Evaluation of three methods of DNA extraction from paraffin-embedded material for the amplification of genomic DNA by means of the PCR technique

Avaliação de três métodos de extração de DNA de material parafinado para amplificação de DNA genômico pela técnica da PCR

Patologia

Avaliação de três métodos de extração de DNA de material parafinado para amplificação de DNA genômico pela técnica da PCR

Evaluation of three methods of DNA extraction from paraffin-embedded material for the amplification of genomic DNA by means of the PCR technique

Ricardo Alves MESQUITA^*

Evelyn K. ANZAI^**

Rogério Nogueira OLIVEIRA^***

Fábio Daumas NUNES^****

MESQUITA, R. A.; ANZAI, E. K.; OLIVEIRA, R. N.; NUNES, F. D. Avaliação de três métodos de extração de DNA de material parafinado para amplificação de DNA genômico pela técnica da PCR. Pesqui Odontol Bras, v. 15, n. 4, p. 314-319, out./dez. 2001.

Existem na literatura vários protocolos para extração de DNA genômico a partir de material fixado em formol e embebido em parafina. A obtenção de DNA genômico é importante para realização de experimentos em biologia molecular, dentre eles a PCR. Este trabalho teve por objetivo otimizar a extração de DNA genômico a partir de material fixado (hiperplasia fibrosa inflamatória) e não-fixado (mucosa bucal normal) em formol, comparando-se três metodologias diferentes: fenol com digestão enzimática, partículas de sílica com e sem digestão enzimática. Para amplificação do DNA pela técnica da PCR, utilizou-se iniciadores para o éxon 7 da citoqueratina humana tipo 14. O sucesso da amplificação foi verificado pela eletroforese do produto em gel de poliacrilamida 8% contendo glicerol 5% corado com prata. Obteve-se amplificação do DNA genômico extraído com fenol/digestão enzimática e com partículas de sílica/digestão enzimática, para ambos tecidos utilizados. O método padronizado tem potencial para auxiliar no diagnóstico histopatológico, assim como no estudo retrospectivo de material de arquivo.

UNITERMOS: DNA; Reação em cadeia por polimerase; Queratina.

INTRODUÇÃO

A reação em cadeia da polimerase (PCR - "polymerase chain reaction") é uma técnica in vitro que permite a amplificação de seqüências específicas de ácido desoxirribonucléico (DNA - "deoxyribonucleic acid") ou de ácido ribonucléico (RNA - "ribonucleic acid"), sendo este último realizado a partir da síntese de ácido desoxirribonucléico complementar (cDNA - "complementary deoxyribonucleic acid"). A PCR foi originalmente descrita por SAIKI et al.⁸ (1985) e desde então tem sido utilizada em vários campos da ciência. É uma técnica com alta especificidade e aplicabilidade, com centenas de métodos descritos. A característica mais importante da PCR é a capacidade de amplificar exponencialmente cópias de DNA a partir de pouca quantidade de material. Esta técnica pode ser utilizada na realização de estudos de DNA obtidos a partir de material fixado em formol e embebidos em parafina, possibilitando assim o seu uso como técnica auxiliar no diagnóstico de rotina e a realização de estudos retrospectivos^2,4,10.

Para a realização da PCR, existe a necessidade da obtenção de ácidos nucléicos, sendo que na literatura existem varias técnicas descritas com essa finalidade, utilizando substâncias e estratégias diferentes^1,2,4,6,7,10. O método mais freqüentemente utilizado de extração a partir de material parafinado utiliza a digestão com enzimas proteolíticas, purificação com solventes orgânicos e precipitação com etanol^3,5.

O objetivo deste trabalho foi o de comparar três diferentes técnicas de extração de DNA genômico de material parafinado, ou seja, fenol com digestão enzimática, partículas de sílica sem digestão enzimática e partículas de sílica associada à digestão enzimática, com a finalidade de otimização e de utilização no Laboratório de Biologia Molecular da Disciplina de Patologia Bucal da Faculdade de Odontologia da Universidade de São Paulo.

