转录辅助因子

1、前言逆转录是以RNA为模板合成DNA的过程，即RNA指导下的DNA合成。在逆转录过程中必不可少的逆转录酶，除了其依赖RNA的DNA聚合酶活性，还需要镁离子或锰离子等辅助因子，同时包括依赖于DNA的DNA聚合酶活性和RNase H活性，它可以降解DNA与RNA杂交链中的RNA链。与典型的DNA聚合酶不同，逆转录酶缺乏校对功能，在PCR实验中逆转录酶存在抑制Taq聚合酶活性的功能，进而导致不准确的测定结果。目前，最常用的逆转录酶类型有两种，一是来自禽类成髓细胞瘤病毒（AMV）的逆转录酶，二是来自莫洛尼小鼠白血病病毒（M-MLV）的逆转录酶。AMV逆转录酶相对于其他类型的逆转录酶，它更具有加工性，具有更高的最佳活性温度范围（42~48°C），更适合逆转录具有较强二级结构的RNA。然而，AMV逆转录酶具有相对较高的RNase H活性，这使其在合成长转录本方面的作用较小。相比之下，M-MLV 逆转录酶是由一个单一的亚基组成，具有较低的RNase H活性，由于这些特性，M-MLV RT经常被用于较长的转录本。M-MLV逆转录酶最适活性温度为37°C。许多M-MLV变体是可用的，包括RNase H点突变体，它们更耐热，更适合复杂困难的模板。2、工作流程和用途逆转录可用于生成适合各种下游应用的cDNA。▲ 图1 RNA工作流程在某些情况下，逆转录和实时荧光定量PCR在一个单一的反应混合液中反应时，称为一步法RT-qPCR。当逆转录和实时PCR在不同的反应混合液中发生时，被称为两步法RT-qPCR。▲ 图2 两步法RT-qPCR工作流程当需要大量cDNA通过PCR或qPCR研究多个转录本时，两步法是首选。在一步法RT-qPCR中，目标序列在同一反应孔或容器中进行逆转录和qPCR扩增。用随机引物或oligo（dT）引物代替目标特异性引物。一步法RT-qPCR相对于两步法RT-qPCR需要的样本更少。此外，任何技术重复之间的方差都可以用来评估这两个酶促步骤的联合可变性。一步法RT- qPCR经常被用于RNA的定量和质量控制。一步法可能的劣势在于引物设计更复杂，因为引物必须在逆转录和PCR温度下同时发挥作用。3、考量点理想情况下，每一个靶向转录的RNA或mRNA分子都将转化为一个cDNA分子，即所有的靶RNA都将以相同的效率转录。然而，RT效率的可变性，无论是由于RNA样本质量、引物设计、RT酶的选择，还是其他因素，都会影响所产生的代表RNA分子在样本中的分布程度的cDNA。RT效率的变化是在RT-qPCR反应总体结果质量中一个被严重低估的因素，其影响已延伸到大量已发表的基因表达研究。MIQE指南中概述的如样本、核酸提取和逆转录细节，均是为了可以获得有效的RT-qPCR结果。成功的逆转录考量参数有以下几点：RNA纯化和纯度：在选择RNA提取方法时，需要考虑许多参数，但理想情况下，RNA样本应该不受污染蛋白质，如核酸酶，这可能会干扰cDNA合成和下游应用。产量是一个主要的考虑因素，然而，有效地去除基因组DNA（gDNA）同样重要。即使是少量的gDNA污染也会导致qPCR结果的可变性，而大量的gDNA污染也会导致直接的定量错误。减少对gDNA污染一种方法是在RNA分离方法中加入一个DNase酶消化的步骤。此外，应使用无逆转录酶对照（无RT）来确定RNA样本中是否存在gDNA。RNA完整性：RNA样本的完整性对于许多下游应用都是至关重要的。完整的真核生物的RNA一个重要特征是同时存在28S和18S核糖体RNA（rRNA）（图3）。这些条带的存在和整体RNA质量可以通过琼脂糖凝胶电泳和其他方法来评估。理想情况下，在琼脂糖凝胶上显示时，28S带的亮度应该是18S带的两倍，尽管大致相等的亮度也可以表明RNA在大多数应用中具有足够高的质量。▲ 图3：RNA完整性电泳图，RNA降解导致拖带现象逆转录引物：cDNA合成通常涉及使用三种引物中的一种：Oligo（dT）引物、随机引物（Random primer）或基因特异性引物。随机引物是一种随机序列的短寡核苷酸，对于长（4kb）或缺乏poly (A)尾巴的转录本，如原核mRNA的情况，它们可以在转录本的多个点上启动逆转录，因此，它们对于长mRNA和具有重要二级结构的转录本很有用。通常使用随机六聚体引物，使用随机八或九聚体引物可以促进更长的cDNA合成，因为它们杂交的频率较低。基因特异性引物通常用于一步（偶联）RT-PCR。这些方法通过将所有逆转录酶活性引导到特定的信息，而不是转录整个RNA来提高敏感性。对于目标扩增子长度约为100bp或以下的RT-qPCR应用，使用更高浓度的随机引物可能是有利的。