Reaaliaikainen polymeraasiketjureaktio (tai kvantitatiivinen PCR, qPCR, PCR-RT, eng. Real-time PCR, qPCR ) on polymeraasiketjureaktiomenetelmään perustuva laboratoriomenetelmä , jonka avulla voit määrittää paitsi kohdenukleotidin läsnäolon . näytteessä, mutta myös mittaa kopioiden lukumäärä . Monistetun DNA :n määrä mitataan jokaisen monistussyklin jälkeen käyttämällä fluoresoivia leimoja: koettimia tai interkalaattoreita . Arviointi voi olla kvantitatiivinen (templaatin kopioiden lukumäärän mittaus) ja suhteellinen (mittaus suhteessa lisättyyn DNA:han tai muihin kalibrointigeeneihin ) [ 1] .
Modifioitua kvantitatiivista PCR-menetelmää kutsutaan semi-quantitative PCR :ksi (semi-quantitative PCR). Sitä käytetään usein vertaamaan useiden geenien ilmentymistä . Tässä tapauksessa kertyneen tuotteen määrä mitataan vain yhdessä pisteessä - reaktion päätyttyä. [2]
Reaaliaikainen PCR yhdistetään usein muihin menetelmiin: RT-PCR ( RT-qPCR ) , ChIP - qPCR jne. [3]
QPCR-menettely on samanlainen kuin klassinen PCR -menettely , eli kaikki reaktion vaiheet ovat läsnä - kaksijuosteisen DNA :n sulaminen 95 °C:n lämpötilassa, alukkeiden pariutuminen (pariutumislämpötila riippuu käytetyistä alukkeista) ja pidentyminen lämpötila 72˚C, jos käytetään Taq-polymeraasia . PCR-tuotteen määrä mitataan kussakin PCR-syklissä käyttämällä fluoresoivia leimoja. Siten signaalin voimakkuus osoittaa kiinnostavan molekyylin alkuperäisen määrän [4] .
QPCR:ssä yleisesti käytetty nimikkeistö on:
Kaavio koostuu perusviivasta, eksponentiaalisesta vaiheesta ja tasangosta [5] .
Alkuvaiheessa fluoresenssi on heikkoa, koska tuotetta on vähän, joten sitä on vaikea erottaa taustasta. Kun tuote kerääntyy, signaali kasvaa ensin eksponentiaalisesti ja saavuttaa sitten tasannen. Tasanne johtuu yhden tai toisen reaktion komponentin puutteesta - alukkeet , nukleotiditrifosfaatit , fluoresoiva leima voi loppua. Jos reaktiotuotetta on kertynyt liikaa, polymeraasista voi tulla rajoittava tekijä , jolloin tuotteen määrän riippuvuus syklistä tulee lineaariseksi . On syytä huomata, että tavallisessa reaaliaikaisessa PCR-reaktiossa kaikki näytteet tasoittuvat ja saavuttavat suunnilleen saman signaalitason. Näin ollen loppupiste ei kerro mitään testinäytteen alkuperäisestä määrästä. Toisaalta eksponentiaalisessa vaiheessa voidaan jäljittää eroja tuotteen määrän kasvuvauhdissa. Erot molekyylien alkuperäisessä lukumäärässä vaikuttavat syklien määrään, joka tarvitaan nostamaan fluoresenssitaso yli kohinatason [5] .
Ct on luku, jonka avulla voidaan arvioida kohde-DNA:n määrä liuoksessa, mutta Ct-arvo voi riippua monista satunnaisista tekijöistä, kuten ilmaisimen herkkyydestä , suodattimen laadusta jne. Siksi kiinnostavan tuotteen tarkka alkuperäinen määrä ei voida mitata. On olemassa normalisointimenetelmiä tämän ongelman ratkaisemiseksi . Mittaa kahden molekyylin määrän suhde näytteessä. Ne normalisoidaan yleensä kotihoitogeenien tuotteiksi - geeneiksi , joiden lukumäärä solussa on aina suunnilleen sama (esimerkiksi infA-geeni, joka koodaa bakteerien translaation aloitustekijää ) . Suhde määritetään seuraavalla kaavalla:
jossa ja ovat kahden näytteen alkusuureet, Ct B ja Ct A ovat vastaavia Ct-arvoja ja on PCR-tehokkuus, joka usein rinnastetaan tai [5] .
