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重读经典,MIQE 指南解读系列-5 反转录和 qPCR​

重读经典,MIQE 指南解读系列-5 反转录和 qPCR​ 广州市昊洋贸易有限公司
2023-09-21
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续前文:

《重读经典,MIQE指南解读系列-4  两大应用、样本和样本质量》

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反转录

反转录过程会给 RT-PCR 分析带来巨大的变异。因此,提交文章时必须详细说明 RNA 转化为 DNA 所采用的实验方案和试剂,包括被反转录的 RNA 的量、引物、酶的类型、酶的用量、温度和反应时间。反转录过程最好在相同的 RNA 浓度下进行 2-3 次重复,以保障实验结果的准确性。

小编有话说:

反转录的重要性不言而喻,但 MIQE 指南似乎只是一笔带过,这里有必要补充一些有关反转录的关键内容供参考或思考:


1、反转录引物策略:


只用 Oligo dT primer, 5’ 端序列 cDNA 的产量较低,不同区域的引物得到的数据有差异

用随机引物,非目标基因 cDNA 太多,可能会影响低丰度基因扩增

推荐使用 Oligo (dT) 引物和随机引物结合的策略,扩增引物设计区域灵活,3’ 端还是 5’ 端区域均可考虑



2、反转录酶:RNase H+ vs RNase H-


RNase H- RT 酶可产生更长的 cDNA 并提高产量,但是这对于 RT-qPCR 并不重要,因为 qPCR 扩增产物一般在 75bp~250bp,而且 RNase H- 的逆转录酶可以合成多拷贝的 cDNA,这是会导致模板基因表达量的失真,因此 RNase H- 会改变 cDNA 比例,引起误差;另外为提高灵敏度,某些情况下 RNase H- RT kits 需要额外的 RNase H 处理步骤,增加了 RT 时间和污染的风险。

具有 RNase H+ 活性的逆转录酶在 cDNA 合成过程中只降解 mRNA :即 cDNA 杂交链中的 mRNA,仅保留合成的 cDNA,因此 cDNA 的比例与原始样本尽可能的保持一致,也就能实现无偏倚的反转录。



3、反转录效率:


通过 RNA 梯度稀释实验可验证反转录效率的一致性(同一个基因 RNA 在不同样品间表达水平可能有高有低,无论表达量高低,反转录效率一致 qPCR 的结果才能真正反映 RNA 水平)。

具体做法是:制备一系列的 total RNA  稀释梯度并进行反转录,得到一系列 cDNA①,再对浓度最高的 cDNA 进行梯度稀释 ②,将 cDNA① 和 ② 进行 qPCR,之后以浓度和 Cq 做标准曲线图,比较二者的 RT 效率。




8


qPCR

发表 qPCR 文章时必须提供以下信息:

每个目的基因和参考基因的数据库检索编号;

每个引物和探针的外显子位置:

寡核苷酸的序列和浓度,包括染料或被修饰的碱基的性质、位置和连接;

聚合酶的浓度和性质;

模板 DNA 或 CDNA 的量;

镁离子的浓度;

缓冲盐中精确的化学组成(盐、pH 值和添加剂)及反应体积;

qPCR 仪和 PCR 温度循环条件。

塑料耗材:由于使用的塑料耗材会影响热循环,因此需要明确所用的每个 PCR 管、多联管或 PCR 板及制造商。还需要提供塑料耗材的透明度(如白色或透明)信息,因为不同的塑料对荧光的反射和敏感性不同。若使用 PCR 板,还应该记录密封方法(热合还是粘合),因为密封方法可能会影响板周边样品的蒸发。

由于 PCR 技术的扩增效率高度依赖于所用的引物,因此应提供引物的序列。即便使用市场上购买的引物,这项规定也是完全可行的,因为各公司的引物和探针序列均公布于网上( http://www. primerdesign.co. uk/research_with integrity. asp ) 。

此外,大力鼓励将信息提交到公共数据库如 RTprimer DB。随着时间的推移,这些数据库将会成为大众交流中心。



小编有话说:

小编有话说:许多商用 qPCR 检测方法不提供引物/探针序列,因为大多数供应商认为此类信息属于商业敏感信息,所以在2011年对MIQE指南中的这部分进行了更新,详见 https://doi.org/10.1373/clinchem.2011.162958

具体而言:如果没有披露引物序列,符合 MIQE 标准的出版物应提供以下所有信息:


