應(yīng)用驅(qū)動(dòng)型qPCR儀選型攻略-2

二、在等溫循環(huán)模塊qPCR儀上優(yōu)化PCR反應(yīng)的有效途徑
        eppendorf、MJ Research和伯樂(lè)等是梯度溫度qPCR儀路上的先行者。ABI是在2007年VeriFlex模塊投產(chǎn)后才步入梯度時(shí)代，StepOne和StepOnePlus是其標(biāo)志。在梯度溫度模塊大規(guī)模應(yīng)用前，科學(xué)家們手里的普通終點(diǎn)式PCR儀和實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀，都配的是等溫循環(huán)模塊。
        死了張屠戶(hù)，要吃渾毛豬。沒(méi)有梯度溫控模塊，科學(xué)家們并非在復(fù)雜模板擴(kuò)增時(shí)束手無(wú)策，或?yàn)槊饔行嘶饻囟染椭荒苓M(jìn)行N輪擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)。
        實(shí)際上，早在1991年，一套行之有效的PCR優(yōu)化方法-降落PCR技術(shù)（touchdown PCR，TD-PCR）就誕生了。TD-PCR技術(shù)是與常規(guī)緩沖液組份濃度、循環(huán)條件和在梯度模塊上改變退火溫度等常規(guī)優(yōu)化策略完全不同的提高PCR反應(yīng)特異性的方法。
        其工作原理是：在PCR初始階段，退火溫度高于估計(jì)Tm值，此時(shí)擴(kuò)增效率低但可避免非特異性PCR產(chǎn)物產(chǎn)生。隨著循環(huán)進(jìn)行，退火溫度遞減，當(dāng)“降落”至引物-模板結(jié)合最佳溫度時(shí)（通常比Tm低3-5℃），特異性擴(kuò)增開(kāi)始。隨后退火溫度進(jìn)一步降低，特異性擴(kuò)增與非特異擴(kuò)增齊飛。但憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)2個(gè)循環(huán)擴(kuò)增，特異性擴(kuò)增產(chǎn)物已實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，對(duì)任何其后出現(xiàn)的非特異擴(kuò)增產(chǎn)生強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)抑制而處于單一主導(dǎo)地位，確保了在剩余進(jìn)程PCR擴(kuò)增特異性和擴(kuò)增效率。
        經(jīng)典TD-PCR程序編輯方法是：從高于引物-模板退火溫度熔解溫度（Tm）值開(kāi)始，到退火溫度低于Tm值若干為止的范圍，按每個(gè)步驟重復(fù)2次、相鄰的2X步驟退火溫度依次比上一個(gè)2X步驟遞減1-2℃，直到退火溫度設(shè)定底限為止的方法，設(shè)置熱循環(huán)程序前面2N個(gè)連續(xù)循環(huán)步驟。從2N+1開(kāi)始的剩余循環(huán)統(tǒng)一按第2N步驟參數(shù)執(zhí)行。

        以2010年J Nucleic Acids刊文中的TD PCR程序?yàn)槔?
Stage 1：95℃預(yù)變性30s;
Stage 2：95℃變性30s→56℃退火30s→72℃延伸1min
Stage 3：每個(gè)循環(huán)退火溫度降低2℃,從56℃降落到46℃共5個(gè)循環(huán);
Stage 4：95℃變性30s,44℃退火30s,72℃延伸1min,完成余下29個(gè)循環(huán)
Stage 5：72℃延伸10mn;
總計(jì)35個(gè)循環(huán)。
        TD-PCR在配置等溫?zé)嵫h(huán)模塊的普通PCR儀和實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀上就可以實(shí)施。同一批常規(guī)樣品、同一臺(tái)機(jī)器同一個(gè)運(yùn)行程序，只需一次運(yùn)行即可完成特異性擴(kuò)增。
        TD-PCR方法作為基本功能，很早就被融入主流廠(chǎng)商PCR、qPCR儀的程序編程環(huán)節(jié)。如Agilent SureCycler 8800 PCR儀，設(shè)有專(zhuān)門(mén)Touchdown PCR設(shè)置選項(xiàng)。只是不同機(jī)型TD-PCR編程操作界面及簡(jiǎn)易程度有別。

        目前，Applied Biosystems旗下的qPCR儀，無(wú)論是否配置梯度溫度模塊，都采用了AutoDelta選項(xiàng)專(zhuān)用于Touchdown PCR編程設(shè)置。如QuantStudio 6 Pro/6 Flex、QuantStudio 7 Pro/7 Flex實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀，在退火步驟編程界面設(shè)有Enable AutoDelta選型（圖中藍(lán)色箭頭所示）。
 

