O documento discute os tipos de DNA, estrutura do DNA e RNA, extração de DNA e análises genéticas. Resume os principais passos da extração de DNA como a lise celular, degradação de proteínas e purificação do DNA, e menciona alguns métodos comuns de extração como fenol/clorofórmio e kits comerciais.
1. Isolamento
DNA
e
Análises
Gené2cas
Agradecimento
Especial:
Maribel
Funes-‐Huacca,
PhD
CFBio
–
Isol.
&
Pur.
Biomoleculas
2. Tipos
de
DNA
• Eucariontes;
Ø DNA
nuclear;
Ø DNA
mitocondrial;
Ø DNA
cloroplasto;
• Procariontes;
Ø DNA
bacterial;
Ø DNA
plasmidial;
3. Estrutura
de
DNA
• DNA
=
Acido
Desoxyrribonucleico
• Carrega
informação
genética
• Presente
ao
longo
do
cromossomo
• Hélice
Dupla
fita
• ConsJtuído
de
nucleoLdeos
• Molécula
açúcar
• Grupo
fosfato
• Base
nitrogenada
4. Alfabeto
do
DNA
Quatro
Bases:
A
=
Adenina
G
=
Guanina
C
=
Citosina
T
=
Timina
Pares
de
bases
complementares:
A
=
T
G
≡
C
5. DNA
Mitocondrial
• Mitocôndria
– Localizada
for
a
do
núcleo;
– >100,000
em
cada
célula;
• mtDNA
análise
– Quando
o
DNA
nuclear
não
é
disponível;
– Mais
sensível,
maior
tempo
de
análise
e
custo;
– Duas
regiões
altamente
variáveis
são
analisadas:
• HV1
e
HV2
6. mtDNA
Vantagem:
UJliza
pequenas
quanJdades
de
DNA
existe
tanto
mtDNA
quanto
mais
do
que
uma
cópia
por
célula;
Desvantagens:
Herança
Materna,
onde
a
mãe
e
todos
os
filhos
terão
perfis
próximos;
7. Degradação
de
DNA
Principal
ponto
de
degradação
(depurinação);
Degradação
oxidaJva;
Degradação
hidrolíJca;
•
Hidrólise
química;
•
Hidrólise
enzimáJca;
ü
Exonucleases
(terminais
5’,
3’);
ü
Endonucleases
(DNAse
I)
8. ESTRUTURA
DO
RNA
Ø
Fita
única
de
ácido
ribonucléico.
Ø
As
unidades
monoméricas
são
consJtuídas
de:
•
Uma
base:
Adenina,
Citosina,
Guanina
e
URACILA;
•
Um
açúcar:
RIBOSE;
•
Um
grupo
fosfato.
10. Fundamentos
de
Extração
de
DNA
• Aplicações
de
DNA
Ø
DiagnósJco;
Ø
Medicina
(estudo
de
câncer;
idenJficação
doenças);
Ø
Processos
evoluJvos
(filogenias,
estudos
populacionais);
Ø
Genoma;
Ø
InvesJgações
forenses,
paternidade
11. Extração
de
DNA
• Passos
principais:
Ø Lise
das
membranas
plasmáJcas
e
nucleares;
Ø Degradação
de
proteínas;
Ø Purificação
do
DNA
12. Extração
de
DNA
• Lise
de
membranas
e
degradação
de
proteínas
Ø A
lise
é
através
de
tampão
de
extração,
contendo
SDS,
EDTA,
DTT,
e
mais
agentes
tamponantes.
