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实时荧光定量PCR原理技术及其应用

发布时间:2021-09-27

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      实时荧光定量PCR是一种在DNA扩增反应中,以荧光化学物质测每次聚合酶链式反应(PCR)循环后产物总量的方法。通过内参或者外参法对待测样品中的特定DNA序列进行定量分析的方法。荧光定量PCR检测技术诞生以来,越来越受到实验室老师的青睐。
  荧光定量PCR原理:荧光定量PCR最早称TaqManPCR,后来也叫Real-TimePCR,是美国PE(PerkinElmer)公司1995年研制出来的一种新的核酸定量技术。该技术是在常规PCR基础上加入荧光标记探针或相应的荧光染料来实现其定量功能的。其原理:随着PCR反应的进行,PCR反应产物不断累计,荧光信号强度也等比例增加。每经过一个循环,收集一个荧光强度信号,这样我们就可以通过荧光强度变化监测产物量的变化,从而得到一条荧光扩增曲线图。
  一般而言,荧光扩增曲线可以分成三个阶段:荧光背景信号阶段,荧光信号指数扩增阶段和平台期。在荧光背景信号阶段,扩增的荧光信号被荧光背景信号所掩盖,无法判断产物量的变化。而在平台期,扩增产物已不再呈指数级的增加,PCR的终产物量与起始模板量之间没有线性关系,根据最终的PCR产物量也不能计算出起始DNA拷贝数。只有在荧光信号指数扩增阶段,PCR产物量的对数值与起始模板量之间存在线性关系,我们可以选择在这个阶段进行定量分析。为了定量和比较的方便,在实时荧光定量PCR技术中引入了两个非常重要的概念:荧光阈值和CT值。
  荧光域值(threshold):是在荧光扩增曲线上人为设定的一个值,它可以设定在荧光信号指数扩增阶段任意位置上,但一般荧光域值的缺省设置是PCR反应前3-15个循环荧光信号标准偏差的10倍,即:threshold=10XSDcycle6-15。荧光域值设定在PCR扩增的指数期。
  Ct值:是指每个反应管内的荧光信号到达设定域值时所经历的循环数。
  Ct值与起始模板的关系:研究表明,每个模板的Ct值与该模板的起始拷贝数的对数存在线性关系,起始拷贝数越多,Ct值越小。PCR循环在到达Ct值所在的循环数时,刚刚进入真正的指数扩增期(对数期),此时微小误差尚未放大,Ct值的重现性较好,即相同含量的初始模板,得到的Ct值是相对稳定的。利用已知起始拷贝数的标准品可作出标准曲线,其中横坐标代表起始拷贝数的对数,纵坐标代表Ct值如下图所示。
  因此,只要获得未知样品的Ct值,即可从标准曲线上计算出该样品的起始拷贝数。
  其中:Ct值不是恒定不变的,可以受到不同样品、不同仪器的影响,即使相同的样品在相同的仪器上重复2遍,Ct值也会存在差异。
  荧光定量检测:荧光定量检测根据所使用的标记物不同可分为荧光探针和荧光染料。荧光探针又包括Beacon技术(分子信标技术,以美国人Tagyi为代表)、TaqMan探针(以美国ABI公司为代表)和FRET技术(以罗氏公司为代表)等;荧光染料包括饱和荧光染料和非饱和荧光染料,非饱和荧光染料的典型代表就是现在常用的SYBRGreenⅠ;饱和荧光染料有EvaGreen、LCGreen等。
  SYBRGreenI是荧光定量PCR常用的DNA结合染料,与双链DNA非特异性结合。在游离状态下,SYBRGreenI发出微弱的荧光,但一旦与双链DNA结合,其荧光增加1000倍。所以,一个反应发出的全部荧光信号与出现的双链DNA量呈比列,且会随扩增产物的增加而增加。
