实时定量PCR

实时定量PCR，英文名 Real-time Quantitative Polymerase Chain Reaction，通常缩写为 qPCR 或 实时PCR。它是一种在聚合酶链式反应过程中，通过荧光信号对目标DNA序列进行实时监测和精确定量的分子生物学技术。qPCR彻底改变了基因表达分析、病原体检测和基因分型等领域，是现代生命科学和医学诊断的核心工具。

核心原理

与传统PCR在反应结束后通过凝胶电泳进行终点检测不同，qPCR的关键在于“实时”。其核心原理是：在PCR反应的每一个循环中，通过测量与扩增产物成比例的荧光信号强度，实现对起始模板数量的动态追踪和计算。

荧光化学基础

实现实时监测主要依赖于两类荧光化学物质：

1. DNA结合染料（非特异性检测）

   • 代表物质：SYBR Green I。

   • 原理：该染料可特异性地结合至所有双链DNA的小沟中，结合后荧光强度显著增强。随着PCR产物的积累，荧光信号成比例增加。

   • 优点：成本低，使用简便。

   • 缺点：缺乏特异性，会与任何双链DNA（如引物二聚体、非特异扩增产物）结合，可能导致假阳性信号，必须通过熔解曲线分析来验证产物的特异性。

2. 荧光标记探针（特异性检测）

   • 代表技术：TaqMan探针法（水解探针法）。

   • 原理：使用一条序列特异性的寡核苷酸探针，其两端分别标记一个报告荧光基团和一个淬灭荧光基团。当探针完整时，荧光共振能量转移导致报告荧光被淬灭。在PCR延伸阶段，Taq DNA聚合酶的5‘→3’核酸外切酶活性会将与模板结合的探针水解，使报告基团与淬灭基团分离，从而释放荧光信号。荧光信号强度与扩增产物的数量成正比。

   • 优点：特异性极高，可进行多重检测（使用不同颜色的荧光标记）。

   • 缺点：探针合成成本高，设计更复杂。

工作流程与数据分析

标准工作流程

1. 样品与试剂准备：提取样品中的总RNA或DNA。若分析基因表达（mRNA），需先将RNA通过逆转录反应合成cDNA。

2. 反应体系配制：将模板、特异性引物（和探针）、PCR Master Mix（含DNA聚合酶、dNTPs、缓冲液等）加入专用反应管或孔板中。

3. 上机运行：将样品置于实时定量PCR仪中，仪器在预设的循环程序（变性、退火、延伸）下运行，并在每个循环结束后自动检测各孔的荧光值。

4. 数据分析：运行结束后，使用配套软件分析数据。

关键数据分析概念

• 扩增曲线：以循环数为横坐标，荧光强度为纵坐标绘制的曲线。曲线分为基线期、指数扩增期和平台期。

• 阈值：在指数扩增早期人为设定的一个荧光值水平。Ct值，即循环阈值，指每个反应管的荧光信号达到设定阈值时所经历的循环数。

• Ct值的意义：起始模板量越多，Ct值越小；反之亦然。Ct值相差1，代表起始模板量相差约2倍（假设扩增效率为100%）。

• 标准曲线法（绝对定量）：使用已知浓度的标准品（如质粒DNA）制作Ct值与起始拷贝数对数值的标准曲线，通过待测样品的Ct值计算其绝对拷贝数。

• 比较Ct法（相对定量）：最常用的基因表达分析方法。通过比较目标基因与内参基因（如GAPDH, β-actin）的Ct值，计算目标基因的相对表达量（如2^(-ΔΔCt)法）。内参基因用于校正样品间在RNA量、质量和逆转录效率上的差异。

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主要应用

1. 基因表达分析：定量检测不同组织、发育阶段、疾病状态或药物处理下，特定mRNA的表达水平变化，是功能基因组学研究的基础。

2. 病原体检测与定量：快速、灵敏、定量地检测病毒（如HIV, HCV, SARS-CoV-2）、细菌、寄生虫的核酸，用于临床诊断、疗效监测和流行病学调查。

3. 基因分型：利用等位基因特异性探针或熔解曲线分析，进行单核苷酸多态性、突变检测和转基因鉴定。

4. microRNA分析：定量检测长度短、序列高度相似的microRNA分子。

5. 食品安全与转基因检测：检测食品中的致病微生物或转基因成分。

优点与局限性

优点

• 高灵敏度：可检测极低拷贝数的模板（甚至单拷贝）。

• 高特异性：尤其是使用探针法时。

• 宽动态范围：可检测跨越多个数量级的起始模板量（通常可达7-8个数量级）。

• 高通量与自动化：可同时处理96或384个样品，减少人为误差。

• 无需后处理：闭管检测，避免了凝胶电泳的开盖操作，降低了污染风险。

局限性

• 成本较高：仪器和试剂（尤其是探针）昂贵。

• 对抑制剂敏感：样品中残留的蛋白质、酚类、血红素等物质会抑制PCR反应，影响定量准确性。

• 标准化挑战：特别是相对定量时，内参基因的选择和稳定性验证至关重要。

• 仅能检测已知序列：需要预先知道目标序列以设计引物和探针。

相关技术与概念

• 逆转录定量PCR：用于分析RNA，先经过逆转录步骤生成cDNA，再进行qPCR。

• 数字PCR：qPCR技术的进一步发展，通过将样品分割成数万个微反应单元进行终点PCR，然后通过统计阳性单元数进行绝对定量，无需标准曲线，灵敏度更高，抗抑制剂能力更强。

• 高分辨率熔解曲线分析：一种基于饱和染料的突变扫描和基因分型技术，常与qPCR联用。

参考文献

1. 奠基性方法学：Heid, C. A., et al. Real time quantitative PCR. Genome Research. 1996, 6(10): 986-994. (介绍了TaqMan探针法的原理与应用).

2. 相对定量经典算法：Livak, K. J., Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2^(-ΔΔCT) Method. Methods. 2001, 25(4): 402-408. (提出了广泛使用的2^(-ΔΔCt)分析法).

3. 综合指南：Bustin, S. A., et al. The MIQE guidelines: minimum information for publication of quantitative real-time PCR experiments. Clinical Chemistry. 2009, 55(4): 611-622. (提出了确保qPCR实验可重复性和数据可靠性的最低信息标准).

4. 技术综述：VanGuilder, H. D., et al. Twenty-five years of quantitative PCR for gene expression analysis. BioTechniques. 2008, 44(5): 619-626. (回顾了qPCR技术的发展历程).

5. 应用与实践：Kubista, M., et al. The real-time polymerase chain reaction. Molecular Aspects of Medicine. 2006, 27(2-3): 95-125. (全面综述了qPCR的原理、优化策略和应用).