[go: up one dir, main page]

RU2486251C2 - Method of identification and differentiation of procariotic organisms - Google Patents

Method of identification and differentiation of procariotic organisms Download PDF

Info

Publication number
RU2486251C2
RU2486251C2 RU2011135461/10A RU2011135461A RU2486251C2 RU 2486251 C2 RU2486251 C2 RU 2486251C2 RU 2011135461/10 A RU2011135461/10 A RU 2011135461/10A RU 2011135461 A RU2011135461 A RU 2011135461A RU 2486251 C2 RU2486251 C2 RU 2486251C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
region
hin
identification
primers
pcr
Prior art date
Application number
RU2011135461/10A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011135461A (en
Inventor
Василий Сергеевич Зотов
Наталия Владимировна Пунина
Алексей Фёдорович Топунов
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН (ИНБИ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН (ИНБИ РАН) filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН (ИНБИ РАН)
Priority to RU2011135461/10A priority Critical patent/RU2486251C2/en
Publication of RU2011135461A publication Critical patent/RU2011135461A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2486251C2 publication Critical patent/RU2486251C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: method of identification and differentiation of procariotic microorganisms provides amplification of sequence between the gene replicas of transfer riziform-Glu with use of genus-specific primers. The said sequence is a hin-region. The resulting amplification products are compared with similar characteristics of known hin-regions by the number, length and nucleotide sequence.
EFFECT: use of the invention enables to carry out the identification in the sample of both one and several different procariotic organisms simultaneously.
54 dwg, 4 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области биотехнологии и касается способа идентификации одного микроорганизма или одновременной идентификации нескольких различных микроорганизмов в образце по нуклеотидной последовательности hin-региона (от латинского Hin - уникальный, неповторимый), расположенного между копиями одноименных генов тРНК-Глю.The invention relates to the field of biotechnology and relates to a method for identifying a single microorganism or simultaneous identification of several different microorganisms in a sample by the nucleotide sequence of the hin region (from Latin Hin - unique, inimitable) located between copies of the same tRNA-Gly genes.

Основные молекулярно-биологические методы, используемые для дифференциации и идентификации организмов, можно разделить на три категории: методы, базируемые на рестрикции, на амплификации (ПЦР) и на совокупности последних.The main molecular biological methods used for differentiation and identification of organisms can be divided into three categories: methods based on restriction, amplification (PCR), and a combination of the latter.

К первой группе относится техника RFLP (Полиморфизм Длин Рестрикционных Фрагментов), которая заключается в фрагментировании нативной ДНК исследуемого организма с помощью ферментов рестриктаз и последующем разделении полученных фрагментов при помощи Пульс-Гель Электрофореза (PFGE) /Schwartz D.C., Cantor C.R. 1984. Separation of yeast chromosome-sized DNAs by pulsed field gradient gel electrophoresis. Cell. 37(1):67-75/. Обладая оригинальным принципом разделения фрагментов ДНК в геле, тем не менее данный метод весьма трудоемок на стадии получения и рестрикции целой нефрагментированной ДНК.The first group includes the RFLP technique (Polymorphism of the Lengths of Restriction Fragments), which consists in fragmenting the native DNA of the organism under study using restriction enzymes and subsequent separation of the fragments obtained using Pulse Gel Electrophoresis (PFGE) / Schwartz D.C., Cantor C.R. 1984. Separation of yeast chromosome-sized DNAs by pulsed field gradient gel electrophoresis. Cell. 37 (1): 67-75 /. Possessing the original principle of separation of DNA fragments in a gel, nevertheless, this method is very laborious at the stage of production and restriction of whole unfragmented DNA.

Ко второй группе относятся такие техники, как:The second group includes such techniques as:

АР-ПЦР (случайная ПЦР, осуществляемая без знания нуклеотидной последовательности организма, основанная на геномном распределении случайных повторов) /Williams J.G-K., Kubelik A.R., Livak K.J., Rafalski J.A, Tingey S.V. 1990. DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers // Nucleic Acids Res. 18:6531-6535/;AR-PCR (random PCR performed without knowledge of the nucleotide sequence of the body, based on the genomic distribution of random repeats) / Williams J.G.-K., Kubelik A.R., Livak K.J., Rafalski J.A., Tingey S.V. 1990. DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers // Nucleic Acids Res. 18: 6531-6535 /;

- гер-ПЦР (техника представляет собой комплекс праймеров на часто повторяющиеся в геномах энтеробактерий последовательности, получившие названия Box, Rep, Eric) /Versalotic J., Koeuth Т., Lupski J.R. 1991. Distribution of repetitive DNA sequences in eubacteria and application to fingerprinting of bacterial genomes //Nucleic Acids Res. 19:6823-6831/;- Ger-PCR (the technique is a complex of primers for sequences that are often repeated in the genomes of enterobacteria, called Box, Rep, Eric) / Versalotic J., Koeuth T., Lupski J.R. 1991. Distribution of repetitive DNA sequences in eubacteria and application to fingerprinting of bacterial genomes // Nucleic Acids Res. 19: 6823-6831 /;

- микросаттелитная ПЦР (техника, основанная на геномном распределении микросаттелитных последовательностей типа (GC)4, (GTG)5 и др.) /Epplen J.T., Ammer H., Epplen С. 1991. Oligonucleotide fingerprinting using simple repeat motifs: a convenient, ubiquitously applicable method to detect hypervariability for multiple purposes // In: DNA fingerprinting: approaches and applications. Eds.: G. Burke, G.Dolf, A.J.Jeffreys, and R.Wolff, Birkhauser, Basel. P.50-69; Toonen R. 1997. Microsatellites for Ecologists: Non-Radioactive Isolation and Amplification Protocols for microsatellite markers. Version 1. University of California; Ellegren H. 2004. MICROSATELLITES: SIMPLE SEQUENCES WITH COMPLEX EVOLUTION // Nature Reviews Genetics 5, No 6,435-445/;- microsatellite PCR (a technique based on the genomic distribution of microsatellite sequences of type (GC) 4 , (GTG) 5 , etc.) / Epplen JT, Ammer H., Epplen C. 1991. Oligonucleotide fingerprinting using simple repeat motifs: a convenient, ubiquitously applicable method to detect hypervariability for multiple purposes // In: DNA fingerprinting: approaches and applications. Eds .: G. Burke, G. Dolf, AJ Jeffreys, and R. Wolff, Birkhauser, Basel. P.50-69; Toonen R. 1997. Microsatellites for Ecologists: Non-Radioactive Isolation and Amplification Protocols for microsatellite markers. Version 1. University of California; Ellegren H. 2004. MICROSATELLITES: SIMPLE SEQUENCES WITH COMPLEX EVOLUTION // Nature Reviews Genetics 5, No. 6,435-445 /;

- тРНК-ПЦР (tDNA-ILP) (техника, основанная на геномном распределении консервативных участков генов тРНК) /Welsh J., McClelland M. 1991. Genomic fingerprints produced by PCR with consensus tRNA gene primers // Nucleic Acids Res. 19:861-866/;- tRNA-PCR (tDNA-ILP) (a technique based on the genomic distribution of conserved regions of tRNA genes) / Welsh J., McClelland M. 1991. Genomic fingerprints produced by PCR with consensus tRNA gene primers // Nucleic Acids Res. 19: 861-866 /;

- IS-ПЦР (техника, основанная на геномном распределении последовательностей мобильных элементов, встречаемых в геноме исследуемого организма) /Mahillon J., Chandler M. 1998. Insertion sequences // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62:725-774; George M.L.C., Bustamam M., Cruz W.T., Leach J.E., Nelson R.J. 1997. Movement of Xanthomonas oryzae pv. oryzae in southeast Asia detected using PCR-based DNA fingerprinting // Phytopathology. 87:302-309/;- IS-PCR (a technique based on the genomic distribution of sequences of mobile elements found in the genome of the studied organism) / Mahillon J., Chandler M. 1998. Insertion sequences // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62: 725-774; George M. L. C., Bustamam M., Cruz W. T., Leach J. E., Nelson R. J. 1997. Movement of Xanthomonas oryzae pv. oryzae in southeast Asia detected using PCR-based DNA fingerprinting // Phytopathology. 87: 302-309 /;

