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漲知識 | qPCR專場七:認識不同熒光定量PCR方法

2023-10-8  閱讀(236)

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漲知識 | qPCR專場七:認識不同熒光定量PCR方法

 

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,走上人生呢?

 

 

熒光定量PCR其本質(zhì)是通過熒光探針或熒光DNA結(jié)合染料和實時熒光定量PCR儀器對PCR擴增產(chǎn)物進行檢測和定量,儀器在PCR熱循環(huán)的過程中測量熒光。市面上有多種不同類型的熒光定量PCR試劑,這些熒光定量PCR試劑的差別是什么?如何根據(jù)自己的實驗?zāi)繕巳ミx擇呢?小翌為大家細細道來~

 

圖.PCR循環(huán)流程

 

 

 
染料法與探針法的區(qū)別
 
 
非特異性熒光標記:染料法
 
 

 

SYBR Green 染料是一種熒光DNA結(jié)合染料,能夠結(jié)合在任何雙鏈DNA中的小溝上。該染料在游離狀態(tài)下,僅發(fā)出微弱的熒光,一旦和雙鏈DNA結(jié)合,熒光信號便大大增強。在PCR循環(huán)中,每形成一條DNA雙鏈,就有一定數(shù)量染料結(jié)合上去。隨著PCR反應(yīng)的進行,越來越多的雙鏈DNA形成,熒光強度也隨之增強。

 

 

由于SYBR Green 染料會和任意雙鏈DNA結(jié)合并發(fā)出熒光信號。當反應(yīng)中出現(xiàn)引物二聚體或者非特異擴增時,便有可能產(chǎn)生明顯的假陽性信號。具體的表現(xiàn)是熔解曲線呈現(xiàn)雙峰或多峰,擴增曲線中的Ct值相比正常值偏小。

 

 
特異性熒光標記:探針法
 
 
目前市面上幾乎所有的探針法熒光定量PCR都是利用了熒光共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,探針上存在一定對能產(chǎn)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移的基團,利用PCR反應(yīng)中的一些類似酶切、雜交等過程,使兩個基團的距離發(fā)生變化,使得整個PCR系統(tǒng)中的熒光強度或者熒光種類發(fā)生變化,這種變化與PCR產(chǎn)物類型和產(chǎn)物量有直接關(guān)系。

 

 

探針法熒光定量有多種類型,例如TaqMan探針法、雙雜交探針法、分子信標探針法和蝎形探針法等。其中TaqMan探針是最常見的探針方法,通常是設(shè)計一條與擴增產(chǎn)物能互補能互補雜交的探針,在探針的5’端標記報告基團,在探針3’端標記淬滅基團。當探針完整時,報告基團和淬滅基團之間距離很近,由于熒光共振能量轉(zhuǎn)移存在,報告基團在入射光激發(fā)下不會發(fā)出熒光信號。PCR反應(yīng)進行時,探針雜交在引物下游的位置,當DNA擴增酶移動到探針位置上時,酶本身5’-3’端的外切酶活性會從5’端切割探針,從而使5’端報告基團和3’端標記淬滅基團分離,當基團之間的距離超過熒光共振能量轉(zhuǎn)移的范圍,報告基團在光照射下,就可發(fā)出一定的熒光。由于探針是針對目標序列設(shè)計,是特異性的,故而熒光的種類和光信號強度能特異性指示目標序列的種類和數(shù)量。

 

 
染料法VS.探針法
 
 

 


染料法熒光定量PCR

探針法熒光定量PCR

特異性

靈敏度

可重復(fù)性

多重反應(yīng)

-

可多重

探針/引物設(shè)計

引物

探針+引物

實驗成本

應(yīng)用

特定基因表達差異分析;DNA定量

特定基因表達分析;DNA定量;SNPs基因分析;基因突變檢測;產(chǎn)前遺傳病檢測;傳染病早期病原體檢測

 

 

 
不同應(yīng)用的染料法熒光定量
 
進行熒光定量時,靶標均為DNA模板,但是不同來源的DNA,會存在一定的差異。通常進行染料法熒光定量時,選用的最適DNA產(chǎn)物長度為80-300bp。但是當DNA由18-28個核苷酸組成的miRNA反轉(zhuǎn)錄得到時,選用正確的熒光定量試劑變得尤為重要。

 

 
miRNA的染料法熒光定量檢測
 
 
miRNA的長度很短,通常約18-28個核苷酸,因此無法采用常見的普通反轉(zhuǎn)錄試劑盒和熒光定量PCR試劑進行miRNA的檢測。目前,市面上采用兩種方法對miRNA進行反轉(zhuǎn)錄,一種是加尾法(加A法),另一種是莖環(huán)法。兩種方式均是通過人為加長序列的方式獲取第一鏈cDNA,該cDNA的長度通常在60-80nt左右。

另外不同miRNA之間堿基序列的差異不大,在僅有的18-28個核苷酸內(nèi),不同miRNA甚至?xí)霈F(xiàn)僅1個核苷酸不同的現(xiàn)象,高效特異性區(qū)分不同miRNA也十分重要。因此,常規(guī)的熒光定量可能難以滿足miRNA實驗?zāi)繕怂瑁枰x用專門針對短片段擴增,且能高特異性準確定量的熒光定量試劑。

 

 

miRNA的定量檢測不僅可以選用染料法熒光定量,也可選用適宜的探針法熒光定量。

 

