基因诊断、PCR等介绍解析课件.ppt
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1、基因诊断、PCR、测序等介绍罗俊明2013年6月PCRPCR技术l聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction)简称PCR,是一项在短时间内采用两引物大量扩增特定的DNA片段的分子生物学技术。l每个循环之后,模板量为原来的2倍。它可将极微量的靶DNA特异地扩增上百万倍。PCR原理阈值线(阈值线(Threshold)基线以上,阴性对照以上,与对数期相交,尽可能靠近基线。基线(基线(Baseline)本底,无扩增区域,一般为315Ct值之间Ct值值荧光信号开始由本底进入指数增长阶段的阈值所对应的循环次数。PCR原理Y=AX+B线性的一次方程直线。常用指标有斜率(A),截距(B)
2、,相关系数(R)一般A在-3.5-2.8之间,B在44,R无限接近于1,0.95PCR原理PCR原理实质就是体外基因复制技术原理实质就是体外基因复制技术MgMg2+2+dCTPdCTPdGTPdGTPdUTPdUTPdATPdATPTaqTaq DNA DNA聚合酶聚合酶 AmpEraseAmpErasePrimerPrimer靶序列靶序列加热变性加热变性95 95 C C靶序列引物退火靶序列引物退火55 55 C C引物延伸引物延伸72 72 C C双链解开引物与单链结合DNA复制PCR原理TaqManTM技术技术535353RQ53Taq3QR5533QTaqR553QTaqR35533Q
3、TaqR5lR引物探针Taq酶激发光源带荧光标记的单链DNAQ=淬灭基团R=报告基团在同时有淬灭和报告基团时不发光,Q与R分开时发光PCR 扩增模式图荧光PCR技术原理DNA双链双链正向引物正向引物反向引物反向引物第一轮扩增第一轮扩增Taq酶酶Taq酶酶n轮扩增轮扩增AX2n定量PCR技术原理之一荧光探针荧光探针内标控制系统(Hex、Cy5) 内标选取与靶基因无相关性的序列内标选取与靶基因无相关性的序列设计引物探针,设计引物探针,可在可在VIC通道检测荧光。通道检测荧光。利用全自动荧光利用全自动荧光PCR检测仪检测上述荧检测仪检测上述荧光信号,如反应体系正常,在光信号,如反应体系正常,在VIC
4、通道检通道检测结果将显示典型的测结果将显示典型的S型荧光增长曲线,型荧光增长曲线,反之则不显示反之则不显示S型荧光增长曲线。型荧光增长曲线。内标控制系统内标控制系统 (internal control)内标内标靶基因靶基因内标质控的作用 与靶基因无关与靶基因无关DNA或或RNA作为内标与作为内标与靶基因同步扩增,即在同样的反应条件下,靶基因同步扩增,即在同样的反应条件下,在一个反应试管内同步扩增一段靶基因序在一个反应试管内同步扩增一段靶基因序列和另一无关的内标序列,可纠正检测过列和另一无关的内标序列,可纠正检测过程中出现的假阴性,甚至是不同反应管间程中出现的假阴性,甚至是不同反应管间出现的差异
5、。出现的差异。定量标准品定量标准品l提供样品定量的标尺,通过直线拟合后定出 样本浓度l溯源至中国药品生物制品检定所 国家参考品扩增曲线荧光阈值Ct值扩增曲线荧光阈值Ct值Ct值的重现性CtCt值的代表意义值的代表意义 理想的PCR反应: X=X0*2n 非理想的PCR反应: X=X0(1+Ex)n n:扩增反应的循环次数 X:第n次循环后的产物量 X0:初始模板量 Ex:扩增效率在扩增产物达到阈值线时,XCt=X0(1+Ex)Ct =N (1)XCt:荧光扩增信号达到阈值强度时扩增产物的量. 在阈值线设定以后,它是一个常数,我们设为N.方程式(1)两边同时取对数得:logN=logX0 (1+
6、Ex)Ct (2)整理方程式(2)得:logX0= -= -log(1+Ex)*Ct+log N (3) Ct= -= -1/log(1+Ex)*logX0+log N/log(1+Ex) (4)结论:结论:Log浓度与循环数呈线性关系,根据样品扩增到达阈值的循环数就可计算出样品中所含的模板量。定量反应性的确认l采用UDG 酶 和 dUTP 37摄氏度,UDG酶能水解掺有dUTP的DNA模板,达到消除污染的目的。l组分的高度集成,按比例混合,易于操作常见PCR仪器ABI Prism 7000/7300/7500/7500fast光源:卤素灯检测:四色荧光(CCD)可以检测:SYBR-Green
