Realtidspolymeraskedjereaktion (eller kvantitativ PCR, qPCR, PCR-RT, eng. Realtids-PCR, qPCR ) är en laboratoriemetod baserad på polymeraskedjereaktionsmetoden som låter dig bestämma inte bara närvaron av målnukleotiden sekvens i provet, men även mäta antalet kopior. Mängden amplifierat DNA mäts efter varje amplifieringscykel med användning av fluorescerande märkningar: prober eller interkalatorer . Bedömningen kan vara kvantitativ (mätning av antalet kopior av mallen) och relativ (mått i förhållande till infört DNA eller ytterligare kalibreringsgener ) [ 1] .
En modifierad kvantitativ PCR-metod kallas semikvantitativ PCR (semi-kvantitativ PCR). Det används ofta för att jämföra uttrycket av flera gener. I detta fall mäts mängden ackumulerad produkt endast vid en punkt - efter att reaktionen har stoppats. [2]
Realtids-PCR kombineras ofta med andra metoder: RT-PCR ( RT-qPCR ) , ChIP - qPCR, etc. [3]
qPCR-proceduren liknar den klassiska PCR -proceduren , det vill säga att alla steg i reaktionen är närvarande - smältning av dubbelsträngat DNA vid en temperatur på 95˚C, hybridisering av primrar (annealingstemperatur beror på vilka primrar som används) och förlängning vid en temperatur på 72˚C om Taq-polymeras används . Mängden PCR-produkt mäts i varje PCR-cykel med användning av fluorescerande märkningar. Således indikerar styrkan på signalen den initiala mängden av molekylen av intresse [4] .
Den nomenklatur som vanligtvis används för qPCR är:
Grafen består av en baslinje, en exponentiell fas och en platå [5] .
I de inledande stadierna är fluorescensen svag, eftersom det finns lite produkt, så det är svårt att skilja den från bakgrunden. När produkten ackumuleras växer signalen exponentiellt först och når sedan en platå. Platån beror på bristen på en eller annan komponent i reaktionen - primers , nukleotidtrifosfater , en fluorescerande märkning kan ta slut. Om för mycket reaktionsprodukt har ackumulerats kan polymeras bli en begränsande faktor , och då blir beroendet av mängden produkt på cykeln linjärt . Det är värt att notera att i en vanlig realtids-PCR-reaktion kommer alla prover att platå och nå ungefär samma signalnivå. Slutpunkten kommer således inte att säga något om den initiala mängden av testprovet. Å andra sidan kan man i den exponentiella fasen spåra skillnader i tillväxthastigheten för mängden produkt. Skillnader i det initiala antalet molekyler påverkar antalet cykler som krävs för att höja fluorescensnivån över brusnivån [5] .
Ct är ett tal som kan användas för att bedöma mängden mål-DNA i lösning, men Ct-värdet kan bero på många slumpmässiga faktorer, såsom detektorkänslighet , filterkvalitet etc. Därför är den exakta initiala mängden av produkten av intresse går inte att mäta. Det finns normaliseringsmetoder för att lösa detta problem . Mät förhållandet mellan mängderna av två molekyler i provet. De normaliseras vanligtvis till produkterna från hushållsgener - gener, vars antal i en cell alltid är ungefär detsamma (ett exempel är infA-genen, som kodar för translationsinitieringsfaktorn i bakterier ) . Förhållandet bestäms av följande formel:
där och är de initiala kvantiteterna för de två proverna, Ct B och Ct A är motsvarande Ct-värden, och är PCR-effektiviteten, som ofta likställs med eller [5] .
Realtids-PCR möjliggör identifiering av specifika amplifierade DNA-fragment med hjälp av en analys av deras smält- (denaturerings-) temperatur, även kallat Tm-värdet. Metoden använder interkalerande färgämnen, vanligtvis SYBR Green . Smältpunkten för DNA:t är specifik för det amplifierade fragmentet. Resultaten av denna metod erhölls genom att jämföra dissociationskurvorna för de analyserade DNA-proverna. Två smältkurvor plottas för analys. Den första är beroendet av fluorescens i tid, den andra är hastigheten för fluorescens fall i tid. Toppen speglar ett specifikt DNA-mönster [5] .
I det här fallet är märkningen en kemisk förening som kan inkorporeras i DNA -dubbelhelixen . En sådan sond ändrar sin konformation vid interaktion med PCR-produkter och blir en fluorofor . Produktbestämning kan utföras i slutet av varje cykel, före denatureringssteget . Ett exempel på en sådan färg är den mycket använda SYBR Green. Dubbelsträngat DNA (dsDNA) färgämnen kommer dock att binda till allt dsDNA, inklusive icke-specifika PCR-produkter (såsom primerdimeren ) . Detta kan potentiellt störa noggrannheten av målsekvensövervakning [6] .
Fluorescerande prober detekterar endast den DNA-innehållande sekvens som är komplementär till sonden; därför ökar användningen av en reporterprob avsevärt specificiteten och tillåter mer exakt mätning i närvaro av annat dsDNA . Fluorescerande reporterprober förhindrar dock inte den hämmande effekten av primerdimerer, som kan undertrycka ackumuleringen av målreaktionsprodukter [7] .
