A valós idejű polimeráz láncreakció (vagy kvantitatív PCR, qPCR, PCR-RT, eng. Real-time PCR, qPCR ) a polimeráz láncreakció módszerén alapuló laboratóriumi módszer , amely lehetővé teszi nemcsak a cél nukleotid jelenlétének meghatározását. sorozatot a mintában, hanem mérje meg a másolatok számát is. Az amplifikált DNS mennyiségét minden egyes amplifikációs ciklus után mérjük fluoreszcens jelölésekkel: próbákkal vagy interkalátorokkal . Az értékelés lehet kvantitatív (a templát példányszámának mérése) és relatív (a bevitt DNS-hez vagy további kalibrációs génekhez viszonyított mérés ) [1] .
A módosított kvantitatív PCR-módszert félkvantitatív PCR- nek (semi-quantitative PCR) nevezik . Gyakran használják több gén expressziójának összehasonlítására. Ebben az esetben a felhalmozódott termék mennyiségét csak egy ponton mérik - a reakció leállása után. [2]
A valós idejű PCR-t gyakran kombinálják más módszerekkel: RT-PCR ( RT-qPCR ) , ChIP - qPCR stb. [3]
A qPCR-eljárás hasonló a klasszikus PCR -eljáráshoz , vagyis a reakció minden szakasza jelen van - a kétszálú DNS megolvadása 95 ˚C-on, a primerek összekapcsolása (az összekapcsolási hőmérséklet a használt primerektől függ) és az elongáció Taq polimeráz használata esetén 72 ˚C hőmérséklet . A PCR-termék mennyiségét minden PCR-ciklusban mérjük fluoreszcens jelölések segítségével. Így a jel erőssége a kérdéses molekula kezdeti mennyiségét jelzi [4] .
A qPCR-hez általában használt nómenklatúra a következő:
A grafikon egy alapvonalból, egy exponenciális fázisból és egy platóból áll [5] .
A kezdeti szakaszban a fluoreszcencia gyenge, mivel kevés a termék, ezért nehéz megkülönböztetni a háttértől. Ahogy a szorzat felhalmozódik, a jel először exponenciálisan növekszik , majd elér egy platót. A plató a reakció egyik vagy másik komponensének hiánya miatt következik be - primerek , nukleotid-trifoszfátok , kifogyhat egy fluoreszcens jelölés. Ha túl sok reakciótermék halmozódik fel, akkor a polimeráz korlátozó tényezővé válhat , és ekkor a termék mennyiségének a ciklustól való függése lineárissá válik . Érdemes megjegyezni, hogy egy standard valós idejű PCR-reakcióban minden minta platóba kerül, és megközelítőleg azonos jelszintet ér el. Így a végpont nem mond semmit a vizsgálati minta kezdeti mennyiségéről. Másrészt az exponenciális fázisban a termékmennyiség növekedési ütemében különbségek nyomon követhetők. A molekulák kezdeti számában mutatkozó különbségek befolyásolják a fluoreszcenciaszintnek a zajszint fölé emeléséhez szükséges ciklusok számát [5] .
A Ct egy olyan szám, amely felhasználható az oldatban lévő cél DNS mennyiségének megítélésére, de a Ct érték számos véletlenszerű tényezőtől függhet, mint például a detektor érzékenysége , a szűrő minősége stb. Ezért a kérdéses termék pontos kezdeti mennyisége nem mérhető. Vannak normalizálási módszerek a probléma megoldására . Mérje meg a mintában lévő két molekula mennyiségének arányát! Általában a háztartási gének termékeire normalizálják őket - gének, amelyek száma egy sejtben mindig megközelítőleg azonos (például az infA gén, amely a baktériumokban a transzlációs iniciációs faktort kódolja ) . Az arányt a következő képlet határozza meg:
ahol és a két minta kezdeti mennyiségei, a Ct B és a Ct A a megfelelő Ct-értékek, és a PCR hatékonysága, amelyet gyakran vagy [5] -nek neveznek .