7、,FAM, HEX,TET,TAMRA, VIC最大样本量:96ROCHE LightCycler光源:发光二极管(LED)检测:6(荧光计)可以检测:SYBR-Green,FAM,HEX,VIC, LightCycler红色染料最大样本量:32 常见PCR仪器ABI StepOne/StepOnePlus光源:发光二极管(LED)检测:光敏二极管(PMT)可以检测:SYBR-Green,FAM, HEX,TET,TAMRA, VIC最大样本量:48/96可设置梯度温度,相邻5以内Roche 480光源:疝灯检测:冷CCD可以检测:SYBR-Green,FAM, HEX,TET,TAMRA,
8、VIC最大样本量:96/384常见PCR仪器Mx3000pRotor Gene 3000MJ Opticon 2BioradCFX96PE5700Bioneer细胞膜4 基因诊断3 免疫学诊断临床诊断细胞核DNA转录 mRNA翻译蛋白质1 形态学诊断2 生化诊断分子诊断分子诊断基因诊断的物质基础及基因诊断的物质基础及与与其它诊断方法的区别其它诊断方法的区别广义的分子诊断包括临床生化、免疫和核酸检测,但目前主要指用各种生物学技术检测样本当中的遗传物质(DNA &RNA),诊断疾病、判断预后,监测和指导治疗效果。分子诊断定义PCR检测方式的演变29应用领域的拓展30分子诊断技术的特点演变n 由确认
9、疾病到预防疾病n 从以治疗为导向到与治疗互进n 单一渠道到多渠道31诊断的对象n基因的有无n基因的表达水平(RNA)n基因的变化(拷贝数变化、重排,缺失,突变导致的多态性)32分子诊断未来趋势自动化自动化标准化标准化检测指标多元化检测指标多元化无创性无创性时效性时效性33总结1PCR仍然是目前分子诊断领域最为有力的技术手段。荧光PCR技术已经成为临床诊断广泛应用的工具。2 PCR的重要组分包括模板、酶、引物(探针)、镁离子和缓冲液。任何一个组分出现问题都会导致PCR反应的失败。3 PCR 试剂盒除了PCR反应必需的组分外,还有质控品、标准品和内标控制系统。这都是对试剂盒的质量进行保证的有效措施
10、。34总结分子诊断技术一直在演化当中,从其轨迹来看,我们不难发现以下特点:由确认疾病到预防疾病、从以治疗为导向到与治疗互进、单一渠道到多渠道。透过前面的叙述,我们不难分子发现分子诊断的发展趋势具有以下几个特征:自动化、标准化、检测指标多元化,无创性和时效性。测序测序(Sequencing) 在四种反应体系中,寡聚核苷酸分别终止于不同位置的A、T、G或C碱基,将待测DNA片段转变成一系列放射性核素标记的单链DNA片断,并使其一端为一固定的末端,而另一端由于长度不同,成为一系列相差1个碱基的连续末端。经电泳分离,放射自显影,可直接读出DNA的序列。测序原理核酸序列分析的目的意义和策略(一)序列分析
11、的目的,2种:确证性测序 通过测定对突变进行定位和鉴定,应用时测定野生型基因上同源区和突变体的相应序列直接在一张胶片上比较二者序列差异。(已知基因序列)从头序列 目的是提供一段DNA准确的核苷酸序列。(未知基因序列)(二)测定在生物医学领域相应应用,2个方面:对已知基因序列检查,特别是有遗传倾向的病例检测相关基因有无突变,有助于阐明疾病发病机理及建立相应诊疗方案。对已经克隆的未知序列进行测定,从而阐明该基因的一级结构,如人类基因组计划中大量的工作是要阐明克隆片段的核苷酸的排列顺序。(三)序列分析的策略 测序目的不同或靶DNA片段大小有区别,则序列分析的具体方案有所不同,所以测序之前应根据相应情
12、况制订序列测定的策略。测序的常用方法1、末端终止法2、化学裂解法3、DNA测序自动化使用特异性引物与单链模板DNA退火,在DNA聚合酶作用下进行延伸反应,用ddNTP终止,用PAGE区分长度仅相差1个核苷酸的ssDNA,从而完成测序的方法。用化学试剂在A、G、C、T处特定的裂解DNA片段,产生一簇各种长度的短链,经过PAGE放射自显影可直读DNA顺序。类似末端终止法,所不同的是用荧光染料标记,计算机自动读出。优点简便、迅速、应用广泛。不需酶促反应,可以对寡核苷酸测序。1、高负荷,1块胶可测16个样品;2、机读不需放射自显影;3、安全不用同位素;4、简单迅速8-10h。Sanger双脱氧链末端终
13、止法所需条件:1、ssDNA模板2、DNA聚合酶3、带有3-OH末端的单链寡核苷酸引物4、4种dNTP链终止剂(chain-reminator)-2,3-二脱氧核糖核酸酶 当3-OH由于脱氧或被取代,下一个核苷酸不能通过5磷酸形成3,5磷酸二酯键,使链的延伸反应终止在这个异常的核苷酸处。如果用相同的4组引物-模板混合物,每一组加4种dNTP,其中1种用32P(或35S)标记,加1种ddNTP,每组将产生一种特异性的以ddNTP为末端的不同长度的核苷酸链,经PAGE分离,即可读出被测定的全部顺序(dNTP和ddNTP竞争结合底物)。 在DNA合成时,利用ddNTP与dNTP竞争掺入到新生的DNA
