Metodica fu ideata nel 1983
PCR - Polymerase Chain Reaction ideata nel 1983 da Kary B. Mullis il quale ottenne, per questo, il premio Nobel per la chimica (1993). Questa tecnica, utilizzando i principi della duplicazione del DNA, permette di ottenere in poco tempo notevoli quantità di materiale specifico
Science. 1988 Jan 29;239(4839):487-91. Related Articles, Links Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase. Saiki RK, Gelfand DH, Stoffel S, Scharf SJ, Higuchi R, Horn GT, Mullis KB, Erlich HA. Cetus Corporation, Department of Human Genetics, Emeryville, CA 94608. A thermostable DNA polymerase was used in an in vitro DNA amplification procedure, the polymerase chain reaction. The enzyme, isolated from Thermus aquaticus, greatly simplifies the procedure and, by enabling the amplification reaction to be performed at higher temperatures, significantly improves the specificity, yield, sensitivity, and length of products that can be amplified. Single-copy genomic sequences were amplified by a factor of more than 10 million with very high specificity, and DNA segments up to 2000 base pairs were readily amplified. In addition, the method was used to amplify and detect a target DNA molecule present only once in a sample of 10(5) cells.
PCR schema
DNA bersaglio Primers Enzima Nucleotidi trifosfati Ioni Mg ++
DNA bersaglio Campione Primers Oligonucleotidi sintetici complementari a sequenze fiancheggianti il tratto di DNA da studiare 20 25 bp Enzima DNA polimerasi Nucleotidi trifosfati
Termociclatori Denaturazione del DNA (94 C) Ibridazione dei primers al bersaglio (40 C 60 C) Sintesi del DNA (72 C)
RT-PCR Reverse transcription-pcr
Vantaggi Si può evitare l uso di tecniche più laboriose. Velocità di esecuzione Si possono analizzare campioni di poche cellule (anche 1 cellula). Elevata sensibilità
Biopsie Analisi prenatale e Analisi preimpianto Tracce di infezioni virali Malattia mimima residua Medicina forense
End Point PCR Il campione si sottopone al numero di cicli stabiliti (30-40), alla fine della reazione un aliquota si sottopone ad elettroforesi su gel di agorosio per verificare: 1. la lunghezza dell amplificato (controllo del peso molecolare in bp mediante ladder); 2. La quantità di amplificato ottenuto (proporzionale all intensità della banda); 3. L assenza di frammenti aspecifici.
La PCR end-point non è un metodo quantitativo Alla fine della reazione non sempre la quantità di DNA del campione d origine è proporzionale all intensità della banda ottenuta. Utilizzando particolari accorgimenti può diventare un metodo semi-quantitativo. Ricerca di mutazioni note; Ricerca di mutazioni non ancora identificate.
Plateau Log[DNA] Esponenzial e Lineare Prodotto variabile N cicli termici
Polymerase Chain Reaction: plateau Resa effettiva: effetto plateau Il processo di duplicazione non procede all infinito, esso è limitato da: Quantità dei primers Attività della Taq polimerasi Reannealing dei filamenti Raggiunto il plateau non si osserva più un incremento nei prodotti
Perché Real-Time? Misura l'amplificazione in tempo reale durante la fase esponenziale della PCR, quando cioè l'efficienza di a m p l i f i c a z i o n e è i n f l u e n z a t a minimamen te d alle va riabili di reazione, permettendo di ottenere risultati molto più accurati rispetto alla P C R t r a d i z i o n a l e " e n d p o i n t "
Real Time PCR Si utilizzano particolari termociclatori in grado misurare la fluorescenza emessa da particolari fuorofori ad ogni ciclo. La fluorescenza, durante ogni ciclo di amplificazione, può essere rilevata utilizzando uno strumento quantitativo ma anche dei marcatori fluorescenti il cui accumulo segue la stessa cinetica della reazione di PCR
Chimiche fluorescenti per PCR Real-Time La fluorescenza si genera durante la PCR per effetto di diverse possibili reazioni chimiche Le chimiche principali sono basate sia sul legame di coloranti fluorescenti che si intercalano nella doppia elica di DNA, come il SYBR Green, sia sull'ibridazione di sonde specifiche.