Det är också möjligt att använda flera sonder vars fluoroforer har olika emissionsspektra . I det här fallet blir det möjligt att registrera en signal från olika DNA-molekyler i ett rör. Metoden kallas multipel PCR (eng. multiplex PCR ) [8] .
Metoden är baserad på införandet av en DNA-sond som är komplementär till amplifieringsprodukten med en fluorescerande reporter i ena änden av sonden och en fluorescenssläckare i den motsatta änden. När quenchern är i närheten av reportern absorberar den signalen och reportern fluorescerar inte . Under amplifiering bryts sondens integritet och reportern kan detekteras genom fluorescens efter laserexcitation. En ökning av mängden produkt som reportersonden binder till i varje PCR-cykel orsakar därför en proportionell ökning av fluorescensen . Etiketter kan fluorescera i förlängningsfasen eller i PCR-annealingsfasen [4] .
En fluorofor och dess släckare sys på sonden från 5'- och 3' -ändarna . Om sondsekvensen inte är särskilt lång, kommer de även i det DNA-bundna tillståndet att interagera med varandra och ingen fluorescens kommer att emitteras. Under förlängning dissocierar DNA-polymeras , som har 5'-3'-exonukleasaktivitet (används ofta Taq-polymeras ), sonden från mål-DNA en nukleotid i taget. Som ett resultat av denna process kommer både fluoroforen och dess släckare in i lösningen, där sannolikheten för att hitta dessa ämnen i närheten är liten och fluorescensen kommer att återställas [4] .
Realtids-PCR används i stor utsträckning för många forskningsapplikationer i laboratorier. Dessutom har denna metod funnit tillämpning inom medicin (för att diagnostisera sjukdomar) och inom bioteknikområdet (för att bestämma innehållet av mikroorganismer i livsmedel och växtmaterial; för att upptäcka GMO ). qPCR används också för genotypning och kvantifiering av virus och andra mänskliga patogener .
qPCR används som en av metoderna för kvantitativa mätningar av gentranskription . Denna metod används i stor utsträckning för att bedöma förändringar i uttrycket av en viss gen över tid , till exempel som svar på administrering av ett läkemedel eller förändringar i miljöförhållanden. Kvantifiering av genuttryck med traditionella DNA-detektionsmetoder är opålitlig. Detektion av mRNA med Northern blöt , gel-PCR-produkter eller Southern blöt tillåter inte exakt kvantifiering. Till exempel, inom 20-40 cykler av en typisk PCR, når mängden DNA-produkt en platå som inte är direkt relaterad till mängden mål- DNA i den initiala PCR [9] .
Realtids-PCR kan användas för att kvantifiera nukleinsyror med två vanliga metoder: relativ kvantifiering och absolut kvantifiering [10] . Absolut kvantifiering ger det exakta antalet mål-DNA-molekyler med hjälp av en standardkurva . Därför är det viktigt att PCR för provet och standarden har samma amplifieringseffektivitet . Relativ poängsättning baseras på interna referensgener ( hushållningsgener ) för att bestämma veckolikheter i målgenexpression. Kvantifieringen uttrycks som en förändring i uttrycksnivåer av mRNA tolkat som komplementärt DNA ( cDNA , genererat av mRNA omvänd transkription ). Relativ kvantifiering är lättare att utföra eftersom den inte kräver en kalibreringskurva eftersom mängden av genen som studeras jämförs med mängden kontrollgen [11] .
qPCR för att bestämma mängden litet nukleärt RNA (snRNA)Små kärn-RNA (snRNA) skiljer sig i egenskaper från mRNA med en mycket kort längd (cirka 22 nukleotider ), har inte en konservativ sekvens i ändarna, medan snRNA från en population kan skilja sig åt med en eller flera nukleotider . För att lösa dessa problem används tillvägagångssätt baserade på tillägg av en liten bit DNA (linker) till cDNA i en omvänd transkriptionsreaktion . Därefter utförs realtids-PCR med standardmetoder med användning av primers, (biologi)|komplementära till linkern [12] .
Genomiska studier med ChIP-qPCRChromatin immunoprecipitation (ChIP) i kombination med RT-qPCR anses vara den grundläggande metoden inom genomforskning , dess kommersiella tillgänglighet och höga noggrannhet möjliggör snabb och enkel analys av protein-DNA-interaktioner. ChIP-qPCR används för att undersöka specifika gener och potentiella regulatoriska regioner såsom promotorer . Denna metod används för närvarande i olika studier, inklusive celldifferentiering , suppressorgentystnad och effekten av histonmodifieringar på genuttryck [ 13 ] .
ChIP-analys fångar bara en bråkdel av de möjliga målen som finns i genomet på grund av variation i tvärbindningseffektivitet och sterisk begränsning av antikroppstillgänglighet [13] .
