–16 год

    Двічі по 15 хв у DEPC-воді, 15 хв у 10×–20× SSC (щоб видалити формальдегід, який заважає зв’язуванню). Збирайте блот як у Саузерні, нейлон Hybond-N+, 20× SSC. Для малих РНК з ПААГ — напівсухий електроперенос у 0,5× TBE, 10–15 В, 45–60 хв.

  5. 5

    Фіксація й контроль навантаження≈ 2 год

    УФ (120 мДж/см²) на вологій мембрані або 80 °C, 2 год. За потреби — 0,02 % метиленовий синій для документування рРНК. Для малих РНК — хімічний крослінкінг EDC при 60 °C.

  6. 6

    Прегібридизація й гібридизація1 год + 12–16 год

    ULTRAhyb або DIG Easy Hyb: 50 °C (ДНК-зонд) або 65–68 °C (DIG-рибозонд), 1 год; додайте денатурований мічений зонд, гібридизація 12–16 год.

  7. 7

    Відмивки й детекція≈ 1,5 год

    2 × 5 хв 2× SSC, 0,1 % SDS (кімн. т.); 2 × 15 хв 0,1× SSC, 0,1 % SDS (65–68 °C). Анти-DIG-AP + CDP-Star або авторадіографія.

07Вестерн-блоттинг: білки

Вестерн-блоттинг, або імуноблоттинг, поєднує високу роздільність електрофорезу білків у поліакриламідному гелі з SDS (метод Леммлі) і імунохімічну специфічність реакції «антиген — антитіло» на поверхні мембрани [1].

Аніонний детергент SDS у поєднанні з нагріванням (95 °C) та відновниками дисульфідних звʼязків (β-меркаптоетанол чи DTT) руйнує третинну й четвертинну структуру. SDS зв’язується з поліпептидом у сталому співвідношенні — приблизно 1,4 г SDS на 1 г білка (близько однієї молекули SDS на два амінокислотні залишки) [12]. Власний заряд білка перекривається, усі білки отримують однаковий питомий негативний заряд і рухаються до анода (+) з швидкістю, обернено пропорційною lg Mr.

Нативний білокБілок + SDS + нагрівання + β-меркаптоетанол+−+−+−−власний заряд і форма впливають на рух95 °C, 5 хв−−−−−−−−−−−−−−−−−−1,4 г SDS на 1 г білка → однаковий питомий заряд → рух за lg Mr
SDS і нагрівання розгортають білок і надають йому однаковий питомий заряд — тоді міграція залежить лише від довжини ланцюга.
Структурна формула: Додецилсульфат (SDS)
SDSаніонний детергент
Структурна формула: β-Меркаптоетанол
β-Меркаптоетанолвідновник S–S
Структурна формула: Дитіотреїтол (DTT)
DTTвідновник S–S

7.1Застосування в біохімії та фізіології рослин

  • Біохімія: молекулярна маса й субодиничний склад; контроль експресії й очищення рекомбінантних білків із тегами (His, GST, GFP, FLAG); протеоліз і олігомеризація; підтвердження білок-білкових взаємодій після ко-імунопреципітації [27].
  • Фотосинтетичний апарат: велика (RbcL ≈ 55 кДа) і мала (RbcS ≈ 15 кДа) субодиниці Рубіско, Рубіско активаза (Rca), білок D1 фотосистеми ІІ (PsbA) при фотоінгібуванні й тепловому стресі [18].
  • Маркери абіотичного стресу: шаперони HSP70/HSP90/sHSP, дегідрини, LEA-білки, аквапорини (PIP, TIP), антиоксидантні ферменти (СОД, аскорбатпероксидази, каталази).
  • Сигнальні каскади: Ca²⁺-залежні кінази (CDPK/CPK), МАР-кінази (MAPK3/MAPK6), деградація репресорів ауксинового та жасмонатного сигналінгу.

7.2У вірусології рослин

  • Серологічна ідентифікація за білком оболонки (CP): виявлення капсидних білків CMV, TMV, Y-вірусу картоплі (PVY), вірусу шарки сливи (PPV) в екстрактах листків і насінні.
  • Неструктурні вірусні білки: білки руху (MP), HC-Pro, РНК-залежні РНК-полімерази; у вірусу бронзовості томатів (Tomato spotted wilt virus, TSWV) — глікопротеїни GN та GC, що взаємодіють із рецепторами середньої кишки трипсів-переносників [28].
Мозаїчні симптоми TMV на листку тютюну
Симптоми мозаїки на листку тютюну, спричинені вірусом тютюнової мозаїки (TMV).R.J. Reynolds Tobacco Company Slide Set · CC BY 3.0 us
Плоди томата, уражені TSWV
Плоди томата з кільцевими плямами, спричинені вірусом бронзовості томата (TSWV).William M. Brown Jr., Bugwood.org · CC BY 3.0

7.3Імунодетекція: прямий, непрямий та підсилений способи

Первинні антитіла розпізнають епітоп цільового білка; вторинні антитіла (проти виду, у якому отримано первинні) несуть фермент-репортер — пероксидазу хрону (HRP) або лужну фосфатазу (AP) чи флуорофор. Кілька вторинних молекул зв’язується з одним первинним антитілом — це підсилює сигнал порівняно з прямим мічення первинних.

