กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 14 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ปฏิกิริยา ลูกโซ่พอลิเมอเรสแบบเรียลไทม์ ( real-time PCR หรือ qPCR เมื่อใช้ในเชิงปริมาณ) เป็น เทคนิคทางห้องปฏิบัติการ ด้าน ชีววิทยาโมเลกุล ที่ใช้หลักการ ของ ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอ...

ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสแบบเรียลไทม์

แผนภูมิการเรืองแสง ของ SYBR Greenที่สร้างขึ้นในปฏิกิริยา PCR แบบเรียลไทม์
กราฟการหลอมละลายที่ได้จากการทำปฏิกิริยา PCR แบบเรียลไทม์

ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสแบบเรียลไทม์ ( real-time PCRหรือqPCRเมื่อใช้ในเชิงปริมาณ) เป็นเทคนิคทางห้องปฏิบัติการด้านชีววิทยาโมเลกุลที่ใช้หลักการ ของ ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอ เรส (PCR) โดยจะตรวจสอบการเพิ่มจำนวนของโมเลกุล DNAเป้าหมายในระหว่างกระบวนการ PCR (เช่น ในเวลาจริง) ไม่ใช่เมื่อสิ้นสุดกระบวนการเหมือนใน PCR แบบดั้งเดิม real-time PCR สามารถใช้ได้ทั้งในเชิงปริมาณและกึ่งเชิงปริมาณ (เช่น มากกว่า/น้อยกว่าปริมาณโมเลกุล DNA ที่กำหนด)

วิธีการทั่วไปสองวิธีสำหรับการตรวจจับผลิตภัณฑ์ PCR ใน PCR แบบเรียลไทม์คือ (1) สีย้อมเรืองแสงที่ ไม่จำเพาะเจาะจง ซึ่งแทรกตัวกับ DNA สองสายใดๆ และ (2) โพรบ DNA ที่จำเพาะต่อลำดับ ซึ่งประกอบด้วยโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่ติดฉลากด้วย ตัวรายงาน เรืองแสงซึ่งช่วยให้สามารถตรวจจับได้เฉพาะหลังจากเกิดการไฮบริดไดเซชันของโพรบกับลำดับที่เสริมกัน เท่านั้น

แนวทางข้อมูลขั้นต่ำสำหรับการตีพิมพ์การทดลอง PCR แบบเรียลไทม์เชิงปริมาณ ( MIQE ) ซึ่งเขียนโดยศาสตราจารย์Stephen Bustin , Mikael Kubista , Michael Pfafflและเพื่อนร่วมงาน เสนอให้ใช้คำย่อqPCRสำหรับ PCR แบบเรียลไทม์เชิงปริมาณ และ ใช้ RT-qPCRสำหรับ reverse transcription–qPCR [ 1 ]คำย่อ "RT-PCR" โดยทั่วไปหมายถึงปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรสแบบย้อนกลับการถอดรหัสไม่ใช่ PCR แบบเรียลไทม์

พื้นหลัง

เทคนิค Real-time PCR ใช้ สาร เรืองแสงในการตรวจจับระดับการแสดงออกของยีน

เซลล์ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดควบคุมการแสดงออกของยีน โดยการหมุนเวียนของสารถอดรหัสยีน ( RNAสายเดี่ยว): ปริมาณของยีนที่แสดงออกในเซลล์สามารถวัดได้จากจำนวนสำเนาของสารถอดรหัส RNA ของยีนนั้นที่มีอยู่ในตัวอย่าง เพื่อให้สามารถตรวจจับและวัดปริมาณการแสดงออกของยีนจาก RNA ปริมาณน้อยได้อย่างแม่นยำ จำเป็นต้องมีการเพิ่มปริมาณสารถอดรหัสยีนปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส (PCR) เป็นวิธีทั่วไปในการเพิ่มปริมาณ DNA สำหรับ PCR ที่ใช้ RNA นั้น ตัวอย่าง RNA จะถูกถอดรหัสย้อนกลับเป็นDNA เสริม (cDNA) ก่อนด้วยเอนไซม์ถอดรหัสย้อนกลับ

ในการเพิ่มปริมาณ DNA จำนวนน้อย จะใช้วิธีการเดียวกับ PCR แบบดั้งเดิม โดยใช้แม่แบบ DNA, ไพรเมอร์ เฉพาะอย่างน้อยหนึ่งคู่ , ดีออกซี ไรโบนิวคลีโอไทด์ไตรฟอสเฟต, สารละลายบัฟเฟอร์ ที่เหมาะสม และเอนไซม์ DNA โพลีเมอเรสที่ทนความร้อน จากนั้น จะเติมสารที่มีฟลูออโรฟอร์ ลงในส่วนผสมนี้ใน เครื่องเทอร์มอลไซเคิลที่มีเซ็นเซอร์สำหรับวัดการเรืองแสงของฟลูออโรฟอร์หลังจากที่ถูกกระตุ้นด้วยความยาวคลื่น ที่ต้องการ ทำให้สามารถวัดอัตราการสร้างผลิตภัณฑ์เฉพาะอย่างน้อยหนึ่งรายการได้ วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดอัตราการสร้างผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มปริมาณได้ในแต่ละรอบของ PCR ข้อมูลที่ได้สามารถนำมาวิเคราะห์ด้วยซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์เพื่อคำนวณการแสดงออกของยีนสัมพัทธ์ (หรือจำนวนสำเนา mRNA ) ในตัวอย่างหลายๆ ตัวอย่าง นอกจากนี้ PCR เชิงปริมาณยังสามารถใช้ในการตรวจจับและหาปริมาณ DNA ในตัวอย่างเพื่อตรวจสอบการมีอยู่และความอุดมสมบูรณ์ของลำดับ DNA เฉพาะในตัวอย่างเหล่านั้นได้[ 2 ]การวัดนี้จะทำหลังจากแต่ละรอบการขยาย และนี่คือเหตุผลที่วิธีการนี้เรียกว่า PCR แบบเรียลไทม์ (นั่นคือ PCR ทันทีหรือพร้อมกัน)

