《核酸检测技术》PPT课件.ppt
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1、第2章核酸检测技术,核酸检测技术直接对动植物有害生物基因序列和结构进行测定。核酸的分离纯化PCR技术核酸杂交技术,第1节核酸的分离纯化,核酸的分离纯化的原则,保持核酸一级结构的完整性提高核酸制品的纯度,技术路线的设计,破碎细胞的方法,机械(匀浆、超声破、研磨等),非机械(化学处理、生化法),沉淀是浓缩核酸最常用且高效的方法。,核酸浓度检测与完整性测定方法,浓度测定 紫外分光光度法 260nm 荧光光度法 EB荧光,完整性测定琼脂糖凝胶电泳法:以EB为示踪剂的核酸凝胶电泳结果为依据。基因组DNA片段如发生降解,电泳图呈拖尾状;完整的或降解很少的总RNA电泳图谱中,三条带的荧光强度积分应呈特定的比
2、值,问题一:DNA样品不纯 抑制后续酶解和PCR反应,DNA提取常见问题,DNA提取常见问题,问题二:DNA降解,DNA提取常见问题,问题三:DNA提取量少,真菌,昆虫,第2节PCR扩增技术,PCR,a DNA photocopier,PCR技术简史,DNA的复制核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明,1985年,美国PE-Cetus公司的Mullis等人发明了聚合酶链反应(PCR)最初采用E-coli DNA聚合酶进行PCR,由于该酶不耐热,使这一过程耗时,费力,且易出错耐热DNA聚合酶的应用使得PCR能高效率的进行,随后PE-Cetus公司推出了第一台PCR自动化热循环仪1993年,Mull
3、is等因此项技术获诺贝尔化学奖,PCR技术简史,DNA的复制核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明,Kary B.Mullis(1944),1989年美国Science杂志列PCR 为十余项重大科学发明之首,比喻1989年为PCR爆炸年,Mullis荣获1993年度诺贝尔化学奖。,1.PCR的基础,Polymerase,Chain,Reaction,PCR,The only enzyme used in this reaction is DNA polymerase.,Polymerase,Chain,Reaction,The products of the first reaction bec
4、ome substrates of the following one,and so on.,PCR,Polymerase,Chain,Reaction,PCR,Components:Thermostable DNA Polymerase,Target DNA,Pair of Primers,dNTPs,Mg+ions,Buffer solution,Denaturation:The target DNA(template)is separated into two stands by heating to 95Primer annealing:The temperature is reduc
5、ed to around 55 to allow the primers to anneal.Polymerization(elongation,extension):The temperature is increased to 72 for optimal polymerization step which uses up dNTPs and required Mg2+.,The PCR cycle:Three different steps in each PCR cycle,PCR的扩增?,How does PCR work,How does PCR work,The third cy
6、cle,The fourth cycle,2.PCR的类型,多重PCR(multiplex PCR)巢式PCR(nested PCR)定量PCR(quantitative PCR)不对称PCR(asymmetric PCR)反向PCR(inverse PCR)逆转录PCR(reverse transcription PCR)Overlap PCR,PCR using several primer pairs SIMULTANEOUSLYTypically generates a product band for each primer pair,多重PCR(multiplex PCR):Wha
7、t,2.1 多重PCR(multiplex PCR),Multiplex PCR:Why,Detect several genes at onceeg.transgenic plant screenInternal controlsVERY importantTells you how well the PCR reaction workedReduces“false negatives”Reduces“false positives”,多重PCR(multiplex PCR),Multiplex PCR:How,Same as regular PCRCare in primer design
