microRNA的實時定量莖環(huán)RT-PCR技術

microRNA的實時定量莖環(huán)RT-PCR技術

        

已開發(fā)出一種新型的microRNA（miRNA）的定量方法，即利用莖環(huán)反轉錄，Taqman PCR分析。莖環(huán)RT引物在RT 效率和特異性方面比傳統(tǒng)的更好。TaqMan miRNA的檢測是很具體的，可以檢測成熟miRNA和區(qū)分相關的甚至低至一個核苷酸的miRNAs。此外，他們不會受到基因組DNA污染的影響。精確量化可以從低至25皮克的總RNA中提取大多數miRNA。

 

事實上，這種方法靈敏度高，特異性強和精密度高，允許無需核酸純化，直接分析單個細胞。

 

如標準TaqMan基因表達分析，TaqMan miRNA的檢測顯示出了7個數量級的動態(tài)范圍。七個小鼠組織中五個miRNA定量顯示，在每個細胞中，有低至10到超過30000個拷貝數。這種方法可以確�？焖�，準確，靈敏miRNA表達譜，并能識別和監(jiān)控特定組織或疾病的潛在生物標志物。莖環(huán)RT-PCR可用于其他小RNA分子，如短干擾RNA（siRNAs）的量化。此外，為更好的特異性和效率，莖環(huán)RT引物設計的概念可以應用在小分子RNA克隆和多重檢測。

 

 

miRNA是自然發(fā)生的，高度保守的轉錄家庭，來源于較大的發(fā)夾前體。miRNA是在動物和植物的基因組上發(fā)現的。到目前為止，有1000個獨特的轉錄產物，其中，在桑格中心miRNA的注冊表中包括326人類miRNA。

 

miRNA是通過催化mRNA的分裂或抑制mRNA的翻譯來調節(jié)基因表達。他們被認為在細胞發(fā)育，分化和傳導中發(fā)揮著重要作用。具體職責包括調節(jié)細胞增殖和新陳代謝，發(fā)育時間，細胞死亡，造血，神經發(fā)育，人類腫瘤形成與DNA甲基化和染色質修飾。

 

雖然miRNA的相對豐富的轉錄產物類別，其表達水平在物種和組織之間相差很大。低豐度的miRNA經常逃避檢測技術，如克隆，Northern雜交和基因芯片分析。這里，我們提出一種新型實時定量方法，能夠準確靈敏地檢測miRNA與其他小分子RNA。這種方法擴展了實時PCR技術，從大分子的基因表達到微分子的變化檢測。

 

從桑格中心的miRNA注冊網站 http://www.sanger.ac.uk/Software/Rfam/mirna/index.shtml 中篩選目標，引物和探針。所有TaqMan miRNA檢測，可通過應用生物系統(tǒng)公司（P / N4365409）得到。miRNA標準TaqMan分析，采用PrimerExpress軟件設計PRI-LET-7A-3和PRI-MIR-26B和miRNA前體miR-30A。所有序列在補充資料部分可用。合成miRNA的寡核苷酸從Integrated DNA Technolo-gies (IDT, Coralville, IA)購買。

 

從Ambion公司（P / N7810，7812，7814，7816，7818，7824，7826和7968）購買10-12天老鼠的腦，心，肝，肺，胸腺，卵巢和胚胎的總RNA樣品。 Ambion公司鼠的總RNA來自瑞士韋伯斯特小鼠�；�于TaqMan基因表達分析人類或小鼠的3 - 磷酸甘油醛脫氫酶（GAPDH）內對照（P / N4310884E4352339E，應用生物系統(tǒng)公司）所有的RNA樣品進行標準化。

 

兩個細胞株HepG2和OP9，培養(yǎng)，使用Gibco公司MEM（P / N 12492-021，Invitrogen，Carlsbad, CA）補充10％胎牛血清（FBS）(P/N: SH30070.01, HyClone, Logan, UT)培養(yǎng)。用血球計對胰酶消化細胞計數。約2.8×106個懸浮細胞通過離心沉淀，1500r.p.m.離心5分鐘，用1毫升不添加 MgCl2 and CaCl2的杜爾貝科的磷酸鹽緩沖液（PBS）洗滌。

 

細胞再懸浮于140毫升PBS，并用三種不同的樣品制備方法處理。第一種方法，一個50毫升的樣本（10⁶個細胞）等量的核酸純化裂解液混合，用吸管反復吹打十次，然后旋轉。在添加到RT反應體系前，將裂解液用1 U / ml的RNase抑制劑溶液稀釋1/10。在第二種方法中，用mirVanamiRNA提取試劑盒提取50毫升的樣本（10⁶個細胞）。純化的總RNA在100毫升洗脫緩沖液中洗脫。第三種方法用1×PBS稀釋1/2，95℃加熱5分鐘，在加入RT反應體系前立即在冰上保存。

