熒光定量PCR 法原理匯總

《熒光定量PCR 法原理匯總》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《熒光定量PCR 法原理匯總（9頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、我們前面比較詳細(xì)地介紹了熒光染料法做定量PCR的有關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品,顯然， 作為定量PCR的初期階段的熒光染料法還是有局限性的，比如，由于染料不能區(qū) 分特異性PCR產(chǎn)物和引物二聚體等非特異產(chǎn)物，也不能區(qū)分不同探針，所以檢測(cè) 的特異性始終不如后來(lái)出現(xiàn)的探針?lè)?；需要在PCR后進(jìn)行熔鏈曲線分析；也不能 做多重PCR檢測(cè)(Multiplex)。 上個(gè)世紀(jì)90年代原美國(guó)Perkin Elmer( PE)公司開(kāi)發(fā)出了 Taqman熒光探針 定量技術(shù)，將定量PCR帶入了更廣闊的應(yīng)用空間。Taqman探針?lè)ǖ某霈F(xiàn)是定量 PCR技術(shù)的重要里程碑，之后在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了雜交探針?lè)?，以及熒光引物法?是對(duì)探針?lè)ǖ牟粩?/p>

2、改進(jìn)和簡(jiǎn)化。如果希望全面掌握定量PCR技術(shù)的研究人員就不 能錯(cuò)過(guò)這些定量檢測(cè)技術(shù)。 要提到熒光探針或者熒光引物，有一個(gè)基礎(chǔ)概念需要首先明確，那就是熒光 共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer, FRET) 一對(duì)合適的 熒光物質(zhì)可以構(gòu)成一個(gè)能量供體 (donor) 和能量受體 (acceptor) 對(duì), 其中供 體的發(fā)射光譜與受體的吸收光譜重疊，當(dāng)它們?cè)诳臻g上相互接近到一定距離 (1—10 nm)時(shí)，激發(fā)供體而產(chǎn)生的熒光能量正好被附近的受體吸收，使得供體發(fā) 射的熒光強(qiáng)度衰減，受體熒光分子的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。能量傳遞的效率和供體的發(fā) 射光譜與受體的

3、吸收光譜的重疊程度、供體與受體的躍遷偶極的相對(duì)取向、供體 與受體之間的距離等有關(guān)。定量PCR所涉及的熒光探針和熒光引物的檢測(cè)都這個(gè) FRET原理相關(guān)。 實(shí)時(shí)熒光PCR中另一個(gè)很重要的概念，即Ct值.C代表循環(huán)(Cycle)，T代表 閾值(Threshold).Ct值是指每個(gè)反應(yīng)管內(nèi)的熒光信號(hào)到達(dá)設(shè)定的閾值時(shí)所經(jīng)歷 的循環(huán)數(shù)?。一般取PCR反應(yīng)的前15個(gè)循環(huán)的熒光信號(hào)作為熒光本底信號(hào)，熒光 閾值的缺省設(shè)置是3-15個(gè)循環(huán)的熒光信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的10倍。研究表明，每個(gè)模 板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系，起始拷貝數(shù)越多，Ct值 越小。利用已知起始拷貝數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)品可做出標(biāo)準(zhǔn)曲線?因此，

4、只要獲得未知樣品 的Ct值，即可從標(biāo)準(zhǔn)曲線上計(jì)算出該樣品的起始拷貝數(shù)。 一：水解探針?lè)? TaqMan 技術(shù) 原理：除了一對(duì)特異性引物，TaqMan探針?lè)ㄔ黾右粭l和模版互補(bǔ)的基因 特異性探針（通常20—30bp）,探針上5'端和3'端分別標(biāo)記了一個(gè)報(bào)告熒 光基團(tuán)（供體）和一個(gè)淬滅熒光基團(tuán)（受體），在反應(yīng)初始（探針完整） 時(shí)系統(tǒng)激發(fā)供體而產(chǎn)生的熒光信號(hào)被臨近的淬滅基團(tuán)吸收，所以此時(shí)檢測(cè) 不到供體熒光信號(hào)；而當(dāng)PCR過(guò)程中Taq DNA聚合酶擴(kuò)增到探針結(jié)合模 版的位點(diǎn)時(shí)，其5'-3'核酸外切酶的活性（也就是切口平移）切割掉探針5' 端的報(bào)告基團(tuán)——游離的報(bào)告基團(tuán)遠(yuǎn)離淬滅基團(tuán)，打破能量的傳遞，激