Пряма детекціяНепряма детекція (стандарт)Підсилення: біотин–стрептавідинпервинні антитіла, кон’юговані з ферментомпервинні + вторинні, мічені HRP / AP (кілька на одне)біотин на вторинному, стрептавідин–HRPфермент (HRP/AP)антиген (білок)
Три способи розпізнавання білка на мембрані: пряме мічення первинних антитіл, непряма схема (стандарт) і підсилення біотином та стрептавідином.

Для HRP найпоширеніша хемілюмінесцентна реакція ECL: пероксидаза окиснює люмінол пероксидом водню, продукт — збуджений 3-амінофталат — повертається в основний стан, випромінюючи блакитне світло (≈ 425 нм). Підсилювачі (фенольні похідні) збільшують яскравість у десятки разів [14].

Структурна формула: Люмінол (3-аміноталгідразид)
Люмінолсубстрат ECL
Структурна формула: 3-Амінофталат (емітер світла)
3-Амінофталат*збуджений продукт
Світловий сигналплівка або CCD-камера
Структурна формула: 3,3′-Діамінобензидин (DAB)
DABкоричневий осад (HRP)
Структурна формула: 4-Хлор-1-нафтол
4-Хлор-1-нафтолфіолетово-пурпурний осад (HRP)
АнімаціяПокроковий сигнал: від антигену до світла

Перемикайте спосіб детекції й проходьте стадії — побачите, скільки молекул ферменту «працює» на одну молекулу антигену.

7.4Блокування: що використовувати

Блокуючий розчин «закриває» вільні ділянки мембрани інертним білком, щоб антитіла не зв’язувалися неспецифічно. Але універсального блокатора немає — вибір залежить від типу антитіла й мішені.

ПідбірПідбір блокуючого розчину

Оберіть тип дослідження — підказка покаже придатні й небезпечні блокатори.

7.5Обладнання й реактиви

Показати список

Обладнання: вертикальна камера для електрофорезу в ПААГ (Mini-PROTEAN); джерело струму; термоблок 95 °C; камера для мокрого (танкового) або напівсухого переносу з касетами, губками й охолодним елементом; орбітальний шейкер чи роллер; хемілюмінесцентний CCD-іміджер (ChemiDoc, LAS-4000).

Реактиви: буфер екстракції рослинних білків (Tris-HCl pH 7,5, 150 мМ NaCl, 1 % Triton X-100 або SDS, 5 мМ ЕДТА, 1–2 % ПВП/PVPP для зв’язування поліфенолів, коктейль інгібіторів протеаз PMSF/Complete); реактив Бредфорда чи BCA; буфер Леммлі (Tris-HCl pH 6,8, 2–4 % SDS, 10–20 % гліцерин, 5–10 % β-меркаптоетанол або 100 мМ DTT, 0,01 % бромфеноловий синій); акриламід/бісакриламід (29 : 1 чи 37,5 : 1), Tris-HCl pH 8,8 / 6,8, 10 % SDS, 10 % APS, TEMED; маркер маси (10–250 кДа, попередньо забарвлений); Tris–Gly–SDS (25 мМ Tris, 192 мМ гліцин, 0,1 % SDS, pH 8,3); буфер Товбіна (25 мМ Tris, 192 мМ гліцин, 20 % метанол, pH 8,3); PVDF (0,2 або 0,45 мкм) чи нітроцелюлоза; Ponceau S (0,1 % у 5 % оцтовій кислоті); TBST/PBST (+ 0,05–0,1 % Tween-20); блокуючий розчин (5 % знежирене молоко чи 3–5 % БСА в TBST); первинні й вторинні антитіла, мічені HRP/AP; ECL або NBT/BCIP чи DAB.

7.6Покроковий алгоритм

  1. 1

    Екстракція й вирівнювання білка≈ 1 год

    Гомогенізуйте тканину в рідкому азоті, екстрагуйте буфером з інгібіторами протеаз та ПВП, відцентрифугуйте (14 000 g, 15 хв, 4 °C); виміряйте концентрацію Бредфордом або BCA.

    Рослинні екстракти містять поліфеноли та пігменти — без PVPP смуги «смикаються».

  2. 2

    Денатурація≈ 10 хв

    Однакова кількість білка (20–40 мкг на лунку) + буфер Леммлі; 95 °C, 5 хв.

