实时荧光定量PCR技术:定量分析功能及软件应用

上一篇 / 下一篇  2008-08-24 23:59:00/ 个人分类:PCR实验

定量PCR除可以对样品的初始浓度进行准确定量外,还有其它多种丰富的应用。还包括基因表达调控情况的分析、等位基因的分析等,那么这些功能是如何在一台定量PCR仪上实现的呢?下面将进行一一介绍。

利用标准曲线对样品的初始浓度进行定量:

用已知浓度的标准品绘制标准曲线来对未知样品定量,首先要有一组稳定的标准品。标准品可以是含有目的基因的线性化的质粒DNA,也可以是比扩增片段长的纯化后的PCR产物,当然也可以是DNA,甚至cDNA,但前提是所有的作为标准品的核酸都必需保证稳定。一般一条标准曲线取四到五个点,浓度范围要能覆盖样品的浓度区间,以保证定量的准确性。一般一个点重复三至五次,对于常期稳定使用的标准品可以适当减少重复的次数。

以Rotor-Gene3000的操作为例,以标准曲线对未知样品定量是默认的分析方法。软件可在反应尚在进行时就对结果进行分析,结果随着反应的进行可实时更新,当然也可以等反应完全结束后再进行分析。

点示“Analysis”,弹出分析框,默认分析功能即为“Quantitation”,点击“Show”,软件即自动给出包括标准曲线(包括R值,R平方值,扩增效率、标准曲线公式等)、标准化的荧光曲线、各样品计算浓度(包括标准偏差、变异系数等)在内的结果。

若是使用SYBR Green I法,还可进行熔解曲线分析,以判断退火温度是否合适,产物中是否有引物二聚体的影响。对于SYBR Green I的客户,我们建议一定要在最后做一步熔解曲线的分析,这对于反应条件的优化和结果的正确判定都有着非常重要的作用。

同样,点击“Analysis”,在分析窗口中选择“Melt”,点击“Show”,自动给出分析结果。

完成了所需的分析之后,如还需给出分析结果报告,点击“Analysis”边上的“Report”选项,选择报告模板,软件自动给出报告。

利用定量技术进行基因型分析研究:

常用的分析方法有两种,一种是Taqman探针法,一种为FRET探针法(又称Hyb探针),运用以上两种方法进行基因型的分析需要一台有多通道的荧光定量PCR仪。Taqman探针分析基因型是以扩增信号的有无来判定,而FRET探针则根据扩增后片段熔解温度的不同来判定。

以下为用Taqman探针判断基因型的实例:

这里,突变型的探针以FAM荧光素标记,野生型的探针以VIC荧光素标记,检测时分别同时检测了FAM通道和VIC通道的荧光情况。这里,3、4号样品只在FAM通道有信号,而在VIC通道里无信号,表明这两个样品为突变型;1、2号样品在FAM通道无信号,在VIC通道有信号,表明这两个样品为野生型;而5、6号样品在两个通道都有信号,但荧光强度恰为其它样品的一半,说明这两个样品为杂合型。

并且,我们可以在软件里将不同的通道定义为不同的基因型,软件会根据不同样品在各个通道的荧光情况,自动对各个样品的基因型做出判定。

以下为用FRET方法分析基因型的实例:

如上图,荧光探针与突变型完全匹配,而与野生型存在一个碱基的错配,因而打开这两组双链所需的能量就不同,具体体现在熔解温度的差异上,因而突变型的样本有较高的熔解温度,而野生型的样品熔解温度相对较低。在图中,5号样本熔解温度较低,为野生型;2号样本熔解温度较高,为突变型;而1、3、4号样品在高温和低温处都出现了熔解峰,则它们为杂合型。并且用户还可以将不同的峰定义为不同的基因型,软件可根据用户的定义自动给出未知样品的基因型。如上图表格中所示。

利用相对定量的方法分析目的基因的上下调情况:

基因表达调控研究中,常用的相对定量方法主要有两种,Delta-deltaCt法和双标准曲线法。由于RNA纯化后得率不同、RNA反转录为cDNA的效率不同等客观因素,用于定量分析的初始样品浓度不同,因此,在进行基因表达调控研究中都会用一些看家基因来标准化,以校正因样品初始浓度不同而造成的差异。常用的看家基因有beta-actin,GAPDH,18SrRNA等。因此,在做基因表达调控分析时至少要做两个基因,目的基因和一个看家基因。我们分别来看看以上两种相对定量分析方法的特点和应用。

Delta-deltaCt:

公式:

由Delta-delta Ct的公式可以看出,该方法直接利用看家基因来校正样品初始量,但同时默认两个基因扩增效率一致。

Comparative Delta-delta Ct法的特点、注意事项及实际应用:

