实时荧光定量PCR的原理、操作及其应用

实时荧光定量PCR的原理、操作及其应用------分子生物学实验技术系列讲座Ⅱ河南农业大学生命科学研究中心张志坤2009.12.7大纲一.原理概述二.操作及结果分析(一).样品制备(二).引物及探针的设计与合成(三).标准品的制备---质粒或纯化后的PCR产物(四).通道的选择及增益的选择(五).标准曲线的建立(六).加样时应注意的细节(七).阈值的选定(八).熔解曲线分析(九).操作流程三.应用(一).绝对定量分析(二).相对定量分析及实验方案(三).SNP检测分析一、原理概述1.Real-TimePCR概论实时荧光定量PCR技术于1996年由美国AppliedBiosystems公司推出，由于该技术不仅实现了PCR从定性到定量的飞跃，而且与常规PCR相比，它具有特异性更强、有效解决PCR污染问题、自动化程度高等特点，目前已得到广泛应用。实时荧光定量PCR：在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。定量PCR仪是在普通PCR仪的基础上加装了荧光激发装置和荧光检测装置，PCR扩增和检测同时进行，最终结果不需进行电泳检测，所以有效地避免了样品间的交叉污染。常规PCR技术：对PCR扩增反应的终点产物进行定量和定性分析，无法对起始模板准确定量，无法对扩增反应实时检测。实时定量PCR技术：利用荧光信号的变化实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物量的变化，通过Ct值和标准曲线的分析对起始模板进行定量分析。一、原理概述2.定量PCR常用的三个常用概念扩增曲线、荧光阈值、Ct值(1).扩增曲线：反映PCR循环次数和荧光强度的曲线，定量PCR仪每次轮PCR扩增都会自动录荧光强度的变化荧光基团荧光基团荧光检测元件荧光检测元件扩增曲线图：横坐标：扩增循环数（Cycle）；纵坐标：荧光强度每个循环进行一次荧光信号的收集扩增曲线图：横坐标：扩增循环数（Cycle）；纵坐标：荧光强度每个循环进行一次荧光信号的收集每个循环进行一次荧光信号的收集一、原理概述2.定量PCR常用的三个常用概念扩增曲线、荧光阈值、Ct值(2).荧光阈值：样本的荧光背景值和阴性对照的荧光值，手动设置的原则要大于样本的荧光背景值和阴性对照的荧光最高值，同时要尽量选择进入指数期的最初阶段，并且保证回归系数大于0.99。(3).CT值：PCR扩增过程中，扩增产物的荧光信号达到设定的阈值时所经过的扩增循环次数。C(t)valueC(t)value一、原理概述3.荧光定量PCR所用的荧光报告基团(1).非特异性荧光标记：SYBRGreen(2).特异性荧光标记：TaqMan探针MolecularBeacon分子信标一、原理概述4.非特异性荧光染料---SYBRGreen的特性(1).SYBRGreen能结合到双链DNA的小沟部位(2).SYBRGreen只有和双链DNA结合受激后才发荧光(3).变性时，DNA双链分开，无荧光(4).复性和延伸时，形成双链DNA,SYBRGreen发荧光，在此阶段采集荧光信号。SYBRGreenSYBRGreen一、原理概述4.非特异性荧光染料---SYBRGreen的工作原理图解5’3’5’3’SGNoEmissionSGSGSGExcitationSGSGSGSGSGSGSG5’3’5’3’EmissionExcitation伴随着每轮PCR的进行，特异的基因片段不断积累，SYBRGreen不断的与新增加的基因片段结合而发出荧光，荧光信号不断积累，荧光定量PCR仪实时记录了荧光信号的变化。一、原理概述5.非特异性荧光染料SYBRGreen的优缺点优点：(1).对DNA模板没有选择性----适用于任何DNA(2).使用方便-----不必设计复杂探针(3).非常灵敏(4).可做熔解曲线分析(5).便宜缺点：(1).对引物特异性要求较高(2).