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PCR
荧光定量pcr是一种相对准确的定量pcr的方法，可用于mRNA 、MicroRNA、circRNA、lncRNA等表达量分析。
本文介绍了荧光定量PCR实验过程中引物设计原则、探针设计原则、引物退火温度、模板浓度、残余污染等各个方面的一些细节对荧光定量PCR实验结果的影响，掌握这些知识将有助于我们做好荧光定量PCR实验。
相关实验资料：荧光定量PCR（Real Time PCR）原理及用途
如何做好荧光定量PCR？以下这些知识你要知道！
1.目的基因的查找和比对
目的基因一般由NCBI数据库查询可靠的序列，在此不做过多叙述。
2.引物和探针设计
引物设计原则：
a) 引物与模板序列要遵从紧密互补的原则
b) 引物相互之间应避免形成稳定的二聚体或发夹结构
c) 在模板的非目的位点，引物不能引发DNA错配现象
d) 引物长度更适合在20-25bp之间，Tm值在55-65℃，CG含量应在40%-60%，产物大小应在100-250bp之间
e) 引物3’端应避免出现3个连续碱基；引物3’端避免使用碱基A
f) 跨内含子设计引物（跨两个为宜）
探针设计原则：
1) 探针位置尽可能靠近上游引物
2) 探针的5’端应避免使用碱基G
3) 整条探针中碱基C的含量要明显高于碱基G
4) 探针长度通常在20-30bp，Tm值在65-70℃（通常比引物高5-10℃），CG含量应在40%-70%
为了更高效的设计出适合用于荧光定量PCR的引物和探针，我们可以使用引物设计软件。因为大多数引物设计软件均包含引物/探针的Tm值、互补性、二级结构以及扩增子大小等重要因素的可调节参数。
3.引物退火温度
引物的一个重要参数是熔解温度（Tm）。这是当50％的引物和互补序列表现为双链DNA分子时的温度。Tm对于设定PCR退火温度是必需的。在理想状态下，退火温度足够低，以保证引物同目的序列有效退火，同时还要足够高，以减少非特异性结合。合理的退火温度从55℃到70℃。退火温度一般设定比引物的Tm低5℃。
设定Tm有几种公式。确定引物Tm最可信的方法是近邻分析法。大部分计算机程序使用近邻分析法——从序列一级结构和相邻碱基的特性预测引物的杂交稳定性。所有oligo软件会自动计算引物的Tm值。在设置退火温度时可以如下进行：以低于估算的Tm5℃作为起始的退火温度，以2℃为增量，逐步提高退火温度。较高的退火温度会减少引物二聚体和非特异性产物的形成。为获得zui佳结果，两个引物应具有近似的Tm值。引物对的Tm差异如果超过5℃，就会由于在循环中使用较低的退火温度而表现出明显的错误起始。如果两个引物Tm不同，将退火温度设定为比最低的Tm低5℃。或者为了提高特异性，可以在根据较高Tm设计的退火温度先进行5个循环，然后再根据较低Tm设计的退火温度进行剩余的循环。这使得在较为严谨的条件下可以获得目的模板的部分拷贝。
4.引物浓度
引物的浓度会影响特异性。最佳的引物浓度一般在0.1到0.5μM。较高的引物浓度会导致非特异性产物扩增。为了确定引物浓度，可以在260nm（OD260）测量光密度值。然后使用光吸收值和微摩消光系数的倒数（nmol/OD），通过Beers法则（公式1）计算引物浓度。微摩消光系数可以使用公式2计算。与大分子双链DNA可以使用平均消光系数不同，确定引物的精确浓度必须使用计算的消光系数。这是因为引物较短，碱基组成差异很大。在oligo软件上可以计算出引物的的消光系数（OD/μmol）和消光系数的倒数（μmol/OD）。
一般商业合成的引物以O.D.值表示量的多少，在一般情况下，20个碱基长的引物，1个O.D.加100ul水后引物浓度为50pmol/ul（50μM）。也可以用OLIGO软件，根据引物的的消光系数（OD/μmol），计算出一定的工作浓度下，引物的加水量。
浓度（μM）＝A260（OD/ml）×稀释系数×消光系数的倒数（nmol/OD）
举例：计算某寡核苷酸（溶于1ml水中），取其中的10μl稀释100倍（加入990μl）水中。在A260处测吸光度为0.2。计算消光系数的倒数为4.8 nmol/OD，代入得：
浓度＝0.2（OD/ml）×100×4.8（nmol/OD）＝96nmol/ml＝96μM
5.引物、探针的纯度和稳定性
定制引物的标准纯度对于大多数PCR应用是足够的。部分应用需要纯化，以除去在合成过程中的任何非全长序列。这些截断序列的产生是因为DNA合成化学的效率不是100％。这是个循环过程，在每个碱基加入时使用重复化学反应，使DNA从3"到5"合成。在任何一个循环都可能失败。较长的引物，尤其是大于50个碱基，截断序列的比例很大，可能需要纯化。
引物产量受合成化学的效率及纯化方法的影响。定制引物以干粉形式运输。最好在TE重溶引物，使其最终浓度为100μM。也可以用双蒸水溶解。
引物的稳定性依赖于储存条件。应将干粉和溶解的引物储存在-20℃。以大于10μM浓度溶于TE的引物在-20℃可以稳定保存6个月，但在室温（15℃到30℃）仅能保存不到1周。干粉引物可以在-20℃保存至少1年，在室温（15℃到30℃）最多可以保存2个月。
探针即寡核苷酸进行荧光基团的标记，标记本身有效率的区别。探针标记以后一般应该纯化，纯度高、标记效率高的探针不仅荧光值高，且保存时间可以高达一年以上。不同的生物技术公司探针标记效率和纯度有很大的区别。