        激活選項(xiàng)后會(huì)彈出AutoDelta設(shè)定界面。指定TD步驟起點(diǎn)、TD溫度降幅和時(shí)間遞變幅度、每個(gè)溫度重復(fù)次數(shù)即可，程序設(shè)定操作簡(jiǎn)便。

         伯樂(lè)CFX Opus 96、CFX Duet、CFX 96 touch等qPCR儀在觸摸屏、PC操作端的編程界面中都有GOTO功能，可用作TD程序設(shè)定。

        點(diǎn)擊Insert選項(xiàng)，選擇在圖中95℃-10sec位置依次用Insert Step命令插入退火參數(shù)、延伸步驟參數(shù)、讀板，以GOTO命令設(shè)置重復(fù)步驟起點(diǎn)、循環(huán)次數(shù)完成第一個(gè)TD設(shè)置。此后在第一TD步驟之后依次插入第二步TD變性、退火、延伸、讀板和GOTO步驟完成第二個(gè)TD設(shè)置，以此類(lèi)推完成整個(gè)TD程序設(shè)置。
        TD-PCR特殊的特異性擴(kuò)增優(yōu)勢(shì)，可在非特異性背景極高情況下特異性的PCR表現(xiàn)及擴(kuò)增物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。特別適用于常規(guī)PCR循環(huán)程序難以克隆的復(fù)雜基因組DNA模板的擴(kuò)增，在同時(shí)使用幾種非特異性引物情況下還成功地從基因組DNA中擴(kuò)增出目的擴(kuò)增子，證明TD-PCR超凡的抗干擾能力。國(guó)內(nèi)外將TD-PCR應(yīng)用于STR標(biāo)記遺傳鑒定、基因多態(tài)性分布、啟動(dòng)子的克隆及表達(dá)研究、多重降落PCR檢測(cè)的案例多至難以枚舉。有人還將采用TD-PCR方法的qPCR實(shí)驗(yàn)命名為T(mén)D-qPCR。

三、實(shí)時(shí)熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件再優(yōu)化的必要性
        MQIE指南規(guī)定qPCR實(shí)驗(yàn)應(yīng)標(biāo)明完整反應(yīng)條件、qPCR品牌型號(hào)信息及熱循環(huán)詳細(xì)參數(shù)。而實(shí)驗(yàn)的外部環(huán)境（如地理位置、海拔高度、氣候條件、實(shí)驗(yàn)環(huán)境）和內(nèi)部條件（如qPCR儀型號(hào)和模塊配置、反應(yīng)體系組成和體積等）都制約PCR熱循環(huán)模塊的溫控實(shí)效表現(xiàn)。而qPCR儀擴(kuò)增模塊變溫特征不同會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性?，F(xiàn)實(shí)條件下的兩個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中，要使儀器溫控性能狀態(tài)一致、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)重現(xiàn)，難度超乎想象。
        將普通PCR反應(yīng)擴(kuò)增參數(shù)跨平臺(tái)植入到實(shí)時(shí)熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行，是前提條件的，即普通PCR儀熱循環(huán)模塊和qPCR配置反應(yīng)模塊同款。如將C1000 Touch 96-Well Fast PCR儀的參數(shù)嵌入CFX96 Touch qPCR儀可以考慮，因?yàn)楹笳邤U(kuò)增模塊正是C1000 Touch 96-Well Fast模塊。但若將Mastercycler pro梯度模式下所得參數(shù)嵌入7500、QuantStudio 1或QuantStudio 6 Flex的運(yùn)行程序，因彼此間控溫特性截然不同，此方法固不可取。
        qPCR實(shí)驗(yàn)不僅包含普通PCR反應(yīng)全部要素，還疊加了熒光檢測(cè)條件和性能差異。何況，同一個(gè)模板添加SYBR Green l熒光染料、Taqman探針、FRET雜交探針后的qPCR反應(yīng)與常規(guī)普通PCR反應(yīng)，最適退火溫度是否發(fā)生變化，缺少足夠硬核支持證據(jù)，尚無(wú)定論。因此，qPCR實(shí)驗(yàn)參考前人條件基礎(chǔ)上，關(guān)鍵還是基于實(shí)際qPCR儀性能進(jìn)行必要的條件驗(yàn)證優(yōu)化，這本是qPCR實(shí)驗(yàn)內(nèi)在規(guī)律的必然要求。
        實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀，無(wú)論是配置梯度溫度功能模塊的StepOnePlus、QuantStudio 3、QuantStudio5、QuantStudio 6 Pro、QuantStudio 7 Pro等，以及伯樂(lè)的CFX Duet、CFX Opus 96/Opus 384、CFX96/CFX384 Touch，還是采用等溫反應(yīng)模塊機(jī)型QuantStudio 1、QuantStudio 6 Flex、QuantStudio 7 Flex、7500 Fast，在軟件編程環(huán)節(jié)，都兼顧了常規(guī)引物退火溫度梯度編程和TD-PCR程序編輯功能。不僅可自由設(shè)定反應(yīng)步驟、每步溫度、保持時(shí)間、是否采集熒光信號(hào)等基本參數(shù)，還提供了梯度退火溫度、AutoDelta（GOTO重復(fù)循環(huán)）等高級(jí)編輯功能選項(xiàng)，便于量身創(chuàng)建高效可靠的qPCR實(shí)驗(yàn)運(yùn)行程序。