8、Much greater chance of primer-dimersMuch greater chance of artifactsAnnealing temperatures must be close,多重PCR(multiplex PCR),A Typical Multiplex PCR Reaction,Sterile Water 34.0 ul10X PCR Buffer 5.0 ulMgCl2(50mM)2.5 uldNTPs(10mM each)1.0 ul Primer1FWD 1.0 ul Primer1REV 1.0 ul Primer2FWD 1.0 ul Prime
9、r2REV 1.0 ul Primer3FWD 1.0 ul Primer3REV 1.0 ulDNA Polymerase 0.5 ulDNA Template 1.0 ulTotal Volume 50.0 ul,多重PCR(multiplex PCR),Multiplex PCR:Example,Three primer pairsControl,resistance,and trait genesControl gene fragment is largest and(almost)faintestTrait gene is smallest and brightest,Resista
10、nce Gene,Trait Gene,Control Gene,Primers,多重PCR(multiplex PCR),Multiplex PCR:Example,Three primer pairs,Resistance Gene,Trait Gene,Which are transgenic?,Control Gene,Primers,多重PCR(multiplex PCR),Nested Multiplex PCR,2nd Stage PCR,Dilute 100 foldBetween 1st&2nd stage reactions,1F,1R,2R,3R,5R,6R,3F,2F,
11、6F,4F,5F,4R,Primary Multiplex RT-PCR,多重PCR(multiplex PCR),2.2 定量PCR(quantitative PCR),实时荧光定量PCR(Real time Quantitative PCR):在PCR反应体系中加入荧光基团,利用荧光信号累积实现了实时监测整个PCR进程,对起始模板进行定量分析的方法。Real-time PCR monitors the fluorescence emitted during the reaction as an indicator of amplicon production at each PCR cyc
12、le(in real time)as opposed to the endpoint detection,荧光定量PCR技术:利用荧光信号的变化实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物量的变化,通过Ct值和标准曲线的关系对起始模板进行定量分析。,与常规 PCR技术比较:对PCR扩增反应的终点产物进行定量和定性分析,无法对起始模板准确定量,无法对扩增反应实时检测,(1)定量原理,三个概念:扩增曲线、荧光阈值、Ct值,如何对起始模板定量?,通过Ct值和标准曲线对起始模板进行定量分析,荧光定量PCR原理 扩增曲线,扩增曲线图:横坐标:扩增循环数(Cycle);纵坐标:荧光强度 每个循环进行一次荧光
13、信号的收集,荧光检测元件,荧光扩增曲线扩增曲线可以分成三个阶段:基线期、指数增长期和平台期。,Cycle(循环数),Rn(荧光强度),荧光定量PCR原理荧光域值,Cycle(循环数),Rn(荧光强度),基线期,指数扩增期,平台期,荧光域值,手动设置:大于荧光背景值和阴性对照的荧光最高值;进入指数期的最初阶段,荧光定量PCR原理Ct值,PCR扩增过程中,扩增产物的荧光信号达到设定的阈值时所经过的扩增循环次数。,纵轴:荧光信号量,Ct值的特点:相同模板进行96次扩增,终点处产物量不恒定;Ct值则极具重现性,Ct值的重现性,定量原理,理想的PCR反应:X=X0*2n非理想的PCR反应:X=X0(1+
14、Ex)n n:扩增反应的循环次数 X:第n次循环后的产物量 X0:初始模板量 Ex:扩增效率,扩增效率 E(amplification efficiency)一个循环后的产物增加量与这个循环的模板量的比值,其值位于0到1之间。在PCR的前20或30个循环中,E值比较恒定,为指数扩增期,随后E值逐步降低,直至0,此时PCR达到平台期,不再扩增。扩增效率的计算可以采用系列稀释法,将稀释后浓度的对数值与所得Ct值做图,在一定范围内应该是得到一条直线,利用公式(1):E=10-1/K-1(K为该直线斜率)即可计算出E值。,在扩增产物达到阈值线时:XCt=X0(1+Ex)Ct=M(1)XCt:荧光扩增信
15、号达到阈值强度时扩增产物的量.在阈值线设定以后,它是一个常数,我们设为M方程式(1)两边同时取对数得:log M=log X0(1+Ex)Ct(2)整理方程式(2)得:log X0=-log(1+Ex)*Ct+log M(3)CT=-k lg X0+b(线性方程)LogX0浓度与循环数呈线性关系,根据样品扩增达到域值的循环数即Ct值就可计算出样品中所含的模板量。,标准曲线:CT值对DNA0作图,模板DNA量越多,荧光达到域值的循环数越少,即Ct值越小。Log模板起始浓度与Ct值呈线性关系。,(2)荧光定量PCR的化学原理,1.Hydrolysis probes(水解探针)(TaqMan,Bea