设计跨越内含子或内含子-外显子边界的引物可以确保cDNA是由剪接的mRNA序列合成的，而不是gDNA中的亲本基因序列合成。经过生物素修饰或在5‘端添加序列标签等修饰的引物可用于纯化和/或分析由特定义或反义模板链合成的cDNA。RNA的二级结构：RNA分子具有影响逆转录的二级结构，而高GC含量会降低逆转录效率。在逆转录或cDNA合成前高温变性处理，可能有利于困难模板的逆转录。RNA可以通过在65°C下变性5分钟来打开其二级结构。cDNA的qPCR定量：强烈建议在cDNA合成后进行RT酶的热失活处理。RT酶失活后，要么直接通过qPCR对cDNA进行目标特异性的定量分析，要么将灭活的反应液冷冻保存，直到需要时才使用。qPCR反应混合物通常可容纳cDNA样本体积的增加，最高可占总反应体积的20%。cDNA可以作为未稀释的逆转录反应产物直接添加到qPCR中，也可以稀释后进行qPCR反应。cDNA的定量是RT-qPCR工作流程成功的关键。一般来说，作为模板的cDNA的量不应超过投入100ng总RNA逆转录后所得的量。由高度丰富的转录本产生的cDNA可以在不到1pg的总RNA中检测到。4、总结逆转录是RT-qPCR和其他广泛应用的关键步骤，我们必须仔细考虑RNA模板质量和实验设计细节，并清楚了解RT效率和RT偏差程度等性能特征。MIQE指南提供了一个实验设计细节框架，遵循相应准则可以获得有效且准确的RT-qPCR结果。

OPSI技术服务单细胞多组学研究 课题组供图单细胞多组学技术已成为生命科学的有力工具，但一个精准、低损伤、广谱适用、简捷的目标表型单细胞获取手段，是靶向性单细胞基因组、转录组、蛋白质组或代谢物组分析的先决条件。近日，中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心发明了光镊辅助静态池成像分选技术（OPSI），能“所见即所得”、保持细胞原位活性、高通量地分选明场、荧光、拉曼成像下的目标单细胞，支撑高质量的单细胞基因组/转录组测序。该技术对于细菌、古菌、真菌、动植物、人体等各种大小的细胞均广谱适用。相关工作发表于微流控领域国际期刊《芯片实验室》。记者了解到，明场图像、荧光图像、拉曼光谱均可反映细胞丰富的表型信息，汇集上述信息并具备单细胞精度索引、所见即所得特点的单细胞分选技术，在单细胞分析工作中具有广泛的适用性。基于前期的单细胞拉曼光谱技术，单细胞中心开发出液相环境中测量与分选菌群中目标微生物单细胞的拉曼分选-测序技术RAGE-Seq。该技术可在无需标记条件下，通过拉曼光谱获得整个单细胞的化学物质指纹图谱，从而迅速识别活体单细胞的生理特性和代谢产物变化等，更重要的是借助其小体积分离反应的特点，可从单个细胞中得到几乎完整的全基因组信息，对微生物的功能鉴定和资源开发具有重要意义。然而，该技术操作过程稍显繁琐，分选通量较低，对于大批量的单细胞分选与分析存在一定的难度。为解决上述问题，单细胞中心博士徐腾、李远东带领的研究小组，基于青岛星赛生物的单细胞微液滴分选系统EasySort Compact，在RAGE-Seq技术的基础上开发了基于OPSI的新一代的单细胞分选耦合培养/测序策略。据介绍，不同于流式分选技术中细胞逐个流过窄通道后成像筛选的原理，OPSI提出了一种静态池成像分选的思路，即在微流控芯片中构建流速为0的稳定静态流场，对样本细胞进行限域，并在该流场内进行平面明场、荧光成像或拉曼扫描，选取目标细胞。之后通过低细胞损伤的1064 nm光镊将目标单细胞移出静态流场，并进行单细胞液滴包裹导出完成分选。该系统使细胞能够以精确索引的方式进行分类，“所见即所得”，并广泛适用于从细菌、古菌到人体细胞等不同尺寸大小的单细胞（直径1 ~ 40 μm）。验证试验表明，OPSI的单细胞分选准确率大于 99.7%，保证10~20细胞/min的分选通量，并高度保持了细胞活性。此外，OPSI继承了RAGE小尺寸分离反应的特点，显著降低了传统单细胞基因扩增中存在的歧化现象。例如，使用该系统分选人体MCF-7单细胞进行RNA-seq，可获得高质量和高可重复性的单细胞转录组谱。OPSI的通用性、方便性、灵活性和低成本等优势，为其在单细胞多组学研究中提供了广阔的应用前景。基于OPSI的上述特色，单细胞中心和青岛星赛生物合作推出了自动化、智能化的单细胞微液滴分选系统系列产品，并与国际显微镜和显微光谱仪领军产商（如赛默飞Thermo Fisher Scientific、堀场HORIBA等）合作，在全球科学仪器市场进行推广。该工作由该所单细胞中心研究员马波和徐健主持，与青岛星赛生物合作完成，得到了国家重点研发计划、山东省自然科学基金委和国家自然科学基金委的资助。