5、發(fā) 報(bào)告基團(tuán)產(chǎn)生的熒光信號(hào)就可以被熒光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到。這樣每擴(kuò)增一條 DNA鏈，就對(duì)應(yīng)有一個(gè)游離的熒光分子（報(bào)告基團(tuán)）形成，保證了熒光信 號(hào)的累積與 PCR 產(chǎn)物形成完全同步，因此對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)就可以實(shí) 時(shí)監(jiān)控PCR的過(guò)程，準(zhǔn)確定量PCR的起始拷貝數(shù)。但是實(shí)際上探針較長(zhǎng) 使得兩端基團(tuán)距離較遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致熒光淬滅不徹底，而且淬滅基團(tuán)也會(huì)產(chǎn)生 不同波長(zhǎng)的熒光，都會(huì)使得本底偏高. MGB原理：針對(duì)Taqman探針熒光淬滅不徹底的問(wèn)題，2000年美國(guó)ABI公司 技術(shù) 推出了一種新 TaqMa n探針 MGB探針（mi nor groove bin der oligodeoxynucleotide

6、conjugate, MGB-ODN）， 3'端采用了非熒光性 的淬滅基因——淬滅基團(tuán)吸收?qǐng)?bào)告基團(tuán)的能量后并不發(fā)光，大大降低了本 底信號(hào)的干擾。此外， MGB 探針的3'端還連接了一個(gè)二氫環(huán)化吲哚卟啉- 三肽（dehydrocyclopyrroindole tripetide, DPI3）可以大大穩(wěn)定探針 與模板的雜交, 升高探針 Tm 值, 使較短的探針同樣能達(dá)到較高的 Tm 值——而短探針的熒光報(bào)告基團(tuán)和淬滅基團(tuán)的距離更近, 淬滅效果更好， 熒光背景更低，使得信噪比更高：一個(gè)15bp的MGB探針的信噪比大于 6,優(yōu)于理想狀態(tài)下的25bp的普通Taqman探針（信噪比約為1.5）。允許 采用

7、更短的探針也簡(jiǎn)化了探針的設(shè)計(jì)和成本。有實(shí)驗(yàn)證明 MGB 探針對(duì)于 等位基因的區(qū)分比較理想，甚至可以檢測(cè)單堿基突變（因?yàn)閴A基錯(cuò)配對(duì)較短 探針的雜交穩(wěn)定性影響更大） 水解探針之所以稱之為水解，主要是因?yàn)樗玫氖荰aq酶的水解作用，使得 探針上的熒光報(bào)告基團(tuán)遠(yuǎn)離淬滅基團(tuán)而發(fā)光信號(hào)，游離的報(bào)告基團(tuán)數(shù)目對(duì)應(yīng) PCR 新擴(kuò)增產(chǎn)物，此方法檢測(cè)的是積累熒光。 優(yōu)點(diǎn)： 靈敏，特異性高：具有模版序列特異的Taqman探針在引物特異的基礎(chǔ)上進(jìn)一步 提高的定量PCR的專一性；每擴(kuò)增一個(gè)特異產(chǎn)物只釋放一個(gè)分子的熒光染料，儀 器檢測(cè)的是特異擴(kuò)增的結(jié)果，非特異產(chǎn)物對(duì)檢測(cè)信號(hào)沒(méi)有影響，有效提高檢測(cè)的 專一性。 有多

8、種不同波長(zhǎng)的熒光基團(tuán)對(duì)可供選擇，使得Taqman探針?lè)梢詫?shí)現(xiàn)在同一管 內(nèi)檢測(cè)多重PCR，降低成本也提高效率和準(zhǔn)確性 避免了熒光染料對(duì)PCR反應(yīng)的影響 缺點(diǎn)：探針設(shè)計(jì)有一定難度，需要驗(yàn)證效果，探針的合成和雙熒光標(biāo)記成本高 此外，也有人認(rèn)為，Taqman法利用了 Taq酶的外切活性，而由于各家公司 出產(chǎn)的Taq酶對(duì)于其外切酶活性并沒(méi)有做出嚴(yán)格的活性標(biāo)定，定量PCR的效率有 可能受酶外切活性的影響，酶活性差異也給定量帶來(lái)了不確定性。至少，生物通 定量PCR技術(shù)系列前面介紹的Stratagene 2100萬(wàn)美元專利之爭(zhēng)的Fullvelocity DNA聚合酶由于去掉外切酶活性，就不能用于Taqma

