Reacția în lanț a polimerazei în timp real (sau PCR cantitativă, qPCR, PCR-RT, ing. PCR în timp real, qPCR ) este o metodă de laborator bazată pe metoda reacției în lanț a polimerazei care vă permite să determinați nu numai prezența nucleotidei țintă secvența în probă, dar și măsurarea numărului de copii. Cantitatea de ADN amplificat este măsurată după fiecare ciclu de amplificare folosind etichete fluorescente : sonde sau intercalatoare . Evaluarea poate fi cantitativă (măsurarea numărului de copii ale șablonului) și relativă (măsurarea relativă la ADN-ul introdus sau genele de calibrare suplimentare ) [1] .
O metodă de PCR cantitativă modificată se numește PCR semi-cantitativă (PCR semi-cantitativă). Este adesea folosit pentru a compara expresia mai multor gene. În acest caz, cantitatea de produs acumulat este măsurată doar la un moment dat - după ce reacția sa oprit. [2]
PCR în timp real este adesea combinată cu alte metode: RT-PCR ( RT-qPCR ) , ChIP - qPCR etc. [3]
Procedura qPCR este similară cu procedura PCR clasică , adică toate etapele reacției sunt prezente - topirea ADN-ului dublu catenar la o temperatură de 95˚C, recoacere a primerilor (temperatura de recoacere depinde de primerii utilizați) și alungirea la o temperatură de 72˚C dacă se utilizează polimeraza Taq . Cantitatea de produs PCR este măsurată în fiecare ciclu PCR utilizând etichete fluorescente . Astfel, puterea semnalului indică cantitatea inițială a moleculei de interes [4] .
Nomenclatura folosită în mod obișnuit pentru qPCR este:
Graficul constă dintr-o linie de bază, o fază exponențială și un platou [5] .
În stadiile inițiale, fluorescența este slabă, deoarece există puțin produs, deci este dificil să-l distingem de fundal. Pe măsură ce produsul se acumulează, semnalul crește exponențial la început și apoi atinge un platou. Platoul se datorează lipsei uneia sau alteia componente a reacției - primeri , trifosfați de nucleotide , se poate epuiza o etichetă fluorescentă. Dacă s-a acumulat prea mult produs de reacție, atunci polimeraza poate deveni un factor limitator și apoi dependența cantității de produs de ciclu va deveni liniară . Este demn de remarcat faptul că într-o reacție standard PCR în timp real, toate probele vor plati și vor atinge aproximativ același nivel de semnal. Astfel, punctul final nu va spune nimic despre cantitatea inițială a probei de testat. Pe de altă parte, în faza exponențială se pot urmări diferențe în rata de creștere a cantității de produs. Diferențele în numărul inițial de molecule afectează numărul de cicluri necesare pentru a ridica nivelul de fluorescență peste nivelul de zgomot [5] .
Ct este un număr care poate fi folosit pentru a evalua cantitatea de ADN țintă în soluție, dar valoarea Ct poate depinde de mulți factori aleatori, cum ar fi sensibilitatea detectorului , calitatea filtrului etc. Prin urmare, cantitatea inițială exactă a produsului de interes nu poate fi măsurat. Există metode de normalizare pentru a rezolva această problemă . Măsurați raportul dintre cantitățile a două molecule din probă. Ele sunt de obicei normalizate la produsele genelor de întreținere - gene, al căror număr într-o celulă este întotdeauna aproximativ același (un exemplu este gena infA, care codifică factorul de inițiere a translației în bacterii ) . Raportul este determinat de următoarea formulă:
unde și sunt cantitățile inițiale ale celor două eșantioane, Ct B și Ct A sunt valorile Ct corespunzătoare și este eficiența PCR, care este adesea echivalată cu sau [5] .
