PCR เชิงปริมาณและวิธีการตรวจจับ PCR แบบดิจิตอล
A Technical Guide to PCR Technologies
บทนำ
สีย้อมหรือโพรบเรืองแสงจะรวมอยู่ในส่วนผสม PCR เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของแอมพลิฟายเออร์ DNA ในขณะที่ปฏิกิริยาดำเนินต่อไป มีการกล่าวถึงวิธีการตรวจจับที่ได้รับความนิยมหลายวิธีซึ่งได้รับการยอมรับเป็นอย่างดีในการวัดแม่แบบโดยอ้อมใน qPCR ในบทนี้ นอกจากนี้ยังมีการแสดงให้เห็นว่าโพรบแบบติดฉลากคู่และสีย้อมติดดีเอ็นเอบางชนิดทำงานได้ดีใน PCR แบบดิจิตอล (DPCR)
Section Overview
ใช้สารบัญทางด้านขวาเพื่อไปยังส่วนอื่นๆของ คู่มือทางเทคนิคในเทคโนโลยี PCR
สีย้อมที่มีผลผูกพันกับ dsDNA
ดีเอ็นเอดับเบิลควั่น (DDNA) ผูกพันสีทำหน้าที่เป็น intercalating และ/หรือร่องย่อยผูกตัวแทนและปล่อยเรืองแสงตรวจจับเมื่อผูกกับ dsDNA แต่มีพื้นหลังต่ำมากเมื่อฟรีในการแก้ปัญหา ดังนั้นความเข้มของสัญญาณฟลูออเรสเซนต์จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของปริมาณแอมพลิฟายเออร์ที่มีอยู่ สีย้อมติดดีเอ็นเอสองเส้นเป็นที่นิยมเนื่องจากเป็นตัวเลือกการตรวจจับต้นทุนต่ำและไม่จำเป็นต้องพิจารณาการออกแบบเพิ่มเติม
SYBR® Green I Dye
สีย้อมนี้เป็นสีย้อมที่มีผลผูกพัน dsDNA ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดและมีประวัติอันยาวนานในการใช้ชีววิทยาโมเลกุล เมื่อฟรีในการแก้ปัญหาที่มีเพียงดีเอ็นเอเดียวที่ควั่น (ssDNA) อยู่ SYBR สีเขียวฉันย้อมจะส่งสัญญาณของความเข้มต่ำ (รูปที่ 5.1 ตารางที่ 5.1) เมื่อ PCR ดำเนินไปและปริมาณของ dsDNA เพิ่มขึ้นสีย้อมจะเชื่อมโยงกับแอมพลิฟายเออร์มากขึ้นและด้วยเหตุนี้ความเข้มของสัญญาณจึงเพิ่มขึ้น (ดูภาพเคลื่อนไหวบน Web Pag esigma.com/sybr-animation ต่อไปนี้) อย่างไรก็ตามเนื่องจากสีย้อมยึดติดกับผลิตภัณฑ์ที่ขยายทั้งหมดโดยไม่มีการแบ่งแยกสิ่งประดิษฐ์เช่นที่เป็นผลมาจากไพรเมอร์ไดเมอร์หรือการผูกมัดที่ไม่เฉพาะเจาะจงของไพรเมอร์ยังมีส่วนช่วยในการเรืองแสงโดยรวม ซึ่งอาจทำให้ยากต่อการหาปริมาณที่แม่นยำโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความเข้มข้นของแม่แบบต่ำ อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์เส้นโค้งละลายหลัง PCR สามารถช่วยระบุความจำเพาะของปฏิกิริยา 1 (รูปที่ 5.2)

รูปที่ 5.1SYBR สีเขียว I รอบสีย้อมระหว่างสถานะที่ไม่ถูกผูกไว้ (ถูกตัด) และสถานะที่ถูกผูกไว้ (การหลอมผ่านส่วนขยาย) เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปและความเข้มของสัญญาณเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณของแอมพลิฟายเออร์เพิ่มขึ้น