Reaaliaikainen PCR mahdollistaa spesifisten monistettujen DNA-fragmenttien tunnistamisen käyttämällä niiden sulamislämpötilan (denaturaatio) analyysiä, jota kutsutaan myös Tm-arvoksi. Menetelmässä käytetään interkaloituvia väriaineita, yleensä SYBR Greeniä . DNA:n sulamispiste on spesifinen monistetulle fragmentille. Tämän menetelmän tulokset saatiin vertaamalla analysoitujen DNA-näytteiden dissosiaatiokäyriä . Kaksi sulamiskäyrää piirretään analysointia varten. Ensimmäinen on fluoresenssin riippuvuus ajasta, toinen on fluoresenssin laskun nopeus ajassa. Huippu heijastaa tiettyä DNA-mallia [5] .
Tässä tapauksessa leima on kemiallinen yhdiste , joka pystyy liittymään DNA: n kaksoiskierteeseen . Tällainen koetin muuttaa konformaatiotaan vuorovaikutuksessa PCR-tuotteiden kanssa ja siitä tulee fluorofori . Tuotteen määritys voidaan suorittaa kunkin syklin lopussa ennen denaturointivaihetta . Esimerkki tällaisesta maalista on laajalti käytetty SYBR Green. Kaksijuosteiset DNA-värit (dsDNA) sitoutuvat kuitenkin kaikkeen dsDNA:han, mukaan lukien epäspesifiset PCR-tuotteet (kuten alukedimeeri ) . Tämä voi mahdollisesti häiritä kohdesekvenssin tarkkailun tarkkuutta [6] .
Fluoresoivat koettimet havaitsevat vain DNA:ta sisältävän sekvenssin , joka on komplementaarinen koettimelle; siksi reportterikoettimen käyttö lisää suuresti spesifisyyttä ja mahdollistaa tarkemman mittauksen muun dsDNA :n läsnä ollessa . Fluoresoivat reportterikoettimet eivät kuitenkaan estä alukedimeerien inhiboivaa vaikutusta, mikä voi estää kohdereaktiotuotteiden kertymistä [7] .
On myös mahdollista käyttää useita koettimia, joiden fluoroforeilla on erilaiset emissiospektrit . Tässä tapauksessa on mahdollista rekisteröidä signaali eri DNA-molekyyleistä yhteen putkeen. Menetelmää kutsutaan moninkertaiseksi PCR : ksi (eng. multiplex PCR ) [8] .
Menetelmä perustuu monistustuotteelle komplementaarisen DNA-koettimen lisäämiseen, jossa on fluoresoiva reportteri koettimen toisessa päässä ja fluoresenssin sammuttaja toisessa päässä. Kun sammuttaja on lähellä reportteria, se absorboi signaalin eikä reportteri fluoresoi . Monistuksen aikana koettimen eheys rikkoutuu ja reportteri voidaan havaita fluoresenssilla laservirityksen jälkeen. Siksi sen tuotteen määrän lisääminen, johon reportterikoetin sitoutuu kussakin PCR-syklissä, aiheuttaa fluoresenssin suhteellista kasvua . Leimat voivat fluoresoida elongaatiovaiheessa tai PCR-pariutumisvaiheessa [4] .
Fluorofori ja sen sammutin on ommeltu anturiin 5'- ja 3'-päistä . Jos koetinsekvenssi ei ole kovin pitkä, niin jopa DNA:han sitoutuneessa tilassa ne ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa eikä fluoresenssia synny. Pidentämisen aikana DNA-polymeraasi , jolla on 5'-3'-eksonukleaasiaktiivisuutta (usein käytetty Taq-polymeraasi ), erottaa koettimen kohde-DNA :sta nukleotidi kerrallaan. Tämän prosessin seurauksena sekä fluorofori että sen sammuttaja pääsevät liuokseen, jossa todennäköisyys löytää näitä aineita lähistöltä on pieni ja fluoresenssi palautuu [4] .
Reaaliaikaista PCR:ää käytetään laajasti monissa tutkimussovelluksissa laboratorioissa. Lisäksi tätä menetelmää on käytetty lääketieteessä (sairauksien diagnosointiin) ja biotekniikan alalla ( mikro- organismien pitoisuuden määrittämiseen elintarvikkeista ja kasvimateriaaleista; GMO: ien havaitsemiseen ). qPCR:ää käytetään myös virusten ja muiden ihmisen patogeenien genotyypitykseen ja kvantifiointiin .
qPCR:ää käytetään yhtenä menetelmistä geenitranskription kvantitatiivisissa mittauksissa . Tätä menetelmää käytetään laajalti arvioimaan muutoksia tietyn geenin ilmentymisessä ajan myötä , esimerkiksi vasteena lääkkeen antamiseen tai ympäristöolosuhteiden muutoksiin. Geeniekspression kvantifiointi perinteisillä DNA-detektiomenetelmillä on epäluotettavaa. mRNA : n havaitseminen Northern blotilla , geeli-PCR-tuotteilla tai Southern blotilla ei mahdollista tarkkaa kvantitointia. Esimerkiksi 20-40 syklin sisällä tyypillisestä PCR:stä DNA-tuotteen määrä saavuttaa tasannen, joka ei suoraan liity kohde- DNA :n määrään alkuperäisessä PCR:ssä [9] .