  3. 3

    SDS-PAGE1,5–2 год

    Розділяючий 10–12 % і концентруючий 4–5 % гелі. Маркер (5 мкл) у першу лунку, зразки — у сусідні. 80 В у концентруючому гелі (20–30 хв), потім 120–150 В (60–90 хв) до виходу бромфенолового синього.

  4. 4

    Підготовка мембрани≈ 15 хв

    PVDF активуйте 100 % метанолом (30–60 с), промийте водою, врівноважте 10 хв у холодному буфері Товбіна. Нітроцелюлозу змочіть одразу в буфері.

    Не торкайтеся мембрани пальцями; працюйте пінцетом.

  5. 5

    Збирання «сендвіча»≈ 10 хв

    Катод (−) → губка → Whatman → гель → мембрана → Whatman → губка → анод (+). Бульбашки викочуйте роллером.

    Мембрана — з боку анода! (див. тренажер у розділі 4.)

  6. 6

    Електроперенос60–90 хв

    Мокрий: 100 В (250–350 мА), 60–90 хв, 4 °C з льодяним картриджем. Напівсухий: 15–25 В, 30–45 хв. Перевірте перенос Ponceau S (2 хв) і відмийте водою.

  7. 7

    Блокування1 год

    5 % знежирене молоко в TBST, 1 год, кімн. т. Для фосфо-специфічних антитіл — 3 % БСА (казеїн молока — фосфопротеїн!).

  8. 8

    Первинні антитіла12–16 год або 1–2 год

    Розведення 1 : 1000 – 1 : 5000 у блокуючому буфері; +4 °C на ніч або кімн. т. 1–2 год.

  9. 9

    Відмивки й вторинні антитіла≈ 1,5 год

    TBST 3–4 × 5–10 хв; анти-IgG-HRP/AP 1 : 5000 – 1 : 10 000 у TBST з 1–3 % молока/БСА, 1 год; знову 4 × 5–10 хв.

  10. 10

    Візуалізація й нормалізація≈ 30 хв

    ECL (1 : 1, 1–3 хв) та зйомка в CCD-іміджері або NBT/BCIP для AP. Для кількісної оцінки паралельно детектують «референсний» білок навантаження (актин, тубулін) або RbcL за Coomassie/Ponceau S.

7.7Нормалізація: чому не можна довіряти сирій інтенсивності

Різні доріжки зазвичай завантажено неоднаково; навіть «рівні» 30 мкг дають розкид. Тому інтенсивність цільової смуги ділять на інтенсивність референсу навантаження. Змоделюйте реальний експеримент: тепловий стрес і зміна HSP70 (Вестерн) чи транскрипту TaRca1 (Нозерн).

Iнорм=IцільоваIреференсНормована інтенсивність. Референсом може бути актин/тубулін (Вестерн), рРНК за метиленовим синім (Нозерн) або загальний білок за Ponceau S.
МодельДенситометрія: сире значення проти нормованого

Навчальні дані: перемикайте нормалізацію, зверніть увагу на «хибне» зростання сигналу через нерівне навантаження.

7.8Типові проблеми й що з ними робити

ДовідникУсунення несправностей

Оберіть симптом на мембрані — побачите найімовірніші причини та дії.

08Істерн-блоттинг: ПТМ і глікозиди

Терміном Істерн-блоттинг у сучасній літературі охоплюють два споріднені, але методично різні напрями [9]:

  • Білковий Істерн (ПТМ). Білки розділяють SDS-PAGE (або 2D-електрофорезом), переносять на PVDF чи нітроцелюлозу, а виявляють вже не амінокислотну послідовність, а небілкові групи й посттрансляційні модифікації — вуглеводні ланцюги (N- і O-глікозилювання), ліпідні «якорі» (пальмітоїлювання, GPI), фосфатні групи. Зондами слугують лектини (ConA, WGA), В-субодиниця холерного токсину (CTB) для ліпідів і гангліозидів, анти-фосфо та інші специфічні реагенти (наприклад, у дослідженнях антигенних модифікацій білків бактерій Ehrlichia) [10].
  • ТШХ-Істерн (за Tanaka & Shoyama; Far-Eastern — Ishikawa & Taki). Розроблений для низькомолекулярних природних сполук — рослинних глікозидів, сапонінів, глікоалкалоїдів, глікосфінголіпідів [9, 29]. Такі малі молекули (< 1–2 кДа) є гаптенами й легко вимиваються з мембрани, тому застосовують хімічний принцип нижче.

