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PCR: Conceitos e Aplicações Ms. Pedro Aurio Maia Filho PEDRO AURIO MAIA FILHO • Graduado em Farmácia pela Universidade Federal do Ceará (UFC); • Especialista em Citologia Esfoliativa e Onco- Hematologia/UNIFOR; • Mestre em Patologia/UFC; • Doutorando em Ciências Farmacêuticas/UFC. – Laboratório de Hemoglobinopatias e Genética das Doenças Hematológicas/UFC • Farmacêutico da UFC; • Professor do Centro Universitário Fametro (UNIFAMETRO). PCR: Conceitos Breve Histórico... • Foi descrita por Kary Mullis em 1987; • A Perkin-Elmer e a Roche patenteram o processo; • 1993 – Kary Mullis foi agraciado com o Prêmio Nobel de Química. Definição • Reação em Cadeia pela Polimerase é uma reação de amplificação exponencial de um segmento específico de DNA dentro de um genoma até um ponto em que sua concentração em dada solução seja tão alta que possa ser facilmente detectável. Objetivo • Síntese de muitas cópias de uma sequência específica de ácido nucleico, a partir de um DNA-molde; • Produção de DNA in vitro. A PCR revolucionou a biologia molecular Sensibilidade Especificidade Molécula de DNA Nucleotídeos de DNA • O genoma humano tem cerca de 3 bilhões de nucleotídeos. *RNA = Uracila * Molécula de DNA Procedimento Extração de DNA PCR Mg2+ (cofator da Taq) dNTPs: dCTP, dGTP, dATP e dTTP taq-DNA polimerase (Thermus aquaticus) DNA molde Primers O tampão mantém o pH ótimo para a atividade da enzima Etapas da PCR • 1. Temperatura de desnaturação do DNA; • 2. Temperatura de ligação dos iniciadores; • 3. Temperatura de extensão da fita de DNA. Passo 1: Desnaturação • Separação das fitas de DNA Passo 2: Anelamento • Ligação dos pares de primers (sequências de iniciação). Passo 3: Extensão • DNA polimerase adiciona nucleotídeos no sentido 5’ 3’ em fita duplas de DNA (primers anelados). E as ciclagens térmicas? • Termociclador. Antes??? Reagentes para PCR? • Comprados comercialmente; • Master Mix PCR (íons Mg2+, Taq DNA Polimerase e dNTPs); – Thermo Fisher; – Biorad; – Outras. Componentes e Condições DNA molde dNTPs Concentração de íons Mg2+ Taq DNA Polimerase Primers e dímeros de primers Temperatura de fusão e anelamento Inibidores da PCR Parâmetros do Ciclo DNA molde • A PCR amplifica a partir de ng de DNA; • A quantidade de DNA inicial não deve exceder 1 a 2 µg (para DNA genômico e cDNA), já que pode resultar em falso anelamento do primer; • As amostras de DNA muito diluídas podem levar a uma amplificação em pequena quantidade. Concentração de Íons Mg2+ • Cofator para a atividade da Taq DNA- polimerase; • Concentração ótima: 1,2 a 1,3 mM; • Formação de complexo: Mg2+ - dNTPs; O excesso de Mg2+: redução na fidelidade (aumento da taxa de erro) da Taq DNA-polimerase, formando produtos inespecíficos. Baixa concentração de Mg2+: haverá pouco ou nenhum produto formado. dNTPs • São blocos construtores do DNA: dATP, dCTP, dGTP e dTTP; • Concentração recomendada: 200 μM (0,2mM) para cada dNTP; • Interfere na concentração de Mg+2: formação de complexo (quelação). A concentração de 200 μM para cada dNTP pode até ser excessiva, mas a sua diminuição não é necessária se a Taq DNA-polimerase usada tiver atividade exonucleásica. Taq DNA Polimerase • Thermus aquaticus (bactéria em fontes hidrotermais – em torno de 100⁰ C); • Atividade polimerásica; • Atividade exonucleásica. Primers • O ideal é aquele que anela a uma única sequência-alvo e não a outra região do DNA; • Teor de GC (%); • Comprimento: 18 – 30 nucleotídeos (até 4 Kb) e 30 – 35 (mais de 4 Kb); • Evitar complementariedade de bases internas (ex: hairpins); • A complementariedade total de extremidade 3’ é fundamental para a extensão. Dímeros de Primers • São formados quando um primer anela parcialmente a outro, criando um molde para a DNA-polimerase; • Implica em uma menor disponibilidade dos primers para anelar com o DNA-alvo e uma competição por consumo de nucleotídeos e enzima. Como obter os primers? • Customizados ou pré-desenhados; • Ferramentas grátis: – Primer-Blast; – Primer3 Plus. Temperatura de Fusão do Primer (Tm) e Anelamento • Tm é a temperatura na qual 50% da sequência do primer encontra-se associada ao DNA-alvo: – Depende do seu tamanho, do conteúdo de GC e do tipo de cátion presente na solução (Na+); • Temperatura ideal de anelamento é estimada em torno de 5℃ abaixo da temperatura de fusão, porém na prática é algo muito empírico. 𝑻𝒎 = 𝟖𝟏, 𝟓 + 𝟏𝟔, 𝟔 [𝐥𝐨𝐠 (Na+)] + 0,41 (%G + C) – 600/mer 𝑻𝒎 = 𝟐 𝑨 + 𝑻 + 𝟒 (𝑮 + 𝑪) O sucesso da PCR depende, principalmente, da especificidade de anelamento do primer com a sequencia-alvo, e isso depende criticamente da sua temperatura de fusão (Tm). A temperatura de fusão de cada um dos primers do par deve ser a mais próxima possível, para que ambos tenham um desempenho semelhante no pareamento de bases com o DNA-alvo. Inibidores da PCR • Podem ter origem na própria amostra ou nos reagentes usados na coleta e preparo: – Ex: grupamentos heme, bilirrubina, bile e sais inibem a PCR de amostras biológicas; – A taq DNA-polimerase é muito sensível a compostos orgânicos e inorgânicos (proteinase K, SDS, Heparina, EDTA, isotiocianato de guanidina). • Existe uma variedade de métodos para a remoção de inibidores: – Diluição da amostra de DNA (aumentar n◦ ciclos). Parâmetros dos Ciclos Térmicos O número de ciclos depende da complexidade e quantidade de DNA- molde inicial; O tempo e o número de ciclos afetam dramaticamente a obtenção do produto e especificidade; O padrão de amplificação é de 25 a 35 ciclos, podendo ser até 40 (alta sensibilidade); Não é acoselhável ultrapassar 40 ciclos quando se usa a enzima taq DNA-polimerase; Parâmetros dos Ciclos Térmicos Outro parâmetro que pode influenciar é o tempo de incubação de cada ciclo, que depende das características do termociclador e do microtubo utilizado; A desnaturação incompleta do DNA-alvo, principalmente quando ele é rico em GC, é uma das causas de falha da PCR. As condições típicas para uma desnaturação eficiente são: 30 segundos a 95° C 15 segundos a 97° C Vantagens e Limitações da PCR • Vantagens – Simples, sensível e específica; – Rápida, barata e segura; – Não é necessário isolar o DNA que se quer amplificar, a especificidade é definida pelos primers. • Limitações – Necessidade de conhecer a sequência de DNA que se quer amplificar para a sínteses dos primers; – Contaminação devido a alta sensibilidade; – Aplicação da PCR na amplificação de sequências extensas. Aplicações • Microbiologia clínica; • Sequenciamento de genes; • Oncologia clínica; • Diganóstico de doenças; • Teste de paternidade; • Medicina forense; • Clonagem; • Outros. Tipos de PCR • PCR tradicional; • PCR-RT; • PCR em tempo real; • Nested-PCR; • PCR multiplex; • Fast PCR. PCR tradicional PCR tradicional Extração de DNA PCR Análise da Amplificação Análise da Amplificação • PCR tradicional – Eletroforese em géis de agarose e poliacrilamida; – Quali ou semi-quantitativa. Antes