Кіріспе

Зерттеу үшін РНК үлгісін көбейтудің зертханалық әдісі – РНК-ның кері транскрипциялық полимеразалық тізбекті реакциясы (RT PCR) – РНК-ның ДНК-ға кері транскрипциялануын (осы жағдайда комплементарлы ДНК немесе cDNA деп аталады) және полимеразалық тізбекті реакция (PCR) арқылы белгілі бір ДНК нысаналарын күшейтуді біріктіретін зертханалық әдіс. Ол негізінен белгілі бір РНК мөлшерін өлшеу үшін қолданылады. Бұл флуоресценция арқылы күшейткіш реакцияны бақылау арқылы жүзеге асырылады, бұл әдіс нақты уақыт PCR немесе сандық PCR (qPCR) деп аталады. Кейбір авторлар RT PCR аббревиатурасын нақты уақыт PCR үшін қолданғандықтан, шатасу туындауы мүмкін. Осы мақалада RT PCR кері транскрипциялық PCR-ды білдіреді. Бірлескен RT PCR және qPCR зерттеу және клиникалық жағдайларда гендік экспрессияны талдау және вирустық РНК-ны сандық анықтау үшін кеңінен қолданылады. RT PCR мен qPCR арасындағы тығыз байланыс qPCR терминін RT PCR мағынасында метонимдік түрде қолдануға алып келді. Мұндай қолдану шатастыруға себеп болуы мүмкін, өйткені RT PCR, мысалы, молекулалық клондау, секвенирлеу немесе РНК-ны қарапайым анықтау үшін qPCR қолданбастан да қолданылуы мүмкін. Керісінше, qPCR, мысалы, белгілі бір ДНК фрагментінің көшірме санын сандық анықтау үшін RT PCR қолданбастан да қолданылуы мүмкін.

Тарих

1977 жылы енгізілгеннен бері, солтүстік блот өзінің кемшіліктеріне қарамастан, РНК санын анықтау үшін кеңінен қолданылып келді: (а) көп уақыт алатын техника, (б) анықтау үшін РНК-ның көп мөлшері қажет, және (с) РНК мөлшері аз болғанда сандық дәлдігі төмен. Алайда, 1983 жылы Кари Муллис ПТР-ді ойлап тапқаннан кейін, RT ПТР РНК-ны анықтау және сандық өлшеу үшін басты әдіс ретінде солтүстік блотты ығыстырып шығарды. RT ПТР бірнеше себепке байланысты РНК деңгейін анықтау және/немесе салыстыру үшін стандартты технологияға айналды: (а) ПТР-ден кейін қосымша өңдеу қажет емес, (б) РНК мөлшерінің кең диапазоны (>107 есе) өлшенуі мүмкін, және (с) ол сапалық және сандық мәліметтер туралы ақпарат береді.

Ақырғы нүктедегі РТ-ПЦР мен нақты уақыттағы РТ-ПЦР

RT-ПТР өнімдерін сандық бағалауды екі негізгі санатқа бөлуге болады: соңғы нүктелік және нақты уақыттық. Шамалы үлгілерде гендік экспрессия өзгерістерін өлшеу үшін соңғы нүктелік RT-ПТР қолдану артықшылықты, бірақ нақты уақыттық RT-ПТР әдісі матрицалық талдаулар немесе геномдық экспрессия өзгерістерінен алынған сандық нәтижелерді жаһандық деңгейде растау үшін алтын стандартқа айналды.

