固德生物| 带你学习qPCR原理及应用!


什么是qPCR呢?

qPCR,即荧光定量PCR是利用荧光信号的变化实时检测PCR扩增中每一个循环扩增产物量的变化,并进行定量分析。我们通常做的常规PCR只是关注PCR最后扩增的产物,通过电泳进行判断,产物是否发生扩增,即我们的模板中是否存在我们待检测的目标基因。而qPCR是期望对PCR反应过程的每一步都能进行监测,而不只是关注PCR最终的扩增结果。qPCR原理是一种在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,应用于对PCR进程进行实时检测。

PCR与qPCR的区别

实时监控如何实现?

就是在PCR反应体系中加入荧光基团,来实现对PCR的实时监控。目前,我们常用的两种方法就是染料法TaqMan探针法

染料法:我们常用的染料就是SYBR Green Ⅰ这种染料。这种染料有以下特性:该染料可以非特异地结合在双链DNA小沟上,而不与单链结合。这里的非特异性是指,只要是双链DNA,它都能结合上去,不管该双链DNA是否是你期望扩增的目标基因还是非目标基因。这种染料在游离状态下几乎不会产生荧光,因此仪器也就没有反应,一旦染料结合了双链DNA就会产生较强的荧光信号,仪器也就有所反应。

那么,具体在扩增过程中。首先,在扩增的起始阶段,经过热变形双链DNA发生解链变成单链,染料结合不上去,因此就没有荧光信号。随着反应的进行,有双链形成之后,染料就会结合在双链形成的小沟上。每形成一个DNA双链,就有一定数量的染料结合上去;染料一结合,就产生荧光信号;信号强度与DNA分子总数目成正比。那么在PCR的每一个循环中这种荧光信号的积累过程就能被仪器所实时监控。

当然,由于SYBR Green Ⅰ是非特异性结合在双链上,所以一旦在PCR扩增过程中有非特异性产物的生成,它也会产生被仪器所检测到的荧光信号,这种非特异性的信号与特异性的信号由于无法区分就会导致实验结果的不准确性。

通常,为了保证我们实验结果的准确性。我们在做染料法时,通常都会做熔解曲线,来帮我们判断实验结果是否可靠。

SYBR Green I染料法的化学原理示意图

什么是溶解曲线?

熔解曲线是在我们扩增结束以后,在仪器上设定的一组程序,将仪器的温度从60℃逐渐升温到95℃,每隔一定时间,对PCR产物的荧光信号进行监测。

在扩增结束后,我们会获得大量的双链DNA产物,这些双链DNA产物都会结合上一定数量的荧光染料。那么,随着我们设定的温度逐渐升高,双链DNA就会发生解链,结合在双链上的染料也会逐渐游离出来,那么我们做监测到的荧光信号就会逐渐降低,如上左图所示。

那么在熔解曲线中有一个重要的概念Tm值,它是DNA的双螺旋结构打开一半时的温度。它有一个特点就是在在温度时DNA双链解链速度最大,那么反应在左图上时也就是在该点时图形的斜率最大,那么对左图的曲线就行求斜率之后就会得到右图。在Tm值时,右图有一个极大值点。所以如过我们做的PCR扩增的特异性好,那么熔解曲线他就呈现为单峰图。一旦出现非特异性产物,熔解曲线就不是单峰了。

TaqMan探针法:TaqMan探针是一段短的核苷酸序列,它的5‘端连接有一个荧光报告基团,3’端连接有一个猝灭基团。当探针完整时,荧光基团和猝灭基团距离很近,荧光基因所产生的荧光信号汇报猝灭基团屏蔽。一旦探针发生水解,荧光基团就会和猝灭基团分离,那么荧光基团所产生的荧光就能被仪器所检测到。图4 中基线(baseline)是指荧光信号积累但低于测定限之下的PCR循环,通常将基线设为3~15循环时的荧光信号。阈值是计算机根据基线的变化所任意选择的,是指3~15个循环的基线荧光信号均值标准差的10倍。高于阈值的荧光信号是真实信号,用于定义样本阈值循环数,Ct是指荧光强度大于最小检测水平(即荧光阈值)时的PCR循环数,它是实时PCR的基本参数,也是获得准确且重现性好的数据的基础。

具体在扩增过程中是,扩增的起始阶段,探针就会以碱基互补配对的原则特异性的结合在单链DNA上。由于DNA聚合酶具有5‘—3’的外切活性,一旦新链扩增到探针的5‘端,DNA聚合酶就会水解探针使得荧光基团和猝灭基团分离。每合成一条DNA链就切断一条探针;每切断一条探针,就产生一个单位信号;信号强度与结合探针的DNA分子数成正比。就是通过这种方式实现对PCR扩增的每一个循环进行实时监控的。