荧光PCR原理、常用探针的优缺点及多重荧光PCR技术进展.doc

阐述荧光PCR原理、常用探针的优缺点及多重荧光PCR技术进展摘要：荧光PCR技术是20世纪90年代中期发展起来的一种新型核酸定量技术。该技术具有实时监测、快速、灵敏、精确等特点, 是对原有PCR技术的革新, 扩大了PCR的应用范围。本文综述了荧光PCR技术的原理、常用探针的原理和优缺点，PCR技术的研究方向及其应用。关键词：荧光PCR;探针;多重荧光PCR;应用聚合酶链式反应PCR是一种体外扩增DNA片断的技术，根据扩增策略和检测产物手段的不同，可分为定性PCR和定量PCR。实时PCR( rea-l time quantitative polymerase chain react ion, RQ-PCR) 又称荧光定量PCR, 是由美国Applied Bisystems 公司于1996 年研制出的一种新型核酸定量技术, 并随着荧光PCR 仪的推出而逐渐得到广泛应用 1。该技术在常规PCR 基础上运用荧光共振能量转移现象( fluorescence resonance energy transfer, FRET) 技术, 加入荧光标记探针, 巧妙地把核酸扩增、杂交、光谱分析和实时检测技术结合在一起, 在PCR 指数扩增期间通过连续监测荧光信号的强弱来即时测定特异性产物的量, 并据此推断目的基因的初始量 2 。1.荧光PCR的原理荧光PCR技术是指在普通PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累监测整个PCR反应的进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量的方法。荧光PCR技术是在常规PCR基础上，添加了一条标记了两个荧光基团的探针。一个标记在探针的5端，称为荧光报告基团(R);另一个标记在探针的3端，称为荧光抑制基团(Q)。两者可构成能量传递结构，即5端荧光基团所发出的荧光可被3端的荧光抑制基团吸收或抑制。当二者距离较远时，抑制作用消失，报告基团荧光信号增强3。荧光信号与PCR产物同比增长，随PCR产物的增加而增强。荧光PCR方法就是利用此原理，在PCR反应过程中，连续不断地检测反应体系中荧光信号的变化。当信号增强到某一闽值(PCR反应的前几个循环的荧光信号作为荧光本底信号，荧光闭值的缺省设置是3-15个循环的荧光信号标准偏差的10倍)时，此时的循环次数(Ct值)就被记录下来，如图1-1所示。该循环参数(Ct值)和PCR反应体系中起始模板量的对数值之间有严格的线性关系。利用阳性梯度标准品的Ct值，制成标准曲线，图1-2所示，再根据样品的Ct值就可以准确确定起始模板的数量。 2. 探针的介绍2.1分子信标探针Tyagi和枪ammer(1996)首次建立了分子信标探针4，在同一寡核苷酸探针的5端标记荧光素、3端标记淬灭剂(DABCYL)、其工作原理如图1-3所示。分子信标探针能形成发夹结构，探针的朴琳环与目的DNA碱基互补，朴琳环两侧为与目的DNA无关的碱基互补的臂。无目的DNA时，探针形成发夹结构，荧光素靠近淬灭剂，荧光素接受的能量通过共振能量转移至淬灭剂，DABCYL吸收能量后以热量形式散失，结果不产生荧光。当探针遇到目的DNA分子时，形成一个比两臂杂交更长也更稳定的杂交，探针自发进行构型变化，使两臂分开，荧光素和淬灭剂随之分开，此时在紫外照射下，荧光素产生荧光。影响分子信标探针构型变化的参数主要有:臂长、臂序列GC含量、朴琳环长度和溶液盐浓度，尤其是二价阳离子如Mg2+对两臂形成的环有较强的稳定作用，在M存在条件下，4-12个核苷酸可形成稳定的杂交茎。朴琳环长度至少应是臂长的2倍，才能保证探针与目标DNA杂交及荧光素与淬灭剂分离。分子信标为荧光淬灭探针，空间上呈发夹状，其环状部分与靶序列互补，位于茎干部分的5和3 端分别标记一个荧光分子和淬灭分子。