MATERIAL E MÉTODOS

Foram utilizados fragmentos de um caso de hiperplasia fibrosa inflamatória, fixados em formol 10% e embebidos em parafina, pertencentes ao arquivo da Disciplina de Patologia Bucal da FOUSP. Para efeito de comparação, utilizou-se fragmento de mucosa bucal normal obtida de plastia gengival pós-exodontia, fixado em paraformaldeído 4% durante 24 horas e emblocado em material crioprotetor (OCT, VWR, Willard, OH, EUA). Foram obtidos 10 cortes de 10 mm de ambos tecidos, e estes transferidos para tubos de centrifugação de 1,5 ml. Os procedimentos laboratoriais foram realizados por apenas um pesquisador (RAM).

Preparo dos cortes

Para o material parafinado, foi adicionado a cada tubo de centrifugação 1 ml de xilol aquecido a 65ºC e mantido por 10 minutos. O tubo foi então centrifugado a 14.000 xg durante 5 minutos, desprezado o sobrenadante, seguido de novas trocas de xilol aquecido, até remoção completa da parafina. O precipitado foi reidratado com sucessivas trocas de etanol absoluto, etanol 95% e 70% em água Milli-Q (Millipore, Bedford, MA, EUA), sendo cada troca precedida de homogeneização e centrifugação a 14.000 xg durante 5 minutos. Os cortes do material congelado foram lavados duas vezes com PBS ("phosphate-buffered saline", 1X, pH 7,4) acrescido de Tween 20 a 0,1%, e cada lavagem foi seguida de centrifugação nas mesmas condições anteriores. Os precipitados obtidos foram submetidos às técnicas de extração de DNA descritas a seguir.

Extração com fenol

O protocolo para a extração de DNA com fenol foi baseado no método descrito por ISOLA et al.⁴ (1994). Foi adicionado ao precipitado 200 ml de tampão de lise (NaCl 1 M; Tris-HCl pH 8,0 1 M; EDTA 0,5 M pH 8,0; SDS 10%) estéril e proteinase K (Life Technologies, Gaithersburg, MD, EUA) na concentração final de 500 mg/ml. Os tubos foram mantidos a 55ºC em banho-maria (Precision, VWR, Willard, OH, EUA) por 3-5 dias até a completa dissolução do precipitado. Foi adicionada proteinase K (10-30 ml de uma solução estoque a 250 mg/ml) em intervalos de 24 horas, e os tubos foram invertidos uma vez ao dia. Para inativação da proteinase K, os tubos foram incubados a 95ºC durante 10 minutos.

Após a inativação, foi adicionado 1 ml de fenol saturado (Life Technologies, Gaithersburg, MD, EUA) e tamponado (pH 8,0), e os tubos centrifugados a 4.200 xg por 20 minutos, quando o sobrenadante foi transferido para outro tubo. Foi então acrescentado 1 ml de fenol, clorofórmio e álcool isoamílico (25:24:1), homogeneizado, e centrifugado a 4.200 xg por 20 minutos. O sobrenadante foi novamente transferido para outro tubo de 1,5 ml. Para precipitação do DNA genômico foram adicionados 2 a 3 volumes de etanol absoluto gelado (–20ºC) e 1/10 do volume de acetato de amônio 7 M (Sigma^â, St. Louis, EUA), e o tubo deixado "overnight" a –20ºC. O tubo foi centrifugado a 19.600 xg durante 20 minutos, o precipitado de DNA lavado com etanol 70%, e após evaporação do etanol a temperatura ambiente, o precipitado foi dissolvido em 30-50 ml de tampão TE (Tris-HCl 10 mM, pH 7,4 e EDTA 1 mM, pH 8,0) e mantido a 4ºC até quantificação.

Extração com partículas de sílica

O protocolo de extração com partículas de sílica foi baseado no trabalho de BOOM et al.¹ (1990). Preparou-se solução de sílica fracionada, colocando-se 12 g de dióxido de sílica (Sigma^â, S-5631, St. Louis, EUA) em proveta graduada e adicionando-se água Milli-Q para 100 ml. Após dissolução da sílica, permitiu-se sua sedimentação por 24 horas a temperatura ambiente. Foi então removido o sobrenadante (86 ml) com nova adição de água Milli-Q até atingir o volume de 100 ml. Aguardou-se novamente sua sedimentação durante 5 horas, quando se removeu o sobrenadante (88 ml) e foi adicionado HCl (1 M) até atingir pH 2,0. A solução de sílica foi aliquotada em tubos de centrifugação, e mantida a –20ºC até a sua utilização. Foram também preparadas as soluções tampão L2 (Tris-HCl 0,1 M, pH 6,4; tiocianato de guanidina 4 mM e sílica fracionada 6%) e L6 (Tris-HCl 80 mM, pH 6,4; EDTA 36 mM; Triton X-100 0,5% e sílica fracionada 6%).