เมื่อซับซ้อนกับ dsDNA

รูปที่ 5.2ตัวอย่างการวิเคราะห์เส้นโค้งละลาย สีย้อมที่มีผลผูกพันกับ dsDNA จะมีผลสะท้อนกลับดังนั้นความเข้มของการเรืองแสงจะลดลงเมื่ออุณหภูมิปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นสูงกว่าอุณหภูมิหลอม (TM) การวิเคราะห์ประเภทนี้ช่วยให้สามารถตรวจจับผลิตภัณฑ์ที่ไม่เฉพาะเจาะจงซึ่งละลายในอุณหภูมิที่แตกต่างจากผลิตภัณฑ์เฉพาะได้
โพรบ
ในการใช้งานทั้งหมดของ qPCR ปฏิกิริยาการขยายจะถูกขับเคลื่อนโดยไพรเมอร์ไปข้างหน้าและย้อนกลับ อย่างไรก็ตามระบบตรวจจับโพรบไม่ได้รวมสีย้อมฟรีแต่เป็นสี oligonucleotide ที่สาม (และบางครั้งที่สี่) ที่เชื่อมกับสีย้อมของผู้รายงานและ/หรือความละเอียดอ่อนของดับเพลิง
โพรบที่มีการติดฉลากคู่
Probes ที่ติดฉลากแบบคู่ (หรือที่เรียกว่า Hydrolysis หรือ TaqMan® probes) ถูกนำมาใช้ในการทดสอบ nuclease 52,3ซึ่งเป็นเคมีตรวจจับโพรบที่ได้รับความนิยมมากที่สุด (รูปที่ 5.3และดูภาพเคลื่อนไหวของหน้าเว็บต่อไปนี้: sigma.com/probe-animation โพรบที่มีฉลากคู่เป็นโอลิโกโน ucleotide เดี่ยวที่ติดฉลากด้วยสีย้อมของผู้รายงานและความนุ่มนวลของดับเพลิง นักข่าวตั้งอยู่ที่ปลาย 5 และดับที่ปลาย 3 '.. ดับดูดซับการเรืองแสงธรรมชาติของผู้รายงานมักจะโดยการถ่ายโอนพลังงานชนิด Forster เรียกว่าการถ่ายโอนพลังงานสะท้อนแสง (FRET) หลังจากการขยายจากไพรเมอร์ไปข้างหน้าพอลิเมอเรสดีเอ็นเอของ Taq พบกับโพรบ กิจกรรม exonuclease 5 ' ที่มีอยู่ในพอลิเมอเรสดีเอ็นเอ Taq จากนั้นแยกนักข่าว 5 ' ออกจากดับ 3 ' (ตารางที่ 5.2 รูปที่ 5.3) ซึ่งให้สัญญาณเรืองแสงที่เป็นสัดส่วนกับผลตอบแทนของแอมพลิจูด
การทดสอบการตรวจสอบด้วยไฮโดรไลซิสนั้นมีความเฉพาะเจาะจงและแม่นยำสำหรับการวัดปริมาณของเป้าหมายจำนวนสำเนาต่ำ ความจำเพาะสามารถปรับปรุงได้มากยิ่งขึ้นโดยการรวมนิวคลีโอไทด์ที่ดัดแปลงเช่น กรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคไว้ในโพรบ (ตามที่อธิบายไว้ด้านล่าง) โพรบดัดแปลงกรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคจะมีประโยชน์อย่างยิ่งในการแยกแยะระหว่างโพลิเมอร์นิวคลีโอไทด์เดี่ยว (SNPs) หรือลำดับที่คล้ายกันอื่นๆ Probes ที่มีป้ายกำกับคู่ต้องได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวัง (การออกแบบการวิเคราะห์ PCR/qPCR/dPCR)และโดยทั่วไปแล้วจะมีราคาแพงกว่าสีย้อมที่มีผลผูกพันกับ dsDNA นอกจากนี้ในขณะที่การขยายตัวของผลิตภัณฑ์ที่ไม่เฉพาะเจาะจงอาจยังคงไม่ถูกตรวจพบปฏิกิริยาด้านข้างอาจทำให้ปฏิกิริยาโดยรวมมีประสิทธิภาพน้อยลงดังนั้นการวิเคราะห์ที่มีโพรบอาจยังได้รับประโยชน์จากการเพิ่มประสิทธิภาพ (การทำให้บริสุทธิ์ตัวอย่างและการประเมินคุณภาพ)