与非特异性双链DNA结合，产生假阳性,干扰实验的准确性,尤其是分析表达量不高的基因时,这类情况尤其突出;需要不断的优化反应体系,降低非特异性扩增.一、原理概述6.TaqMan---水解型杂交探针与目标序列互补TaqMan探针的特性：(1).5′端标记有报告基团(Reporter,R)，如FAM、VIC等(2).3′端标记有荧光淬灭基团(Quencher,Q)(3).探针完整，R所发射的荧光能量被Q基团吸收，无荧光，R与Q分开，发荧光(4).Taq酶有5′→3′外切核酸酶活性，可水解探针一、原理概述6.TaqMan---水解型杂交探针工作原理每扩增一条DNA分子，释放一个荧光信号，可以在循环过程中任一点检测荧光一、原理概述7.探针法的优缺点(1).极高的特异性和准确性由于探针法除了引物序列的特异性之外，还有探针序列的特异性，从两个方面保证了所扩增基因的特异性。(2).良好的重复性(3).目前合成价格较贵.(4).不能做熔解曲线分析.一、原理概述8.荧光定量PCR的数学原理理想的PCR反应：X=X0*2n(扩增效率=1)实际的的PCR反应：X=X0*(1+Ex)nn：扩增反应的循环次数X：第n次循环后的产物量X0：初始模板量Ex：扩增效率一、原理概述8.荧光定量PCR的数学原理在扩增产物达到阈值线时:XCt=X0(1+Ex)Ct=M(1)XCt:荧光扩增信号达到阈值强度时扩增产物的量.在阈值线设定以后,它是一个常数,我们设为M方程式(1)两边同时取对数得:logM=logX0(1+Ex)Ct(2)整理方程式(2)得:logX0=-log(1+Ex)*Ct+logM(3)log(1+Ex)*Ct=-logX0+logM(4)Ct=-logX0+logM(5)log(1+Ex)Log（x0的初始模板量）与到达阈值时的循环数（Ct值）呈线性关系，根据样品扩增达到域值的循环数即Ct值就可计算出样品中所含的模板量一、原理概述8.荧光定量PCR的数学原理模板DNA量越多，荧光达到域值的循环数越少，即Ct值越小Log浓度与循环数呈线性关系，通过已知起始拷贝数的标准品可作出标准曲线，根据样品Ct值，就可以计算出样品中所含的模板量一、原理概述8.荧光定量PCR的数学原理25Sample确定未知样品的C(t)值通过标准曲线由未知样品的C(t)值推算出其初始量一、原理概述9.认识一下荧光定量PCR仪仪器本身的功能：1、控制参数（温度）2、控制循环数（时间）3、记录整个循环过程中的荧光值的变化，在所有的时间和温度条件下，仪器都会忠实的记录下荧光值的变化。荧光定量PCR仪就是通过对所记录的参数来计算样品的初始模板量的。循环数和荧光值曲线温度和荧光值曲线一、原理概述ABI7300型96孔荧光定量PCR仪，由于样品间存在光程差，需ROX校正。RoterGene3000型36孔荧光定量PCR仪，旋转加热式，不需ROX校正二、操作及结果分析1、样品的制备DNA样品，主要是DNA提取，提取的DNA可TE缓冲液溶解后-20度保存；对于RNA样品，抽提RNA后要迅速反转录，将RNA反转录为cDNA，TE缓冲液溶解后可-20度保存。DNA或cDNA样品也不要长期存放，因为在存放过程中会有少量的DNA降解，从而影响样品中目的基因的含量。对于大量的样品最佳的检测方案是：根据实际情况安排好每天要提取的样品数量，提取后若是RAN立即进行反转录反应，并且将当天反转录的样品进行定量PCR检测；千万不可先将所有的样品都提取RNA，提取完RNA后再统一反转录，然后在对cDNA样品进行定量检测，千万不要这样做，因为RNA是极不稳定的，哪怕是存放于-80度冰箱，一方面RNA极其容易降解从而影响检测的准确性，另一方面万一实验室的超低温冰箱放生故障造成停机或停电，那所有提取的RNA将会很大程度的降解，对样品造成不可挽回的损失！最好的安排是：当天提取或反转录的样品，当天就进行定量PCR的检测，最大程度的减少RNA的降解，这样测定的结果才更准确。