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【兆恒機械】高分辨率熔解曲線(HRM)分析指南

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  • 添加日期:2021年04月24日

  HRM(High Resolution Melting analysis,高分辨熔解曲線)同許多熒光PCR技術(shù)一樣,是利用特定dsDNA染料可以插入DNA雙鏈小溝中(PCR產(chǎn)物)的特性,通過實時監(jiān)測升溫過程中dsDNA解鏈,熒光染料脫落,熒光信號減弱或消失的過程,高分辨記錄熔解曲線,從而對樣品進行檢測。HRM技術(shù)利用dsDNA的物理性質(zhì),準(zhǔn)確反映DNA序列堿基配對特異性與解鏈溫度變化的情況,無需使用特異性標(biāo)記探針,不受突變種類和突變位點的限制,具有高靈敏度和特異性、高通量、操作簡單靈活、成本低等優(yōu)點。實驗室檢測證明,在PCR反應(yīng)前或反應(yīng)后加入飽和dsDNA染料,對HRM分析,效果相同。在PCR后加入,可閉管進行HRM分析,無需凝膠電泳。HRM分析,不損傷PCR產(chǎn)物,用于HRM分析的PCR產(chǎn)物仍可用于電泳、膠回收、測序等一系列后續(xù)操作。HRM可應(yīng)用于核酸突變掃描、基因分型、甲基化檢測、短串聯(lián)重復(fù)序列分析、序列匹配和RNA編輯等多方面研究,已越來越受到國內(nèi)外核酸分子實驗室的歡迎和重視。

      對于目前絕大多數(shù)的突變分析方法來說,都很難鑒定出純合子序列突變。在一些不同種類的小的擴增片段中,高分辨率熔解曲線則顯示出了鑒定純合子序列突變的能力,這種方法能鑒定出大多數(shù)的純合突變。HRM技術(shù)在遺傳學(xué)研究方面也帶來很大便利,只需在PCR反應(yīng)體系中加入雙鏈DNA飽和熒光染料,在PCR反應(yīng)之后再花15 分鐘,就可以完成96或384個樣品的DNA變異掃描。采用這種方法,當(dāng)片段的大小在400bp或者更小時,靈敏性最高。

一、HRM分析條件

1. 設(shè)備

      PCR擴增產(chǎn)物的熔解曲線完全取決于DNA堿基序列,序列中如有一個堿基發(fā)生突變,都會改變dsDNA的解鏈溫度。但是這種變化差異極小,只有零點幾攝氏度,HRM技術(shù)需要區(qū)分Tm值差異極小的樣品,以鑒別單個堿基的差異,因此,對溫度分辨率的要求相當(dāng)高,如果儀器的分辨率不高,是無法檢測的。孔間溫度差異(溫度均一性:Tm的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.020~0.264℃),孔間溫度均一性要達到0.264℃以內(nèi)才能保證HRM分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。熔解速率,最低要求0.1℃/秒。數(shù)據(jù)密度,最低要求10個數(shù)據(jù)點/℃。目前市場上HRM分析儀器的供應(yīng)商,有專門用于HRM分析的儀器,也有附帶HRM功能的Real Time PCR儀。這些廠家包括:Roche, QIAGEN, Idaho Technology。市場上認可度較高的一些設(shè)備包括: HR-1、LightScanner-32、LightScanner-96和LightScanner-384(Idaho Technology Inc),可采集55~95℃的熒光信號,變溫速率是0.02~0.1℃/s,每秒鐘可以采集200個數(shù)據(jù)資料。LightCycler 480s(Roche Diagnostics, Germany)和Rotor-Gene6000(Corbett)等傳統(tǒng)實時定量PCR儀加裝高分辨率熔解模塊后,采用qPCR-HRM方法可以實現(xiàn)對目的核酸片段的定量和定性檢測。

2. 染料

      進行HRM分析的另一個必要條件是飽和染料。用于HRM分析的染料必須滿足兩個條件。首先,必須是飽和染料。所謂飽和染料是指染料必須能飽和結(jié)合于DNA雙鏈所有小溝位置,也就是染料相對于dsDNA要相對過量,以使dsDNA沒有更多位置結(jié)合染料,在dsDNA升溫解鏈時,飽和染料從雙鏈上脫落,熒光信號同步減弱,準(zhǔn)確反應(yīng)出樣品熔解溫度(Tm)、熔解曲線的不同(如圖1-A)。SYBR Green I染料廣泛用于qPCR,但屬于非飽和染料,不能封閉dsDNA的所有小溝位置,遠未將DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的小溝飽和。這樣,DNA雙鏈高溫逐步變性時,部分熒光染料分子會隨機結(jié)合到尚未解鏈的雙鏈DNA空置的小溝位置,染料分子發(fā)生重排,造成熒光信號混亂,特異性下降,不能準(zhǔn)確反映dsDNA解鏈過程(如圖1-B)

image.png

圖1:dsDNA解鏈前后熒光染料結(jié)合情況。A(左圖):飽和染料在dsDNA解鏈時,熒光分子同步脫落,信號減弱。B(右圖):不飽和染料在dsDNA解鏈時,熒光分子重新結(jié)合于未解鏈的dsDNA部位,熒光信號沒有變化,不能反應(yīng)樣品熔解溫度(Tm)。

