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漲知識(shí) | qPCR專場一:如何做好擴(kuò)增片段和引物設(shè)計(jì)?

2023-8-8  閱讀(245)

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熒光定量PCR是實(shí)驗(yàn)室中出鏡率非常高的一種檢測方法。該方法通過在PCR體系中添加熒光基團(tuán)來記錄DNA產(chǎn)物的累積情況,從而達(dá)到對PCR過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的,并且可以通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算出起始模板量,這就是“熒光定量"中“定量"一詞的來源。


 
熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)因?yàn)殪`敏度高所以經(jīng)常是差之毫厘謬以千里,所以在實(shí)驗(yàn)過程中,我們需要注意諸多細(xì)節(jié),謹(jǐn)慎操作。小伙伴們看到這里就要著急了,我怎樣才能做好qPCR實(shí)驗(yàn),拿到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)表高分文章。

對于熒光定量PCR數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性而言,反應(yīng)效率至關(guān)重要。在理想狀態(tài)下,PCR反應(yīng)中對應(yīng)的靶標(biāo)在每個(gè)循環(huán)中進(jìn)行復(fù)制,每個(gè)循環(huán)增加一倍的分子量,對應(yīng)的即為100%的擴(kuò)增效率。隨著循環(huán)數(shù)的增加,效率的變化或差異會(huì)被放大,因此,任何造成與100%效率的偏差都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

 

 
擴(kuò)增片段設(shè)計(jì)技巧
 
不少小伙伴在進(jìn)行引物設(shè)計(jì)時(shí),對于目的擴(kuò)增片段的要求沒有太多關(guān)注。然而目的片段對于做好熒光定量也十分重要。選擇較短且特異性高的目標(biāo)片段是一種減少效率偏差的方法。
在給定的時(shí)間周期內(nèi)擴(kuò)增100個(gè)pb的靶標(biāo)片段比擴(kuò)增1000bp的靶標(biāo)片段更能保證100%合成。因此,在熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)中80-200個(gè)bp能保證結(jié)果更加精準(zhǔn)。另外較短的靶標(biāo)片段受模板完整性變化的影響也相對較少,例如核酸樣本(RNA或cDNA)輕微降解且靶標(biāo)片段較長,則上游引物和下游引物很難在同一DNA片段中找到其互補(bǔ)序列。
 
靶標(biāo)序列的特異性是效率偏差的另一個(gè)重要因素,靶標(biāo)序列的特異性選擇可幫助引物的結(jié)合位點(diǎn)在基因組中,從而降低引物在樣品基因組中其他區(qū)域擴(kuò)增類似序列的可能性。

 

 
引物設(shè)計(jì)技巧
 
引物設(shè)計(jì)的好壞,密切關(guān)乎著擴(kuò)增效率的高低、產(chǎn)物特異性的與否。所以正確設(shè)計(jì)出引物是qPCR成功的重要一步。
qPCR是特殊的PCR,所以,qPCR的引物設(shè)計(jì)要滿足一般PCR引物設(shè)計(jì)的原則,見下表。

*1 OLIGO Primer Analysis Software


 

其中qPCR引物設(shè)計(jì)需要著重關(guān)注以下幾點(diǎn):

 

 
01
 
減少引物二聚體的發(fā)生

非特異性產(chǎn)物本身會(huì)和SYBR 染料結(jié)合導(dǎo)致熒光產(chǎn)生,從而人為地改變反應(yīng)的Ct值。非特異性擴(kuò)增可以通過競爭反應(yīng)組分來影響反應(yīng)效率,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低。引物二聚體是一類常見的非特異性擴(kuò)增產(chǎn)物。引物二聚體通常是由正向和反向引物之間的相互作用引起的,但也可能是正向-正向或反向-反向引物退火的結(jié)果,或者單個(gè)引物自行折疊的結(jié)果。如果二聚化以交錯(cuò)的方式發(fā)生作用,則可能發(fā)生一些片段延伸,導(dǎo)致產(chǎn)物接近預(yù)期靶標(biāo)片段的大小,產(chǎn)生假陽性結(jié)果。

02
 
區(qū)分isoform

對于同一個(gè)基因名來說,可能會(huì)有不同的isoform。isoform指的是,對于同一個(gè)基因,它的mRNA有多種不同剪接方式,這個(gè)時(shí)候表達(dá)出來的的蛋白可能會(huì)有不同,所以小伙伴們在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,一定要想清楚自己要做的是哪一個(gè)isoform。

 

舉個(gè)“栗子":比如說一個(gè)基因有四種不同的isoform,如果大家想要檢測的是四種不同剪接方式轉(zhuǎn)錄本之和,那么設(shè)計(jì)引物時(shí)就要針對這四個(gè)isoform的共有序列設(shè)計(jì)。如果只想檢測其中一種isoform,那就要在這個(gè)isoform與其他三個(gè)isoform的不同序列位置設(shè)計(jì)引物。

