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分子生物学.md

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分子生物学技能之--引物设计篇

通常我们得到一个感兴趣的基因之后会进行全长基因的扩增,首先就要设计扩增引物来获取目的基因片段。

引物(英文:primer)是一小段单链DNARNA,作为DNA复制的起始点,存在于自然中生物的DNA复制(RNA引物)和聚合酶链式反应(PCR)中人工合成的引物(通常为DNA引物)。

PCR引物设计

1、引物长度一般在15-30bp

2、引物GC含量一般为40%-60%

4、引物3’端的碱基一般不用A

5、引物3’端出现3个以上的连续碱基,如GGG或CCC,也会使错误引发机率增加。

6、引物3’端的互补、二聚体或发夹结构也可能导致PCR反应失败。

7、引物5’端可以修饰

8、碱基要随机分布,且引物自身和引物之间不能有连续4个碱基的互补。

9、至少跨越一个外显子设计引物

在抽提RNA的过程中,样本中的基因组DNA污染会显著影响最终的结果,虽然可以使用DNase I进行处理将RNA样本中的中DNA降解掉,但是很难保证DNA降解完全。当然这需要你知道基因的具体结构。

引物设计网站

primer-blast

primer3plus

还有很多。。。

分子生物学技能之—qPCR

A real-time polymerase chain reaction (real-time PCR), also known as quantitative polymerase chain reaction (qPCR), is a laboratory technique of molecular biology based on the polymerase chain reaction(PCR). It monitors the amplification of a targeted DNA molecule during the PCR (i.e., in real time), not at its end, as in conventional PCR. Real-time PCR can be used quantitatively (quantitative real-time PCR) and semi-quantitatively (i.e., above/below a certain amount of DNA molecules) (semi-quantitative real-time PCR).

在实时荧光定量 PCR 中,每次循环结束后通过荧光染料检测 DNA 的量,荧光染料产生的荧光信号与生成的 PCR产物分子 (扩增片段) 数直接成正比。

实时荧光定量 PCR 仪通过绘制荧光与循环数曲线,生成扩增曲线,表示在整个 PCR 反应过程中积聚的产物。

实时荧光定量 PCR 的优点包括:

• 能够实时监控 PCR 反应的进程

• 能够精确测定每个循环的扩增片段数量,从而对样本中的起始材料量进行准确定量

• 具有更大的检测动态范围

• 在单管中实现扩增和检测,无需 PCR 后处理

基础知识

==基线==

实时荧光定量 PCR 反应的基线是指在 PCR 的最初几个循环中 (一般为第 3 至 15 个循环) 的信号水平,此阶段的荧光信号变化极小。低水平的基线信号相当于反应的背景或“噪声” 。

==阈值==

实时荧光定量 PCR 反应的阈值信号水平较计算出的基线信号水平有显著增加 。设置阈值可将相关扩增信号从背景中区分出来。

==Ct (阈值循环)==

阈值循环 (Ct) 是反应的荧光信号与阈值交叉的循环数。Ct值可用于计算起始 DNA 拷贝数,因为 Ct 值与起始靶点量呈反比。

==标准曲线==

利用连续稀释的已知样本建立标准曲线,确定实验样本的目的模板起始量,或者评估反应效率。以已知的连续稀释浓度的对数为横坐标 (x 轴),该浓度对应的 Ct 值为纵坐标 (y 轴),绘制曲线。

  • 相关系数(R2)

相关系数可用于表示数据与标准曲线之间的契合度。R2 值反映了标准曲线的线性度。在理论上,R2 = 1,但 0.999 一般为最大值。

  • Y-截距

y-截距表示反应的理论最低检测限,或者 x 轴上的最低拷贝数的靶分子产生明显扩增时的预期 Ct 值。尽管 PCR 在理论上能够检测单拷贝靶点,但在实时荧光定量 PCR 应用中能可靠定量的最低靶点量通常为 2–10 拷贝。

