本文介绍了一种优化的多重逆转录定量PCR(qRT-PCR)方案,结合微流控平台,作为检测microRNA(miRNA)表达水平的高通量筛选工具,具有成本低、耗时短的优点,尤其适用于样本量有限的情况。
方法文章
本文介绍了一种优化的多重逆转录定量PCR(qRT-PCR)方案,结合微流控平台,作为检测microRNA(miRNA)表达水平的高通量筛选工具,具有成本低、耗时短的优点,尤其适用于样本量有限的情况。
miRNA 参与发育、组织稳态及疾病等关键过程的广泛作用,引起了科研界和制药界的极大关注。研究 miRNA 时,准确且稳健地定量 microRNA 水平至关重要。通过比较野生型与小 RNA 缺陷型小鼠胚胎干细胞(mESC),我们发现先前发表的多重 qRT-PCR 技术在准确性和稳健性方面存在不足。在此,我们描述了一种优化方法,包括在单重实时检测之前,去除前一步多重反应中过量的引物,该改进显著提高了该技术的准确性和稳健性。此外,我们还解释了如何在纳升级体积的微流控芯片上进行该技术操作,从而显著降低试剂成本,并实现高效、高通量的 miRNA 表达谱分析。
1. RNA 提取:单层培养的细胞
(按照TRIzol试剂盒说明书操作。)
| 试剂名称 | 公司 | 产品/货号 |
| TRIzol Solution | Invitrogen | 15596-018 |
| 异丙醇 | Sigma-Aldrich | 1907-64 |
| 氯仿 | Sigma-Aldrich | C 2432 |
| 乙醇 | ||
| 无RNA酶水 |
匀浆
相分离
RNA 沉淀
RNA 洗涤
RNA 洗脱
2. RNA 提取:血清
(遵循 mirVana PARIS Kit 制造商的方案,经 Mitchell 等人1 修改)
| 试剂名称 | 公司 | 产品/目录号 | 备注 |
| mirVana PARIS试剂盒 2倍变性溶液 酸性酚:氯仿 miRNA洗涤液1 miRNA洗涤液2/3 | Ambion | AM1556 | 改良方案 |
| 2-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M7522 | |
| 乙醇 | |||
| DEPC处理水 |
化学试剂的配制:
样品制备:
匀浆
终末RNA提取物(总RNA)的制备
最终RNA提取(总RNA)
RNA洗涤
3. RNA溶液的浓缩(5倍)
(遵循制造商的说明书)
| 试剂名称 | 公司 | 货号/目录号 |
| MICROCON Centrifugal Filter Devices, Ultracell YM-3 | Millipore | 42404 |
| DEPC 处理水 |
设备: Microcon Ultracell YM-3,截留分子量 SS 和 DS 核苷酸:10
体积:重新浓缩的RNA溶液所需体积取决于实验设计,并应包括对照实验。
4. 逆转录
(采用 Tang 等人2的方案并加以修改。)
| 试剂名称 | 公司 | 货号/产品编号 | 备注 |
| 高容量 cDNA 文库构建试剂盒 10x cDNA 文库构建缓冲液 dNTP (100 mM) Moloney 小鼠白血病病毒 (MMLV) 逆转录酶 (50 U/μl) | Applied Biosystems | 4368814 | 改良方案 |
| RNaseOUT (40 U/μl) | Invitrogen | 10777019 | |
| x-plex 反向茎环引物混合物 (40 nM) * | Integrated DNA Technologies | Custom | 序列 * |
| DEPC 处理水 |
反应体积:5.5 μl
注意:茎环引物的终浓度应为 1-5 nM(此处为 2 nM)。
按下表所示配制主混合液(每反应体积):
| 1. DEPC-水 | 1.959 μl |
| 2. 10x RT-缓冲液 | 0.55 μl |
| 3. RNase抑制剂 (40 U/μl) | 0.0715 μl |
| 4. dNTP (100 mM ) | 0.275 μl |
| 5. x-plex 反向茎环引物混合液 (40 nM)* | 0.275 μl |
| 6. MMLV-RT (50 U/μl) | 0.369 μl |
反向茎环引物列表可在 http://urology.ucsf.edu/blellochlab/protocols.htm 找到
