Primers para PCR: Primers : oligonucleotídeos com 18 a 28 bases (fita única) escritos sempre na direção 5 3. São necessários dois primers :

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1 Primers para PCR: Primers : oligonucleotídeos com 18 a 28 bases (fita única) escritos sempre na direção 5 3 São necessários dois primers : Um complementar a um trecho da fita anti-sense» Primer sense (forward) Um complementar a um trecho da fita sense» Primer anti-sense (reverse)

2 Desenho de primers

3 Escolha dos primers para PCR: 1 Asp Pro Val Ala Val Leu Ala Val Phe Glu Glu Ile 12 1 G GAT CCA GTG GCG GTG TTG GCC GTG TTC GAG GAG ATA Gln Val Glu Glu Val Leu Tyr Ile Leu Val Phe Gly Glu CAG GTG GAG GAG GTG CTG TAT ATC CTG GTC TTC GGC GAG Ser Leu Leu Asn Asp Gly Val Thr Val Val Arg Tyr His TCC CTC CTC AAC GAT GGT GTG ACG GTG GTC CGT TAC CAT Leu Phe Glu Gly Phe Ser Glu Leu Gly Glu Asp Asn Ile CTG TTC GAG GGC TTC AGC GAG CTC GGT GAG GAC AAC ATC Lys Ala Val Asp Ile Ala Ser Xxx Val Ala Ser Phe Leu AAG GCC GTT GAC ATC GCC AGC NGG GTC GCC TCC TTC CTT Leu Val Ala Leu Gly Gly Thr Ala Ile Gly Ile Ile Trp CTC GTG GCC CTC GGC GGC ACG GCC ATC GGC ATC ATC TGG Gly Phe Leu Thr Ala Phe Ile Thr Arg Leu Thr Ser Gln GGC TTC CTC ACC GCC TTC ATC ACC AGG TTA ACG AGT CAG 271 oligonucleotídeo 1 para PCR (sense): 5' GTG GAG GAG GTG CTG TAT ATC 3' - oligonucleotídeo 2 para PCR (anti-sense): 5' GTA GGC CAT CAC GAA CAC GAA 3' - oligonucleotídeo para hibridização (anti-sense): 5' CTG ACT CGT TAA CCT GGT GAT G 3' 91 Val Pro Arg Asp Arg Ala Ile Phe Val Phe Val Met Ala GTN CCG CGT GAT CGA GCC ATC TTC GTG TTC GTG ATG GCC Tyr Leu Asn Ala Glu Met Leu Ala Ser Ser Ser Glu Thr TAC CTC AAT GCG GAG ATG CTG GCC TCG TCC TCG GAG ACC Ile Ile ATC ATC T 356

4 Critérios para desenho de primers : - Composição de bases: O conteúdo de G+C deve estar entre 40% e 60%, com distribuição mais ou menos homogênea de todas as bases ao longo do comprimento do primer. - Comprimento: A região do primer complementar à template deve ser de 18 a 28 nts. Os dois primers a serem utilizados numa reação não devem ter diferença de comprimento que exceda 3 nts. - Seqüências repetidas ou auto-complementares: Não deve haver repetições invertidas no primer ou seqüências auto-complementares com mais de 3 nts seguidos.

5 Complementaridade entre membros de um par de primers : A extremidade 3 de um primer não pode ser capaz de se ligar a qualquer ponto do outro primer. Como os primers estão presentes em alta concentração, mesmo baixa complementaridade entre eles pode levar à formação de híbridos e a conseqüente síntese e amplificação de dímeros de primers.

6 Dímeros dos primers é o produto da extensão do primer por pareamento consigo mesmo ou com o outro primer do par. Como são produtos mais curtos, são copiados mais eficientemente, podendo dominar a reação e sequestrar primers que iriam se parear com a template real. Outro fato que pode ocorrer, quando começa a se acumular produto de PCR, é o pareamento das extremidades dos produtos amplificados, formando concatâmeros. Isso aparecerá na eletroforese como smears de elevado peso molecular.