Foi adicionado a cada um dos precipitados 820 ml do tampão L6 seguido de incubação a 60ºC por 2 horas, realizando-se homogeneização a cada 15 minutos. Centrifugou-se o tubo a 4.200 xg por 5 minutos, removendo-se 500 ml do sobrenadante para outro tubo. A este foram adicionados 500 ml de tampão L6 e 40 ml de sílica fracionada. Após homogeneização, os tubos foram mantidos em repouso por 15 minutos, seguindo-se centrifugação por 30 segundos a 2.800 xg e remoção do sobrenadante. O precipitado foi lavado e centrifugado a 14.000 xg durante 10 segundos, com passagens sucessivas do tampão L2, etanol 70% (duas vezes) e acetona, sendo utilizado 1 ml de cada solução. Após a evaporação da acetona, foram adicionados ao precipitado 65 ml de água Milli-Q, seguido de incubação a 56ºC por 10 minutos. Após esta incubação, o tubo foi centrifugado a 14.000 xg por 1 minuto, quando se removeu o sobrenadante contendo o DNA genômico que foi mantido a 4ºC até quantificação.

Extração com sílica associada à digestão enzimática

Para o método de extração com sílica associada à digestão enzimática, utilizou-se tampão de lise e proteinase K como descrito anteriormente. Após a dissolução do precipitado, efetuou-se a extração com partículas de sílica como descrito anteriormente e o DNA genômico obtido foi mantido a 4ºC até quantificação.

Quantificação e amplificação do DNA

A quantidade e pureza do DNA genômico obtido foram determinadas por densidade óptica em espectrofotômetro (DU-640, Beckman, Palo Alto, CA, EUA). O DNA genômico foi amplificado utilizando-se da PCR e iniciadores para parte do éxon 7 (190 pares de bases - pb) do gene da citoqueratina humana tipo 14 (CK-14), que se localiza no cromossomo 17q. A seqüência dos iniciadores foi obtida com base no GeneBank (número de acesso J00124), sendo 5’-GTTCGAACCAAGAACTGAGGG-3’ e 5’-CCAGAGAGAGGCGAGAATTA-3’. A reação foi realizada em um termociclador (PTC-100, MJ Research, Inc., Watertown, MS, EUA) adicionando-se os seguintes reagentes a um tubo de 0,5 ml: formamida 1%, tampão 1X (Tris-HCl 200 mM, pH 8,4; KCl 500 mM), dNTPs 0,25 mM, MgCl₂ 1,5 mM, iniciadores 10 pM; Taq polymerase (Life Technologies, São Paulo, Brasil) 1 U; 100 ng de DNA e H₂O estéril para 25 ml. A ciclagem utilizada foi de desnaturação inicial a 95ºC/3 minutos, seguida de 35 ciclos de desnaturação a 94ºC/1 minuto, associação a 58ºC/1 minuto, extensão a 72ºC/50 segundos, com uma extensão final de 72ºC durante 7 minutos. O sucesso da amplificação do DNA foi verificado pela eletroforese do produto (8 horas; 2 Watts) em gel de poliacrilamida 8% contendo glicerol 5%, utilizando-se uma cuba vertical (Life Technologies Gaithersburg, MD, EUA) com tampão de corrida TAE 0,5X (Tris-HCl, 0,04 M; ácido acético glacial 0,02 M; EDTA 0,01 M). Para a visualização das bandas, o gel foi corado com prata segundo protocolo de SAMBROOK et al.⁹ (1989), e secado em papel celofane para preservação.

RESULTADOS

A quantidade e pureza do DNA genômico de ambos os tecidos, utilizando-se as três técnicas, foram satisfatórias para a realização da PCR e os resultados podem ser observados na Tabela 1. Houve amplificação do éxon 7 da CK-14 a partir do DNA genômico obtido dos dois tecidos, pela técnica de extração com fenol e com sílica associada à digestão enzimática. Não se obteve amplificação do DNA genômico obtido a partir da extração com sílica sem digestão enzimática (Figura 1).