- ПЦР анализ с праймерами на целевые гены (такими генами могут быть гены домашнего хозяйства (housekeeping) (gyrB, rpoD, dnaK, fyuA, atpD, recA, ginll, rpoB и др.) /Berg Т., Tesoriero L., Hailstones D.L. 2005. A multiplex real-time PCR assay for detection of Xanthomonas campestris from brassicas. // Letters in Appl. Microbiology. 42(6):624-630; Parkinson N., Aritua V., Heeney J., Cowie C., Bew J.D., Stead D. 2007. Phylogenetic analysis of Xanthomonas species by comparison of partial gyrase В gene sequences // Int. J. of Syst. and Evol. Microbiology. 57:2881-2887; Maiden M.C., Bygraves J.A., Feil E. 1998. Multilocus sequence typing: a portable approach to the identification of clones within populations of pathogenic microorganisms // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95:3140-3145); Vinuesa P., Rojas-Jiménez K., Contreras-Moreira В., Mahna S.K., Nandan Prasad В., Мое H., Babu Selvaraju S., Thierfelder H., Wemer D. 2008. Multilocus sequence analysis for assessment of the biogeography and evolutionary genetics of four Bradyrhizobium species that nodulate soybeans on the asiatic continent // Applied and Environmental Microbiology. 74(22):6987-6996/, рибосомальный кластер (16S pPHK, межгенная область, расположенная между генами 16S pPHK и 23S pPHK, 23S pPHK) /Kolbert С.Р., Persing D.H. 1999. Ribosomal DNA sequencing as a tool for identification of bacterial pathogens // Curr.Opin. Microbiol. 2:299-305/, а также симбиотические гены (sym-гены, nod-гены) /Franssen H.J., Nap J.P., Bisseling T. 1992. Nodulins in root nodule development // Biological Nitrogen Fixation. P.598-624; Suominen L., Roos C., Lortet G., Paulin L., Lindström K. 2001. Identification and structure of the Rhizobium galegae common nodulation genes: evidence for horizontal gene transfer // Mol. Biol. Evol. 18(6):907-916/, гены патогенности (hrp) /Berg Т., Tesoriero L., Hailstones D.L. 2005. A multiplex real-time PCR assay for detection of Xanthomonas campestris from brassicas. // Letters in Appl. Microbiology. 42(6):624-630; Leite R.P. (Jr), Minsavage G.V., Bonas U., Stall R.E. 1994. Detection and identification of phytopathogenic Xanthomonas strains by amplification of DNA sequences related to the hrp genes of Xanthomonas campestris pv. vesicatoria II//Appl. Environ. Microbiol. 60:1068-1077; Zaccardelli M., Campanile F., Spasiano A., Merighi M. 2007. Detection and identification of the crucifer pathogen, Xanthomonas campestris pv. campestris, by PCR amplification of the conserved Hip/type III secretion system gene hrcC // Eur. J. of Plant Pathology. 118(3):299-306/ и др.).- PCR analysis with primers for target genes (such genes may be housekeeping genes (gyrB, rpoD, dnaK, fyuA, atpD, recA, ginll, rpoB, etc.) / Berg T., Tesoriero L., Hailstones DL 2005. A multiplex real-time PCR assay for detection of Xanthomonas campestris from brassicas. // Letters in Appl. Microbiology. 42 (6): 624-630; Parkinson N., Aritua V., Heeney J., Cowie C., Bew JD, Stead D. 2007. Phylogenetic analysis of Xanthomonas species by comparison of partial gyrase B gene sequences // Int. J. of Syst. And Evol. Microbiology. 57: 2881-2887; Maiden MC, Bygraves JA, Feil E. 1998. Multilocus sequence typing: a portable approach to the identification of clones within populations of pathogenic microorganisms // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 3140-3145); Vinuesa P., Rojas-Jiménez K., Contreras-Moreira B., Mahna SK, Nandan Prasad B., My H., Babu Selvaraju S., Thierfelder H., Wemer D. 2008. Multilocus sequence analysis for assessment of the biogeography and evolutionary genetics of four Bradyrhizobium species that nodulate soybeans on the asiatic continent // Applied and Environmental Microbiology. 74 (22): 6987-6996 /, ribosomal cluster (16S pPHK, intergenic region located between the 16S pPHK and 23S pPHK genes, 23S pPHK) / Kolbert S.P., Persing D.H. 1999. Ribosomal DNA sequencing as a tool for identification of bacterial pathogens // Curr.Opin. Microbiol. 2: 299-305 /, as well as symbiotic genes (sym genes, nod genes) / Franssen H.J., Nap J.P., Bisseling T. 1992. Nodulins in root nodule development // Biological Nitrogen Fixation. P.598-624; Suominen L., Roos C., Lortet G., Paulin L., Lindström K. 2001. Identification and structure of the Rhizobium galegae common nodulation genes: evidence for horizontal gene transfer // Mol. Biol. Evol. 18 (6): 907-916 /, genes for pathogenicity (hrp) / Berg T., Tesoriero L., Hailstones D.L. 2005. A multiplex real-time PCR assay for detection of Xanthomonas campestris from brassicas. // Letters in Appl. Microbiology. 42 (6): 624-630; Leite R.P. (Jr), Minsavage G.V., Bonas U., Stall R.E. 1994. Detection and identification of phytopathogenic Xanthomonas strains by amplification of DNA sequences related to the hrp genes of Xanthomonas campestris pv. vesicatoria II // Appl. Environ. Microbiol. 60: 1068-1077; Zaccardelli M., Campanile F., Spasiano A., Merighi M. 2007. Detection and identification of the crucifer pathogen, Xanthomonas campestris pv. campestris, by PCR amplification of the conserved Hip / type III secretion system gene hrcC // Eur. J. of Plant Pathology. 118 (3): 299-306 / et al.).

- секвенирование ДНК (определение и анализ нуклеотидных последовательностей фрагментов) /Sanger F. et al. 1977. Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA //- DNA sequencing (determination and analysis of nucleotide sequences of fragments) / Sanger F. et al. 1977. Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA //

Nature. 265(5596):687-95/.Nature. 265 (5596): 687-95 /.

К третьей группе методов относятся:The third group of methods includes:

- AFLP и его различные модификации (Vos, Р. et al. 1995. AFLP: a new technique for DNA fingerprinting // Nucleic Acids Res. 23:4407-4414; Savelkoul P.H.M., Aarts H.J.M., De Haas J., Dijkshoorn L., Duim В., Otsen M., Rademaker J.L.W., Schouls L., Lenstra J.A. 1999. Amplified-Fragment Length Polymorphism Analysis: the State of an Art // Journal of clinical Microbiology. 37(10):3083-3091), в т.ч. saAFLP (техника, основанная на сопоставлении длин амплифицированнах фрагментов, получаемых путем первоначального фрагментирования общей ДНК организма ферментами рестриктазами, затем легирования полученных рестрикционных фрагментов с короткими (10-30 п.о.) двухцепочечными нуклеотидными последовательностями (адаптерами) и последующей ПЦР с праймерами, нуклеотидные последовательности которых комплиментарны последовательностям адаптеров);- AFLP and its various modifications (Vos, P. et al. 1995. AFLP: a new technique for DNA fingerprinting // Nucleic Acids Res. 23: 4407-4414; Savelkoul PHM, Aarts HJM, De Haas J., Dijkshoorn L. , Duim B., Otsen M., Rademaker JLW, Schouls L., Lenstra JA 1999. Amplified-Fragment Length Polymorphism Analysis: the State of an Art // Journal of clinical Microbiology. 37 (10): 3083-3091), in including saAFLP (a technique based on comparing the lengths of amplified fragments obtained by initially fragmenting the total body DNA with restriction enzymes, then doping the obtained restriction fragments with short (10-30 bp) double-stranded nucleotide sequences (adapters) and subsequent PCR with primers, nucleotide sequences that are complementary to adapter sequences);

- ПЦР-RFLP (техника, основанная на сопоставлении длин рестрикционных фрагментов целевых генов, накопленных предварительно в большой концентрации путем ПЦР) /Gurtler V., Wilson V.A., Mayall B.C. 1991. Classification of medically important clostridia using restiction endonuclease site differences of PCR-amplified 16S rRNA // J.Gen. Microbiol. 137:2673-2679; Kostman J.R., Edlind T.D., LiPuma J.J., Stull T.L. 1992. Molecular epidemiology of Pseudomonas cepacia determined by polymerase chain reaction ribotyping // J.Clin. Microbiol. 30:2084-2087/.- PCR-RFLP (a technique based on a comparison of the lengths of restriction fragments of target genes previously accumulated in high concentration by PCR) / Gurtler V., Wilson V.A., Mayall B.C. 1991. Classification of medically important clostridia using restiction endonuclease site differences of PCR-amplified 16S rRNA // J.Gen. Microbiol. 137: 2673-2679; Kostman J.R., Edlind T.D., LiPuma J.J., Stull T.L. 1992. Molecular epidemiology of Pseudomonas cepacia determined by polymerase chain reaction ribotyping // J. Clin. Microbiol. 30: 2084-2087 /.

У каждого из этих методов есть свои преимущества и недостатки, однако их совокупное использование позволяет обеспечить высокую достоверность идентификации и последующей дифференциации таксономических порядков разного уровня.Each of these methods has its advantages and disadvantages, however, their combined use allows us to ensure high reliability of identification and subsequent differentiation of taxonomic orders of different levels.