7 - Temperatura de fusão: temperatura na qual 50% das moléculas alvo já estão pareadas com os primers O Tm calculado dos dois membros do par de primers não deve diferir em mais que 5 o C (Tm depende da concentração de primers e de sais) Extremidade 3 : A natureza da extremidade 3 dos primers é crucial. Se possível, a base da extremidade 3 de cada primer deve G ou C. Mas não é recomendável que seja...nggg ou...nccc, pois pode gerar dímeros de primers. -Localização do sítio de pareamento dos primers na seqüência alvo: Algumas vezes há restrições impostas pelo tipo de informação que se quer obter ao fazer a PCR. Ao desenhar primers para cdna, o ideal é que estejam em exons diferentes. -Adição de sítios de restrição, promotores de bacteriogafos, clamp GC, e outras seqüências na extremidade 5 : Usualmente estas seqüências não alteram o pareamento do primers nas seqüências alvo.

8 A extremidade 5 não precisa ser complementar à seqüência alvo. Isso nos permite adicionar seqüências com propósitos específicos na extremidade 5 sítio para enzima de restrição, mais 3 a 4 bases adicionais promotores para transcrição in vitro promotores de seqüências consenso para inicío de tradução para transcrição e tradução in vitro etc Para o cálculo do Tm considera-se apenas a região complementar à seqüência alvo.

9 primers com sítios para enzimas de restrição:

10 Cáculo do Tm dos inciadores

11 Tm é a temperatura na qual metade das fitas moldes presentes na reação estão hibridizadas com os primers, que usualmente estão presentes em considerável excesso em relação às templates. Tm depende da concentração de primers (e templates) e da concentração de sal. Métodos para cálculo do Tm: Para primers com cerca de 20 nucleotídeos (regra de Wallace): Tm = (número de G + C) x 4 + (número de A+T) x 2 Uma fórmula mais acurada que pode ser usada para oligonucleotídeos entre 15 e 70 nucleotídeos (Bolton e McCarthy): Tm = 81,5 + 16,6[log 10 (I) + 0,41 (%G+C)-(675/N) onde I: concentração de cátions monovalentes N: comprimento em n o. de nucleotídeos Pode ser ainda usado cálculo da temperatura de annealing otimizada (Wu et al., 1991) para oligonucloetídeos com nts. Tp = ,46 [(2 x número de G+C) + (número de A+T)

12 Nearest neighbor method: Proc Natl Acad Sci U S A 1986 Jun;83(11): Breslauer KJ, Frank R, Blocker H, Marky LA Nucleic Acids Research Rychlik, Spencer and Rhoads, vol 18, num 12, pp H Tm = - 273, ,6 log [Na + ] S + R ln[primers]

13 5 3 G global do primer < 10 Kcal/mol G ~ 10K cal/mol G ~ 0,6K cal/mol G não depende da concentração de sal Favorece produtos inespecíficos 3 irá parear por último. Aumento da especificidade

14 Primer3 Free Online Primer Design Tool PCR Primer Analysis...

15 Existe uma grande variedade entre os valores calculados usando as diferentes fórmulas. Estas fórmulas constituem apenas um guia para a temperatura de annealing a ser usada na PCR. Na prática, é necessário determinar a temperatura ótima empiricamente. Pode usar: - Touch down - PCR em termociclador com gradiente

16 A distância entre os primers : Fragmentos longos são mais difíceis de ser amplificados Fragmentos de nt são adequados quando o objetivo é apenas detectar a presença do gene Quando o propósito é clonar uma região específica de um gene ou um cdna inteiro, o fragmento poderá ser maior, mas devemos usar enzimas com antividade corretiva ou mix de enzimas.

