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漲知識 | qPCR專場六:一文讀懂qPCR文章金標準-MIQE

2023-9-15  閱讀(361)

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熒光定量PCR是實驗室中出鏡率非常高的一種檢測方法。該方法通過在PCR體系中添加熒光基團來記錄DNA產(chǎn)物的累積情況,從而達到對PCR過程進行實時監(jiān)控的目的,并且可以通過數(shù)據(jù)分析計算出起始模板量,這就是“熒光定量"中“定量"一詞的來源。



熒光定量PCR實驗因為靈敏度高所以經(jīng)常是差之毫厘謬以千里,所以在實驗過程中,我們需要注意諸多細節(jié),謹慎操作。小伙伴們看到這里就要著急了,我怎樣才能做好qPCR實驗,拿到實驗結(jié)果,發(fā)表高分文章,走上人生巔呢?

 

日常在進行qPCR時,需要注意多個操作細節(jié),有時稍不留意就會拿到奇怪的實驗結(jié)果或拿不到數(shù)據(jù)結(jié)果。另外在最后的數(shù)據(jù)計算及統(tǒng)計學(xué)分析上,不同人對于數(shù)學(xué)的理解不同,會導(dǎo)致不同的實驗出現(xiàn)相同的結(jié)果,不同的人對同份數(shù)據(jù)進行分析,得出的結(jié)論也不相同。發(fā)表的文章如果缺乏充足的實驗細節(jié),將會妨礙審稿人、編輯等對于結(jié)果質(zhì)量的評估,或者讓小伙伴難以根據(jù)文章重復(fù)實驗。

2009年,Stephen A等人發(fā)表文章《The MIQE Guidelines: Minimum Information for Publication of Quantitative Real-Time PCR Experiments》,這是一群qPCR大牛經(jīng)過商討制定的qPCR實驗和發(fā)表文章指南,其目的是為了作者根據(jù)指南提供相關(guān)的實驗條件和實驗特點,審稿人據(jù)此可以評價實驗所用方法的可靠性,其他研究人員也可以利用這些信息進行重復(fù)實驗。

MIQE指南由9個部分組成,共涉及85個參數(shù),以保證qPCR實驗的實用性、準確性和可重復(fù)性。這9 部分包括實驗設(shè)計、樣本、核酸提取、反轉(zhuǎn)錄、靶標基因、qPCR引物和探針、qPCR實驗報告、qPCR合理性和數(shù)據(jù)分析。85個參數(shù)針對qPCR結(jié)果的重要性,分為了兩類:其中標記為“E"表示必須(essential),標記為“D"表示建議(desirable)。

 

01
實驗設(shè)計

 

科學(xué)準確的實驗設(shè)計是基因表達分析研究的關(guān)鍵。由于在整個研究過程中,目的RNA的轉(zhuǎn)錄易受到研究過程中其他無關(guān)的外部刺激因素干擾,因此嚴格設(shè)計實驗條件的工作十分重要。重要內(nèi)容包括了確定實驗組和對照組的條件、重復(fù)組的類型和數(shù)量(例如生物重復(fù)和技術(shù)重復(fù))、實驗程序、實驗進行條件以及各組內(nèi)樣品的處理方法等等。

 

02
樣本采集與處理

 

樣本采集可能是實驗變異的第一個變異來源,尤其是RNA相關(guān)的實驗,因為RNA容易被樣本的采集和處理方式干擾而不穩(wěn)定。建議將新鮮組織保存在低溫環(huán)境中。樣本采集時應(yīng)相當謹慎,應(yīng)詳細記錄組織樣本的采集以及是否及時處理等信息。如果樣本沒有及時處理,需記錄是如何保存的,以及在什么情況下保存了多長時間。

 

03
核酸提取與質(zhì)量控制

 