O
uso
da
Proteinase
K
para
degradação
das
Proteínas
(rapidamente
inaJva
as
nucleases,
que
degradam
o
DNA);
Ø
A
membrana
é
solubilizada
por
agentes
que
rompam
associações
hidrofóbicas,
destruindo
a
bicamada
lipídica
e
desnaturando
as
proteínas;
13. Extração
de
DNA
• Extração
em
solventes
orgânicos;
• Purificação
de
DNA
(eliminação
de
resíduos
orgânicos);
Molécula
de
DNA
não
é
solúvel
em
álcool
(isopropanol
ou
etanol),
precipitando
em
meio
alcoólico
e
peleJzado
por
centrifugação;
Ressuspenção
de
DNA
em
tampão
pH=7,4,
contendo
RNAse
para
degradar
o
RNA;
• Conservação
de
DNA
Estocagem
de
DNA
a
temperaturas
menores
de
-‐20
°C,
evitando
descongelamentos
sucessivos;
14. Métodos
de
Extração
• Fenol
/
clorofórmio;
• Chelex;
• IsoJocianato
de
Guanidina;
• Minicolumnas
;
• Kits
Comerciais
com
sílica;
15. Extração
de
DNA
• Pre-‐tratamento
de
Amostras:
Ø Material
Vegetal
(calos,
folha,
plântula):
trituração
em
N2
liquido,
digestão
em
tampão
CTAB,
β-‐mercaptoetanol,
EDTA;
Ø Tecido
animal
e
fluído
biológico:
digestão
em
tampão
Tris-‐EDTA,
SDS,
NaCl,
DTT
e
proteinase
K;
Ø Osso
e
dente:
trituração
em
N2
liquido,
descalcificação
e
lavagem
com
EDTA
0,5M,
digestão
em
SDS,
NaCl,
DTT
e
proteinase
K;
Ø Microorganismos:
Lavar
e
centrifugar
em
tampão
PBS
1X
antes
da
digestão
em
tampão
de
extração
(Tris-‐EDTA,
SDS,
NaCl,
e
proteinase
K);
16. Extração
Orgânica
de
DNA
• Fenol:
desnaturação
das
proteínas
de
maneira
eficiente,
remove
as
partes
orgânicas;
• Fenol:Clorofórmio:
eficiente
para
desproteinizar
e
sua
ação
se
fundamenta
na
propriedade
hidrofóbica
das
proteínas
que
apresentam
afinidade
por
solventes
orgânicos;
• Clorofórmio:
reJra
resíduos
de
fenol;
17. Extração
Orgânica
de
RNA
• A
principal
preocupação
na
extração
de
RNA
consiste
na
sua
degradação
por
ribonucleases
(RNAses),
que
são
enzimas
extremamente
resistentes
a
vários
tratamentos,
inclusive
térmicos
(fervura,
autoclavagem
etc.);
• DEPC
(dieJlpirocarbonato):
diminuir
a
contaminação
com
RNAses
das
soluções,
equipamentos,
vidrarias
e
reagentes;
Bons
cuidados:
pipetas,
vidraria,
luvas.
• Extração
usa:
TRIZOL
consiste
num
reagente
pronto
para
o
uso
no
isolamento
de
RNA
total
de
células
e
tecidos;
• DNAse
I;
O
RNA
total
é
livre
de
contaminações
por
DNA
ou
proteínas
18. Extração
de
DNA
em
amostras
forenses
• Tipos
de
amostra
de
DNA
Ø Sangue/saliva,
Urina
Ø Sêmen
Ø Tecido
Ø Osso
Ø Cabelo
Ø Marcas
e
pontas
de
cigarro;
Ø Impressões
em
armas
de
fogo;
19. Coleta
e
Preservação
de
Evidencias
de
DNA
• Antes
de
qualquer
coleta;
Ø Anotações,
rotular,
fotografias;
• Uso
de
Luvas
de
látex!!
• Não
sacolas
de
plásJco!!
Sacos
de
papel
ou
mini-‐sacolas
com
boa
circulação
de
ar;
• Luz
e
calor
são
inimigos
dos
DNA!
Refrigerar
amostras.