SYBR Green: principio SYBR Green I Utilizza una molecola fluorescente non specifica che si lega al solco minore del DNA
SYBR Green Durante l elongazione si verifica un aumento di fluorescenza che corrisponde all aumento del numero di copie dell amplicone
SYBR green Metodica semplice Possono essere utilizzati primers in uso in qualitativa Non costosa Non-specifica La molecola fluorescente si lega random a tutte le doppie eliche, includendo i dimeri di primers È necessario ottimizzare la metodica per evitare la f o r m a z i o n e d i p r o d o t t i a s p e c i f i c i
Curva di dissociazione Dopo l'amplificazione, i campioni vengono riscaldati e la variazione dell'energia di fluorescenza viene monitorata per generare una curva di dissociazione
Curva di dissociazione Tm melting peak 82.6 88.1
TaqMan La Real-Time PCR si può realizzare mediante l impiego: coloranti intercalanti ( es. SYBR green), che si legano i n m a n i e r a a s p e c i f i c a a t u t t o i l D N A sonde ad ibridazione, specifiche per il frammento di i n t e r e s s e, m a r c a t e c o n m o l e c o l e f l u o r e s c e n t i Esistono diversi tipi di sonde: Dual-labeled (come le sonde TaqMan) Molecular beacons Scorpion Sonde FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)
Sonde TaqMan La sonda di tipo TaqMan è un oligonucleotide che, come i primers della PCR, viene disegnato per essere complementare alla sequenza bersaglio da amplificare 3 5 Primer 5 3 R Q 5 3 Primer 3 5 5 3 La sonda è disegnata in modo da ibridarsi all interno del frammento amplificato nella reazione di PCR
Sonda TaqMan Presenta all estremità 5 un fluoroforo Reporter ed all estremità 3 una molecola Quencher 5 3
Reporter-Quencher 5 REPORTER (R): fluorocromo ad alta energia che emette fluorescenza 3 QUENCHER (Q): fluorocromo a bassa energia che spegne la fluorescenza del reporter R Q 5 3 Se R e Q si trovano vicini, Q spegne l'effetto di R perchè i fotoni di R vengono assorbiti da Q
Real Time PCR Fluorescence resonance energy transfer (FRET)
L aumento di fluorescenza del Reporter è direttamente proporzionale al numero di ampliconi generati Forward primer Probe Reverse primer
Curve di amplificazione Plot lineare Fluorescenza Cicli di amplificazione Per ogni campione si ottiene una curva di amplificazione il cui C T (=Threshold Cycle) è inversamente proporzionale alla quantità di template iniziale
Quantificazione ASSOLUTA i campioni sono quantificati in modo assoluto Necessita di standard di cui si conosce la concentrazione assoluta (utilizzo di una standard curve) Per tutti gli unknowns devono essere saggiate identiche quantità di campioni RELATIVA la quantificazione viene effettuata paragonando i C T Necessita di controlli endogeni (non si utilizza una standard curve) Gli unknowns vengono quantificati paragonando il loro C T con quello del controllo endogeno
Quantitativa relativa: analisi dei dati Normalizzare il target con un controllo endogeno (r) espresso costitutivamente ( C T ) Comparare ciascun C T così ottenuto con il C T di un trattamento di controllo anche detto calibratore (cb) ( C T ) 2 - ( CT,r- CT,cb) = 2 - CT Il valore così ottenuto permette di determinare la c o n c e n t r a z i o n e r e l a t i v a d e l t a r g e t
Real-Time PCR: applicazioni Quantificazione virale Quantificazione dell espressione genica Efficacia della terapia farmacologica Detenzione dei patogeni Controllo degli OGM Genotyping MRD
Mutation detection kits DxS TheraScreen : K-RAS Mutation Kit DxS TheraScreen : K-RAS Mutation Kit (in breve, il kit K-RAS) è un test diagnostico in vitro che consente di identificare sette mutazioni somatiche nell'oncogene K-RAS e di eseguire una valutazione qualitativa dello stato mutazionale. Deve essere utilizzato in ambiente di laboratorio su campioni di DNA estratti da tessuto colorettale fissato in formalina e incluso in paraffina.
