实时荧光 PCR 技术：比你想象的更丰富！

诺唯赞生物2021-11-09

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实时荧光 PCR（real-time PCR）因其全封闭扩增，简单快速，重复性好，无扩增后处理以及易于自动化等优点，广受大家欢迎。在分子诊断领域中，实时荧光 PCR 方法涉及的领域包括感染性疾病、肿瘤、遗传病等多方面。那么实时荧光 PCR 技术是如诞生的呢？下面，由小编带领大家一起了解大牛们是如何经过精密的研究一步一步探索出来这项技术。

1983 年

1983 年美国科学家 Kary Mullis 发明 PCR 方法，用于放大扩增特定的 DNA 片段，可看作是生物体外的特殊 DNA 复制。

1985 年

1985 年，Cetus 公司从温泉中分离的嗜热菌（Thermus aquaticus）株中纯化出耐热 DNA 聚合酶（后面简称 Taq 酶）。该酶耐高温的性质极大地提高了 PCR 扩增的效率，使得 PCR 真正变为现实，为其自动化铺平了道路。但是 PCR 技术也有其相应的局限性，就是对扩增产物分析时需要开盖处理，容易造成污染。为了解决这一问题 Russ Higuchi 进行了一系列相关研究。

1992 年

1992 年，Higuchi 在一次报告中提出了实时荧光定量 PCR 技术。通过检测溴化乙锭的含量实时监控整个 PCR 反应的进程。之后经过不断的研究，通过对 PCR 反应的数学函数关系、相应的算法以及对标准品的运用，就可以对待测样品中的目标基因进行准确定量。

1996 年

1996 年 ABI 公司推出世界上第一台定量 PCR 仪 7700 型。设备由荧光定量系统和计算机组成，通过荧光染料或荧光探针，对 PCR 产物进行标记跟踪，结合相应的软件对结果进行分析，可以实现计算待测样品的初始模板量。由此，实时荧光 PCR 技术开始更广泛的应用。

提到实时荧光 PCR 技术，首先映入你脑海的是不是 TaqMan 探针方法和染料方法？其实，实时荧光 PCR 技术比你想象的更丰富。下面就让小编带你进入实时荧光 PCR 的世界，一起领略这项技术的丰富多彩。

实时荧光 PCR 的基本原理

目前的实时荧光 PCR 技术主要是基于荧光共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer，FRET) 的原理，一对合适的荧光物质可以构成一个能量供体 (donor) 和能量受体 (acceptor) 对, 其中供体的发射光谱与受体的吸收光谱重叠，当它们在空间上相互接近到一定距离 (1～10 nm) 时，激发供体而产生的荧光能量正好被附近的受体吸收，使得供体发射的荧光强度衰减，受体荧光分子的荧光强度增强。

图一. 荧光共振能量转移原理图

实时荧光 PCR 技术种类

染料法

SYBR Green I 是一种比较常见的荧光染料，可以非特异的结合双链 DNA 小沟，它可以嵌合进 DNA 双链，但不结合单链。当 SYBR Green I 在溶液面未结合双链 DNA 时，仅产生很少的荧光，当它结合双链 DNA 时，就发射出很强的荧光信号。由于 SYBR Green I 能和任何双链 DNA 结合，无法区分引物二聚体或非特异性扩增产物，一般需要配合熔解曲线分析来排除假阳性。

图二. SYBR Green I 作用原理

TaqMan 探针

TaqMan 探针是一个与模板特异性结合的荧光探针，它的 5' 端标记有荧光报告基团 (Reporter, R)，3' 端标记有荧光淬灭基团 (Quencher, Q)。当探针完整的时候，荧光基团和淬灭基团距离很近，使得荧光基团发射的荧光被淬灭。

随着 PCR 的进行，Taq 酶在链延伸过程中遇到与模板结合的探针，其 5'-3' 外切酶活性会切割探针，释放的 5' 端报告基团游离于反应体系中，它不受 3' 端荧光淬灭基团影响，荧光信号就可以被仪器检测，积累荧光。也可以说每扩增一条 DNA 链，就形成一个荧光分子，实现了荧光信号的累积与 PCR 产物形成同步。该技术目前应用较为广泛，包括人或动物病原体检测、生物制品鉴定等领域。

图三. TaqMan 探针作用原理

双杂交探针

双杂交探针 (dual hybridization probe) 实时荧光 PCR 就是在两条寡核苷酸杂交探针上分别标记荧光供体基团和荧光受体基团，两基团的激发光光谱有一定程度的重叠。对两条探针的要求是，其与靶核酸的杂交位置应相互邻近。

当两条探针与靶基因同时杂交时，两个荧光基团靠得很近，其间的距离在 1～10 nm(通常为 1～5 个碱基)，依据 FRET 原理，在供体基团一定波长的激发光作用下，发生能量传递，从而激发受体基团发射另一种荧光，荧光强度和 PCR 反应中 DNA 合成量成正比。由于两个不同的探针必须杂交到正确的靶序列时，才能检测到荧光，因此，该方法的特异性增强。

图四. 双杂交探针作用原理

分子信标

分子信标 (molecular beacon, MB) 探针由两端分别共价标记有荧光基团和淬灭基团的单链 DNA 分子组成，分子信标的环部分和靶核酸互补，而探针的两头由于互补而成为茎。当分子信标为茎环结构时，淬灭基团和荧光基团距离很近，报告基团的荧光信号被淬灭基团吸收，从而抑制报告基团产生荧光。

在 PCR 变性阶段，该探针的茎部打开形成一条单链，当溶液中存在特异性模板时，在复性阶段该探针即可与模板杂交，使得 5' 端荧光基团和 3' 端淬灭基团分离，荧光信号得以释放。该方法可以用于基因定量分析、疾病基因检测和诊断等。

图五. 分子信标作用原理

蝎型探针

蝎型探针 (Scorpions Probes) 由探针、引物以及 PCR 终止子组成。探针部分和分子信标相似，也是 5' 端有一个荧光基团，3' 端有一个淬灭基团，并且呈现茎环结构，与分子信标所不同的是，蝎形探针带有一段特异引物，可与相应的靶核酸结合，在 Taq DNA 聚合酶的作用下聚合延伸，得到扩增产物，而所带探针部分正好可以与延伸端的特异产物中互补序列杂交结合。

因此，如有扩增存在，在不断变性复性过程中，蝎形探针即可不断与扩增子杂交，茎环结构打开，荧光基团不再被淬灭而被发射出来，荧光强度与扩增产物的含量呈正比。蝎形探针中特异探针序列呈环状结构，由一个不可扩增的单体即 PCR 终止子连接于 PCR 引物的 5' 端，PCR 终止子可防止扩增蝎形探针的茎环部分。

图六. 蝎型探针作用原理