 

根據制造商的協議，使用mirVana-miRNA的檢測試劑盒對miRNA雜交分析。由IDT合成RNA探針。放射性同位素標記的RNA片段用氣旋存儲熒光粉系統(tǒng)進行檢測和定量。

 

逆轉錄反應中包含的RNA樣品，包括純化總RNA，細胞裂解物，和熱處理細胞，50納米的莖環(huán)RT引物，1×RT緩沖液，每dNTPs濃度0.25毫米，3.33 U / µL 的逆轉錄酶和0.25 U / µL的RNase抑制劑。7.5微升反應體系在9700溫度循環(huán)器96- 或 384-平板上16℃培養(yǎng)30分鐘，42℃30分鐘，85℃5分鐘，然后保持4℃。所有逆轉錄反應，包括無模板對照和RT負對照，都進行一次重復。

 

采用標準的TaqManPCR試劑盒進行實時PCR。 10μLPCR反應體系包括0.67μLRT產物，1×TaqMan Mix ，0.2μM的TaqMan探針，1.5m M正向引物和0.7µM反向引物。反應在 384-平臺上95℃培養(yǎng)10分鐘，95℃15秒60℃1分鐘40個循環(huán)。所有的反應一式三份。 C _T為在熒光通過固定閾值的循環(huán)數。熒光定量CT值轉換成絕對數量的拷貝數，使用合成林-4 miRNA的標準曲線。

 

我們提出了一個新的miRNA的定量的實時RT-PCR技術方案。它包括兩個步驟：RT和實時PCR。首先，莖環(huán)RT引物是與miRNA分子雜交，然后用Multi-Scribe反轉錄。接下來，用傳統(tǒng)的TaqMan PCR，對RT產品進行定量。

 

 

圖1。上圖描述的是TaqMan miRNA的檢測原理，基于TaqMan實時定量miRNA的包括兩個步驟，莖環(huán)RT和實時PCR。莖環(huán)RT引物結合在miRNA分子的3'端和用反轉錄酶逆轉錄。然后，RT產品使用傳統(tǒng)的TaqMan PCR定量，其中包括特定miRNA的正向引物，反向引物和染料標記的TaqMan探針。尾正向引物5'的作用是根據miRNA分子的序列組成增加其熔融溫度（Tm）。

 

 

 

圖2。TaqMan-4 miRNA的檢測的動態(tài)范圍和靈敏度。 （A）4超過7個數量級的 lin-4 miRNA擴增曲線。合成的RNA輸入范圍從1.3×10^－3 fM（相當于每次反應7個拷貝數） 〜1.3×10⁴ FM（相當于每次反應7×10⁷拷貝數）；（B）lin-4 miRNA的標準曲線。

 

miRNA定量的動態(tài)范圍和靈敏度的計劃使用一種人工合成的CEL-LIN-4靶進行首次評估。合成的RNA在 A₂₆值的基礎上量化，稀釋超過7個數量級。 CEL-LIN-4 TaqMan miRNA的檢測結果顯示在目標輸入和CT值之間有極好的線性關系，表明，該檢測有至少7個動態(tài)范圍，并能夠檢測PCR反應中少于7個的拷貝數（圖2）。

 

采用小鼠肺總RNA的八個額外miRNA的檢測也被證實。RNA的輸入范圍從0.025到250納克（圖3）。 相關的RNA輸入的TheC_T 值超過4個數量級（R2>0.994）。陰性對照檢測中，即使在250納克總RNA鼠標的反應中，CEL-MIR-2沒有給出一個檢測信號。

 

根據七個不同的鼠組織中五個miRNA的表達譜測定，創(chuàng)建一個miRNA的表達圖譜。每個細胞中的拷貝數根據輸入的總RNA（假設15皮克/細胞）和合成lin-4目標的標準曲線計算。從這個表達圖譜上作了一些有趣的觀察。首先，miRNA非常豐富，組織中每個細胞平均有2390個拷貝數。每個細胞表達的拷貝數在10-32090之間變化。在所有組織中，12個miRNA里，miR-16和miR-323是最豐富和最低量表達的miRNA。此外，每個組織都有獨特的miRNA的表達水平。miRNA表達的整體水平在小鼠肺中最高和胚胎中最低。最后，在7個組織中，miRNA表達的動態(tài)范圍變化很大，從不到5倍(let-7a)到超過2000倍(miR-323) （表1）。

 

評估RNA分離的需要，我們直接在miRNA的檢測中增加了細胞裂解物。相當于直接在7.5毫升逆轉錄反應中添加2.5-2500細胞。當檢測到，在一些細胞中CT值相關R2>0.998）的RT反應至少有三個數量級（圖4）。

