Reverse transcription-reaction setup

逆转录反应建立

对于分子生物学实验,逆转录主要用于生成代表组织或细胞特异性RNA群体的互补DNA(cDNA)。为使实验成功,需要考虑一些与模板、试剂和反应条件相关的关键注意事项。

Video: Simplified reverse transcription

Learn how reverse transcription works and how to select the right reverse transcriptases and primers for your experiment. 

RNA模板制备

RNA是逆转录的模板。总RNA通常用于RT-(q)PCR等下游应用的cDNA合成,而特定类型的RNA(例如,信使RNA(mRNA),miRNA等小RNA)可经过富集而用于某些应用,如cDNA文库构建和miRNA图谱分析

维护RNA完整性至关重要,在提取、处理、储存和实验使用过程中需要采取特殊的保护措施。防止RNA降解的最佳方法包括佩戴手套、使用具有气溶胶屏障的移液管移液、使用无核酸酶的实验室器具和试剂以及对工作区域进行去污处理

根据来源材料(如血液、组织、细胞、植物)的类型和实验目标,有多种RNA分离和纯化方法可供选择。分离工作流程的主要目标是稳定RNA分子、抑制RNA酶,并通过适当的储存和提取方法最大程度提高产量。最佳的纯化方法可以去除干扰酶活性的内源性化合物,如植物组织中的复合多糖和腐殖酸,以及逆转录酶的常见抑制剂,如盐、金属离子、乙醇和苯酚。纯化的RNA应保存在-80°C,尽量减少反复冻融。

Video: Inhibitors in reverse transcription reaction

Learn about reverse transcriptase inhibitors, their inhibitory mechanisms, and tips on overcoming inhibitors in reverse transcription.

纯化后评估RNA质量和数量的方法有许多种。常用的方法是利用紫外光谱法检测特定波长的吸光度。RNA质量可通过利用Beer-Lambert定律测定260 nm处的吸光度而确定;不同波长的吸光度比值可以确定是否存在特定污染物(表1)。请注意,紫外吸光度不是RNA特有的,所有核酸都可以吸收相近波长的紫外线。对于需要更高RNA特异和更灵敏分析的RNA, 可以考虑使用含染料的荧光试剂,这种试剂只在特异性的与目标分子结合时才会释放荧光信号。

Video: What is a purity ratio?

Learn about determining sample purity by absorbance and calculating A260/A280 ratios.

表1. RNA分析的紫外检测指南

吸光度表明存在:目标比值
230 nm有机化合物,糖,尿素,盐A260/A230 > 1.8
260 nm所有核酸A260 ≈ 0.1–1.0
270 nm苯酚A260/ A 270 > 1.0
280 nm蛋白质RNA: A260/A280 ≈ 2.0
DNA: A260/A280 ≈ 1.8
330 nm光散射A330 = 0

28S和18S核糖体RNA(rRNA)的比值代表总RNA,可评估RNA的完整性。总RNA经过变性,并利用凝胶电泳按照分子量大小进行分离,可对其进行定性评估。然后,评估28S rRNA与18S rRNA的强度比,比值为2:1代表完整的RNA(图1A)。Agilent Technologies开发的一种方法结合了微流体学和专利算法,可定量评估RNA的完整性。该方法可产生数字读数,称为RNA完整性分数或RIN,数值介于8至10之间代表高质量的RNA [1,2](图1B)。

analysis_of_rna_integrity
图1. 利用(A)凝胶电泳和(B)微流体学方法进行RNA完整性分析。

基因组DNA去除

有些情况下,痕量基因组DNA(gDNA)可能与RNA共同被纯化。污染性gDNA可能会干扰逆转录,并导致RT-qPCR等灵敏性应用出现假阳性、高背景或检测率降低。

为去除gDNA,通常在RNA分离过程中加入DNase I。在进行RT-PCR之前,必须完全去除DNase I,因为任何残留的酶都会使单链DNA(如引物和合成cDNA)降解。通常,DNase I失活(如,EDTA和加热处理)或酶去除步骤会导致RNA降解或样品损失。