16、cons)2.DNA-binding(intercalating)agents(结合)(SYBR Green,Eva Green,LC Green)3.Hybridization or FRET probes(杂交)(Light Cycler),非特异性荧光标记:1、SYBR Green 特异性荧光标记:2、TaqMan 3、Molecular Beacon 4、Amplisensor,DNA产物的荧光标记,SYBR Green 法,SYBR Green 能结合到双链DNA的小沟部位,SYBR Green 只有和双链DNA结合后才发荧光 变性时,DNA双链分开,无荧光 复性和延伸时,形成双链D
17、NA,SYBR Green 发荧光,在此阶段采集荧光信号。信号强度与DNA分子总数目成正比。,SYBR Green,SYBR Green 法优缺点,Tm值:DNA解链一半时的温度,将温度与荧光强度的变化求导。(-dI/dT),TaqMan法,TaqMan-水解型杂交探针,5端标记有报告基团(Reporter,R),如FAM、VIC等 3端标记有荧光淬灭基团(Quencher,Q)探针完整,R所发射的荧光能量被Q基团吸收,无荧光,R与Q分开,发荧光 Taq酶有 53外切核酸酶活性,可水解探针,每扩增一条DNA分子,释放一个荧光信号,可以在循环过程中任一点检测荧光,TaqMan法优缺点,Publi
18、shed Items in Each Year,Examples of SYBR Green real-time PCR assays for detection of plant pathogenic fungi(last 6 years),(3)定量方法,绝对定量(Absolute Quantification)确定未知样本中某个核酸序列的绝对量值,即通常所说的拷贝数。相对定量(Relative Quantification)测定一个测试样本中目标核酸序列与校正样本中同一序列表达的相对变化。2-C(t)双标准曲线法,相对定量中的内标 内标通常是-actin、GAPDH基因等看家基因 在细胞
19、中的表达量或在基因组中的拷贝数恒定,受环境因素影响小内标定量结果代表了样本中所含细胞或基因组数量,绝对定量的标准样品:已知拷贝数的质粒DNA和体外转入的RNA,相对定量:参照因子Calibrator,相对定量分析方法1-Ct,相对定量分析方法2:双标准曲线法目标基因与内参基因扩增效率不同,特异性 重复性 灵敏度其他问题,常见问题讨论,扩增的特异性,引物?,Tm,重新设计引物,优化条件,Tm,重复性-判断实验优劣的重要指标,判断指标:主要为标准差(SD)和变异系数(CV)影响重复性的因素:PCR 反应扩增的效率:优化实验条件,使反应体系达到最佳扩增效率。目的基因的初始浓度:使用初始浓度具有较高数
20、量级的样本或作平行孔。标准曲线的影响:不少于5个稀释度的标准品,涵盖待测样本中目的基因量可能出现的全部浓度范围;理想的标准品应与样本具有高同源性,质粒DNA 或是体外合成、转录的RNA。,影响灵敏度的因素,反应体系中形成的引物二聚体的影响 可以用水解探针代替SYBR Green I,有文献报导使用水解探针的敏感性要比SYBR Green I高出10倍。可以使用热启动办法或使用特殊处理的Taq酶要尽可能地优化引物设计如果反应体系中出现PCR的抑制因素,应适当将目的基因的浓度稀释后再进行扩增。注意避免室温混合各种试剂,并且在一经混合后立即开始进行扩增。循环数 Mg2的浓度,Q1:无Ct值(信号)出
21、现,可能性不大,检测荧光信号的步骤有误:一般SG法采用72延伸时采集,Taqman法则一般在退火结束时或延伸结束采集信号。引物或探针降解:可通过PAGE电泳检测其完整性。模板量不足:对未知浓度的样品应从系列稀释样本的最高浓度做起。模板降解:避免样品制备中杂质的引入及反复冻融的情况。,Q2:Ct值出现过晚(Ct38),扩增效率低:反应条件不够优化。设计更好的引物或探针;改用三步法进行反应;适当降低退火温度;增加镁离子浓度等。PCR各种反应成分的降解或加样量的不足。PCR产物太长:一般采用80-150bp的产物长度。,Q3:标准曲线的线性关系不佳,加样存在误差:使得标准品不呈梯度。标准品出现降解:
22、应避免标准品反复冻融,或重新制备并稀释标准品。引物或探针不佳:重新设计更好的引物和探针模板中存在抑制物,或模板浓度过高。,Q4:阴性对照也出现明显的起飞,反应mix或水被污染。引物二聚体的出现:用SG法在35cycles以后阴性出现起飞属正常情况,可配合熔解曲线进行分析。反应过程中探针的降解:用PAGE电泳对探针进行检测。ROX校正的问题:如果使用了,则可能是ROX的降解所造成。,Q5:熔解曲线不止一个主峰,引物设计不够优化:应避免引物二聚体和发夹结构的出现。引物浓度不佳:适当降低引物的浓度,并注意上下游引物的浓度配比。镁离子浓度过高:适当降低镁离子浓度,或选择更合适的mix试剂盒。模板有基因
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