รูปที่ 5.3Mechanism of Dual-Labeled Probes. โพลิเมอร์ดีเอ็นเอของ Taq ขยายไพรเมอร์ที่อยู่บนเกลียวเดียวกับโพรบจนกว่าจะถึงตำแหน่งโพรบ กิจกรรม exonuclease โดยธรรมชาติไฮโดรไลซ์โพรบจาก 5 ' ถึง 3 ' ซึ่งปล่อยสีย้อมของผู้รายงานออกมาเป็นสารละลายและทำให้เกิดการเรืองแสงเพิ่มขึ้น สัญญาณฟลูออเรสเซนต์ที่วัดได้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณ DNA ของเป้าหมาย
วงจรความร้อน PCR แบบเรียลไทม์ส่วนใหญ่จะมีช่องการตรวจจับหลายช่องซึ่งช่วยให้สามารถเลือกฉลากโพรบได้อย่างยืดหยุ่น การเลือกสีย้อมของผู้รายงานที่เข้ากันได้กับช่องการตรวจจับของอุปกรณ์เป็นสิ่งสำคัญและตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีตัวกรองและการปรับเทียบที่ถูกต้อง เมื่อทำการมัลติเพล็กซิ่งจะต้องมีการรวมตัวของผู้รายงานที่แตกต่างกันมากที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อลดการพูดไขว้แบบออปติคัล ผู้สื่อข่าวทั่วไปได้แก่: Fam, hex, TxRd (Sulforhodamine 101 X) และ Cyanine 5 ภายใต้สภาวะที่เหมือนกันเป็นเรื่องปกติที่จะสังเกตความแตกต่างของความเข้มของการปล่อยไอเสียจากผู้สื่อข่าวที่แตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้จึงขอแนะนำให้วิเคราะห์ข้อมูลจากการรวมตัวของผู้รายงานแต่ละรายอย่างอิสระ (โดยใช้การตั้งค่าเกณฑ์ที่แตกต่างกันตามความเหมาะสมสำหรับการปล่อยโพรบ)
โมเลกุลบีคอน (Molecular Beacons)
Beacons โมเลกุล (หรือที่เรียกว่าโพรบ hybridization) เป็นโพรบเดี่ยวที่ยึดอยู่ในการก่อตัวของวงแบบกิ๊บ (นิวคลีโอไทด์ 20 –ตัว) โดยลำดับลำต้นเสริม (นิวคลีโอไทด์ 4 – 6ตัว) ที่ปลายแต่ละด้าน 25 (รูปที่ 5.4) ห่วงกิ๊บติดผมเป็นส่วนเสริมของแม่แบบและลำดับก้านไฮโดรเจนผูกมัดช่วยให้ดับ 3 ' เพื่อระงับการเรืองแสงของนักข่าว 5 ' (ตารางที่ 5.3) เมื่อโพรบมีอิสระในการแก้ปัญหา
รูปที่ 5.4Mechanism of Molecular Beacons. โมเลกุลบีคอนผสมพันธุ์กับลำดับเป้าหมายเฉพาะของพวกเขาทำให้โครงสร้างกิ๊บห่วงเปิดแยกนักข่าว 5 จากดับ 3 ' เนื่องจากตัวดับไม่อยู่ใกล้กับผู้รายงานอีกต่อไปการปล่อยฟลูออเรสเซนต์จึงเกิดขึ้น กลไกการตรวจจับของ Molecular Beacons ไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเสื่อมสภาพในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาซึ่งแตกต่างจากโพรบที่ติดฉลากแบบคู่ สัญญาณฟลูออเรสเซนต์ที่วัดได้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณ DNA ของเป้าหมาย
