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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。
Learn how reverse transcription works and how to select the right reverse transcriptases and primers for your experiment.
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。
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。
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 |
以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)。
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)。
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 | 高 | 中 | 低 |
反应温度 (推荐最高温度) | 42°C | 37°C | 55°C |
反应时间 | 60 min | 60 min | 10 min |
目标长度 | ≤5 kb | ≤7 kb | ≤12 kb |
相对产量 (使用困难或次优质RNA) | 中 | 低 | 高 |
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)。
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]。
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 µM | 2–5 µM | 每个1–2 µM | 0.5–1 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 |
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)。
表4. 逆转录反应的推荐RNA输入量范围
RNA模板 | 推荐范围 |
---|---|
总RNA | 10 pg–5 μg |
Poly(A) RNA | 10 pg–0.5 μg |
特殊RNA | 0.01 pg–0.5 μg |
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。
Learn how reverse transcription can be achieved in 10 minutes using a highly processive reverse transcriptase.
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)。
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。
仅供科研使用,不可用于诊断目的。