核酸提取是第二個關(guān)鍵步驟,尤其是RNA提取,確保使用高純度和未降解的RNA是熒光定量PCR實驗中最關(guān)鍵的一點。提取效率取決于樣本類型、樣本密度、樣本來源的生理狀態(tài)、樣本處理量等等。這些過程細節(jié)對于組織中提取RNA的數(shù)量和質(zhì)量影響重大,故需記錄核酸提取方法的細節(jié)。

針對提取得到的RNA等核酸進行量化十分重要,尤其是在比較分析不同樣本時,RNA等核酸投入一致或類似的數(shù)量能夠避免一系列不確定因素。另外RNA等核酸的質(zhì)量評估也必不。常見的量化和質(zhì)量評估方法有多種,最為常見的是分光光度法,但需要注意的是A260/A280比值必須在中性PH值buffer中進行測量,吸光度比值會受到DNA或者殘余苯酚的影響而改變且不能評估核酸是否發(fā)生降解,故最好搭配其他檢測方法,例如瓊脂糖凝膠電泳、或者是參考基因/靶基因3‘:5’完整性檢測。如果RNA樣本部分降解,該信息在發(fā)表文章時需要告知,因為低水平轉(zhuǎn)錄檢測的敏感性可能降低,其中降解帶來的差異可能會造成不同的實驗結(jié)論。

RNA提取過程中也應(yīng)包括DNA酶處理步驟,用以去除相關(guān)的基因組DNA污染。建議對RNA樣本是否經(jīng)過DNA酶處理(包括DNase類型和反應(yīng)條件)等做好記錄。

核酸中雜質(zhì)殘留的檢測應(yīng)通過稀釋樣本做反轉(zhuǎn)錄以檢測反轉(zhuǎn)錄活性或PCR抑制程度,或者采用SPUD等抑制實驗。

 

04
反轉(zhuǎn)錄

 

由于環(huán)境中普遍存在RNA酶,建議在RNA質(zhì)量評估后立即將RNA樣本反轉(zhuǎn)錄成cDNA,從而避免RNA多次反復(fù)凍融造成的降解風(fēng)險。反轉(zhuǎn)錄時,建議使用相同數(shù)量的RNA進行1次或3次反轉(zhuǎn),并保證所有實驗的反轉(zhuǎn)錄時間相同,從而最小化生物重復(fù)之間的變異性。對于RNA轉(zhuǎn)化成cDNA的方法和試劑描述必不,例如RNA投入量,試劑的詳情,酶投入量,溫度,反應(yīng)時間和操作步驟等等。

 

05
qPCR

 

qPCR分析時,須準備好以下信息:每個靶標基因和內(nèi)參基因的database accession numbers,每個引物和任何探針的外顯子位點,每個寡核苷酸的序列和濃度,包括性質(zhì)、位點和結(jié)合任何染料和/或修飾堿基。還需要聚合酶的濃度和特性,每個反應(yīng)模板的質(zhì)量,鎂離子的濃度,緩沖液的確切化學(xué)成分和反應(yīng)體積。對應(yīng)使用的儀器型號、耗材和所有PCR反應(yīng)條件信息也應(yīng)做好記錄。耗材多為塑料制品,不同制造商的塑料在熒光反射和靈敏度方面表現(xiàn)出很大差異。96孔板使用時,密封方法的不同也會影響板材周邊樣品的蒸發(fā)。

 

由于擴增效率高度依賴于所用的引物,因此也需要將序列進行公開。
 
01
 
引物的二級結(jié)構(gòu)

核酸的結(jié)構(gòu)(例如莖環(huán)二級RNA結(jié)構(gòu))對于反轉(zhuǎn)錄和PCR的效率有著重要的影響。故而引物、探針和PCR擴增產(chǎn)物的位點需考慮到RNA的折疊。

02
 
引物的特異性

引物的特異性需用直接的實驗數(shù)據(jù)驗證有效性,例如凝膠電泳、熔解曲線、DNA測序、擴增子大小、和/或限制性酶切驗證。一些引物優(yōu)化的證據(jù)或方案最好也可提供,理想的形式是退火溫度梯度或Mg2+濃度梯度摸索并以Cq值、熒光與循環(huán)曲線圖的形式呈現(xiàn)數(shù)量和/或熔解曲線。

