荧光定量PCR技术及其应用研究进展.doc
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1、动物医学进展 , 2009, 30( 2) : 78 82 Pr ogress in V et erinary Medicine 荧光定量 P C R 1, 2 技术及其应用研究进展 1* 2 3 * 郭 杨 , 陈世界 , 郭万柱 , 李 璟 ( 1. 四川出入境检验检疫局技 术中心 , 四川成都 610041; 2. 四川农业大学动物生物技术中心 , 四川雅安 625014; 3. 成都理工大学材料与生物工 程学院 , 四川成都 610059) 摘 要 : 荧光定量 PCR 是近年发 展起来的一种新的实时定量检测特定核酸技术 , 它是核酸探针技术 、 荧 光共振能量传递技术和 P CR 技
2、术的有机结合 , 而荧光探针是荧光定量 P CR 的核心 。 荧光定量 PCR 具有特 异性强 、 灵敏度高 、 重复性好 、 定 量准确 、 速度快 、 全 封闭反应等特 点 , 是对原 有 PCR 技术的革新 , 扩大了 PCR 的应用范围 。 论文综述了 FQ PCR 技术的原理 、 FQ PCR 实时定量检测系统及其应用 。 关键词 : 荧光定量 PCR; 荧光探针 ; 检测 ; 应 用 中图分类号 : S854. 43 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 5038( 2009) 02 0078 05 自 1985 年 P CR 技术问世以来 , 已研究成功以 义前 3 15
3、个循环的荧光信号的标准偏差的 10 倍。 PCR 为基础的 扩增和操 作 DN A 序列 的一系 列方 1. 2 循环阈值 法。实时荧光定量 PCR ( real t ime f lur escent quan 循环阈值 ( cy cle t hr esho ld value, Ct) 中 , C 代表 t it ive po1y merase chain react ion, FQ PCR ) 是 基于 cy cle, t 代表 t hreshold。其含义是在 P CR 循环过程 荧光能量传递技术 , 通过受体发色团之间偶极 偶极 相互作用 , 能量从供体发色基团转移到受体发色基 团 ,
4、受体荧光染料 发射出的 荧光信号 强度与 DN A 产量成正比 , 检测 P CR 过程的荧光信号便可得知靶 序列的初始浓度。它融汇 PCR 技术的核酸高效扩 增、探针技术的高特异性、光谱技术的高敏感性和高 精确定量的优点 , 直接探测 PCR 过程中荧光信号的 变化以获得定量的结果 。目前已在动植物基因 工程 , 分子生物学研究和医学研究等领域得以应用。 1 两个重要概念 1. 1 荧光阈值 荧光阈值 ( t hresho ld) 以 PCR 反应的前 15 个循 环的荧光信号作为荧光本底信号 , 一般荧光阈值定 中 , 荧光信号开始由本底进入指数增长阶段的拐点 所对应的循环次数。即每个反应
5、管内的荧光信号到 达设定 阈值的 时刻。 Ct 值 取决 于阈值。 F Q P CR 采用始点定量的方式 , 通过 Ct 值确立样品起始模板 数从而实现定量 , Ct 值与模板 DN A 的起始拷贝数 成反比。同一台 PCR 仪上对相同模板进行扩增 , 在 Ct 值处 PCR 产物数量的重现性极好 , 在 Ct 值处对 起始核酸进行定量 , 此时误差未被放大且扩增效率 也恒定 , 处于线性扩增范围内。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 ( 图 1) 。只要获得 未知样品的表 Ct 值 , 便可从标准曲线上 计算出该样 品的
