Polimeraz zincir reaksiyonu (PZR) ve reaksiyon koşulları

Polimeraz zincir reaksiyonu spesifik bir DNA parçasının kopyalarının primerler tarafından yönlendirilerek, enzimatik olarak sentezlenmesi şeklinde tanımlanan invitro bir yöntemdir. 1983 yılında Karry Mullis tarafından geliştirilen PZR tekniği günümüzde DNA klonlama, kalıtsal hastalıkların teşhisi, analık-babalık tayini, DNA parmak izi çıkarma, soy kütüğü belirleme, türler ve ırklar arası polimorfizmin belirlenmesi gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır (Soysal 2006, Temizkan ve ark. 1999).

Bu çalışmada PZR tekniği kesilmiş uzunluk polimorfizmine (KPUP) göre incelenecek olan CO-I (sitokrom oksidaz-I) ve 16s rDNA (16s ribozomal DNA) gen bölgelerinin çoğaltılması için uygulanmıştır. Kalıp DNA olarak kullanılan COI geni, mtDNA üzerinde 1794-3359 nükleotid dizisi arasında bulunur. Ancak çalışmada 2095-3123 nükleotid dizisi arasındaki 1028 bç’lik kısım kalıp olarak kullanılmıştır. 16s rDNA geni ise mtDNA üzerinde

13291-14661 nükleotid dizisi arasında bulunur. Çalışmada 14443-13479 nükleotid dizisi arasındaki 964 bç’lik kısım kalıp olarak kullanılmıştır.

Literatür araştırmasında çoğaltılacak gen bölgesine spesifik primerlerin Nielsen ve ark. (1994, 1999) tarafından dizayn edildiği belirlenmiştir. Bu nedenle yeniden primer dizaynı yapılmamıştır. Primer çiftlerinin nükleotit dizilimi Çizelge 2.3’te verilmiştir. Bu primerler ticari bir firmadan (BioLab) ısmarlanarak PZR için kullanılabilir hale getirilmiştir.

Çizelge 2.3. Primerler

COI primer I (geri) 5’ AAT CTG GAT AGT CTG AAT AA 3’

primer II (ileri) 5’ GAT TAC TTC CTC CCT CAT TA 3 16s

rDNA

primer I (geri) 5’ GTA CCT TTT GTA TCA GGG TTG A 3’ primer II (ileri) 5’ CAA CAT CGA GGT CGC AAA CATC 3’ Nielsen ve ark. 1994, 1999

Günümüz şartlarında teknoloji kullanımının yaygınlaşmasına paralel olarak incelenecek gen bölgesinin nükleotid dizilimi biliniyorsa çeşitli programlar vasıtasıyla kolaylıkla primer dizaynı yapılabilmektedir. Apis mellifera mtDNA’sının nükleotid dizilimi Crozier ve Crozier (1993) tarafından belirlenmiştir. Bu nedenle Apis mellifera mtDNA’sının araştırılacak her bir gen bölgesi için kolaylıkla primer dizaynı yapılabilmektedir. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov, http://www-genome.wi.mit.edu/cgi-bin/primer).

PZR yöntemi Saiki ve ark. (1988)’na göre yapılmıştır buna göre her bir örnek için PZR reaksiyonu 2.4 ünite Taq polimeraz, 5 µl 10X reaksiyon tamponu, 5 µl dNTP (2 mM) karışımı, 3 µI MgCl2 (2 mM), yaklaşık 100 ng DNA, her bir primerden 0.68 µM ve toplam hacmi 50 µl’ye tamamlayacak kadar ddH2O bileşenlerinden oluşmaktadır. Ancak diğer laboratuvar işlemlerinde olduğu gibi PZR işleminde de her defasında 12 örneğin PZR’ı aynı anda yapılmıştır. Reaksiyonun bileşenleri ve kullanılan miktarlar kalıp DNA hariç her örnek için aynı olduğundan önce 12 örneğe göre H2O, dNTP, 10X Tampon, Primerler, MgCl2 ve

Çizelge 2.4. Oniki Örnek İçin Hazırlanan PZR Reaksiyon Karışımı Reaksiyon Bileşenlerinin Cinsi Stok konsantrasyon 12 örnek için Alınan miktar µI 1 örnek için alınacak miktar µI Final konsantrasyon H2O 420 30 Tampon 10X 70 5 1X dNTP 2 mM 70 5 0.2 mM Primer I 10 µM 47.6 3.4 0.5 µM Primer II 10 µM 47.6 3.4 0.5 µM MgCl2 50 mM 6.72 3 1.5 mM Taq-