9、n探針?lè)耍? 應(yīng)用：Taqman技術(shù)廣泛應(yīng)用在人類傳染病診斷和病原定量上，在動(dòng)物疾病病原 體基因的檢測(cè)、畜禽產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢疫、生物制品的鑒定以及在疫苗效力測(cè)定上等 方面都有成功的許多例子。 注意：1）探針長(zhǎng)度應(yīng)在15-45bp （最佳20-30bp）左右，以保證結(jié)合的特異性。2） GC堿基含量在40%-60%，避免單核苷酸序列的重復(fù)。3）避免與引物發(fā)生雜交或 重疊。4）探針與模板結(jié)合的穩(wěn)定程度要大于引物與模板結(jié)合的穩(wěn)定程度,因此探 針的Tm值要比引物的Tm值至少高出5°C。另外，探針的濃度，探針與模板序列 的同源性，探針與引物的距離都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響。另外，在儀器的選擇上也要 注意，盡量選擇

10、具有4色或以上的熒光檢測(cè)通道的儀器，已保證你的機(jī)器的適用 性和試劑選擇的靈活性。畢竟技術(shù)是在快速發(fā)展的。 二：雜交探針?lè)? FRE原理：羅氏專利的FRET探針又稱為雙雜交探針，或者LightCycle探針。 FRET技術(shù) 探針由兩條和模版互補(bǔ)、且相鄰的特異探針組成（距離1—5bp）,上游探 針的3'端標(biāo)記供體熒光基團(tuán)，相鄰下游探針的5'端標(biāo)記Red 640受體熒 光基團(tuán)。當(dāng)復(fù)性時(shí)，兩探針同時(shí)結(jié)合在模板上，供體基團(tuán)和Red640受體 基團(tuán)緊密相鄰（距離1—5bp）,激發(fā)供體產(chǎn)生的熒光能量被Red640基團(tuán) 吸收，使得檢測(cè)探頭可以檢測(cè)到Red640發(fā)出波長(zhǎng)為640的熒光。當(dāng)變性 時(shí)，兩探針游

11、離，兩基團(tuán)距離遠(yuǎn)，不能檢測(cè)至640波長(zhǎng)的熒光。FRET探針 檢測(cè)的信號(hào)是退火時(shí)的實(shí)時(shí)信號(hào)，每次檢測(cè)信號(hào)始終嚴(yán)格對(duì)應(yīng)模版的數(shù)量， 非累積信號(hào)，可以用于做Tm曲線和SNP檢測(cè)。常用的受體熒光基團(tuán)除了 LC-Red640還有LC-Red705。兩個(gè)單標(biāo)記探針的長(zhǎng)短不影響信號(hào)的傳 遞，而探針間的距離通常為1-5bp （雖然越短越好，還是要留點(diǎn)空間避免 相互之間的反應(yīng)）。 我們前面提到，Taqman水解探針?lè)ㄖ?，一但?bào)告基團(tuán)水解離開(kāi)淬滅基團(tuán)，就 一直游離于反應(yīng)體系中可被檢測(cè)，所以檢測(cè)的是累積熒光，是不可逆的。雜 交探針不同，是復(fù)性時(shí)兩條特異探針雜交到模板上，相互靠近而產(chǎn)生檢測(cè)信 號(hào)，到升溫變性探針遠(yuǎn)離

12、模版就沒(méi)有信號(hào)，所以檢測(cè)的是實(shí)時(shí)信號(hào)，是可逆 的，所以可以進(jìn)行熔解曲線的分析，還可以用于進(jìn)行突變分析，SNP基因分 型以及產(chǎn)物鑒別。比如一旦探針位置上出現(xiàn)有點(diǎn)突變，通過(guò)熔解曲線就可以 很快分析出來(lái)，這也是Taqman法無(wú)法做到的。另外，由于采用2條模版特異 的探針，雜交探針?lè)ǖ膶Ｒ恍詿o(wú)疑更高于其他方法，不受非特異產(chǎn)物的影響。 Fret探針?lè)ㄓ捎谛枰铣?條探針，探針的末端要封閉以避免反應(yīng)，所以合 成的成本會(huì)比較高，也比較麻煩。但實(shí) 際 上，F(xiàn)ret探針的設(shè)計(jì)其實(shí)比Taqman 探針容易，因?yàn)門aqman探針要求一定的長(zhǎng)度以保證探針的特異性和結(jié)合模版的 能力，但是長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致兩末端的熒光基團(tuán)距離