6、起始拷贝数。 图 1 Fig. 1 F Q P CR 的标准曲线 Standard curve of FQ PCR * 收稿日期 : 2008 11 12 基金项目 : 国家质检总局科研课题资助项目 ( SK 064 02) 作者简介 : 郭 杨 ( 1984- ) , 女 , 四川成都 人 , 硕士 , 主要从事动物传染病病原分子生物学研究 。 * 通讯作者 1 2 郭 杨等 : 荧光定量 P CR 技术及其应用研究进展 79 2 FQ P CR 反应 方法的分类 gro ove binding T aq M an) 探针。其 3!端采用非荧光 性的淬灭基团 , 大大降低本底信号干扰 , 3
7、!连接的一 按照荧光产生的原理 , 可将 FQ 异性 DN A 结合染料法和探针法。 2. 1 非特异性 D N A 结合染料法 PCR 分为非特 个二氢环化吲哚卟啉 三肽 , 稳定了探针与模板的杂 交 , 提高探针的 T m 值 , 使较短的探针可达到较高的 T m 值 , 而短探针 R 基 团和 Q 基团距离更近 , 淬灭效 染料与 DN A 双链结合时在激发光源的照射下 发出荧光信号 , 其信号强度代表双链 DN A 分子的数 量。随 PCR 产物的增加 , P CR 产物与染料的结合量 也增大。不掺入链中的染料不会被激发出任何荧光 信号。染料与 DN A 双链分子的结合是非特异性的 ,
8、 它可以和反应体系中所有 D N A 分子结合 , 易受到非 特异性扩增和引物二聚体的影响 , 使定量结果不可 靠。可用熔解 曲线分析 区分特异 性和非特 异性扩 增 , 引物的设计和反应条件的优化对消除非特异性 荧光都 有 很 大 帮 助。目 前 主 要 使 用 的 是 SY BR Gr een 和 SY BR G old。一般的染料法灵敏度低 , 特 异性不强。 Po w er SY BR G reen 是最新推出的荧光 染料 , 能非特异地嵌合在 DN A 双螺旋结构的小沟 内 , 结合状态的荧光强度较之游离状态的荧光强度 增强千倍 , 灵敏度可达几个拷贝 / L , 通过熔解曲线 区分
9、特异性和非特异性扩增。在扩增体系中直接加 入 Pow er SY BR Gr een, 避免了设计、标记荧光探针 和使用价格昂贵、复杂的试剂。在操作方面更为简 便安全 , 对环境污染很小。 P ow er SY BR G reen P CR Master M ix 中的热启动酶常温无活性 , 热启动 95 10 min 后才 有 PCR 活性 , 可阻断 配液时的 随机扩 增 , 大大提高了荧光定量 P CR 反应的特异性。 2. 2 探针法 2. 2. 1 Taq M an 探针 也称 水解寡核苷酸探针。 该方法使用具有 5! 3!外切核酸酶活性的 DN A 聚 合 酶。在该探针两端分别标记
10、报告荧光基团 ( R) 和 淬灭荧光基团 ( Q ) 。探针完整时 R 基团发出的荧光 被 Q 基团吸收 , 无荧光产生。若底物序列不能同探 针互补 , 探针仍游离 , 未杂交的探针保持完整 , 荧光 信号不能被检测到。若正确的底物被扩增 , 探针会 在复性阶段与其杂交 , 当聚合酶延伸到探针时 , 会将 其 5!端替换下来 , 并将 R 基团切下 , R 基团和 Q 基 团分开 , 使荧光信号释放出来 , 可通过检测系统观察 到信号的变化 , 荧光信号的累积与 PCR 产物形成完 全同步。每扩增一条 DN A 链就有一个游离的荧光 分子形成 , 实现了荧光信号的累积与 P CR 产物形成 完
11、全同步。利用标准品模板系列绘制出标准曲线 , 结合 各样 品的 Ct 值 , 可确 定样 品的 起初 模板 量。 Taq Man 探针的优点是可利用多种荧光同时进行多 重分析 , 而 SY BR 等 DN A 结合荧光基团 不能。美 国 A BI 公司推出了一种新的 M GB T aq M an( mino r 果更好 , 荧光背景更低 , 短探针也简化探针设计降低 了成 本。 常用 R 基 团有 FA M 、 JO E、 H EX 、 T ET 、 V IC 等 , Q 基团有 T A M RA 、 Eclipse 等。 2. 2. 2 分子信标 它是能与 D N A 杂交的具有茎 环结构的
