一种用于数字PCR扩增的探针引物组合及设计方法
技术领域
本发明涉及数字PCR领域,尤其涉及一种用于数字PCR扩增的探针引物组合,一种用于数字PCR扩增的探针引物组合的设计方法,一种数字PCR扩增的方法以及其应用。
背景技术
数字PCR(dPCR)是常规聚合酶链式反应(PCR)方法的改进,其可以用于直接量化和克隆扩增核酸(包括DNA、cDNA、甲基化的DNA或RNA)。dPCR和传统PCR之间的一个区别在于测量核酸量的方法。PCR和dPCR均对每个单独样品进行一个反应,dPCR还在样品内进行单一反应,但是所述样品被分离成大量的分区(partition),并且所述反应在每个分区中单独进行。这种分离允许对核酸量进行灵敏的测量。dPCR已被证明可有效用于研究基因序列中的变异,例如拷贝数变异或点突变。
在dPCR中,样品被分区,使得样品内单个的核酸分子被定位并被集中在许多分离的区域内。所述样品通过简单的稀释过程进行分级分离,使得每个分级含有大约一个拷贝的DNA模板或更少。通过分离单个DNA模板,该过程有效富集在原始样品中以极低水平存在的DNA分子。样品的分区有助于采用泊松统计对分子进行计数。其结果是,每个分区会分别含有“0”或“1”个分子,或阴性或阳性的反应。虽然传统PCR中分子的起始拷贝数与扩增循环的数量成比例,dPCR并不依赖于扩增循环的数量来确定初始样品量。
现有技术中,荧光素标记方法在PCR中的应用,主要体现在荧光引物或荧光探针两个方面。其中,荧光引物的方法,主要有直接标记引物或者标记接头引物,而PCR产物采用遗传分析仪,如ABI遗传分析仪310、3130、3130xl、3730等,通常用于检测微卫星及基因分型,例如中国专利公告号为CN104178566的发明专利,即公开了一种可用于微卫星检测的多重荧光PCR通用接头及检测方法和应用,其引物设计图和检测流程图分别如其中图1和图2所示。该技术的缺点包括:a)不能实现实时检测;b)图谱结果分析难,易误判;c)PCR产物需后处理,易污染检测环境。
荧光探针又可分为水解探针和杂交探针,其荧光信号检测主要通过实时荧光定量PCR仪进行。其中,1)水解探针:如图3所示,以TaqMan探针为例进行说明,水解探针的5'端和3'端分别标记了一个报告荧光基团和一个淬灭荧光基团,在探针完整时,系统激发供体而产生的荧光信号被临近的淬灭基团吸收,所以此时检测不到供体荧光信号;而当PCR过程中Taq DNA聚合酶扩增到探针结合模版的位点时,其5'-3'核酸外切酶的活性切割掉探针5'端的报告基团——游离的报告基团远离淬灭基团,打破能量的传递,激发报告基团产生的荧光信号就可以被荧光检测系统检测到,检测的是信号的积累。这种TaqMan探针技术,需要针对目的基因或突变位点设计特异性探针,不同基因或突变位点需重新设计、合成,存在成本高且费时的问题。2)杂交探针,复性时两条特异探针杂交到模板上,相互靠近而产生检测信号,到升温变性探针远离模板,无信号,检测的是实时荧光信号。
现有的通用探针需要扩增、纯化、扩增这几步,需要多次开管操作,很容易出现样品污染。Taqman探针长度约为20-30bp,MGB探针长度约为13-25bp,而最短的探针则是罗氏的UPL,采用的是8-9个bp的碱基,添加LNA修饰来增加探针的TM值。
常规的探针的设计往往受限于碱基的序列,有些序列甚至不符合探针设计的序列要求而无法找到合适的探针。常规的探针法检测,需要设计一对基因特异性的引物(GSF/GSR)以及一条特异性双重修饰的探针(P),难点往往在于探针的设计,因为探针需要达到一定的TM值才能确保稳定地结合在变性的DNA链上。还有,有时一条探针的信号会偏低,需要花费大量的精力进行优化。
本发明旨在解决数字PCR荧光探针设计受限于碱基序列的问题,提供新的探针引物组合,不需要一次扩增后纯化再次扩增的两步法,只需常规一步操作即可。
发明内容
为实现上述目的,本发明通过提供下述实施方案完成:
在第一个方面,本发明提供了一种用于数字PCR扩增的探针引物组合,其特征在于,包括以下引物和探针:
长引物:上游引物包括U+UP+GSF三段序列,下游引物包括U+UP+GSR三段序列;
短引物:U;
其中,U为通用引物,UP为通用探针,是双重修饰探针,5’带有报告基团修饰,3’带有淬灭基团修饰,GSF/GSR为基因特异性引物。
在第二个方面,本发明提供了一种用于数字PCR扩增的探针引物组合的设计方法,其特征在于,设计得到的探针引物组合具有:
长引物:上游引物包括U+UP+GSF三段序列,下游引物包括U+UP+GSR三段序列;
短引物:U;
其中,U为通用引物,UP为通用探针,是双重修饰探针,5’带有报告基团修饰,3’带有淬灭基团修饰,GSF/GSR为基因特异性引物。
优选地,通用引物TM值为51.1℃,通用探针的TM值为60-65℃,基因特异性引物的TM值为70-75℃。应该理解,本发明不限于该TM值,任何合适的TM值均在本发明的构思及范围之内。
优选地,通用引物长度为17bp,通用探针长度分别为20-25bp,基因特异性引物长度为58-64bp。应该理解,本发明不限于该长度,任何合适的长度均在本发明的构思及范围之内。
优选地,所述U具有SEQ ID NO.1所示的序列。应该理解,本发明的U不限于该序列,任何合适的序列均在本发明的构思及范围之内。
优选地,所述UP的正向和反向具有SEQ ID NO.2和3所示的序列。应该理解,本发明的UP不限于上述序列,任何合适的序列均在本发明的构思及范围之内。