  • 指数期

在指数期的早期,而不是指数期的晚期或反应达到平台时进行实时荧光定量 PCR 反应定量十分重要。在指数期的开始,所有试剂仍有剩余,DNA 聚合酶仍然高效,扩增产物的量较少,不会竞争引物的退火性能。

  • 斜率

扩增反应的对数线性期的斜率可用于检测反应效率。要获得准确且可重复的结果,反应效率应尽可能接近 100%,相当于斜率为 -3.32。

  • 效率

100% 的 PCR 效率对应的斜率为 -3.32,可根据下列等式确定:

效率 = 10(-1/斜率) -1

理论上,PCR 反应的效率 (E) 应为 100%,表示在指数扩增阶段每次热循环后的模板倍增。良好的反应效率应在 90% 至 110% 之间,其对应的斜率为 -3.58 至-3.10。

==绝对定量==

绝对定量是指在实时荧光定量 PCR 实验中,对已知量的样本进行连续稀释后扩增,生成标准曲线。然后通过与此曲线比较,定量未知样本。

==相对定量==

相对定量是指在实时荧光定量 PCR 实验中,将一个样本 (已处理) 中的目的基因表达与另一个样本 (未处理) 中相同基因的表达相比较。结果以处理样本的表达量相对于未处理样本表达量的倍数变化 (增加或减少) 表示。此类型的定量采用标准品基因 (如 β-actin) 作为实验差异对照品。

==熔解曲线==

随着反应温度的升高,当结合染料分子的双链 DNA (dsDNA) 解离或“熔解”成单链 DNA (ssDNA)时,观察到的荧光强度的变化。例如,当加热结合有SYBR. Green I 染料的双链 DNA 时,其达到熔点 (Tm) 后,由于 DNA 链的解离和染料的释放,检测的荧光强度会出现突然下降。绘制荧光强度与温度图,及 -ΔF/ΔT(荧光变化/温度变化) 与温度图,清晰显示熔解曲线动态范围。

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Ct值定量的数学原理:

理想的PCR反应:

$$ Xn=X0*2^n $$

n:扩增循环次数;X0:起始模板数量;Xn:第n次循环后扩增产物数量

非理想的PCR反应:

$$ Xn=X0*(1+En)^n $$

n:扩增循环次数;X0:起始模板数量;Xn:第n次循环后扩增产物数量;En:扩增效率

在扩增产物达到荧光阈值时:

$$ XCt=X0*(1+En)^Ct=M $$

XCt:荧光扩增信号达到阈值时扩增产物的量,在阈值设定后它是一个常数,定为M

两边同取对数得:

$$ Log2M=Log2[X0*(1+En)^Ct] $$

整理方程式:

$$ Log2X0=Log2M-Ct*Log2(1+En) $$

因此起始模板量的Log值与Ct值成线性关系,模板DNA量越多,荧光达到阈值的循环数越少,即Ct值越小。

数据分析

绝对定量

要进行绝对定量,需对已知浓度的目标模板溶液进行几次连续稀释,采用实时荧光定量 PCR 扩增,利用获得的数据生成标准曲线,标准曲线以各靶点浓度及相应的 Ct 值绘制。然后将未知样本的 Ct 值与此标准曲线进行比较,确定其拷贝数。

扩增曲线

标准曲线

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相对定量

$$ 2^-ΔΔCt 法 $$

两个基因(目的基因和内参基因) 必须有相一致的扩增效率,并尽可能接近100% !

同时扩增目的基因和内参基因, 通过查看扩增曲线中指数增长期是否平行来确定扩增效率是否相似。

  • 步骤1: 内参基因均一化样本差异

Ct 目的基因– Ct 内参基因= ΔCt

  • 步骤2: 其他样本和对照样本比较

ΔCt 处理样本– ΔCt 对照样本= ΔΔCt

  • 步骤3: 使用公式计算

倍数变化 = 2-ΔΔCt

相对标准曲线法

任何数量充足,并表达目的基因和内参基因的浓度较高cDNA;只需知道稀释倍数, 不需要知道浓度

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