PCR în timp real permite identificarea fragmentelor specifice de ADN amplificate utilizând o analiză a temperaturii lor de topire (denaturare), denumită și valoarea Tm. Metoda folosește coloranți intercalați , de obicei SYBR Green . Punctul de topire al ADN-ului este specific fragmentului amplificat. Rezultatele acestei metode au fost obținute prin compararea curbelor de disociere ale probelor de ADN analizate. Două curbe de topire sunt trasate pentru analiză. Prima este dependența fluorescenței de timp, a doua este rata de scădere a fluorescenței în timp. Vârful reflectă un model specific de ADN [5] .
În acest caz, eticheta este un compus chimic capabil să se încorporeze în dublu helix ADN . O astfel de sondă își schimbă conformația la interacțiunea cu produsele PCR și devine un fluorofor . Determinarea produsului poate fi efectuată la sfârșitul fiecărui ciclu, înainte de etapa de denaturare . Un exemplu de astfel de vopsea este SYBR Green, folosit pe scară largă. Cu toate acestea, coloranții ADN dublu catenar (dsDNA) se vor lega la toate dsDNA, inclusiv produsele PCR nespecifice (cum ar fi dimerul primer ). Acest lucru poate interfera cu acuratețea monitorizării secvenței țintă [6] .
Sondele fluorescente detectează numai secvența care conține ADN complementară sondei; prin urmare, utilizarea unei sonde reporter crește foarte mult specificitatea și permite o măsurare mai precisă în prezența altor dsDNA . Cu toate acestea, sondele reporter fluorescente nu împiedică efectul inhibitor al dimerilor de primer, care pot suprima acumularea produșilor de reacție țintă [7] .
De asemenea, este posibil să se utilizeze mai multe sonde ale căror fluorofore au spectre de emisie diferite . În acest caz, devine posibilă înregistrarea unui semnal de la diferite molecule de ADN într-un tub. Metoda se numește PCR multiple (ing. PCR multiplex ) [8] .
Metoda se bazează pe introducerea unei sonde ADN complementară produsului de amplificare cu un reporter fluorescent la un capăt al sondei și un extintor de fluorescență la capătul opus. Când extinctorul se află în imediata apropiere a reporterului, acesta absoarbe semnalul și reporterul nu emite fluorescență . În timpul amplificării , integritatea sondei este ruptă, iar reporterul poate fi detectat prin fluorescență după excitarea cu laser. Prin urmare, creșterea cantității de produs la care se leagă sonda reporter în fiecare ciclu PCR determină o creștere proporțională a fluorescenței . Etichetele pot fluoresce în faza de alungire sau în faza de recoacere PCR [4] .
Un fluorofor și stingerea acestuia sunt cusute pe sondă de la capetele 5’ și 3’ . Dacă secvența sondei nu este foarte lungă, atunci chiar și în starea legată de ADN vor interacționa între ele și nu va fi emisă nicio fluorescență. În timpul alungirii , ADN polimeraza , care are activitate 5'-3'-exonuclează (deseori folosită polimeraza Taq ), disociază sonda de ADN-ul țintă câte o nucleotidă . Ca urmare a acestui proces, atât fluoroforul, cât și stingătorul său vor intra în soluție, unde probabilitatea de a găsi aceste substanțe în apropiere va fi mică, iar fluorescența va fi restabilită [4] .
PCR în timp real este utilizat pe scară largă pentru multe aplicații de cercetare în laboratoare. În plus, această metodă și-a găsit aplicație în medicină (pentru diagnosticarea bolilor) și în domeniul biotehnologiei (pentru determinarea conținutului de microorganisme în alimente și materiale vegetale; pentru detectarea OMG-urilor ). qPCR este, de asemenea, utilizat pentru genotiparea și cuantificarea virusurilor și a altor agenți patogeni umani.
qPCR este utilizat ca una dintre metodele de măsurători cantitative ale transcripției genelor . Această metodă este utilizată pe scară largă pentru a evalua modificările în expresia unei anumite gene de-a lungul timpului , de exemplu, ca răspuns la administrarea unui medicament sau la modificările condițiilor de mediu. Cuantificarea expresiei genelor folosind metode tradiționale de detectare a ADN-ului este nesigură. Detectarea ARNm prin Northern blot , produse gel-PCR sau Southern blot nu permite o cuantificare precisă. De exemplu, în 20-40 de cicluri ale unei PCR tipice, cantitatea de produs ADN atinge un platou care nu este direct legat de cantitatea de ADN țintă din PCR inițial [9] .