da PCR Depois da PCR Análise da Amplificação Eletroforese Análise Os poços recebem: • Tampão de carreamento: – Leva o DNA para o fundo do poço; – Permite o monitoramento ao long da corrida; • Corante de DNA – Permite a visualização do DNA; – Exemplos: Brometo de etídeo, SYBR Green. Análise • Transluminador/Fotodocumentador RT-PCR Definição • RT-PCR é uma reação da transcriptase reversa, seguida de reação em cadeia da polimerase; • Não utiliza o DNA de cadeia dupla como molde e sim RNA de cadeia simples; • A partir do RNA, a enzima transcriptase reversa sintetiza uma cadeia de DNA complementar (chamado agora de cDNA); • Ao cDNA aplica-se a técnica de PCR. Preparação do RNA RNA é uma molécula muito instável É susceptível à degradação por RNAses Método de extração e purificação RNA de alta qualidade A relação:A260/280 ≥ 2,0 (PROTEÍNAS) AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DO RNA Extração de RNA • Um dos produtos comerciais mais usados é o Trizol (Invitrogen®); – Solução monofásica de fenol e guanidina isotiocianato; – Durante a extração, o Trizol rompe as células e mantém a integridade do RNA; – O acréscimo do clorofórmio separa a solução em fase aquosa e orgânica, sendo que o RNA permanece na fase aquosa; – O RNA presente na fase aquosa pode ser precipitado com isopropanol. Procedimento da RT-PCR Extração de RNA RNA dNTPs Buffer Água qRT cDNA PCR em tempo real AMV M-MLV Métodos de qRT-PCR • Uma etapa (one-step) – Exige um único mix de reação, pois a RT e a PCR ocorrem no mesmo tubo; – Requer primer de sequência específica para síntese de cDNA. • Duas etapas (two-step) – Exige dois mix de reação (RT e PCR); – O cDNA pode ser armazenado para uso posterior. PCR em Tempo Real Análise da Amplificação • PCR tradicional – Eletroforese em géis de agarose e poliacrilamida; – Quali ou semi-quantitativa. • PCR em tempo real – Sistemas automatizados (sinais gráficos); – Quantitativo. Princípio É uma reação na qual é possível monitorar o resultado da PCR enquanto ela progride; Os dados são coletados ao longo da PCR, ao invés de serem apenas no final da reação. Vantagens da qPCR • A capacidade de determinar o número de cópias de um template; • Reduz o tempo de experimento; • Diminui o risco de contaminação. Métodos de Detecção • O produto da PCR é detectado à medida que vai sendo produzido, com auxílio de corantes fluorescentes: – SYBR Green I; – Sonda de hidrólise TaqMan®. Sistema Corante SYBR Green I • Liga-se ao DNA dupla-fita para detectar o produto da PCR conforme ele se acumula durante os ciclos da reação; • O SYBR Green I detectará todo DNA dupla-fita, inclusive produtos de reação não específicos; • Uma reação bem otimizada é, portanto, essencial para resultados precisos. Sistema Corante SYBR Green I • Vantagens: – Pode ser utilizado para monitorar a amplificação de qualquer sequência de DNA dupla-fita; – Não é necessário sonda, o que reduz a configuração do ensaio e os custos de execução. • Desvantagem: – Pode gerar sinais falso-positivos, uma vez que a molécula de SYBR Green I se liga a qualquer DNA dupla-fita. SBRY Green I Sistema TaqMan® • O sistema TaqMan® utiliza uma sonda fluorescente para possibilitar a detecção de um produto específico da PCR conforme esse se acumula durante os ciclos da reação. Sistema TaqMan® Sistema TaqMan® • Vantagens: – É necessário a hibridização específica entre a sonda e o alvo para gerar sinal fluorescente; – As sondas podem ser marcadas com