PCR เชิงปริมาณและไมโครอาร์เรย์ DNAเป็นวิธีการที่ทันสมัยสำหรับการศึกษาการแสดงออกของยีนวิธีการเก่าๆ ใช้ในการวัดปริมาณ mRNA ได้แก่การแสดงผลแบบแตกต่างการทดสอบการป้องกัน RNaseและนอร์เทิร์นบลอต นอร์เทิร์นบลอตมักใช้ในการประเมินระดับการแสดงออกของยีนโดยการมองเห็นปริมาณของ mRNA ในตัวอย่าง ในวิธีนี้ RNA ที่บริสุทธิ์จะถูกแยกโดยการอิเล็กโทรโฟเรซิสเจลอะกาโรสถ่ายโอนไปยังเมทริกซ์แข็ง (เช่น เยื่อไนลอน) และตรวจสอบด้วยโพรบ DNA หรือ RNA เฉพาะ ที่เสริมกับยีนที่สนใจ แม้ว่าเทคนิคนี้ยังคงใช้ในการประเมินการแสดงออกของยีน แต่ก็ต้องใช้ RNA ในปริมาณมากพอสมควรและให้ข้อมูลเชิงคุณภาพหรือกึ่งเชิงปริมาณของระดับ mRNA เท่านั้น[ 3 ]ข้อผิดพลาดในการประเมินที่เกิดจากความแปรปรวนในวิธีการหาปริมาณอาจเป็นผลมาจากความสมบูรณ์ของ DNA ประสิทธิภาพของเอนไซม์ และปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย ด้วยเหตุนี้จึงมีการพัฒนาระบบ มาตรฐานจำนวนหนึ่ง(มักเรียกว่าวิธีการทำให้เป็นมาตรฐาน ) บางวิธีได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อหาปริมาณการแสดงออกของยีนทั้งหมด แต่โดยทั่วไปแล้ววิธีที่ใช้กันมากที่สุดคือการหาปริมาณยีนเฉพาะที่กำลังศึกษาโดยสัมพันธ์กับยีนอื่นที่เรียกว่ายีนมาตรฐาน ซึ่งถูกเลือกเนื่องจากมีระดับการแสดงออกที่เกือบคงที่ ยีนเหล่านี้มักถูกเลือกจากยีนพื้นฐานเนื่องจากหน้าที่ของยีนเหล่านี้ที่เกี่ยวข้องกับ การอยู่รอด ของเซลล์ ขั้นพื้นฐาน มักหมายถึงการแสดงออกของยีนแบบคงที่ [ 4 ] [ 5 ] วิธีนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถรายงานอัตราส่วนของการแสดงออกของยีนที่สนใจหารด้วยการแสดงออกของยีนมาตรฐานที่เลือกไว้ ทำให้สามารถเปรียบเทียบยีนที่สนใจได้โดยไม่ต้องทราบระดับการแสดงออกที่แท้จริง

ยีนปรับมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือยีนที่เข้ารหัสโมเลกุลต่อไปนี้: ทูบูลินกลีเซอรัลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนส อัลบูมินไซโคลฟิลินและไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอ[ 3 ]

หลักการพื้นฐาน

การทำ PCR แบบเรียลไทม์ดำเนินการในเครื่องควบคุมอุณหภูมิ (thermal cycler)ซึ่งสามารถฉายแสงไปยังแต่ละตัวอย่างด้วยลำแสงที่มีความยาวคลื่นอย่างน้อยหนึ่งค่าที่กำหนดไว้ และตรวจจับการเรืองแสงที่ปล่อยออกมาจากฟลูออโรฟอร์ ที่ถูกกระตุ้น เครื่องควบคุมอุณหภูมิยังสามารถให้ความร้อนและทำให้เย็นตัวอย่างได้อย่างรวดเร็ว จึงใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของกรดนิวคลีอิกและเอนไซม์ดีเอ็นเอพอลิเมอเรสได้

โดยทั่วไป กระบวนการ PCR ประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหลายรอบที่ทำซ้ำ 25–50 ครั้ง วงจรเหล่านี้มักประกอบด้วยสามขั้นตอน: ขั้นตอนแรก ที่อุณหภูมิประมาณ 95  °C ช่วยให้เกิดการแยกสายคู่ของกรดนิวคลีอิก ขั้นตอนที่สอง ที่อุณหภูมิประมาณ 50–60  °C ช่วยให้ไพรเมอร์จับกับแม่แบบ DNA [ 6 ]ขั้นตอนที่สาม ที่อุณหภูมิระหว่าง 68 ถึง 72  °C ช่วยให้เกิดการพอลิเมอไรเซชันโดยเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส เนื่องจากขนาดของชิ้นส่วนมีขนาดเล็ก ขั้นตอนสุดท้ายจึงมักถูกละเว้นใน PCR ประเภทนี้ เนื่องจากเอนไซม์สามารถจำลองแอมพลิคอน DNA ได้ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงระหว่างขั้นตอนการจัดเรียงและขั้นตอนการแยกสาย นอกจากนี้ ใน PCR สี่ขั้นตอน จะมีการวัดฟลูออเรสเซนซ์ในช่วงอุณหภูมิสั้นๆ ที่กินเวลาเพียงไม่กี่วินาทีในแต่ละรอบ เช่น ที่อุณหภูมิ 80  °C เพื่อลดสัญญาณที่เกิดจากไพรเมอร์ไดเมอร์เมื่อใช้สีย้อมที่ไม่จำเพาะ[ 7 ]อุณหภูมิและเวลาที่ใช้ในแต่ละรอบขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ที่หลากหลาย เช่น เอนไซม์ที่ใช้ในการสังเคราะห์ DNA ความเข้มข้นของไอออนสองวาเลนต์และ ดีออกซีไร โบนิวคลีโอไทด์ไตรฟอสเฟต (dNTPs) ในปฏิกิริยา และอุณหภูมิการเชื่อมต่อของไพรเมอร์[ 8 ]