作为DNase I的替代品,可使用双链特异性Dnase去除污染性gDNA,而不影响RNA或单链DNA。它们的热分解性质使其在相对温和的温度(如55℃)下即可失活,同时没有负面影响。在逆转录反应之前,可以将这种双链特异性热分解DNase与RNA在37℃下孵育2分钟,从而简化工作流程(图2)。

gDNA removal procedures
图2. gDNA去除步骤:DNase I与Invitrogen™ ezDNase™酶。与DNase I相比,ezDNase酶具有更短的工作流程、简单的处理步骤和较少的RNA损伤。可选择在逆转录前使ezDNase酶失活,因为酶不会切割引物、ssRNA或cDNA:RNA复合物。

逆转录酶因素

逆转录酶以RNA为模板合成互补DNA,但这一类逆转录酶可能具有不同的功能活性和性质。它们的性质会影响其逆转录长RNA转录物、富含GC的RNA、具有明显二级结构的RNA和次优质RNA的能力。

分子生物学中使用的大多数逆转录酶来源于禽成髓细胞瘤病毒(AMV)或莫洛尼鼠白血病病毒(MMLV)的pol基因。 AMV逆转录酶是实验室中首批用于cDNA合成的酶之一。该酶是一种分子量为170-kDa的异二聚体,最佳反应温度范围为42-48℃。 AMV逆转录酶具有较强的RNase H活性,可降解RNA:cDNA复合物中的RNA,产生较短的cDNA片段(<5 kb)。

MMLV逆转录酶因具有单体结构而成为常用的替代品,可对重组酶进行更简单的克隆和修饰。MMLV逆转录酶是一种分子量为75 kDa的酶,反应温度约为37°C。虽然MMLV的热稳定性低于AMV逆转录酶,但其RNA酶H活性较低,因此具有更高的长cDNA(<7kb)合成效率[3]。

为了进一步改善cDNA合成,MMLV逆转录酶经过改良具有更低的RNase H活性(即突变的RNA酶H结构域或RNase H–)、更高的热稳定性(高达55℃)和更强的持续合成能力(65倍以上)。这些属性可增加cDNA长度和产量,提高灵敏性,改善抑制剂耐受性,并缩短反应时间(表2)[4]。(了解更多:逆转录酶属性)

表2. 常用逆转录酶及其属性

 AMV逆转录酶MMLV逆转录酶改良型MMLV逆转录酶
(如,Invitrogen™ SuperScript™ IV逆转录酶
RNase H活性
反应温度
(推荐最高温度)
42°C37°C55°C
反应时间60 min60 min10 min
目标长度≤5 kb≤7 kb≤12 kb
相对产量
(使用困难或次优质RNA)

引物选择

为了启动逆转录,逆转录酶需要一种短DNA寡核苷酸(即引物)与其互补序列在RNA模板上结合,并作为新链合成的起点。根据RNA模板和下游应用,有三种基本类型的引物可供选用:oligo(dT)引物、随机引物和基因特异性引物(图3)。

Common primers used in reverse transcription
图3. 逆转录中的常用引物。
  • Oligo(dT)引物由12-18个脱氧胸腺核苷酸组成,与真核mRNA的poly(A) 尾部退火,仅占总RNA的1-5%。这些引物是从真核mRNA构建cDNA文库、全长cDNA克隆和cDNA末端3'快速扩增(3'RACE)的最佳选择。由于oligo(dT)引物对poly(A) 尾部的特异性,它们不适用于降解RNA,如来自福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)样品的RNA,也不适用于缺少poly(A) 尾部的RNA,如原核RNA和microRNA。由于cDNA合成开始于3' poly(A)尾部,oligo(dT)引物可能引起3'末端偏差。具有明显二级结构的RNA也可能破坏全长cDNA合成,导致5'末端的代表性降低。

    通过修饰Oligo(dT)引物,可以提高逆转录效率。例如,Oligo(dT)引物的长度可以延伸到20个核苷酸或更长,使其在较高温度的逆转录反应中退火。在一些情况下,Oligo(dT)引物可能包括3'末端的多义碱基,如dN(dA,dT,dG或dC)和dV(dG,dA或dC)。该修饰可防止poly(A)滑移,并且将起始位点锁定在poly(A)尾部的上游位置。这些引物被称为锚定oligo(dT)