12、探针 , 环形部分的碱基可与目标核苷酸序 列互补 , 一般为 15 个 30 个核苷酸长 , 茎部是由互 相配对的碱基组成 , 不能与目标基因配对结合。探 针 5!端有荧光标记物 , 3!端有淬灭基团。当无特异 性单链 D N A 时 , 探针自身两端的序列互补 , 形成发 夹结构 ; 淬灭基团吸收荧光标记物发出的荧光 , 以热 量形式释放掉。当该探针与特异模板杂交 , 破坏探 针的发卡结构 , 溶液产生荧光 , 荧光强度与溶液中模 板的量成正比 , 可用于 P CR 定量分析 ; 若目标 D N A 序列同分子信标不能完全配对 , 杂交过程和信号不 会出现。若在发夹结构中荧光标记物不能紧靠淬
13、灭 基团 , 会产生很强的背景信号。若分子信标内杂交 过强 , 会妨碍同目标 D N A 分子的杂交 , 使得荧光信 号不能充分释放。最佳的分子信标应有合适的熔链 特性。分 子信 标可 检测 单个 核 苷酸 的 突变 , 适于 SN P 分析和等位基因突变分析。但设计较难 , 既要 避免产生强的背景信 号 , 又要避免茎部杂交过强 , 影 响其与模板退火 , 从而影响荧光生成。 2. 2. 3 双杂交 探针 Ro che 公司新近开发的一种 PCR 定量技术 , 使用两个杂交探针 , 提高特异性。 2 条探针中的一条在 5!端标记荧光 , 一条在 3!端标记 荧光 , 其中一个为受体荧光基团
14、, 另一个为供体荧光 基团 , 供体荧光基团的发射光谱覆盖受体荧光基团 的激发光谱 , 自由状态时只检测到供体荧光基团发 出的荧光。两探针可与模板同一条链相邻的序列杂 交。退火时两条探针与目的基因特异性结合 , 首尾 连接 , 2 个荧 光基团互相靠近 , 供体基团发出的能量 激发受体基团发出荧光 , 检测时只检测受体基团发 出的荧光。该方法淬灭效率高 , 两条探针均与目的 基因特异性结合才能检测到受体基团发出的荧光 , 检测的特异性增加。但两个探针结合于模板上影响 扩增效率 , 合成 2 个探针 , 成本相对较高。 2. 2. 4 复合探针法 该法结合了分子信标和 L ight Cy cle
15、r 两种技术的优点 , 克服了他们的不足 , 是我国 研究和开发的一种新型定量 PCR 技术。合成两个 探针 , 一是荧光探针 ( 25 bp) , 5!端接一荧光分 子 ; 另 80 动物医学进展 2009 年 第 30 卷 第 2 期 ( 总第 187 期 ) 13 一为淬灭探针 (15 bp) , 3!端接一淬灭分子 , 淬灭探针 义等 采用 F Q P CR 对水疱性口炎病 毒的鉴定检 14 能与荧光探针5!端杂交。无 模板时 , 两探针结合形 测 ; 邹文等 利用 SY BR G reen FQ 15 PCR 检测鸭乙 成复合探针 , 荧光探针发出的荧光被淬灭探针吸收 , 型肝炎病毒
16、 ; Y ang F L 等 建立了检测鸭瘟病毒的 无荧光产生 ; 当溶液中有模板时 , 在较高温度下荧光 FQ PCR 技术 ; 陈玉栋等建立了快速定量检测猪瘟 探针优先与模板结合 , 两探针分离 , 产生荧光。荧光 强度与 PCR 体系中模 板数量成 正比 , 可进行 P CR 定量。该法优点为使用非荧光淬灭剂 , 本底低 , 对扩 增效率影响小 , 探针设计、合成、标记、纯化方便。 3 FQ P CR 在预防 兽医学中的应用 PCR 技术的应用有许多局限 , 不能准确定量 , 假 阳性率太高 , 只要有微量病原体存在就可以得到阳 性结果 , 这不能完全作为诊断依据 , 只有当一定数量 的