PCR în timp real poate fi utilizată pentru cuantificarea acizilor nucleici prin două metode comune: cuantificare relativă și cuantificare absolută [10] . Cuantificarea absolută oferă numărul exact de molecule de ADN țintă folosind o curbă standard . Prin urmare, este important ca PCR-ul probei și al standardului să aibă aceeași eficiență de amplificare . Scorul relativ se bazează pe gene de referință interne (gene de întreținere ) pentru a determina diferențele de ori în expresia genei țintă. Cuantificarea este exprimată ca o modificare a nivelurilor de expresie ale ARNm interpretat ca ADN complementar ( ADNc , generat prin transcripție inversă ARNm ). Cuantificarea relativă este mai ușor de efectuat deoarece nu necesită o curbă de calibrare deoarece cantitatea de genă studiată este comparată cu cantitatea de genă de control [11] .
qPCR pentru a determina cantitatea de ARN nuclear mic (ARNsn)ARN-urile nucleare mici (ARNsn) diferă în proprietăți de ARNm printr-o lungime foarte scurtă (aproximativ 22 de nucleotide ), nu au o secvență conservatoare la capete, în timp ce ARNsn dintr-o populație pot diferi prin una sau mai multe nucleotide . Pentru a rezolva aceste probleme, se folosesc abordări bazate pe adăugarea unei mici bucăți de ADN (linker) la ADNc într-o reacție de transcripție inversă . Apoi, PCR în timp real este efectuată prin metode standard folosind primeri, (biologie)|complementari linkerului [12] .
Studii genomice folosind ChIP-qPCRImunoprecipitarea cromatinei (ChIP) în combinație cu RT-qPCR este considerată a fi metoda de bază în cercetarea genomică , disponibilitatea sa comercială și acuratețea ridicată permit analiza rapidă și ușoară a interacțiunilor proteină-ADN. ChIP-qPCR este utilizat pentru a investiga gene specifice și regiuni de reglare potențiale, cum ar fi promotorii . Această metodă este utilizată în prezent în diferite studii, inclusiv diferențierea celulelor , tăcere a genei supresoare și efectul modificărilor histonelor asupra expresiei genelor [13] .
Analiza ChIP captează doar o fracțiune din țintele posibile prezente în întregul genom datorită variabilității eficienței de reticulare și limitării sterice a disponibilității anticorpilor [13] .
Pentru a efectua ChIP-qPCR, este necesar să adăugați amestecul principal (un amestec de enzime și nucleotide ), primeri și ADN șablon. În acest caz, este necesar să se selecteze cu precizie concentrația de primeri pentru amplificarea eficientă a ADN-ului țintă. Fie ADN-ul ChIP servește ca șablon, fie, în cazul unui control negativ, mărgele goale fără ADN. Apoi este necesar să alegeți timpul și temperatura ciclurilor de recoacere și să începeți PCR. Rezultatele sunt analizate în mod similar cu rezultatele qPCR, comparând numărul prag de cicluri (Ct) pentru șablonul de intrare și șablonul ADN ChIP [3] .
PCR cantitativ este utilizat pentru identificarea rapidă a genelor sau fragmentelor de ADN care sunt markeri ai bolilor infecțioase , anomaliilor genetice etc. Introducerea acestei metode în laboratoarele clinice a îmbunătățit semnificativ calitatea diagnosticării bolilor infecțioase [14] . În plus, qPCR este folosită ca instrument pentru detectarea bolilor nou apărute. De exemplu, noi tulpini de gripă [15] .
Utilizarea qPCR permite, de asemenea, măsurători cantitative și genotipare (caracterizarea tulpinilor) de virusuri , cum ar fi virusul hepatitei B [16] . Gradul de infecție , care este măsurat ca număr de copii ale genomului viral pe unitatea de țesut a pacientului, este de mare importanță. De exemplu, probabilitatea reactivării virusului herpes simplex tip 1 depinde de numărul de ganglioni infectați [17] .