  • 随机引物是具有随机碱基序列的寡核苷酸。它们通常由6个核苷酸组成,被称为随机六聚体、N6或dN6。由于随机引物的随机结合(即没有模板特异性),其可以退火到样品中的任何RNA种类。因此,这些引物被认为可以用于无poly(A)尾部结构(如Rrna、Trna、非编码RNA、小RNA、原核mRNA)的RNA、降解RNA(如,来自FFPE组织的RNA)和具有已知二级结构的RNA(如,病毒基因组)的逆转录。

    虽然随机引物有助于改善cDNA合成,但它们不适用于长RNA的全长逆转录。增加逆转录反应中的随机六聚体浓度,可提高cDNA产量,但同时也会增加相同模板上多个位点的结合,从而导致cDNA片段较短(图4​​)。

    此外,仅使用随机引物可能不适用于某些RT-PCR应用。例如,高估mRNA拷贝数就是一个需要考虑的问题[5]。两步法RT-PCR经常使用oligo(dT)和随机引物的混合物,从而保障所有引物类型的效果。在microRNA(miRNA)表达测定中,随机六聚体并不适用,必须为miRNA的逆转录设计特殊引物[6,7]。

cDNA length and yield are impacted by primer choice and concentration
图4. cDNA长度和产量受引物选择和浓度的影响。使用oligo (dT)引物或不同浓度的随机六聚体,将具有poly(A)尾部结构的6.4-kb RNA逆转录成双链(ds)cDNA。通过琼脂糖凝胶电泳分析结果。使用oligo(dT)引物可产生更分散、更长的转录产物,相比之下,增加随机六聚体的浓度,可产生更高浓度的短cDNA
  • 基因特异性引物可提供特异性最强的逆转录引物配对。这些引物是根据目标RNA的已知序列进行设计的。由于引物与特异性RNA序列结合,每个目标RNA都需要一套新的基因特异性引物。因此,对多种目标RNA的分析需要使用更多的RNA。基因特异性引物通常可用于一步RT-PCR应用。

表3. 常用逆转录引物的对比

 Oligo(dT)随机六聚体Oligo(dT)+
随机六聚体
基因特异性引物
标准终浓度2–5 µM2–5 µM每个1–2 µM0.5–1 µM
在25°C预先引物延伸  
主要优势

具有poly(A)尾部结构的RNA的全长逆转录

大多数RNA种类的逆转录,包括降解RNA

oligo(dT)和随机引物的综合优势

目标基因的特异性逆转录

主要反应组分

除酶和引物之外,逆转录的主要反应组分还包括RNA模板(预处理以去除基因组DNA)、缓冲液、dNTP、DTT、RNase抑制剂和无RNase水(图5)。

Reverse transcription reaction with its main components
图5. 逆转录反应及其主要组分。
  • RNA模板按前述方法制备。表4提供了逆转录反应的推荐RNA输入量范围,最佳输入量取决于目标序列的普遍性和逆转录酶的灵敏性。

表4. 逆转录反应的推荐RNA输入量范围

RNA模板推荐范围
总RNA10 pg–5 μg
Poly(A) RNA10 pg–0.5 μg
特殊RNA0.01 pg–0.5 μg
  • 反应缓冲液可维持反应的最佳pH和离子强度。提供的缓冲液还可能含有提高逆转录效率的添加剂。
  • dNTPs通常为0.5-1 mM,最好为等摩尔浓度。推荐使用新鲜稀释的高品质dNTP,以确保良好的逆转录。
  • DTT,一种还原剂,通常用于提供最佳的酶活性。 如果DTT或其他添加剂发生沉淀,会降低反应效率;因此,应溶解反应组分并充分混匀。
  • RNA酶抑制剂通常包含在反应缓冲液中或被加到逆转录反应中,用于防止RNA降解。RNA酶可能在分离过程中被共同纯化,或者在反应建立期间被引入。已知的RNA酶有许多种,应根据其作用方式和反应要求选择合适的RNA酶抑制剂
  • 逆转录反应中使用的应不含有核酸酶。最好选用商业来源的无核酸酶水,或经DEPC(焦碳酸二乙酯)处理去除RNA酶的水。污染了RNA酶不能通过简单的过滤去除,而且由于RNA酶是热稳定的,无法通过高压消毒去除。

