陳翔，張佳琦，汪澤，許旭，朱濱

熒光定量法測定DNA熔解溫度

陳翔，張佳琦，汪澤，許旭，朱濱

DNA 熔解溫度（Tm）指 DNA 雙鏈變性過程中一半雙鏈解離為單鏈的溫度[1]，是 DNA 片段的一個(gè)重要特性。準(zhǔn)確測定 DNA 片段 Tm值，是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法（如PCR 檢測技術(shù)、核酸雜交檢測技術(shù)等）建立的基礎(chǔ)，在疾病的分子診斷領(lǐng)域具有重要現(xiàn)實(shí)意義[2-4]。影響 DNA 片段Tm值的因素有很多，如 DNA 片段的長度、DNA 片段的GC% 含量[5]、鹽離子濃度、pH 等[6]。傳統(tǒng)測定 DNA 片段 Tm值的方法多用紫外分光光度法[7-9]，該方法有一定的局限性，溶液需要量大，操作起來不方便。利用熒光試劑（如 SYBR Green I）與雙鏈 DNA 結(jié)合后熒光大大增強(qiáng)的特點(diǎn)，采用熒光定量法可以較好解決這些問題。用熒光定量法測定 DNA 樣品在含有 SYBR Green I 溶液中的熔解曲線，根據(jù)其導(dǎo)數(shù)曲線熔解峰對應(yīng)的溫度可以確定 DNA 樣品的 Tm值。熒光定量 PCR 儀溶液需求量小，不需太多操作，能很好地控制反應(yīng)的溫度，進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化檢測[10-11]。本文用熒光定量法測定不同大小、不同 GC% 含量 DNA片段的 Tm值并研究了其影響因素，顯示該法可用于實(shí)際樣品測定。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

FQD-48A 型熒光定量 PCR儀、TC-XP-D 型 XP 基因擴(kuò)增儀、HB-100 型恒溫金屬浴為杭州博日科技有限公司產(chǎn)品；Cary 100 型紫外可見分光光度計(jì)為美國安捷倫科技有限公司產(chǎn)品；OD-1000+ 超微量分光光度計(jì)為南京五義科技有限公司產(chǎn)品。

SYBR Green I（10 000 ×）購自廈門致善生物科技股份有限公司；lambda DNA、DMSO、Tris 鹽酸鹽、Tris 堿均為生工生物工程（上海）股份有限公司產(chǎn)品；K2HPO4·3H2O、KH2PO4均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2 方法

1.2.1 不同大小、不同 GC% 含量 DNA 片段的制備 大片段 DNA 的 GC% 含量大多沒有顯著差異，選擇商業(yè)化lambda DNA 產(chǎn)品。150～300 bp 的不同 GC% 含量 DNA片段的制備是選擇人基因組中不同 GC% 含量的基因（TPMT、CY、APOE），采用體外擴(kuò)增并純化。25 bp 的不同 GC% 含量 DNA 片段（Oligo A、Oligo B、Oligo C）委托生工生物工程（上海）股份有限公司合成并純化。不同GC% 含量的 DNA 序列見表 1。

1.2.2 溶液的配制

⑴熒光染色劑稀釋液：規(guī)格為 10 000 × 的 SYBR Green I 溶液用 DMSO 稀釋 10 000 倍，備用。

表1 不同 GC% 含量的 DNA 序列

⑵磷酸鹽緩沖液：稱取 K2HPO4·3H2O 和 KH2PO4，分別配制成 50 mmol/L 的溶液，兩種磷酸鹽溶液調(diào)節(jié) pH 至7.4 左右，備用。

⑶Tris 鹽緩沖液：稱取 Tris 鹽酸鹽和 Tris 堿，分別配制成 400 mmol/L 的溶液，兩種 Tris 溶液調(diào)節(jié) pH 至7.4 左右，備用。

1.2.3 熒光測定 DNA 片段 Tm取熒光染色劑稀釋液1 μl、磷酸鹽溶液 4 μl（終濃度5 mmol/L）、Tris 鹽溶液 6 μl（終濃度 60 mmol/L），加入適量 DNA 溶液（使定量后DNA 終濃度為 10 ng/μl），用超純水定量至 40 μl。配制好的溶液放入熒光定量 PCR 儀中，設(shè)置程序?yàn)椋?0 ℃、30 s，65 個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)增加 1 ℃。測定 DNA 片段的熔解曲線，得到熔解導(dǎo)數(shù)曲線，取熔解導(dǎo)數(shù)曲線的峰對應(yīng)的溫度為Tm值。

1.2.4 紫外測定 DNA 片段 Tm磷酸鹽溶液（終濃度5 mmol/L）、Tris 鹽溶液（終濃度 60 mmol/L），加入適量DNA 溶液（使定量后 DNA 終濃度為 10 ng/μl）。紫外分光光度計(jì)設(shè)置固定吸收波長 260 nm，升溫速率 1 ℃/min，升溫范圍 30～95 ℃。得到 DNA片段隨溫度升高的紫外吸收曲線，取紫外吸收過渡曲線的中點(diǎn)對應(yīng)的溫度為 Tm值。