Ақырғы нүктесі RT-PCR

RT PCR соңғы нүктесінің өлшеу тәсілдері ген экспрессиясы деңгейін этидий бромиді сияқты флуоресцентті бояғыштарды қолдану, фосфоримажерді пайдаланып PCR өнімдерін P32 изотопымен белгілеу немесе сцинтилляциялық санау арқылы анықтауды қажет етеді. Салыстырмалы RT PCR Салыстырмалы RT PCR мөлшерлік анықтаулары қызығушылық тудыратын генмен бірге ішкі бақылауды бір мезгілде күшейтуді қамтиды. Ішкі бақылау үлгілерді қалыпқа келтіру үшін қолданылады. Қалыпқа келтірілгеннен кейін, бірнеше мРНК үлгілері арасындағы салыстырмалы транскрипттер мөлшерін тікелей салыстыруға болады. Бір ескерту: ішкі бақылау эксперименттік емделудің әсеріне ұшырамауы үшін таңдалуы керек. Нәтижелердің дұрыс және мағыналы болуы үшін экспрессия деңгейі барлық үлгілерде де, қызығушылық тудыратын мРНК-мен де тұрақты болуы керек. Нәтижелерді мөлшерлеу үшін мақсатты және бақылау күшейткіштерінің сызықтық диапазонын салыстыру қажет болғандықтан, талдауды бастамас бұрын бастапқы мақсатты молекулалардың концентрациясын және олардың күшейткіш жылдамдығын ескеру өте маңызды. Талдау нәтижелері гендік сигналдың ішкі бақылау сигналына қатынасы ретінде көрсетіледі, ал осы мәндер салыстырмалы мақсатты РНК экспрессиясын бағалау үшін үлгілерді салыстыру үшін қолданылады. Бәсекелестік RT PCR Бәсекелестік RT PCR әдісі абсолютті мөлшерлік анықтау үшін қолданылады. Ол мақсатты РНК-дан өлшемі немесе тізбегі бойынша аз айырмашылықпен ажыратуға болатын синтетикалық «бәсекелес» РНК-ны пайдалануды қамтиды. Синтетикалық РНК-ның тізбегі мақсатты РНК-мен бірдей болуы керек, бірақ дұрыс нәтижелер алу үшін одан сәл қысқа болуы керек. Жобаланып, синтезделгеннен кейін, бәсекелес РНК-ның белгілі бір мөлшері сынақ үлгілеріне қосылады және RT PCR көмегімен мақсаттымен бірге күшейтіледі. Содан кейін бәсекелес РНК-ның концентрация қисығы жасалады және ол үлгідегі мақсатты мөлшерді анықтау үшін эндогенді транскрипттерден алынған RT PCR сигналдарын салыстыру үшін қолданылады. Салыстырмалы RT PCR Салыстырмалы RT PCR бәсекелестік RT PCR-ға ұқсас, өйткені мақсатты РНК бір реакция ішінде күшейткіш реагенттер үшін өзара байланысты емес тізбегі бар ішкі стандартпен бәсекелеседі. Реакция аяқталғаннан кейін, нәтижелер мақсатты РНК концентрациясын анықтау үшін сыртқы стандарттық қисықпен салыстырылады. Салыстырмалы және бәсекелестік мөлшерлік әдістермен салыстырғанда, салыстырмалы RT PCR пайдалануға ыңғайлы әдіс болып саналады, өйткені ол зерттеушіден алдын ала эксперимент жүргізуді қажет етпейді; салыстырмалы RT PCR-де мРНК-ның экспоненциалдық күшейткіш диапазоны алдын ала анықталуы керек, ал бәсекелестік RT PCR-де синтетикалық бәсекелес РНК синтезделуі керек.

