普通PCRVS荧光定量PCRVS数字PCR
上世纪八十年代Cetus Corporation公司的化学家Kary Mullis发明了PCR,如今DNA扩增俨然已经成为了生物学研究的基础。三十多年以来,人们为了解决研究中出现的新问题新需求,不断对这一经典技术进行改良。从经典PCR、实时定量PCR再到现在的数字PCR,PCR技术在不断蜕变却从未淡出我们的视野。如今PCR技术早已走出实验室,在遗传学鉴定和疾病诊断中发挥着巨大的作用,在越来越广阔的领域里焕发着新的活力。
PCR方法大比拼
PCR的原理在这里无庸赘述。多年来,研究者们已经在此基础上开发了一系列衍生技术。目前的PCR方法主要可以分为三类:终点PCR、qPCR和dPCR。
终点PCR
终点PCR是最原始、最简单的PCR方法,如今仍在被我们广泛使用。使用者只能在PCR反应结束之后,通过凝胶电泳、毛细管电泳等方法对产物进行检测。终点PCR本身是无法定量的,因为该反应产出的DNA量不一定能反映最初情况。举例来说,不同样品和序列的扩增效率是有差异的。
qPCR和dPCR
研究者们通过两种途径克服了PCR定量分析的挑战:实时定量PCR(qPCR)和数字PCR(dPCR)。qPCR主要是利用插入性染料或荧光探针(比如TaqMan),人们可以通过监控PCR过程中的荧光强度比较多个样品的DNA水平。数字PCR(dPCR)的基本工作原理很简单,先将样品划分为多个PCR反应,每个反应最多只含有一个模板。然后通过计数正负反应来确定初始样品中模板分子的数量。
SYBR® Green是一种在qPCR中广泛使用的插入性DNA染料。随着PCR循环的连续进行,这种染料的荧光强度会不断增强,从而可以使人们对反应中的DNA进行定量。SYBR Green法比探针法成本低,使用也更为方便。不过这种方法也存在着与生俱来的弊端,SYBR Green方法产生的非特异性产物较多,会导致高背景和假阳性。尽管如此,这一久经考验的技术仍然颇为流行,许多研究人员都是SYBR Green法的忠实拥护者,愿意接受这个技术的小瑕疵。
虽然qPCR和dPCR都能够对样品中的核酸进行定量,但它们有一个重要的差别。qPCR只能实现相对定量(比如样品A的靶序列是样品B的两倍),除非用标准品生成一个标准曲线。而数字PCR本身就是绝对定量的,不需要做标准曲线。另一方面,qPCR技术更为成熟名头也更响,市面上有大量的商业化产品可供选择。dPCR目前还是个小鲜肉,应用没有qPCR那么广泛,价格也更昂贵一些。与dPCR相比,qPCR更适合高通量分析,而且动态范围很宽。
dPCR一般来说更为精确。qPCR能够轻易分辨两倍的浓度差异(比如5拷贝和10拷贝),但在微小差异面前比较无力。而dPCR在理论上能鉴别差异小于20%的拷贝数,比如5拷贝和6拷贝。这种精确性在有些方面特别有帮助,比如定量涉及染色体重排的基因拷贝数,或者定量癌症患者血液中的循环生物学指标。由于dPCR分液相当于稀释样品,而且在反应结束时读取数据,dPCR比qPCR更能抵抗抑制剂。
图1.PCR方法及应用
重组酶聚合酶扩增RPA(Recombinase Polymerase Amplification)被称为是可以替代PCR的核酸检测技术。RPA主要依赖于三种酶:能结合单链核酸(寡核苷酸引物)的重组酶、单链DNA结合蛋白(SSB)和链置换DNA聚合酶。该反应的最适温度在37°C -42°C之间,无需变性在常温下即可进行,这无疑能大大加快扩增速度。RPA检测的灵敏度也很高,能够将痕量的核酸(尤其是DNA)模板扩增到可以检出的水平,从单个模板分子得到大约1012扩增产物。RPA用不着复杂的样品处理也不需要温控设备,适合无法提取核酸的实地应用,真正实现便携式的快速核酸检测。英国公司TwistDx Inc以RPA为基础开发了TwistAmp核酸扩增产品,能够在15分钟内进行常温下的单分子核酸检测。
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