8.1Хімія ТШХ-Істерн-блоттингу: як «прикріпити» глікозид до мембрани

  1. Рослинний екстракт розділяють на пластинці ТШХ/ВЕТШХ.
  2. Плями термічно переносять на PVDF або PES-мембрану [15].
  3. Періодат натрію (NaIO₄) селективно розщеплює вицинальні діольні групи цукрового залишку з утворенням реакційноздатних альдегідних груп (–CHO).
  4. У лужному карбонатному буфері альдегіди реагують з ε-аміногрупами лізину БСА (основи Шиффа): глікозид міцно ковалентно кріпиться до мембрани через білок-носій, а аглікон залишається доступним для специфічних моноклональних антитіл [29].
Структурна формула: Глікозид (метил-β-D-глюкопіранозид)
Глікозидсусідні OH-групи (вицинальний діол)
Структурна формула: Діальдегід після NaIO₄
Діальдегідрозкрите кільце, дві групи –CHO
Структурна формула: Основа Шиффа (глікозид–БСА)
Кон’югат з БСАоснова Шиффа –CH=N–Lys

8.2Застосування у біохімії та фізіології рослин

  • Профілювання глікому й ліпідому, порівняння патернів глікозилювання й фосфорилювання нативних та рекомбінантних білків [10].
  • Скринінг вторинних метаболітів рослин навіть у нанограмових кількостях: сапоніни женьшеню (Panax ginseng, гінзенозиди Rb1, Rg1, Re), гліциризин із коренів солодки (Glycyrrhiza uralensis), сайкосапоніни (Bupleurum falcatum), стероїдні глікоалкалоїди пасльонових (Solanum; соламаргін, соласонін) [9, 30, 31].
  • Подвійний Істерн і тканинний імуноблот (tissue printing): відбиток зрізу кореня чи стебла на мембрану для просторової локалізації метаболіту (наприклад, у корі чи паренхімі кореня женьшеню).
  • Глікопротеїни й лектини: N-глікозилювання лектинів бобових (PHA-E, ConA), арабіногалактанових білків клітинної стінки [32].
Рослина женьшеню з коренем
Женьшень (Panax ginseng): рослина й корінь — джерело гінзенозидів.Ginsenosideforbrain · CC BY-SA 3.0
Зрізи кореня солодки
Зрізи кореня солодки (Glycyrrhiza) — джерело гліциризину.Salil Kumar Mukherjee · CC BY-SA 4.0
Пластинка ВЕТШХ у видимому й УФ-світлі
Пластинка ВЕТШХ у видимому й УФ-світлі (екстракти лишайників): плями розділених сполук.Frisch A, Moen VS, Grube M, Bendiksby M (2020) Integrative taxonomy confirms thr · CC BY 4.0
Пластинка ТШХ під УФ
Сканування пластинки ТШХ під УФ-лампою: світні смуги розділених речовин.Oak Ridge National Laboratory · CC BY 2.0

8.3У вірусології рослин

На відміну від більшості безоболонкових фітовірусів, представники родин Tospoviridae (Tomato spotted wilt virus) та Rhabdoviridae мають ліпідну оболонку з поверхневими глікопротеїнами (GN і GC у TSWV; G-білок у рабдовірусів). Лектиновий Істерн (ConA, WGA) і глікозидази (Endo H, PNGase F) доводять N-глікозилювання цих білків, критичне для зв’язування віріонів із рецепторами епітелію середньої кишки комах-переносників (трипсів, цикадок) [28]. Подібно оцінюють фосфорилювання й глікозилювання білків руху (MP) і капсидних білків (CP).

8.4Покрокова модель ТШХ-Істерн-блоттингу

Покрокова схемаВід плями на пластинці до кольору на мембрані

Проходьте стадії протоколу А (глікозиди) чи Б (лектини) — схема покаже, що відбувається на кожній з них.

8.5Обладнання й реактиви

Показати список

ТШХ-Істерн: хроматографічна камера, ВЕТШХ-пластинки Silica gel 60, мікрокапіляри чи автоматичний аплікатор, термічний блоттер (120–180 °C) або нагрівальний прес, УФ-лампа (254/365 нм). Рухома фаза (н-бутанол : етилацетат : вода, 15 : 1 : 4 або хлороформ : метанол : вода, 6 : 4 : 1); розчинник переносу (ізопропанол : метанол : вода, 1 : 4 : 20, або ізопропанол : 0,2 % CaCl₂ : метанол, 40 : 20 : 7); PVDF чи PES-мембрана, скловолоконні фільтри; NaIO₄ (10 мг/мл); 1 % БСА у 50 мМ карбонатному буфері pH 9,6; блокатор (5 % молоко або 3 % БСА у PBS); анти-глікозидні моноклональні антитіла (анти-Rb1, анти-гліциризин); IgG-HRP; 4-хлор-1-нафтол (1 мг/мл) + 0,03 % H₂O₂.

Білковий (лектиновий) Істерн: обладнання SDS-PAGE й електроблотингу, блокатор без глікопротеїнів (молоко дає сильний фон із лектинами!), біотинільовані або DIG-мічені лектини (ConA, WGA, PNA, SNA) чи CTB, стрептавідин-HRP, ECL чи DAB.

