生物化學與分子生物學/其他實驗技術/凝膠遷移實驗（EMSA）

凝膠遷移或電泳遷移率實驗（EMSA）可以：

1. 研究DNA結合蛋白和其相關的DNA結合序列相互作用；
2. 可用於DNA定性和定量分析；
3. 用於研究RNA結合蛋白和特定的RNA序列的相互作用。

實驗方法和原理

凝膠遷移或電泳遷移率實驗（EMSA-electrophoretic mobility shift assay）是一種研究DNA結合蛋白和其相關的DNA結合序列相互作用的技術，可用於定性和定量分析。這一技術最初用於研究DNA結合蛋白，目前已用於研究RNA結合蛋白和特定的RNA序列的相互作用。

通常將純化的蛋白和細胞粗提液和32P同位素標記的DNA或RNA探針一同保溫，在非變性的聚丙烯凝膠電泳上，分離複合物和非結合的探針。DNA-複合物或RNA-複合物比非結合的探針移動得慢。同位素標記的探針依研究的結合蛋白的不同，可是雙鏈或者是單鏈。當檢測如轉錄調控因子一類的DNA結合蛋白，可用純化蛋白，部分純化蛋白，或核細胞抽提液。在檢測RNA結合蛋白時，依據目的RNA結合蛋白的位置，可用純化或部分純化的蛋白，也可用核或胞質細胞抽提液。競爭實驗中採用含蛋白結合序列的DNA或RNA片段和寡核苷酸片段（特異）， 和其它非相關的片段（非特異），來確定DNA或RNA結合蛋白的特異性。在競爭的特異和非特異片段的存在下，依據複合物的特點和強度來確定特異結合。

實驗材料、試劑、儀器耗材

• DNA樣品
• [γ-32P]ATP、T4多聚核苷酸激酶、Nuclease-Free Water、T4多聚核苷酸激酶緩衝液、醋酸銨、TE、無水乙醇、TBE buffer、重蒸水、甲叉雙丙烯醯胺、丙烯醯胺、甘油、過硫酸銨、TEMED（四甲基乙二胺）、EMSA Gel-Shift結合緩衝液、溴酚藍等
• 水浴鍋、PCR儀、離心機、電泳儀、電泳槽等

實驗步驟

探針的標記

1. 如下設置探針標記的反應體系：

（1）待標記探針 (1.75 pmol/微升) ：2微升。

（2）T4 Polynucleotide Kinase Buffer (10X) ：1微升。

（3）Nuclease-Free Water ：5微升。

（4）[γ-32P]ATP(3 000 Ci/mmol at 10 mCi/ml) ：1微升。

（5）T4 Polynucleotide Kinase (5-10 u/微升) ：1微升。

（6）總體積：10微升

（7）按照上述反應體系依次加入各種試劑，加入同位素後，Vortex混勻，再加入T4 Polynucleotide Kinase，混勻。

2. 使用水浴或PCR儀，37℃反應10分鐘。

3. 加入1微升探針標記終止液，混勻，終止探針標記反應。

4. 再加入89微升TE，混勻。此時可以取少量探針用於檢測標記的效率。通常標記的效率在30%以上，即總放射性的30%以上標 記到了探針上。為實驗簡便起見，通常不必測定探針的標記效率。

5. 標記好的探針最好立即使用，最長使用時間一般不宜超過3天。標記好的探針可以保存在-20℃。

探針的純化

通常為實驗簡便起見，可以不必純化標記好的探針。在有些時候，純化後的探針會改善EMSA的電泳結果。如需純化，可以按照如下步驟操作

1. 對於100微升標記好的探針，加入1/4體積即25微升的5 M醋酸銨，再加入2體積即200微升的無水乙醇，混勻。
2. 在-70℃至-80℃沉澱1小時，或在-20℃沉澱過夜。
3. 在4℃，12 000 g-16 000 g離心30分鐘。小心去除上清，切不可觸及沉。
4. 在4℃，12 000 g-16 000 g離心1分鐘。小心吸去殘餘液體。微晾乾沉澱，但不宜過分乾燥。
5. 加入100微升TE，完全溶解沉澱。標記好的探針最好立即使用，最長使用時間一般不宜超過3天。標記好的探針可以保存在 -20℃。

EMSA 膠的配製

1. 準備好倒膠的模具。可以使用常規的灌制蛋白電泳膠的模具，或其它適當的模具。最好選擇可以灌制較薄膠的模具，以便於干膠等後續操作。為得到更好的結果，可以選擇可灌制較大 EMSA 膠的模具。

2. 按照如下配方配製20毫升4％的聚丙烯醯胺凝膠(注意：使用29:1等不同比例的Acr/Bis對結果影響不大)。

（1）TBE buffer (10X)： 1毫升。

重蒸水：16.2毫升。

（2）39:1 acrylamide/bisacrylamide (40%,w/v)： 2毫升。

（3）80% 甘油： 625微升。

（4）10% 過硫酸銨 (ammonium persulfate) ：150微升。

（5）TEMED ：10微升

3. 按照上述次序加入各個溶液，加入TEMED前先混勻，加入TEMED後立即混勻，並馬上加入到制膠的模具中。避免產生氣泡， 並加上梳齒。如果發現非常容易形成氣泡，可以把一塊制膠的玻璃板進行硅烷化處理。