13、遠(yuǎn)而使得熒光共振能量傳遞的效率 降低，淬滅不徹底。Fret探針就不受這個(gè)限制。不管怎么說(shuō)，多數(shù)人還是習(xí)慣 認(rèn)為單探針比合成2條探針要簡(jiǎn)單。 在水解和雜交探針技術(shù)之間產(chǎn)生另外一種技術(shù)：分子信標(biāo)（分子信標(biāo)產(chǎn)生時(shí) 間是1996年） 分子信標(biāo)技術(shù) 原理：分子信標(biāo)（Molecular beacon，MB）是一種呈發(fā)夾結(jié)構(gòu)的莖環(huán)雙標(biāo) 記寡核苷酸探針，兩端的核酸序列互補(bǔ)配對(duì)，因此標(biāo)記在一端的熒光基團(tuán)與標(biāo) 記在另一端的淬滅基團(tuán)緊緊靠近。熒光基團(tuán)被激發(fā)后產(chǎn)生的光子被淬滅劑淬 滅，由熒光基團(tuán)產(chǎn)生的能量以紅外而不是可見(jiàn)光形式釋放出來(lái)。 分子信標(biāo)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)中，環(huán)一般為15-30bp （有人認(rèn)為18-20個(gè)bp

14、較好）長(zhǎng), 并與目標(biāo)序列互補(bǔ)，莖一般5-7bp長(zhǎng)（GC含量較高），相互配對(duì)形成莖的結(jié) 構(gòu)。熒光基團(tuán)標(biāo)記在探針的一端，而淬滅劑則標(biāo)記在另一端。在復(fù)性溫度下， 因?yàn)槟０宀淮嬖跁r(shí)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)加熱變性會(huì)互補(bǔ)配對(duì)的莖環(huán)雙鏈解開(kāi)，如 果有模板存在環(huán)序列將與模板配對(duì)。與模板配對(duì)后，分子信標(biāo)將成鏈狀而非發(fā) 夾狀，使得熒光基團(tuán)與淬滅劑分開(kāi)。當(dāng)熒光基團(tuán)被激發(fā)時(shí)，淬滅作用被解除， 發(fā)出激發(fā)光子。 應(yīng)用：應(yīng)用于基因定量分析和突變體識(shí)別、疾病基因檢測(cè)與診斷、單核苷酸多 態(tài)性（ single nucleotide polymorphism , SNP） 分析等生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)和臨 床研究中。 優(yōu)點(diǎn)：本底低，特異靈敏

15、 缺點(diǎn)：①雜交時(shí)探針不能完全與模板結(jié)合，因此穩(wěn)定性較差。 ② 探針合成時(shí)標(biāo)記較復(fù)雜 延伸技術(shù)：建立在分子信標(biāo)技術(shù)基礎(chǔ)上的探針技術(shù)有Amplifluor、Sunrise、 Amplisensor、 Scorpion 等，其中 Sun rise技術(shù)，這一方法的特點(diǎn)是所有的擴(kuò)增產(chǎn)物均能標(biāo)記上熒光分子，因此 熒光信號(hào)響應(yīng)快，但無(wú)法區(qū)分特異和非特異擴(kuò)增是其致命的不足。 Amplisensor 技術(shù)是一種復(fù)合探針技術(shù)，一個(gè)探針上連接一種熒光物，另一 探針連接一淬滅物。兩探針長(zhǎng)度不同，其中淬滅物標(biāo)記探針5'端多出7個(gè)堿 基（GCGTCCC）。PCR擴(kuò)增前需將熒光物標(biāo)記探針與一個(gè)半套式PCR引物 連接

16、， PCR 引物的5'末端應(yīng)有一段與長(zhǎng)探針互補(bǔ)的序列，以便連接酶將該引 物與短探針連接。擴(kuò)增時(shí)該探針－引物復(fù)合物作為半套式引物摻入到模板，從 而釋放出淬滅探針部分，破壞了 FRET，而產(chǎn)生熒光。 Scorpion 技術(shù)（蝎形引物）則是通過(guò)在分子信標(biāo)的3'端設(shè)計(jì)連接臂連接一 段引物，使 PCR 延伸反應(yīng)時(shí)不能夠延伸至分子信標(biāo)，這樣非特異擴(kuò)增產(chǎn)物便 無(wú)熒光信號(hào)。包含發(fā)夾結(jié)構(gòu)的PCR產(chǎn)物在退火時(shí)形成分子內(nèi)雜交，發(fā)夾結(jié)構(gòu) 被破壞，兩個(gè)基團(tuán)之間發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，從而發(fā)出熒光。這種方法可以 解決非特異的問(wèn)題，同時(shí)靈敏度高，反應(yīng)快，已應(yīng)用于k-ras及BRAC2基因 的突變分析了，但這種方法不能保證雜