2 結(jié)果

2.1 不同 DNA 片段的 Tm值

不同大小、不同 GC% 含量 DNA 片段的 Tm值見表 2。本實(shí)驗(yàn)條件下，熒光法可測定不同 GC% 含量各種大小 DNA 片段的 Tm值，僅在寡核苷酸小片段的 GC%含量過高時(shí)（Tm大于 90 ℃，接近水的沸點(diǎn)），熒光定量法與紫外法一樣均難以準(zhǔn)確測定，而紫外法在測定小片段DNA 的 Tm值時(shí)還需要顯著提高 DNA 濃度。熒光法與紫外法測定值基本一致，CY 片段熒光熔解曲線如圖 1 所示，熒光熔解導(dǎo)數(shù)曲線圖如圖 2 所示。

表2 不同 DNA 片段的熔解溫度（Tm）值

圖1 CY 片段熒光熔解曲線

2.2 熒光定量法測定 Tm值時(shí)熒光染料與 DNA 的濃度配比

實(shí)驗(yàn)表明，對于不同大小、不同 GC% 含量的 DNA 片段，用熒光定量法測定 Tm值時(shí)，SYBR Green I 適宜的終濃度為 0.025 ×。在上述熒光染料濃度條件下，DNA 片段的適宜終濃度取決于 DNA 片段的大小，片段越小，終濃度越大。在本文建立的實(shí)驗(yàn)條件下，大片段 DNA（kb 級）適宜終濃度不低于 5 ng/μl，中等大小 DNA（數(shù)百 bp）適宜終濃度不低于 10 ng/μl，小片段（數(shù)十 bp）適宜終濃度不低于 20 ng/μl。同等大小的 DNA 片段，GC% 含量越高，適宜濃度也越高。例如，TPMT 片段濃度低至 1 ng/μl 時(shí)，可見明顯熒光導(dǎo)數(shù)曲線峰，而 APOE 片段濃度為 5 ng/μl時(shí)，熒光導(dǎo)數(shù)曲線峰才可見。

用熒光定量法測定 DNA 片段的 Tm值時(shí)，DNA 濃度、SYBR Green I 染料量均不宜過高，否則熒光導(dǎo)數(shù)曲線圖會(huì)出現(xiàn)異常峰（饅頭峰或雙峰），給 Tm值的確定帶來困難。這可能是 DNA 解鏈會(huì)引起熒光信號(hào)變化產(chǎn)生，而解鏈后的 DNA 自身折疊形成局部雙鏈（高濃度時(shí)更明顯）解鏈也會(huì)引起熒光信號(hào)的變化，各因素疊加后使峰形復(fù)雜。

2.3 緩沖體系對測定的影響

圖2 CY 片段熒光熔解導(dǎo)數(shù)曲線

圖3 TPMT 片段熒光熔解導(dǎo)數(shù)曲線（1：Tris 鹽濃度5 mmol/L；2：Tris 鹽濃度 30 mmol/L；3：Tris 鹽濃度60 mmol/L）

鹽濃度的變化會(huì)對 DNA 片段 Tm值產(chǎn)生顯著影響。通常采用磷酸鹽緩沖體系，以保持測定過程中鹽濃度、pH的穩(wěn)定。熒光導(dǎo)數(shù)圖的峰形會(huì)受緩沖體系的影響，在緩沖體系中增加 Tris 鹽濃度會(huì)明顯改善低 GC% 含量 DNA 片段熒光導(dǎo)數(shù)曲線峰形（圖 3），對 Tm值略有提高，影響不大。DNA 片段 GC% 含量越高，上述改善越不明顯，但會(huì)明顯提高 Tm值。

3 討論

熒光定量 PCR 儀由于樣品量?。ㄎ⑸墸?、溫控準(zhǔn)確、功能強(qiáng)大、自動(dòng)化程度高迅速在臨床及科研領(lǐng)域得到普及。除了聚合酶鏈反應(yīng)等常規(guī)用途，用于 DNA 片段 Tm值研究與傳統(tǒng)的紫外分光光度法相比，優(yōu)勢明顯。

紫外分光光度法測定 DNA 熔解曲線原理是單鏈DNA 的吸光度大于雙鏈，根據(jù)吸光度的變化來確定 DNA熔解曲線，實(shí)際操作中，影響因素較多。DNA 溶液若不純，其紫外吸收曲線會(huì)出現(xiàn)不利于判定 Tm值的情況。紫外法測定互補(bǔ)寡核苷酸小片段，寡核苷酸小片段原本即為兩條單鏈，有一定的吸光度，濃度過低，熔解曲線會(huì)呈現(xiàn)一條逐漸升高的直線，無法判定 Tm值。