Spesso nei carcinomi umani vengono riscontrate mutazioni dell'oncogene K-RAS. La presenza di tali mutazioni è correlata all'assenza di una risposta a determinate terapie antitumorali basate sugli inibitori del recettore del fattore di crescita epidermico (terapie anti-egfr) nei pazienti con carcinoma colorettale metastatico.
È possibile identificare sette mutazioni nel gene K-RAS su uno sfondo di DNA genomico wild-type utilizzando un saggio PCR real-time basato sulla tecnologia DxS Scorpions. Si tratta di un metodo estremamente selettivo. Se il numero di copie di DNA è sufficiente, è possibile determinare circa l'1% dei mutanti su uno sfondo di DNA genomico wild-type.
Il kit K-RAS è in grado di identificare sette mutazioni K-RAS nei codoni 12 e 13 dell'oncogene K-RAS Il kit K-RAS utilizza i saggi PCR real-time associando due diverse tecnologie: ARMS e Scorpions.
La tecnologia ARMS (Amplification Refractory Mutation System) supporta l'amplificazione di specifici alleli o mutazioni. La Taq DNA polimerasi è estremamente efficace per distinguere tra un appaiamento corretto e un appaiamento errato all'estremità in 3 di un primer per PCR. È possibile eseguire un'amplificazione selettiva di specifiche sequenze mutate anche in campioni in cui le sequenze non mutate sono la maggioranza, in quanto: Quando il primer è perfettamente appaiato, l'amplificazione procede con la massima efficienza. Quando la base in 3 presenta un appaiamento errato, si osserva soltanto un'amplificazione di basso livello sullo sfondo.
La ARMS (Amplification Refractory Mutation System) PCR è un sistema per identificare mutazioni. Essenzialmente si fanno due PCR in parallelo, una con un primer specifico per l'allele normale e l'altra per quello mutato; il secondo primer è uguale per entrambe. I primer sono fatti, ovviamente, per legarsi solo alla variante allelica di interesse, in modo da non legarsi con l'altra. A questo punto puoi avere 3 casi (supposto che la reazione 1 sia con l'allele normale e la 2 con il mutato): 1) amplifico in 1 ma non in 2 -> omozigote wt 2) amplifico in 2 ma non in 1 -> omozigote mutato 3) amplifico in 1 e in 2 -> eterozigote
La tecnologia Scorpions consente di identificare il risultato dell'amplificazione. Il termine Scorpions è utilizzato per descrivere molecole a doppia funzione che contengono un primer per PCR legato covalentemente a una sonda. Il fluoroforo in questa sonda interagisce con un colorante quencher, anch'esso incorporato nella sonda, che sopprime la fluorescenza. Quando si verifica una reazione PCR e la sonda si lega all'amplicon, il fluoroforo e il quencher si separano, determinando un aumento della fluorescenza proveniente dalla provetta della reazione. http://www.biosearchtech.com/support/applications/real-time-pcrprobe-animation-video
Analisi dei dati: metodo ΔCt Nei saggi real-time Scorpions, il numero di cicli di PCR necessari per rilevare un segnale fluorescente al di sopra del segnale dello sfondo è il parametro con cui vengono misurate le molecole bersaglio presenti all'inizio della reazione. Per conoscere i valori ΔCt dei campioni si calcola la differenza tra il valore Ct del saggio di mutazione e il valore Ct del saggio di controllo per lo stesso campione. I campioni vengono classificati come positivi alla mutazione se restituiscono un valore ΔCt inferiore al valore ΔCt 1% per il saggio.
Il kit K-RAS contiene otto saggi. Un saggio di controllo. Sette saggi di mutazione. Tutte le miscele di reazione contengono un saggio di controllo esogeno, o controllo interno, marcato con HEX (rilevato dal colorante JOE nel sistema ABI7900). In questo modo viene monitorata la presenza di eventuali inibitori, che potrebbero indurre risultati falsi negativi. Il saggio di controllo, marcato con FAM, serve per ottenere una valutazione del DNA totale in un campione. Il saggio di controllo amplifica una regione dell'esone 4 del gene K-RAS.
Ogni saggio di mutazione, marcato con FAM, contiene una molecola Scorpion e un primer ARMS che consentono di distinguere il DNA wildtype dall'eventuale DNA mutante rilevato con il saggio PCR real-time.