01

商业供应商提供 assay 的标识信息。


02

提供 qPCR 检测的特定扩增子上下游序列。该信息最好通过对目标 PCR 扩增子测序获得;或者,也可由供应商提供或由作者近似获得(图 1)。


03

研究人员应在自己的实验室条件下,针对所报告的真实检测方法来核实/验证这些信息;而不应从供应商验证的商业检测方法中推断。

如何识别 PCR 扩增子上下游序列的例子


二级结构

8.1

核酸靶序列的结构(如 RNA 的茎环二级结构)对反转录和 PCR 的效率有重要影响。因此,引物的位置、探针和 PCR 扩增都必须考虑  RNA 模板空间折叠的问题。相关序列可用核酸折叠软件进行检查,如将 “mfold” 用于 DNA ( http://mfold. bioinfo. rpi. edu/cgibin/dna-forml. cgi)或 RNA ( http://frontend. bioinforpi. edu/applications/mfold/cgi-bin/rna-forml-2. 3. cgi)。最好能将折叠结构提供给评阅人员。

特异性

8.2

生物信息学工具如 BLAST 软件或等效的特异性搜索工具对实验设计非常有用。应将任何明显的同源性假基因或其他未知靶标记录在案,并和比对序列一并提供给评阅人员,但特异性必须通过直接的实验数据进行验证(如电泳凝胶、熔解曲线、DNA 测序、扩增子大小和/或限制性酶切)。

立秋时节

能够预测核苷酸熔融温度(或称解链温度 Tm)的算法对实验的最初设计很有用,但最佳的退火温度必须经实验测定。虽然现在不流行对引物本身进行优化,但较差的退火优化对分析质量有很明显的影响。引物二聚体的大量存在,会得到较低的 PCR 反应效率,还可能使基于  SYBR Green I(高灵敏的 DNA 荧光染料)的分析产生假阳性结果。发表文章时应向审稿人提供引物优化的一些证据,最好以退火温度或镁离子梯度的形式提供,并以 Cq 值、荧光与循环数图和/或熔解曲线的形式呈现。



小编有话说:

此外建议每次运行中各对引物都应包括无模板对照 ( NTC ) 重复以便检测缓冲液和溶液是否有 DNA 污染和引物二聚体。



质控品和定量校准品

8.3

在 RT-qPCR 分析中除了上述的无反转录质控品(NRT)外,其他的质控品和定量校准品也必不可少。在使用探针时,无模板质控品 (NTC) 可检测潜在的 PCR 污染,还可将 SYBR Green I 反应中的非预期扩增产物(如引物二聚体)与预期 PCR 产物区分开来。每一块反应板或每批样本中都要有 NTC,并且要确立数据排除标准。例如,若最低浓度的未知样本的 Cq 值为 35,可忽略 Cq 值≥40 的 NTC 的数据。

阳性对照(从实验样品中提取的核酸)有助于监测检测结果随时间的变化,在每次运行中不进行标准曲线时,阳性对照是必不可少的。

立秋时节

定量校准品可以是纯化的靶分子,例如涵盖完整 PCR 扩增子的合成 RNA 或 DNA 寡核苷酸、质粒 DNA、克隆到质粒中的 cDNA、体外反转录的 RNA、参考 RNA 库、来自特定生物样品的 RNA 或 DNA,或国际公认的 生物标准品(当可用时)。可以用特定浓度的 tRNA(酵母或大肠杆菌,浓度为10–100ng/L)稀释校准品。若进行人类病原体检测,可将校准品用 RNA 或 DNA 的阴性质控品稀释,或用健康人血浆稀释,并在 tRNA 载体的存在下对血浆稀释品进行裂解。对特定模板,可制备一系列稀释储备液以应对多个冰冻-解冻循环过程。若测得的 Cq 值改变了0.5 ~1.0,则应制备一批新的校准品。另外,用作标准曲线的校准品可在 4℃ 下储存1周。

在临床诊断分析上,qPCR 应有独立的被验证过的校准品,如果可能的话,校准品的值应处于分析的线性范围以内。建议使用经提取的阳性和阴性质控品。

分析性能

8.4

必须测定以下检测性能特点:PCR 扩增效率、线性动态范围、LOD 和精密度。

Part 01.PCR扩增效率

强大和精确的 qPCR 检测方法通常具有高 PCR 扩增效率的特点。在报告目的基因相对于参考基因的 mRNA 浓度时,PCR 效率是非常重要的。ΔΔCq 该方法是确定样本间浓度差异的最常用方法之一,其基础是相对参考基因进行归一化。如果计算出目的基因与参考基因 Cq 值的差异 (ΔCq),就可以将不同样本的ΔCq值直接进行比较。值得注意的是,两种基因的扩增效率必须相当,这样的比较才准确。需要注意:最流行的方法不一定是最合适的,也有其它的定量模型用于校正扩增效率的差异、使用多个参考基因。

