FRET引物是什么

Taqman探针法的出现是定量PCR技术的重要里程碑,之后在此基础上发展出了杂交探针法,以及荧光引物法,是对探针法的不断改进和简化如果希望全面掌握定量PCR技术的研究人员就不能错过这些定量检测技术

要提到荧光探针或者荧光引物,有一个基础概念需要首先明确,那就是荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)：一对合适的荧光物质可以构成一个能量供体 (donor) 和能量受体 (acceptor) 对, 其中供体的发射光谱与受体的吸收光谱重叠,当它们在空间上相互接近到一定距离(1—10 nm)时,激发供体而产生的荧光能量正好被附近的受体吸收,使得供体发射的荧光强度衰减,受体荧光分子的荧光强度增强能量传递的效率和供体的发射光谱与受体的吸收光谱的重叠程度、供体与受体的跃迁偶极的相对取向、供体与受体之间的距离等有关定量PCR所涉及的荧光探针和荧光引物的检测都这个FRET原理相关

FRET技术

原理：罗氏专利的FRET探针又称为双杂交探针,或者LightCycle探针FRET探针由两条和模版互补、且相邻的特异探针组成（距离1—5bp）,上游探针的3`端标记供体荧光基团,相邻下游探针的5`端标记Red 640受体荧光基团当复性时,两探针同时结合在模板上,供体基团和Red640受体基团紧密相邻（距离1—5bp）,激发供体产生的荧光能量被Red640基团吸收,使得检测探头可以检测到Red640发出波长为640的荧光当变性时,两探针游离,两基团距离远,不能检测到640波长的荧光FRET探针检测的信号是退火时的实时信号,每次检测信号始终严格对应模版的数量,非累积信号,可以用于做Tm曲线和SNP检测常用的受体荧光基团除了LC-Red640还有LC-Red705两个单标记探针的长短不影响信号的传递,而探针间的距离通常为1-5bp（虽然越短越好,还是要留点空间避免相互之间的反应）

我们前面提到,Taqman水解探针法中,一但报告基团水解离开淬灭基团,就一直游离于反应体系中可被检测,所以检测的是累积荧光,是不可逆的杂交探针不同,是复性时两条特异探针杂交到模板上,相互靠近而产生检测信号,到升温变性探针远离模版就没有信号,所以检测的是实时信号,是可逆的,所以可以进行熔解曲线的分析,还可以用于进行突变分析,SNP基因分型以及产物鉴别比如一旦探针位置上出现有点突变,通过熔解曲线就可以很快分析出来,这也是Taqman法无法做到的另外,由于采用2条模版特异的探针,杂交探针法的专一性无疑更高于其他方法,不受非特异产物的影响 Fret探针法由于需要合成2条探针,探针的末端要封闭以避免反应,所以合成的成本会比较高,也比较麻烦但实际上,Fret探针的设计其实比Taqman探针容易,因为Taqman探针要求一定的长度以保证探针的特异性和结合模版的能力,但是长度会导致两末端的荧光基团距离远而使得荧光共振能量传递的效率降低,淬灭不彻底Fret探针就不受这个限制不管怎么说,多数人还是习惯认为单探针比合成2条探针要简单

荧光共振能量转移（FRET）(Fluorescence / Frster resonance energy transfer)是比较分子间距离与分子直径的有效工具,广泛用于研究各种涉及分子间距离变化的生物现象,可以定量测量两个发光基团之间的距离,在蛋白质空间构象、蛋白与蛋白间相互作用、核酸与蛋白间相互作用以及其它一些方面的研究中得到广泛应用