 

圖3�？俁NA輸入的閾值循環(huán)（CT）值檢測8個miRNA的相關性。每RT反應中，小鼠肺總RNA輸入范圍從0.025到250納克。將新桿狀線蟲的miRNA（MIR-2）列入作為陰性對照。

 

 

鼠或人的腦，心，肝，肺，胸腺，卵巢和胚胎（10-12天）的總RNA樣品均購自Ambion公司。根據標準曲線lin-4合成的miRNA對每個細胞拷貝數進行估計。每個RT反應中添加150ng的RNA（或相當于約10 000個細胞，假設每個細胞中有15pg總RNA）。依據TaqMan磷酸甘油醛脫氫酶的內對照（P / N4352339E）將RNA規(guī)范化輸入。

 

檢測了12組非特定的基因組DNA對TaqMan miRNA的影響。結果表明，RT反應中是否添加5納克人類基因組DNA對CT值沒有影響，表明RNA的目標（數據未顯示）檢測是非常特異的�；�于這一觀察，我們直接miRNA定量檢測中增加了熱處理細胞。圖5顯示了使用純化總RNA，細胞裂解物，從同樣數目的HepG2細胞得到的熱處理細胞的miRNA進行定量比較。直接添加熱處理細胞的miRNA的檢測CT值最低，和其他三種不同的樣品制備方法相似。

 

 

 圖4。使用OP9細胞裂解物檢測TaqMan miRNA的動態(tài)范圍。 每個RT體系中輸入細胞數范圍為3至2500個細胞。采用新桿狀線蟲elegans miRNA（MIR-2）作為陰性對照。

 

 

 圖5。對熱處理細胞，細胞裂解液和10 miRNA實時定量總RNA進行比較。用閾值循環(huán)（CT）來衡量miRNA的表達水平。每PCR擴增約400 HepG2細胞進行了分析。

 

 

 圖6。的TaqMan miRNAmiR-16的分析比較來解決以印跡雜交為基礎的分析�？俁NA來自小鼠腎，肝，肺，脾和睪丸組織。

 

由兩個獨立運行系統(tǒng)（數據未顯示）對12 miRNA16重復檢測TaqMan miRNA的可再現性。CT的標準偏差平均為0.1，顯示檢測的高精度。

 

我們采用一個獨立的技術，這個技術是基于雜交印跡的miRNA分析，比較TaqMan miRNA的檢測（圖6）。我們觀察到雜交為基礎的miRNA分析重復性差，在從目標到目標的變化中和TaqMan分析一致。五個鼠組織樣本中的miR-16的兩種方法（R2= 0.916）一致。然而，在低豐度的miRNA中相關性相對較低，如miR-30的（R2= 0.751）。

 

雜交的方法對成熟的miRNA來講缺乏特異性。我們調查了TaqMan miRNA區(qū)分成熟miRNA和較長的前體的檢測能力，合成pri-miRNA前體，pri-miR-26b和pri-let-7a和pre-miRNA 前體pre-miR-30a（見表2）。 TaqMan分析旨在檢測前體和成熟的miRNA進行合成平均1.5的目標×108％RT反應副本（每PCR體系1.3×10⁷拷貝數）。僅PRI-miRNA前體分子的TaqMan miRNA的分析產生了較成熟的miRNA的分析高出至少11個循環(huán)的CT值。這一結果意味著，如果成熟的miRNA和前體在濃度相同，后者將在檢測成熟的目標時貢獻<0.05％的背景信號。對于pre-miR-30a來講，成熟的miRNA miR-30a-3p定位于在pre-miR-30a序列3’末端，觀察到8.4 C_T的差異。結果表明，對于成熟miRNA來說，TaqMan miRNA的檢測是特異的。然而，如果miRNA位于pre-miRNA前體鏈5'端，特異性分析更好�？俁NA實驗分析代替合成目標，表明，前體與成熟miRNA相比，至少豐富度小于兩個數量級，基于C^T 在miR-26b-1 和 let-7a-2前體的差異多于7個或7個以上數量級。一并考慮，這些結果表明，對于成熟miRNA來說，TaqMan miRNA的檢測更加特異。

 

 

 圖7。let-7 miRNA的檢測鑒別力。相對檢測（％）計算是基于C_T完全匹配和不匹配的目標之間的差異。在RT反應中添加合成RNA的1.5×10⁸ 拷貝數。估計濃度在A₂₆₀ 值的基礎上。

 