PCR 扩增效率必须通过标准曲线法建立,因为标准曲线法简单、快速、重现好,保证了 PCR 的平均反应效率、分析灵敏度和检测方法的稳固性。扩增效率要通过标准曲线线性部分的斜率计算,具体计算公式为:PCR 效率 = 10-1/slope-1,即以初始模板浓度的对数为X轴(自变量),以 Cq 值为 Y 轴(因变量)作图。理论上效率的最大值为1.00(或100%),此值表明每次循环后的产物量加倍。理想情况下,所报道的平均 PCR 效率的 CI (可信区间)或 SE (误差)值应该通过两次标准曲线法得到。

发表文章时,除了要提交每个定量靶标的标准曲线外,还要提供标准曲线的斜率和在 Y轴上的截距。PCR 效率的差异会产生不同斜率的标准曲线。随着模板量的变化,目的基因和参考基因 Cq 值的差异并非固定不变,因此,按照固定 Cq 值计算得到的相对浓度是不准确的,可能会产生误导性结果。

Cq 值 ≥40 是可疑的,因为这意味着扩增效率很低,建议不要报告。然而随意设定 Cq 临界值的做法是不科学的,因为这些值可能很低(漏掉了有效的结果)也可能很高(增加假阳性结果)。


Part 02.线性动态范围:

PCR 反应的动态范围应该呈线性,即最高或最低的定量拷贝数应该通过平均标准曲线法得到,提交的文章应该包括线性动态范围。标准曲线的产生依赖于所使用的模板,动态范围应跨越至少3 个数量级,最好跨度在5 或6 个 log10浓度范围内。标准曲线的线性区间必须包括靶标核酸的定量范围。由于定量下限的界定往往很混乱,因此应该报告提交文章中所谓线性范围内最低浓度处的变异。另外还必须报告线性相关系数(R2值),并且最好提供整个线性动态范围内的CI值。


Part 03.检测限

检测限定义为能够检测到95%的阳性标本的最低浓度。换言之,将浓度在 LOD 水平处的待测样本进行多次重复测定,测得无效结果的概率小于5%。低拷贝 PCR 的出现是随机有限的,而且不可能发生单次 PCR 的 LOD 值小于3个拷贝数的情况。然而,如果进行多次反应,则可通过数字 PCR 获得低浓度范围的准确定量。事实上可将浓度校准品进行有限稀释,并按照泊松分布计算 PCR 反应的失败率和成功率。


Part 04.精密度:

引起 qPCR 变异的因素很多,包括影响退火和变性的温度差异、取样误差导致的浓度变异和随机误差。qPCR 的精密度主要受浓度影响,并随拷贝数增加而降低。最好进行多次重复测定并以 SD 误差线形式表示的批内变异(重复性)和标准曲线的CI(可信区间)在图中标示出来。变异系数 CV 不能用来描述 Cq,但可用来表示拷贝数或浓度的变异。技术引起的变异应区别于生物学变异。生物重复可直接解决组间或不同处理之间 qPCR 结果差异的统计学意义问题。对于诊断分析,还需要报告不同地点和不同操作者的批间精密度(重现性)。


Part 05.多重 qPCR

多重 qPCR 大大扩展了qPCR 的能力,尤其在同时检测多位点突变或多态性分析方面。多重qPCR需要提供证据证明单管中多个靶标的准确定量不会受到相互影响,例如需要证明在多重PCR下的扩增效率、LOD与单一PCR反应下保持一致。当丰度明显较低的靶标与丰度较高的靶标共同扩增时,这一问题尤为重要。



小编有话说:

成功的多重实验源于周密的实验设计和反应条件的优化, 而不是在同一反应管中将所有引物和模板简单的混合, 因为在一个反应管中, 任何一个靶标的扩增都能影响其它靶标的扩增。关于这个话题我们后续会继续介绍。




写在最后

Tips:


未完待续,敬请关注“重读经典,MIQE 指南解读系列”,下期见~



1、Bustin SA, Benes V, Garson JA, Hellemans J, Huggett J, Kubista M, Mueller R, Nolan T, Pfaffl MW, Shipley GL, Vandesompele J, Wittwer CT. The MIQE guidelines:minimum information for publication of quantitative real-time PCR experiments. Clin Chem. 2009 Apr;55(4):611-22. doi:10.1373/clinchem.2008.112797. Epub 2009 Feb 26. PMID:19246619.



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