5. 预扩增(预PCR)
(采用 Tang 等人2 的方案并加以修改。)
| 试剂名称 | 公司 | 产品/目录号 | 评论 |
| dNTP(100 mM) | 应用生物系统公司 | 4368814 | High cap. cDNA文库试剂盒 |
| 2x 通用型 PCR 预混液(含 NoAmpErase UNG) | Applied Biosystems | 4324018 | |
| x-plex 正向引物混合物(450 nM)* | Integrated DNA Technologies | 自定义 | 序列 * |
| 通用反向引物(100 μM) | Integrated DNA Technologies | 自定义 | 序列2 |
| AmpliTaqGold 聚合酶(5 U/μl) | Applied Biosystems | 4311806 | |
| MgCl2 (100 mM) | |||
| DEPC 处理水 |
反应体积:27.5μl(22μl MM + 5.5μl RT-产物)
注意:预扩增对于增强信号强度是必要的,尤其是在起始RNA浓度有限的情况下。输入的RNA量决定了预PCR循环的最佳次数。在每轮PCR扩增效率相对一致的前提下,每轮循环应使最终产物的浓度增加一倍。由于某些miRNA的表达水平较高,应避免过度扩增。然而,扩增不足可能导致检测灵敏度下降,特别是对于低水平表达的微小RNA(microRNA)。在我们的实验中,使用100 ng总RNA进行12个预扩增循环似乎已足够。以血清作为起始材料时,12个循环可检测到miRNA水平,但15个循环效果更佳。最后,以3个卵母细胞(每个卵母细胞约含400 pg总RNA3)为起始材料,16个预扩增循环成功使我们能够检测微小RNA的表达水平4.
* 正向引物列表可在以下网址找到:http://urology.ucsf.edu/blellochlab/protocols.htm
按下表准备混合液(每反应体积):
| 1. 2x 通用反应混合液 | 13.75 μl |
| 2. DEPC处理水 | 0.792 μl |
| 3. MgCl2 (100 mM) | 0.55 μl |
| 4. dNTP (100 mM) | 1.1 μl |
| 5. 多重正向引物混合液 (450 nM) | 3.06 μl |
| 6. 通用反向引物 (100 μM) | 1.375 μl |
| 7. AmpliTaqGold 聚合酶 (5 U/μl) | 1.375 μl |
6. PCR 前产物的纯化
通过10%非变性聚丙烯酰胺凝胶按分子大小进行纯化
| 试剂名称 | 公司 | 货号/产品编号 |
| 40% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺溶液 | Bio-Rad | 161-0144 |
| TEMED | Bio-Rad | 161-0801 |
| 10 bp DNA 标记物 | Invitrogen | 10821-015 |
| SYBR Gold 核酸凝胶染料 DMSO 中 10,000 倍浓缩液 | Invitrogen | S11494 |
| 糖原(20 mg/ml) | Roche | 10 901 393 001 |
| Buffer-EB | ||
| 10% 过硫酸铵(APS) | ||
| TEN 缓冲液 | ||
| 6x 橙 G | ||
| DEPC 处理水 | ||
| ddH2O |
a. 凝胶制备
配制10 ml 10%聚丙烯酰胺混合液,加入
| 1. ddH2O | 6.5 ml |
| 2. 10x TBE | 1 ml |
| 3. 聚丙烯酰胺 (40%) | 2.5 ml |
| 4. 过硫酸铵 (10%) | 80 μl |
| 5. 四甲基乙二胺 (TEMED) | 4 μl |
b. 运行凝胶电泳
c. 染色凝胶
d. 切胶
e. 重新提取 cDNA
f. 乙醇沉淀
注意:浓缩 cDNA 溶液所需体积取决于实验设计,且应包含对照实验。
7. PCR前产物的纯化
通过酶消化引物后使用离心柱进行纯化(遵循生产商的说明书)
| 试剂名称 | 公司 | 货号/目录号 |
| ExoSAP-IT | USB-Affymetrix | 78250 |
| MinElute PCR Purification Kit | Qiagen | 28004 |