四、qPCR反應(yīng)條件再優(yōu)化需求對(duì)實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀選型的指導(dǎo)意義
        梯度溫度控制和Touchdown降落PCR是PCR擴(kuò)增條件優(yōu)化工作中的常用技術(shù)手段。
        TD-PCR特異性高，善于應(yīng)對(duì)復(fù)雜反應(yīng)體系、模板的擴(kuò)增。模塊溫控均一性好，則擴(kuò)增過(guò)程中樣品變溫步調(diào)一致，無(wú)需糾結(jié)于退火溫度的準(zhǔn)確值。實(shí)驗(yàn)者根據(jù)引物序列條件制定退火溫度的上、下限范圍（以40℃-65℃常見(jiàn)）后，據(jù)溫度遞減幅度（1℃-3℃居多）確定具體Touchdown臺(tái)階數(shù)量和每個(gè)降落臺(tái)階重復(fù)次數(shù)（1X-3X為主）。在目前多數(shù)PCR儀、qPCR系統(tǒng)上都可以實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)便，可重復(fù)性好。編程界面直觀(guān)簡(jiǎn)便程度因品牌機(jī)型而異。從調(diào)研結(jié)果看，QuantStudio系列機(jī)型TD編程要更簡(jiǎn)便。
        梯度溫度優(yōu)化技術(shù)，有其固有局限性，“算法模擬”退火溫度和實(shí)際溫度游離，始終處于模糊狀態(tài)，適度縮窄退火范圍，縮小算法溫度梯度落差，可提高梯度溫度示值的可信性。雖是后起之秀，但編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)傻瓜化。廠(chǎng)商以此為賣(mài)點(diǎn)競(jìng)相宣揚(yáng)，熱捧之下很快成了家喻戶(hù)曉的流量明星，風(fēng)頭蓋過(guò)TD-PCR。所謂新人勝舊人，發(fā)展到言PCR必稱(chēng)溫度梯度的地步。但技術(shù)本身的顏值，春華秋實(shí)，如此而已。
        關(guān)于qPCR實(shí)驗(yàn)條件再優(yōu)化必要性和有效途徑的探討，對(duì)制定實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀選型方略的啟示在于：
        首先，在PCR編程智能化背景下，TD運(yùn)行程序設(shè)置已極大簡(jiǎn)化。選型時(shí)應(yīng)視野開(kāi)闊、兼容并蓄、博采眾長(zhǎng)，不能完全為實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和唯梯度論所囿。

        其次，因地制宜，基于實(shí)驗(yàn)室PCR條件資源，多考慮如何創(chuàng)造有利條件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)在普通PCR儀和實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀間的跨平臺(tái)有效銜接。
        譬如，就現(xiàn)有伯樂(lè)C1000 touch 96-well Fast考慮與CFX-96 touch qPCR的對(duì)接，而Veriti Pro 96-Well (96×0.2ml，6.5℃/s)可以嘗試與QuantStudio 3、QuantStudio 5、QuantStudio 6 Pro/6 Flex、QuantStudio 7 Pro/7 Flex等幾款配置有96×0.2ml、6.5℃/s規(guī)格veriFlex模塊的定量PCR配套使用。舊Veriti (96×0.1ml，5.0℃/s) 擴(kuò)增儀與StepOne Plus (96×0.1ml，6.5℃/s)，雖然都采用的是96×0.1ml的veriFlex模塊，但最大升溫速度(5.0℃/秒VS 6.5℃/秒)和平均變溫速度(4.25℃/秒VS 2.2℃/秒)存在明顯差異，運(yùn)行參數(shù)銜接后擴(kuò)增效果可能難以做到盡如人意。
        從目前看，行業(yè)頭部廠(chǎng)商顯然已意識(shí)到新上市產(chǎn)品的PCR模塊間的有效兼容，對(duì)于實(shí)驗(yàn)運(yùn)行協(xié)議跨平臺(tái)轉(zhuǎn)移的重要性。這似乎代表著實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

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