二、操作及结果分析2、定量PCR引物及探针的合成定量PCR所扩增的片段长度一般都不超过300bp，这样才能确保结果更准确；染料法对引物的特异性要求较高，探针法对引物的特异性要求不高，探针法所扩增的片段长度更短，一般都在200bp以下。引物和探针都要进行Blast分析，以避免非特异性扩增。二、操作及结果分析3、标准品的制备---质粒或纯化后的PCR产物这一步骤一般在预实验时完成，严格意义上的操作要求将PCR产物切胶后进行胶回收，并进行质粒的连接、转化到感受态大肠杆菌中，质粒在大肠杆菌中增值后提取质粒，并用分光光度计测定含有PCR产物的质粒的OD值，借此来确定质粒的摩尔量，将已知摩尔量的质粒做5倍或10倍的连续梯度稀释，做成质粒标准品，这是准确测定样品中目的基因模板量的定量基础。现在也有的不做质粒，直接测定纯化后的PCR产物的摩尔量，然后梯度稀释PCR产物，以此来作为标准品。一般做四个标准品左右5-25-125-625-312510-100-1000-10000-100000二、操作及结果分析4、通道的选择及增益的选择对于任何一款荧光定量PCR仪来说，都有一组或几组激发光和滤光片以及相应的检测器和滤光片，这些就构成了定量PCR仪的通道。不同的发光基团都有相应的激发光和相应的检测器。定量PCR仪从最初的单通道发展到现在的多通道，常用的通道有FAM/HEX/JOE等。可根据自己所用的发光基团来选择相应的通道。增益（gain），是荧光信号的放大倍数，发光基团的荧光是很微弱的，必须经过适量的信号放大才能被检测，否则，整个扩增曲线的荧光强度非常小，以致无法准确检测。所以在实验前，要选择合适的增益倍数。荧光检测元件荧光检测元件二、操作及结果分析5、标准曲线的建立梯度稀释后，标准品的扩增曲线间距相等，标准曲线上的间距也相等，说明标准曲线建立的很成功，假如间距参差不齐，说明梯度稀释时操作误差太大，建议重新做标准品的梯度稀释，重新做标准曲线，直到扩增曲线之间的间距相等为止。因为这一步直接影响着样品中目的基因原始模板量的准确性。二、操作及结果分析6、加样时的操作所有的加样操作要围绕着尽量使反应体系均一化为目的，除了样品外，其他试剂都要进行预混，预混后分装到各个PCR管中，最后加样品，移液器要尽量准确，因为这一步的操作可以说是差之毫厘，谬以千里。二、操作及结果分析7、阈值的设定定量PCR反应结束时开始对结果进行分析，此时需要划定阈值，也就是在扩增曲线的指数期划一条直线，这条线就叫阈值线，在阈值线上，所有的样品的荧光值都一致相同，不同的只是所对应的CT值和初始模板量！阈值的设定要尽量让回归系数最大！图中的虚线即为阈值线二、操作及结果分析8.熔解曲线分析熔解曲线（melt分析）是指定量PCR反应结束后让样品继续升温直到PCR产物的双链全部打开，这时由于双链打开，荧光染料不发荧光，这样荧光值会有一个陡然的突降，借以检测PCR产物的特异性，相当于进行电泳检测。因为不同的PCR产物片段其TM值不同，单一的双链DNA其荧光陡降的温度一致，加入含有非特异性扩增产物，那么其荧光陡降的温度不止一个（两个或更多或杂乱无章）。如图：特异性强的溶解曲线二、操作及结果分析8.熔解曲线分析二、操作及结果分析9、操作流程确立实验方案样品制备设计引物及探针预实验标准品及标准曲线的建立定量PCR检测分析数据三、荧光定量PCR技术的应用1、绝对定量分析这是荧光定量PCR技术的直接应用，可用于检测病毒及细菌的浓度！三、荧光定量PCR技术的应用2、相对定量分析及实验方案基因表达(geneexpression)是指细胞在生命过程中,把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译,转变成具有生物活性的蛋白质分子.遗传物质DNA首先要把所携带的遗传信息转录成为信使RNA（mRNA）,携带遗传信息的mRNA从细胞核进入到细胞质中与核糖体结合，在核糖体中mRNA携带的遗传信息被翻译成为多肽，多肽经过进一步加工后变成蛋白质，至此遗传物质DNA完成了表达过程。期间的转录过程是基因表达中非常重要的调节步骤，所转录的mRNA的多少直接影响着相