 
常見DNA的染料法熒光定量檢測
 
 
市面上常見的染料法熒光定量試劑均可滿足常見DNA的熒光定量檢測,但需要注意的是,由于染料法熒光定量中染料結(jié)合任意雙鏈DNA的特性,除需要精心設(shè)計引物和進行熔解曲線分析以外,最好選用保證靈敏度和特異性雙兼顧的染料法熒光定量試劑,減少因為DNA擴增酶本身特異性原因造成的非特異擴增。

 

 

 
不同應(yīng)用的探針法熒光定量
 
探針法熒光定量按照檢測靶標數(shù)量可分為單重?zé)晒舛縋CR和多重?zé)晒舛縋CR。單重?zé)晒舛縋CR相對來說比較簡單,即在單個孔中通過一次PCR反應(yīng)針對一個基因進行擴增檢測。而多重?zé)晒舛縋CR則是在單孔中通過一次PCR反應(yīng)同時針對多個靶標進行擴增,利用一定的檢測方式實現(xiàn)對多個靶標進行檢測。那么,在實際使用時,有什么具體的差別呢?

 

 
場景模擬
 
 
采用相對定量法分析并確定某個生物體經(jīng)過藥物處理后目的基因的表達情況。采用單重?zé)晒舛縋CR試劑,則每個孔中只有一個基因(內(nèi)參基因或目的基因)擴增,若技術(shù)重復(fù)為三次,則需要將樣品分成6份,3個用于內(nèi)參基因檢測,3個用于目的基因檢測,用以檢測目的基因的表達情況。而采用多重?zé)晒舛縋CR,進行三次技術(shù)重復(fù),僅需將樣品分成3份,3個孔中通過用一個PCR反應(yīng)擴增內(nèi)參基因和目的基因,從而檢測目的基因的表達情況。

多重?zé)晒鈾z測,可以通過單個PCR反應(yīng)中進行多個基因的擴增從而減少qPCR反應(yīng)所需要的樣品量,且該方式和單重?zé)晒舛繖z測一樣靈敏準確。除了節(jié)省樣本量外,還可節(jié)省試劑以及設(shè)置實驗程序和分析實驗結(jié)果所需要的時間。單孔擴增多個基因也可最大限度地減少移液誤差。

使用多重?zé)晒舛縋CR也有需要注意的事項,其中最為重要的是,需要保證不同基因在單重?zé)晒舛糠磻?yīng)中和多重?zé)晒舛糠磻?yīng)中的結(jié)果是一致的。尤其是擴增的基因中同時存在著低豐度表達基因和高豐度表達基因。

 

 
兩步RT-qPCR與一步RT-qPCR的區(qū)別
 
兩步RT-qPCR首先在一管中使用反轉(zhuǎn)錄酶將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA,通常選用隨機引物、oligo dT或基因特異性引物進行反轉(zhuǎn)錄。完成反轉(zhuǎn)錄后,吸取約10%左右的cDNA用于后續(xù)熒光定量PCR。

 

 

 
兩步法RT-qPCR的優(yōu)點
 
 
  • cDNA量充足:反轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生的cDNA可選擇通過稀釋或者直接使用的方式滿足多次實時熒光定量實驗;

  • 滿足多靶標:通過oligo dT和隨機引物,可以從單個RNA樣本中擴增多個靶標。

 

 
兩步法RT-qPCR的缺點
 
 
  • 便捷性差:兩步反應(yīng)需要更多的處理,不太適合高通量應(yīng)用;

  • 污染風(fēng)險:由于每個步驟都需要使用單獨的管子,污染的風(fēng)險增加;

  • cDNA產(chǎn)物中殘留試劑的抑制:反轉(zhuǎn)錄酶和反轉(zhuǎn)錄緩沖液殘留會一定程度抑制熒光定量PCR,因此在熒光定量PCR中建議僅使用10%的cDNA進行反應(yīng)。若稀釋不當,相關(guān)殘留組分可能會抑制DNA聚合酶。

 

當起始模板是RNA時,可選用一步RT-qPCR進行定量檢測。和常規(guī)的兩步RT-qPCR不同的是,該方法在同一管封閉狀態(tài)下,完成了反轉(zhuǎn)錄和熒光定量PCR,節(jié)省了操作步驟和操作時間,并減少了反復(fù)開蓋帶來的風(fēng)險?;蛱禺愋砸锸潜仨毜?,用于反轉(zhuǎn)錄和定量擴增。若采用Oligo dT或隨機引物將會在一步法中產(chǎn)生非特異性產(chǎn)物并減少目標產(chǎn)物的量。

 

 

 
一步法RT-qPCR的優(yōu)點
 
 
  • 減少污染:一管一步式可防止在反轉(zhuǎn)錄和熒光定量PCR階段之間引入污染物;

  • 便捷:移液步驟減少,手動操作時間減少;

  • 高通量檢測:每個樣本獲得結(jié)果的總時間縮短且可重現(xiàn)性高;

  • 靈敏度高:所有產(chǎn)生的第一鏈cDNA都可用于實時PCR擴增,一定程度上提高靈敏度。

 

 
一步法RT-qPCR的缺點
 
 
  • 二聚體風(fēng)險增加:上下游基因特異性引物在42℃-50℃下更易發(fā)生二聚體聚合,從而導(dǎo)致非特異擴增;

  • 檢測靶標數(shù)少:單一RNA模板能夠檢測的靶標數(shù)量相對較少。

 

以上是對不同熒光定量PCR方法的介紹,相信小伙伴們通過小翌的介紹,對如何選擇適合自己的熒光定量PCR方法已經(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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