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普通PCR、实时荧光定量PCR、数字PCR技术的功能区别

2022.10.19

   一、普通PCR技术

    KARY MULLIS (1944.12.28-2019.8.7)

    Kary Mullis于1983年发明了聚合酶链式反应法(polymerase chain reaction ,PCR),据说是载着女友开车的时候,忽然灵光一闪,想到了PCR原理(论开车的好处)。Kary Mullis于1993 年获诺贝尔化学奖。《纽约时报》如此评价:" 具有高度原创性和重大意义,几乎将生物学分为 PCR 前和 PCR 后两个时代。

    PCR的原理:在DNA聚合酶催化下,以母链DNA为模板,以特定引物为延伸起点,通过变性、退火、延伸等步骤,体外复制出与母链模板DNA互补的子链DNA的过程。是一项DNA体外合成放大技术,能快速特异地在体外扩增任何目的DNA。
    普通PCR的优点

    经典方法,国际和国内标准齐全

    仪器试剂成本较低

    PCR产物可以回收后做其他分子生物学实验

    普通PCR的缺点

    容易污染

    操作繁琐

    只能定性分析

    敏感性中等

    存在非特异性扩增,当非特异条带与目的条带大小一样时无法区分

    基于毛细管电泳的PCR

    针对普通PCR的缺点,一些厂家推出了基于毛细管电泳原理的仪器,将PCR扩增后电泳的步骤在毛细管中完成,灵敏度更高,可以区分几个碱基的差异并且通过MAERKER可以计算出扩增产物的含量。缺陷是仍然需要将PCR产物打开后放入仪器,仍然存在很大的污染风险。
    二、实时荧光定量PCR(Quantitative Real-time PCR ,qPCR)技术

    荧光定量PCR也叫Real-Time PCR,是美国PE(Perkin Elmer)公司1995年研制出来的一种新的核酸定量技术。荧光定量PCR的发展史是一部ABI、罗氏和伯乐等巨头的荡气回肠的斗争史,感兴趣的可以去查查。该技术是目前最成熟,使用最广泛的半定量PCR技术。

    荧光染料法(SYBR Green I):

    SYBR Green I是荧光定量PCR最常用的DNA结合染料,与双链DNA非特异性结合。在游离状态下,SYBR Green 发出微弱的荧光,但一旦与双链DNA结合,其荧光增加1000倍。所以,一个反应发出的全部荧光信号与出现的双链DNA量呈比列,且会随扩增产物的增加而增加。由于染料是与双链DNA的非特异性结合,因此可能产生假阳性的结果。

    荧光探针法(Taqman 技术):

    PCR扩增时,加入一对引物的同时再加入一个特异性的荧光探针。该探针为一直线型的寡核苷酸,两端分别标记一个荧光报告基团和一个荧光淬灭基团,探针完整时,报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收,检测不到荧光信号;PCR扩增时(在延伸阶段),Taq 酶的 5' —— 3' 切酶活性将探针酶切降解,使报告荧光基团和淬灭荧光基团分离,从而荧光监测系统可接收到荧光信号,即每扩增一条 DNA 链,就有一个荧光分子形成,实现了荧光信号的累积与 PCR 产物形成完全同步。临床检测中Taqman探针法是最常用的检测方法。
    qPCR的优点

    方法成熟,配套仪器试剂齐全

    试剂成本中等

    操作简单

    检测敏感性高,特异性高

    qPCR的缺点

    1.目的基因发生突变导致漏检

    2.低浓度模板检测结果无法确定

    3.使用标准曲线进行定量检测时误差较大。

    三、数字PCR(digital PCR ,dPCR)技术

    数字PCR是一种核酸分子绝对定量技术。相较于qPCR,数字PCR能够直接读出DNA/RNA分子的个数,是对起始样品核酸分子的绝对定量。1999年,Bert Vogelstein和Kenneth W.Kin-zler正式提出了dPCR的概念。

    2006年,Fluidigm公司第一个生产商业化的基于芯片的dPCR仪。2009年,Life Technologies推出了OpenArray和QuantStudio 12K Flex dPCR系统,2013年,Life Technologies又 推 出 了QuantStudio 3DdPCR系统,采用高密度的纳升级微流控芯片技术,将样本均匀的分配至20 000个单独的反应孔中。
    2011年,Bio-Rad公司推出了基于微滴的QX100 dPCR仪,利用油包水技术,将样品平均分配到20 000个微滴油包水中,利用微滴分析仪对微滴进行分析。2012年RainDance公司推出了RainDrop dPCR仪,在高压气体驱动下,将每个标准反应体系分割成包含100万至1 000万个皮升级别微滴的反应乳液。

   至此数字PCR就形成了2大派别,芯片式和微滴式。不论是哪种数字PCR,其核心原理都是有限稀释,终点PCR和泊松分布。将含有核酸模板的标准PCR反应体系,平均分配成几万个PCR反应,分配到芯片或微滴中,使每个反应中尽可能含有一个模板分子,进行单分子模板PCR反应,通过读取荧光信号的有或无进行计数,经过统计学泊松分布的校准进行绝对定量。

    dPCR的优点

    实现绝对定量

    更高的敏感性和特异性

    可以检测低拷贝样品

    dPCR的缺点

    1.仪器设备和试剂昂贵

    2.操作复杂,检测时间长

    3.检测范围较窄

    目前三代的PCR技术各有各的优缺点,也各有各的应用领域,并不是一代取代一代的关系。技术的不断进步给PCR技术注入了新的活力,使其能解锁一个又一个的应用方向,使核酸检测更方便、更准确。


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