21. Exemplo
de
extração
de
DNA
em
resíduos
de
sangue
• Mancha de sangue (3mm x 3mm)
colocada em microtubo 2mL;
1. Acrescentar tampão de extração:
(10mMTris,0,1MNaCl, 40mM DTT, 10mM
EDTA, 2% SDS);
2. Sais e detergentes ajudam solubilizar os
componentes da célula; DTT reduz e
quebra ligações disulfeto (entre cisteínas
na proteína);
3. Digerir proteínas com proteinase K
22. Extracão
de
DNA
7) Proteínas
são
separadas
na
interfase;
8) Fase
aquosa
é
removida
e
o
DNA
isolado
por
microcolunas
(microcon)
ou
precipitação
em
etanol;
9) Estocagem
em
água
ou
tampão
TE;
4. Fenol/Clorofórmio/Álcool
isoamílico
(25/24/1)
até
formar
uma
solução
turva;
5. Centrifugar
até
formar
duas
fases
(13000rpm);
6. Fase
aquosa
conterá
DNA-‐proteínas,
lipídeos;
e
outros
interferentes
hidrofóbicos
ficarão
na
fase
orgânica;
Fase aquosa (DNA)
Interfase (proteínas)
Fase Orgânica
(lipídeos)
23. Extracão
em
Chelex®
100
Ø Chelex
é
uma
resina
de
intercâmbio
caJônico
uJlizado
para
análise
de
PCR.
Testes
demonstraram
ter
rendimento
elevado
em
6
X
do
que
a
extração
fenol-‐clorofórmio;
Ø
Procedimento
onde
não
são
realizadas
digestão
de
proteínas
e
extração
de
DNA;
24. Chelex
®
100
• Resina
Chelex
é
um
copolímero
divinilbenzeno
esJreno
contendo
pares
iônicos
iminodiacetatos;
•
SeleJvidade
por
cáJons
divalentes
são
muito
mais
altos
do
que
cáJons
monovalentes
(~5000
a
1);
•
Suspensão
5%
tem
pH
entre
10
e
11.
25. Vantagens
do
Chelex:
• Processo
simples
realizado
só
em
um
microtubo;
• Combinação
de
suspensão
alcalina
e
ebulição
quebra
a
membrana
celular
liberando
o
DNA;
• Os
metais
fortemente
quelantes
os
removem
da
suspensão
celular
.
Removendo
inibidores
hemo
e
também
outros
cá2ons
divalentes,
os
quais
catalisam
a
quebra
enzimá2ca;
26. Extracão
Chelex
Procedimento:
1. Amostra
(sangue)
suspendida
em
Chelex
5%
e
incubar
por
30min
a
56
°C;
2. Levar
a
ebulição
por
8min,
este
procedimento
lisa
as
células
e
precipita
hemoglobina;
3. Centrifugar
amostra,
e
uma
alíquota
do
sobrenadante
é
uJlizada
para
analise
de
PCR,
4. As
esferas
de
intercambio
iônico,
proteínas
desnaturadas
e
outros
interferentes
serão
precipitados.
Suspensão
de
Chelex
Ebulição
de
amostra
em
Chelex
27. Método
de
Extração
em
Fase
Solida
• Esferas
de
vidro
ou
sílica
inseridas
em
membranas
Ø IsoJocianato
de
guanidina
e
Cl-‐,
NaI
ou
NaClO4
Ø Altas
concentrações
são
usadas
sob
condições
ácidas
para
quebrar
ligações
entre
moléculas
de
água
&
DNA;
Ø O
DNA
é
absorvido
no
vidro
ou
membrana;
Ø Teor
do
sal
é
reduzido
,
e
em
meio
alcalino,
o
DNA
é
liberado
do
vidro
e
se
tornando
negaJvo;
Membrana
de
sílica
28. Separação
de
DNA