LightCycler Probe หรือระบบ FRET (หรือที่เรียกว่าโพรบ dualhybridization) ประกอบด้วยโพรบ oligonucleotides ที่ติดฉลากด้วยฟลูออเรสเซนต์เดี่ยว5,6 คู่ (รูปที่ 5.5) โพรบ Oligo Probe 1 มีป้ายกำกับที่ปลาย 3 ' ด้วยสีย้อมฟลูออโรโพรบของผู้บริจาคและ Oligo Probe 2 มีป้ายกำกับที่ปลาย 5 ' ด้วยสีย้อมฟลูออโรโพรบที่มีอยู่ไม่กี่ตัว (ตารางที่ 5.4) กลุ่มไฮดรอกซิลฟรี 3’ของ Oligo Probe 2 จะต้องถูกบล็อกด้วยกลุ่มฟอสเฟตเพื่อป้องกันการขยายตัวของ DNA polymerase

รูปที่ 5.5กลไกของโพรบ LightCycler FRET ในระหว่างขั้นตอนการอบอ่อนไพรเมอร์และโพรบทั้งสองจะผสมเข้ากับพื้นที่เป้าหมายเฉพาะของพวกเขาทำให้สีย้อมผู้บริจาคอยู่ใกล้กับสีย้อมตัวรับ (โพรบมักจะเว้นระยะห่าง 1 ถึง 5 นิวคลีโอไทด์) เมื่อผู้บริจาคตื่นเต้นกับแสงจากเครื่องมือ PCR แบบเรียลไทม์พลังงานจะถูกถ่ายโอนโดย FRET จากผู้บริจาคไปยังผู้ยอมรับ ตรวจพบความยาวคลื่นการปล่อยสีย้อมบนโพรบตัวรับ การเพิ่มขึ้นของสัญญาณฟลูออเรสเซนต์จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณ DNA เป้าหมาย
Scorpions® Probes
โพรบ Scorpions ® มีให้เลือกสองรูปแบบคือโพรบแบบชิ้นเดียวและโพรบแบบสองชิ้น Uni-probe ประกอบด้วยโครงสร้างแบบ stem-loop คล้ายกับ Molecular Beacon แต่สิ่งนี้แนบมากับไพรเมอร์ไปข้างหน้าด้วยตัวป้องกัน PCR ที่อยู่ระหว่างสองส่วน oligo7 (ตัวป้องกันป้องกันป้องกันไม่ให้ Taq DNA Polymerase ขยายไพรเมอร์ (รูปที่ 5.6A, ตารางที่ 5.5)
โครงสร้างสองหัวเป็นแบบดูเพล็กซ์กับนักข่าว 5 ' ลำดับการสอบสวนตัวบล็อก PCR และไพรเมอร์ไปข้างหน้าบนเส้นหนึ่งและตัวดับ 3 ' บนเส้นอื่นๆช่อดับเป็นสองเท่ากับสาระนักข่าว (รูปที่ 5.6B)

รูปที่ 5.6กลไกของ Scorpions ® Probes โพรบแบบตัวเดียว A) จะมีส่วนประกอบโพรบทั้งหมดอยู่บนเกลียวเส้นเดียวในขณะที่โพรบแบบสองตัว B) จะมีองค์ประกอบโพรบอยู่บนเกลียวสองเส้น Scorpions ® Probes ทั้งสองรูปแบบประกอบด้วยไพรเมอร์ PCR ไปข้างหน้า สีรองพื้นแบบไปข้างหน้านี้จะถูกขยายให้กลายเป็นส่วนหนึ่งของแอมพลิฟายเออร์ที่เพิ่งสร้างขึ้นใหม่ ในระหว่างการหลอม/การขยายตัวลำดับการสอบสวนใน Scorpions ® จะผสมกับแม่แบบซึ่งจะแยกผู้รายงานออกจากตัวดับและส่งผลให้เกิดสัญญาณเรืองแสง เนื่องจากหางของ Scorpions ® และแอมพลิฟายเออร์เป็นส่วนหนึ่งของเกลียวเดียวกันการโต้ตอบการตรวจจับจึงเป็นภายในโมเลกุลและรวดเร็วกว่าระบบตรวจจับโพรบอื่นๆ โดยทั่วไปแล้วเทมเพลตจะได้รับเลือกให้อยู่ระหว่าง 5 และ 50 ฐานจากตอนท้ายของไพรเมอร์ Scorpions ® 3 ทั้ง Scorpions ® แบบที่วัดอุณหภูมิแบบ Uni-probe และแบบ Bi-probe จำเป็นต้องใช้ไพรเมอร์แบบย้อนกลับแยกต่างหาก