corantes reporter distintos e distinguíveis, os quais permitem a amplificação de duas sequências distintas em um mesmo tubo de reação; • Desvantagem: – A necessidade de síntese de diferentes sondas para sequências distintas. Gráfico de Amplificação Eficiência Baixa eficiência: • Primers mal desenhados; • Condições subótimas da reação; Eficiência > 100%: • Erros de pipetagem; • Coamplificação de produtos inespecíficos. Quantificação • Quantificação Absoluta: É utilizado para quantificar amostras desconhecidas interpolando suas quantidades a partir de uma curva padrão. • Quantificação Relativa: É utilizado para analisar alterações na expressão gênica em uma determinada amostra relativa à outra amostra de referência (tal como uma amostra controle não tratada). OBS: Normalizadores: São usados para ajustar ou normalizar a quantidade alvo obtida. Quantificação Absoluta A quantificação absoluta deve ser utilizada quando se deseja saber, por exemplo, o número de cópias ou µg de uma amostra por célula ou por µg de RNA total. Quantificação Relativa Tecido canceroso Tecido não-canceroso Avaliar a expressão do gene p53 Utilizar quantidades iguais de amostra Utilizar um gene de referência (normalizador). Normalizador (massa) Relação = Nível de expressão p53 Tecido Canceroso / Gene R Quantidades equivalentes de amostra Método ΔCT 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐸𝐶𝑇 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 −𝐶𝑇(𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒) • Escolha do calibrador; • Resultado será liberado em relação ao calibrador; Amostra CT para a p53 Normal (calibrador) 15 Tumor (teste) 12 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 2𝐶𝑇 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 −𝐶𝑇(𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜( 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 ) = 215−12 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 8 Método 2-ΔΔCT • Escolha do calibrador; • Eficiência de amplificação semelhante e igual a 100% entre o gene alvo e o gene de referência; • Necessidade de avaliar a eficiência da amplificação. Método 2-ΔΔCT Amostra CT do alvo CT do gene de ref. Normal (calibrador) 15 16,5 Tumor (teste) 12 15,9 1. Normalizar o CT do gene alvo em relação ao gene de referência em ambas as amostras teste e calibrador. ∆CT(normal) = 15.0 – 16.5 = –1.5 ∆CT(Tumor)= 12.0 – 15.9 = –3.9 2. O ∆CT da amostra teste é normalizada com o ∆CT do calibrador. ∆∆CT = ∆CT(tumor) – ∆CT(normal) = –3.9 – (–1.5) = –2.4 Método 2-ΔΔCT 2-ΔΔCT = 2-(-2,4)= 5.3 3. O Ratio de expressão é calculado. Dessa forma, podemos dizer que que as células tumorais expressam 5,3 vezes mais o gene p53 do que as células normais. Variação Alélica e detecção SNPs Aplicações • Avaliação da expressão gênica. – Exemplo: Leucemia Mieloide Crônica (LMC), que apresenta de maneira constitutiva elevada a expressão do transcrito BCR-ABL; • Aferição da expressão do gene BCR-ABL constitui excelente marcador para diagnóstico e avaliação precoce da resposta da LMC ao tratamento. PCR Multiplex Características Gerais • São necessários 2 ou mais conjuntos de iniciadores projetados para a amplificação de diferentes alvos no mesmo tubo; • Os iniciadores devem ter temperaturas de anelamento semelhantes e não devem ser complementares (evitar dímeros); • Desvantagem: é complicado e, por vezes, menos sensível que outros tipos de PCR; • Vantagem: permite detectar múltiplos alvos. PCR