Reaaliaikaista PCR:ää voidaan käyttää nukleiinihappojen kvantifiointiin kahdella yleisellä menetelmällä: suhteellisella kvantifikaatiolla ja absoluuttisella kvantitaatiolla [10] . Absoluuttinen kvantifiointi antaa tarkan määrän kohde-DNA - molekyylejä käyttämällä standardikäyrää . Siksi on tärkeää, että näytteen ja standardin PCR:llä on sama monistustehokkuus . Suhteellinen pisteytys perustuu sisäisiin vertailugeeneihin ( kotipitogeeneihin ) kohdegeenin ilmentymisen kerta-erojen määrittämiseksi. Kvantifiointi ilmaistaan muutoksena mRNA:n ilmentymistasoissa, jotka tulkitaan komplementaariseksi DNA:ksi ( cDNA , tuotettu mRNA :n käänteistranskriptiolla ). Suhteellinen kvantifiointi on helpompi suorittaa, koska se ei vaadi kalibrointikäyrää, koska tutkittavan geenin määrää verrataan kontrolligeenin määrään [11] .
qPCR pienen tuma-RNA:n (snRNA) määrän määrittämiseksiPienet tuma-RNA :t (snRNA:t) eroavat ominaisuuksiltaan mRNA:ista hyvin lyhyellä pituudella (noin 22 nukleotidia ), niillä ei ole konservatiivista sekvenssiä päissä, kun taas yhden populaation snRNA:t voivat erota yhdellä tai useammalla nukleotidilla . Näiden ongelmien ratkaisemiseksi käytetään lähestymistapoja, jotka perustuvat pienen DNA -palan (linkkerin) lisäämiseen cDNA : han käänteistranskriptioreaktiossa . Sitten reaaliaikainen PCR suoritetaan standardimenetelmin käyttäen alukkeita, (biologia)|komplementaarisia linkkerille [12] .
Genomitutkimukset ChIP-qPCR:lläKromatiini-immunosaostusta (ChIP) yhdessä RT-qPCR : n kanssa pidetään genomitutkimuksen perusmenetelmänä , sen kaupallinen saatavuus ja korkea tarkkuus mahdollistavat nopean ja helpon proteiini-DNA-vuorovaikutusten analysoinnin. ChIP-qPCR:ää käytetään spesifisten geenien ja mahdollisten säätelyalueiden, kuten promoottorien , tutkimiseen . Tätä menetelmää käytetään tällä hetkellä useissa tutkimuksissa, mukaan lukien solujen erilaistuminen , suppressorigeenin hiljentäminen ja histonimuutosten vaikutus geenin ilmentymiseen [13] .
ChIP-analyysi kaappaa vain murto-osan mahdollisista koko genomissa esiintyvistä kohteista johtuen ristisilloitustehokkuuden vaihtelusta ja vasta -aineiden saatavuuden steerisesta rajoituksesta [13] .
ChIP-qPCR:n suorittamiseksi on tarpeen lisätä master-seos ( entsyymien ja nukleotidien seos ), alukkeet ja templaatti-DNA. Tässä tapauksessa on tarpeen valita tarkasti alukkeiden konsentraatio kohde-DNA:n tehokkaan monistamisen varmistamiseksi. Joko ChIP-DNA toimii templaattina tai negatiivisen kontrollin tapauksessa tyhjät helmet ilman DNA:ta. Sitten on tarpeen valita lämpökäsittelyjaksojen aika ja lämpötila ja aloittaa PCR. Tulokset analysoidaan samalla tavalla kuin qPCR-tulokset vertaamalla syöttötemplaatin ja ChIP-DNA-templaatin syklien kynnysmäärää (Ct) [3] .
Kvantitatiivista PCR:ää käytetään tunnistamaan nopeasti geenit tai DNA-fragmentit, jotka ovat infektiotautien , geneettisten poikkeavuuksien jne. merkkiaineita. Tämän menetelmän käyttöönotto kliinisissä laboratorioissa on parantanut merkittävästi tartuntatautien diagnosoinnin laatua [14] . Lisäksi qPCR:ää käytetään työkaluna uusien sairauksien havaitsemiseen. Esimerkiksi uudet influenssakannat [ 15] .