Нақты уақыт реттік РТ-ПЦР

Соңғы бірнеше жылда жаңа флуоресцентті ДНК таңбалау техникаларының пайда болуы ПТР өнімдерін нақты уақытта талдау және анықтауға мүмкіндік берді, соның салдарынан гендік экспрессияны талдау үшін нақты уақытты РТ ПТР кеңінен қолданысқа енді. Қазіргі таңда нақты уақытты РТ-ПТР әдісі гендік экспрессияны сандық бағалау үшін ғана емес, сонымен қатар, массивтік талдаулар мен гендік экспрессияны жаһандық деңгейде алу үшін де басым әдіс болып табылады. Қазіргі уақытта ПТР өнімдерін нақты уақытты РТ ПТР арқылы анықтау үшін төрт түрлі флуоресцентті ДНК зонды қолданылады: SYBR Green, TaqMan, молекулалық маяктар және шаян зондтары. Бұл зондтардың барлығы флуоресценттік сигнал тудыру арқылы ПТР өнімдерін анықтауға мүмкіндік береді. SYBR Green бояуы қос тізбекті ДНК-ға байланысу арқылы флуоресценттік сигналды шығарады, ал TaqMan зондтарының, молекулалық маяктардың және шаян зондтарының флуоресценциясын тудыруы бояу молекуласының Förster Резонанстық Энергия Көшіруі (FRET) және олигонуклеотидтік субстраттарға сөндіргіш тобының қосылуына байланысты. SYBR Green бояуы ПТР өнімдерінің қос тізбекті ДНК-сымен байланысқанда, қоздырылғанда жарық шығарады. Флуоресценцияның қарқындылығы ПТР өнімдері жинақталған сайын артады. Бұл техниканы қолдану оңай, себебі байланысу спецификалық еместігіне байланысты зондтарды жобалау қажет емес. Алайда, бояғыш қос тізбекті ДНК-ны ПТР өнімдерінен және праймер димерлерінен ажыратпайтындықтан, мақсатты концентрацияны жоғары бағалау жиі кездесетін мәселе. Егер нақты сандық анықтау қажет болса, нәтижелерді растау үшін қосымша талдау жүргізілуі керек. Дегенмен, нақты уақытты РТ ПТР өнімдерін анықтау әдістерінің арасында SYBR Green ең экономикалық және қолдануға оңай әдіс болып табылады. Сонымен қатар, бұл зондтар жарыққа сезімтал және оларды деградацияның алдын алу үшін сақтықпен порциялап мұздату керек. Молекулалық маяктар зондтары TaqMan зондтарына ұқсас, молекулалық маяктар да FRET детекциясын пайдаланады, онда флуоресцентті зонд 5' ұшына бекітілген, ал сөндіргіш 3' ұшына бекітілген. Алайда, TaqMan флуоресцентті зондтары күшейткіш кезінде кесіледі, ал молекулалық маяк зондтары әрбір реакция циклында жаңа нысанаға қайта байланысады. Ерітіндіде еркін болғанда, флуоресцентті зонд пен сөндіргіш молекуласының жақын орналасуы FRET арқылы флуоресценцияны тоқтатуға мүмкіндік береді. Алайда, молекулалық маяк зондтары нысанаға гибридтелген кезде, флуоресцентті бояу мен сөндіргіш ажыратылады, нәтижесінде қоздырылғанда жарық шығарылады. TaqMan зондтары сияқты, молекулалық маяктарды синтездеу қымбатқа соғады және әрбір РНК нысанасы үшін жеке зондтарды қажет етеді. Көптік зондтар TaqMan зондтары, молекулалық маяктар және шаян зондтары бір түтікшеде ПТР өнімдерін бір мезгілде өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл әртүрлі флуоресцентті бояулардың әрқайсысы белгілі бір эмиссиялық спектрмен байланысты болуы мүмкін. Мултиплексті зондтарды пайдалану уақытты және күшті үнемдеумен қатар, генді жоюды талдау, мутация және полиморфизмді талдау, сандық талдау және РНК анықтау сияқты зерттеулердің көптеген салаларында қолданылуы арқасында оны көптеген пәндердегі зертханалар үшін құнды құралға айналдырады. Нақты уақытты РТ ПТР арқылы алынған нәтижелерді сандық бағалау үшін екі стратегия қолданылады: стандартты қисық әдісі және салыстырмалы шектік әдіс.

Қолдану

Кері транскрипциялы полимераза тізбекті реакциясы арқылы экспоненциалдық күшею, РНК молекулаларының өте аз санында да оларды анықтауға мүмкіндік беретін жоғары сезімтал техниканы қамтамасыз етеді. RT ПТР генетикалық ауруларды диагностикалауда және жасуша немесе тіндердегі нақты РНК молекулаларының мөлшерін анықтау арқылы ген экспрессиясын бағалауда кеңінен қолданылады.

Зерттеу әдістері

RT ПТР зерттеу әдістерінде ген экспрессиясын өлшеу үшін жиі қолданылады. Мысалы, Lin және авторлар Gal гендерінің ашытқы жасушаларындағы экспрессиясын өлшеу үшін қRT ПТР қолданды. Біріншіден, Lin және авторлар Gal гендерін реттеуге қатысады деп күдіктенген ақуыздың мутациясын жасады. Бұл мутация Gal экспрессиясын таңдап жояды деп болжанды. Мұны растау үшін, осы мутацияны қамтитын ашытқы жасушаларының ген экспрессиясы қRT ПТР арқылы талданды. Зерттеушілер осы реттеуші ақуыздың мутациясы Gal экспрессиясын төмендеткенін нақты анықтады. РНК гендерінің экспрессиясын одан әрі зерттеу үшін Northern blot талдауы қолданылады.