03
 
質(zhì)控和定量標準

所有qPCR反應(yīng)都需要進行額外的質(zhì)控或定量標準品,例如使用NTC檢測PCR污染。每96孔板或每批樣品上樣應(yīng)包括NTC,并確定數(shù)據(jù)不符合的條件,舉個例子,如果未知低濃度的Cq值為35,則可以忽略Cq值≥40的NTC。

04
 
性能分析

4.1擴增效率

穩(wěn)定和精確的熒光定量PCR檢測通常和高效的擴增效率相關(guān)。尤其當檢測經(jīng)內(nèi)參基因校準的目的基因mRNA濃度時,擴增效率尤為重要。△△Cq法是測定樣品間不同基因表達情況用的方法之一,是基于單個內(nèi)參基因的校準進行的。計算靶標基因和內(nèi)參基因的Cq值的差異,并直接比較不同樣本之間的△Cq,這種情況需要兩個基因能以可比的效率進行擴增,方能進行比較。

 

擴增效率必須通過標準曲線來確定,因為這種校準方法提供了一個簡單、快速以及可重復(fù)擴增效率、分析敏感性和實驗穩(wěn)定性的平均指標。擴增效率根據(jù)標準曲線對數(shù)線性部分的斜率確定。每個靶標基因的的標準曲線需提交在稿件中,這樣審稿人能夠看到。

 

4.2線性動態(tài)范圍

根據(jù)生成的標準曲線的模板,動態(tài)范圍應(yīng)至少包括3個數(shù)量級,理想狀態(tài)是5或6 Log10濃度。標準曲線的線性區(qū)間需包括被定量的靶標基因的區(qū)間。由于定量下限通常定義不明確,應(yīng)當確定線性區(qū)間內(nèi)低濃度的變化。同時需要展示相關(guān)系數(shù)(R2 值)

 

4.3靈敏度(LOD)

LOD的定義是可以檢測到95%的陽性樣品的低濃度。換言之,在一組含有目的基因的重復(fù)實驗中,在LOD濃度下,不應(yīng)發(fā)生超過5%的失敗反應(yīng)。實際上,我們可以通過有限稀釋法來檢測,失敗和成功反應(yīng)的百分比覆蓋泊松分布即可。

 

4.4精度

熒光定量PCR結(jié)果的變化有多種原因,包括溫度的差異可影響退火或變性,移液誤差引起的濃度差異和隨機變化。qPCR精度和濃度相關(guān),一般隨著拷貝數(shù)的降低而降低。理想情況下,實驗內(nèi)的重復(fù)性應(yīng)當以SD error bar或具有重復(fù)樣品的標準曲線上的CIs的形式顯示在圖中。CVs不應(yīng)與Cqs一起使用,但可用于表達拷貝數(shù)或濃度的差異。

05
 
多重熒光定量PCR

多重實驗大大擴展了qPCR分析的能力,特別是應(yīng)用于同時檢測點突變或多態(tài)性檢測。多重熒光定量PCR實驗需要證明多個靶標的準確量化在同一管中不會受到干擾,即,擴增效率和靈敏度和進行單重實驗時是一致的。這點當豐度較低的靶標基因和豐度高的靶標基因進行共同擴增時尤為重要。

 

06
數(shù)據(jù)分析

 

數(shù)據(jù)分析包括對原始數(shù)據(jù)的檢查、對數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性的評估,以及生成可報告的結(jié)果。

 
01
 
均一化

均一化是進行科學(xué)qPCR分析的一個重要組成部分,該過程控制核酸抽提效率、反轉(zhuǎn)錄效率和擴增效率的變化,從而能夠比較不同樣本的RNA濃度。使用內(nèi)參基因作為內(nèi)部對照是最常見的均一化RNA數(shù)據(jù)的方法。均一化包括靶標基因和內(nèi)參基因的RNA濃度之比。內(nèi)參基因的RNA應(yīng)穩(wěn)定表達,其基因豐度與樣品中mRNA總量呈現(xiàn)強相關(guān)。