当生色团被光照时,被照射激发的分子可以通过散发能量来返回到基态1-3光能可被生色团在10-15秒内吸收而在10-9秒内再发射出来然而,也有可能被激发分子并不发光而将能量传递给别的生色团或是另外的荧光素,这些荧光素可以在相同的时间量级内发荧光,这后一种现象称为荧光共振能量转移（FRET）FRET是通过分子间的电偶极相互作用将供体激发态能量转移给受体激发态的过程,是一种非辐射跃迁当FRET发生时,供体的荧光减弱而受体的荧光增强荧光素在激发态的寿命是10-9秒,在发射荧光、非辐射性发射和将激发能传递给周围的介质三者之间存在竞争如果荧光能量转移发生,激发态能就会从供体传递给受体,荧光光子由受体发出

FRET发生的基本条件是：①、供体和受体的距离必须达到一定的数量级（20-100à）②、受体的吸收光谱必须与供体的发射光谱相重叠③、供体和受体能量转移偶极子的方向必须近似地平行Frster依据供体与受体的相对距离和偶极子的方向关系解释了FRET发生的原理能量转移的效率是有一些参数决定的

我们可以从能量转移的速率和效率得到许多信息：可以知道供受体的距离很近（约05-10nM）,得到距离的数量,有时能得到它们的方位关系一般地每一对供受体可被分别考虑,每对都由于其特殊的距离和方位和光谱特征而表现出其能量转移的可能性,这就使我们能直接掌握分子的结构、空间构象变化和结合反应如果我们观察的是一个分子集合,我们得到的是对应于相关参数分配的光谱信息这种光谱参数分配能提供分子构象分配情况信息能量转移是一个时间依赖过程,我们能够得到的有关发生在能量转移和荧光衰减时间数量级、分子运动和分子转动的动力学信息,这个数量级可以是皮秒到毫秒数量级这是一个非常广的时间区段,可以灵活地选择生色团在所有荧光技术中,FRET的独特性就在于此

在多数情况下,供体与受体染料是不同的,FRET的可以通过对供体的荧光淬灭和受体的敏化荧光的产生来检测当供体和受体是相同的染料时,可通过荧光的去极化来检测因为R0是受环境影响的,在实际中具体的实验条件下它的值是可变化的不产生荧光的受体比如dabcyl和QSY染料的优势在于能够减少可能由受体本身直接产生的荧光背景的干扰对于相互作用的分子之间的FRET分析往往受到供受体荧光素各组分之间的相互影响并影响FRET的效率比如：如果所有的供体都与一个受体结合了,供体荧光寿命就随两者距离的改变而呈一次幂变化但在一种混合状态,有不同的供受体距离或有未结合的供体得到的是荧光寿命衰减的多次幂变化,未发生作用的分子对FRET的效率产生影响高的FRET效率和低的相互作用分子浓度可导致一个错误推论认为在供体受体之间有小的或没有相互作用如果蛋白相互作用的细胞内定位空间大小超出了显微成像的分辨率,那么我们获得的是一种平均值,也会导致对生物效应的错误解释16多光子显微技术尤其是双光子技术比共聚焦显微镜更有优势使用近红外激发光引起探针荧光素的非线性吸收,因而激发光在聚焦镜平面的强度被限制在一个小的剂量范围内,荧光淬灭和光对样品的损伤大大减少,对于光敏感的样品的观察也成为可能

用FLIM(fluorescence lifetime imaging microscopy)是一种较新的检测FRET的方法2

FLIM技术有两种：时间域(time-domain)和频率域(frequency-domain)①、时间域是短的脉冲光激发样品,荧光信号强度作为时间的函数最新的TCSPC(time –correlated-single-proton-counting )技术与多光子激发系统的结合使得分辨率达到在组织和细胞内飞升（femto-litre）的水平TCSPC的原理：样品被脉冲的激光重复激发,而每次脉冲激发的能量远不能引起一个光子发射光子检测器能启动定时器,并在下一次脉冲到来时停止计时此过程反复重复,就得到了荧光衰减的直方图TCSPC被认为比较费时间,但TCSPC以其近乎理想的计数效率和低的激发光剂量（减少荧光淬灭和毒性作用）以及高的时间分辨率而优于现有的其他方法在计数速度为1MHZ时,获得10000个光子花20毫秒,一个128128像素的图象在3分钟内完成,这样得到的信躁比要比那些靠牺牲分辨率来提高速度或为了缩短时间而牺牲信躁比要更优越②、频率域原理：样品被强度调制的激发光激发,激发光的频率和样品荧光寿命的倒数成比例这时荧光的发射频率与调制的频率一致,时间变化和解调也与激发光一致,可用来计算荧光寿命这种技术被广泛应用在远场和共聚焦显微技术上