TaqMan miRNA的檢測能力不同，是依據采用let-7a, let-7b, let-7c, let-7d 和let-7e 5個合成miRNA來檢測低至一個核苷酸（圖7）。每個miRNA的檢測對應每個miRNA。相對探測效率是通過計完全匹配和不匹配的目標CT之間的差異，假設完美匹配的效率為100％。觀察非特異性信號處在非常低的水平，從零到0.3％，對于miRNA有2-3不匹配，0.1-3.7％的單核苷酸不同。許多交叉反應，是由RT反應反應中G-T的錯配導致的。如果miRNA之間出現超過三個不匹配，會有針對性的miRNA檢測。

 

我們比較歧視的TaqMan miRNA的檢測能力的不同，以解決雜交分析為基礎的檢測（圖8）。在我們的手中，雜交方法可以很好地區(qū)分let-7a和let-7b。然而，在let-7a, let-7c 和 let-7d之間，幾乎沒有區(qū)別，而是由1–3 nt區(qū)分。

 

我們推測，莖環(huán)引物可能會比線性引物提供更好的RT效率和特異性。依據莖環(huán)的堆放可能加強RNA-DNA的熱穩(wěn)定性。此外，與傳統(tǒng)的線性RT引物，莖環(huán)的空間約束可能會提高檢測的特異性。我們比較的莖環(huán)和線性RT引物合成miRNA let-7a的靈敏度和特異性(圖 9)。我們觀察到了莖環(huán)RT幾個優(yōu)勢。首先，在合成let-7A目標時，線性和莖環(huán)RT方法CT值有7個數量級不同，表明莖環(huán)RT的效率高出至少100倍。其次，莖環(huán)RT在區(qū)分miRNA之間不同時，是基于ΔCT值兩個原則的不同。最后，依據7個數量級ΔC_T，對于區(qū)分成熟的miRNA和其前體，莖環(huán)RT至少好100倍。

 

由于miRNA的發(fā)現，這些基因家族的特征的顯著進展已經描繪了基因調控中miRNA功能的機制。因此，識別miRNA的生物標記特定的組織類型或疾病狀態(tài)的廣泛的研究已經開始。這些研究將會受益于miRNA準確識別和量化方法。

 

當前檢測和量化miR-NAs的方法主要基于克隆，Northern雜交，或引物延伸。盡管芯片可以提高miRNA譜的產量，該方法在靈敏度和特異性方面有著是相對的局限性。對于miRNA的定量，靈敏度低已成為一個的問題，因為很難放大這些短的RNA目標片段。此外，特異性低，可能會導致密切相關的miRNA、前體和基因組序列的錯誤的積極信號。最近，已報道了針對miRNA量化的修改后的侵襲物檢測。然而，侵襲物檢測特異性和敏感性有限，每檢測至少需要50 ng總RNA，或1000裂解細胞。

 

實時PCR是基因表達的定量的金標準。對于科學家來說，設計常規(guī)PCR，檢測平均22個核苷酸長度的miRNA，一直是一種長期挑戰(zhàn)來。我們開發(fā)了一種新的機制來設計TaqManPCR反應檢測，用超過現有的常規(guī)檢測方法的優(yōu)越的性能來特異量化miRNA的表達水平。我們設計和驗證檢測了222個人的miRNA。這些分析相結合了PCR技術精湛的靈敏度，實時監(jiān)控動態(tài)范圍和TaqMan方法報道，以增加特異性。在我們的手中，與成熟miRNA相比，miRNA前體的效果至少差2000倍。由于對于前體或基因組DNA這些檢測是不敏感的，我們可以直接添加熱處理細胞檢測，消除了樣品制備的需要。對于成熟的miRNA及其前體的檢測的需要，可用傳統(tǒng)的TaqMan分析法來特異地檢測前體。

 

我們觀察到由于堿基堆積和空間約束的莖環(huán)結構，莖環(huán)RT引物比傳統(tǒng)的線性引物有更好的特異性和敏感性（圖9）。堿基堆積性可以提高熱穩(wěn)定性，并延長有效的RT引物/ RNA雙螺旋，可能需要相對較短的逆轉錄引物來提高RT的有效性。莖環(huán)結構的空間限制，可以防止結合基因組雙鏈DNA。因此，RNA樣品制備為消除TaqMan miRNA的需要。潛在的莖環(huán)RT引物可以為多重RT反應和小分子RNA克隆可能提供更好的效率和特異性。

 

對于整體miRNA譜有一個敏感的、特異地增加需求。有效高調的miRNA的能力可能會導致miRNA的生物標志物疾病或組織特異性的發(fā)現，以及有助于理解miRNA如何調節(jié)干細胞分化。我們的莖環(huán)RT-PCR方法，可以為這些研究提供了一個切實可行的解決辦法。我們目前正在開發(fā)多重辦法，要進一步提高這種方法的效用。