Гендерді енгізу

RT ПТР эукариоттық гендерді прокариоттарға енгізуде де өте пайдалы болуы мүмкін. Эукариоттық гендердің көпшілігі геномда бар, бірақ пісіп жетілген мРНК-да жоқ интрондарды қамтитындықтан, RT ПТР реакциясынан алынған кДНК – транскрипциядан кейін тікелей ақуызға аудармаланатын ДНҚ тізбегі (реверс транскриптазалардың қателікке бейімділігіне қарамастан). Бұл гендер прокариоттық жасушаларда ақуыз өндіру немесе тазарту мақсатымен экспрессияланғанда, транскрипциядан тікелей түзілген РНК-да тек экзондар ғана болады, сондықтан жұптастыру қажет емес. (E. coli сияқты прокариоттарда эукариоттарға тән мРНК тігілу механизмі жоқ).

Генетикалық ауруды анықтау

RT ПТР Леш-Нихан синдромы сияқты генетикалық ауруларды диагностикалау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл генетикалық ауру HPRT1 генінің жұмысындағы бұзылыс салдарынан туындайды, ол клиникалық жағдайларда өлімге алып келетін несеп қышқылының несеп тасын және подаграға ұқсас белгілерге себеп болады. Жүкті ана мен ұрықтың HPRT1 мРНК экспрессия деңгейін талдау ананың тасымалдаушы екенін және ұрықтың Леш-Нихан синдромын дамыту ықтималдығын анықтауға мүмкіндік береді.

Қатерлі ісікке қарсы

Ғалымдар ісік ауруын анықтау үшін RT ПЦР-ді қолдану жолдарын іздестіруде, бұл емделу барысын жақсартуға және терапияға жауапты бақылауға көмектеседі. Қан айналысындағы ісік жасушалары қатерлі ісіктің түріне байланысты ерекше мРНК транскрипттерін өндіреді. Мақсаты – нақты қатерлі ісік жасушасы үшін ең жақсы биомаркер болып табылатын мРНК транскрипттерін анықтау және одан кейін RT ПЦР арқылы оның экспрессия деңгейін талдау. RT ПЦР геномы РНҚ-дан тұратын вирустардың геномдарын зерттеуде кеңінен қолданылады, мысалы, А гриппі вирусы, ВИЧ және SARS CoV 2 сияқты ретровирустар.

Қиындықтар

РТ ПТР-дың маңызды артықшылықтарына қарамастан, ол кемшіліктерінен де бос емес. ПТР-дың көптеген циклдарында кері транскрипцияланған комплементарлы ДНҚ (кДНҚ) экспоненциалды өсуі, сызықтылықты сақтаудағы қиындықтарға байланысты, соңғы нүктенің дәл емес сандық бағалануына алып келеді. Үлгідегі РНК мазмұнын дәл анықтау және сандық өлшеу үшін, флуоресценцияға негіделген өзгерістер арқылы ПТР-дың әр циклында амплификация өнімдерін бақылауға мүмкіндік беретін qRT ПТР әзірленді. Бұл техниканың өте жоғары сезімталдығы қос жақты қаруға айналуы мүмкін, себебі тіпті ең кішкентай ДНК ластануы да күтілмеген нәтижелерге әкелуі мүмкін. Жалған оң нәтижелерді болдырмаудың қарапайым жолы – генге тән праймердің 5' аймағына бекіткіштер немесе маркерлер қосу. Сонымен қатар, сандық зерттеулерді жоспарлау және жүзеге асыру техникалық тұрғыдан қиын болуы мүмкін, себебі үлгінің концентрациясы және амплификация тиімділігі сияқты көптеген өзгеріс көздері бар. Бақылау ретінде белгілі бір мөлшерде РНК-ны үлгіге қосу, стандартты қисық сызығын жасау үшін РНК-ның бірнеше сұйылтылған түрлерін қосу, сондай-ақ үлгіні көшірмелеу үлгісін (кДНҚ жоқ) пайдалануға болады.

Хаттама

RT-ПТР бір қадамды RT-ПТР протоколы немесе екі қадамды RT-ПТР протоколы бойынша жүргізілуі мүмкін.

Екі сатылы РТ-ПЦР

Екі сатылы РТ ПТР, атауынан көрініп тұрғандай, екі кезеңде өтеді. Бірінші кезеңде кері транскрипция, екінші кезеңде ПТР жүргізіледі. Бұл әдіс бір кезеңді әдіске қарағанда жоғары сезімталдыққа ие. Екі сатылы РТ-ПТР үшін жинақтар да қолданылады. Бір кезеңді ПТР-дегідей, ең жақсы нәтиже алу үшін тек толыққанды, жоғары сапалы РНК-ны ғана пайдаланыңыз. Екі сатылы ПТР үшін қолданылатын праймердің тізбекке қатысты болуы міндетті емес.