生物科学的一个巨大挑战就是决定组成生物结构的分子或超分子的空间距离和分布,许多的生物现象是发生在相互作用分子的界面上,能够告诉我们有关分子相互作用的技术对我们非常重要一旦相互分离的的目标空间排列被明确、距离和相互的方向明确了,我们就更能确信地提出生物结构是如何发挥作用的设想并证实它对于空间关系的了解也使我们能更好地解释动态现象,知道了一部分结构的空间位置帮助我们进一步提出一些分子间相互作用的具体的问题FRET被广泛应用的原因是它提供了分子间的距离、方向（定位）和动力学特征的信息,更好地回答有关分子距离数量级的问题

FRET的应用：

⑴、可用于研究蛋白质以及蛋白复合体的结构和空间构象与布局

Xing J用FRET研究了肌凝蛋白亚结构（A S1）内部的运动情况5他们把DABMI连接于CYS374上,作为受体荧光素,再用两种不同的荧光素IAEDANS和MIANS先后标于SH1和SH2上在紧张态的AS1中,当用MIANS作为供体荧光素时,SH1和SH2两个位点的距离大致相等（45à）,而加入ADP和Vi(orthovanadate)后,CYS374和SH1的距离缩短了7-8A,而SH2与CYS374的距离未见变化当以AEDANS作为能量供体荧光素时得到类似的结果结论为MgADP和Vi导致了SH1向肌动蛋白的位点运动而SH2对于S1相对饱和的激动位点不敏感而不发生相对运动

Yin Luo4等人用FRET结合几何分析手段研究了兔子骨骼肌肌钙蛋白的四级结构和IN1-INC二聚体内（TN1）上的突变CYS133相对于INC 上九个突变CYS的定位情况,分别就钙离子存在和不存在两种情况进行比较,用（1,5-IAEDANS）作为荧光供体,DAB-MAL或DDP-MAL为荧光受体通过FRET测量CLYS133和每个INC上的突变CYS残基的距离,再用数学方法处理INC晶体结构数据和FRET测量值,得到各CYC残基在IN中的定位该结果对于揭示IN1在IN复合体中的定位以及IN的功能有很大的提示作用

Erickson JW6等用FRET确定在转导蛋白上鸟苷酸结合位点（α-T）的赖氨酸残基与CGMP磷酸二脂酶γ亚基（γ-PDE）构象敏感位点的半胱氨酸残基（68残基）的位置关系半胱氨酸残基（68残基）在γ-PDE的位点对于有活性或失活的α-T的结合敏感而引起构象改变这一点被实验所证实：将α-T-GDP复合体加入被对环境敏感的探针（MIANS）标记的γ-PDE亚基能引起MIANS荧光的增强,而氟化铝使α-T-GDP激活后再结合到γ-PDE时会导致MIANS荧光的淬灭氟化铝引起的MIANS-γ-PDE的荧光变化的时间和α-T的内部荧光的变化相一致,而这一时间也对应于α-T活性空间构象变化的时间这些结果提示活化状态的α-T亚结构导致了临近的γ-PDE的半胱氨酸残基（68残基）结合位点的空间结构的变化