การจำแนกประเภททางเคมี

เทคนิค PCR แบบเรียลไทม์สามารถจำแนกได้ตามสารเคมีที่ใช้ในการตรวจจับผลิตภัณฑ์ PCR ว่าเป็นฟลูออโรโครมจำเพาะหรือไม่จำเพาะ

การตรวจจับแบบไม่จำเพาะ: ปฏิกิริยา PCR แบบเรียลไทม์โดยใช้สีย้อมที่จับกับดีเอ็นเอแบบสองสายเป็นตัวรายงาน

สีย้อมที่จับกับดีเอ็นเอจะจับกับ ดีเอ็นเอสายคู่ (dsDNA) ทั้งหมดในกระบวนการ PCR ทำให้ผลผลิตควอนตัมของการเรืองแสงของสีย้อมเพิ่มขึ้น ดังนั้น การเพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ์ดีเอ็นเอในระหว่าง PCR จึงนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความเข้มของการเรืองแสงที่วัดได้ในแต่ละรอบ อย่างไรก็ตาม สีย้อม dsDNA เช่นSYBR Greenจะจับกับผลิตภัณฑ์ PCR dsDNA ทั้งหมด รวมถึงผลิตภัณฑ์ PCR ที่ไม่จำเพาะเจาะจง (เช่นไพรเมอร์ไดเมอร์ ) ซึ่งอาจรบกวนหรือขัดขวางการตรวจสอบลำดับเป้าหมายที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ

ในการทำปฏิกิริยา PCR แบบเรียลไทม์โดยใช้สีย้อม dsDNA นั้น จะเตรียมปฏิกิริยาตามปกติ โดยเติมสีย้อม dsDNA เรืองแสงลงไป จากนั้นจึงทำการทดสอบในเครื่อง PCR แบบเรียลไทม์และหลังจากแต่ละรอบการทำงาน จะวัดความเข้มของแสงเรืองแสงด้วยตัวตรวจจับ สีย้อมจะเรืองแสงก็ต่อเมื่อจับกับ dsDNA (เช่น ผลิตภัณฑ์ PCR) เท่านั้น วิธีนี้มีข้อดีคือต้องการเพียงไพรเมอร์คู่เดียวในการขยายสัญญาณ ซึ่งช่วยลดต้นทุน และสามารถตรวจสอบลำดับเป้าหมายหลายลำดับในหลอดทดลองเดียวกันได้โดยใช้สีย้อมชนิดต่างๆ

การตรวจจับจำเพาะ: วิธีการใช้โพรบเรืองแสงเป็นตัวรายงาน

(1) ในโพรบที่ยังคงสภาพสมบูรณ์ ฟลูออเรสเซนซ์ของรีพอร์เตอร์จะถูกดับลง (2) โพรบและสายดีเอ็นเอเสริมจะเกิดการไฮบริดไดซ์กัน และฟลูออเรสเซนซ์ของรีพอร์เตอร์จะยังคงถูกดับลง (3) ในระหว่าง PCR โพรบจะถูกย่อยสลายโดยพอลิเมอเรส Taq และรีพอร์เตอร์เรืองแสงจะถูกปล่อยออกมา

โพรบ เรืองแสงจะตรวจจับเฉพาะดีเอ็นเอที่มีลำดับเบสที่เข้าคู่กับโพรบเท่านั้น ดังนั้น การใช้โพรบเรืองแสงจึงช่วยเพิ่มความจำเพาะเจาะจงอย่างมาก และทำให้สามารถทำการทดสอบได้แม้จะมีดีเอ็นเอสายคู่ชนิดอื่นอยู่ด้วย การใช้ฉลากสีต่างๆ ทำให้สามารถใช้โพรบเรืองแสงในการทดสอบแบบมัลติเพล็กซ์เพื่อตรวจสอบลำดับเป้าหมายหลายลำดับในหลอดเดียวกันได้ ความจำเพาะของโพรบเรืองแสงยังช่วยป้องกันการรบกวนการวัดที่เกิดจากไพรเมอร์ไดเมอร์ซึ่งเป็นผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์ในปฏิกิริยา PCR อย่างไรก็ตาม โพรบเรืองแสงไม่สามารถป้องกันผลยับยั้งของไพรเมอร์ไดเมอร์ ซึ่งอาจลดการสะสมของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการในปฏิกิริยาได้

วิธีการนี้อาศัยโพรบที่ทำจากดีเอ็นเอ โดยมีตัวรายงานเรืองแสงอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง และตัวดับการเรืองแสงอยู่ที่ปลายอีกด้านหนึ่งของโพรบ การที่ตัวรายงานอยู่ใกล้กับตัวดับการเรืองแสงมากจะป้องกันการตรวจจับการเรืองแสงของตัวรายงาน การสลายตัวของโพรบโดยกิจกรรมเอ็กโซนิวคลีเอส 5' ถึง 3' ของเอนไซม์Taq polymeraseจะทำลายความใกล้ชิดระหว่างตัวรายงานและตัวดับการเรืองแสง ทำให้เกิดการปล่อยแสงเรืองแสงที่ไม่ถูกดับ ซึ่งสามารถตรวจจับได้หลังจากกระตุ้นด้วยเลเซอร์ ดังนั้น การเพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ์ที่กำหนดเป้าหมายโดยโพรบตัวรายงานในแต่ละรอบของ PCR จึงทำให้การเรืองแสงเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเนื่องจากการสลายตัวของโพรบและการปลดปล่อยตัวรายงาน