เครื่องดับเพลิง
ระบบตรวจจับโพรบส่วนใหญ่ต้องการความนุ่มนวลของตัวดับ บางส่วนของผู้ที่ใช้ในโครงสร้างโพรบเดิมเป็นตัวรับสีย้อมเรืองแสงเช่น TAMRA ซึ่งทำงานได้ดีกับ FAM แต่ไม่เหมาะสำหรับสีย้อมอื่นๆ ในฐานะที่เป็นสีย้อมของนักข่าว TAMRA ผลิตฟลูออเรสเซนซ์ดังนั้นจึงอาจส่งผลให้อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนไม่ดี ด้วยเหตุนี้จึง มีการพัฒนาอุปกรณ์ดับเพลิงที่ปล่อยความร้อนแทนแสงเช่น Black Hole Quencher ® (BHQ ®) โดย Biosearch Technologies ทางเลือกของดับเข้มเป็นทางเลือกที่นิยมในการย้อมโมเลกุลให้ดับกว่าช่วงกว้างของความยาวคลื่นและเปิดความเป็นไปได้ของปฏิกิริยา multiplex ที่มีจำนวนมากของการรวมเป้าหมาย/สอบสวน
Onyx Quencher ™ (OQ ™) เป็นดับเพลิงที่เป็นกรรมสิทธิ์จาก Sigma-Aldrich มีเวอร์ชันแก้ไขดัดแปลงสี่เวอร์ชัน (OQA, OQB, OQC และ OQD) ตามที่แสดงใน ตารางที่ 5.6Onyx Quenchers ทั้งสี่เข้ากันได้กับสีย้อมนักข่าวยอดนิยมที่หลากหลาย
ข้อมูลที่แสดงใน รูปที่ 5 7 แสดงการขยายของแม่แบบเทียมที่ได้มาจาก oligo สังเคราะห์สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของการทดสอบเป้าหมาย Schistosoma mansoni8 การตรวจจับใช้โพรบที่ติดฉลาก FAM ที่มีตัวดับแบบมืดที่เทียบเท่ากัน, CDQ (A) หรือ OQA (B) จากข้อมูลเหล่านี้จะเห็นได้ชัดว่าทั้ง CDQ และ OQA มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับเรืองแสงพื้นหลังที่คล้ายกันและ ค่า Cq ที่คล้ายกันสำหรับข้อมูลที่วิเคราะห์จากเทมเพลตที่มีความเข้มข้นเท่ากัน
โดยสรุป OQ เทียบเท่ากับประสิทธิภาพของ CDQ และที่สำคัญคือมีใบอนุญาตข้อจำกัดและค่าลิขสิทธิ์ฟรีสำหรับแอปพลิเคชันใดๆ ซึ่งทำให้ Onyx Quencher เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมและคุ้มค่าสำหรับการพัฒนาชุดอุปกรณ์เชิงพาณิชย์และน้ำยาสำหรับการวินิจฉัยระดับโมเลกุลที่มีโพรบ qPCR

รูปที่ 5.7การเจือจางของ oligo เทียมถูกขยายโดยใช้ไพรเมอร์ 250 นิวตันเมตรและแอมพลิฟายเออร์ที่ตรวจพบด้วยโพรบแบบสองฉลากที่ 200 นิวตันเมตร a) โพรบมีป้ายกำกับ FAM และดับด้วย CDQ หรือ OQA (ตามที่ระบุ) และแสดงข้อมูลการเรืองแสงดิบ b) โพรบถูกติดฉลากด้วย FAM และดับด้วย CDQ หรือ OQA และข้อมูลที่ได้รับการแก้ไขพื้นฐานจะปรากฏขึ้น ไม่มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างประสิทธิภาพของโพรบทั้งสอง