Christoph Biskup14等用confocal和streak照相机观察了钠离子通道亚单位之间的关系钠离子通道在可兴奋组织可形成动作电位,它由一个孔状的α亚基和β亚基组成α亚基能单独发挥功能人心肌的钠离子通道β1亚基仅仅对α亚基有轻微影响,它帮助提高峰电位的强度以及加速从失活状态恢复峰电位的强度的增加提示β1亚基导致了质膜上通道的密度增加,可以猜想α亚基在向质膜转运的过程是在早期已经和β1亚基结合为了证实这个猜想,他们用了能提高FRET效率的方法：固定模式的激光、共聚焦显微镜和streak照相机两个亚单位分别用兰色和**荧光蛋白标记,在人的胎肾细胞（HEK293）表达内质网膜的通道亚基之间的FRET表明两亚单位在到达质膜之前就已经结合了该方法能同时测量供体和受体的荧光的衰减并提供了测量FRET效率的有效方法

⑵、研究蛋白质的折叠

蛋白质折叠是一个非常繁杂的过程,因为它涉及到大量的途径来将无数去折叠构象连接成为唯一的天然构象在用实验方法来探索各个途径所占比例的漫长过程中,FRET已经能够测量自由状态的单分子蛋白折叠的表面自由能特征,这些数据在分子集合是难以得到的

受体/配体相互作用Benjamin Schuler15等将一个绿色供体染料和一个红色受体染料连接在冷休克蛋白（CspTm）（来源于超嗜温细菌Thermotoga maritime）的氨基和羧基端的半胱氨酸残基上选择该蛋白是因为它的高度稳定性,能够承受结构方面的干扰以及它的在分子集合实验中的热力学和动力学行为的简单性如果一个折叠好的CspTm被激光照射,被激发的供体染料将能量快速传递给受体染料,因为它们的间隔仅仅1纳米,大部分光子由受体发出当加入化学变性剂后蛋白去折叠,导致供体和受体的平均距离变大,能量转移变小,被受体发射的光子减少为了使结果量化,由两种不同长度的标记相同染料的多聚脯氨酸螺旋作为控制系统,在供体和受体之间构成了固定的间隔,使染料之间的距离不因变性而变化,其他的参数和实验组的参数一样变化通过相关参数的比较处理,得到去折叠的多肽重新形成构象的时间限度和折叠自由能障的高度限制,结果与简单的统计模型一致

⑶、免疫测定

免疫分子之间的相互作用和各种免疫现象可结合FRET加以研究,如利用抗原与抗体、补体与抗体、CD分子之间的特异结合可发挥FRET的优势,目前FRET在免疫方面的应用已有很多Morrison LE22等用长寿命供体和短寿命受体、脉冲激光以及电子门控检测器将受体射线中来源于能量转移的部分和来源于吸收激发光的部分分开理论方程表明提高与激发脉冲相关的积分延搁能大大加强来源于能量转移的部分人免疫球蛋白IgG Fab'的抗体被标记上pyrenebutyrate而IgG Fab'被藻红素（B-phycoerythrin）标记,在氮激光的激发下,溶液中产生了从pyrenebutyrate到B-phycoerythrin 的FRET,受体荧光检测用0和20纳秒两种积分延搁,在三个系列的免疫测定中,当用20纳秒积分时测量时,受体荧光中来源于能量转移的部分和来源于吸收激发光的部分的比率增加了9-15倍,实验数据和理论预测基本一致

⑷、单分子间相互作用

如何得到单分子之间作用的信息FRET作为一种有效的工具已经应用的这方面的研究Ha T21等用FRET来探讨两个单分子之间的相互作用他们用近场扫描显微镜观察单个的供体和单个的受体得到双色图象,并得到用短DNA分子连接的供体和受体荧光素的发射光谱光裂解动力学用于研究FRET的出现和效率经典的测算分子集合能量转移的方程改变为单分子测算与分子集合测量不同的是单分子水平的动力学事件是可以用单对FRET来观察的,因为该结果并不为分子集团的随机平均化所消除对于发生在纳米尺度的象旋转、位置变化或构象变化等现象可以用单对FRET来研究