Multiplex • Planejamento: – Escolha dos primers (conhecer o alvo); – Conhecer equipamento; – Escolha dos corantes fluorescentes; – Aplicação: teste de paternidade. Aplicações da técnica da PCR • Genotipagem: – Identificação de genótipos. • Detecção/identificação de organismos: – Amplificação de um genoma específico. • Diagnóstico – Testes laboratoriais para identificação de doenças. • Forense – Baixa quantidade de qualidade de amostras de DNA. Aplicações da técnica da PCR • Parte do fluxo de outras técnicas de biologia molecular: – Sequenciamento Sanger; – Sequenciamento de nova geração; – Clonagem; – PCR em tempo real. Referências Bibliográficas • Lehninger: princípios de bioquímica, 4 ed., 2011. • Técnicas de PCR: Aplicações e Padronização de Reações (BSc. Daniel Perez Vieira); • LADEIRA, PRS; ISAC, C; FERREIRA, MC. Real-time reverse transcription polymerase chain reaction. Rev Med (São Paulo). 2011 jan.-mar.;90(1):47-51. • Extração de RNA Total (Departamento de Genética, Evolução e Bioagentes da Unicamp, 2011). Obrigado! Todos os Minions foram criados a partir do mesmo DNA! Treinando os Conhecimentos • (Fiocruz/2006): São elementos necessários na técnica de amplificação de DNA através de reação da polimerase em cadeia (PCR): a) DNA molde, DNA polimerase, primers, dNTPs e termociclador. b) DNA molde, Taq polimerase, primers, dNTPs e endonucleases; c) DNA molde, Taq polimerase, primers, dNTPs, endonucleases e termocilador; d) DNA molde, DNA polimerase, primers, dNTPs, endonucleases e termocilador; e) DNA molde, Taq polimerase, primers, dNTPs, etanol e termociclador. • (Fiocruz/2006): Observe as alternativas a seguir, em relação à reação de amplificação em cadeia (PCR): I) É uma técnica amplamente utilizada na recuperação de sequências de DNA de fósseis com mais de 50 milhões de anos; II) Pode-se apresentar resultados falso-positivos devido a sua habilidade em amplificar quantidadesde DNA extremamente pequenas; III) Permite a detecção de agentes infecciosos mesmo quando estes estão presentes em níveis muito baixos. a) I está correta; b) II e III estão corretas; c) I e II estão corretas; d) I e III estão corretas; e) Todas estão corretas. (Fundação Saúde/RJ/2014) Para a determinação de uma amplificação gênica a partir de RNA extraído de amostras biológicas, é necessário o tratamento das amostras com a seguinte enzima, a fim de converter o RNA em DNAc: (A) DNAse reversa; (B) RNAse direta; (C) Transcriptase direta; (D) Transcriptase reversa; (E) DNA polimerase. (Fundação Saúde/RJ/2014) A reação de PCR baseia-se na atividade da seguinte enzima: (A) DNA sintetase; (B) DNA transcriptase; (C) DNA lisosterase; (D) DNA sintase; (E) DNA polimerase. (Fundação Saúde/RJ/2014) Avaliando uma reação de PCR quantitativo, o parâmetro conhecido como CT significa: (A) Limiar de detecção; (B) Centro de temperatura; (C) Ciclo de transição; (D) Ciclo que atinge o limiar de detecção; (E) Ciclo de temperatura. (Fundação Saúde/RJ/2014) Dentre os sistemas de detecção inespecíficos para PCR quantitativo podemos citar o: (A)TaqMan; (B) TaqP; (C) SYBR-Green; (D)SYBR-Blue; (E) TaqPolimerase. (Fundação Saúde/RJ/2014) Para avaliação da carga viral através de uma análise de PCR quantitativo, deve-se utilizar a técnica de quantificação: (A) absoluta; (B) relativa; (C) semi-absoluta; (D) real ; (E) total. (Fiocruz/2010) A produção de uma molécula de RNA, a partir de um molde de DNA, é conhecida como: (A)transcrição. (B) replicação. (C) RNA