Прототипом предложенной нами техники является методика, основанная на амплификации, секвенировании и/или рестрикции межгенного региона рибосомального кластера 16S pPHK и 23S рРНК, позволяющая одновременно определять, идентифицировать и дифференцировать различные таксоны прокариот /Jannes G., Rossau R., Van Heuverswyn H. 1995. Probes targeted to rRNA spacer region, methods and kids for using said probes, for the detection of respiratory tract pathogens. WO 96/00298/. Метод достаточно универсален, т.к. данный межгенный регион есть в наличии практически у всех микроорганизмов. Однако его существенным недостатком является высокий уровень изменчивости выбранного межгенного региона, что требует создания большой коллекции их последовательностей для создания таксон-специфичных праймеров. Однако это не гарантирует отсутствие неспецифичной амплификации с другими таксонами. А также затрудняет прогнозирование работоспособности таких праймеров на неизвестных еще представителях одного и того же таксона. К тому же данный межгенный регион может быть представлен в геноме одного и того же организма в нескольких копиях, отличающихся не только длиной, но и составом нуклеотидной последовательности, что весьма затрудняет идентификацию носителя таких межгенных регионов.The prototype of our technique is a technique based on the amplification, sequencing and / or restriction of the intergenic region of the 16S pPHK and 23S rRNA ribosomal cluster, which allows one to simultaneously identify, identify and differentiate different taxa of prokaryotes / Jannes G., Rossau R., Van Heuverswyn H. 1995 Probes targeted to rRNA spacer region, methods and kids for using said probes, for the detection of respiratory tract pathogens. WO 96/00298 /. The method is quite universal, because almost all microorganisms have this intergenic region. However, its significant drawback is the high level of variability of the selected intergenic region, which requires the creation of a large collection of their sequences to create taxon-specific primers. However, this does not guarantee the absence of non-specific amplification with other taxa. It also makes it difficult to predict the operability of such primers on unknown representatives of the same taxon. Moreover, this intergenic region can be represented in the genome of the same organism in several copies that differ not only in length but also in the composition of the nucleotide sequence, which makes it very difficult to identify the carrier of such intergenic regions.

тРНК-ПЦР (tDNA-ILP) - методика ПЦР с использованием консенсусных праймеров, специфичных для нуклеотидных последовательностей генов тРНК бактерий, растений и животных / Welsh J., McClelland M. 1991. Genomic fingerprints produced by PCR with consensus tRNA gene primers // Nucleic Acids Res. 19:861-866/. Амплификация проходит в достаточно мягких условиях: температура отжига праймеров - 50°С, количество циклов - 40. Продукты такой реакции обычно разделяются в полиакриламидном геле, а секвенирование отдельных фрагментов ДНК проводят по средствам клонирования. В бактериальных геномах гены тРНК могут располагаться кластерами, состоящими из нескольких тандемно повторяющихся единиц /Green C.J., Void В. 1993. Staphylococcus aureus has clustered tRNA genes // J.Bacteriol. 175:5091-5096; Void B. 1985. Structure and organization of genes for transfer ribonucleic acid in Bacillus subtilis // Microbiol. Rev. 49:71-80/. Такие кластеры - полицистроны - обнаружены у Bacillus, Staphylococcus, Enterococcus, Lactobacillus, Streptococcus, Escherichia, Mycoplasma, Acinetobacter. Однако не у всех бактерий гены тРНК организованы в кластеры и не всегда к ним можно подобрать консенсусные праймеры. Так для симбиотических бактерий родов Rhizobium, Sinorhizobium и фитопатогенных бактерий рода Xanthomonas подход tDNA-ILP неприемлем, а большинство работ по применению данного метода направлены на клинические изоляты животных и человека /McClelland M., Petersen С., Welsh J. 1992. Length polymorphisms in tRNA intergenic spacers detected by using the polymerase chain reaction can distinguish streptococcal strains and species // J.din. Microbiol. 30:1499-1504; Muto A., Andachi Y., Yuzawa H., Yamao F., Osawa S. 1990. The organization and evolution of transfer RNA genes in Mycoplasma capricolum // Nucleic Acids Res. 18:5037-5043; Ehrenstein В., Bernards A.T., Dijkshoom L., Gemer-Smidt P., Towner K.J., Bouvet P.J.M., Daschner F.D., Grundmann H. 1996. Actinetobacter species identification by using tRNA spacer fingerprinting // J.Clin. Microbiol. 34:2414-2420; Alexander S.M., Grayson Т.Н., Chambers E.M., Cooper L.F., Barker G.A., Gilpin M.L. 2001. Variation in the Spacer Regions Separating tRNA Genes in Renibacterium salmoninarum Distinguishes Recent Clinical Isolates from the Same Location // J.Clin. Microbiol. 39(1):119-128/. Welsh и McClelland шли по пути создания универсальных праймеров для всех генов тРНК, присутствующих в геномах различных про- и эукариот, однако ввиду различий в нуклеотидном составе, приводящих при мягких условиях проведения ПЦР к появлению "случайных" продуктов, становится невозможным анализировать образцы ДНК в смеси.tRNA-PCR (tDNA-ILP) - PCR technique using consensus primers specific for the nucleotide sequences of bacterial, plant and animal tRNA genes / Welsh J., McClelland M. 1991. Genomic fingerprints produced by PCR with consensus tRNA gene primers // Nucleic Acids Res. 19: 861-866 /. Amplification takes place under fairly mild conditions: the primer annealing temperature is 50 ° C, the number of cycles is 40. The products of this reaction are usually separated in a polyacrylamide gel, and the sequencing of individual DNA fragments is carried out by means of cloning. In bacterial genomes, tRNA genes can be arranged in clusters consisting of several tandem repeating units / Green C. J., Void B. 1993. Staphylococcus aureus has clustered tRNA genes // J. Bacteriol. 175: 5091-5096; Void B. 1985. Structure and organization of genes for transfer ribonucleic acid in Bacillus subtilis // Microbiol. Rev. 49: 71-80 /. Such clusters - polycistrons - were found in Bacillus, Staphylococcus, Enterococcus, Lactobacillus, Streptococcus, Escherichia, Mycoplasma, Acinetobacter. However, not all bacteria have tRNA genes organized in clusters and it is not always possible to select consensus primers for them. So for the symbiotic bacteria of the genera Rhizobium, Sinorhizobium and phytopathogenic bacteria of the genus Xanthomonas, the tDNA-ILP approach is unacceptable, and most of the work on the application of this method is directed to clinical isolates of animals and humans / McClelland M., Petersen C., Welsh J. 1992. Length polymorphisms in tRNA intergenic spacers detected by using the polymerase chain reaction can distinguish streptococcal strains and species // J.din. Microbiol. 30: 1499-1504; Muto A., Andachi Y., Yuzawa H., Yamao F., Osawa S. 1990. The organization and evolution of transfer RNA genes in Mycoplasma capricolum // Nucleic Acids Res. 18: 5037-5043; Ehrenstein B., Bernards A.T., Dijkshoom L., Gemer-Smidt P., Towner K.J., Bouvet P.J.M., Daschner F. D., Grundmann H. 1996. Actinetobacter species identification by using tRNA spacer fingerprinting // J. Clin. Microbiol. 34: 2414-2420; Alexander S.M., Grayson T.N., Chambers E.M., Cooper L.F., Barker G.A., Gilpin M.L. 2001. Variation in the Spacer Regions Separating tRNA Genes in Renibacterium salmoninarum Distinguishes Recent Clinical Isolates from the Same Location // J. Clin. Microbiol. 39 (1): 119-128 /. Welsh and McClelland followed the path of creating universal primers for all tRNA genes present in the genomes of various pro- and eukaryotes, however, due to differences in the nucleotide composition, resulting in mild PCR conditions, the appearance of “random” products, it becomes impossible to analyze DNA samples in a mixture .

Достоверность тестов, основанных на анализе нуклеиновых кислот, находится в существенной зависимости от чувствительности и специфичности используемых праймеров. Следовательно, краеугольным камнем подобного рода анализов является идентификация нуклеотидных последовательностей, являющихся уникальными для интересующей группы организмов. Большинство описанных в литературе и/или коммерчески доступных тестов, основанных на использовании нуклеиновых кислот, нацелено на определение только одного отдельного организма в биологическом образце. В силу того, что большинство биологических образцов обычно могут содержать большое число разнообразных организмов, требуется проведение большого числа отдельных анализов на каждый из них. Такого рода подход очень трудоемкий и требует больших материальных и временных затрат. Вследствие этого число тестов, реально проводимых в большинстве диагностических лабораторий для анализа отдельного образца, ограничено только несколькими, направленными на определение некоторых наиболее часто встречающихся организмов. Поэтому весьма удобно было бы иметь в распоряжении систему, способную быстро, легко проводить определение большого числа различных организмов одновременно, в одной пробирке. Чем большее число организмов может быть проверено в одном и том же анализе, тем более эффективной по стоимости будет такая процедура проверки.The reliability of tests based on nucleic acid analysis is significantly dependent on the sensitivity and specificity of the primers used. Therefore, the cornerstone of this kind of analysis is the identification of nucleotide sequences that are unique to the group of organisms of interest. Most of the nucleic acid tests described in the literature and / or commercially available tests are aimed at determining only one single organism in a biological sample. Due to the fact that most biological samples can usually contain a large number of diverse organisms, a large number of separate analyzes for each of them is required. This kind of approach is very time-consuming and requires large material and time costs. As a result, the number of tests actually carried out in most diagnostic laboratories to analyze a single sample is limited to only a few, aimed at identifying some of the most common organisms. Therefore, it would be very convenient to have a system capable of quickly, easily determining a large number of different organisms simultaneously, in one test tube. The greater the number of organisms that can be tested in the same analysis, the more cost-effective this test procedure will be.