⑸、核酸的结构与空间构象

Xiaowei Zhuang19等人用FRET研究了单分子的四膜虫嗜热核酸酶的催化作用和折叠用染料标记并且表面固定的核酸酶在功能上和未加以修饰的核酸酶没有区别能够观察到从酶中心开始的双链docks 和 undocks的可逆折叠过程的单分子时间轨迹,并能确定折叠速度常数和转变态的特征很难在分子集合出现和在分子集合水平衡量的docked态的全部折叠过程、中间折叠态以及折叠的多条途径都被观察到了,除此之外又发现了一种折叠常数为1/秒的新的折叠途径

TomaszHeyduk Eua Heyduk12 用FRET检测序列特异的DNA结合蛋白的活性两个DNA片段各构成大约一半蛋白结合位点的DNA链,分别用供体荧光素和受体荧光素标记两片段有短的互补区可供退火连接互补区的长度和片段的浓度都保持在一定水平使自发的退火连接非常少,在没有蛋白出现时无能量转移的发生当结合蛋白出现时,它对于全段的DNA的高亲和力将促使两片段连接,特异蛋白—DNA复合物出现,供体和受体荧光素因而靠近发生高效的FRET信号

FRET已经被用于研究一系列荧光标记的结合到大肠杆菌DNA聚合酶1 Klenow 片段的DNA和引物的单链构象20DNA片段被tetramethylrhodamine (TMR)所修饰作为FRET的受体,荧光供体由双突变KF得到,模板引物的设计允许探针在蛋白和DNA复合体的位置随着引物链的扩展（加入脱氧三磷酸核苷酸引起）而变化TMR受体探针占据了模板引物的七个位置（五个在单链区,两个在双链区）每个位置的FRET效率由受体出现和消失的荧光发射峰的积分计算得到结果表明FRET效率呈正弦变化,其周期为大约10个碱基对,这和用简单的螺旋结构模型得出的方程相符合该数据支持DNA模板引物的单链部分在结合到KF后就变成螺旋构型的结论

⑹细胞内离子浓度及动力学特征描述：

Alsushi Miyawakl 7 等用荧光素指示钙离子在细胞内的分布情况他们把突变的兰色GFP、钙调蛋白、钙调蛋白的结合蛋白M13和增强的GFP串联融合,并称之为cameleons钙离子的结合可以使钙调蛋白掩盖M13的模序而增强了位于两侧的GFP之间的FRET突变的钙调蛋白可调节对钙离子的亲和力,从而能测量自由钙离子的浓度变化（10-8-10-2M）在用携带适当定位信号的CDNA转染的HELA细胞内,钙离子在胞质、胞核、内质网内的动力学特征也可描述：内质网内的钙离子浓度在安静下是60-400M,而当钙动员时为1-50MFRET还是蓝GFP标记的钙调蛋白和黄GFP标记的M13之间可逆作用的指示器所以在GFP突变体之间的FRET可以检测单个活细胞内钙离子的定位以及异源蛋白二聚化的情况

荧光技术在生物化学及分子生物学研究中应用主要包括以下几个方面：

1、物质的定性：不同的荧光物质有不同的激发光谱和发射光谱，因此可用荧光进行物质的鉴别。与吸收光谱法相比，荧光法具有更高的选择性。

2、定量测定：利用在较低浓度下荧光强度与样品浓度成正比这一关系可以定量分析样品中荧光组分的含量，常用于测定氨基酸、蛋白质、核酸的含量。荧光定量测定的一个优点是灵敏度高，例如维生素B2的测定限量可达1毫微克/毫升，这一优点使测定时所需要样品量大大减少。