       其次,染料不能抑制PCR反應(yīng)。SYBR Green I染料不是飽和染料,加大染料濃度,不但不能飽和結(jié)合dsDNA小溝位置,還會抑制PCR反應(yīng)進行,造成擴增反應(yīng)無序,混亂。

      用于HRM分析熒光染料如LC Green, Ly Green, eva Green等均為飽和染料,能飽和結(jié)合于PCR反應(yīng)產(chǎn)物的雙鏈小溝內(nèi),同時這些染料不會抑制PCR反應(yīng)。Ly Green為2015年最新推出的HRM分析專用染料,除具有飽和染料、不抑制PCR等特點外,熒光信號穩(wěn)定、實驗重復(fù)性好時期突出優(yōu)點(如圖2)。

image.png

圖2. LyGreen染料用于綿羊FecB基因HRM分析.

HRM分析設(shè)備為LightCycler@480熒光定量PCR儀(德國羅氏)

二、HRM分析流程

1. 引物設(shè)計合成

       據(jù)基因序列應(yīng)用Oligo軟件設(shè)計、合成正向引物,反向引物(或依據(jù)參考文獻)。將引物稀釋成10mmol/L的工作濃度,-20℃保存?zhèn)溆谩?/span>

2. 反應(yīng)體系

試劑

用量

ddH2O

計算加水量,按終體積50μL 

Taq DNA poLymerase

5U

2mM的 dNTP

5 uL

50mM MgCl2

2.5uL

20 X LyGreen

2.5uL

10 x 無鎂聚合酶緩沖液

5uL

引物

0.1-1 uM(終濃度)

注:1)50μL反應(yīng),根據(jù)引物及擴增DNA長度不同,可進行優(yōu)化。

2)染料在反應(yīng)前加入或反應(yīng)后加入對反應(yīng)影響不大,反應(yīng)前加入,可實現(xiàn)閉管操作。

3. 擴增及HRM程序

三、HRM分析局限性及解決辦法

1. 熔解設(shè)備自身溫差。在所有的熔解系統(tǒng)中,孔與孔之間都存在微小的溫度差異,故影響檢測的靈敏性。如果孔與孔間的溫度差異為0.1℃,則最終的樣品熔解溫差也可能是0.1℃。因此,HRM對儀器溫度的均一性要求非常高。為解決這一問題,可以在PCR體系中加入2種溫度內(nèi)標(biāo),低溫時熔解和高溫時熔解。HRM儀上的分析軟件可以根據(jù)這2種內(nèi)標(biāo)的熔解峰在熔解曲線中的位置來糾正孔與孔之間的溫度差異,可顯著提高檢測的靈敏性。

2. PCR反應(yīng)體系和反應(yīng)條件。PCR反應(yīng)體系中,核酸模板質(zhì)量要經(jīng)過檢測,濃度要均一。在分析多樣本時,模板外的其他共同組分要先混合均勻后,再分別加入樣品模板,以保證反應(yīng)體系的均一性。若在PCR反應(yīng)后加入飽和熒光染料,通常不需要對反應(yīng)條件做任何改變;若在PCR反應(yīng)前加入染料,可以實現(xiàn)真正的閉管操作,避免污染。但此時需要對原來的反應(yīng)條件做一定的改變,通常需要增加Mg2+濃度2~3 mmol/L,增加退火溫度1~5℃。隨著Mg2+濃度的增加,Tm值也會升高,當(dāng)Tm值超過熔解設(shè)備所允許的最高溫度時,還需要加入二甲基亞砜DMSO(10%)或甜菜堿(0.5 mol/L)來降低Tm值。在某些情況下,為快速找到反應(yīng)體系最適的退火溫度,需要做梯度PCR試驗。在PCR反應(yīng)程序的最后,一定要加入解鏈和退火的步驟,以增加PCR產(chǎn)物的雜合度,提高試驗的分辨率和準(zhǔn)確度。