  1. เตรียม PCR ตามขั้นตอนปกติ (ดูPCR ) และเติมโพรบรายงานผลเข้าไป
  2. เมื่อปฏิกิริยาเริ่มต้นขึ้น ในช่วง ขั้นตอน การจับคู่ของ PCR ทั้งโพรบและไพรเมอร์จะจับคู่กับดีเอ็นเอเป้าหมาย
  3. กระบวนการสร้างสายดีเอ็นเอใหม่เริ่มต้นจากไพรเมอร์ และเมื่อพอลิเมอเรสไปถึงโพรบ เอนไซม์ 5'-3'-เอ็กโซนิวคลีเอสของพอลิเมอเรสจะย่อยสลายโพรบ ทำให้สารเรืองแสงแยกออกจากสารดับแสง ส่งผลให้ความเรืองแสงเพิ่มขึ้น
  4. ฟลูออเรสเซนซ์จะถูกตรวจจับและวัดในเครื่อง PCR แบบเรียลไทม์ และการเพิ่มขึ้นเชิงเรขาคณิตที่สอดคล้องกับการเพิ่มขึ้นแบบเลขชี้กำลังของผลิตภัณฑ์จะถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดรอบการหาปริมาณ(C )ในแต่ละปฏิกิริยา

การวิเคราะห์อุณหภูมิการหลอมเหลว

เส้นโค้งการหลอมรวมที่แตกต่างกันสำหรับผลิตภัณฑ์ PCR จำนวนหนึ่ง (แสดงสีที่แตกต่างกัน) สามารถมองเห็นปฏิกิริยาการขยายสำหรับผลิตภัณฑ์เฉพาะ (สีชมพู สีฟ้า) และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่มีผลลัพธ์เป็นลบ (สีเขียว สีส้ม) ยอดการหลอมรวมที่ระบุด้วยลูกศรแสดงถึงยอดที่เกิดจากไพรเมอร์ไดเมอร์ ซึ่งแตกต่างจากผลิตภัณฑ์การขยายที่คาดไว้[ 9 ]

PCR แบบเรียลไทม์ช่วยให้สามารถระบุชิ้นส่วน DNA ที่ขยายเฉพาะเจาะจงได้โดยใช้การวิเคราะห์อุณหภูมิหลอมเหลว (เรียกอีกอย่างว่า ค่า T จากอุณหภูมิหลอมเหลว ) วิธีที่ใช้โดยทั่วไปคือ PCR โดยใช้สีย้อมที่จับกับ DNA สองสายเป็นตัวรายงาน และสีย้อมที่ใช้โดยทั่วไปคือ SYBR Green อุณหภูมิหลอมเหลว ของ DNA นั้นจำเพาะต่อชิ้นส่วนที่ขยาย ผลลัพธ์ของเทคนิคนี้ได้มาจากการเปรียบเทียบเส้นโค้งการแยกตัวของตัวอย่าง DNA ที่วิเคราะห์[ 10 ]

แตกต่างจาก PCR แบบดั้งเดิม วิธีนี้หลีกเลี่ยงการใช้ เทคนิค อิเล็กโทรโฟเรซิสในการแสดงผลลัพธ์ของตัวอย่างทั้งหมด เนื่องจากถึงแม้จะเป็นเทคนิคจลนศาสตร์ แต่ PCR เชิงปริมาณมักจะถูกประเมิน ณ จุดสิ้นสุดที่ชัดเจน ดังนั้นเทคนิคนี้จึงมักให้ผลลัพธ์ที่รวดเร็วกว่าและ/หรือใช้สารตั้งต้นน้อยกว่าอิเล็กโทรโฟเรซิส หากจำเป็นต้องใช้อิเล็กโทรโฟเรซิสเพิ่มเติม ก็จำเป็นต้องทดสอบเฉพาะตัวอย่างที่ PCR แบบเรียลไทม์แสดงผลที่น่าสงสัย และ/หรือเพื่อยืนยันผลลัพธ์สำหรับตัวอย่างที่ให้ผลบวกสำหรับตัวกำหนดเฉพาะเท่านั้น

การสร้างแบบจำลอง

แตกต่างจาก PCR แบบ end point (PCR แบบดั้งเดิม) PCR แบบเรียลไทม์ช่วยให้สามารถตรวจสอบผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ทุกจุดในกระบวนการขยายสัญญาณโดยการวัดค่าการเรืองแสง (ในกรอบเวลาจริง จะวัดระดับการเรืองแสงเหนือเกณฑ์ที่กำหนด) วิธีการหาปริมาณ DNA ที่ใช้กันทั่วไปโดย PCR แบบเรียลไทม์นั้นอาศัยการพล็อตค่าการเรืองแสงเทียบกับจำนวนรอบบนมาตราส่วนลอการิทึม เกณฑ์สำหรับการตรวจจับการเรืองแสงของ DNA จะถูกตั้งไว้ที่ 3–5 เท่าของค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของสัญญาณรบกวนเหนือพื้นหลัง จำนวนรอบที่ค่าการเรืองแสงเกินเกณฑ์เรียกว่ารอบเกณฑ์ (Ct หรือตามแนวทาง MIQE เรียกว่ารอบการหาปริมาณ( Cq [ 1 ] ด้วยวิธีนี้ ยิ่งปริมาณ mRNA เริ่มต้นมากเท่าใด Cq ก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น

