實時熒光定量PCR

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實時熒光定量PCR(Realtime fluorescence quantitative PCR,qPCR),它是指在PCR反應體系中加入熒光基團,利用熒光信號累積實時監測整個PCR進程,最后通過標準曲線對初始模板進行定量分析的方法。該技術于1996年由美國Applied Biosystems公司推出,它的出現解決了傳統PCR不能對初始模板定量分析的問題。熒光定量PCR具有準確性高、靈敏度高、特異性強等優點,目前已廣泛應用于分子生物學研究和醫學研究等領域。

熒光定量PCR原理

在PCR反應體系中加入熒光基團,隨著PCR反應的進行,PCR反應產物不斷累積,熒光信號強度也等比例增加。每經過一個循環收集一個熒光強度信號,通過熒光強度變化檢測產物量的變化,最終得到得到一條熒光擴增曲線圖,擴增曲線橫坐標表示循環數,縱坐標表示熒光強度。

熒光定量PCR擴增曲線

圖1:qPCR擴增曲線

一般而言,熒光擴增曲線可以分為三個階段:熒光背景信號階段(基線期)、熒光信號指數擴增階段和平臺期。在熒光背景信號階段,擴增的熒光信號被熒光背景信號所掩蓋,無法判斷產物量的變化;在平臺期,擴增產物已不再呈指數級的增加,PCR的終產物量與起始模板量之間沒有線性關系,根據最終的PCR產物量也不能計算出起始DNA拷貝數;只有在熒光信號指數擴增階段,PCR產物量的對數值與起始模板量之間存在線性關系。

熒光定量PCR常用術語

在了解熒光定量PCR如何對初始模板進行定量之前,需要了解幾個在熒光定量PCR分析中常用的術語:

  • 基線:實時熒光定量PCR反應的基線是指在PCR的最初幾個循環中(一般為3-15個循環)的信號水平。此階段的熒光信號變化量極小。低水平的基線信號相當于反應的背景或噪聲。每個實時熒光定量PCR反應的基線應通過用戶分析或擴增曲線自動分析,根據經驗確定。基線的設置,會影響到熒光閾值及Ct值。
  • 熒光閾值:熒光閾值是在熒光擴增曲線上人為設定的一個值,它可以設定在熒光信號指數擴增階段任意位置上,一般熒光閾值默認是PCR 3-15個循環熒光信號標準偏差的10倍。
  • Ct值:Ct值指的是PCR擴增過程中擴增產物的熒光信號達到設定的閾值時所經過的循環數。
  • 標準曲線:標準曲線是標準物質的物理/化學屬性跟儀器響應之間的函數關系。對已知拷貝數的標準樣品做系列稀釋,對不同稀釋度的標準樣品進行熒光定量PCR并記錄Ct值,根據Ct值及拷貝數的對數繪制得到標準曲線,標準曲線的縱坐標代表起始拷貝數的對數,橫坐標代Ct值。

如何實現對初始模板的定量

利用實時熒光定量PCR對樣品的初始模板量進行定量分析,需要利用已知起始拷貝數的標準品作出標準曲線,再通過熒光定量PCR獲得未知樣品的Ct值,最后從標準曲線上計算出該樣品的起始拷貝數。

利用標準曲線對初始模板進行定量分析

圖2:對初始模板進行定量分析

標準曲線繪制

標準品的制備

設計特定引物,利用PCR對目的基因片段進行擴增,隨后將目的基因片段克隆至載體中,測序驗證是否為陽性重組質粒,最后收集陽性克隆質粒作為標準品。

繪制標準曲線

測定質粒的濃度,依據公式計算出質粒的拷貝數。對質粒進行系列稀釋,分別作為模板進行熒光定量PCR并記錄Ct值。最后依據起始拷貝數的對數及Ct值繪制標準曲線,得到標準方程。當需要對起始模板進行定量時,只需要得到擴增曲線,讀得Ct值,帶入標準方程即可對起始模板定量。

熒光標記方法

實時熒光定量PCR熒光標記方法可分為熒光染料法和熒光探針法兩類。染料法是利用熒光染料可以嵌合到DNA雙鏈內部的特性,來指示擴增產物的增加。而探針法是利用與靶序列特異結合的熒光探針的信號積累來指示擴增產物的增加。

熒光染料

染料法是利用熒光染料可以嵌合到DNA雙鏈內部的特性,來指示擴增產物的增加。現以最常用的SYBR GreenⅠ為例,介紹染料法熒光定量PCR的工作原理:

熒光染料工作原理

圖3:熒光染料法原理

SYBR GreenⅠ是一種熒光染料,可嵌合到雙鏈DNA的內部。在游離狀態下,SYBR Green Ⅰ發出微弱的熒光,但一旦與雙鏈DNA結合,其熒光增加1000倍。一個反應發出的全部熒光信號與出現的雙鏈DNA量呈正比,隨擴增產物的增加而增加,可通過熒光信號的積累來指示擴增產物的增加。

熒光探針

探針為一段寡核苷酸,可與DNA序列特異性結合,一個模板結合一個探針。探針5’端具有報告基團(R),可發光;3’端有熒光淬滅基團(Q),能吸收光。探針完整時R基團所發射的熒光能量被Q基團吸收,PCR儀檢測不到熒光信號。隨著擴增的進行,探針會被聚合酶水解,報告基團發出的光沒有被淬滅基團吸收,從而被儀器檢測到。每擴增一條DNA鏈,釋放一個熒光信號,實現了熒光信號的累積與PCR產物形成完全同步。

熒光探針工作原理

圖4:探針原理

目前已經開發出來的探針有Taq Man探針、Taq man MGB探針、雙雜交探針、分子信標、Lux雜交探針、Simple proble探針等。

探針法與染料法對比

探針法 染料法
優點
  • 特異性高
  • 重復性好
  • 對DNA模板沒有選擇性,適用于任何DNA
  • 使用方便,不必設計復雜探針
  • 成本低
缺點
  • 只適合一個特定的目標
  • 探針價格較高
  • 容易與非特異性雙鏈DNA結合,產生假陽性
  • 對引物特異性要求高

熒光定量PCR應用

實時熒光PCR技術已廣泛應用于臨床及生命科學研究的各個領域中。在科研方面可定量分析各種基因的表達分析,基因突變和多態性分析,單核苷酸多態SNP測定及易位基因的檢測;在醫療方面可用于免疫組化分析、臨床疾病早期診斷、病原體檢測、耐藥性分析、腫瘤微小殘留病變研究等。

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參考文獻

[1]Mikael KA,Jose MA,Martin B, et al. The real-time poly-merase chain reaction. Molecular Aspects of Medicine[J],2006,27:95-125;

[2]紀冬,辛紹杰等. 實時熒光定量PCR的發展和數據分析[J].生物技術通訊,2009,20(4):598-600;

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