8.6Алгоритми

Протокол А: ТШХ-Істерн глікозидів і вторинних метаболітів (за Tanaka & Shoyama)

  1. 1

    ТШХ≈ 1 год

    Нанесіть мікрокапіляром метанольні екстракти й стандарти (1–5 мкг) на старт пластинки ВЕТШХ; розженіть до висоти 7–8 см, висушіть на повітрі.

  2. 2

    Термічний перенос≈ 5 хв

    Змочіть пластинку (обприскуванням або 15 с зануренням) розчинником переносу, накрийте активованою PVDF/PES, зверху PTFE-плівка й скловолоконний фільтр; термоблоттер при 120–180 °C 30–50 с.

  3. 3

    Окиснення періодатом30–60 хв

    Промийте мембрану водою й занурте у свіжий NaIO₄ (10 мг/мл) при перемішуванні.

    Готуйте розчин свіжим.

  4. 4

    Кон’югація з БСА3 год, 37 °C

    Промийте водою й інкубуйте в 1 % БСА у 50 мМ карбонатному буфері pH 9,6 — глікозид–БСА кон’югат іммобілізується.

  5. 5

    Імунодетекція≈ 4 год

    TPBS (PBS + 0,05 % Tween-20), блокування 5 % молоком 1 год; MAb проти глікозиду 1–3 год; IgG-HRP 1 год; проявіть свіжим 4-хлор-1-нафтолом (1 мг/мл) з 0,03 % H₂O₂ — плями від фіолетово-пурпурового до коричневого.

Протокол Б: лектиновий Істерн глікопротеїнів і вірусних оболонкових білків

  1. 1

    SDS-PAGE й електроперенос≈ 3 год

    Розділіть білковий екстракт або очищені віріони (наприклад, TSWV) і перенесіть на PVDF, як для Вестерну.

  2. 2

    Спеціалізоване блокування1 год

    3 % високоочищений БСА (glycoprotein-free) або 2 % ПВП-40 у TBST, з додаванням 1 мМ CaCl₂, 1 мМ MnCl₂, 1 мМ MgCl₂ (кофактори лектинів, як-от ConA).

    Категорично уникайте сухого молока!

  3. 3

    Лектин чи токсин1–2 год

    Біотинільований лектин (ConA або WGA, 1–5 мкг/мл) чи біотинільована B-субодиниця CTB (для ліпопротеїнів), кімн. т.

  4. 4

    Детекція≈ 1,5 год

    TBST 4 × 5 хв; стрептавідин-HRP (1 : 5000, 45 хв); знову промивання; ECL чи DAB.

    Контроль специфічності: паралельна смужка після PNGase F (відщеплює N-глікани) або лектин із конкурентним цукром (0,2 М α-метилманозид для ConA).

09Блоттинг у задачах біології рослин

Нижче зведено, як типові дослідницькі питання з фізіології, біохімії та вірусології рослин «перекладаються» на мову блоттингу. Якщо ви стоїте перед рішенням, який блот використати, починайте з другої колонки.

ПитанняМетодЩо бачимоМембрана й зонд
Скільки копій T-ДНК у трансгенній лінії пшениці?Саузернрестрикція ферментом, що ріже Т-ДНК один раз → кількість смуг = кількість вставокНейлон, DIG- або ³²P-зонд до гена
Чи метильований промотор стресового гена?Саузернпари HpaII / MspI: високомолекулярна смуга при HpaII = метилювання CCGGНейлон, зонд до промотора
Які форми ДНК бегомовірусу присутні в листку N. benthamiana?СаузернssDNA, scDNA, ocDNA і лінійна форма без рестрикціїНейлон, зонд до вірусної ДНК
Яка кількість мРНК TaRca1 у листках при тепловому стресі?Нозернсмуга транскрипта; нормалізація до 25S/18S рРНКНейлон, DIG-рибозонд
Чи є в листку CMV субгеномні РНК?НозернРНК1–3 і субгеномні РНК4/4A; вибір зонда визначає, що світитьсяНейлон, 3′-кінцевий зонд
Чи запущено противірусний РНК-сайленсинг?Нозерн (малі РНК)смуга vsiRNA 21–24 нт у 15 % ПААГ із 7 М сечовиноюНейлон + EDC, DIG- чи ³²P-зонд
Скільки HSP70 накопичується під тепловим стресом?Вестернсмуга ≈ 70 кДа; нормалізація до актину чи Rubisco (Ponceau S)PVDF, антитіла до HSP70
Яка частка D1 (PsbA) зникає при фотоінгібуванні?Вестернсмуга ≈ 32–34 кДаPVDF, анти-PsbA
Чи є капсидний білок PVY у насінні?Вестернсмуга CP ≈ 30 кДаPVDF/нітроцелюлоза, антитіла до CP
Чи глікозильовані білки GN та GC у TSWV?Істерн (лектин)ConA/WGA, обробка PNGase F знімає сигналPVDF, glycoprotein-free БСА
Скільки гінзенозиду Rb1 у різних екстрактах женьшеню?Істерн (ТШХ)пляма на PVDF з анти-Rb1 MAb, до нанограмівPVDF/PES, NaIO₄ + БСА
Де в корені локалізований гліциризин?Істерн (tissue printing)відбиток зрізу на PVDF → просторовий розподілPVDF, анти-гліциризин MAb