A valós idejű PCR lehetővé teszi a specifikus amplifikált DNS-fragmensek azonosítását olvadási (denaturációs) hőmérsékletük elemzésével, amelyet Tm-értéknek is neveznek. A módszer interkaláló festékeket használ, általában SYBR Greent . A DNS olvadáspontja az amplifikált fragmensre jellemző. Ennek a módszernek az eredményeit az elemzett DNS-minták disszociációs görbéinek összehasonlításával kaptuk. Az elemzéshez két olvadási görbét ábrázolunk. Az első a fluoreszcencia időfüggősége, a második a fluoreszcencia időbeli esésének sebessége. A csúcs egy specifikus DNS-mintázatot tükröz [5] .
Ebben az esetben a címke egy kémiai vegyület , amely képes beépülni a DNS kettős hélixbe . Az ilyen próba megváltoztatja a konformációját a PCR-termékekkel való kölcsönhatás során, és fluoroforrá válik . A termék meghatározása minden ciklus végén, a denaturálási lépés előtt elvégezhető . Ilyen festék például a széles körben használt SYBR Green. A kétszálú DNS (dsDNS) festékek azonban az összes dsDNS-hez kötődnek, beleértve a nem specifikus PCR-termékeket is (például a primer dimert ). Ez potenciálisan megzavarhatja a célszekvencia monitorozás pontosságát [6] .
A fluoreszcens próbák csak a próbával komplementer DNS-tartalmú szekvenciát mutatják ki ; ezért a riporter szonda használata nagymértékben növeli a specificitást és pontosabb mérést tesz lehetővé más dsDNS jelenlétében . A fluoreszcens riporter próbák azonban nem akadályozzák meg a primer dimerek gátló hatását, amelyek elnyomhatják a cél reakciótermékek felhalmozódását [7] .
Több olyan szonda is használható, amelyek fluoroforjai eltérő emissziós spektrummal rendelkeznek . Ebben az esetben lehetővé válik a különböző DNS-molekulákból származó jel regisztrálása egy csőben. A módszer neve többszörös PCR (eng. multiplex PCR ) [8] .
A módszer az amplifikációs termékkel komplementer DNS-próba bevezetésén alapul, a próba egyik végén fluoreszcens riporterrel és a másik végén fluoreszcens kioltóval. Amikor a kioltó a riporter közvetlen közelében van, elnyeli a jelet, és a riporter nem fluoreszkál . Az amplifikáció során a szonda integritása megszakad, és a riporter fluoreszcenciával detektálható lézeres gerjesztést követően. Ezért a termék mennyiségének növelése, amelyhez a riporter próba minden PCR ciklusban kötődik, a fluoreszcencia arányos növekedését okozza . A címkék fluoreszkálhatnak az elongációs fázisban vagy a PCR annealing fázisban [4] .
A szondára 5' és 3' végéről egy fluorofort és annak kioltóját varrják fel. Ha a próbaszekvencia nem túl hosszú, akkor még DNS-hez kötött állapotban is kölcsönhatásba lépnek egymással, és nem bocsátanak ki fluoreszcenciát. Az elongáció során a DNS-polimeráz , amely 5'-3'-exonukleáz aktivitással rendelkezik (gyakran használják Taq-polimeráz ), egy nukleotidonként disszociálja a próbát a cél DNS -től. A folyamat eredményeként mind a fluorofor, mind a kioltója bekerül az oldatba, ahol kicsi a valószínűsége, hogy a közelben találják ezeket az anyagokat, és helyreáll a fluoreszcencia [4] .
A valós idejű PCR-t széles körben használják számos laboratóriumi kutatási alkalmazásban. Ezenkívül ezt a módszert az orvostudományban (betegségek diagnosztizálására) és a biotechnológia területén (élelmiszerek és növényi anyagok mikroorganizmus - tartalmának meghatározására ; GMO -k kimutatására ) alkalmazták. A qPCR-t vírusok és más humán kórokozók genotipizálására és mennyiségi meghatározására is használják .
A qPCR-t a géntranszkripció kvantitatív mérésének egyik módszereként használják . Ezt a módszert széles körben használják egy adott gén expressziójában az idő múlásával bekövetkező változások értékelésére , például egy gyógyszer beadására vagy a környezeti feltételek változásaira adott válaszként. A génexpresszió számszerűsítése hagyományos DNS-detektáló módszerekkel megbízhatatlan. Az mRNS kimutatása Northern-blottal , gél -PCR-termékekkel vagy Southern-blottal nem teszi lehetővé a pontos mennyiségi meghatározást. Például egy tipikus PCR 20-40 ciklusán belül a DNS-termék mennyisége elér egy olyan platót, amely nincs közvetlenül összefüggésben a kezdeti PCR-ben szereplő cél- DNS mennyiségével [9] .