Задачей изобретения является способ идентификации одного микроорганизма или одновременной идентификации различных микроорганизмов в образце.The objective of the invention is a method for identifying a single microorganism or the simultaneous identification of various microorganisms in a sample.

Изобретение касается нуклеотидных последовательностей hin-региона, расположенного между копиями одноименных генов тРНК-Глю (Рис.1), которые предназначены для определения микроорганизмов в биологическом образце методом амплификации, рестрикции и/или секвенирования, а также праймеров нуклеиновых кислот, предназначенных для амплификации указанного межгенного региона микроорганизмов в биологическом образце. Настоящее изобретение также касается нуклеотидных последовательностей новых межгенных регионов, на основании которых могут быть получены подобные праймеры.The invention relates to nucleotide sequences of the hin region located between copies of the tRNA-Glu genes of the same name (Fig. 1), which are designed to determine microorganisms in a biological sample by amplification, restriction and / or sequencing, as well as nucleic acid primers designed to amplify the specified intergenic region of microorganisms in a biological sample. The present invention also relates to nucleotide sequences of new intergenic regions, on the basis of which similar primers can be obtained.

Качественными характеристиками hin-региона являются: количество амплифицируемых фрагментов, отражающее число копий гена тРНК-Глю, длины и последовательности ДНК. В нуклеотидной последовательности hin-региона могут также располагаться открытые рамки считывания (ORF), т.е. наименее изменчивые участки ДНК. Такой межгенный регион представляет собой относительно короткий (примерно от 200 до 1000 пар нуклеотидов) уникальный участок ДНК, присутствующий в геноме протеобактерий в единственной копии. Нуклеотидная последовательность гена тРНК-Глю, а также количество их копий консервативны на родовом уровне у биологического объекта, а иногда группы близких родов. Одним из наиболее ценных преимуществ hin-региона является то, что его последовательность уникальна на видовом уровне, что позволяет безошибочно определять таксономическое положение изучаемого объекта (Рис.2). При этом продуктами амплификации будут один, два и три фрагмента ДНК разной длины, что свидетельствует о количестве копий одноименных генов тРНК-Глю: две, три и четыре, соответственно (Рис.3). Таким образом, синтетические ДНК-молекулы, используемые в качестве праймеров для специфической реакции амплификации, подбираются на целевые последовательности генов тРНК-Глю изучаемых родов прокариот, имеющиеся в общедоступной международной базе генетических данных NCBI (Таблица 1). Например, для бактерий рода Xanthomonas это: 5'-АСАССАСССТТТСАС-3' и 5'-CTAGACGATGGGGAC-3' для рода Rhizobium это: 5'-GGAAGAGGGGTTCGACT-3' и 5'-AGAATGAAAATCTGGTG-3' а для рода Sinorhizobium - 5'-CGATTCCCGTTGGGCGT-3' и 5'-TTCCGCCGTGAAAGGGC-3' Вышеупомянутые свойства делают возможным создание "панелей праймеров", позволяющих одновременно определить набор организмов, которые могут присутствовать в конкретном типе биологического образца.Qualitative characteristics of the hin region are: the number of amplified fragments, which reflects the number of copies of the tRNA-Glu gene, the length and sequence of DNA. Open reading frames (ORFs) may also be located in the nucleotide sequence of the hin region, i.e. least volatile DNA regions. Such an intergenic region is a relatively short (from about 200 to 1000 nucleotide pairs) unique piece of DNA that is present in the genome of proteobacteria in a single copy. The nucleotide sequence of the tRNA-Glu gene, as well as the number of copies thereof, are conservative at the generic level in a biological object, and sometimes groups of related genera. One of the most valuable advantages of the hin region is that its sequence is unique at the species level, which allows us to accurately determine the taxonomic position of the studied object (Fig. 2). The amplification products will be one, two and three DNA fragments of different lengths, which indicates the number of copies of the tRNA-Gly genes of the same name: two, three and four, respectively (Fig. 3). Thus, synthetic DNA molecules used as primers for a specific amplification reaction are selected for target sequences of tRNA-Gly genes of the studied genera of prokaryotes, which are available in the NCBI publicly available international genetic database (Table 1). For example, for bacteria of the genus Xanthomonas these are: 5'-ASASSASSSTTTSAS-3 'and 5'-CTAGACGATGGGGAC-3' for the genus Rhizobium these are: 5'-GGAAGAGGGGTTGGACT-3 'and 5'-AGAATGAAAATCTGGTG-3' and for the genus Sinorh - 5inh -CGATTCCCGTTGGGCGT-3 'and 5'-TTCCGCCGTGAAAGGGC-3' The aforementioned properties make it possible to create "primer panels" that simultaneously determine the set of organisms that may be present in a particular type of biological sample.

Предложенный межгенный регион (hin-регион) обладает высокой разрешающей способностью, позволяет идентифицировать прокариотические организмы, в том числе и близкородственные, вплоть до уровня группы штаммов, а также позволяет быстро и эффективно проводить диагностику целевых биологических объектов. Это является ценным критерием для его применения в качестве метода для экспресс-идентификации биологического объекта. К преимуществам метода Hin-регион ПЦР также относятся: большая информативность hin-региона по сравнению с аналогами (16S рРНК, gyrB и другими белок-кодирующими генами), воспроизводимость и достоверность получаемых результатов, простота и быстрота в исполнении и возможность автоматизации процесса.The proposed intergenic region (hin region) has a high resolution, allows identification of prokaryotic organisms, including closely related ones, up to the level of a group of strains, and also allows quick and efficient diagnosis of target biological objects. This is a valuable criterion for its use as a method for rapid identification of a biological object. The advantages of the Hin-region PCR method also include: greater informational content of the hin-region compared to analogues (16S rRNA, gyrB and other protein-coding genes), reproducibility and reliability of the results, simplicity and speed in execution, and the ability to automate the process.

Кроме того, будучи фланкированными консервативными нуклеотидными последовательностями копий генов тРНК-Глю, все межгенные регионы одного (иногда группы) рода могут быть одновременно амплифицированы с помощью одной пары праймеров. С другой стороны, на основании самих последовательностей межгенных регионов могут быть получены наборы специфических праймеров или зондов, позволяющих детектировать прокариотический организм на видовом уровне или уровне группы штаммов.In addition, being flanked by conserved nucleotide sequences of tRNA-Glu gene copies, all intergenic regions of the same (sometimes groups) genus can be simultaneously amplified using one pair of primers. On the other hand, based on the sequences of intergenic regions themselves, sets of specific primers or probes can be obtained that allow the detection of a prokaryotic organism at the species level or the level of a group of strains.

Наборы праймеров к hin-региону позволяют проводить идентификацию прокариот, у которых данная последовательность фланкирована 2 и более копиями тРНК-Глю генов. В настоящий момент можно проводить идентификацию, как минимум, следующих групп или видов бактерий:Sets of primers for the hin region allow identification of prokaryotes in which this sequence is flanked by 2 or more copies of tRNA-Glygen. Currently, at least the following groups or types of bacteria can be identified:

Figure 00000001
Figure 00000001

Таким образом, задачей настоящего изобретения является подбор таксон-специфичных праймеров или наборов таких праймеров, имеющих своей мишенью последовательность hin-региона и которые позволяют достоверно проводить определение и идентификацию, по меньшей мере, одного и предпочтительно более чем одного организма в биологическом объекте.Thus, it is an object of the present invention to select taxon-specific primers or sets of such primers that target the hin region sequence and which can reliably determine and identify at least one and preferably more than one organism in a biological object.

Задачей настоящего изобретения также является получение новых последовательностей hin-региона, на основании которых могут быть сконструированы таксон-специфичные праймеры.It is also an object of the present invention to provide novel hin region sequences from which taxon-specific primers can be constructed.

Кроме того, принципиальная задача настоящего изобретения состоит в отборе на основании данных по последовательностям hin-региона специфичных праймеров и наборов праймеров, позволяющих проводить определение и идентификацию конкретных панелей организмов, принадлежащих общему таксону, или организмов, возможно присутствующих в образце того же типа.In addition, the principal objective of the present invention is to select specific primers and sets of primers based on data from the hin region sequences that allow the determination and identification of specific panels of organisms belonging to a common taxon, or organisms possibly present in a sample of the same type.