Бірінші қадам

Бірінші, ПТР түтігінде шаблондық РНК, праймер, dNTP қоспасы және нуклеазадан таза суды біріктіріңіз. Содан кейін, РНКаза ингибиторы мен кері транскриптазаны ПТР түтігіне қосыңыз. Келесіде, ПТР түтігін термоциклерге бір циклға қойыңыз, онда жабысу, созу және кері транскриптазаны инактивациялау процестері жүреді. Ақырында, тікелей екінші қадамға – ПТР-ге өтіңіз немесе ПТР орындалғанша өнімді мұзда қалыпта сақтаңыз.

Екінші қадам

Әрбір ПТР түтігіне буфер, dNTP қоспасы, MgCl2, Taq полимеразасы және нуклеазасыз суды қамтитын негізгі қоспаны қосыңыз. Содан кейін түтіктерге қажетті праймерді қосыңыз. Келесіде, ПТР түтіктерін термоциклерге 30 циклдық күшейту бағдарламасына қойыңыз. Бұл денатюрация, оттану және ұзарту кезеңдерін қамтиды. RT ПТР өнімдерін гельдік электрофорез арқылы талдауға болады.

Жарияланымдық нұсқаулар

Сандық RT-PCR әдісі үлгідегі нақты cDNA нысаналарының көшірмелерінің санын өлшеу үшін алтын стандарт саналады, бірақ ол жеткіліксіз стандартталған. Нәтижесінде, осы әдісті пайдаланатын көптеген жариялымдар бар, бірақ олардың көпшілігі тәжірибелік егжей-тегжейді жеткіліксіз көрсетеді және орынсыз қорытындыларға келу үшін тиісті емес деректерді талдауды қолданады. Кез келген сандық ПТР деректерінің өзгеруіне байланысты, рецензенттер осы қолжазбаларды бағалауда қиындықтарға тап болады, сонымен қатар зерттеулерді қайталау мүмкін болмайды. Эксперименттік жағдайларды стандарттау қажеттігін мойындап, академиялық ғалымдардың халықаралық консорциумы сандық нақты уақыттық ПТР эксперименттерін жариялау үшін қажетті ең аз ақпарат (MIQE, «майки» деп айтылады) ережелерін жариялады. MIQE ережелері сандық ПТР эксперименттерін бағалау үшін қажетті ең төменгі ақпаратты сипаттайды, оны жариялау үшін талап ету қажет, бұл жақсы тәжірибелік тәсілдерді қолдануға және сандық ПТР деректерінің маңыздылығын, дәлдігін, дұрыс интерпретациясын және қайталанатындығын қамтамасыз ету үшін қажет. Есеп беру ережелерінен басқа, MIQE сандық ПТР-мен байланысты номенклатураны стандарттау қажеттігін атап көрсетеді, шатасуды болдырмау үшін; мысалы, сандық нақты уақыттық ПТР үшін qPCR аббревиатурасын, ал кері транскрипция ПТР үшін RT qPCR аббревиатурасын қолдану керек, ал нормализация үшін қолданылатын гендер «үй шаруашылығы гендері» емес, эталондық гендер деп аталуы керек. Сонымен қатар, TaqMan зондтары сияқты коммерциялық терминдерді қолданбауды, оның орнына гидролиз зондтары деп атауды ұсынады. Сонымен қатар, нақты уақыттық приборлардың әртүрлі өндірушілер жасаған, бірақ бірдей мәнді білдіретін шекті цикл (Ct), өту нүктесі (Cp) және бастапқы нүкте (TOP) орнына, сандық өлшеу циклын (Cq) сандық өлшеу үшін қолданылатын ПТР циклын сипаттау үшін пайдалану ұсынылады. Ережелер келесі элементтерден тұрады: 1) эксперименттік жобалау, 2) үлгі, 3) нуклеин қышқылының экстракциясы, 4) кері транскрипция, 5) qPCR нысаналық ақпарат, 6) олигонуклеотидтер, 7) протокол, 8) валидация және 9) деректерді талдау. Әрбір элементтің ішіндегі нақты тармақтар E (қажетті) немесе D (көңілді) деп белгіленеді. E белгісі барлар маңызды және қажет деп есептеледі, ал D белгісі барлар екіншілік, бірақ жақсы тәжірибе үшін маңызды.