A valós idejű PCR két általánosan elterjedt módszerrel használható a nukleinsavak mennyiségi meghatározására: a relatív kvantifikációval és az abszolút kvantifikációval [10] . Az abszolút mennyiségi meghatározás megadja a cél - DNS - molekulák pontos számát egy standard görbe segítségével . Ezért fontos, hogy a minta és a standard PCR-je azonos amplifikációs hatékonysággal rendelkezzen . A relatív pontozás belső referenciagéneken ( háztartási gének ) alapul, hogy meghatározzák a célgén-expresszió közötti különbségeket. A mennyiségi meghatározást a komplementer DNS - ként értelmezett mRNS expressziós szintjének változásában fejezzük ki ( mRNS reverz transzkripcióval előállított cDNS ). A relatív kvantifikációt könnyebb elvégezni, mert nincs szükség kalibrációs görbére, mivel a vizsgált gén mennyiségét összehasonlítják a kontrollgén mennyiségével [11] .
qPCR a kis nukleáris RNS (snRNS) mennyiségének meghatározásáhozA kis nukleáris RNS -ek (snRNS-ek) tulajdonságaikban nagyon rövid hosszúságban különböznek az mRNS-ektől (körülbelül 22 nukleotid ), nincs konzervatív szekvenciájuk a végén, míg egy populáció snRNS-ei egy vagy több nukleotiddal eltérhetnek . Ezeknek a problémáknak a megoldására olyan megközelítéseket alkalmaznak, amelyek egy kis DNS -darab (linker) cDNS -hez való hozzáadására épülnek reverz transzkripciós reakcióban . Ezután a valós idejű PCR-t standard módszerekkel hajtják végre, primerekkel, (biológia)|komplementerek a linkerrel [12] .
Genomikai vizsgálatok ChIP-qPCR segítségévelA kromatin immunprecipitációt (ChIP) az RT-qPCR- rel kombinálva a genomikai kutatások alapvető módszerének tekintik, kereskedelmi elérhetősége és nagy pontossága lehetővé teszi a fehérje-DNS kölcsönhatások gyors és egyszerű elemzését. A ChIP-qPCR-t specifikus gének és potenciális szabályozó régiók, például promóterek vizsgálatára használják . Ezt a módszert jelenleg különféle tanulmányokban alkalmazzák, beleértve a sejtdifferenciálódást , a szuppresszorgén -csendesítést és a hisztonmódosítások hatását a génexpresszióra [13] .
A ChIP analízis a genomban jelenlévő lehetséges célpontoknak csak egy töredékét ragadja meg a keresztkötések hatékonyságának változatossága és az antitestek elérhetőségének térbeli korlátozása miatt [13] .
A ChIP-qPCR végrehajtásához hozzá kell adni a master mixet ( enzimek és nukleotidok keverékét ), a primereket és a templát DNS-t. Ebben az esetben pontosan meg kell választani a primerek koncentrációját a cél-DNS hatékony amplifikációjához. Vagy a ChIP DNS szolgál templátként, vagy negatív kontroll esetén üres gyöngyök DNS nélkül. Ezután meg kell választani a lágyítási ciklusok idejét és hőmérsékletét, és elindítani a PCR-t. Az eredményeket a qPCR eredményekhez hasonlóan elemezzük, összehasonlítva a bemeneti templát és a ChIP DNS templát ciklusszámának küszöbértékét (Ct) [3] .
A kvantitatív PCR-t olyan gének vagy DNS-fragmensek gyors azonosítására használják, amelyek fertőző betegségek , genetikai rendellenességek stb. markerei. Ennek a módszernek a klinikai laboratóriumokban történő bevezetése jelentősen javította a fertőző betegségek diagnosztizálásának minőségét [14] . Ezenkívül a qPCR-t eszközként használják az újonnan megjelenő betegségek kimutatására. Például az influenza új törzsei [15] .