QPCR:n käyttö mahdollistaa myös virusten , kuten hepatiitti B -viruksen , kvantitatiiviset mittaukset ja genotyypityksen (kantojen karakterisoinnin) [16] . Infektioaste , joka mitataan virusgenomin kopioiden lukumääränä potilaan kudosyksikköä kohti , on erittäin tärkeä. Esimerkiksi herpes simplex -viruksen tyypin 1 uudelleenaktivoitumisen todennäköisyys riippuu infektoituneiden hermosolmujen lukumäärästä [17] .
Potilailta, joilla epäillään koronavirusinfektiota , otetaan vanupuikko kurkusta, RNA uutetaan ja analysoidaan RT-qPCR :llä . Kohdegeenit ovat avoin lukukehys 1ab (ORF1ab) ja nukleokapsidiproteiini (N). Syklin kynnys (Ct-arvo) alle 37 määritellään positiiviseksi testitulokseksi ja Ct-arvo 40 tai enemmän negatiiviseksi testitulokseksi. Nämä diagnostiset kriteerit perustuvat Kansallisen virustautien torjunta- ja ehkäisyinstituutin suosituksiin [18] .
RT-qPCR- testin herkkyys on 83,3 %, tämä testi on altis väärille negatiivisille tuloksille . Tietokonetomografiaa käytetään myös koronaviruksen diagnosointiin , jonka herkkyys on paljon korkeampi ja on 97,2 % [19] .
Kvantitatiivista PCR:ää käytetään laajalti myös kasvainsolujen havaitsemiseen kiinteissä kasvaimissa [20] [21] ja jopa joissakin leukemian muodoissa [22] [23] .
qPCR auttaa havaitsemaan kiertäviä kasvainsoluja . Esimerkiksi rintasyöpä on edelleen syöpäpotilaiden yleisin kuolinsyy. Lisäksi kuoleman aiheuttavat usein syntyneet etäpesäkkeet . Metastaasseja esiintyy sen seurauksena, että lisääntymiseen kykenevät solut erotetaan kasvaimesta , joutuvat verenkiertoon ja asettuvat uudelleen johonkin kehon osaan. Näitä soluja kutsutaan kiertäviksi kantasoluiksi (CSC). Tällaisten solujen esiintyminen rintasyöpäpotilaiden veressä liittyy yleensä huonoon ennusteeseen hoidon tuloksesta ja eloonjäämisestä yleensä, joten se on erittäin tärkeä diagnostinen parametri. Mutta erittäin alhaisen määrän vuoksi CVT :n tunnistaminen on vaikea tehtävä.
Ja qPCR:ää erittäin herkänä menetelmänä voidaan käyttää tämän ongelman ratkaisemiseen. CST : t ovat epiteelialkuperää ja ilmentävät siksi tiettyä geenisarjaa , joka eroaa niitä ympäröivistä verisoluista , jotka ovat mesenkymaalista alkuperää. Tämän menetelmän soveltamiseksi on tarpeen määrittää CST-markkerigeenien joukko ja arvioida niiden ilmentymistaso [24] .
Reaaliaikaista PCR:ää käytetään myös mikrobiologiseen työhön elintarviketurvallisuuden alalla, veden (juoma- ja jäteveden) laadun arvioinnissa sekä kansanterveyden alalla [25] . Lisäksi tätä menetelmää käytetään suoliston mikroflooran tunnistamiseen [26] .
Maatalousteollisuus tuottaa taudinaiheuttajista vapaita siemeniä ja taimia taloudellisten menetysten estämiseksi ja tuotteiden säilyvyyden pidentämiseksi. Siksi on kehitetty järjestelmiä havaitsemaan pieniä määriä phytophthora ( Phytophthora ramorum ), munamykeettiä ja joitain muita taudinaiheuttajia , jotka tappavat tammia ja muita isäntäkasvin DNA:han sekoitettuja kasvilajeja. Kyky erottaa taudinaiheuttajan ja isäntäkasvin DNA:n välillä perustuu kullekin taksonille ominaisten ITS-sekvenssien ( internal transcribed spacer) monistumiseen, ribosomaalisen RNA -geenin koodaavalla alueella sijaitsevien sisäisten transkriptoitujen alueiden monistumiseen [27] . ] .
qPCR:llä (käyttämällä käänteistä transkriptiota ) voidaan havaita geneettisesti muunnettuja organismeja , koska se on herkempi kuin monet muut menetelmät. Tässä tapauksessa spesifisiä alukkeita käytetään monistamaan vektorin luontiprosessissa käytettyä promoottoria, terminaattoria tai välimuotosekvenssiä . Koska siirtogeenisen kasvin luomisprosessi johtaa yleensä useamman kuin yhden siirtogeenin kopion liittämiseen , sen määrä arvioidaan yleensä myös qPCR:llä. Tässä tapauksessa kasvia, joka sisältää tämän geenin yhtenä kopiona, käytetään kontrollina [28] [29] .