11Безпека й контроль якості

Блоттинг — один із «найнебезпечніших» за кількістю реактивів видів аналізу. Кілька правил, які варто засвоїти до першого досліду:

Хімічна безпека

  • Акриламід (до полімеризації) — нейротоксин: тільки в рукавичках; готовий гель безпечніший.
  • Формальдегід, формамід, β-меркаптоетанол, метанол — тільки під витяжкою.
  • Бромистий етидій — мутаген; замінюйте SYBR Safe, утилізуйте окремо.
  • HCl, NaOH — у денатурації й депуринізації; захист очей.

Радіація та УФ

  • Радіоактивні зонди (³²P) — лише в дозиметричній лабораторії, із захисним екраном; сучасні протоколи віддають перевагу DIG/хемілюмінесценції.
  • УФ-трансілюмінатор і крослінкер — працюйте за зачиненою кришкою й у захисному щитку.

Контролі, без яких результат недостовірний

  • Позитивний контроль (відомий зразок із мішенню) і негативний (без мішені).
  • Контроль навантаження (рРНК, актин/тубулін, Ponceau S).
  • Контроль специфічності: зонд-«скремблер», пригнічення антитіла антигеном, PNGase F для лектинів.
  • Маркер розміру на кожному гелі — як для оцінки, так і для калібрування.

Відтворюваність і чесна обробка

  • Три біологічні повтори; не обрізайте блот так, щоб зникали інші смуги.
  • Сигнал має бути в лінійному діапазоні детектора: насичений сигнал неможливо кількісно порівнювати.
  • Зберігайте оригінальні зображення й протоколи (концентрації, розведення антитіл, час експозиції).

12Контрольні питання

Чому гель не можна зондувати безпосередньо й потрібен перенос на мембрану?
У гелі молекули дифундують, зонди та антитіла не можуть швидко проникати в щільну матрицю, а сам гель крихкий; мембрана міцна, відкрита й дозволяє багаторазові промивання й обробки.
Для чого потрібна депуринізація при Саузерн-блоті?
Слабка кислота (0,25 М HCl) частково відщеплює пурини, а наступна лужна обробка розриває фосфодіефірний кістяк у цих місцях. Великі (> 10–15 т.п.н.) фрагменти «ріжуться» in situ на коротші, які ефективно виходять із гелю.
Чому Нозерн проводять у денатуруючому гелі?
Одноланцюгова РНК утворює внутрішньомолекулярні шпильки, що спотворюють рухливість. Формальдегід, формамід чи сечовина розплітають їх, і міграція залежить лише від довжини.
Навіщо в Нозерн-блоті метиленовий синій або фарбування рРНК?
Для підтвердження рівномірного переносу й контролю навантаження: смуги 25S/28S та 18S рРНК виконують роль внутрішнього стандарту.
Що забезпечує однаковий питомий заряд білків у SDS-PAGE?
SDS зв’язується з поліпептидом у сталому співвідношенні (≈ 1,4 г на 1 г білка, близько одного SDS на 2 залишки), перекриває власний заряд і надає всім білкам однаковий негативний заряд.
Яким боком до анода має лежати мембрана в «сендвічі» Вестерн-блоту й чому?
З боку анода (+): білки, вкриті SDS, несуть негативний заряд і виходять із гелю в напрямку анода, де їх і перехоплює мембрана.
Чому PVDF треба активувати метанолом, а нітроцелюлозу — ні?
PVDF гідрофобна й без метанолу не змочується водними буферами; нітроцелюлоза змочується водою та буфером одразу.
Чому для фосфо-специфічних антитіл не можна блокувати молоком?
Казеїн молока є фосфопротеїном: він містить фосфатні групи, які розпізнають такі антитіла, й дає фон. Тому використовують БСА.
Чому для лектинових блотів не підходить молоко?
Молоко містить глікопротеїни, до яких зв’язуються лектини (ConA, WGA) — виникає сильний фон; потрібен БСА без глікопротеїнів або ПВП.
Як працює ECL-детекція?
HRP каталізує окиснення люмінолу пероксидом водню; продукт — збуджений 3-амінофталат — випромінює світло (≈ 425 нм). Підсилювачі збільшують яскравість і тривалість сигналу.
Як підвищити жорсткість відмивки в Саузерн-блоті?
Знизити концентрацію SSC (0,5× → 0,1×) і/або підвищити температуру (65–68 °C): неповні дуплекси «розплавляються», лишається тільки комплементарний зонд.
Яка роль періодату й БСА в ТШХ-Істерн-блоті глікозидів?
NaIO₄ окиснює вицинальні діоли цукру в альдегіди; ті утворюють основи Шиффа з лізином БСА, і глікозид ковалентно іммобілізується на мембрані; інакше мала молекула вимилася б.
Як за допомогою двох ізошизомерів (HpaII і MspI) оцінити метилювання?
Обидва впізнають CCGG, але HpaII не ріже при метилюванні внутрішнього цитозину, а MspI — ріже. Різниця між смугами показує метильований стан сайта.
Чому Саузерн-блот — «золотий стандарт» для ДНК-вірусів рослин?
Він без рестрикції розрізняє ssDNA, scDNA, ocDNA та лінійні форми вірусної ДНК і дозволяє кількісно порівнювати реплікативні форми й сателіти.