Nucleic Acid Analogs
สามารถใช้การดัดแปลงจำนวนมากเพื่อผลิต oligonucleotides ที่มีคุณสมบัติทางชีวเคมีที่เปลี่ยนแปลง การปรับเปลี่ยนเหล่านี้มักสอดคล้องกับ TM ที่สูงกว่าซึ่งสามารถจัดการได้เพื่อให้มีความจำเพาะที่ดีขึ้น ซึ่งจะช่วยในการออกแบบการวิเคราะห์ในภูมิภาคที่มีลำดับความท้าทายหรือเมื่อจำเป็นต้องใช้ oligonucleotide เพียงครั้งเดียวในการตรวจหาหลายลำดับเช่นเซโรไทป์ทั้งหมดของไวรัส
Locked Nucleic Acid
กรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคเป็นฐานอะนาล็อก RNA (รูปที่ 5.8) ที่ให้ความไวและความจำเพาะที่เพิ่มขึ้นเมื่อรวมเข้ากับโพรบ9 โพรบที่มีฐานกรดนิวคลีอิกที่ล็อคไว้จะมีเสถียรภาพทางความร้อนมากขึ้นดังนั้นจึงสามารถเชื่อมต่อกับเทมเพลตได้มากขึ้น ฐานกรดนิวคลีอิกที่ล็อคแต่ละตัวอาจเพิ่ม TM ของโพรบได้ถึง 8°C10ซึ่งทำให้กรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการวิเคราะห์การเลือกปฏิบัติ SNP11 (การไม่ตรงกันของฐานเดียวมีผลต่อการทำให้เสถียรมากขึ้นในการก่อตัวแบบดูเพล็กซ์มากกว่าโดยไม่ต้องล็อค กรดนิวคลีอิก), มัลติเพล็กซ์ (ช่วยให้การเพิ่มประสิทธิภาพ TM ง่ายขึ้น) และลำดับเป้าหมายที่มีปัญหา (โพรบกรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคอาจสั้นลง ซึ่งจะช่วยให้พวกเขาได้รับการออกแบบเกี่ยวกับปัญหาเช่นภูมิภาคที่อุดมไปด้วย AT- หรือ GC ลำดับซ้ำหรือลำดับที่มีโครงสร้างรองที่สำคัญ) ไพรเมอร์ PCR ที่มีกรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคยังพบว่ามีประโยชน์ในการใช้งานเช่น SNP genotyping12
กรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคยังให้การป้องกันการย่อยอาหารนิวไคลด์ทำให้เหมาะสำหรับการใช้ในร่างกาย13

รูปที่ 5.8การเปรียบเทียบโครงสร้างนิวคลีอิกแอซิดและดีเอ็นเอนิวคลีโอไทด์ที่ถูกล็อค กรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคแตกต่างจากดีเอ็นเอในกรดนิวคลีอิกที่ถูกล็อคมี ribose กับสะพานเมทิลีนระหว่างออกซิเจน 2 และคาร์บอน 4 ซึ่ง ' ล็อค ' ไรโบเซสในการก่อตัวของเอ็นโด 3 ' ในขณะที่ดีเอ็นเอมี 2 '-deoxyribose ที่ไม่มีสะพานเมทิลีน
ช่องว่างระบุว่าไม่แนะนำให้ใช้วิธีการตรวจจับ X = ประสิทธิภาพที่ดีและ XX = ประสิทธิภาพที่ดีกว่า
ข้อมูลอ้างอิง
เพื่ออ่านต่อ โปรดเข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชีใหม่
ยังไม่มีบัญชีใช่หรือไม่?