3. 引物的二聚體。PCR產(chǎn)物高純度的PCR特異性產(chǎn)物是獲得HRM分析結(jié)果較高特異性的前提,在PCR引物設(shè)計時,一定要避免引物的二聚體和發(fā)卡結(jié)構(gòu),盡量降低基因組其他片段的非特異性結(jié)合。根據(jù)所用擴增酶的情況,要嚴格控制PCR反應(yīng)的循環(huán)數(shù),以降低非特異性擴增增加的風(fēng)險。根據(jù)試驗?zāi)康?,要嚴格控制擴增片段的長度。試驗結(jié)果表明,隨著擴增片段長度的增加,HRM結(jié)果的靈敏度和特異性會降低,當(dāng)擴增片段長度為400-1000 bp時,檢測的靈敏度為96.1%,異性為99.4%。對于一些差異只有1-2 bp的基因片段進行分型時,需要借助探針才能解決。擴增子不能太長,當(dāng)檢測大片段如整個外顯子或內(nèi)含子的突變位點時,就要使用多對引物,將大片段分別擴增檢測。同其他任何基于PCR反應(yīng)的突變檢測一樣,HRM不能檢測外顯子、內(nèi)含子或整個基因等大片段的缺失突變。

4. 轉(zhuǎn)換純合突變子檢測。目的片段突變或多態(tài)位點的類型在轉(zhuǎn)換、顛換、插入和缺失4大類堿基突變類型中,雜合突變子產(chǎn)生的Tm值差異最大,顛換純合突變子的Tm值差異在0.8~1.4℃之間,HRM技術(shù)可以對其準(zhǔn)確分型。但轉(zhuǎn)換純合突變子產(chǎn)生的Tm值差異通常小于0.4℃,HRM技術(shù)不能對其準(zhǔn)確分型,此時需要采用小片段法或非標(biāo)記探針法。使用小片段法時,片段長度一般設(shè)計為40~90 bp,包含1個SNP位點為宜。使用探針法時,熔解曲線上會出現(xiàn)2個峰圖,可以進行2次SNPs分析,且探針與其互補區(qū)結(jié)合形成的雙鏈部分更短,更能增加試驗的靈敏度,從而增加對純合突變子的分型準(zhǔn)確性。

5. 樣品的提取方法一致。樣品基因組提取方法樣品基因組不同的提取方法會對PCR后產(chǎn)物熔解曲線的形狀和分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響,因此,待分析樣品的提取方法要一致。為找出較為合適的提取方法,實驗室可根據(jù)自身條件設(shè)計不同基因組提取方法對HRM結(jié)果影響的試驗,找到較為理想的提取方法或較為理想的基因組提取試劑盒。

6. 飽和熒光染料的差異LC-Green、Syt09、ResoLight Dye和Ly Green,等飽和熒光染料的性質(zhì)差異不大,可以相互替代,試驗時只需要對PCR緩沖液和反應(yīng)條件做微小的調(diào)整即可。SYBR Green I染料為非飽和熒光染料,在檢測核酸微小變異時存在缺陷,因此一些研究者們不建議采用。

四、HRM技術(shù)展望

HRM技術(shù)具有高通量、高靈敏度和特異性、操作簡單靈活、成本低、對DNA分子無損害、閉管操作等諸多優(yōu)點。在畜牧業(yè)方面,通過對畜禽基因組突變位點的關(guān)聯(lián)性分析和連鎖性分析,HRM技術(shù)可以鑒定出更多的與畜禽特定經(jīng)濟性狀相關(guān)的SNPs位點,增加畜禽參考群育種值估計的準(zhǔn)確性,還可以增加畜禽分子疾病的檢出率,并為其遺傳疾病和基因突變所致疾病的分子診斷提供革命性手段。在農(nóng)業(yè)方面,HRM技術(shù)將增加作物遺傳標(biāo)記位點的密度,加快作物高產(chǎn)、抗逆性等優(yōu)良性狀的改良進度。隨著消費者食品安全意識的增強和行業(yè)競爭的日趨激烈,對食品微量成分種類和含量的檢測日益重要,HRM技術(shù)因其較高的靈敏度和特異性,必將發(fā)展成為一種可靠便捷的檢測手段。在人類疾病的診斷方面,HRM技術(shù)必已經(jīng)從試驗研究走向臨床診斷,成為人類分子疾病臨床診斷的新手段。因此,HRM技術(shù)的應(yīng)用范圍將會進一步拓寬,并越來越受到核酸研究者的重視。

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LyGreen (20×in water) HRM專用染料(20×水溶液)

D1101L1128

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LyGreen (20×in water) HRM專用染料(20×水溶液)

D1101L1129

5 x 1ml

4℃

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