由于反复冻融易导致探针降解，在确认探针质量好的情况下，最好稀释成2uM（10×），作为工作浓度分装多支，避光保存。
6.热启动
热启动PCR是除了好的引物设计之外，提高PCR特异性最重要的方法之一。尽管Taq DNA聚合酶的最佳延伸温度在72℃，聚合酶在室温仍然有活性。因此，在进行PCR反应配制过程中，以及在热循环刚开始，保温温度低于退火温度时会产生非特异性的产物。这些非特异性产物一旦形成，就会被有效扩增。在用于引物设计的位点因为遗传元件的定位而受限时，如定点突变、表达克隆或用于DNA工程的遗传元件的构建和操作，热启动PCR尤为有效。
限制Taq DNA聚合酶活性的常用方法是在冰上配制PCR反应液，并将其置于预热的PCR仪。这种方法简单便宜，但并不能完全抑制酶的活性，因此并不能完全消除非特异性产物的扩增。
热启动通过抑制一种基本成分延迟DNA合成，直到PCR仪达到变性温度。包括延缓加入Taq DNA聚合酶在内的大部分手工热启动方法十分烦琐，尤其是对高通量应用。其他的热启动方法使用蜡防护层将一种基本成分，如镁离子或酶，包裹起来，或者将反应成分，如模板和缓冲液，物理地隔离开。在热循环时，因蜡熔化而把各种成分释放出来并混合在一起。像手动热启动方法一样，蜡防护层法比较烦琐，易于污染，不适用于于高通量应用。
7.镁离子浓度
镁离子影响PCR的多个方面，如DNA聚合酶的活性，这会影响产量；再如引物退火，这会影响特异性。dNTP和模板同镁离子结合，降低了酶活性所需要的游离镁离子的量。zui佳的镁离子浓度对于不同的引物对和模板都不同，但是包含200μM dNTP的实时定量PCR，使用3到5mM带有荧光探针的镁离子溶液（普通PCR是1.5mM）。较高的游离镁离子浓度可以增加产量，但也会增加非特异性扩增，降低忠实性。为了确定最佳浓度，普通PCR从1mM到3mM，以0.5mM递增，进行镁离子滴定。为减少对镁离子优化的依赖，可以使用Taq酶。
8.模板质量
模板的质量会影响产量。DNA样品中发现有多种污染物会抑制PCR。一些在标准基因组DNA制备中使用的试剂，如SDS，在浓度低至0.01％时就会抑制扩增反应。分离基因组DNA较新的方法包括了DNAZol，一种胍去垢剂裂解液，以及FTA Gene Guard System，其可以同基质结合，在血液及其他生物样品中纯化贮存DNA。应注意进行PCR反应的模板质量，以增加PCR 反应的成功率。
9.模板浓度
起始模板的量对于获得高产量很重要。对大多数PCR扩增和荧光PCR扩增，104到106个起始目的分子就足以观测到好的荧光曲线（或在溴化乙锭染色胶上观察到）。所需的zui佳模板量取决于基因组的大小（下表）。举例说，100ng到1μg的人类基因组DNA，相当于3×104到3×105个分子，足以检测到单拷贝基因的PCR产物。质粒DNA比较小，因此加入到PCR中的DNA的量是pg级的。对于一般的检测样品，10－100ng的量就足够检测了。当然对模板做一个梯度稀释，对于定量PCR而言是非常容易，且能分析扩增效率。
基因组大小和分子数目的比例：
| 基因组DNA |
Size(bp)* |
Target Molecules/µg of Genomic DNA |
Amount of DNA（µg） for -10^5 Molecules |
|
E. coli |
4.7×106 |
1.8×108 | 0.001 |
|
Saccharomyces cerevisiae |
2.0×107 |
4.5×107 |
0.01 |
|
Arabidopsis thaliana |
7.0×107 |
1.3×107 |
0.01 |
|
Drosophila melanogaster |
1.6×108 |
6.6×105 |
0.5 |
|
Homo sapiens |
2.8×109 |
3.2×105 |
1.0 |
|
Xenopus laevis |
2.9×109 |
3.1×105 |
1.0 |
|
1.0Mus musculus |
3.3×109 |
2.7×105 |
1.0 |
|
Zea mays |
1.5×1010 |
6.0×104 |
2.0 |
|
pUC 18 plasmid DNA |
2.69×103 |
3.4×1011 |
1×10-6 |
10.防止残余污染
PCR易受污染的影响，因为它是一种敏感的扩增技术。小量的外源DNA污染可以与目的模板一块被扩增。当前一次扩增产物用来进行新的扩增反应时，会发生共同来源的污染。这称之为残余污染。从其他样品中纯化的DNA或克隆的DNA也会是污染源（非残余污染）。
可以在PCR过程中使用良好的实验步骤减少残余污染。使用带滤芯的移液管可以阻止气雾剂进入eppendorf管内。为PCR样品配制和扩增后分析设计隔离的区域，在准备新反应前更换手套。总是使用不含有模板的阴性对照检测污染。
使用预先混合的反应成分，而不是每个反应的每个试剂单独加入。
一种防止残余污染的方法是使用尿嘧啶DNA糖基化酶（UDG）。这种酶（也称为尿嘧啶-N-糖基化酶或UNG）移除DNA中的尿嘧啶。在扩增过程中将脱氧尿嘧啶替换为胸腺嘧啶使得可以把前面的扩增产物同模板DNA区分开来。因为前面的扩增产物对UDG敏感，所有可以在PCR前对新配制的反应用UDG处理以破坏残余产物。
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