在PCR反应中分子信标与靶序列杂交，发夹结构打开而发出荧光。分子信标的特殊发夹结构使之具有高度的杂交特异性，能检测单碱基突变。在PCR产物测定、遗传分型、药物筛选、突变分析、RNA测定5等领域正得到迅速应用。 2.2 TaqMan探针TaqMan探针(亦称水解探针)是一段5端标记报告荧光基团(用R表示)，3端标记淬灭荧光基团(用Q表示)的寡核营酸。报告荧光基团如FAM共价结合到寡核苷酸的5端6。TET、vlc、JoE及HEx也常用作报告荧光基团。所有这些报告荧光基团通常都由位于3端的淬灭荧光基团TAMRA所淬灭。TaqMan探针的工作原理如图1-4所示，当PCR反应在退火阶段时，一对引物和一条探针同时与目的基因片段结合，此时探针上R基团所发出的荧光信号被Q基团所吸收，仪器检测不到荧光信号:当PCR反应进行到延伸阶段时，Taq酶在引物的引导下，以四种脱氧核昔酸为底物，根据碱基配对原则，沿着模板链合成新链，当链的延伸进行到探针结合部位时，受到探针的阻碍而无法继续，此时Taq酶发挥它的5-3外切核酸酶的功能，将探针切成单核昔酸，消除阻碍，与此同时标记在探针上的R基团游离出来，R所发出的荧光再不为Q所吸收而被检测仪所接收;在Taq酶的作用下继续延伸合成完整的新链，R和Q均游离于溶液中，仪器可继续检测到R所发出的荧光信号。如上所述，PCR进行一个循环，合成了N条新链的同时，就水解了N条探针，亦释放了相应数量的荧光基团。仪器所接收到荧光信号的强度与PCR产物的量呈对应关系。随着PCR反应的循环往复，PCR产物呈指数形式增长，荧光信号也相应增长。如果以每一个PCR循环结束时所测到的荧光值为纵坐标，以PCR循环数为横坐标作图，即可得到一条如图1-1所示的扩增曲线。该探针出现最早，属典型的荧光共振能量转移探针。PCR扩增时在加入一对引物的同时加入一个特异性的TaqMan探针，探针的两端分别标记能量供体和能量受体，在PCR扩增过程中依赖DNA聚合酶的5-3外切酶活性将探针酶切降解，使能量供体和能量受体分开，从而不能发生荧光共振能量转移。这一系统的不足在于线性探针的长度限制了能量转移效率，同时线性探针不能区别单碱基突变 6 。该探针的优点：杂交效率高；缺点：(1)淬灭难以彻底，本底较高；(2)探针的水解依赖于Taq的酶外切活性，故定量时受酶性能和试剂质量影响；(3)检测点突变的能力相对不足。2.3 相邻探针相邻探针也称双杂交探针，是在普通PCR基础上增加了一对荧光单标记的探针，两条探针均与引物结合区之间的核酸发生特异性结合，且结合后的两条探针之间只相隔1一2个碱基 7 ，其工作原理如图1-5所示。结合于靶序列5端的探针在其自身的3端标记了一种荧光素a:结合于靶序列3端的探针在其自身的5端标记了另一种荧光素b。当两条探针呈游离状态时，b不发光;而在PCR的退火阶段，两条探针均与模板相结合，a和b之间发生了称之为FRET的能量转移，a所发出的荧光信号可以被b所吸收而发出荧光，此时仪器便可以检测到b所发出的光;随着引物介导的新链的形成，两条探针被逐一从模板上取代下来;当两条探针由模板上被取代下来重新成为游离状态，仪器就不能检测到b所发出的光了。荧光素b所发出的光强度与模板量成正比，随着PCR的进行，模板量呈指数增长，探针与模板结合的量同比增长，能量转移也同比增长。检测每一个PCR循环退火阶段荧光素b的荧光强度，以所检测到的荧光量为纵坐标，以PCR循环数为横坐标，便可得到如图1-1所示的扩增曲线，从而实现了定性、定量检测 8 。该探针同样使用单链探针，不能检测单碱基突变基因。双杂交探针优点：特异性强，必须两个探针同时结合；本底低。缺点：由于两个探针结合于模板上，因此对扩增效率产生一定的影响；需要设计两个较长的探针，增加探针设计的工作量；对仪器、耗材要求高。3. 多重荧光PCR技术 多重PCR技术是在同一个反应体系中同时扩增两对或两对以上的目标基因序列9。