ในระหว่างขั้นตอนการขยายแบบทวีคูณ ปริมาณของแม่แบบ DNA เป้าหมาย (แอมพลิคอน) จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในแต่ละรอบ ตัวอย่างเช่น ตัวอย่าง DNA ที่มีค่า Cq หน้าตัวอย่างอื่น 3 รอบ จะมี แม่แบบมากกว่า = 8 เท่า อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของการขยายมักจะแปรผันไปตามไพรเมอร์และแม่แบบ ดังนั้น ประสิทธิภาพของไพรเมอร์และแม่แบบจึงถูกประเมินในการ ทดลอง ไทเทรตด้วยการเจือจางแม่แบบ DNA แบบอนุกรมเพื่อสร้างเส้นโค้งมาตรฐานของการเปลี่ยนแปลงใน(Cq ในแต่ละการเจือจาง จากนั้นจะใช้ ความชันของการถดถอยเชิงเส้นเพื่อกำหนดประสิทธิภาพของการขยาย ซึ่งเท่ากับ 100% หากการเจือจาง 1:2 ส่งผลให้ ความแตกต่างของ ( )เท่ากับ 1 วิธีการเกณฑ์รอบตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับกลไกการเกิดปฏิกิริยาหลายประการ และอาศัยข้อมูลจากบริเวณที่มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนต่ำของโปรไฟล์การขยาย ซึ่งอาจทำให้เกิดความแปรปรวนอย่างมากในระหว่างการวิเคราะห์ข้อมูล[ 11 ]

ในการหาปริมาณการแสดงออกของยีน ค่า(C )สำหรับ RNA หรือ DNA จากยีนที่สนใจจะถูกลบออกจากค่า(C )ของ RNA/DNA จากยีนควบคุมในตัวอย่างเดียวกัน เพื่อปรับค่าให้เป็นมาตรฐานสำหรับความแปรผันในปริมาณและคุณภาพของ RNA ระหว่างตัวอย่างต่างๆ ขั้นตอนการปรับค่าให้เป็นมาตรฐานนี้โดยทั่วไปเรียกว่าวิธีΔC t 12 ] และอนุญาตให้เปรียบเทียบการแสดงออกของยีนที่สนใจระหว่างตัวอย่างต่างๆ อย่างไรก็ตาม สำหรับการเปรียบเทียบดังกล่าว การแสดงออกของยีนอ้างอิงที่ใช้ในการปรับค่าให้เป็นมาตรฐานจะต้องมีความคล้ายคลึงกันมากในทุกตัวอย่าง การเลือกยีนอ้างอิงที่ตรงตามเกณฑ์นี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง และมักเป็นเรื่องท้าทาย เนื่องจากมีเพียงไม่กี่ยีนเท่านั้นที่แสดงระดับการแสดงออกที่เท่ากันในสภาวะหรือเนื้อเยื่อที่แตกต่างกัน[ 13 ] [ 14 ]แม้ว่าการวิเคราะห์ค่าเกณฑ์รอบจะถูกรวมเข้ากับระบบซอฟต์แวร์เชิงพาณิชย์หลายระบบ แต่ก็มีวิธีการวิเคราะห์ข้อมูลโปรไฟล์การขยายที่แม่นยำและเชื่อถือได้มากกว่า ซึ่งควรพิจารณาในกรณีที่ความสามารถในการทำซ้ำเป็นสิ่งสำคัญ[ 11 ]

วิธีการหาปริมาณ qPCR แบบอิงกลไกได้รับการแนะนำเช่นกัน และมีข้อดีคือไม่จำเป็นต้องใช้เส้นโค้งมาตรฐานสำหรับการหาปริมาณ วิธีการเช่น MAK2 [ 15 ]ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในการหาปริมาณเท่าเทียมหรือดีกว่าวิธีการใช้เส้นโค้งมาตรฐาน วิธีการแบบอิงกลไกเหล่านี้ใช้ความรู้เกี่ยวกับกระบวนการขยายพอลิเมอเรสเพื่อสร้างค่าประมาณของความเข้มข้นของตัวอย่างดั้งเดิม การขยายแนวทางนี้รวมถึงแบบจำลองที่แม่นยำของโปรไฟล์ปฏิกิริยา PCR ทั้งหมด ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ข้อมูลที่มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงและความสามารถในการตรวจสอบคุณภาพข้อมูลก่อนการวิเคราะห์[ 11 ]

จากการวิจัยของ Ruijter et al. [ 16 ] MAK2 ถือว่าประสิทธิภาพการขยายสัญญาณคงที่ตลอดปฏิกิริยา PCR อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส ซึ่ง MAK2 ได้มานั้น แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการขยายสัญญาณไม่คงที่ตลอด PCR แม้ว่าการวัดปริมาณด้วย MAK2 จะให้ค่าประมาณความเข้มข้นของ DNA เป้าหมายในตัวอย่างได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้สภาวะ qPCR ปกติ แต่ MAK2 ไม่สามารถวัดความเข้มข้นของเป้าหมายได้อย่างน่าเชื่อถือสำหรับการทดสอบ qPCR ด้วยเครื่องวัดการแข่งขัน

แอปพลิเคชัน

การตรวจหาปริมาณ ด้วยปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส (QPCR) มีการประยุกต์ใช้มากมายในห้องปฏิบัติการโดยทั่วไปใช้ทั้งในการวินิจฉัยโรคและการวิจัยพื้นฐาน การประยุกต์ใช้เทคนิคนี้ในอุตสาหกรรม ได้แก่ การหาปริมาณจุลินทรีย์ในอาหารหรือพืชผัก การตรวจหาจีเอ็มโอ ( สิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม ) และการหาปริมาณและจำแนกชนิดของเชื้อไวรัสที่ก่อโรคในมนุษย์

