總的說來,熒光檢測技術(shù)可大致分為兩大類:通用型的熒光染料檢測法和高特異性的熒光探針法。前者主要是利用熒光染料(如SYBR Green I)與雙鏈DNA分子結(jié)合發(fā)光的特性來指示擴增產(chǎn)物的增加,優(yōu)點是:無需另外設(shè)計熒光探針,無需特別優(yōu)化條件,簡便易行,成本較低,能適用于任何一款定量PCR儀,缺點是專一性不如探針法;而后者則利用熒光標(biāo)記的特異性探針或者引物來識別模版,優(yōu)點是特異性更高,適用于擴增序列專一檢測(見下表),不過增加了熒光探針的成本。
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性質(zhì) |
特異性 |
通用性 |
探針 |
非特異性檢測 |
熒光染料 |
SYBR |
可逆熒光 |
引物(非特異性擴增或引物二聚體有影響) |
通用 |
不需要 |
擴增序列專一檢測 |
熒光探針法 |
Taqman(包括MGB技術(shù)) |
積累熒光 |
引物+ 探針 |
專用 |
需要 |
FRET |
一般 |
實時熒光 |
引物+雙探針 |
專用 |
需要 |
Amplisensor |
分子信標(biāo)(molecular beacon) |
積累熒光 |
引物+ 探針 |
專用 |
需要 |
熒光標(biāo)記引物 |
蝎型引物(scorpion primer) |
積累熒光 |
引物 |
專用 |
不需要 |
Amplifluor |
積累熒光 |
引物 |
通用 |
不需要 |
除了以上這些,還有雙探針系統(tǒng)(bi-probe system)、BODIPY FL標(biāo)記探針、Light- up探針、iFRET(induced fluorescence resonance energy transfer) 技術(shù)、Qzyme 探針和Magiprobe等等。
這么多種熒光標(biāo)記方法,在選擇的時候當(dāng)然要根據(jù)各人實驗設(shè)備、實驗?zāi)康囊约皩嶒炓,還有經(jīng)費來判斷了。
熒光染料
對于專一性要求不高的實驗,或者是大規(guī)模高通量的實驗,使用方便、花費較小的熒光染料可以作為你初步的選擇對象。老實說,熒光染料法實質(zhì)上無非就是常規(guī)的PCR反應(yīng)中添加了熒光染料,借助染料和雙鏈DNA的結(jié)合所發(fā)出的熒光實時監(jiān)控反應(yīng)的進(jìn)程。由于不需要設(shè)計序列特異性探針和優(yōu)化反應(yīng)條件,價格低廉,通用性強,而且熒光染料法可用于任何一種型號的定量PCR儀,因而同樣得到廣泛采用。熒光染料法的專一性和PCR沒有本質(zhì)的區(qū)別---但是作為“失之毫厘,謬之千里”高度精確的實驗,你依然可以選擇更好的熒光染料、更嚴(yán)謹(jǐn)專一的PCR酶、更好的緩沖體系來提高反應(yīng)的可靠程度。
在熒光染料法的定量PCR反應(yīng)試劑中,最常用的是SYBR Green I,這種高靈敏度,較低毒性的核酸染料最大激發(fā)波長497nm,最大發(fā)射波長是520nm,在結(jié)合雙鏈DNA分子后熒光增強800-1000倍,靈敏度較EB更高,毒性較EB低,可避免EB對于小分子量DNA靈敏度較低,而在監(jiān)測大分子量DNA區(qū)域可能會出現(xiàn)背景色等等弱點,因此經(jīng)過時間的篩選漸漸成為了定量PCR熒光染料的“當(dāng)家花旦”。
在PCR反應(yīng)體系中,加入過量SYBR Green I熒光染料,SYBR熒光染料摻入DNA雙鏈后熒光信號顯著增強;當(dāng)DNA變性時SYBR Green I染料釋放出來,熒光急劇減少;隨后在聚合延伸過程中引物退火并形成PCR產(chǎn)物,SYBR Green染料與雙鏈產(chǎn)物結(jié)合,經(jīng)檢測獲得熒光的凈增量。熒光信號的增加與PCR產(chǎn)物的增加完全同步。