por
Adsorção
em
Sílica
Mecanismo de adsorção de DNA em sílica
29. Extração
AutomaJzada
de
DNA
• Nova
tecnologia
com
parLculas
magnéJcas
(DNA
IQ®
Promega)
para
amostras
forenses;
• Lise
de
células
com
agentes
caotrópicos;
• DNA
se
liga
à
super~cie
de
parLculas
magnéJcas
de
sílica;
• Separação
do
lisado
via
magnéJca;
• Lavagem;
• Liberação
do
DNA
das
parLculas
magnéJcas;
• Eluição;
32. pH < 6.5
+ +
H2O
Lavagem
pH > 8.5
ChargeSwitch™ Purificação
-
Extração
com
ChargeSwitch®
(Invitrogen)
• Ácido
nucléico
ionizado
se
liga
a
esferas
magnéJcas;
• Carga
é
trocada
via
o
pH
do
meio;
• Três
passos
do
processo:
ligação,
lavagem,
eluição;
• Reagentes
aquosos;
37. Proteinase
K
SDS
Incubar
Ø Amostra
swab
é
removido
e
colocado
em
um
microtubo;
1. Sais,
tampão,
EDTA
e
detergente
SDS
(dodecil
sulfato
de
sódio)
são
acrescentados
para
digestão;
2. Incubar
com
Proteinase
K
a
37
°C
por
2
h;
3. Centrifugar
com
um
filtro
em
formato
de
cesto
inserido
no
microtubo,
e
depois
remover
o
swab;
38. Centrifugar
Separar
Lavar
o
pellet
de
esperma
Fração de célula de sêmem
DNA de células epiteliais
4. Remover
cuidadosamente
o
sobrenadante
deixando
qualquer
material
pellet
no
microtubo;
§
A
solução
sobrenadante
é
a
fração
feminina;
§
O
pellet
precipitado
no
tubo
será
as
células
de
esperma;
5. Lavar
o
pellet
e
ressuspender
em
tampão
(10mM
Tris-‐EDTA,
50mM
NaCl
e
SDS
2%;
6. Agitar,
centrifugar
e
lavar
o
pellet
4X;
39. DTT
Proteinase
K
SDS
Incubar
Fração
de
células
de
sêmem
7. Digerir
as
paredes
das
células
de
espermatozóides
no
tampão:
Tris-‐EDTA,
NaCl,
SDS,
DTT
(quebra
as
proteínas
com
grupos
disulfeto,
comum
em
parede
celular
de
esperma)
e
Proteinase
K;
8. Agitar
vigorosamente
e
centrifugar;
9. Incubar
novamente
o
pellet
no
tampão
a
37
°C
por
2-‐5
h;
DNA
de
sêmem
40.
Separação
Microfluídica
de
células
de
esperma
(Técnica
futura)
Células epiteliais são separadas e filtradas antes do teste
http://pubs.acs.org/cgi-bin/jcen?ancham/asap/html/ac0486239.html
41. Separação
de
Células
em
disposiJvos
microfabricados
Esperma mobilizado depois de 5min. Fluxo (1µL/h) induzido por 5µL tampão
PBS. Microcanal (2,5 cm × 50 µm × 90 µm). A micrografía de processo de
separação. B tempo de separação das células dentro e fora dos reservatórios e
microcanal.
42. QuanJficação
de
DNA
• Qualidade
da
Extração
(espectrofotômetro);
Ø Determinação
da
quanJdade
de
DNA
extraído;
Ø NucleoLdeos
podem
ser
detectado
por
espectrofotometria
260nm;
Ø Razão
260/280;
para
esJmar
a
contaminação
de
proteínas;
Ø 1,7
a
2,0
amostra
de
DNA
com
pureza
adequada.
Valores
inferiores
indica
contaminação
com
proteína.
