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文章目录

一、什么是核酸等温扩增?
二、等温扩增技术的种类及其工作原理
2.1 核酸序列依赖扩增NASBA
2.2 多重置换扩增MDA/WGA
2.3 滚环等温扩增RCA
2.4 环介导的等温扩增LAMP/RT-LAMP
三、 等温扩增应用酶

核酸等温扩增技术及其应用

核酸等温扩增技术因其扩增温度恒定,扩增要求条件简单,不需要特殊的PCR仪,扩增时效性强等特点,在体外诊断等领域具有较大的应用前景。

一、什么是核酸等温扩增?

    核酸等温扩增是由具有链置换活性的DNA聚合酶在恒温条件下进行的核酸扩增技术,无需PCR仪即可实现微量核酸的恒温扩增检测,在要求时效强的诊断领域具有巨大的应用潜力。

 

 

二、等温扩增技术的种类及其工作原理

  1. 核酸依赖性扩增(Nucleic Acid Sequence-Based Amplification)NASBA——是一项以RNA作为模板进行等温核酸扩增的技术。
  2. 环介导等温扩增反应(Loop-Mediated Isothermal Amplification)LAMP——是一种在单管内用于DNA扩增的快速简单方法。其针对6个位点使用4种引物,在扩增中形成环状结构,加速后续的扩增。
  3. 依赖解旋酶恒温扩增(Helicase-Dependent Amplification)HDA——基于解旋酶的双链DNA解链活性,在恒温下进行体外DNA扩增。
  4. 滚环扩增(Rolling Circle Amplifiation)RCA——以环状DNA为模板,通过一个短的DNA或RNA引物,扩增得到长单链分子。
  5. 多重置换扩增(Multiple Displacement Amplification)MDA——开始于多个随机引物吸附于DNA模板,通过DNA聚合酶在恒温下进行DNA扩增。
  6. 全基因组扩增(Whole Genome Amplification)WGA——当MDA用于单细胞中扩增整个基因组,即为WGA。(其它全基因组扩增的方法还有MALBAC、LIANTI、DOP-PCR)
  7. 重组聚合酶扩增(Recombinase Polymerase Amplification)RPA——可在较低温度下对DNA或RNA进行扩增。

2.1 核酸序列依赖扩增NASBA

1. 原理:

NASBA技术是检测RNA的等温扩增方法,通常在42 ℃左右进行,需要逆转录酶Maxima H Minus Reverse Transcriptase(200 U/µL)(#EP0751/EP0752/EP0753

RNA酶H(#EN0201/EN0202)、T7 RNA聚合酶(#EP0111/EP011和一对引物来完成。其正向引物包含T7启动子互补序列。反应过程中正向引物与RNA链结合,由逆转录酶

催化形成DNA-RNA双链;RNA酶H消化杂交双链中的RNA,保留DNA单链;在反向引物与逆转录酶的作用下形成含有T7启动子序列的DNA双链;在T7 RNA聚合酶的作用下完成转录过程,产生大量目的RNA。

2.特点:

NASBA的优点在于产物是单链RNA,不易造成遗留污染;由于转录过程产生大量RNA,具有更高的灵敏度;将反转录和扩增反应一步完成,适用于RNA样品的分析,缺点是需用RNA酶抑制剂防止RNA降解。

 

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核酸序列依赖扩增

 (Nucleic Acid Sequence-Based Amplification , NASBA) 

• 以RNA为模板进行等温扩增并能实时观测结果的检测方法

• 反应分两步:非循环和循环扩增

• 通过分子信标探针检测扩增得到的RNA产物

• 广泛应用于细菌、病毒等多种病原微生物的检测

NASBA的优势: 

• 反转录和扩增在同一反应管中进行

• 灵敏——扩增产物可高达109拷贝

• 低成本

谁会进行NASBA?

• 对感染性疾病进行病毒检测和监测的科研人员

• 目前使用PCR方法进行病毒检测的科研人员

• 进行现场核酸检测的科研、工业、POC客户 

 

2.2 多重置换扩增MDA/WGA

    多重置换扩增(Multiple dilacement amplification, MDA)是1998年由耶鲁大学Lizardi博士首次提出。这种恒温扩增的方法依赖于链置换扩增原理,利用噬菌体中phi29DNA聚合酶(#EP0091/EP0092/EP0094,高度扩增DNA。该酶对于模板有很强的模板结合能力,能连续扩增100Kb的DNA模板而不从模板上解离。同时这种酶具有3’-5"外切酶活性,错误率仅为5x10-6,大约比Taq DNA聚合酶低100倍,因此可以保证扩增的高保真性。

 

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多重置换扩增(Multiple Displacement Amplification, MDA)

 

• MDA是最常用的全基因组扩增(Whole Genome Amplification, WGA)方法

• 利用Phi29 DNA聚合酶(#EP0091/EP0092/EP0094)的链置换活性,在恒温下进行基因组 DNA的扩增

MDA的优势:

• 扩增能力强,高保真扩增

• 产量高,使用极少量的DNA样本便可获得大量扩增产物,且扩增片段长

谁会进行MDA?