14、链上使链终止的原理。即在A、C、G、T 4种反应体系中,分别加入不同的ddNTP,其他试剂相同,经酶促合成反应,生成具有相同的5末端,而3不同的DNA片段的混合物。经电泳分离,放射自显影,直接读出DNA的核苷酸序列。原理P100实验所需原料模板 引物DNA聚合酶放射性核素标记的dNTPdNTP和ddNTP反应缓冲液终止液聚丙烯酰胺凝胶(一)模板 纯单链DNA和经过热变性或碱变性的双链DNA都可以用作Sanger法测定的模板。模板的质量和所用的DNA聚合酶的种类是至关重要的。 通常采用M13噬菌体颗粒分离到的单链DNA模板效果最佳,用变性双链DNA作模板则难获此效果。小量制备质粒DNA常被寡核苷
15、酸小分子,核糖核苷酸及DNA聚合酶抑制剂所污染,前两者可被用作随机引物,造成假象和强终止现象,使测序胶含糊不清。采用小量制备质粒DNA测定未知DNA克隆片段的序列,并不可取,如果用CsCl-溴化乙锭梯度离心结果纯化质粒DNA,测序结果会好得多,但又耗费大量的人力和物力。(二)引物 酶促测序反应中利用一个与模板特定序列互补的合成寡核苷酸作为DNA合成的引物。 在许多情况下可将靶DNA片段克隆于M13噬菌体或噬菌粒载体,以取得单链DNA分子作为模板。也可用Sanger法测定变性双链DNA模板序列(如变性质粒DNA)。以上两种情况都可以采用能与位于靶DNA侧翼的载体序列相退火的通用引物,不必取得与未
16、知DNA序列互补的引物。M13噬菌体重组子的通用测序引物一般长15-29bp,与紧靠M13mp18多克隆位点区的HindIII或M13mp19多克隆位点区EcoRI位点的序列互补。这些引物同样也可用于PUC质粒的DNA进行“双链”测序,并且已经商品化。(三)DNA聚合酶1、大肠杆菌DNA聚合酶I Klenow大片段 Klenow大片段-DDDPI是由分子量109KD一条多肽链组成,此酶可被枯草杆菌蛋白酶分解成2个片段,1个片段分子量为76KD,有聚合酶,35外切酶活力,此片段称为Klenow片段,另一片段34KD,有5外切酶活力。 此酶是末端终止法最早采用的酶,用它进行测序常常产生较高的本底和
17、假带,催化链延伸反应的能力也较差,通常只能读出距引物250个核苷酸以内的序列。此酶价格便宜,容易获得,对于已知序列DNA次级克隆的鉴定仍有应用价值。2、测序酶(Sequenase) 测序酶是经过改造的T7噬菌体DNA聚合酶,消除了35外切酶活性。活性非常稳定,具有很高的链延伸能力和极快的聚合反应速度,是测定较长DNA序列的首选酶。该酶及名称是HSB公司的专利。试剂盒已商品化。3、TaqDNA聚合酶 Taq酶用于序列测定,除具有很好的链延伸性能外,还可以在高温(70-80)进行反应的优点,因而能克服富含GC序列的模板形成自身二级结构对测定的影响,将PCR与末端终止法测序结合进行,只需少量模板。(
18、四)放射性同位素标记的dNTP 传统32P-dNTP,由于32P衰变过程中产生高能的射线,导致放射自显影图谱条带扩散,分辨率低,限制了识读序列的数量。另外,由于32P对DNA样品辐射分解作用很强,通常都在测序反应后24小时内上样电泳,否则无法得到满意的结果。 -32S-dNTP近年来得到广泛使用,它解决了32P的两大缺点,具有很高的分辨率,较低的本底。测序反应产物-20保存一周并不明显影响反应结果。 dNTP/ddNTP=1:100时,DNA谱带的分离效果最佳。(五)用于测序的变性凝胶电泳 胶长40cm,厚度均匀 48%丙烯酰胺 7mol/L尿素 Sanger法测序主要反应(一)制胶(二)模板
19、变性(双链)(三)测序反应 1、模板引物退火 2、链延伸、链标记、链终止反应 3、上样电泳 4、读片(序) (必须经过实践才能获得技巧)化学降解法 化学裂解法是Maxam和Gilbert等人1977年创建的,用来测定DNA序列。化学法是用化学试剂在A、G、C、T处特定地裂解DNA片段,产生一簇各种长度的短链(等差数列 n=1),经过PAGE和放射自显影后,可以直接读出DNA的顺序。 某些试剂能修饰或破坏DNA链上特定核苷酸的碱基进而使N-糖苷键断裂,暴露出的糖环以-消除反应,在3和5位上断裂磷酸二酯键。使戊糖脱落,用于嘌呤环的试剂是硫酸二甲酯,而联氨可用于肼解嘧啶环。4种核苷酸的特异裂解和鉴别
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