均一化通常不能用一個內(nèi)參基因,除非作者可為審稿人提供明確的證據(jù)證實內(nèi)參基因在其實驗條件下表達恒定。內(nèi)參基因的最佳數(shù)目和選擇需通過文章具體實驗確定并報告方法。

02
 
變異性

生物體本身固有的變異性可能與組間的實驗差異相匹敵,甚至超過后者。尤其是使用許多生物學(xué)重復(fù)來提高實驗的統(tǒng)計學(xué)重要性時,這種變化就變得顯而易見。雖然生物重復(fù)間的差異可能很大,但是足夠數(shù)量的樣本可以減少實驗差異性。許多因素會導(dǎo)致實驗變異,從而影響到達統(tǒng)計所需的生物重復(fù)的數(shù)量。因此,功效分析(power analysis)有助于確定有效可靠結(jié)論所需的樣本數(shù)。

03
 
定性分析

使用PCR僅檢測核酸是否存在,而不是對其進行準確定量,被稱為定性PCR,該方式廣泛應(yīng)用于病原體診斷。PCR方法定性/定量分層問題在于,準確回答是或否,需要低敏感性PCR實驗的敏感性信息。因此,即使是定性分析也應(yīng)提供有關(guān)分析能力的相關(guān)信息。

 

07
術(shù)語統(tǒng)一
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
01
實時定量PCR的簡寫

建議將縮寫qPCR用于real-time PCR,并將RT-qPCR用于反轉(zhuǎn)錄-qPCR。將RT-PCR簡稱為qPCR會引起混淆,并且與傳統(tǒng)RT-PCR的應(yīng)用不符。

02

內(nèi)參基因

內(nèi)參基因應(yīng)當指的是參照基因(reference genes),而不是管家基因(housekeeping genes)。

03
TaqMan探針

TaqMan探針應(yīng)指為水解探針(hydrolysis probes)。

04
FRET probe

FRET probe (fluorescence resonance energy transfer probe, 熒光共振能量轉(zhuǎn)移探針)指的是一種機制,指發(fā)射/猝滅依賴于兩個熒光染料分子的電子激發(fā)態(tài)之間相互作用。LightCycler型探針指的是雙雜交探針(dual hybridization probes) 。

05
定量 quantification

牛津英語詞典只列出了定量(quantification),非定量(non-quantification),因quantification是恰當?shù)?,而不是quantitation。

06
Cq

現(xiàn)在文獻中使用的閾值循環(huán)(threshold cycle, Ct),交點(crossing point, Cp)和分支點(take-off point, TOP) 與PCR循環(huán)的術(shù)語不一致。這些術(shù)語指的實際上是相同的值,只是由于不同儀器廠家由于產(chǎn)品差異化的原因造成的,不具有科學(xué)的準確性和清晰性。根據(jù)RDML(Real-Time PCR Data Markup Language)數(shù)據(jù)標準,建議統(tǒng)一使用定量循環(huán)(quantification cycle, Cq)這個術(shù)語。

 

※該指南的目的主要有三個:
1. 讓作者能夠設(shè)計和報告具有更大內(nèi)在價值的qPCR實驗。
2. 給到審稿人和編輯既定標準用于衡量所收稿件的技術(shù)質(zhì)量。
3.遵守指南中的準則,人們可以更容易地重復(fù)已發(fā)表研究中所描述的實驗。
 
以上是對qPCR金標準指南-MIQE的介紹,相信小伙伴們通過小翌的介紹,對MIQE指南已經(jīng)有一定的了解啦。關(guān)于如何做好qPCR實驗,小翌會陸續(xù)在公眾號里傳授秘籍噠,敬請期待哦。

 

 

 
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