1. Comparative Delta-delta Ct法的一大特点是,当优化的体系已经建立后,在每次实验中无需再对看家基因和目的基因做标准曲线,而只需对待测样品分别进行PCR扩增即可。

2. 每次实验都默认目的基因和看家基因的扩增效率一致,而并非真实扩增情况的反映,因此实验条件需要严格优化,并且总会存一定的偏差。

用Comparative Delta-delta Ct法展开定量实验前,在预实验中,必需对目的基因和看家基因做两组标准曲线。Rotor-Gene 的软件会自动给出两组标准曲线的R值、扩增效率等信息,如果两组标准曲线的斜率,即M值的差小于0.1,表明两个基因的扩增效率已非常接近,那么后续实验中就可以用Comparative Delta-delta Ct法进行相对定量分析。反之,如果M差值大于0.1,就无法用该方法进行相对定量分析。此时的解决方法有两种,一是优化实验,使两组标准曲线的斜率差值小于0.1,二是换用其它的相对定量方法。

下面是某科研用户用Delta-delta Ct进行相对定量分析的实例:

首先,该客户分别做了目的基因和看家基因的确标准曲线,根据软件自动给出的M值判断该方法的可行性:

如下图,将标准品进行梯度稀释后,分别对目的基因(Gene of Interest)和看家基因(Housekeeper Gene)做标准曲线。软件自动绘制标准曲线,并给出相应的参数。从上图可知,两组标准曲线的M值分别为-3.525和-3.467,两者的差值<0.1,因此,这组看家基因和目的基因可以用Comparative Delta-delta Ct法进行相对定量。

确定这两个基因可以用Delta-delta Ct法分析后,用户扩增了其待测样品的目的基因和看家基因。经软件自动分析后,给出分析结果,如下:

我们看到,在该客户的实验中,以样品A为对照组,软件自动组出了样品B和C的目的基因相对于样品A的表达情况。 这种方法对于样品量大,但研究的基因数目相对较少的客户特别有用,因为一旦条件优化好之后就无需再做标准曲线,节约了试剂和样品量,实验操作也相对简单。

双标准曲线法:

公式:

双标准曲线法考虑到了不同基因扩增效率的差异,用标准曲线来校正扩增效率。

双标准曲线法的特点、注意事项及实际应用:

1. 双标准曲线法做相对定量分析的最大特点是,应用简便,无需像Delta-delta CT法那样对实验进行严格的优化。

2. 其不足之处是每次实验都必需对目的基因和看家基因做两组标准曲线。

并且,如果用于做标准曲线的标准品不同于样品,比如标准品为质粒或纯化的PCR产物,而待测样品为cDNA,那么标准曲线的扩增效率并不能真实地反映样品的扩增情况,因此以标准曲线来计算样品的实际浓度就存在一定误差。

每种相对定量方法都会有一定的局限性,对于双标准曲线法,比较适合于样本量不大,但研究的基因较多的客户,这样对不同基因条件优化相对Delta-delta Ct法更为简单。

下面是某科研用户用双标准曲线法进行相对定量分析的实例。

要用该方法进行分析,客户在一轮反应中,对目的基因和看家基因分别做了一组标准曲线,同时也分别扩增的待测样品的目的基因和看家基因。

如下图,选择软件中相应的分析方法。

软件自动给出分析结果:

同样,结果自动给出了待测样品相对于对照组目的基因的表达情况。

比较定量法:

另一种相对定量分析方法叫比较定量法(ComparativeQuantitation),该方法在结果验证中的应用相对较多。

比较定量法的特点、注意事项及实际应用:

1.必需确定起始样品的总核酸浓度一致。在验证时使用较多,但同样也必需有起始浓度一致的核酸样品。

2.作为常规的基因表达调控研究,建议研究者使用前两种定量方法。

3.该方法通过拐点时的循环数来进行相对定量比较,重复性更好。

4.该方法操作非常简便,无需做标准曲线及设置内参。使用时,样品均定义为unknown,分析时选用ComparativeQuantitation,确定对照组,完成分析。

应用实例:

用Comparative Quantitation法进行定量分析时,在保证起始总核酸量一致的前提下,只要对目的基因进行扩增即可,例:待测样品A、B、C,扩增目的基因。在软件中选择相应方法,即得以下结果:

上图左下方即相对表达量的结果,其中Rep.Conc为样品B、C相对于对照组A的目的基因浓度。右侧,可通过修改Calibrator Replicate改变对照组,以获得不同的比较结果。


TAG: 定量荧光pcr技术

 

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