17、病原体 存在时 才有 临床 意义。 FQ PCR 实 现了 PCR 从定性到定量的飞跃 , 有效解决 PCR 污染和对 模板定量不准确等问题。 3. 1 在动物病原菌检测和鉴定中的应用 炭疽杆菌作为人兽共患病的病 原 , 尤其炭疽杆 菌的芽胞可作为 生物武 器的 病原。王 梁燕等 在 100 L 纯化空气中加入炭疽杆菌芽孢 , 进行 F Q P CR 检测 , 1 h 内炭疽杆菌的单个芽孢就被检测到。空肠 弯曲菌是人类主要的食源性病原之一 , 常规细菌培 养鉴定结果不可靠。阳成波等 以 Lig ht Cycler 为 平台 , 先后建立一种基于 T aq Man 探针的 F Q P CR 和
18、SYBR G reen I, 能与双链 DN A 结合而发出荧光 的特性来定量检测空肠弯曲菌 , 检测限度为 5 cfu, 整 个检测过程在 60 m in 内完成。 3. 2 在动物病毒检测和鉴定上的应用 FQ PCR 问世后 , 积 累了大量有关 病原体核酸 量与感染性疾病发生、发展和预后之间关系的资料 , 形成感染性疾病的临床分子诊断标准。 FQ PCR 已 应用于许多病原体的检测 , 如对艾滋病病毒、乙型肝 炎病毒 DN A 、尖锐湿 疣皮损中 H PV D N A 、与 鼻咽癌关系密切的 EB 病毒、结核分支杆菌、巨细胞 病毒、 A 型和 B 型流 感病 毒 等病 原体 的检 测 。
19、 T akel e 等建立了高通量定性和定量检测来源于人或 猪的 P ER V 的 T aq Man 技术 ; 宋志军等 建立了猪 繁殖与呼吸综 合征病毒 ( PRR SV ) T aqM an 荧光定 量 RT P CR 检测方法 , 灵敏度可达 5. 0 拷贝 ; 张鹤晓 等建立了检测活禽和禽产品中中强毒力新城疫病毒 ( N DV ) 的 T aq M an 荧光 RT P CR 方法 ; 黄娟等 建 立了 P RRSV 实时 PCR 检测患病猪的肺脏等样品 , 对 PRR SV 细胞培养物检测下限为 0. 01T CID50 ; 朱 文新等 建立了快速通用型 一步法 #检测活禽和禽 产品
20、中所有 A 型禽流感病毒的 FQ PCR 技术 ; 花群 兔化弱毒苗的 F Q P CR 技术 ; 罗长保等建立了 FQ PCR 检测口蹄疫病毒。 FQ PCR 用于动物传染病的 诊断 , 不但能定量检测病原体感染的强弱和在机体 内的分布 , 还具有灵敏、快速、省力的特点。 3. 3 在动物寄生虫检测和鉴定中的应用 常用 T aq M an 探针。如在 被感染猪和鼠组织、 全血、羊水以及脑脊髓液中的弓形虫定量 , 其检测极 限相当于 套式 PCR, 但准 确 率 大大 提高。德 国的 V on 等根据毛圆线虫某属 IT S2 基因序列建立了快 速、有效定量 的 T aqM an PCR 方法
21、, 并 能区分很多 重要牛、羊消化道寄生虫 ; 应用 T aq Man 探针从小牛 腹泻粪便中定量检测水源性寄生虫小隐孢子虫 cp11 基因 和 16 S rRN A ; T anriverdi 等用 FQ PCR 对 2 个基因型 的小隐抱子虫 进行分型 , 结果优于 PCR RF LP 。刘世国等 采用 FQ PCR 动态观察感染 弓形虫的家兔血液中的虫体。 4 FQ P CR 在畜牧业中的应用 王群等 采用 T aq M an 探针检测鸡 干扰素。 朱燕等 采用 RT F Q P CR 证明中国黄牛背最长肌 中 capnl mRN A 表达量与宰后 3 d 的牛肉嫩度高度 相关。韩彩霞
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- 关 键 词:
- 荧光 定量 PCR 技术 及其 应用 研究进展
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