反应温度和时间因素

逆转录反应包含三个主要步骤:引物退火、DNA聚合和酶失活(图6)。这些步骤的温度和持续时间因引物选择、目标RNA和使用的逆转录酶而异。

Three main steps of cDNA synthesis
图6. cDNA合成的三个主要步骤。
  • 引物退火:将引物与RNA模板混合,加热至65℃并维持5分钟,然后冰浴至少1分钟。这有助于确保RNA保持单链以及引物与靶标有效退火。退火后,加入逆转录酶和必需组分(如缓冲液、dNTPs、RNA酶抑制剂)。
  • DNA聚合:在此步骤中,反应温度和持续时间可能会根据引物选择和所用的逆转录酶而变化。使用oligo (dT)引物(Tm〜35-50℃),可以在逆转录酶的最佳反应温度(37-50℃)下直接孵育反应。随机六聚体因其较短的长度,通常具有较低的Tm(〜10-15℃)。 因此,当使用随机六聚体(单独或与oligo(dT)组合)时,我们建议在加入酶后,在室温(〜25℃)孵育逆转录反应10分钟以延伸引物。

    逆转录酶的热稳定性各不相同,而热稳定性决定了每种酶的最佳聚合温度。使用热稳定的逆转录酶,可达到更高的反应温度(如50℃),帮助富含GC或具有二级结构的RNA变性,同时不影响酶活性(图7)。使用这种酶,可通过高温孵育增加cDNA产量、长度和代表性。

    聚合时间取决于逆转录酶的持续合成能力,即单次聚合过程中掺入的核苷酸数量。例如,持续合成能力较低的野生型MMLV逆转录酶通常需要60多分钟才能合成cDNA。相比之下,持续合成能力较高的改良型逆转录酶可能只需要10分钟时间,就可以合成9kb cDNA(了解更多关于逆转录酶持续合成能力的信息)。
Effect of thermostability and its impact on reverse transcriptase activity
图7.热稳定性及其对逆转录酶活性的影响。使用oligo(dT)引物和放射性标记dNTPs,对含有不同长度RNA的样品进行逆转录。通过凝胶电泳分离反应产物,并通过放射自显影进行显色。热稳定的逆转录酶即使在50℃以上也能得到高cDNA产量。

Reverse transcription in 10 minutes

Learn how reverse transcription can be achieved in 10 minutes using a highly processive reverse transcriptase.

  • 酶失活:逆转录反应的最后一步是使逆转录酶失活。失活温度范围为70-85℃,具体取决于酶的热稳定性。失活通常需要5-15分钟,温度越高,所需时间越短。

第一链和第二链cDNA合成

如前所述,从RNA模板合成cDNA,产生cDNA:RNA复合物。该过程被称为第一链cDNA合成。如果存在RNase H活性(如野生型AMV和MMLV逆转录酶),则cDNA:RNA复合物中的RNA会在第一链合成期间被切割。第一链cDNA(结合或不结合退火RNA)可以直接用于RT-PCR等应用中,而热稳定的DNA聚合酶(如,Taq DNA聚合酶)将复制cDNA的互补链。

在cDNA文库构建和测序中,第一链cDNA作为模板,生成代表RNA靶标的双链cDNA。这个过程被称为第二链cDNA合成。在第二链cDNA合成中,推荐使用RNA酶H活性最小的逆转录酶,从而最大限度地增加cDNA长度和产量。

双链cDNA的合成通常使用不同的DNA聚合酶(如T7DNA聚合酶、DNA聚合酶I、Taq DNA聚合酶),生成cDNA第一链的互补链。其他的酶可用于双链cDNA合成,例如下图中的Gubler-Hoffman改良方法[8](图8)。

Double-stranded cDNA synthesis by the Gubler-Hoffman procedure
图8.利用Gubler-Hoffman方法进行双链cDNA合成。
  • 大肠杆菌RNase H切割cDNA:RNA复合物中的RNA链,为DNA合成提供3'-OH引物结合位点
  • 大肠杆菌DNA聚合酶I利用5′-3′'聚合酶活性延伸切口RNA链,并利用5'-3'外切核酸酶活性沿合成方向替换RNA链,该过程被称为切口平移。
  • 大肠杆菌DNA连接酶缝合新合成cDNA片段之间的切口。(T4 DNA连接酶不能用作替代物,因为它会连接钝端双链cDNA片段并形成嵌合结构。)

总之,逆转录的成功高度依赖于反应组分和条件。应正确进行反应,使其满足目标下游应用的需要。

参考文献

仅供科研使用,不可用于诊断目的。