EMSA結合反應

1. 如下設置EMSA結合反應

陰性對照反應：

（1）Nuclease-Free Water ：7微升。

（2）EMSA/Gel-Shift結合緩衝液(5X) ：2微升。

（3）細胞核蛋白或純化的轉錄因子： 0微升。

（4）標記好的探針 ：1微升。

（5）總體積 ：10微升。

樣品反應：

（1）Nuclease-Free Water ：5微升。

（2）EMSA/Gel-Shift結合緩衝液(5X) ：2微升。

（3）細胞核蛋白或純化的轉錄因子 ：2微升。

（4）標記好的探針： 1微升。

（5）總體積： 10微升。

探針冷競爭反應：

（1）Nuclease-Free Water ：4微升。

（2）EMSA/Gel-Shift結合緩衝液(5X) ：2微升。

（3）細胞核蛋白或純化的轉錄因子： 2微升。

（4）未標記的探針： 1微升。

（5）標記好的探針： 1微升。

（6）總體積 ：10微升。

突變探針的冷競爭反應：

（1）Nuclease-Free Water ：4微升。

（2）EMSA/Gel-Shift結合緩衝液(5X) ：2微升。

（3）細胞核蛋白或純化的轉錄因子 ：2微升。

（4）未標記的突變探針： 1微升。

（5）標記好的探針： 1微升。

（6）體積 ：10微升

Super-shift反應：

（1）Nuclease-Free Water：4微升。

（2）EMSA/Gel-Shift結合緩衝液(5X) ：2微升。

（3）細胞核蛋白或純化的轉錄因子：2微升。

（4）目的蛋白特異抗體 ：1微升。

（5）標記好的探針：1微升。

（6）總體積 ：10微升。

2. 按照上述順序依次加入各種試劑，在加入標記好的探針前先混勻，並且室溫(20-25℃)放置10分鐘，從而消除可能發生的探針和蛋白的非特異性結合，或者讓冷探針優先反應。然後加入標記好的探針，混勻，室溫(20-25℃)放置20分鐘。

3. 加入1微升EMSA/Gel-Shift上樣緩衝液(無色，10X)，混勻後立即上樣。注意：有些時候溴酚藍會影響蛋白和DNA的結合，建 議儘量使用無色的EMSA/Gel-Shift上樣緩衝液。如果對於使用無色上樣緩衝液在上樣時感覺到無法上樣，可以在無色上樣緩衝液裡面添加極少量的藍色的上樣緩衝液，至能觀察到藍顏色即可。

電泳分析

1. 用0.5XTBE作為電泳液。按照10V/厘米的電壓預電泳10分鐘。預電泳的時候如果有空餘的上樣孔，可以加入少量稀釋好的1X 的EMSA上樣緩衝液(藍色)，以觀察電壓是否正常進行。
2. 把混合了上樣緩衝液的樣品加入到上樣孔內。在多餘的某個上樣孔內加入10微升稀釋好的1X的EMSA/Gel-Shift上樣緩衝液 (藍色)，用於觀察電泳進行的情況。
3. 按照10 V/厘米的電壓電泳。確保膠的溫度不超過30℃，如果溫度升高，需要適當降低電壓。電泳至EMSA/Gel-Shift上樣緩 沖液中的藍色染料溴酚藍至膠的下緣1/4處，停止電泳。
4. 剪一片大小和EMSA膠大小相近或略大的比較厚實的濾紙。小心取下夾有EMSA膠的膠板，用吸水紙或普通草紙大致擦乾膠板邊 緣的電壓液。小心打開兩塊膠板中的上面一塊(註：通常選擇先移走硅烷化的那塊玻璃板)，把濾紙從EMSA膠的一側逐漸覆蓋住整個EMSA膠，輕輕把濾紙和膠壓緊。濾紙被膠微微浸濕後(大約不足1分鐘)，輕輕揭起濾紙，這時EMSA膠會被濾紙一起揭起來。把濾紙側向下，放平，在EMSA膠的上面覆蓋一層保鮮膜，確保保鮮膜和膠之間沒有氣泡。
5. 干膠儀器上乾燥EMSA膠。然後用X光片壓片檢測，或用其它適當儀器設備檢測。

常見問題分析

什麼是凝膠遷移或電泳遷移率實驗？

凝膠遷移或電泳遷移率實驗（EMSA）是一種研究DNA結合蛋白和其相關的DNA結合序列相互作用的技術，可用於定性和定量分析。這一技術最初用於研究DNA結合蛋白，目前已用於研究RNA結合蛋白和特定的RNA序列的相互作用。