La pacienții cu suspiciune de infecție cu coronavirus , se ia un tampon în gât, se extrage ARN și se analizează prin RT-qPCR . Genele țintă sunt cadrul deschis de citire 1ab (ORF1ab) și proteina nucleocapsidă (N). Un prag de ciclu (valoare Ct) mai mic de 37 este definit ca un rezultat pozitiv al testului, iar o valoare Ct de 40 sau mai mult este definit ca un rezultat negativ al testului. Aceste criterii de diagnostic se bazează pe recomandările Institutului Național pentru Controlul și Prevenirea Bolilor Virale [18] .
Sensibilitatea testului RT-qPCR este de 83,3%, acest test fiind predispus la rezultate fals negative . De asemenea, tomografia computerizată este folosită pentru a diagnostica coronavirusul , a cărui sensibilitate este mult mai mare și se ridică la 97,2% [19] .
PCR cantitativ este, de asemenea, utilizat pe scară largă pentru a detecta celulele tumorale în tumorile solide [20] [21] și chiar în unele forme de leucemie [22] [23] .
qPCR ajută la detectarea celulelor tumorale circulante . De exemplu, cancerul de sân este încă cea mai frecventă cauză de deces în rândul pacienților cu cancer. În plus, moartea este adesea cauzată de metastaze care au apărut . Metastazele apar ca urmare a faptului că celulele capabile de proliferare sunt separate de tumoră , intră în fluxul sanguin și se stabilesc din nou într-o anumită parte a corpului. Aceste celule sunt numite celule stem circulante (CSC). Prezența unor astfel de celule în sângele pacienților cu cancer de sân, de regulă, este asociată cu un prognostic slab al rezultatului terapiei și al supraviețuirii în general, prin urmare, este un parametru de diagnostic foarte important. Dar, din cauza numărului foarte mic, identificarea CVT este o sarcină dificilă.
Și qPCR ca metodă extrem de sensibilă poate fi folosită pentru a rezolva această problemă. CST - urile sunt de origine epitelială și, prin urmare, exprimă un anumit set de gene care diferă de celulele sanguine din jurul lor , care sunt de origine mezenchimală . Pentru a aplica această metodă, este necesar să se determine setul de gene marker CST și să se evalueze nivelul de expresie al acestora [24] .
PCR-ul în timp real este utilizat și pentru lucrări microbiologice în domeniul siguranței alimentelor, pentru evaluarea calității apei (potabile și uzate) și în domeniul sănătății publice [25] . În plus, această metodă este utilizată pentru identificarea microflorei intestinale [26] .
Agroindustria produce semințe și răsaduri fără agenți patogeni pentru a preveni pierderile economice și a crește durata de valabilitate a produselor. Prin urmare, au fost dezvoltate sisteme pentru a detecta cantități mici de phytophthora ( Phytophthora ramorum ), oomycete și alți alți agenți patogeni care ucid stejarii și alte specii de plante amestecate cu ADN-ul plantei gazdă. Capacitatea de a distinge între ADN-ul agentului patogen și al plantei gazdă se bazează pe amplificarea secvențelor ITS ( intern transcrited spacer) , regiuni interne transcrise situate în regiunea codificatoare a genei ARN ribozomal , care sunt caracteristice fiecărui taxon [27]. ] .
qPCR (folosind transcrierea inversă ) poate fi utilizată pentru a detecta organisme modificate genetic , deoarece este mai sensibilă decât multe alte metode. În acest caz, primeri specifici sunt utilizați pentru a amplifica promotorul, terminatorul sau secvențele intermediare utilizate în procesul de creare a vectorului . Deoarece procesul de creare a unei plante transgenice are ca rezultat, de obicei, inserarea a mai mult de o copie a transgenei , cantitatea acesteia este, de asemenea, estimată utilizând qPCR. În acest caz, o plantă care conține această genă într-o singură copie este utilizată ca martor [28] [29] .