• 进行单细胞研究的客户,如单细胞全基因组测序

2.3 滚环等温扩增RCA

1.原理:

RCA借鉴了自然界中环状DNA复制方式。所需酶为phi29DNA聚合酶(#EP0091/EP0092/EP0094,在37 ℃左右进行。普通RCA的过程为:引物与环状DNA模板结合后延伸,生成含有大量目的基因的DNA单链。在此基础上还发展出了多种改进技术,如多位点同时进行扩增的多引物RCA、使用两条引物提高扩增效率的指数RCA。

2.特点:

RCA的优点有:扩增效率高;种类多,应用广;产物为单链DNA,能与探针直接结合实现信号放大。局限性在于所需模板为环状DNA。

 

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滚环扩增(Rolling Circle Amplification, RCA)

 

• 以环状 DNA为模板,通过一个短的DNA引物(与部分环状模板互补),在phi29 DNA 聚合酶催(#EP0091/EP0092/EP0094化下合成长重复单链DNA。

• RCA检测模板需为单链环状结构,如果是线性DNA,需经过环化处理; 

RCA的优势: 

• 不仅可以直接扩增 DNA 和 RNA,还可以通过指数扩增实现对靶核酸的信号放大

• 灵敏度达到一个拷贝的核酸分子

谁会进行MDA?

• 细胞原位检测、SNP检测,蛋白质分析、免疫芯片、全基因组扩增、DNA生物传感器

2.4 环介导的等温扩增LAMP/RT-LAMP

1.原理:

2000年,日本学者Notomi等报道了LAMP技术。LAMP在60~65 ℃条件下进行,需要4条引物和具有链置换功能的嗜热脂肪芽孢杆菌DNA聚合酶(DNA polymerase of Bacillus stearothermophilus,BstDNA聚合酶)(#EP0691。外引物与PCR引物类似,而内引物则含有两段序列。过程如下:

(1)内引物结合目的基因,在BstDNA聚合酶的作用下延伸为双链。外引物与双链DNA的5′端结合,在一端形成环状结构。另一端经过同样过程,形成两端为环的哑铃状结构。

(2)哑铃状结构的单链DNA具有模板与引物的双重功能,在Bst聚合酶(#EP0691的催化下即能延伸。

(3)内引物也能与环状结构结合,在酶的作用下进行延伸。

2.特点:

LAMP的优点为特异性和灵敏度高;扩增产物可通过电泳、电化学传感器、横向流动试纸条等方法判定结果。局限性在于引物设计繁琐,易出现非特异性扩增,可通过标准化引物和调整缓冲液浓度克服此缺点。

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环介导等温扩增( Loop-mediated isothermal amplification, LAMP)

• LAMP是一种在恒温下进行快速、简单和特异性的DNA扩增方法,利用 Bst/Bsm DNA聚合酶(#EP0691的强链置换活性

• RT-LAMP包含反转录步骤,从RNA中合成cDNA模板 

LAMP的优势: 

• 不需要昂贵的仪器,成本低

• 检测流程快速(15-60分钟)、简单

• 耐受抑制剂,对样本质量要求不高

• 多种结果验证方法(浊度法、比色法、凝胶电泳法,实时定量法)

谁会进行LAMP? 

• 病原体检测

• 食品和水质安全检测

• 癌症研究和诊断

三、 等温扩增应用酶

名称

货号

 等温扩增技术

 NASBA

MDA

RCA

LAMP

T7 RNA Polymerase (20 U/µL

EP0111/EP011

     

RiboLock RNase Inhibitor (40 U/µL)

EO0381/EO0382/EO0384

   

RNase H (5 U/µL)

EN0201/EN0202

     

Phi29 DNA Polymeras

EP0091/EP0092/EP0094

 

 

EquiPhi29™ DNA Polymerase

A39390/A30391/A30392

 

 

Exo-Resistant Random Primer

SO181

 

   

Maxima H Minus Reverse Transcriptase

(200 U/µL)

EP0751/EP0752/EP0753

   

T4 DNA Ligase (5 U/µL)

EL0011/EL001

   

 

Bsm DNA Polymerase, large fragment

EP0691