Процедура подбора обычно состоит из теоретической и экспериментальной частей. Прежде всего, различные межгенные последовательности необходимо сравнить с соответствующими последовательностями "ближайших соседей" или межгенными последовательностями других микроорганизмов, возможно присутствующих в данном образце. Для этого требуется определение нуклеотидной последовательности межгенной области. На основании такого сравнения могут быть определены области несовпадения, из которых готовят праймеры с желаемыми гибридизационными свойствами. Кроме того, специфичность и чувствительность зондов необходимо проверить на большой коллекции штаммов как принадлежащихк определяемому таксону, так и к другим таксонам.The selection procedure usually consists of theoretical and experimental parts. First of all, different intergenic sequences must be compared with the corresponding sequences of "nearest neighbors" or intergenic sequences of other microorganisms possibly present in this sample. This requires the determination of the nucleotide sequence of the intergenic region. Based on this comparison, mismatch regions can be determined from which primers with the desired hybridization properties are prepared. In addition, the specificity and sensitivity of the probes must be checked on a large collection of strains belonging both to the identified taxon and to other taxa.

Нуклеотидный состав зонда существенен, поскольку пары оснований G-C имеют большую температурную стабильность по сравнению с парами оснований А-Т ввиду наличия между основаниями дополнительной водородной связи. Следовательно, гибриды нуклеиновых кислот с более высоким содержанием G-C будут более стабильными при высоких температурах.The nucleotide composition of the probe is significant because G-C base pairs have greater temperature stability compared to AT base pairs due to the presence of an additional hydrogen bond between the bases. Consequently, nucleic acid hybrids with a higher G-C content will be more stable at high temperatures.

Список отобранных праймеров из последовательностей hin-региона, описанных в настоящем изобретении, приведен в Таблице 1. Ниже изложены следующие определения терминов и выражений, используемых в различных воплощениях настоящего изобретения.A list of selected primers from the hin region sequences described in the present invention is shown in Table 1. The following definitions of terms and expressions used in various embodiments of the present invention are set forth.

Термин "межгенный регион" относится к последовательности ДНК, фланкированной копиями одноименных генов тРНК.The term “intergenic region” refers to a DNA sequence flanked by copies of tRNA genes of the same name.

Термин "таксон" может относиться к полному роду или подгруппе внутри рода, виду или даже внутривидовой разновидности (подвиды, серовары, патовары, биовары и т.п.).The term "taxon" can refer to a complete genus or subgroup within a genus, species, or even an intraspecific variety (subspecies, serovars, patovars, biovars, etc.).

Термин "ближайший сосед" означает таксон, о котором известно или о котором предполагается, что он наиболее близок к интересуемому организму в терминах гомологии ДНК, и который необходимо отличить от интересуемого организма.The term “nearest neighbor” means a taxon that is known or is assumed to be closest to the organism of interest in terms of DNA homology, and which must be distinguished from the organism of interest.

Термин "специфичная амплификация" или "специфические праймеры" означает, что указанные праймеры амплифицируют только межгенный регион тех организмов, для которых они были разработаны, но не других организмов.The term "specific amplification" or "specific primers" means that these primers amplify only the intergenic region of those organisms for which they were developed, but not other organisms.

Термин "чувствительность" означает число ошибочных отрицательных результатов: т.е. чувствительность 99% предполагает, что из 100 определяемых штаммов 1 был пропущен.The term "sensitivity" means the number of false negative results: i.e. a sensitivity of 99% suggests that out of 100 defined strains, 1 was skipped.

Термин "специфичность" означает число ошибочных положительных результатов: т.е. специфичность 98% предполагает, что на 100 определяемых штаммов 2 оказываются принадлежащими к организмам, для определения которых данный тест не предназначался.The term "specificity" means the number of false positives: i.e. 98% specificity suggests that for 100 determined strains, 2 appear to belong to organisms for which this test was not intended.

Термин "разрешающая способность метода" означает предельный уровень таксона, ниже которого образцы уже не могут быть различимы с использованием данного метода.The term "resolution of the method" means the limit level of the taxon, below which the samples can no longer be distinguished using this method.

Термин "воспроизводимость" означает, что результат, полученный в серии повторностей, будет стабильным и одинаковым.The term "reproducibility" means that the result obtained in a series of repetitions will be stable and the same.

Термин "достоверность" означает согласованность результатов, полученных данным методом и альтернативными методами, при этом результаты объективно отражают свойства биологического объекта, а не носят случайный характер.The term "reliability" means the consistency of the results obtained by this method and alternative methods, while the results objectively reflect the properties of a biological object, and are not random in nature.

Термин "праймер" относится к одноцепочечной олигонуклеотидной последовательности ДНК, способной выступать в роли точки инициации для синтеза нуклеотидной цепи, комплементарной копируемой цепи ДНК. Длина праймера и последовательность нуклеотидов должны быть такими, чтобы обеспечивать отжиг с последующим синтезом праймер-удлиненных продуктов. Желательно, чтобы праймер содержал 15-25 нуклеотидов. Специфичная длина и последовательность праймера зависят от сложности исследуемых ДНК-мишеней, а также от таких условий использования праймера, как температура и ионная сила раствора.The term "primer" refers to a single-stranded oligonucleotide DNA sequence capable of acting as an initiation point for the synthesis of a nucleotide chain complementary to the copied DNA strand. The length of the primer and the nucleotide sequence must be such as to provide annealing followed by the synthesis of primer-extended products. Preferably, the primer contains 15-25 nucleotides. The specific length and sequence of the primer depends on the complexity of the DNA target under study, as well as on conditions for using the primer, such as temperature and ionic strength of the solution.

Термин "Real-time ПЦР" означает реакцию амплификации с количественным и качественным определением образующихся в ходе нее продуктов.The term "Real-time PCR" means the amplification reaction with quantitative and qualitative determination of the products formed during it.

Используемый метод амплификации представляет собой полимеразную цепную реакцию /Saiki R., Gelfand D., Stoffel S., Scharf S., Higuchi R., Horn G., Mullis K., Erlich H. 1988. Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase // Science. 239:487-491/.The amplification method used is a polymerase chain reaction / Saiki R., Gelfand D., Stoffel S., Scharf S., Higuchi R., Horn G., Mullis K., Erlich H. 1988. Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase // Science. 239: 487-491 /.

"Образцом" может быть любой биологический материал, взятый как из природных источников (почва, вода, растительные ткани), так и полученных в лабораторных условиях (чистые культуры клеток, в т.ч. растительные).A “sample” can be any biological material taken either from natural sources (soil, water, plant tissues) or obtained in laboratory conditions (pure cell cultures, including plant).

Определение и идентификация материала-мишени могут быть проведены с использованием одного из методов секвенирования, описанных в литературе и известных специалистам в данной области.The determination and identification of the target material can be carried out using one of the sequencing methods described in the literature and known to specialists in this field.

Перед изучением новых штаммов бактерий необходимо на представительной выборке уже идентифицированных бактерий провести «hin-регион ПЦР» и составить базу данных специфичных последовательностей для каждого вида внутри интересующего рода.Before studying new bacterial strains, it is necessary to conduct a “hin region of PCR” on a representative sample of already identified bacteria and compile a database of specific sequences for each species within the genus of interest.

Стадии проведения анализа:Stages of the analysis:

1. Выделение ДНК из биологического объекта.1. Isolation of DNA from a biological object.

2. Подбор температурных и временных условий и проведение ПЦР с парой праймеров PF и PR, специфичных для данного рода (таксон-специфичные праймеры на уровне рода). Для достижения высокой специфичности амплификации рекомендуется использовать Hot-start полимеразу. Для сокращения времени на проведение анализа можно увеличить приборную скорость нагревания и охлаждения реакционной смеси путем уменьшения ее объема (до 1-2 мкл) и перевода процесса на микроплашечный уровень с возможностью детекции продуктов амплификации в реальном времени.2. Selection of temperature and time conditions and PCR with a pair of primers PF and PR specific for this genus (taxon-specific primers at the genus level). To achieve high specificity of amplification, it is recommended to use Hot-start polymerase. To reduce the analysis time, it is possible to increase the instrumental rate of heating and cooling the reaction mixture by reducing its volume (to 1-2 μl) and transferring the process to a microtiter level with the possibility of detecting amplification products in real time.

3. Визуализация полученных в ходе амплификации ПЦР-продуктов hin-региона в 1.5%-ном агарозном геле или с помощью Real-time ПЦР, или с помощью проведения фрагментарного анализа на генетических анализаторах.3. Visualization of hin-region PCR products obtained during amplification in a 1.5% agarose gel, either using Real-time PCR, or using fragment analysis on genetic analyzers.