这种定量测定方法还可应用于酶催化的反应，只要反应前后有荧光强度的变化，就可用来测定酶的含量及酶反应的速率等。

3、研究生物大分子的物理化学特性及其分子的结构和构象：荧光的激发光谱、发射光谱、量子产率和荧光寿命等参数不仅和分子内荧光发色基团的本身结构有关，而且还强烈地依赖于发色团周围的环境，即对周围环境十分敏感。利用此特点可通过测定上述有关荧光参数的变化来研究荧光发色团所在部位的微环境的特征及其变化。在此研究中，除了利用生物大分子本身具有的荧光发色团（如色氨酸、酪氨酸、鸟苷酸等，此类荧光称为内源荧光）以外，可将一些特殊的荧光染料分子共价地结合或吸附在生物大分子的某一部位，通过测定该染料分子的荧光特性变化来研究生物大分子，这种染料分子被称为“荧光探针”，它们发出的荧光一般称为外源荧光。荧光探针的应用，大大地开拓了荧光技术在分子生物学中的应用范围。

4、利用荧光寿命、量子产率等参数可以研究生物大分子中的能量转移现象：通过该现象的研究，可以获得生物大分子内部的许多信息，如分子内两荧光基团D, A之间的临界距离可根据弗尔斯特公式来测定，弗尔斯特(Förster)公式如（6）式所示：

即是两荧光发色团之间的能量传递的速率KDA和它们之间的临界距离Ro的六次方成反比。式中的KDA、K、J等均可由荧光寿命、量子产率及荧光强度的测定来推算，从而可以得知两基团之间的距离。

以往人们常用荧光偏振做指标来研究生物大分子动力学。近年来人们趋于用荧光偏振随时间的衰减来研究这些问题。在这种方法中，激发光不是一连续的面偏振光，而是一偏振的光脉冲，因此测得的F∥和F是在两个不同方向上偏振的荧光随时间的衰减，它既和荧光寿命τ有关，又与分子在溶液中的运动有关，因此常表示为F∥（t）和 F⊥（t）。由它们可得一相当重要的物理量——各向异性参数A（t）。

由A（t）可推测生物大分子的形状、分子转动弛豫时间（即从一个定向的状态到一个无定向状态所要的时间），进而可以推知生物大分子的大小、分子在溶液中的转动角度和时间之间的函数关系。由这些结果可以研究分子之间的相互作用、分子间结合的紧密程度、蛋白质、核酸分子的解聚程度等等。

另外，荧光技术在免疫学中亦有广泛的应用。最重要的就是荧光抗体法。将某些荧光染料与血清抗体相结合，这种标记的抗体仍可专一地与相应抗原发生结合，形成的复合体具有荧光特性，从而可以确定抗原或抗体的存在及其含量。

5、在医疗诊断中的应用之DNA测序荧光染料： DNA序列的破译是新世纪基因工程研究的重要前提。近年来，DNA测序的新技术、新方法不断涌现，荧光染料标记DNA的基因芯片技术使其中最引人注目的。在荧光染料标记DNA测序技术中所用的荧光染料要求是：吸收光谱应在可见光区发射，光谱尽量靠近红光区，以避免DNA自身的蓝色荧光干扰；能发射足够强度的荧光；不影响DNA片段在电场中的泳动；染料本身无毒害。

目前用于DNA序列的荧光染料主要是咕吨类化合物、菁类化合物、1,8-萘酰亚胺类染料以及二吡咯烷硼二氟类染料，荧光多为黄、绿、红色，荧光量子产率较高。

6、荧光技术在医疗诊断中的应用之光动力治疗用色素： 将特定的光敏感材料注入体内，它富集在肿瘤组织内，在正常细胞组织被代谢排除体外。用适当的光激发，可以检测出癌症病处，再用特定波长的激光激发，产生能破坏肿瘤组织的自由基物质或引发氧分子转变为能杀灭癌细胞的单线态氧，达到治疗的目的。

光动力疗法是除手术、化疗和放射疗法之外的第四种治疗肿瘤的方法。它副作用小，不会引起外貌损伤。由于光动力疗法具有高度的选择性，破坏肿瘤组织目前临床使用的光敏化材料多为卟啉类化合物。由于光动力疗法的优异性能，目前已成为世界各国的研究热点。

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