DISCUSSÃO

As técnicas utilizadas e otimizadas no nosso laboratório mostraram que os métodos baseados na digestão enzimática (digestão com proteinase K), independentemente do método de extração do DNA genômico (fenol ou partículas de sílica), resultaram em material com quantidade e pureza satisfatórias para amplificação do DNA pela técnica da PCR. A técnica de isolar ácidos nucléicos de tecidos/células em quantidade, pureza e integridade suficientes é uma fase essencial na prática da biologia molecular. A quantidade, pureza e integridade do ácido nucléico extraído dependem de muitos fatores e têm uma grande influência no resultado das técnicas que serão nele aplicadas, como por exemplo, na PCR¹¹.

A fixação de tecidos com formol a 10% é um método prático e eficiente para a preservação arquitetural do tecido, sendo assim um método largamente utilizado em anatomia patológica. Porém, esse tipo de fixação resulta no enovelamento de proteínas nucleares, na formação de ligações entre proteínas e DNA, assim como na desfragmentação do DNA⁴. Portanto, a extração de DNA de material fixado em formol não constitui uma metodologia fácil de ser realizada. Existem vários trabalhos na literatura que utilizam técnicas e estratégias diferentes para a obtenção de DNA de tecido fixado em formol para a aplicabilidade na PCR ou em outras abordagens de biologia molecular^1,2,5,10. Com finalidade de comparação, nós utilizamos em nosso experimento fragmentos de tecidos fixados e não-fixados em formol e não verificamos diferenças na amplificação do DNA quanto a esta variável, de forma que tecidos fixados em formol potencialmente fornecem DNA de qualidade e quantidade suficientes para experimentos em biologia molecular.

Com exceção dos ácidos nucléicos produzidos in vitro (produtos da PCR), na técnica de extração de DNA, a primeira fase representa a ruptura ou lise das membranas celulares com a finalidade de liberar os componentes citoplasmáticos e/ou nucleares intracelulares. Entre as metodologias utilizadas com esta finalidade, temos a fervura, a digestão enzimática (proteinase K, lisozima), a ruptura mecânica (homogeneização), as ondas sonoras (sonicação), os detergentes (SDS, Triton X-100) e soluções (solução salina hipotônica), na dependência do tipo da amostra ou célula^1,10,11.

Freqüentemente, as células de animais podem requerer a utilização de duas ou mais substâncias com a finalidade de romper a matriz tecidual e assim com melhor disponibilização das células para a substância de lise. SEPP et al.¹⁰ (1994) utilizaram fervura ou digestão com proteinase K associados com uma solução de resina quelante (Chelex-100^Ò), para avaliar a extração de DNA de material fixado e parafinado, e observaram que ambas estratégias proporcionaram a obtenção de DNA para utilização na PCR. BLOOM et al.¹ (1990) utilizaram em seu protocolo para a obtenção de ácidos nucléicos, a partir de soro, urina humana e colônias de bactérias, o detergente Triton X-100 e o tiocianato de guanidina, verificando também a efetividade dessas substâncias na ruptura ou lise das membranas celulares. ISOLA et al.⁴ (1994) utilizaram para a extração de DNA de material fixado e parafinado o detergente SDS e a digestão enzimática com proteinase K, verificando a validade dessas substâncias na extração do DNA.

Além das diferentes substâncias, o tempo no qual as células ficam em contato e as concentrações das substâncias, influenciam na qualidade/quantidade final de DNA extraído. ISOLA et al.⁴ (1994) verificaram que a digestão com proteinase K em baixa concentração e por longo período de tempo (3-5 dias) determinam uma qualidade/quantidade final de DNA melhor que digestão com proteinase K em alta concentração e por curto período de tempo. Assim como estes autores, nós utilizamos em dois de nossos protocolos a proteinase K em baixa concentração, e por longo tempo. Estes parâmetros podem justificar a baixa quantidade de DNA e a alta quantidade de proteína obtida pelo protocolo de extração da sílica, em que não se utilizou a proteinase K e foi realizado em curto período de tempo (Tabela 1, casos P3/C3). Este fato pode representar a causa mais provável da não amplificação pela PCR do DNA obtido com esta metodologia de extração. O mecanismo pelo qual a proteinase K por longo período de tempo proporciona uma qualidade final melhor na extração de DNA ainda é desconhecido, sendo que para ISOLA et al.⁴ (1994) este efeito pode estar relacionado a uma reversão parcial do enovelamento de proteínas criado pela fixação com formol.