4. Возможным, но не обязательным является фрагментирование полученных продуктов в ходе ПЦР амплификации hin-региона при помощи ферментов рестриктаз, предпочтительно с четырехосновным сайтом узнавания, и последующее электрофоретическое разделение продуктов рестрикции в 4.0%-ном агарозном геле.4. It is possible, but not necessary, to fragment the resulting products during PCR amplification of the hin region with restriction enzymes, preferably with a four-base recognition site, and subsequent electrophoretic separation of the restriction products in a 4.0% agarose gel.

5. Ферментативная очистка продукта ПЦР при помощи щелочной алкалинфосфатазы (SAP) и Exonuclease I.5. Enzymatic purification of the PCR product using alkaline alkaline phosphatase (SAP) and Exonuclease I.

Реакционная смесь: SAP - 0,05 ед; 10× SAP-буфер - 0,35 мкл; Exol - 0,5 ед; ПЦР-продукт - 10 мкл; стерильная вода - до 20 мкл.The reaction mixture: SAP - 0.05 u; 10 × SAP buffer - 0.35 μl; Exol - 0.5 units; PCR product - 10 μl; sterile water - up to 20 μl.

Температурно-временной профиль: 37°С - 30 мин, 80°С - 15 мин.Temperature-time profile: 37 ° С - 30 min, 80 ° С - 15 min.

6. Прямое секвенирование с одним из таксон-специфичных праймеров.6. Direct sequencing with one of the taxon-specific primers.

7. Сравнение полученной последовательности ДНК с имеющейся базой данных и составление заключения.7. Comparison of the obtained DNA sequence with the available database and drawing up a conclusion.

Пример 1: Идентификация фитопатогенных бактерий рода XanthomonasExample 1: Identification of phytopathogenic bacteria of the genus Xanthomonas

Xanthomonas spp. способны вызывать заболевания по меньшей мере 124 видов однодольных и 268 видов двудольных растений, включая наиболее важные сельскохозяйственные культуры семейств Пасленовых, Сложноцветных, Крестоцветных, Злаковых и многих других / Leyns F., Cleene M.D., Swings J.-G., Ley J.D. 1984. The host range of the genus Xanthomonas // Botanical review. 50:308-356; Vauterin L., Swings J. 1997. Are classification and phytopathological diversity compatible in Xanthomonas // J. of Industrial Microbiol. and Biotech. 19(2):77-82/. В результате внедрения индустриальной технологии растениеводства, включающей применение гибридных семян от международных производителей, распространения однородных генотипов сельскохозяйственных культур по различным регионам мира, централизованного выращивания рассады и механизированной обработки посевов, вредоносность бактериозов усиливается и расширяет границы своего распространения. Объект исследования является сложным: таксономия рода Xanthomonas представляется спорной, поскольку не существует явного соответствия между физиологическими и генетическими свойствами многочисленных клональных групп внутри этого рода, а взаимоотношения различных патовариантов внутри отдельных видов слабо изучены. Само понятие вида бактерии отличается от общей концепции вида в микробиологии ввиду того, что патогенность бактерий рода Xanthomonas на сходных растениях не доказывает их генетическую близость /Liao C.-H., Wells J.M. 1987. Association of pectolitic starins of Xanthomonas campestris with soft rot of fruits and vegetables at retail markets // Phytopatology. 77:418-422/. В связи с этим задача обнаружения, идентификации и диагностики данных фитопатогенов становится все более важной.Xanthomonas spp. capable of causing disease in at least 124 species of monocotyledonous and 268 species of dicotyledonous plants, including the most important crops of the nightshade families, Asteraceae, Cruciferous, Grain and many others / Leyns F., Cleene M.D., Swings J.-G., Ley J.D. 1984. The host range of the genus Xanthomonas // Botanical review. 50: 308-356; Vauterin L., Swings J. 1997. Are classification and phytopathological diversity compatible in Xanthomonas // J. of Industrial Microbiol. and Biotech. 19 (2): 77-82 /. As a result of the introduction of industrial technology of crop production, including the use of hybrid seeds from international producers, the distribution of homogeneous genotypes of crops in different regions of the world, centralized seedling cultivation and mechanized processing of crops, the harmfulness of bacterioses increases and expands its distribution. The object of the study is complex: the taxonomy of the genus Xanthomonas seems controversial, since there is no explicit correspondence between the physiological and genetic properties of numerous clonal groups within this genus, and the relationships between different pathovariants within individual species are poorly understood. The very concept of a bacterial species differs from the general concept of a species in microbiology because the pathogenicity of bacteria of the genus Xanthomonas on similar plants does not prove their genetic proximity / Liao C.-H., Wells J.M. 1987. Association of pectolitic starins of Xanthomonas campestris with soft rot of fruits and vegetables at retail markets // Phytopatology. 77: 418-422 /. In this regard, the task of detecting, identifying and diagnosing these phytopathogens is becoming increasingly important.

Изучение полиморфизма ксантомонад по референсных маркерам очень подробно было проведено Пуниной Н.В., 2009 г. /Пунина Н.В., 2009. Оценка генетического разнообразия фитопатогенных бактерий рода Xanthomonas sp. и разработка молекулярных маркеров для их диагностики. Автореф. дис…. канд. биол. наук. Москва. 27 с./. По результатам исследования самым перспективным таксономическим маркером, способным составить достойную конкуренцию «золотому стандарту 16S рРНК», был признан ген гиразы Б (gyrB). Филогенетическое дерево, построенное на основе сравнения его нуклеотидных последовательностей у 113 штаммов ксантомонад, достаточно полно отражает генетическое разнообразие популяции этих фитопатогенов (рис.53). Однако оставались трудно разделяемые группы штаммов, и необходимо было предложить технику ПЦР-фингерпринтинга на внутривидовом уровне.The study of xanthomonad polymorphism by reference markers was carried out in great detail by Punina N.V., 2009 / Punina N.V., 2009. Assessment of the genetic diversity of phytopathogenic bacteria of the genus Xanthomonas sp. and the development of molecular markers for their diagnosis. Abstract. dis .... Cand. biol. sciences. Moscow. 27 p. /. According to the results of the study, the gene for gyrase B (gyrB) was recognized as the most promising taxonomic marker capable of competing with the “16S rRNA gold standard”. The phylogenetic tree, based on a comparison of its nucleotide sequences in 113 strains of xanthomonads, fully reflects the genetic diversity of the population of these phytopathogens (Fig. 53). However, groups of strains that were difficult to separate remained, and it was necessary to propose a technique for PCR fingerprinting at the intraspecific level.

Hin-регион амплифицировали с помощью имеющихся родоспецифичных праймеров (прямой праймер: ACACCACCCTTTCAC, SEQ ID NO 1; обратный праймер: TCTAGACGATGGGGAC, SEQ ID NO 2), используя полимеразную цепную реакцию для следующих видов:The hin region was amplified using available genus-specific primers (forward primer: ACACCACCCTTTCAC, SEQ ID NO 1; reverse primer: TCTAGACGATGGGGAC, SEQ ID NO 2) using the polymerase chain reaction for the following species:

- X.campestris,- X.campestris,

- X.euvesicatoria,- X.euvesicatoria,

- X.vesicatoria,- X.vesicatoria,

- X.perforanse,- X.perforanse,

- X.gardneri,- X.gardneri,

- X.axonopodis,- X.axonopodis,

- X.fuscans,- X.fuscans,

- X.arboricola,- X.arboricola

- X.albilineans- X.albilineans

Секвенирование межгенного региона выполняли с помощью метода, дидезокситерминирующего рост цепи, определяя последовательность непосредственно ферментативно очищенных ПЦР-продуктов, объединенных с праймерами.Sequencing of the intergenic region was performed using a method that dideoxy-terminating chain growth, determining the sequence of directly enzymatically purified PCR products combined with primers.

На рис.4-32 представлены нуклеотидные последовательности межгенных регионов различных описанных выше видов Xanthomonas. Полученные нуклеотидные последовательности сравнивали между собой и с последовательностями, уже известными из доступных банков данных. Соответствующие последовательности представлены на рис.4-14. Согласно полученной картине по результатам секвенирования протестированные штаммы могли быть отнесены к одному из следующих видов или видовых групп. Протестированные штаммы, принадлежащие каждой группе, представлены в таблице 2.Figure 4-32 shows the nucleotide sequences of the intergenic regions of the various Xanthomonas species described above. The obtained nucleotide sequences were compared with each other and with sequences already known from the available data banks. The corresponding sequences are shown in Figs. 4-14. According to the picture obtained by sequencing, the tested strains could be assigned to one of the following species or species groups. The tested strains belonging to each group are presented in table 2.