การหาปริมาณการแสดงออกของยีน

การหาปริมาณการแสดงออกของยีนด้วยวิธีการตรวจจับ DNA แบบดั้งเดิมนั้นไม่น่าเชื่อถือ การตรวจจับmRNAบนแผ่นนอร์เทิร์นบล็อตหรือผลิตภัณฑ์ PCR บนเจลหรือแผ่นเซาเทิร์นบล็อตไม่สามารถหาปริมาณได้อย่างแม่นยำ[ 17 ]ตัวอย่างเช่น ในช่วง 20–40 รอบของ PCR ทั่วไป ปริมาณของผลิตภัณฑ์ DNA จะถึงจุดคงที่ซึ่งไม่สัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณ DNA เป้าหมายใน PCR เริ่มต้น[ 18 ]

PCR แบบเรียลไทม์สามารถใช้ในการหาปริมาณกรดนิวคลีอิกได้สองวิธีที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ การหาปริมาณแบบสัมพัทธ์และการหาปริมาณแบบสัมบูรณ์[ 19 ]การหาปริมาณแบบสัมบูรณ์จะให้จำนวนโมเลกุล DNA เป้าหมายที่แน่นอนโดยการเปรียบเทียบกับมาตรฐาน DNA โดยใช้เส้นโค้งสอบเทียบดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่ PCR ของตัวอย่างและมาตรฐานจะต้องมีประสิทธิภาพการขยายสัญญาณ เท่า กัน[ 20 ] การหาปริมาณแบบสัมพัทธ์นั้นขึ้นอยู่กับยีนอ้างอิงภายในเพื่อกำหนดความแตกต่างของการแสดงออกของยีนเป้าหมาย การหาปริมาณจะแสดงเป็นการเปลี่ยนแปลงระดับการแสดงออกของ mRNA ที่ตีความว่าเป็นDNA เสริม (cDNA ซึ่งสร้างขึ้นโดยการถอดรหัสย้อนกลับของ mRNA) การหาปริมาณแบบสัมพัทธ์นั้นทำได้ง่ายกว่า เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้เส้นโค้งสอบเทียบ เพราะปริมาณของยีนที่ศึกษาจะถูกเปรียบเทียบกับปริมาณของยีนอ้างอิงควบคุม

เนื่องจากหน่วยที่ใช้ในการแสดงผลลัพธ์ของการหาปริมาณสัมพัทธ์ไม่สำคัญ ผลลัพธ์จึงสามารถเปรียบเทียบกันได้ระหว่าง RTqPCR ที่แตกต่างกันหลายรายการ เหตุผลในการใช้ยีนควบคุมภายในอย่างน้อยหนึ่งยีนก็เพื่อแก้ไขความแปรปรวนที่ไม่เฉพาะเจาะจง เช่น ความแตกต่างในปริมาณและคุณภาพของ RNA ที่ใช้ ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของการถอดรหัสย้อนกลับและดังนั้นจึงส่งผลต่อกระบวนการ PCR ทั้งหมด อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญที่สุดของกระบวนการนี้คือยีนอ้างอิงต้องมีความเสถียร[ 21 ]

การคัดเลือกยีนอ้างอิงเหล่านี้ดำเนินการตามประเพณีในชีววิทยาโมเลกุลโดยใช้การศึกษาเชิงคุณภาพหรือกึ่งเชิงปริมาณ เช่น การตรวจสอบเจล RNA ด้วยสายตาการวัดความ หนาแน่นของนอร์เทิร์นบล็อต หรือ PCR กึ่งเชิงปริมาณ (PCR จำลอง) ปัจจุบัน ใน ยุค จีโนมสามารถทำการประเมินที่ละเอียดมากขึ้นสำหรับสิ่งมีชีวิตหลายชนิดโดยใช้เทคโนโลยีทรานสคริปโตมิกส์ได้ [ 22 ] อย่างไรก็ตามงานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการขยายยีนอ้างอิงส่วนใหญ่ที่ใช้ในการหาปริมาณการแสดงออกของ mRNA นั้นแตกต่างกันไปตามเงื่อนไขการทดลอง[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำการ ศึกษาเชิงวิธีการ ทางสถิติ เบื้องต้น ที่ถูกต้องเพื่อเลือกยีนอ้างอิงที่เหมาะสมที่สุด

มีการพัฒนาอัลกอริธึมทางสถิติจำนวนหนึ่งที่สามารถตรวจจับยีนหรือยีนใดเหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด อัลกอริธึมเช่น geNORM หรือ BestKeeper สามารถเปรียบเทียบคู่หรือค่าเฉลี่ยเรขาคณิตสำหรับเมทริกซ์ของยีนอ้างอิงและเนื้อเยื่อที่ แตกต่างกัน [ 3 ] [ 5 ]กระบวนการวิเคราะห์ qPCR ทั้งหมดพร้อมการแพร่กระจายข้อผิดพลาดที่เหมาะสมได้รับการนำไปใช้ใน GenEx

การใช้งานเพื่อการวินิจฉัย

การตรวจ PCR เชิงคุณภาพ เพื่อการวินิจฉัยถูกนำมาใช้เพื่อตรวจจับกรดนิวคลีอิก อย่างรวดเร็ว ซึ่งใช้ในการวินิจฉัยโรคติดเชื้อ เช่น [ 26 ] [ 27 ]มะเร็งและความผิดปกติทางพันธุกรรม การนำการตรวจ PCR เชิงคุณภาพมาใช้ในห้องปฏิบัติการจุลชีววิทยาทางคลินิกได้ปรับปรุงการวินิจฉัยโรคติดเชื้ออย่างมีนัยสำคัญ[ 28 ]และถูกนำมาใช้เป็นเครื่องมือในการตรวจหาโรคอุบัติใหม่ เช่นเชื้อไข้หวัดใหญ่และไวรัสโคโรนา สายพันธุ์ใหม่ [ 29 ]ในการทดสอบวินิจฉัย[ 30 ] [ 31 ]