资料表明，多重PcR技术在动物病毒性传染病检测中应用较多，而在转基因成分定性与定量检测中的应用报道还不多10，其中主要集中在转因食品方面，在转基因饲料，尤其是深加工产品的检测方面更是鲜有报道。荧光双链探针是根据核酸碱基互补配对原则和荧光能量转移原理设计的。是由两条不等长的互补的寡核昔酸链组成，在长链的5端标记一个荧光基团，其互补链的3端标记淬灭基团。当两条链互补配对时，荧光基团靠近淬灭基团，发生荧光淬灭现象，检测不到荧光信号;当双链发生热变性或与靶序列杂交时，荧光基团与淬灭基团分开，荧光得以恢复。由于多重荧光PCR技术的诸多优点，用该技术除了在我们的研究中应用于转基因生物检测外，还有着广泛的应用前景和领域 11 。如在食品卫生的应用食品中污染的病原细菌是引起食源性疾病的主要因素之一，快速检测食品中病原细菌是及时有效预防病原细菌传播及食物中毒的重要前提，多重荧光PCR技术可同时检测多种病原细菌。在医疗卫生的应用沙门菌属、志贺菌属、侵袭性大肠埃希菌、肠产毒素大肠埃希菌是常见的引起人类和动物细菌性痢疾和细菌性食物中毒的肠道致病菌，严重的危害着人类健康和牲畜的安全，常见病原菌的检验方法存在着检测周期长、工作量大、所需试剂多，而且假阴性率高，灵敏度低，或假阳性率高，特异性差等缺点 12-14 ，多重荧光PCR技术的快速、简便、准确、特异地检测方法是其理想的检测方法，应用前景广阔，还有在众多的基囚诊断项目，例如检测甲、乙、丙、丁、戊各型肝炎;检测沙眼衣原体，淋球菌，梅毒螺旋体，艾滋病病毒，单纯疤疹病毒等各种性病;在遗传疾病诊断中对等位基因的检测，多基因遗传病的突变检测，基因表达异常所致的遗传病检测等等。4.荧光PCR技术展望准确、灵敏、快速和经济的RQ-PCR 技术己发展成为一项完全自动化的核酸定量技术, 大大降低了假阳性率, 工作效率高, 结果重现性好, 且不必使用对人体有害的染色剂。RQ-PCR 应用较多的是医学方面, 较成熟主要是在病原体检测方面。在植物学、动物学等领域的研究中, 该技术应用还较少。随着RQ-PCR 技术与生物芯片技术、肤核酸技术、微解剖技术 15 等先进技术的整合,RQ-PCR 应用前景将越来越广阔。 1 Heid C A, Stevens J, Livak K J, et al. 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Continuous fluorescence monitoring of rapid cycle DNA amplification J .Bio-techniques，1997;22:130-l，134-8. 9 贾士荣.转基因作物及其环境与食品安全性.华南农业大学报 J .2002,23:37-42.10叶长明,魏祥东,陈东红,蓝崇钮,朱利民.转基因番木瓜的抗病性及分子鉴定 J .遗传,2003,25(2):181-84.11 张艳红,吴延功,杜元钊,等.沙门氏菌快速检测方法研究进展J.动物医学进展,2001,(2):39-41 .12 田刚,王金良,刘晓兰.- 半乳糖苷酶用于定量肠杆菌测定的探讨J.江西医学检验,1999,17(2):116.13 封幼玲,陈太基,王为云,等.应用PCR 技术快速检测食品中副溶血性弧菌J.中国卫生检验杂志,1997,(4): 241-242.14 许一平.多重PCR 检测沙门氏菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的研究J.武汉:华中农业大学,2006,(6):39.15 Swan DC, Tucker RA, Holloway BP, et al . A sensitive, type- specific , fluorescence genic probe assay for detection of human papillomavirus DNAJ. Clin Microbiol, 1997, 35( 4) : 886-891.