03
 
跨內(nèi)含子設(shè)計(jì)引物

跨越內(nèi)含子設(shè)計(jì)引物可以區(qū)分并且規(guī)避基因組DNA (gDNA)污染。gDNA可能與目的轉(zhuǎn)錄本共擴(kuò)增,產(chǎn)生無效的數(shù)據(jù)。在熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)中避免gDNA干擾的最佳方式是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊镌O(shè)計(jì)。

 

引物設(shè)計(jì)的序列最好選擇相鄰的外顯子或一端或兩端引物跨越內(nèi)含子設(shè)計(jì)。當(dāng)上游和下游引物在同一外顯子內(nèi)發(fā)生退火時(shí),其可擴(kuò)增DNA和RNA上對應(yīng)的序列。當(dāng)引物在相鄰?fù)怙@子中退火時(shí),只有cDNA會(huì)被擴(kuò)增,因?yàn)榇藭r(shí)源自gDNA的擴(kuò)增片段會(huì)包括內(nèi)含子序列,導(dǎo)致擴(kuò)增子太長,無法在熒光定量PCR的反應(yīng)條件下有效擴(kuò)增。

 

以人基因組來說,平均每個(gè)基因有8.8個(gè)外顯子和7.8個(gè)內(nèi)含子,80%的外顯子長度小于200bp,少于10%的內(nèi)含子長度在1100bp以上,不到0.01%的內(nèi)含子長度小于20bp。例如外顯子長度200bp,為了兼顧擴(kuò)增子長度,我們可以把上游引物設(shè)置在外顯子1和外顯子2的中間,下游引物設(shè)置在外顯子2的位置。

 

以上是引物設(shè)計(jì)需要注意的問題,在初步設(shè)計(jì)好引物之后,我們需要在NCBI上進(jìn)行BLAST檢驗(yàn),來確保產(chǎn)物的特異性。

 
理論知識(shí)很豐富了,現(xiàn)在讓我們實(shí)戰(zhàn)一下吧!

 

第一步
選擇靶基因

 

打開NCBI,選擇“Gene",輸入想要檢測的基因名稱,我們以人基因“ALAD"為例。

 


 

會(huì)出現(xiàn)很多搜索結(jié)果,我們選擇需要的種屬來源,即“human",如果你知道Gene ID(每個(gè)基因有且只有一個(gè)特定的ID,類似于人的),也可以根據(jù)Gene ID來選擇。這里我們選擇搜索結(jié)果中的第一個(gè)。

 


 

點(diǎn)開之后,會(huì)出現(xiàn)很長的頁面,耐心往下拉,找到“mRNA and Protein(s)"欄下的NM編號,不同的NM編號,代表不同的isoform。選擇想要檢測的那一個(gè)。

 


 

確定NM號點(diǎn)擊后,可以看到這個(gè)isoform的一些基本信息。

 


 

例如:gene代表基因長度3129bp,CDS代表編碼蛋白區(qū)域149-1141bp

以及此基因的序列,如下圖所示。此序列就是設(shè)計(jì)引物時(shí)對應(yīng)的模板。

 


 

 

第二步
用軟件設(shè)計(jì)引物

 

引物設(shè)計(jì)軟件有很多,例如oligo7、Primer5、Clone Manager等,以及很多在線網(wǎng)站,例如Primerbank ()、Primer3plus 、NCBI 的Primer BLAST等。在手頭沒有安裝合適的軟件的時(shí)候,我們可以選擇在線網(wǎng)站設(shè)計(jì)引物。

 

這里以延續(xù)第一步使用NCBI確定靶基因的步驟為例。了解完我們所需的isoform后,我們可以點(diǎn)擊右側(cè)的“Pick Primers",就能直接進(jìn)入Primer-BLAST的頁面進(jìn)行引物設(shè)計(jì)了。

 


 

在彈出來的界面里粘貼模板序列或者輸入基因序列號。另外需要設(shè)置“上下游引物位置"和“擴(kuò)增子長度"。最主要的設(shè)置就是這兩點(diǎn)了,另外還有“物種名稱"、“數(shù)據(jù)庫"等其他選項(xiàng)可以設(shè)置。

 


 

設(shè)置好之后,點(diǎn)擊頁面左下角的“Get Primers"。


 

彈出如下界面,點(diǎn)擊“Check"


 

多對引物,選擇合適的引物即可。


 

 

第三步
引物特異性驗(yàn)證與確認(rèn)

 

以第二步中使用的Primer-BLAST為例,輸入設(shè)計(jì)好的上下游引物,其他參數(shù)不做調(diào)整改動(dòng),提交后即可看到輸入的引物是否在其他基因上也存在,若全部顯示在目標(biāo)擴(kuò)增的基因中,說明引物的特異性達(dá)標(biāo)。


 

以上是對qPCR擴(kuò)增片段和引物設(shè)計(jì)的介紹,相信小伙伴們通過小翌的介紹,對如何設(shè)計(jì)擴(kuò)增片段和引物已經(jīng)有一定的了解啦。關(guān)于如何做好qPCR實(shí)驗(yàn),小翌會(huì)陸續(xù)在公眾號里傳授秘籍噠,敬請期待哦。

 

 

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