13Література

  1. Sule R., Rivera G., Gomes A.V. (2023) Western blotting (immunoblotting): history, theory, uses, protocol and problems. Biotechniques 75(3): 99-114. doi:10.2144/btn-2022-0034
  2. Singh R.K., Bose D., Robertson E.S. (2026) Protocol to investigate replication kinetics of Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus using single-molecule analysis of replicated DNA. STAR Protoc 7(1): 104287. doi:10.1016/j.xpro.2025.104287
  3. Southern E.M. (1975) Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis. Journal of Molecular Biology 98(3): 503-517. doi:10.1016/s0022-2836(75)80083-0
  4. Wheeler J.H., Young C.K.J., Young M.J. (2019) Analysis of Human Mitochondrial DNA Content by Southern Blotting and Nonradioactive Probe Hybridization. Curr Protoc Toxicol 80(1): e75. doi:10.1002/cptx.75
  5. Alwine J.C., Kemp D.J., Stark G.R. (1977) Method for detection of specific RNAs in agarose gels by transfer to diazobenzyloxymethyl-paper and hybridization with DNA probes. Proceedings of the National Academy of Sciences 74(12): 5350-5354. doi:10.1073/pnas.74.12.5350
  6. Towbin H., Staehelin T., Gordon J. (1979) Electrophoretic transfer of proteins from polyacrylamide gels to nitrocellulose sheets: procedure and some applications. Proceedings of the National Academy of Sciences 76(9): 4350-4354. doi:10.1073/pnas.76.9.4350
  7. Burnette W.N. (1981) “Western Blotting”: Electrophoretic transfer of proteins from sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gels to unmodified nitrocellulose and radiographic detection with antibody and radioiodinated protein A. Analytical Biochemistry 112(2): 195-203. doi:10.1016/0003-2697(81)90281-5
  8. Laemmli U.K. (1970) Cleavage of Structural Proteins during the Assembly of the Head of Bacteriophage T4. Nature 227(5259): 680-685. doi:10.1038/227680a0
  9. Tanaka H., Morinaga O., Uto T. et al. (2012) Application of Monoclonal Antibodies against Bioactive Natural Products: Eastern Blotting and Preparation of Knockout Extract. Int J Anal Chem 2012: 260425. doi:10.1155/2012/260425
  10. Thomas S., Thirumalapura N., Crossley E.C. et al. (2009) Antigenic protein modifications in Ehrlichia. Parasite Immunol 31(6): 296-303. doi:10.1111/j.1365-3024.2009.01099.x
  11. Codner G.F., Erbs V., Loeffler J. et al. (2021) Universal Southern blot protocol with cold or radioactive probes for the validation of alleles obtained by homologous recombination. Methods 191: 59-67. doi:10.1016/j.ymeth.2020.06.011
  12. Bass J.J., Wilkinson D.J., Rankin D. et al. (2017) An overview of technical considerations for Western blotting applications to physiological research. Scand J Med Sci Sports 27(1): 4-25. doi:10.1111/sms.12702
  13. Yang T., Zhang M., Zhang N. (2022) Modified Northern blot protocol for easy detection of mRNAs in total RNA using radiolabeled probes. BMC Genomics 23(1): 66. doi:10.1186/s12864-021-08275-w
  14. Ha S.G., Park J.H., Kim M.Y. et al. (2025) Brief guide to western blot assays. Mol Cells 48(12): 100297. doi:10.1016/j.mocell.2025.100297
  15. Taki T., Gonzalez T.V., Goto-Inoue N. et al. (2009) TLC Blot (Far-Eastern Blot) and Its Applications. Methods in Molecular Biology: 545-556. doi:10.1007/978-1-59745-542-8_55
  16. Tanaka H., Putalun W., Shoyama Y. (2012) Fingerprinting of Natural Product by Eastern Blotting Using Monoclonal Antibodies. Chromatography Research International 2012: 1-7. doi:10.1155/2012/130732
  17. Paprotka T., Deuschle K., Metzler V. et al. (2011) Conformation-selective methylation of geminivirus DNA. J Virol 85(22): 12001-12. doi:10.1128/JVI.05567-11