A qPCR használata lehetővé teszi a vírusok , például a hepatitis B vírus kvantitatív mérését és genotipizálását (a törzsek jellemzését) is [16] . Nagy jelentősége van a fertőzés mértékének , amelyet a vírusgenom kópiáinak számában mérnek a beteg szövetegységére vonatkoztatva . Például az 1-es típusú herpes simplex vírus újraaktiválódásának valószínűsége a fertőzött ganglionok számától függ [17] .
A koronavírus-fertőzés gyanújával rendelkező betegeknél torokmintát vesznek, RNS -t extrahálnak, és RT-qPCR-rel elemzik . A célgének a nyitott leolvasási keret 1ab (ORF1ab) és a nukleokapszid fehérje (N). A 37-nél kisebb ciklusküszöböt (Ct-értéket) pozitív vizsgálati eredményként, a 40-es vagy annál nagyobb Ct-értéket negatív vizsgálati eredményként határozzák meg. Ezek a diagnosztikai kritériumok az Országos Vírusbetegségek Ellenőrzési és Megelőzési Intézet ajánlásain alapulnak [18] .
Az RT-qPCR teszt érzékenysége 83,3%, ez a teszt hajlamos hamis negatív eredményekre . Számítógépes tomográfiát is használnak a koronavírus diagnosztizálására , amelynek érzékenysége sokkal magasabb, és eléri a 97,2%-ot [19] .
A kvantitatív PCR-t széles körben alkalmazzák a tumorsejtek kimutatására szolid tumorokban [20] [21] és még a leukémia egyes formáiban is [22] [23] .
A qPCR segít a keringő daganatsejtek kimutatásában . Például a mellrák még mindig a leggyakoribb halálok a rákos betegek körében. Ezenkívül a halált gyakran a keletkezett áttétek okozzák . A metasztázisok annak eredményeként alakulnak ki, hogy a szaporodásra képes sejtek elválik a daganattól , bejutnak a véráramba és újra megtelepednek a test valamely részében. Ezeket a sejteket keringő őssejteknek (CSC-k) nevezik. Az ilyen sejtek jelenléte az emlőrákos betegek vérében általában a terápia kimenetelének és általában a túlélésnek rossz prognózisával jár, ezért nagyon fontos diagnosztikai paraméter. De a nagyon alacsony szám miatt a CVT azonosítása nehéz feladat.
A qPCR mint rendkívül érzékeny módszer pedig ennek a problémának a megoldására használható. A CST - k epiteliális eredetűek, és ezért egy bizonyos génkészletet fejeznek ki, amely különbözik az őket körülvevő vérsejtektől , amelyek mezenchimális eredetűek. A módszer alkalmazásához meg kell határozni a CST marker gének készletét és értékelni kell expressziós szintjét [24] .
A valós idejű PCR-t mikrobiológiai munkára is használják az élelmiszerbiztonság területén, a víz (ivóvíz és szennyvíz) minőségének felmérésére, valamint a közegészségügy területén [25] . Ezenkívül ezt a módszert a bél mikroflóra azonosítására használják [26] .
Az agráripar a gazdasági veszteségek megelőzése és a termékek eltarthatóságának növelése érdekében kórokozómentes magvakat és palántákat állít elő. Ezért olyan rendszereket fejlesztettek ki, amelyek kis mennyiségű fitoftórát ( Phytophthora ramorum ), oomycetet és néhány más kórokozót képesek kimutatni, amelyek elpusztítják a tölgyeket és más növényfajokat a gazdanövény DNS-ével keverve. A kórokozó és a gazdanövény DNS-e megkülönböztetésének képessége az egyes taxonokra jellemző ITS ( internal transcribed spacer) szekvenciák, a riboszomális RNS gén kódoló régiójában található belső átíródó régiók amplifikációján alapul [27]. ] .
A qPCR ( fordított transzkripciót használva ) felhasználható genetikailag módosított szervezetek kimutatására , mivel érzékenyebb, mint sok más módszer. Ebben az esetben specifikus primereket használnak a vektor létrehozási folyamatában használt promoter, terminátor vagy intermedier szekvenciák amplifikálására . Mivel a transzgénikus növény létrehozásának folyamata általában a transzgén egynél több másolatának beépítését eredményezi , mennyiségét általában qPCR segítségével becsülik meg. Ebben az esetben ezt a gént egyetlen példányban tartalmazó növényt használjuk kontrollként [28] [29] .