Исследование нуклеотидного полиморфизма hin-региона у 39 коллекционных штаммов ксантомонад показало большую, чем у гена гиразы Б, информативность, с сохранением топологии филогенетического древа (рис.54). На основании нуклеотидных последовательностей межгенного региона штаммов Xanthomonas sp. возможно подобрать и химически синтезировать ряд таксон-специфичных праймеров для каждого вида или группы штаммов ксантомонад.A study of the nucleotide polymorphism of the hin region in 39 collection xanthomonad strains showed greater informational content than that of the gyrase B gene, while maintaining the topology of the phylogenetic tree (Fig. 54). Based on the nucleotide sequences of the intergenic region of Xanthomonas sp. it is possible to select and chemically synthesize a number of taxon-specific primers for each species or group of xanthomonad strains.

Данный результат является иллюстрацией того, что использование таксон-специфичных праймеров, относящихся к межгенному региону, может быть полезным для дифференциации различных групп штаммов, принадлежащих одному виду по результатам классических методов идентификации, и что данные праймеры могут быть использованы для определения и описания новых видов среди ксантомонад. В данном случае с помощью праймеров SEQ ID NO 1 и SEQ ID NO 2 можно определять все штаммы Xanthomonas spp., в то время, как с помощью таксон-специфичных праймеров для рода Xanthomonas можно проводить количественное определение каждой из групп штаммов в образце, например, на платформе Real-time ПЦР.This result illustrates that the use of taxon-specific primers belonging to the intergenic region can be useful for differentiating different groups of strains belonging to the same species according to the results of classical identification methods, and that these primers can be used to identify and describe new species among xanthomonads. In this case, all strains of Xanthomonas spp. Can be determined using primers SEQ ID NO 1 and SEQ ID NO 2, while using taxon-specific primers for the genus Xanthomonas, it is possible to quantify each of the groups of strains in the sample, for example, on the platform Real-time PCR.

Пример 2: Идентификация симбиотических бактерий рода Rhizobium Example 2: Identification of symbiotic bacteria of the genus Rhizobium

Известно, что клубеньковые бактерий разделяют на две большие группы - быстро - и медленнорастущие, отличающиеся по характеру метаболизма углеводов и азотистых соединений, скорости роста и др. К первой группе относятся бактерии рода Rhizobium, в который входят ризобии, характеризующиеся широкой специфичностью и способностью инфицировать разные виды бобовых культур (например, Rhizobium leguminosarum, инфицирующие горох, вику, чину, чечевицу, бобы, клевер и фасоль), а также узкой специфичностью, например симбионты клевера. Данный род представляет собой особый интерес: имея сложную таксономическую структуру, ввиду частых межвидовых рекомбинаций между различными аллелями таксономически важных генов (таких, как 16S рРНК, dnaK, nod-гены), не всегда удается адекватно классифицировать изоляты ризобии. Это приводит к необходимости получения дополнительных генетических данных / Eardly B.D., Nour S.M., van Berkum P., Selander R.K. 2005. Rhizobial 16S rRNA and dnaK. genes: mosaicism and the uncertain phylogenetic placement of Rhizobium galegae // App.and Env. Mic. 71(3): 1328-1335; Suominen L., Roos С., Lortet G., Paulin L., Lindström K. 2001. Identification and structure of the Rhizobium galegae common nodulation genes: evidence for horizontal gene transfer // Mol. Biol. Evol. 18(6):907-916; Vinuesa P., Rojas-Jiménez K., Contreras-Moreira В., Mahna S.K., Prasad B.N., Мое H., Selvaraju S.B., Thierfelder H., Werner D. 2008. Multilocus sequence analysis for assessment of the biogeography and evolutionary genetics of four Bradyrhizobium species that nodulate soybeans on the asiatic continent // App.and Env. Mic. 74(22):6987-6996/. В настоящее время для классификации, идентификации и диагностики клубеньковых бактерий применяется совокупность фенотипических, биохимических и генотипических методов. Наиболее перспективными методами изучения и диагностики являются молекулярно-биологические.It is known that nodule bacteria are divided into two large groups - fast and slow growing, differing in the nature of the metabolism of carbohydrates and nitrogen compounds, growth rates, etc. The first group includes bacteria of the genus Rhizobium, which includes rhizobia, characterized by wide specificity and the ability to infect various species of legumes (for example, Rhizobium leguminosarum, infecting peas, vetch, chinat, lentils, beans, clover and beans), as well as narrow specificity, for example, clover symbionts. This genus is of particular interest: having a complex taxonomic structure, due to frequent interspecific recombination between different alleles of taxonomically important genes (such as 16S rRNA, dnaK, nod genes), it is not always possible to adequately classify rhizobia isolates. This leads to the need for additional genetic data / Eardly B.D., Nour S.M., van Berkum P., Selander R.K. 2005. Rhizobial 16S rRNA and dnaK. genes: mosaicism and the uncertain phylogenetic placement of Rhizobium galegae // App.and Env. Mic. 71 (3): 1328-1335; Suominen L., Roos C., Lortet G., Paulin L., Lindström K. 2001. Identification and structure of the Rhizobium galegae common nodulation genes: evidence for horizontal gene transfer // Mol. Biol. Evol. 18 (6): 907-916; Vinuesa P., Rojas-Jiménez K., Contreras-Moreira B., Mahna SK, Prasad BN, My H., Selvaraju SB, Thierfelder H., Werner D. 2008. Multilocus sequence analysis for assessment of the biogeography and evolutionary genetics of four Bradyrhizobium species that nodulate soybeans on the asiatic continent // App.and Env. Mic. 74 (22): 6987-6996 /. Currently, a combination of phenotypic, biochemical and genotypic methods is used to classify, identify and diagnose nodule bacteria. The most promising methods of study and diagnosis are molecular biological.

С целью создания быстрого и достоверного способа идентификации, дифференциации и изучения биоразнообразия популяционной структуры клубеньковых бактерий был предложен метод сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей их hin-региона. Такой подход позволяет быстро и эффективно проводить оценку популяции на перспективность использования отдельных симбиотических пар «микросимбионт - макросимбионт» в сельскохозяйственной практике и описывать генетическое разнообразия популяции клубеньковых бактерий с целью диагностики новых, паспортизации коммерчески ценных, выявления перспективных штаммов-продуцентов БАВ.In order to create a quick and reliable method for identifying, differentiating, and studying the biodiversity of the population structure of nodule bacteria, a method for comparative analysis of the nucleotide sequences of their hin region was proposed. This approach allows us to quickly and efficiently assess the population for the prospect of using individual symbiotic microsymbiont – macrosymbiont pairs in agricultural practice and to describe the genetic diversity of the nodule bacteria population in order to diagnose new ones, passportize commercially valuable, and identify promising strains producing biologically active substances.

Hin-регион амплифицировали с помощью имеющихся праймеров (прямой праймер: GGAAGAGGGGTTCGACT, SEQ ID NO 3; обратный праймер: AGAATGAAAATCTGGTG, SEQ ID NO 4), используя полимеразную цепную реакцию для следующих видов: The hin region was amplified using available primers (forward primer: GGAAGAGGGGTTCGACT, SEQ ID NO 3; reverse primer: AGAATGAAAATCTGGTG, SEQ ID NO 4) using the polymerase chain reaction for the following species:

- R.leguminosarum (в т.ч. bv.viceae, bv.trifolii, bv.phaseoli);- R.leguminosarum (including bv.viceae, bv.trifolii, bv.phaseoli);

- R.phaseoli;- R.phaseoli;

- R.giardinii;- R. giardinii;

- R.galegae.- R..galegae.

Определение нуклеотидной последовательности межгенного региона выполняли с помощью генетического анализатора.The determination of the nucleotide sequence of the intergenic region was performed using a genetic analyzer.

На рис.33-52 представлены нуклеотидные последовательности межгенных регионов различных перечисленных выше видов Rhizobium. Полученные нуклеотидные последовательности сравнивали между собой и с последовательностями, уже известными из доступных банков данных. Соответствующие последовательности представлены на рис.33-37. Согласно полученной картине по результатам секвенирования протестированные штаммы могли быть приписаны к одному из следующих видов или видовых групп. Протестированные штаммы, принадлежащие каждой группе, представлены в таблице 3.Figures 33-52 show the nucleotide sequences of the intergenic regions of the various Rhizobium species listed above. The obtained nucleotide sequences were compared with each other and with sequences already known from the available data banks. The corresponding sequences are shown in Figs. 33-37. According to the picture obtained by sequencing, the tested strains could be assigned to one of the following species or species groups. The tested strains belonging to each group are presented in table 3.