熒光染料可以在反應(yīng)末尾對擴增產(chǎn)物進(jìn)行溶解,稱為溶解曲線分析。在溶解曲線分析過程中,隨著溫度從低于產(chǎn)物溶解點緩慢升到高于產(chǎn)物溶解點,定量PCR儀連續(xù)監(jiān)測每個樣品的熒光值;诋a(chǎn)物長度和G/C含量的不同,擴增產(chǎn)物會在不同的溫度點解鏈。隨著產(chǎn)物的解鏈就可以看到熒光值的降低并被儀器所測量。對溶解曲線進(jìn)行微分可以計算出溶解峰。溶解峰可以反映反應(yīng)中擴增到的產(chǎn)物,因此用溶解曲線數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行定量監(jiān)督了。
SYBR的主要優(yōu)勢:
安全性:SYBR染料的致突變性遠(yuǎn)低于EB數(shù)倍甚至數(shù)十倍(取決于不同受檢物種或株系)
超高靈敏度:具有1000倍以上的熒光增強效果和0.6的量子產(chǎn)量;與此相比,EB只有大約30倍的熒光增強效果和0.15的量子產(chǎn)量。因此,SYBR Gold檢測核酸的靈敏度是EB的十倍以上。(這主要是因為SYBRGreen是和DNA小溝結(jié)合,而EB則是嵌入到堿基之間)
使用電泳后染色程序可提高靈敏度,而滲透入凝膠的速度極快。
通用性:可在各種類型的凝膠如高濃度瓊脂糖、乙二醛瓊脂糖、甲酰胺瓊脂糖、聚丙烯酰胺和尿素-聚丙烯酰胺凝膠中檢測雙鏈DNA。
簡便易用:只須將凝膠在染色液中保溫10-40分鐘(取決于凝膠的厚度和濃度),無須脫色,背景極低。
與其他分子生物學(xué)技術(shù)兼容:對酶切、連接和PCR反應(yīng)都沒有影響。
與常規(guī)儀器兼容:可用300-495nm的任何類型的光源激發(fā)。
適合高通量大規(guī)模的定量PCR檢測。
使用濃度對熒光PCR結(jié)果的影響:
SYBR Green I 的使用濃度是影響實驗成功與否的關(guān)鍵因素,如果SYBR Green I的濃度不飽和會使熒光信號不能反應(yīng)產(chǎn)物量的變化。而過高濃度則會抑制PCR反應(yīng),降低PCR反應(yīng)效率。通常試劑盒會有比較現(xiàn)成的方案。提高鎂離子濃度可以降低SYBR Green I對PCR反應(yīng)的抑制作用。在用SYBR Green I進(jìn)行熒光PCR反應(yīng)時, 鎂離子濃度要比無SYBR Green I 的普通 PCR 反應(yīng)要高(0.5-2mM)。
缺點:
然而雖然SYBR Green熒光染料可以用來監(jiān)測各種雙鏈DNA序列的擴增,靈活性高是它的優(yōu)點,但是正如一個硬幣有兩面,通用性高就意味著專一性低,由于熒光染料可以和任何雙鏈DNA結(jié)合,因此DNA引物二聚體(primer-dimers)或其它非特異擴增產(chǎn)物(spurious PCR)可以對定量結(jié)果產(chǎn)生干擾(導(dǎo)致低Ct值),同時也降低了反應(yīng)的專一性和可重復(fù)性---而這一點對于定量PCR分析十分重要。
舍不得SYBR Green I的方便、通用、便宜的優(yōu)點,又希望提高其專一性,許多人做了不少嘗試:比如仔細(xì)的設(shè)計引物和純化模板、比如使用能分析產(chǎn)物熔解曲線的軟件可以解決引物二聚體的問題選擇,還有就是采用嚴(yán)格熱啟動的擴增酶減少非特異擴增、采用特定的緩沖系統(tǒng)減少引物二聚體和錯配形成、采用修飾堿基減少二級結(jié)構(gòu)或者改變穩(wěn)定性、在Tm值以上進(jìn)行熒光測定減少引物二聚體的影響等等。提高PCR的特異性已經(jīng)是老大難問題了,對于貪圖方便、便宜的實驗新手來說不一定能考慮周全,這也就是為什么許多希望能通過在普通PCR基礎(chǔ)上摸索條件,自己完成定量PCR檢測的研究人員發(fā)現(xiàn)結(jié)果不理想的主要原因之一。因此,不少生物技術(shù)公司針對熒光染料特異性缺點使出了各家的法寶,提出了有建設(shè)性和有新意的解決方案也讓這個熒光檢測技術(shù)繼續(xù)煥發(fā)光彩。