17、交時(shí)探針與模板完全匹配，而且合成復(fù) 雜。 這種技術(shù)雖然也是積累熒光（因?yàn)榻Y(jié)合上模板以后不會(huì)掉下來(lái)），但是不同于 Taqman 水解探針，分子信標(biāo)可以進(jìn)行溶解曲線分析，這也就是說(shuō)分子信標(biāo)可以 進(jìn)行包括突變檢測(cè)，SNP檢測(cè)等在內(nèi)的定量PCR延伸應(yīng)用。但是這種技術(shù)正如上 面提到的探針設(shè)計(jì)復(fù)雜，穩(wěn)定性差——而這一點(diǎn)對(duì)于溶解曲線的影響頗大，因此 在應(yīng)用上也需要審慎考慮。 第三代：熒光引物 Ampl原理：激發(fā)的熒光進(jìn)行分子能量轉(zhuǎn)移到受體成分導(dǎo)致熒光發(fā)射的淬滅。目 ifluor標(biāo)特異性Amplifluor引物包含一個(gè)5'內(nèi)部互補(bǔ)序列，標(biāo)記有熒光發(fā)色 技術(shù) 團(tuán)（fluorescerin）和一個(gè)能量受體：

18、4-（二甲胺）氮-苯磺酸（DABSYL）。 發(fā)夾結(jié)構(gòu)的3'端序列是目標(biāo)特異性引物區(qū)。未結(jié)合的Amplifluor引物 由于內(nèi)部熒光發(fā)色團(tuán)和淬滅分子的緊密接近，只有低的熒光信號(hào)。 在第一個(gè)循環(huán)中，Amplifluor引物1與特異CDNA的第一條鏈退火并被 Taq酶延伸。在第二個(gè)循環(huán)中Amplifluor引物1延伸產(chǎn)物作為引物2 （反 義鏈引物）的模板。一旦引物2被Taq酶延伸，Amplifluor發(fā)夾引物解 折疊并產(chǎn)生熒光信號(hào)。隨后的擴(kuò)增循環(huán)中產(chǎn)生的熒光信號(hào)的增強(qiáng)與擴(kuò)增產(chǎn) 物量的增加成比例。 LUX 原理：LUM（light upon extention）引物技術(shù)是 Invitrogen

19、公司的一 技術(shù) 項(xiàng)專利，是利用熒光標(biāo)記的引物實(shí)現(xiàn)定量的一項(xiàng)新技術(shù)。使用類似分子信 標(biāo)的發(fā)夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引物，使引物同時(shí)起到熒光探針的作用。引物對(duì)中的一 個(gè)引物3'端用熒光報(bào)告基團(tuán)標(biāo)記。在沒(méi)有單鏈模板的情況下，該引物自 身配對(duì)，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使熒光淬滅。在模板存在的情況下，引物與模板 配對(duì)，發(fā)夾結(jié)構(gòu)打開(kāi)，產(chǎn)生熒光信號(hào)。使用LUX引物，不需要專門設(shè)計(jì) 探針，即省了成本又給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了寬松的條件。由于沒(méi)有探針控制特異性，因此他的特異性要弱于探針技術(shù)，但非特異性擴(kuò)增或引物二聚體沒(méi) 有影響，所以其特異性要強(qiáng)于 SYBR GREEN。 SYBR GREEN FRET 探 針 Taqma n

20、分子信標(biāo) LUX引物 性質(zhì) 可逆熒光 積累熒光 熔點(diǎn) 分析 能 不能 特異 性 引物（非 特異性 擴(kuò)增或 引物二 聚體有 影響） 引物+2 探針 引物+探 針 引物+探 針 引物（非特異 性擴(kuò)增或引物 二聚體無(wú)影 響） 探針 不需要 需要 需要 需要 不需要 通用 性 通用 專用 專用 專用 專用 看完這些方法，相信新近接觸定量 PCR 的人就已經(jīng)覺(jué)得眼花繚亂了，其實(shí)雖然以 上這些檢測(cè)技術(shù)有許多，但是實(shí)際上在商品成熟應(yīng)用上并不是有這么多豐富的選 擇，具體的優(yōu)良產(chǎn)品篩選請(qǐng)見(jiàn)： 定量PCR經(jīng)典之選——Taqman探針 定量檢測(cè)精靈——熒光引物 中國(guó)的PCR——達(dá)安