优选地,所述GSF/GSR具有选自如下的序列:SEQ ID NO.4和5、SEQ ID NO.6和7、SEQ ID NO.8和9、SEQ ID NO.10和11。应该理解,本发明的GSF/GSR不限于上述序列,任何合适的序列均在本发明的构思及范围之内。
优选地,所述报告基团选自FAM、TET、Texas Red、VIC或Cy5;所述淬灭基团选自BHQ1或BHQ2。应该理解,本发明不限于上述报告基团或淬灭基团,任何合适的报告基团或淬灭基团均在本发明的构思及范围之内。
在第三个方面,本发明提供了一种利用上述探针引物组合进行数字PCR扩增的方法,其特征在包括如下阶段:
第一阶段:长引物扩增,在常规的扩增片段的两端分别加入通用引物U和通用探针UP;
第二阶段:短引物扩增,通用引物U作为扩增引物往中间延伸,同时借助于聚合酶的5’-3’外切酶活性水解退火到两条链上的探针,后续检测荧光信号。
优选地,所述方法无需中间纯化步骤。优选地,增加中间纯化步骤也在本发明的保护范围之内。
优选地,所述聚合酶是Taq DNA聚合酶,所述探针是Taqman探针。应该理解,本发明的聚合酶不限于Taq DNA聚合酶,任何合适的聚合酶均在本发明的构思及范围之内。
在第四个方面,本发明提供了一种用于数字PCR扩增的试剂盒,其特征在,所述试剂盒包含上面所述的探针引物组合。
在其他方面,本发明还提供了本发明的探针引物组合或试剂盒的在各个领域的测序诊断用途。
本发明取得了显著的技术效果:
1.解决了数字PCR荧光探针设计受限于碱基序列的问题。
2.不需要一次扩增后纯化再次扩增的两步法,只需一步即可;在操作中,本发明把包含通用引物和通用探针的所有扩增试剂一次性刷入芯片反应孔中,进行数字PCR扩增。因此,大大减少了样品污染的可能。
3.上下游都带有一个通用探针结合位点,扩增的荧光信号更好,结果更灵敏。
附图说明
图1为常规的探针法检测。
图2为本发明的探针法检测。
图3为女性DNA检测21/Y染色体。
图4为男性DNA检测21/Y染色体。
图5为女性DNA检测13/18染色体。
图6为男性DNA检测13/18染色体。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步的阐述,应理解,下述说明仅是为了用于说明本发明,并不对发明内容进行限定。
实施例中所用原料和设备均为本领域技术人员熟知,且均为市场上能够购买到或容易获得或制得。
一、引物探针设计
采用FastPCR软件设计通用短引物和两条通用探针序列;选取21号染色体/Y染色体/13号染色体/18号染色体的一个小片段,设计引物;在此基础上加上对应的通用短引物序列和通用探针序列。具体序列信息如下:
二、染色体序列信息(粗体为上下游引物区域)
>21号染色体:chr21:31664526-31664766
gccacaaaactgggctttgatacctaggtgtggaaaagaaagggaaagagttgatgttttgtcttacagcatcattgtagaagagggtgtttttttgtttgtttgttttttgagacggagtcttactctgtggcccaggctggagtgcagtggcgcgatctcggctcactgcaagctccgcctcccgggttcatgccattctcctgcctcagccccctgagtagctgggactacaggtgcc(SEQ ID NO.12)
>Y染色体:chrY:2787239-2787450
agtaaaggcaacgtccaggatagagtgaagcgacccatgaacgcattcatcgtgtggtctcgcgatcagaggcgcaagatggctctagagaatcccagaatgcgaaactcagagatcagcaagcagctgggataccagtggaaaatgcttactgaagccgaaaaatggccattcttccaggaggcacagaaattacaggccatgcacagaga(SEQ IDNO.13)
>13号染色体:chr13:95247543-95247834
gtaaacggaggctccagacaggacccaggaaggcaaaacccactccccacacacagacacccacgcttccttaatgcccactttactgcctccgacttacccttgcaactcctctccaaggtgctgtgagcggtcttctggcagcactgaatacatatcatcttcctctaatctccgtttatggccaattttaaacaagggattgagccacctgttaacaagagaaaagagacatatatccagaattacacatccgtgtttaagtagactcctacctccatgggttttgctt(SEQID NO.14)
>18号染色体:
ctaagattggttacttctataccgattgtcttgtgccaatggttggaaacaatccatatgcgaccacagaaggaaattcaacagaacttagcataaatgctgaagtgtattcattgccttcaagaaagctggtggctctacagttaagatcc(SEQ ID NO.15)
三、样品来源
采用口腔拭子采集男性、女性口腔脱落细胞。
四、DNA提取
采用血液/细胞/组织基因组DNA提取试剂盒(DP304,天根生化)抽提细胞基因组DNA。具体步骤:
1.脱落的细胞悬液,然后10,000rpm离心1min,弃上清,加200μL缓冲液GA,振荡至彻底悬浮。
2.加入20μL Proteinase K溶液,混匀。
3.加入200μL缓冲液GB,充分颠倒混匀,70℃放置10min,溶液应变清亮,简短离心以去除管盖内壁的水珠。
4.加人200μL无水乙醇,充分振荡混匀15sec,此时可能会出现絮状沉淀,简短离心以去除管盖内壁的水珠。
5.将上一步所得溶液和絮状沉淀都加入一个吸附柱CB3中(吸附柱放入收集管中),12,000rpm离心30sec,倒掉废液,将吸附柱CB3放回收集管中。
6.向吸附柱CB3中加入500μL缓冲液GD,12,000rpm离心30sec,倒掉废液,将吸附柱CB3放入收集管中。
7.向吸附柱CB3中加入600μL漂洗液PW,12,000rpm离心30sec,倒掉废液,将吸附柱CB3放入收集管中。
8.重复操作步骤7。
9.将吸附柱CB3放回收集管中,12,000rpm离心2min,倒掉废液。将吸附柱CB3置于室温放置数分钟,以彻底晾干吸附材料中残余的漂洗液。
10.将吸附柱CB3转入一个干净的离心管中,向吸附膜的中间部位悬空滴加50μL洗脱缓冲液TE,室温放置2min,12,000rpm离心2min,将溶液收集到离心管中。
五、数字PCR扩增
男女两例样品进行数字PCR扩增。
1.21号染色体/Y染色体扩增
2.13号染色体/18号染色体扩增
试剂名称 |
体积 |
终浓度 |
2×PCR混合物 |
7.5μL |
1× |
U |
0.1μL |
666nM |
GSP-13F |
0.05μL |
333nM |
GSP-13R |
0.05μL |
333nM |
GSP-18F |
0.05μL |
333nM |
GSP-18R |
0.05μL |
333nM |
UP-F |
0.3μL |
500nM |
UP-V |
0.3μL |
500nM |
基因组DNA |
1μL |
|
补足ddH<sub>2</sub>O至 |
15μL |
|
3.PCR扩增条件:95℃10min,[95℃15s,55℃1min]×40。程序运行结束后,采用iscanner25生物芯片分析仪分析芯片结果,得到FAM和VIC的浓度数值(拷贝/μL)。
六、数字PCR分析结果
拷贝数分析
样品 |
21(FAM,拷贝/μL) |
Y(VIC,拷贝/μL) |
21/Y测得值 |
21/Y理论值 |
男性 |
94.02 |
47.18 |
1.99 |
2 |
女性 |
78.46 |
0.10 |
784.6 |
∞ |
样品 |
13(FAM,拷贝/μL) |
18(VIC,拷贝/μL) |
13/18测得值 |
13/18理论值 |
男性 |
88.32 |
94.11 |
0.94 |
1 |
女性 |
82.04 |
83.14 |
0.99 |
1 |
七、结论
本发明能够采用通用引物和通用探针进行扩增,而不需要中间纯化等步骤,减少了样品污染的可能。
八、芯片散点图
图3为女性DNA检测21/Y染色体,图4为男性DNA检测21/Y染色体,图5为女性DNA检测13/18染色体,图6为男性DNA检测13/18染色体。
在上述图中,蓝色点是检测到FAM信号的阳性点,红色点是检测到VIC信号的阳性点,绿色点是同时检测到FAM和VIC信号的阳性点。
这些图表明,利用本发明设计方法设计的通用引物和通用探针进行扩增,在不进行中间纯化等步骤的情况下,没有发生样品污染。
至此,本领域技术人员应认识到,虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例,但是,在不脱离本发明精神和范围的情况下,仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此,本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
序列表
<110> 领航基因科技(杭州)有限公司
<120> 一种用于数字PCR扩增的探针引物组合及设计方法
<130> L18110190F
<141> 2018-12-07
<160> 15
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 17
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 1
gttttcccag tcacgac 17
<210> 2
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 2
cacgaactga cggccatcaa gc 22
<210> 3
<211> 23
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 3
cctgaggtca ccgagctgca ctc 23
<210> 4
<211> 60
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 4
gttttcccag tcacgaccac gaactgacgg ccatcaagcg ccacaaaact gggctttgat 60
<210> 5
<211> 58