splicing. (D) tradução. (E) recombinação. (Fundação Saúde/RJ/2011) A estrutura tridimencional do DNA é conhecida como a dupla hélice. As duas cadeias ou fitas que formam a dupla hélice têm direções opostas e por isso as cadeias são chamadas de antipararalelas. Esse direcionamento é importante para os processos in vivo como o da replicação e da transcrição do DNA e para a realização de uma série de reações in vitro. As duas extremidades da cadeia de DNA são conhecidas como: A) 1’ e 2’ B) 2’ e 4’ C) 1’ e 3’ D) 3’ e 5’ (Fundação Saúde/RJ/2011) A técnica de reação em cadeia pela polimerase (PCR, polymerase chain reaction) possibilita a amplificação rápida in vitro de um pedaço de: A) DNA e de peptídeo; B) DNA e de proteína; C) peptídeo e de RNA; D) DNA e de DNA complementar (DNAc). (Fundação Saúde/RJ/2011) Uma molécula de DNA foi isolada de células hepáticas e foi constatado que a porcentagem da base Adenina nesta molécula era de 31%. Baseado nesse dado, as % das bases Timina, Citosina e Guanina são, respectivamente: (A)31%, 38% e 38%. (B) 31%, 38% e 19%. (C) 38%, 31% e 31%. (D)31%, 19% e 19%. (E) 38%, 19% e 19%. Casos Clínicos Caso 1 • Suponhamos que você foi contratado por uma empresa diagnóstica para implantar e trabalhar no laboratório de biologia molecular. Descreva os principais equipamentos e materiais necessários para que sejam iniciadas as atividades no setor. a) Descreva os principais equipamentos e suas utilidades para que seja realizada a técnica de PCR em tempo real. Aparelho PCR em tempo real; Termociclador; Nanoespectrofotômetro; Centrífugas; Outros. Caso 1 • Suponhamos que você foi contratado por uma empresa diagnóstica para implantar e trabalhar no laboratório de biologia molecular. Descreva os principais equipamentos e materiais necessários para que sejam iniciadas as atividades no setor. b) Descreva, de forma sucinta, os reagentes necessários à execução da PCR em tempo real, bem como as suas funções. Primers; Sondas; Taq DNA polimerase; dNTPs; Buffer (MgCl2). Caso 1 • Suponhamos que você foi contratado por uma empresa diagnóstica para implantar e trabalhar no laboratório de biologia molecular. Descreva os principais equipamentos e materiais necessários para que sejam iniciadas as atividades no setor. c) Cite outros tipos de Reação em Cadeia da Polimerase (PCR) que poderiam ser realizadas em seu laboratório. PCR Convencional PCR multiplex; RT-PCR. Caso 2 • Paciente, sexo masculino, 40 anos, residente no interior do Ceará, trabalhador rural no setor de agrotóxicos, procura atendimento na sua cidade apresentando os seguintes sinais e sintomas: palidez, fadiga, cansaço, mal estar, falta de apetite, perda de peso e desconforto do lado esquerdo do abdômen. O exame físico revelou hepatoesplenomegalia e presença manchas hemorrágicas. Após realização de hemograma e da fosfatase alcalina leucocitária (FAL), o mesmo foi encaminhado para o Centro de Hematologia e Hemoterapia do Ceará (HEMOCE). Caso 2 a) Com base no histórico e nos parâmetros do Hemograma, sugira, hipótese(s) diagnóstica(s). Leucemia Mieloide Crônica. Caso 2 b) Quais exames são necessários para a confirmação dessa doença? Citogenética; FISH; PCR convencional; PCR em tempo real. Caso 2 c) Qual a alteração molecular é característica dessa doença? Translocação 9;22 Gene de fusão BCR-ABL (Cromossomo Filadélfia) Obrigado! Todos os Minions foram criados a partir do mesmo DNA!
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