熒光定量PCR|概述

　　熒光定量PCR是在傳統聚合酶鏈式反應(PCR)基礎上發展起來的一項具有里程碑意義的核酸定量技術。它通過在PCR反應體系中引入熒光化學物質，實現了對DNA擴增過程的實時監測和精準定量，解決了傳統PCR只能終點檢測、無法準確定量的局限。自1996年定量PCR儀問世以來，該技術憑借其高靈敏度、強特異性、寬線性范圍和低污染風險等優勢，迅速成為分子生物學研究、臨床診斷、病原體檢測和基因表達分析等領域的“金標準”方法。
 

　　一、原理
 

　　這是一種以熒光信號為基礎的PCR技術，它是利用熒光染料標記的靶分子在PCR反應過程中的特異性擴增，實現DNA分子定量分析的一種方法。
 

　　熒光定量PCR分為兩種方法：染料法和探針法。是一種結合雙鏈DNA的染料，它在PCR反應過程中結合到擴增產物中，產生特異性熒光信號，從而實現實時監測PCR反應的熒光定量。探針法是利用特殊的探針標記目標序列，這種探針在熒光棒上加有熒光基團，只有在PCR反應的溫度高于探針的脫離溫度時，才能與目標序列特異性雜交并釋放熒光信號，其子類包括TaqMan探針、分子信標探針和通量探針等。
 

　　二、技術方法
 

　　1.樣本的制備
 

　　需要進行精細樣品制備，樣品制備方式與檢測目的密切相關。例如，如果是檢測基因的表達水平，需要提取RNA進行反轉錄合成cDNA，如果要檢測特定DNA序列，可以用PCR擴增獲取擴增產物，并進行目標序列的純化或酶切等操作。
 

　　2.PCR反應體系的制備
 

　　PCR反應體系的制備需要注意靈敏度和特異性，并且需要進行良好的優化。體系包括模板、引物、酶和緩沖液等。引物是qPCR的關鍵部分，它必須能夠牢固地結合到樣品DNA上，擴增出特定的擴增產物。緩沖液用于維持PCR反應體系的pH和離子強度，酶則是擴增產物的生成催化劑。
 

　　3.PCR反應過程
 

　　PCR反應過程分為三個階段：變性、退火和延伸。擴增參數如溫度和時間等會影響PCR效率和特異性，溫度和時間要根據反應體系優化。
 

　　4.數據分析和結果的解釋
 

　　結果需要通過熒光曲線得到，并在以標準曲線為基礎的測量下，通過一系列的基因表達分析軟件進行分析。
 

　　三、主要熒光化學體系
 

　　根據熒光信號產生機制的不同，qPCR主要分為兩大類：非特異的熒光染料法和特異的熒光探針法。
 

　　1. SYBR Green I 染料法
 

　　SYBR Green I是一種能夠非特異性結合于雙鏈DNA小溝的熒光染料。在游離狀態下，其熒光信號極其微弱；一旦與雙鏈DNA結合，熒光信號會增強數百甚至上千倍。隨著每個循環PCR產物的倍增，結合到DNA上的染料分子增多，熒光強度也隨之成比例上升。
 

　　這種方法的優點是通用性好、成本低廉，無需針對每個目標基因設計特異性探針，只需合成一對引物即可開展實驗，適合進行初步的基因表達篩查或驗證。然而，其局限性在于缺乏序列特異性。任何雙鏈DNA，包括引物二聚體或非特異性擴增產物，都會被染料檢測并貢獻熒光信號，可能導致定量結果偏高。因此，染料法實驗必須進行熔解曲線分析。通過擴增結束后緩慢升溫，觀察熒光信號的下降曲線，根據熔解峰的峰形和數量判斷擴增產物的特異性。單一尖銳的熔解峰代表特異性產物，而出現雙峰或寬峰則提示可能存在非特異性擴增。
 

　　2. TaqMan 探針法
 

　　TaqMan探針法利用的是熒光共振能量轉移(FRET)原理，具有更高的特異性。探針是一段與目標序列內部區域互補的寡核苷酸，其5'端標記一個報告熒光基團(如FAM)，3'端標記一個淬滅基團(如TAMRA)。當探針完整時，報告基團與淬滅基團距離極近，報告基團發出的熒光被淬滅基團吸收，檢測不到信號。在PCR延伸階段，Taq DNA聚合酶利用其5'→3'外切酶活性，遇到結合在模板上的探針時將其水解切割。報告基團與淬滅基團分離，熒光信號得以釋放并被檢測系統捕獲。理論上，每合成一條新鏈，就會水解一個探針分子，產生一個熒光單元，實現了熒光信號的累積與PCR產物的形成同步。
 

　　TaqMan探針法的優勢是特異性高。只有引物和探針同時與目標序列正確結合，才能產生熒光信號，極大地避免了非特異性擴增的干擾。同時，由于不同探針可標記不同波長的熒光基團，該方法支持多重定量，即在同一反應管中同時檢測多個不同的目標基因。
 

 

　　四、技術應用
 

　　1.基因表達分析
 

　　可以用于基因表達與調控研究，利用該技術可以實現不同時間點或不同處理條件下目標基因的表達量的定量測量，進而探究基因的功能和調控機理，以及生物發育、疾病診斷等領域中的應用。
 

　　2.微生物檢測
 

　　可以在不需要生長或培養微生物的情況下，通過在其核酸序列上進行PCR反應和熒光定量來檢測微生物的存在和含量。這種方法比傳統培養法更快、更靈敏和更準確。
 

　　3.進化研究
 

　　可以用于研究特定DNA序列的變異和多態性，并確定DNA序列的起源和進化方向。該技術廣泛應用于生物系統進化、物種鑒定和親緣關系等領域中。
 

　　4.腫瘤診斷
 

　　可以用于診斷某些腫瘤的存在和發展。比如可以在患者血液、組織和體液等樣品中檢測癌細胞的DNA或RNA，在早期檢測和治療方面有重要的臨床價值。
 

　　五、注意事項
 

　　1.PCR反應體系的優化和標準化
 

　　PCR反應體系的優化和標準化對于結果的準確性和可重復性十分重要。需要根據反應目的和所需的特定樣品的特征對PCR反應體系進行優化。
 

　　2.選擇合適的引物和熒光探針
 

　　引物的設計應該充分考慮基因序列的一些特異性區域，特別是SNP和Indel的分布，避免出現位點失配。而熒光探針的類型應該根據技術的目的和反應特點進行選擇。
 

　　3.樣品的制備和保存
 

　　樣品制備和保存的方式應該依據不同實驗目的而定。特別要注意的是，樣品在制備和保存過程中避免受到污染和退化。
 

　　4.充分掌握數據分析和結果解讀的技巧和方法
 

　　結果不能僅僅從熒光曲線和計數得到，還需要進行基因表達、SNP分析和組織分析等一系列的統計學分析。需要充分掌握數據分析和統計技巧。
 

　　總之，qPCR技術已成為生命科學、醫學和農業等領域中DNA、RNA檢測和定量的主要手段之一，更加便捷、靈敏、準確。但仍需注意技術細節和數據分析，避免出現誤差和失誤。隨著該技術不斷的完善和應用，相信它將更加發揮其重要性。