熒光定量法測定 DNA 的 Tm值是基于特殊的熒光染料分子（EB、SYBR Green I、吖啶橙等），這些染料分子可以插入雙鏈 DNA 分子中，插入前后熒光染料分子的熒光強(qiáng)度有數(shù)十倍的差異。同樣插入雙鏈 DNA 中的熒光染料分子的熒光強(qiáng)度隨 DNA 分子的解鏈也會(huì)產(chǎn)生顯著變化。DNA 溶液純度和片段大小對該法影響較小。熒光染料的用量以產(chǎn)生適宜的熒光強(qiáng)度變化為宜。目前已有專門用于此的商業(yè)試劑盒可供選擇。

采用熒光定量法測定 DNA 片段 Tm值，熒光染料與DNA 的濃度配比非常重要。由于熒光染料分子插入 DNA片段后復(fù)合物本身的熒光強(qiáng)度會(huì)隨著溫度升高而下降，配比不合適會(huì)掩蓋 DNA 解鏈引起的熒光強(qiáng)度下降。也因?yàn)樵撛?，用熒光?dǎo)數(shù)圖將更直觀、更準(zhǔn)確。

[1]Zhang YC, Qu WB, Lu YM, et al.A comparison of different melting temperature (Tm) prediction methods for DNAg.Milit Med Sci, 2011,35(3):231-235.(in Chinese)

張艷春, 屈武斌, 盧一鳴, 等.DNA解鏈溫度(Tm)不同預(yù)測方法的比較.軍事醫(yī)學(xué), 2011, 35(3):231-235.

[2]Steger G.Thermal denaturation of double-stranded nucleic acid：prediction of temperatures critical for gradient gel electrophoresis and polymerase chain reaction.Nucleic Acids Res, 1994, 22(14):2760-2768.

[3]Gao L, Pan SY, Chen D, et al.Investigation of methylation patterns of APC gene in lung cancer with a novel fluorescence melting curve analysis assay.J Mod Lab Med, 2012, 27(1):19-23, 27.(in Chinese)

高麗, 潘世揚(yáng), 陳丹, 等.熔解曲線法用于肺癌APC基因甲基化模式的研究.現(xiàn)代檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志, 2012, 27(1):19-23, 27.

[4]Li YL, Song WG, Niu ZX, et al.Extraction and determination of the G+ C mol % of DNA of pseudomonas aeruginosa.J Taishan Med Coll,2003, 24(2):109-110.(in Chinese)

李雅林, 宋文剛, 牛種相, 等.綠膿桿菌基因組DNA G+C mol%含量的測定.泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 24(2):109-110.

[5]Breslauer KJ, Frank R, Bl?cker H, et al.Predicting DNA duplex stability from the base sequence.Proc Natl Acad Sci U S A, 1986,83(11):3746-3750.

[6]Li JS, Zhang Q, Zhou SH.Prediction of melting temperature of DNA duplex by least squares support vector machine.Comput Eng Appl,2009, 45(5):55-58.(in Chinese)

李金松, 張強(qiáng), 周士華.雙鏈 DNA解鏈溫度的最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測方法.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2009, 45(5):55-58.

[7]Rees WA, Yager TD, Korte J, et al.Betaine can eliminate the base pair composition dependence of DNA melting.Biochemistry, 1993, 32(1):137-144.

[8]Lin QY, Hu RD, Zheng XH.Studies on the interaction of metalic complex and DNA by the spectral methods.Spectroscopy Spectral Anal, 2004, 24(8):988-990.(in Chinese)

林秋月, 胡瑞定, 鄭孝華.銅(II)配合物與DNA作用的光譜法研究.光譜學(xué)與光譜分析, 2004, 24(8):988-990.

[9]Wu RG, Wei ZW, Chen L, et al.The effects of divalent metal ions on the thermal stability of salmon sperm DNA.Chem J Chin Univ, 2002,23(12):2366-2368.(in Chinese)

鄔瑞光, 尉志武, 陳琳, 等.二價(jià)金屬離子對鮭魚精 DNA 熱穩(wěn)定性的影響.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 2002, 23(12):2366-2368.

[10]Zhu YZ, Yin JD, Li DF, et al.Quantitative PCR method for detecting glyphosate- tolerant gene transfer in soybeans.J China Agric Univ,2005, 10(3):25-29.(in Chinese)

朱元招, 尹靖東, 李德發(fā), 等.抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆PCR定量檢測研究.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 10(3):25-29.

[11]Ding MY, Qi WQ, Chen ZY, et al.Detection of novel duck reovirus using SYBR Green II fluorescent quantitative PCR assay.Chin J Vet Parasitol, 2016, 24(1):7-14.(in Chinese)

丁明洋, 戚偉強(qiáng), 陳宗艷, 等.一種新型鴨呼腸孤病毒 SYBR Green II熒光定量PCR方法的建立.中國動(dòng)物傳染病學(xué)報(bào), 2016,24(1):7-14.

10.3969/j.issn.1673-713X.2017.04.014

上海張江國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項(xiàng)發(fā)展資金重點(diǎn)項(xiàng)目（201609-XH-CHJ-C1085-003）

201418 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院（陳翔、許旭）；200233 上海百傲科技股份有限公司（張佳琦、汪澤、朱濱）

朱濱，Email：zhubin@baio.com

2017-05-01