注意:在我们的实验中,仅使用酶法纯化可有效去除引物,但也导致了预扩增产物的部分降解,这可能是因为在酶失活步骤中温度升至80 °C时,较短的扩增产物发生了部分变性。避免加热失活,直接使用离心柱从酶反应体系中纯化PCR产物,可在不引起产物降解的情况下完全去除引物。
8. Fludigim 96.96 qRT-PCR 分析
| 试剂名称 | 公司 | 产品/目录号 | 备注 |
| Fluidigm 96.96 动态阵列试剂盒 96.96 动态阵列 96.96 控制液管线 20x 加样试剂 | Fluidigm Corporation | ||
| 混合液: 通用反向引物 (1 μM) 正向引物 (1 μM) TaqMan 探针 (0.2 μM) | Integrated DNA Technologies | 定制 | 序列 (1) |
| 2x 通用 PCR 主混合液 含 NoAmpErase UNG | Applied Biosystems | 4324018 | |
| Tween |
1. 启动 96.96 动态阵列 IFC
注意:芯片在打开包装后需在24小时内使用。 务必避免溢出对照线液体,因为对照线液体若沾到芯片或入口处,将导致芯片无法使用。 芯片在引液后需在60分钟内完成加载。
2. 样品制备
2.1 样品前处理
在一次性塑料管中,按照下表中的组分配制样品预混液(每个入口的体积)。
| 2x TaqMan Universal Master Mix | 2.5 μl |
| 20x 加样试剂 | 0.25 μl |
注意:最终体积为 2.75 μl,以补偿移液过程中的损耗
2.2 样品制备
在96孔板中,将每个样品与预样品混合液按每入口体积进行混合。
| 预混液 | 2.75 μl |
| 样本 | 2.25 μl |
注意:短暂涡旋并离心96孔板以收集液体。
每个进样口终体积为 5 μl,准备时需略微增加体积以补偿移液损失。
2.3 准备13x检测体系
| 通用反向引物 | 1 μm (1x) | 见文献2 |
| 正向引物* | 1 μm (1x) | * |
| 基因特异性TaqMan探针# | 0.2 μm | # |
* 正向引物列表可在以下网址找到:http://urology.ucsf.edu/blellochlab/protocols.htm
TaqMan 探针列表可参见 http://urology.ucsf.edu/blellochlab/protocols.htm
3. 加载芯片
注意:为确保样本和检测的正确加载,请正确放置芯片。将缺口对准左上角较为方便。
在上样芯片前,确保所有检测和样品溶液均已混匀。可在96孔板中进行混匀,并在上样前对板子进行离心。注意记录芯片加样图谱,以备后续参考。
未使用的样品进样口应加入2.75 μl样品混合液和2.25 μl无DNA水。
未使用的检测入口应填充 2.5 μl 检测上样试剂和 2.5 μl 水
移液时不要超过第一档,以免引入气泡。
4. 96.96 qRT-PCR
5. 使用 qPCR 分析软件
RT-PCR 后,专有软件会为每个孔提供扩增曲线、热图和 Ct 值。请参阅软件手册以进行数据分析。
9. 代表性结果:

图1. 实验流程的示意图。 图示为多重qRT-PCR方案的逐步说明,包括在实时检测(步骤F)之前,从多重逆转录(步骤C)和多重预扩增(步骤D)中纯化过量引物(步骤E),从而获得用于qRT-PCR的纯化cDNA模板。FP:miRNA特异性正向引物,URP:通用反向引物,R-SLP:miRNA特异性反向茎环引物。
点击此处查看大图。

图2. 预扩增后qRT-PCR模板的聚丙烯酰胺凝胶纯化。 仅在野生型(WT)样本中可见预扩增产物大小的条带,而在microRNA缺陷型DGCR8-/-或Dicer-/-样本中则未见(箭头),该结果来自96重反转录及12个预扩增循环后。请注意,在所有样本中均发现来源不明的非特异性产物(空心箭头)以及过量引物(星号)。

图3. 多重预扩增后的纯化显著提高了qRT-PCR结果的准确性。 a) 野生型小鼠胚胎干细胞(WT mESC)相对表达水平的比较 Dgcr8-/- (缺乏经典微小RNA的)mESC揭示了1)检测到更多的微小RNA,以及2)假阳性信号的消失 Dgcr8-/- 去除预扩增产物中的引物后,a)背景信号显著降低。b)纯化后,两种基因的相对表达水平 DGCR8 -/-/WT 和 Dicer -/-/WT 显示出假阳性信号的减少,并允许对稀有事件进行正确分类 Dgcr8 独立的 / Dicer 依赖性小RNA(miR-320、-484、-877)。5