Um
valor
superior
indica
contaminação
com
RNA;
43. Separação
de
DNA
•
Eletroforese:
Ø
É
um
método
simples
e
muito
eficiente
para
separar
para
idenJficar
e
para
purificar
fragmentos
de
DNA,
RNA
e
de
proteínas;
Ø
Ela
consiste
na
separação
de
moléculas
ionizadas
de
acordo
com
sua
carga
elétrica
e
seu
peso
molecular;
Ø
Moléculas
com
carga
negaJva
migram
para
o
pólo
posiJvo
e
moléculas
com
carga
posiJva
migram
para
o
pólo
negaJvo;
44. Eletroforese
Existem
dois
modelos
básicos
de
eletroforese
para
separação
de
DNA:
Gel
de
Poliacrilamida
Gel
de
Agarose
45. Eletroforese
Fatores
que
afetam
a
migração
de
fragmento
de
DNA
em
géis:
Ø Tamanho
do
DNA;
Ø Concentração;
Ø Conformação
do
DNA;
46. Eletroforese
em
gel
de
Agarose
•
Ágar-‐ágar
(ágar
ou
agarose);
•
É
um
hidrocolóide
componente
da
parede
celular,
extraído
de
diversas
algas
marinhas
vermelhas
da
classe
Rodophyta;
•
Insolúvel
em
água
fria,
dissolve
em
água
quente
formando
um
gel
não
absorvível
e
não
fermentável;
•
Concentrações
de
0,5%
-‐
2,5%;
•
Diluídos
no
tampão
TBE
ou
TAE
(Tris-‐borato
EDTA
ou
Tris-‐acetato
EDTA
48. Eletroforese
em
gel
de
Poliacrilamida
•
UJlizado
para
DNA,
RNA
e
Proteínas;
•
Composto
por
Acrilamida
e
Bisacrilamida;
Marcador
de
migração:
(Glicerol,
ficol,
azul
de
bromofenol)
aumentar
a
densidade
da
amostra,
adiciona
cor
às
amostras
e
permite
acompanhar
a
corrida;
Brometo
de
EYdeo:
§
Intercala
entre
as
fitas
de
ácidos
nucléicos;
§
Fluorescente
na
luz
ultravioleta;
Prata:
Maior
sensibilidade
49. DNA
de
marcadores
moleculares
DNA
genômicos
e
DNA
genômico
degradado
1,6:
Marcador
DNA
10Kbp;
2,4:
DNA
plasmideo
não
digerido;
3,5:
DNA
plasmideo
digerido
com
enzimas
de
restrição
50. QUANTIFICAÇÃO
E
DETECÇÃO
DO
RNA
• Espectrofotometria
a
A260nm/
A
280nm
(1,8
–
1,9);
•
RNA
total
íntegro:
eletroforese
em
gel
de
agarose;
23S
16S
Eletroforese
em
gel
de
agarose
51. Aplicações
de
Análise
de
IdenJdade
Humana
•
Resolver
crime:
estabelecer
compa2bilidade
entre
suspeito
e
evidencia..
•
ViJmas
de
Acidentes–
acidente
de
avião…
•
Soldados
da
guerra
–
quem
é
o
soldado
“desconhecido”…
•
Provas
de
Paternidade
–
quem
é
o
pai
…
•
Reclamação
de
herança–
quem
obtém
o
dinheiro
…
•
InvesJgações
de
pessoas
desaparecidas
–
de
quem
é
o
corpo…
•
Base
de
dados
de
ofensores
convictos
–
resolver
casos
arquivados
52. Como
é
realizada
a
análise
de
DNA?
Comparar
perfis genéticos
de possíveis
pessoas
Extração/Purificação
DNA
Material
Biológico
Quantificação
DNA
Amplificação/
PCR
Separação e
Detecção
Determinação
Genotípica
54. Conceitos
Básicos
PCR
(reação
em
cadeia
da
polimerase)
–
método
de
amplificar
regiões
específicas
do
genoma
–
desde
1
até
mais
de
um
bilhão
de
cópias
em
2-‐3
horas;
Locus:
região
do
genoma
a
ser
examinada;
Alelo:
é
o
estado
de
variação
genéJca
sendo
examinada;
STRs
=
repeJções
curtas
consecuJvas;
SNPs
=
seqüência
de
bases
no
lugar;
Cromossomos
são
pareados
por
tanto:
Homozigoto
–
Alelos
são
idênJcos
em
cada
cromossomo
Heterozigoto
-‐
Alelos
diferentes
em
cada
cromossomo
55. Replicação
DNA
• Polymerase
Chain
ReacJon
(PCR)
Ø
Uma
técnica
para
replicação
o
copia
de
uma
porção
de
uma
fita
de
DNA
.
Esta
técnica
produz
milhões
de
copias
da
fita
de
DNA.