Após a obtenção do lisado contendo proteínas, ácidos nucléicos (DNA/RNA) e lípides, existe a necessidade de separar os ácidos nucléicos das outras moléculas. O método mais utilizado para essa separação emprega os solventes orgânicos fenol, clorofórmio e álcool isoamílico. O princípio dessa separação é a diferença de solubilidade dos ácidos nucléicos, proteínas e lípides nestes solventes orgânicos, de forma que após a realização desta separação se obtém uma fase aquosa onde se encontra o ácido nucléico^4,11. A propriedade de ligação do DNA com a sílica faz com que esta substância também possa ser utilizada na purificação de ácidos nucléicos¹. Assim como ISOLA et al.⁴ (1994) e BLOOM et al.¹ (1990), nós utilizamos em nossa metodologia fenol, clorofórmio e álcool isoamílico e partículas de sílica para a separação e captação do DNA, verificando que ambas substâncias podem ser utilizadas com esta finalidade.

Após a fase de separação, o DNA deve ser recuperado e isto pode ser realizado por precipitação através de centrifugação, sendo que a adição de etanol ou acetona aumentam a pureza das preparações de DNA^1,4,11. Nós utilizamos estas duas substâncias na fase final de precipitação do DNA, tanto na metodologia de extração com fenol como na de partículas com sílica.

CONCLUSÕES

Nossos achados nos permitem concluir que, em qualquer dos dois métodos empregados (fenol ou sílica), a etapa de digestão enzimática foi fundamental na obtenção de DNA genômico de material fixado em formol e embebido em parafina. A otimização desta técnica de extração de DNA nos permitiu utilizar esse ácido nucléico na reação da PCR com resultados satisfatórios. A utilização desta metodologia é possível e viável de ser utilizada em laboratórios de patologia, e a opção por uma delas fica a critério do laboratório, na dependência de fatores como custo e adaptação à técnica.

AGRADECIMENTOS

À CAPES pelo apoio. À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo patrocínio (processo nº 97/13228-5).

MESQUITA, R. A.; ANZAI, E. K.; OLIVEIRA, R. N.; NUNES, F. D. Evaluation of three methods of DNA extraction from paraffin-embedded material for the amplification of genomic DNA by means of the PCR technique. Pesqui Odontol Bras, v. 15, n. 4, p. 314-319, out./dez. 2001.

There are several protocols reported in the literature for the extraction of genomic DNA from formalin-fixed paraffin-embedded samples. Genomic DNA is utilized in molecular analyses, including PCR. This study compares three different methods for the extraction of genomic DNA from formalin-fixed paraffin-embedded (inflammatory fibrous hyperplasia) and non-formalin-fixed (normal oral mucosa) samples: phenol with enzymatic digestion, and silica with and without enzymatic digestion. The amplification of DNA by means of the PCR technique was carried out with primers for the exon 7 of human keratin type 14. Amplicons were analyzed by means of electrophoresis in an 8% polyacrylamide gel with 5% glycerol, followed by silver-staining visualization. The phenol/enzymatic digestion and the silica/enzymatic digestion methods provided amplicons from both tissue samples. The method described is a potential aid in the establishment of the histopathologic diagnosis and in retrospective studies with archival paraffin-embedded samples.

UNITERMS: DNA; Polymerase chain reaction; Keratin.

Recebido para publicação em 05/03/01

Enviado para reformulação em 23/07/01

Aceito para publicação em 15/08/01

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• ¹¹
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*

Aluno do Curso de Pós-graduação (Doutorado) em Patologia Bucal;

**

Aluna do Curso de Pós-graduação (Mestrado) em Deontologia e Odontologia Legal;

***

Professor Doutor da Disciplina de Deontologia e Odontologia Legal;

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Professor Assistente Doutor da Disciplina de Patologia Bucal – Faculdade de Odontologia da USP

Publication Dates

• Publication in this collection
  08 Feb 2002
• Date of issue
  Dec 2001

History

• Accepted
  15 Aug 2001
• Reviewed
  23 July 2001
• Received
  05 Mar 2001