การใช้งานทางจุลชีววิทยา

นอกจากนี้ นักจุลชีววิทยาที่ทำงานในด้านความปลอดภัยของอาหาร การเน่าเสียของอาหาร และการหมักยังใช้ PCR เชิงปริมาณ รวมถึงการประเมินความเสี่ยงของจุลินทรีย์ต่อคุณภาพน้ำ (น้ำดื่มและน้ำเพื่อการพักผ่อนหย่อนใจ) และการคุ้มครองสุขภาพของประชาชน[ 32 ]

qPCR อาจใช้เพื่อขยายเครื่องหมายทางอนุกรมวิธานหรือหน้าที่ของยีนใน DNA ที่ได้จากตัวอย่างสิ่งแวดล้อม[ 33 ]เครื่องหมายเหล่านี้แสดงด้วยชิ้นส่วนทางพันธุกรรมของ DNA หรือ DNA เสริม[ 33 ]โดยการขยายองค์ประกอบทางพันธุกรรมบางอย่าง เราสามารถวัดปริมาณขององค์ประกอบนั้นในตัวอย่างก่อนการขยายได้[ 33 ]การใช้เครื่องหมายทางอนุกรมวิธาน (ยีนไรโบโซม) และ qPCR สามารถช่วยกำหนดปริมาณของจุลินทรีย์ในตัวอย่าง และสามารถระบุวงศ์ สกุล หรือสปีชีส์ต่างๆ ได้โดยอาศัยความจำเพาะของเครื่องหมาย[ 33 ]การใช้เครื่องหมายทางหน้าที่ (ยีนที่เข้ารหัสโปรตีน) สามารถแสดงการแสดงออกของยีนภายในชุมชน ซึ่งอาจเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งแวดล้อมได้[ 33 ]

การตรวจหาเชื้อโรคพืช

อุตสาหกรรมการเกษตรพยายามอย่างต่อเนื่องที่จะผลิตต้นกล้าหรือต้นกล้าพืชที่ปราศจากเชื้อโรค เพื่อป้องกันการสูญเสียทางเศรษฐกิจและปกป้องสุขภาพ มีการพัฒนาระบบที่ช่วยให้สามารถตรวจจับ DNA ของPhytophthora ramorumซึ่งเป็นโอโอไมซีตที่ฆ่าต้นโอ๊กและพืชชนิดอื่น ๆ ในปริมาณเล็กน้อยที่ปะปนอยู่กับ DNA ของพืชเจ้าบ้าน การแยกแยะระหว่าง DNA ของเชื้อโรคและพืชนั้นอาศัยการขยายลำดับ ITS ซึ่งเป็นสเปเซอร์ที่อยู่ใน บริเวณการเข้ารหัสของยีน ribosomal RNAซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของแต่ละแท็กซอน[ 34 ]นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาเทคนิคนี้ในรูปแบบภาคสนามเพื่อระบุเชื้อโรคชนิดเดียวกัน[ 35 ]

การตรวจจับสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม

qPCR โดยใช้การถอดรหัสย้อนกลับ (RT-qPCR) สามารถใช้ตรวจจับGMOได้ เนื่องจากมีความไวและช่วงไดนามิกในการตรวจจับ DNA ทางเลือกอื่นๆ เช่น การวิเคราะห์ DNA หรือโปรตีน มักมีความไวน้อยกว่า มีการใช้ไพรเมอร์เฉพาะที่ขยายไม่ใช่ทรานส์ยีน แต่เป็นโปรโมเตอร์ เทอ ร์มิเนเตอร์หรือแม้แต่ลำดับกลางที่ใช้ในระหว่างกระบวนการสร้างเวกเตอร์ เนื่องจากกระบวนการสร้างพืชทรานส์เจนิกมักนำไปสู่การแทรกทรานส์ยีนมากกว่าหนึ่งสำเนา ปริมาณของทรานส์ยีนจึงมักถูกประเมินด้วยเช่นกัน ซึ่งมักดำเนินการโดยการหาปริมาณสัมพัทธ์โดยใช้ยีนควบคุมจากสายพันธุ์ที่ได้รับการรักษาซึ่งมีอยู่เพียงสำเนาเดียว[ 36 ] [ 37 ]

การวัดปริมาณทางคลินิกและการระบุพันธุกรรม

ไวรัสสามารถพบได้ในมนุษย์เนื่องจากการติดเชื้อโดยตรงหรือการติดเชื้อร่วม ซึ่งทำให้การวินิจฉัยทำได้ยากโดยใช้เทคนิคแบบดั้งเดิม และอาจส่งผลให้การพยากรณ์โรคและการรักษาไม่ถูกต้อง การใช้ qPCR ช่วยให้สามารถวัดปริมาณและระบุจีโนไทป์ (ลักษณะเฉพาะของสายพันธุ์ ซึ่งดำเนินการโดยใช้เส้นโค้งการหลอมละลาย) ของไวรัส เช่นไวรัสตับอักเสบ Bได้[ 38 ]ระดับของการติดเชื้อ ซึ่งวัดเป็นจำนวนสำเนาของจีโนมไวรัสต่อหน่วยของเนื้อเยื่อของผู้ป่วย มีความสำคัญในหลายกรณี ตัวอย่างเช่น ความน่าจะเป็นที่ไวรัสเริม ชนิด ที่ 1 จะกลับมาทำงานอีกครั้งนั้นสัมพันธ์กับจำนวนเซลล์ประสาท ที่ติดเชื้อ ในปมประสาท[ 39 ]การวัดปริมาณนี้ดำเนินการโดยใช้การถอดรหัสย้อนกลับหรือไม่ใช้ก็ได้ เช่น หากไวรัสรวมเข้ากับจีโนมของมนุษย์ ณ จุดใดจุดหนึ่งในวงจรของมัน เช่นที่เกิดขึ้นในกรณีของHPV (ไวรัส papilloma ในมนุษย์) ซึ่งบางสายพันธุ์มีความเกี่ยวข้องกับการเกิด มะเร็ง ปากมดลูก[ 40 ] Real-time PCR ยังช่วยให้สามารถวัดปริมาณไวรัสไซโตเมกาของมนุษย์ (CMV) ซึ่งพบในผู้ป่วยที่มีภาวะภูมิคุ้มกันบกพร่องหลังจากการปลูกถ่ายอวัยวะหรือไขกระดูก[ 41 ]