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 5
gttttcccag tcacgaccac gaactgacgg ccatcaagcg gcacctgtag tcccagct 58
<210> 6
<211> 59
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 6
gttttcccag tcacgaccct gaggtcaccg agctgcactc agtaaaggca acgtccagg 59
<210> 7
<211> 59
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 7
gttttcccag tcacgaccct gaggtcaccg agctgcactc tctctgtgca tggcctgta 59
<210> 8
<211> 58
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 8
gttttcccag tcacgaccac gaactgacgg ccatcaagcg taaacggagg ctccagac 58
<210> 9
<211> 58
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 9
gttttcccag tcacgaccac gaactgacgg ccatcaagca agcaaaaccc atggaggt 58
<210> 10
<211> 64
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 10
gttttcccag tcacgaccct gaggtcaccg agctgcactc ctaagattgg ttacttctat 60
accg 64
<210> 11
<211> 60
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 11
gttttcccag tcacgaccct gaggtcaccg agctgcactc ggatcttaac tgtagagcca 60
<210> 12
<211> 241
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 12
gccacaaaac tgggctttga tacctaggtg tggaaaagaa agggaaagag ttgatgtttt 60
gtcttacagc atcattgtag aagagggtgt ttttttgttt gtttgttttt tgagacggag 120
tcttactctg tggcccaggc tggagtgcag tggcgcgatc tcggctcact gcaagctccg 180
cctcccgggt tcatgccatt ctcctgcctc agccccctga gtagctggga ctacaggtgc 240
c 241
<210> 13
<211> 212
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 13
agtaaaggca acgtccagga tagagtgaag cgacccatga acgcattcat cgtgtggtct 60
cgcgatcaga ggcgcaagat ggctctagag aatcccagaa tgcgaaactc agagatcagc 120
aagcagctgg gataccagtg gaaaatgctt actgaagccg aaaaatggcc attcttccag 180
gaggcacaga aattacaggc catgcacaga ga 212
<210> 14
<211> 292
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 14
gtaaacggag gctccagaca ggacccagga aggcaaaacc cactccccac acacagacac 60
ccacgcttcc ttaatgccca ctttactgcc tccgacttac ccttgcaact cctctccaag 120
gtgctgtgag cggtcttctg gcagcactga atacatatca tcttcctcta atctccgttt 180
atggccaatt ttaaacaagg gattgagcca cctgttaaca agagaaaaga gacatatatc 240
cagaattaca catccgtgtt taagtagact cctacctcca tgggttttgc tt 292
<210> 15
<211> 152
<212> DNA
<213> 人工序列(artificial sequence)
<400> 15
ctaagattgg ttacttctat accgattgtc ttgtgccaat ggttggaaac aatccatatg 60
cgaccacaga aggaaattca acagaactta gcataaatgc tgaagtgtat tcattgcctt 120
caagaaagct ggtggctcta cagttaagat cc 152