  18. Kumar R.R., Goswami S., Singh K. et al. (2016) Identification of Putative RuBisCo Activase (TaRca1)-The Catalytic Chaperone Regulating Carbon Assimilatory Pathway in Wheat (Triticum aestivum) under the Heat Stress. Front Plant Sci 7: 986. doi:10.3389/fpls.2016.00986
  19. Zhao L., Che X., Wang Z. et al. (2022) Functional Characterization of Replication-Associated Proteins Encoded by Alphasatellites Identified in Yunnan Province, China. Viruses 14(2). doi:10.3390/v14020222
  20. Ding C., Qing L., Li Z. et al. (2009) Genetic determinants of symptoms on viral DNA satellites. Appl Environ Microbiol 75(16): 5380-9. doi:10.1128/AEM.01193-09
  21. Ahmad W., Gull B., Baby J. et al. (2021) A Comprehensive Analysis of Northern versus Liquid Hybridization Assays for mRNAs, Small RNAs, and miRNAs Using a Non-Radiolabeled Approach. Curr Issues Mol Biol 43(2): 457-484. doi:10.3390/cimb43020036
  22. Zhao D., Ahmed M.R., Tian M. et al. (2025) Selective Degradation of Cucumber Mosaic Virus RNA3 by Nonsense-Mediated Decay Benefits Viral Early Infection. Mol Plant Pathol 26(3): e70070. doi:10.1111/mpp.70070
  23. He L., Wang Q., Gu Z. et al. (2019) A conserved RNA structure is essential for a satellite RNA-mediated inhibition of helper virus accumulation. Nucleic Acids Res 47(15): 8255-8271. doi:10.1093/nar/gkz564
  24. Vogler H., Akbergenov R., Shivaprasad P.V. et al. (2007) Modification of small RNAs associated with suppression of RNA silencing by tobamovirus replicase protein. J Virol 81(19): 10379-88. doi:10.1128/JVI.00727-07
  25. Li J., Zheng H., Zhang C. et al. (2016) Different Virus-Derived siRNAs Profiles between Leaves and Fruits in Cucumber Green Mottle Mosaic Virus-Infected Lagenaria siceraria Plants. Front Microbiol 7: 1797. doi:10.3389/fmicb.2016.01797
  26. Donaire L., Barajas D., Martínez-García B. et al. (2008) Structural and genetic requirements for the biogenesis of tobacco rattle virus-derived small interfering RNAs. J Virol 82(11): 5167-77. doi:10.1128/JVI.00272-08
  27. Zhai Y., Gnanasekaran P., Pappu H.R. (2021) Identification and Characterization of Plant-Interacting Targets of Tomato Spotted Wilt Virus Silencing Suppressor. Pathogens 10(1). doi:10.3390/pathogens10010027
  28. Whitfield A.E., Ullman D.E., German T.L. (2004) Expression and characterization of a soluble form of tomato spotted wilt virus glycoprotein GN. J Virol 78(23): 13197-206. doi:10.1128/JVI.78.23.13197-13206.2004
  29. Shoyama Y. (2026) Antibodies as Tools for Characterization, Isolation and Production Enhancement of Anti-Cancer Drugs and Steroidal Hormones from Ginsenoside and Solasodine Glycoside: A Review. Antibodies (Basel) 15(1). doi:10.3390/antib15010010
  30. Uto T., Ohta T., Fujii S. et al. (2021) Immunological Separation of Bioactive Natural Compounds from Crude Drug Extract and Its Application for Cell-Based Studies. Antibodies (Basel) 10(4). doi:10.3390/antib10040048
  31. Morinaga O., Ishiuchi K., Ohkita T. et al. (2018) Isolation of a novel glycyrrhizin metabolite as a causal candidate compound for pseudoaldosteronism. Sci Rep 8(1): 15568. doi:10.1038/s41598-018-33834-9
  32. Katoch R., Tripathi A. (2021) Research advances and prospects of legume lectins. J Biosci 46(4). doi:10.1007/s12038-021-00225-8

Бібліографічні дані кожного джерела звірено з базами PubMed Central і Crossref. Протоколи в статті — навчальні узагальнення; перед роботою в лабораторії користуйтеся інструкціями виробників реактивів і вашою лабораторною методикою.