บรรณานุกรม

  • Elyse; Houde, Alain (2002). "La PCR en temps réel: principes et applications" (PDF) . Reviews in Biology and Biotechnology . 2 (2): 2– 11. เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2009-06-12.
  • Bustin, SA (2000). "การหาปริมาณ mRNA ที่แน่นอนโดยใช้การทดสอบปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสแบบย้อนกลับแบบเรียลไทม์" J Mol Endocrinol . 25 (2): 169– 193. doi : 10.1677/jme.0.0250169 . PMID 11013345 . 
  • Higuchi, R.; Dollinger, G.; Walsh, PS; Griffith, R. (1992). "การขยายและการตรวจจับลำดับดีเอ็นเอเฉพาะพร้อมกัน" เทคโนโลยีชีวภาพ10 (4): 413– 417. doi : 10.1038/nbt0492-413 . PMID 1368485 . S2CID 1684150 .  
  • Holland, PM; Abramson, RD; Watson, R.; Gelfand, DH (1991). "การตรวจจับผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสจำเพาะโดยใช้กิจกรรมเอ็กโซนิวคลีเอส 50 !30 ของพอลิเมอเรส DNA ของ Thermus aquaticus" Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 88 ( 16): 7276– 7280. Bibcode : 1991PNAS...88.7276H . doi : 10.1073/pnas.88.16.7276 . JSTOR 2357665 . PMC 52277 . PMID 1871133 .   
  • Kubista, M; Andrade, JM; Bengtsson, M; Forootan, A; Jonak, J; Lind, K; Sindelka, R; Sjoback, R; Sjogreen, B; Strombom, L; Stahlberg, A; Zoric, N (2006). "ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสแบบเรียลไทม์" Mol. Aspects Med . 27 ( 2– 3): 95– 125. doi : 10.1016/j.mam.2005.12.007 . PMID 16460794 . 
  • Higuchi, R.; Fockler, C.; Dollinger, G.; Watson, R. (1993). "Kinetic PCR: การตรวจสอบปฏิกิริยาการขยายดีเอ็นเอแบบเรียลไทม์" เทคโนโลยีชีวภาพ11 (9): 1026– 1030. doi : 10.1038/nbt0993-1026 . PMID 7764001 . S2CID 5714001 .  
  • ฟิลิออน, เอ็ม. (2012). การวิเคราะห์ปริมาณด้วย Real-time PCR ในจุลชีววิทยาประยุกต์สำนักพิมพ์ Caister Academic Press. ISBN 978-1-908230-01-0.
  • Wawrik, B; Paul, JH; Tabita, FR (2002). "การหาปริมาณ mRNA ของrbcL (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) ในไดอะตอมและเพลาโกไฟต์ด้วย Real-time PCR" . Appl. Environ. Microbiol . 68 (8): 3771– 3779. Bibcode : 2002ApEnM..68.3771W . doi : 10.1128/aem.68.8.3771-3779.2002 . PMC 123995 . PMID 12147471 .  
  • Logan J; Edwards K; Saunders N, บรรณาธิการ (2009). Real-Time PCR: เทคโนโลยีและการประยุกต์ใช้งานในปัจจุบัน . สำนักพิมพ์ Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-39-4.

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ปฏิกิริยา ลูกโซ่พอลิเมอเรสแบบเรียลไทม์ ( real-time PCR หรือ qPCR เมื่อใช้ในเชิงปริมาณ) เป็น เทคนิคทางห้องปฏิบัติการ ด้าน ชีววิทยาโมเลกุล ที่ใช้หลักการ ของ ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอ...

พื้นหลัง

เซลล์ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดควบคุม การแสดงออกของยีน โดยการหมุนเวียนของสารถอดรหัสยีน ( RNA สายเดี่ยว): ปริมาณของยีนที่แสดงออกในเซลล์สามารถวัดได้จากจำนวนสำเนาของสารถอดรหัส RNA ของยีนนั้นที่มีอยู่ในตัวอย่าง เพื่อให้สามารถตรวจจับและวัดปริมาณการแสดงออกของยีนจาก RNA...

หลักการพื้นฐาน

การทำ PCR แบบเรียลไทม์ดำเนินการใน เครื่องควบคุมอุณหภูมิ (thermal cycler) ซึ่งสามารถฉายแสงไปยังแต่ละตัวอย่างด้วยลำแสงที่มีความยาวคลื่นอย่างน้อยหนึ่งค่าที่กำหนดไว้ และตรวจจับการเรืองแสงที่ปล่อยออกมาจาก ฟลูออโรฟอร์ ที่ถูกกระตุ้น...

การจำแนกประเภททางเคมี

เทคนิค PCR แบบเรียลไทม์สามารถจำแนกได้ตามสารเคมีที่ใช้ในการตรวจจับผลิตภัณฑ์ PCR ว่าเป็นฟลูออโรโครมจำเพาะหรือไม่จำเพาะ