För att utföra ChIP-qPCR är det nödvändigt att lägga till mastermixen (en blandning av enzymer och nukleotider ), primrar och mall-DNA. I detta fall är det nödvändigt att noggrant välja koncentrationen av primrar för effektiv amplifiering av mål-DNA. Antingen fungerar ChIP-DNA som en mall eller, i fallet med en negativ kontroll, tomma pärlor utan DNA. Sedan är det nödvändigt att välja tid och temperatur för glödgningscyklerna och starta PCR. Resultaten analyseras på samma sätt som qPCR-resultaten, och jämför tröskelvärdet för antal cykler (Ct) för inmatningsmallen och ChIP DNA-mallen [3] .
Kvantitativ PCR används för att snabbt identifiera gener eller DNA-fragment som är markörer för infektionssjukdomar , genetiska abnormiteter etc. Införandet av denna metod i kliniska laboratorier har avsevärt förbättrat kvaliteten på diagnostisering av infektionssjukdomar [14] . Dessutom används qPCR som ett verktyg för att upptäcka nya sjukdomar. Till exempel nya stammar av influensa [15] .
Användningen av qPCR tillåter också kvantitativa mätningar och genotypning (karakterisering av stammar) av virus , såsom hepatit B-virus [16] . Graden av infektion , som mäts som antalet kopior av virusgenomet per vävnadsenhet hos patienten, är av stor betydelse. Till exempel beror sannolikheten för reaktivering av herpes simplex-virus typ 1 på antalet infekterade ganglier [17] .
Hos patienter med misstänkt coronavirusinfektion tas en svalgpinne, RNA extraheras och analyseras med RT-qPCR . Målgenerna är den öppna läsramen 1ab (ORF1ab) och nukleokapsidproteinet (N). En cykeltröskel (Ct-värde) på mindre än 37 definieras som ett positivt testresultat och ett Ct-värde på 40 eller mer definieras som ett negativt testresultat. Dessa diagnostiska kriterier är baserade på rekommendationer från National Institute for Control and Prevention of Viral Diseases [18] .
Känsligheten för RT-qPCR- testet är 83,3 %, detta test är benäget att få falskt negativa resultat . Datortomografi används också för att diagnostisera coronavirus , vars känslighet är mycket högre och uppgår till 97,2 % [19] .
Kvantitativ PCR används också i stor utsträckning för att upptäcka tumörceller i solida tumörer [20] [21] och även i vissa former av leukemi [22] [23] .
qPCR hjälper till att upptäcka cirkulerande tumörceller . Till exempel är bröstcancer fortfarande den vanligaste dödsorsaken bland cancerpatienter. Dessutom orsakas döden ofta av metastaser som har uppstått . Metastaser uppstår som ett resultat av att celler som kan föröka sig separeras från tumören , kommer in i blodomloppet och sätter sig igen i någon del av kroppen. Dessa celler kallas cirkulerande stamceller (CSC). Närvaron av sådana celler i blodet hos patienter med bröstcancer är som regel förknippad med en dålig prognos för resultatet av terapi och överlevnad i allmänhet, därför är det en mycket viktig diagnostisk parameter. Men på grund av det mycket låga antalet är det en svår uppgift att identifiera CVT .
Och qPCR som en mycket känslig metod kan användas för att lösa detta problem. CSTs är av epitelialt ursprung och uttrycker därför en viss uppsättning gener som skiljer sig från blodkropparna som omger dem , som är av mesenkymalt ursprung. För att tillämpa denna metod är det nödvändigt att bestämma uppsättningen av CST-markörgener och utvärdera deras uttrycksnivå [24] .
Realtids-PCR används även för mikrobiologiskt arbete inom området livsmedelssäkerhet, för att bedöma kvaliteten på vatten (dricks- och avloppsvatten) och inom folkhälsoområdet [25] . Dessutom används denna metod för att identifiera tarmmikrofloran [26] .
Agroindustrin producerar patogenfria frön och plantor för att förhindra ekonomiska förluster och öka produkternas hållbarhet. Därför har system utvecklats för att upptäcka små mängder phytophthora ( Phytophthora ramorum ), oomycete och några andra patogener som dödar ekar och andra växtarter blandade med värdväxt-DNA. Förmågan att skilja mellan patogenens och värdväxtens DNA är baserad på amplifieringen av ITS-sekvenser ( intern transkriberad spacer) , interna transkriberade regioner belägna i den kodande regionen av den ribosomala RNA -genen , som är karakteristiska för varje taxon [27] ] .
qPCR (med omvänd transkription ) kan användas för att detektera genetiskt modifierade organismer , eftersom det är känsligare än många andra metoder. I detta fall används specifika primrar för att amplifiera promotorn, terminatorn eller intermediära sekvenser som används i vektorbildningsprocessen . Eftersom processen att skapa en transgen växt vanligtvis resulterar i införandet av mer än en kopia av transgenen , uppskattas dess mängd också vanligtvis med hjälp av qPCR. I detta fall används en växt som innehåller denna gen i en enda kopia som kontroll [28] [29] .