  双链DNA结合染料的优点:实验设计简单,仅需要2个引物,不需要设计探针,无需设计多个探针即可以快速检验多个基因,且能够进行熔点曲线分析,检验扩增反应的特异性,低的初始成本,通用性好,因此国内外在科研中使用比较普遍。
  荧光探针法(Taqman技术):PCR扩增时,加入一对引物的同时再加入一个特异性的荧光探针。该探针为一直线型的寡核苷酸,两端分别标记一个荧光报告基团和一个荧光淬灭基团,探针完整时,报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收,PCR仪检测不到荧光信号;PCR扩增时(在延伸阶段),Taq酶的5'-3'切酶活性将探针酶切降解,使报告荧光基团和淬灭荧光基团分离,从而荧光监测系统可接收到荧光信号,即每扩增一条DNA链,就有一个荧光分子形成,实现了荧光信号的累积与PCR产物形成完全同步,这也是定量的基础所在。
  荧光定量PCR的应用:
  分子生物学研究:
  1.核酸定量分析。对传染性疾病进行定量定性分析,病原微生物或病毒含量的检测,比如近期流行的甲型H1N1流感,转基因动植物基因拷贝数的检测,RNAi基因失活率的检测等。
  2.基因表达差异分析。比较经过不同处理样本之间特定基因的表达差异(如药物处理、物理处理、化学处理等),特定基因在不同时相的表达差异以及cDNA芯片或差显结果的确证
  3.SNP检测。检测单核苷酸多态性对于研究个体对不同疾病的易感性或者个体对特定药物的不同反应有着重要的意义,因分子信标结构的巧妙性,一旦SNP的序列信息是已知的,采用这种技术进行高通量的SNP检测将会变得简单而准确。
  4.甲基化检测。甲基化同人类的许多疾病有关,特别是癌症,Laird报道了一种称作Methylight的技术,在扩增之前先处理DNA,使得未甲基化的胞嘧啶变成尿嘧啶,而甲基化的胞嘧啶不受影响,用特异性的引物和Taqman探针来区分甲基化和非甲基化的DNA,这种方法不仅方便而且灵敏度更高。
  医学研究:
  1.产前诊断:人们对遗传性物质改变引起的遗传性疾病还无法治疗,到目前为止,还只能只能通过产前监测,减少病婴出生,以防止各类遗传性疾病的发生,如为减少X连锁遗传病患儿的出生,从孕妇的外周血中分离胎儿DNA,用实时荧光定量PCR检测其Y性别决定区基因是一种无创伤性的方法,易为孕妇所接受。
  2.病原体检测:采用荧光定量PCR检测技术可以对淋球菌、沙眼衣原体、解脲支原体、人类乳头瘤病毒、单纯疱疹病毒、人类免疫缺陷病毒、肝炎病毒、流感病毒、结核分枝杆菌、EB病毒和巨细胞病毒等病原体进行定量测定。与传统的检测方法相比具有灵敏度高、取样少、快速简便等优点。
  3.药物疗效考核:对乙型肝炎病毒(HBV)、丙型肝炎病毒(HCV)定量分析显示:病毒量与某些药物的疗效关系。HCV高水平表达,干扰素治疗作用不敏感,而HCV低滴度,干扰素作用敏感;在拉米夫定治疗过程中,HBV-DNA的血清含量曾有下降,随后若再度上升或超出以前水平,则提示病毒发生变异。
  4.肿瘤基因检测:尽管肿瘤发病的机理尚未清楚,但相关基因发生突变是致癌性转变的根本原因已被广泛接受。癌基因的表达增加和突变,在许多肿瘤早期就可以出现。实时荧光定量PCR不但能有效地检测到基因的突变,而且可以准确检测癌基因的表达量。目前用此方法进行过端粒酶hTERT基因、慢性粒细胞性白血病WT1基因、肿瘤ER基因、前列腺癌PSM基因、肿瘤相关的病毒基因等多种基因的表达检测。