polimeraz 5 U/µl 42 0.58 1.5-2.5 Unite

Total DNA her örnek için 2 µl

Resim 2.7. Birleştirilmiş PZR tüpleri

Çizelge 2.4.’de verilen reaksiyon karışımı 1.5 ml’lik ependorf tüpü içerisinde karıştırıldıktan sonra Resim 2.7.‘de görülen birleştirilmiş PZR tüplerine her örnek için 48 µl olacak şekilde paylaştırılmıştır. Bundan sonra her örneğin kendi kalıp DNA’larından 2’şer µI eklenerek toplam hacim 50 µl’ye tamamlanmıştır. Buharlaşma riskine karşı bitkisel yağ (mineral oil) kullanılmamıştır. Bunun yerine reaksiyon bileşenlerinin miktarları buharlaşma payı göz önünde tutularak hesaplanmıştır. Çok gözlü PZR tüpleri, kapakları sıkıca kapatıldıktan sonra Çizelge 2.5.’deki PZR şartlarına göre otomatik olarak ayarlanmış olan PZR cihazına yerleştirilmiştir (Resim 2.8.).

Çizelge 2.5. PZR şartları

Sınırlı ön denatürasyon → 94 °C’de → 4 dakika DNA zincirlerinin ayrılması→

Primerlerin bağlanması → DNA zincirlerinin sentezi →

94 °C’de → 1 dakika 55 °C’de → 1 dakika 72 °C’de → 2 dakika

35 döngü

final sentez → 72 °C’de→ 6 dakika

Resim 2.8. Çalışmada kullanılan PZR aleti (PTC-200)

Kalıp DNA’nın reaksiyonun başlangıcında tam olarak denatüre edilmesi için sınırlı ön denatürasyona gereksinim duyulmaktadır. Çünkü tam olmayan denatürasyonlar hem ilk yükseltgenme siklusunda kalıp DNA’nın kullanım etkinliğini azaltmakta oldukça az bir PZR ürünü oluşabilmektedir.

Yükseltgeme döngüsü, üç farklı sıcaklık ve bunların döngüsel tekrarlarından ibarettir: Denaturasyon, primer bağlanması, yeni DNA’nın sentezi

Hedef DNA’nın denatürasyonunda primerlerin çoğaltılacak DNA’ya bağlanabilmesi için çift iplikli DNA’nın iki ipliği açılarak tek iplikli hale gelir. Bu aşama için sıcaklık 94 °C’ye, süre ise yaklaşık 1 dakikaya ayarlanmıştır.

Primerlerin DNA’ya bağlanma sıcaklığı (annealing) yükseltgenmede önemli bir etkendir. Özgün primerlerin tek iplikli formdaki DNA’ya bağlanabilmesi için uygun sıcaklık (Tm) aşagıda verilen formüle göre hesaplanmıştır:

Tm=[(A+T’lerin sayısı)x2 + (G+C’lerin sayısı)x4]

Apis mellifera mtDNA’sında AT içerinin yüksek olması nedeniyle primerlerin kalıp DNA’ya

bağlanma sıcaklığı düşüktür.

DNA polimeraz enzimi ortamda bulunan serbest dNTP’leri kullanarak kalıp DNA’ya uygun gelen dNTP’leri primerin 3’-ucundan başlayarak ekler. Böylece orijinal kalıp DNA’nın aynısı sentezlenmeye başlanır. Bu aşama için gereken sıcaklık Taq DNA polimeraz enzimi için 72 °C’dir. DNA sentezi aşamasındaki süre, kalıp DNA’nın uzunluğuna bağlı olarak belirlenir. Taq-polimeraz enzimi 1 dakikada 0.5 kb’lık DNA parçasını amplifiye edebilmektedir. Çalışmada amplifiye edilmesini istediğimiz gen bölgesi yaklaşık 1 kb olduğundan sentez aşaması 2 dakikaya ayarlanmıştır.

Her yükseltgenme döngüsü her biri diğerine bağlı ve farklı sıcaklıklar gerektiren kalıp DNA zincirlerinin ayrılması, primerlerin bağlanması ve DNA zincirlerinin sentezi olmak üzere üç ardışık reaksiyondan oluşur. Yükseltgenme döngüsü 35 kere tekrarlanır ve her tekrar sonucu oluşan yeni DNA’larda bir sonraki basamakta diğerleri ile birlikte kalıp DNA olarak kullanılır. Bu nedenle yükseltgenme aşamasında kalıp DNA üssel olarak (2n) çoğalır. Şekil 2.5.‘de yanlızca ilk üç döngüye kadar PZR’ın işleyişi şematize edilmiştir.

Şekil 2.5. PZR’nun işleyişi

Son polimerizasyon (final sentez) aşamasından sonra yeni sentezlenmiş PZR ürünün uçlarının doldurulması için, örnekler genellikle 72 °C’de 5-6 dakika kadar daha inkübe edilmektedir.

PZR işlemi yaklaşık 3 saat sürmüştür. Süre sonunda PZR ürünleri agoroz jel elektroforezi ile test edildikten sonra istenildiğinde kullanılmak üzere +4°C’de muhafaza edilmiştir.