Kary Mullis, inventor da PCR
Premio Nobel em Química,
1993
56. Reação
em
Cadeia
da
Polimerase
• PCR
Mix:
§ DNA
alvo
§ dNTPs
§ Primers
§ Taq
DNA
polimerase
• Termociclador
§ Desnaturação
(92
°C)
§ Pareamento
de
primers
(55
°C)
§ Extensão
da
fita
(72
°C)
57. • Envolve
síntese
enzimáJca
de
várias
cópias
de
DNA;
• UJliza
um
par
de
primers
e
enzima
Taq-‐DNA
polimerase.
Reação
em
Cadeia
da
Polimerase
(PCR)
58. Mul2plex
PCR
• Aproximadamente
10
marcadores
podem
ser
copiados
ao
mesmo
tempo;
• Sensibilidade
a
níveis
menores
de
1
ng
de
DNA;
• Habilidade
para
manipular
amostras
misturadas
e
degradadas;
• Diferentes
corantes
Fluorescentes
para
disJnguir
alelos
STR;
59. Short
Tandem
Repeats
(STRs)
RepeJções
curtas
consecuJvas
pode
variar
entre
os
indivíduos
AATG
7 repetições
8 repetições
AATG AATG
Posição dos primers define o tamanho do produto
Corante
Fluorescente
60. Marcador
STR
uJlizado
em
Tipagem
de
DNA
Ø Produtos
de
tamanho
pequeno
são
geralmente
compaJveis
com
DNA
degradado
e
a
PCR
permite
a
recuperação
da
informação
de
mínimas
quanJdade
de
material;
Ø Amplificação
“mulJplex’”
com
detecção
por
fluorescência
permite
um
alto
poder
de
discriminação
em
uma
só
prova;
Ø Disponíveis
comercialmente
kit
de
STR
de
fácil
manipulação;
Ø Grupo
uniforme
de
STRs
fornece
a
capacidade
para
comparJlhar
através
de
base
de
dados,
perfis
criminais
de
DNA
a
nível
nacional
e
internacional;
61. Posições
de
Marcadores
Forenses
de
STR
em
Cromossomos
Humanos
O
FBI
tem
selecionado
13
locus
de
STR
os
quais
devem
ser
corridos
em
toda
análise
de
DNA
para
poder
fornecer
um
sistema
comum
de
perfis
de
DNA
62. Slide courtesy of Jim Schumm, Bode Technology Group
P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 P
Avaliação
de
Marcador
Penta
nucleoLdeo
(altamente
heterozigoto
em
24
amostras
de
diferentes
indivíduos)
63. Resultado
de
STR
MulJplex
no
ABI
310
CE
(ABI
COfiler
kit)
D3S1358
D16S539
amelogenin
TH01
TPOX
CSF1PO
D7S820
GS350-ROX
68. Promega
Powerplex
16
← 5 loci
← 6 loci
← 5 loci
← Padrão
← interno
Power of discrimination = 1/1017
69. AMEL
D3
TH01 TPOX
Penta D
Penta E
FGAD21 D18
CSF
D16
D7
D13D5
VWA D8
PCR com kit STR Fluorescene Separação/CE
Análise
STR
de
DNA
Humano
Genotipagem por Comparação a padrão alélico
70.
Amplificação
STR
de
DNA
naturalmente
Degradados
Recuperação
de
perfis
de
DNA
de
restos
humanos
deixados
na
super~cie
(University
of
Tennessee’s
Forensic
Anthropology
Center).
Amostras
amplificadas
com
PowerPlex
16.
71. Comparação
de
STR
na
degradação
de
DNA
(PowerPlex16
kit)
DNA
Control
500pg
DNA
500pg
/
DNAseI
DNA
500pg
/
H2O2
72.
Amplificação
STR
de
DNA
Oxidados
Comparações
de
amostra
de
DNA
de
sangue
oxidados.
Amostras
foram
amplificadas
com
PowerPlex
16
kit.
Produtos
de
DNA
de
sangue,
DNA
de
sangue
oxidado
com
1%
H2O2
por18h
e
DNA
de
sangue
oxidado
com
NaClO
0,5%
em
200pg
DNA.