图4. Fluidigm高通量qRT-PCR miRNA表达谱分析。 采用96.96 Fluidigm qRT-PCR微流控芯片对前列腺癌患者血清中miRNA水平变化进行筛查的示例截图。实时qPCR分析软件提供扩增曲线、颜色编码的热图以及循环阈值(Ct)。
miRNA 是一类短链(18-24 个核苷酸)非编码 RNA,可通过使信使 RNA(mRNA)去稳定化及抑制其翻译,在转录后水平调控基因表达。6 事实上,至少三分之一的人类基因在其 3'非翻译区(3'UTR)含有保守的 miRNA 结合位点,且 miRNA 与多能性、增殖和凋亡相关基因之间存在明显的相互作用,这表明 miRNA 在细胞命运决定、组织稳态以及癌症等疾病中具有关键作用。6,7 因此,精确的 microRNA 表达谱具有广泛的研究价值。
为了验证已发表的多重qRT-PCR miRNA表达谱分析方案2,我们使用小RNA缺乏的小鼠胚胎干细胞(mESC)作为阴性对照。DGCR8-/- 细胞缺乏所有经典的microRNA,而Dicer-/- 细胞则同时缺乏经典和非经典的microRNA8,9。
通过比较野生型 mES 细胞与 DGCR8-/- 细胞中的表达水平,我们发现准确性存在不足,因为一些已知表达的10 microRNA 在野生型细胞中未能被检测到11。有些 microRNA 甚至在敲除细胞中表现出相对更高的表达水平(图 3a)。我们推测,这种准确性不足可能是由于在单重 RT-定量之前,两步连续的多重反应(逆转录和预扩增 PCR)中存在大量引物残留所致。然而,多重预扩增对于增强信号强度是必要的,尤其是在起始 RNA 浓度有限的情况下。通过在天然聚丙烯酰胺凝胶上进行基于分子大小的选择,将预扩增 PCR 产物与引物分离(图 2),我们显著提高了检测准确性,能够在 Dgcr8-/- 和 Dicer-/- 背景下检测到更多的 microRNA,并消除假阳性信号(图 3a 和 3b)。此外,改进后的定量 RT-PCR 方法还实现了对罕见的 Dgcr8 非依赖性但 Dicer 依赖性小 RNA 的正确分类(图 3b)11。因此,在每份样品使用大量多重引物组时,增加一步纯化以去除预扩增产物中过量引物显然具有显著优势。
最佳的预扩增循环次数由输入的RNA浓度决定。应根据特定实验的具体情况,把握避免扩增不足或过度扩增的平衡。
目前已知的微小RNA(microRNA)超过一千种,使用标准的384孔板进行大规模microRNA表达谱分析可能并非最佳选择,尤其是在比较多个样本时。Fluidigm动态阵列集成流路芯片(Dynamic Array IFC)可在单次实验中实现最多96个独立样本与96种不同microRNA的检测(共9216个反应),反应体系为纳升级(6.7 nL),显著减少了移液步骤和所需试剂用量。每次运行后,分析软件可提供扩增曲线、颜色编码的热图以及循环阈值(Ct值)。这种大规模并行检测可降低实验间的变异,并支持采用平均表达值进行标准化,其标准化效果优于使用小RNA对照的其他标准化策略12。
与 commercially available 384 孔板平台(预设 TaqMan 探针)相比,高通量分析平台结合定制引物组可提供更高的实验灵活性。
优化的多重qRT-PCR方法结合动态阵列平台,成功实现了对48例前列腺癌患者血清中384种miRNA水平变化的同步筛查(图4),并在无需外加内参对照(即合成的微小RNA)的情况下完成数据归一化。11
尽管从样本制备到获得表达谱结果的步骤有所增加,但所述方法仍是一种高效、经济的高通量方法,可用于大规模样本的miRNA表达水平分析,即使起始材料有限也能实现。
Alan Mir 是 Fluidigm Corporation 的员工。除此之外,我们没有需要披露的财务利益。
我们感谢Blelloch实验室对本文提出的修改意见。本研究获得了以下资助:RB获得美国国立卫生研究院(NIH)(K08 NS48118和R01 NS057221)、加州再生医学研究所(CIRM)(种子基金RS1-00161、新教员奖RN2-00906)以及佩韦慈善信托基金的支持;F.M.获得德国泌尿科学学会(Wissenschaftlich Urologische Gesellschaft eV)的资助。