Результаты электрофоретического разделения продуктов hin-регион ПЦР более 60 штаммов коллекции ризобий показали отличие данного таксономического маркера по длине. Классы hin-региона (генотипы) были выделены на основании различий в структуре и нуклеотидных последовательностях данного региона. Так, на основании различий в структуре нуклеотидных последовательностей hin-региона Rhizobium species всего было выявлено 9 видогрупп, 4 из которых внутри вида R.leguminosarum (Таблица 4). По результатам сравнения нуклеотидных последовательностей hin-региона исследуемых и типовых штаммов ризобий было подтверждено разделение на генотипы (видогруппы) по hin-региону, что соответствовало современным представлениям о таксономической структуре данного рода.The results of electrophoretic separation of hin-region PCR products of more than 60 strains of the rhizobia collection showed the difference in length of this taxonomic marker. Classes of the hin region (genotypes) were isolated on the basis of differences in the structure and nucleotide sequences of this region. Thus, on the basis of differences in the structure of the nucleotide sequences of the hin region of Rhizobium species, a total of 9 species groups were identified, 4 of which were inside the species R.leguminosarum (Table 4). By comparing the nucleotide sequences of the hin region of the studied and typical rhizobia strains, the division into genotypes (species groups) by the hin region was confirmed, which corresponded to modern ideas about the taxonomic structure of this genus.

На основании нуклеотидных последовательностей межгенного региона штаммов Rhizobium spp. могут быть подобраны и синтезированы ряд таксон-специфичных праймеров для каждой интересующей группы штаммов.Based on the nucleotide sequences of the intergenic region of strains of Rhizobium spp. a number of taxon-specific primers can be selected and synthesized for each group of strains of interest.

С помощью праймеров SEQ ID NO 3 и SEQ ID NO 4 можно определять все штаммы Rhizobium spp., в то время как с помощью таксон-специфичных праймеров для рода Rhizobium можно проводить количественное определение каждой из групп штаммов в образце, например, на платформе Real-time ПЦР, изучая, например, состав природной популяции почвенных микроорганизмов.Using primers SEQ ID NO 3 and SEQ ID NO 4, all strains of Rhizobium spp. Can be determined, while using taxon-specific primers for the genus Rhizobium, one can quantify each of the groups of strains in a sample, for example, on the Real- time PCR, studying, for example, the composition of the natural population of soil microorganisms.

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Claims (1)

Способ идентификации и дифференциации прокариотического микроорганизма, содержащего hin-регион, предусматривающий выделение и/или концентрирование ДНК, присутствующей в образце, амплификацию межгенного региона, визуализацию и секвенирование амплифицированных продуктов, а также сравнение полученных продуктов амплификации и их нуклеотидных последовательностей с известными, отличающийся тем, что в качестве межгенного региона используют нуклеотидную последовательность, расположенную между копиями генов тРНК-Глю, представляющую собой hin-регион, которую амплифицируют с помощью родоспецифичных праймеров и секвенируют, идентификацию и дифференциацию прокариотических микроорганизмов проводят при этом на основании количества, длины и нуклеотидной последовательности продуктов такой реакции, характеризующих hin-регион. A method for identifying and differentiating a prokaryotic microorganism containing a hin region, comprising isolating and / or concentrating DNA present in a sample, amplifying an intergenic region, visualizing and sequencing amplified products, and comparing the obtained amplification products and their nucleotide sequences with known ones, characterized in that the nucleotide sequence located between copies of tRNA-Glu genes, which is a the hin region, which is amplified using rhodospecific primers and sequenced, the identification and differentiation of prokaryotic microorganisms is carried out in this case on the basis of the number, length and nucleotide sequence of the products of such a reaction characterizing the hin region.
RU2011135461/10A 2011-08-25 2011-08-25 Method of identification and differentiation of procariotic organisms RU2486251C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011135461/10A RU2486251C2 (en) 2011-08-25 2011-08-25 Method of identification and differentiation of procariotic organisms

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011135461/10A RU2486251C2 (en) 2011-08-25 2011-08-25 Method of identification and differentiation of procariotic organisms

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011135461A RU2011135461A (en) 2013-02-27
RU2486251C2 true RU2486251C2 (en) 2013-06-27

Family

ID=48702509

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011135461/10A RU2486251C2 (en) 2011-08-25 2011-08-25 Method of identification and differentiation of procariotic organisms

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2486251C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017027713A1 (en) * 2015-08-12 2017-02-16 Trana Discovery, Inc. Identification of selected spectrum antibiotics
RU2824466C1 (en) * 2023-10-31 2024-08-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Всероссийский государственный Центр качества и стандартизации лекарственных средств для животных и кормов"(ФГБУ "ВГНКИ") Oligonucleotide primers and probe for detecting fragment of 23s rrna gene of bacteria of the enterococcaceae family

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996000298A1 (en) * 1994-06-24 1996-01-04 Innogenetics N.V. Simultaneous detection, identification and differentiation of eubacterial taxa using a hybridization assay
US5491062A (en) * 1993-11-23 1996-02-13 Stratagene Polynucleotide amplification mycoplasma assay, primers, and kits therefore
RU2390561C2 (en) * 2003-05-23 2010-05-27 Колд Спринг Харбор Лэборетери Virtual sets of fragments of nucleotide sequences

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5491062A (en) * 1993-11-23 1996-02-13 Stratagene Polynucleotide amplification mycoplasma assay, primers, and kits therefore
WO1996000298A1 (en) * 1994-06-24 1996-01-04 Innogenetics N.V. Simultaneous detection, identification and differentiation of eubacterial taxa using a hybridization assay
RU2390561C2 (en) * 2003-05-23 2010-05-27 Колд Спринг Харбор Лэборетери Virtual sets of fragments of nucleotide sequences

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WELSH, J. and M. MCCLELAND: "Genomic fingerprints produced by PCR with consensus tRNA gene primers", Nucleic Acids Res., 1991, 19: 861-866. SARAH M. ALEXANDER et al.: "Variation in the Spacer Regions Separatin tRNA Genes in Renibacterium salmoninarum Distinguishes Recent Clinical Isolates from the Same Location", J Clin Microbiol. 2001 January; 39(1): 119-128. HONEYCUTT RJ et al.: "tRNA intergenic spacers reveal polymorphisms diagnostic for Xanthomonas albilineans", Microbiology. 1995 Dec; 141 (Pt 12):3229-39. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017027713A1 (en) * 2015-08-12 2017-02-16 Trana Discovery, Inc. Identification of selected spectrum antibiotics
US11427860B2 (en) 2015-08-12 2022-08-30 Trana Discovery, Inc. Identification of selected spectrum antibiotics
RU2824466C1 (en) * 2023-10-31 2024-08-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Всероссийский государственный Центр качества и стандартизации лекарственных средств для животных и кормов"(ФГБУ "ВГНКИ") Oligonucleotide primers and probe for detecting fragment of 23s rrna gene of bacteria of the enterococcaceae family

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011135461A (en) 2013-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Blackall, JK Miflin et al. Identification and typing of Pasteurella multocida: a review
Ranjbar et al. Typing methods used in the molecular epidemiology of microbial pathogens: a how-to guide
O'Sullivan Methods for analysis of the intestinal microflora
Haddad et al. Molecular differentiation of Mycobacterium bovis isolates. Review of main techniques and applications
Shitikov et al. Mass spectrometry based methods for the discrimination and typing of mycobacteria
Ikryannikova et al. Misidentification of alpha-hemolytic streptococci by routine tests in clinical practice
Shah et al. Allele-specific PCR method based on rfbS sequence for distinguishing Salmonella gallinarum from Salmonella pullorum: serotype-specific rfbS sequence polymorphism
Vandamme et al. Phylogenetics and systematics
EP1791956A1 (en) Oligonucleotide for detection of microorganism diagnostic kits and methods for detection of microorganis using the oligonucleotide
Bisgaard et al. Multilocus sequence analysis of Pasteurella multocida demonstrates a type species under development
Dijkshoorn et al. The diversity of the genus Acinetobacter
Graves et al. Subtyping Listeria monocytogenes
JPWO2008041354A1 (en) Detection and utilization of bacteria using DnaJ gene
Hung et al. Using groEL as the target for identification of Enterococcus faecium clades and 7 clinically relevant Enterococcus species
Saxena et al. RAPD-PCR and 16S rDNA phylogenetic analysis of alkaline protease producing bacteria isolated from soil of India: Identification and detection of genetic variability
Burton et al. Development of a multipathogen oligonucleotide microarray for detection of Bacillus anthracis
Singh et al. Multilocus sequence typing of Salmonella strains by high-throughput sequencing of selectively amplified target genes
Krawczyk et al. Evaluation of a novel method based on amplification of DNA fragments surrounding rare restriction sites (ADSRRS fingerprinting) for typing strains of vancomycin-resistant Enterococcus faecium
Bautista et al. Genomospecies identification and phylogenomic relevance of AFLP analysis of isolated and non-isolated strains of Frankia spp.
Hu et al. Simultaneous analysis of foodborne pathogenic bacteria by an oligonucleotide microarray assay
RU2486251C2 (en) Method of identification and differentiation of procariotic organisms
WO2018130692A1 (en) Rapid antimicrobial susceptibility testing and phylogenetic identification
Lübeck et al. PCR technology and applications to zoonotic food-borne bacterial pathogens
Adhikary et al. Development of multi locus sequence typing (MLST) of Rodentibacter pneumotropicus
Chen et al. 7 Strain Typing

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner