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PCR反应正常状态扩增曲线阶段解读

      在PCR反应体系中加入荧光基团,利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程,使每一个循环变得“可见”,最后通过循环阈值( Cycle threshold,Ct) 和标准曲线的关系对起始模板进行定量分析。

       PCR扩增过程中,每一轮循环均检测一次荧光信号的强度。随着反应循环次数的不断增加,所扩增的目的基因片段呈指数规律增长,反应中产生的荧光信号强度与PCR产物的数量呈正比。仪器实时检测和采集的荧光信号,随着时间和循环数的不断增加,产生一条反映实时荧光信号强度变化的曲线,称为扩增曲线

扩增曲线以循环数为横坐标,荧光强度为纵坐标。样本扩增曲线是反应PCR进程的镜子,我们可以通过观察扩增曲线来评估PCR扩增效率,分析实验是否顺利进行。扩增曲线的正常与否,反映出实验中存在的诸多因素和问题,对核酸检测结果判读十分重要。

 正常状态扩增曲线:正常PCR扩增曲线呈“S”型,分为基线期、指数期、线性期、平台期。扩增曲线良好的指标是曲线拐点清楚,扩增曲线整体平⾏性好,基线平⽽⽆上扬现象。

1、基线期

PCR起始时,刚开始前几个循环的荧光信号还没有发生变化,接近一条直线,将其称之为基线,一般是3-15个循环。在基线期内,扩增的荧光信号被背景荧光信号所掩盖,无法判断PCR产物量的变化。

2、指数期

扩增的荧光信号高于背景荧光信号,扩增曲线起峰,开始进入指数期。在指数期内,每个循环积聚的产物准确加倍(假定100%反应效率)。该阶段的PCR反应具有高度特异性和精确度。因为所有试剂均充足,反应的动力学推动反应有利于扩增子加倍,所以产物出现指数级扩增。只有在这个阶段,Cq值与初始模板量的对数之间存在线性关系,所以在此阶段进行定量分析最合适。

3、线性期(高变异性)

随着PCR反应体系各成分的消耗,其中的一种或者多种成分限制反应,导致反应开始减缓,并且每个循环的PCR产物不再加倍,该阶段不再是指数级扩增。

4、平台期

反应停止,不再产生更多产物,并且如果放置时间够长,PCR产物将开始降解。因为每个样品具有不同的反应动力学,所以每支试管或每个反应将在不同的时间点进入平台期,最终的产物含量也各不相同。

由于线性期和平台期的扩增产物已不再呈指数级的增加,PCR的产物量与初始模板量之间没有线性关系,所以也不能通过这两个阶段的PCR产物量计算出初始模板量。想要知道初始模板量的多少,还要依赖指数期的Cq值进行计算。


理论上,PCR每个循环后扩增产物量即增加一倍,扩增曲线应表现为荧光值随着循环数增加而不断上升。

实际上,扩增曲线的荧光值并不会随着循环数的增加而无限上升。这是由于PCR扩增进行到一定阶段,反应体系中的原料发生消耗和变性,如dNTP和酶等原料相对于模板减少,同时酶活性逐渐达到饱和;引物二聚体和反应亚产物(如焦磷酸)的产生也会抑制扩增反应;引物和已扩增的DNA片段间的竞争等都会导致PCR的扩增效率逐步降低,直至为0。因此,扩增曲线表现为扩增到一定的循环数后,荧光值不再随着循环数发生变化,而是保持平坦,出现平台期。

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