通常將純化的蛋白和細胞粗提液和32P同位素標記的DNA或RNA探針一同保溫，在非變性的聚丙烯凝膠電泳上，分離複合物和非結合的探針。DNA複合物或RNA複合物比非結合的探針移動得慢。同位素標記的探針依研究的結合蛋白的不同，可是雙鏈或者是單鏈。當檢測如轉錄調控因子一類的DNA結合蛋白，可用純化蛋白，部分純化蛋白，或核細胞抽提液。在檢測RNA結合蛋白時，依據目的RNA結合蛋白的位置，可用純化或部分純化的蛋白，也可用核或胞質細胞抽提液。競爭實驗中採用含蛋白結合序列的DNA或RNA片段和寡核苷酸片段（特異），和其它非相關的片段（非特異），來確定DNA或RNA結合蛋白的特異性。在競爭的特異和非特異片段的存在下，依據複合物的特點和強度來確定特異結合。

實驗中需要用到什麼試劑？

凝膠遷移實驗需要的結合蛋白，可來源於純化或部分純化的蛋白，或粗的核和胞質抽提液。還必須製備同位素標記的DNA或RNA。一般，DNA核苷酸探針用32P和T4多核苷酸激酶來作末端標記，同位素標記的RNA用噬菌體RNA聚合酶和同位素標記的核苷酸在體外合成。Promega公司的Riboprobe/sup系統（a,b）可用於同位素標記的RNA的體外合成，DNA 5'末端標記系統，用於製備DNA探針，結合反應所需的組分有：含鹽的溶液（氯化鎂，氯化鈉，或氯化鉀）、緩衝體系（Tris-HCl或HEPES）、還原劑（DTT）、甘油、非特異的競爭DNA（poly（dI:dC）dI:dC），也可能含非離子去污劑。在結合蛋白和同位素標記的探針作用後，在非變性的聚丙烯凝膠電泳上，分離複合物，隨後將凝膠乾燥並放射自顯影，或用PhosphorImage/sup分析。

凝膠遷移實驗系統提供了什麼試劑？

Promega公司提供一種凝膠遷移實驗系統檢測DNA結合蛋白，系統可作為這類實驗的一種陽性對照。系統包括目的寡核苷酸，對照DNA結合蛋白，結合緩衝液，用於寡核苷酸探針末端標記所需的試劑。Core 系統包括含重組AP2蛋白（AP2抽提液）的大腸桿菌抽提液和AP2的同源寡核苷酸。AP2抽提液是從表達AP2蛋白的大腸桿菌中提取的。另外，Core系統還含SP1同源寡核苷酸，凝膠遷移結合緩衝液，和能作20次對照實驗的HeLa核抽提液。Complete系統含另外5個雙鏈寡核苷酸，分別是AP1、OCT1、CREB、NF-kB、 TFIID結合位點的同源序列。這些寡核苷酸可以在末端標記後用作特異性探針，或在競爭實驗中用作非特異性探針。

成功進行凝膠遷移實驗，需要優化哪些因素？

凝膠遷移實驗在理論上很簡單也很快速，但要成功地進行凝膠遷移實驗，需要優化一些參數，這主要受結合蛋白的來源和探針結合位點特點的影響。以下是需要優化的因素：抽提液的製備（核酸酶和磷酸酶污染會使探針降解），結合蛋白的濃度，探針的濃度，非特異性探針的濃度，緩衝液的配方和pH，聚丙烯凝膠電泳的特點和電泳條件，保溫時間和溫度，載體蛋白，是否有輔助因子（比如鋅，或鎘等金屬離子，或激素）。總之，反應總體積應最小（20μl）。為滿足一般要求，結合緩衝液含4%甘油，1mM MgCl2，0.5mM EDTA，0.5mM DTT，50mM NaCl，10mM Tris-HCl（pH7.5）， 0.05mg/ml poly dI:dC，或10mM HEPES（pH7.9）， 50mM KCl，1mM DTT， 1mM EDTA，10%甘油，0.05mg/ml poly dI:dC可作為優化實驗的起始。

在DNA探針的選擇上，要考慮哪些重要因素？

目的DNA的長度應小於300bp，以有利於非結合探針和蛋白DNA複合物的電泳分離。雙鏈的合成的寡核苷酸和限制性酶切片段可在凝膠遷移實驗中用作探針。如目的蛋白已被鑑定，則應用短的寡核苷酸片段（約為25bp），這樣結合位點可和其他因子的結合位點區別開。長的限制性酶切片段可用於對推定的啟動子/增強子區域內的蛋白結合位點定位。隨後可用DNaseI 印跡對蛋白結合的特異區域在DNA序列水平上作出分析。

用以下一些轉錄調節因子和HeLa細胞核抽提物可形成哪些複合物：AP1, AP2, CREB, NFkB, Oct1, Sp1, TFIID, TFIIB。

當用HeLa細胞核抽提物作為結合蛋白的來源時，每1個轉錄調節因子和它相關的DNA同源序列結合形成特徵型的結合形態。以下的文字描述了每一個單獨的轉錄調節因子，包括識別的同源序列，因子的大小，特定的結合條件，以及和HeLa細胞核抽提物可形成的複合物的數目。