近日，星赛生物宣布EasySort单细胞微液滴分选系列产品升级，在芯片、硬件及软件三方面全维度创新和性能提升。其中，业内首创光镊辅助静态池成像分选技术在芯片上的应用可支持精确索引细胞分选，而新增的独创EasySort AUTO自动化模块及相关软件升级，使得显微镜可以智能化发现目标单细胞，并自动化分离获取，实现30秒内“精准擒拿”目标活体单细胞，单细胞得率达93%。升级产品可以更智能化、自动化的方式解决研究人员在单细胞分选环节一直以来的难题——“看得到，拿不出”，实现精细到不同细胞形态阶段的“所见即所得”，为微生物资源的探测和挖掘提供了有力手段。图1：EasySort AUTO提升活体单细胞分选的自动化与智能化程度此前，星赛生物EasySort系列于今年年初发布，是一款可实现原位状态下活性单细胞精准分选的装备，目前包括Lego（可将显微镜升级为单细胞分选仪）和Compact（高度集成化的单细胞智能分选仪）两个型号。通过耦联光镊和微液滴技术，EasySort为单细胞的观测监测、捕获操纵、分离提取提供系统化解决方案。而此次产品升级进一步应用了多个业内独创专利技术，使活体单细胞分析分选更精准、更智能、更高效，为后续单细胞多组学研究提供了更多科研创新思路。实验数据显示，升级的EasySort系统搭载的AI辅助图像识别算法对目标细胞识别的准确率达80%；系统嵌入的光镊技术可以捕捉并精准操控目标细胞；基于界面接触的微量液体分离专利技术，目标细胞能够以单管单细胞（One-Cell-One-Tube）的形式自动收集于PCR管中，通量为~120细胞/小时，单细胞率高于93%。该系统分选的目标单细胞可以直接开展单细胞测序、培养等工作，单细胞测序成功率高于84.2%，酵母细胞和大肠杆菌单细胞培养的成功率分别为~85%和~80%。相关科研成果近期发表于权威期刊《微生物》mLife。芯片升级：打造全新一代静态池芯片，实现高通量的精确索引细胞分选为了进一步简化技术操作流程，提升分选通量，并进一步支持大批量单细胞分析分选，星赛生物采用了基于OPSI的新一代的单细胞分选耦合培养/测序策略，业内首创光镊辅助静态池成像分选技术，可以精确索引的方式对细胞进行分类，能“所见即所得”、保持细胞原位活性、高通量地分选明场、荧光、拉曼成像下的目标单细胞，并支撑高质量的单细胞基因组/转录组测序。该技术对于细菌、古菌、真菌、动植物、人体等各种大小的细胞均广谱适用。相关工作得到了国家重点研发计划、山东省自然科学基金委和国家自然科学基金委的资助，相关研究成果发表于微流控领域国际权威期刊《芯片实验室》Lab on a Chip。图2：OPSI技术服务单细胞多组学研究软硬件升级：全流程自动化+独家AI算法，目标细胞识别更精准高效开发团队在原有版本产品基础上新增了自动化收集装置——EasySort AUTO系统模块，可实现自动化、智能化的从细胞群中精确分类不同形态的细胞。该系统由星赛生物联合中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心开发，支持EasySort产品在一次上样之后，检索、分选、收集等环节实现全流程自动化。新增装置通过将光镊模块和自动采集模块耦合到正置显微镜来构建，安装简便并适配奥林巴斯、尼康、徕卡和蔡司等多个显微镜型号。产品同时升级了支持EasySort AUTO自动化收集装置的软件，可对细胞进行AI智能分析并精准检索目标细胞，其智能分选路径设计，在光镊锁定细胞启动分选时还可以使其自动避障。多个权威期刊论文实验结果验证EasySort对单细胞多组学的创新研究价值升级后的EasySort系列产品为研究人员提供了新一代的单细胞分选耦合培养/测序策略，提供了原位活体微生物单细胞分选的自动化、基于精确索引和保持细胞活力的解决方案，并已成功支持多个相关实验研究。例如，成功的利用AI辅助检测模型，实现单个细胞的形态图像快速获取并呈现预测结果。实验使用在亮度、形状和质地上都不同的两种酵母来验证识别的准确性。其中一种酵母对比度小、形状圆润、内部纹理无明显变化，而AI辅助检测模型精准的识别了相关特征。实验结果显示绝大多数酵母种类可以被正确分类。该研究成果发表于《微生物》mLife。近期在《芯片实验室》Lab on a Chip发表的论文也展现了OPSI的通用性、方便性、灵活性和低成本等优势，研究人员使用OPSI系统分选人体MCF-7单细胞进行RNA-seq，获得了高质量和高可重复性的单细胞转录组谱。目前，升级版本EasySort产品已实现样机下线及支持批量生产，升级后的装置及系统可与拉曼光谱仪耦合用于单细胞分析分选，将大大拓宽应用范围，其能将表型与基因型联系起来的能力也为单细胞多组学提供了更多研究空间。