17 Primers degenerados: verificar as tabelas de uso do código pela espécie (codon usage)

18 Desenho de iniciadores degenerados: uma mistura de primers - Met Ile His Trp Cys Pro Leu ATG ATT CAT TGG TGT CCT TTT ATC CAC TGC CCC TTG ATA CCA CTT CCG CTC CTA CTG = mas não é possível usar as 6 degenerações acima - uso de inosina (por A/T/G) reduz diluição - quantidade de primer deve ser aumentada - alinhamento prévio usando Clustal ou Clustalw

19 Codon usage: disponível para grande número de espécies em

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21 Para preparar o estoque de primer é necessário que o fabricante forneça a quantidade sintetizada. Dilua o primer liofilizado de modo que a solução estoque fique na concentração de 1 mm, por exemplo. Se não sabe a quantidade, meça a concentração por espectrofotometria (A 260 nm) c = A 260 /el e: coeficiente de extinsão (M -1 cm -1 ) l: banda de passagem do espectrofotômetro

22 Cálculo de e: A C G T Exemplo: 5 GTGAGTCCCTGAATGTAGTG 3 e = ( x 4) + (7.050 x 3) + ( x 7) + (8.400 x 6) = Dilua o estoque de modo que a leitura de A 260 esteja entre Suponhamos que a diluição tenha sido de 100, a A260 = 0.15 C = [0.15 X 100]/ X 1 = 0, M = 69 mm = 69 pmol/ml Fatores de conversão úteis: pmol para ng = (n o. de pmol x N x 325)/ N é o número de nucleotídeos ng para pmol = (ng x 1000)/ (N x 325) 325 é a massa molecular média dos nucleotídeo.

23 PCR quantitativo em tempo real

24 Sistema para quantificação do produto amplificado por PCR em tempo real ou sistema de detecção de seqüência (SDS): Isso consiste em utilizar um sistema que detecta o aumento da quantidade de fitas de DNA no tubo de reação, através da medida do aumento da emissão fluorescente, à medida que a reação está ocorrendo. Os níveis de fluorescência emitida pela amostra excitada por um laser ou por uma lâmpada de halogênio associada a um filtro específico, é detectada a cada ciclo e enviada para uma unidade processadora.

25 O ciclador térmico utilizado para quantificação em tempo real está equipado com cabos de fibra óptica que direciona a luz do laser para cada uma das poças do bloco onde são colocadas as amostras

26 O sistema coleta a emissão fluorescente entre 500 e 600 nm em cada uma das 96 poças com amostras, a cada 3 a 10 s. Os cabos levam a emissão fluorescente de volta à câmara CCD

27 Para detecção do produto de PCR em cada ciclo é preciso marcar o DNA amplificado com algum tipo de molécula fluorescente. Existem vários tipos de moléculas fluorescentes utilizadas para esse fim. Dois sistemas têm sido mais comumente utilizados: - SYBR Green - TaqMan

28 Sistema SYBR Green: O corante se liga a duplas fitas de DNA. Se há aumento do número de fitas duplas, há aumento proporcional da intensidade de fluorescência.

29 Fluorescence Ressonance Energy Transfer - FRET Sistema TaqMan Sistema TaqMan emprega uma sonda, que é um oligonucleotídeo específico que é complementar a uma parte interna do segmento a ser amplificado. Este oligonucleotídeo é marcado com uma molécula fluorescente em sua extremidade 5, esta molécula é denominada reporter ; na extremidade 3, é adicionada outra molécula que pode ou não ser fluorescente (de comprimento de onda diferente), cuja função é denominada quencher. Enquanto a sonda está livre em solução o quencher absorve a fluorescência do reporter, não sendo detectada fluorescência.

30 Reporter Quencher Substâncias fluorescentes usadas: ATCACC...CATCG 5 3 reporter quencher A atividade de exonuclease 5 3 da Taq DNA polimerase é utilizada para separar reporter e quencher durante a síntese de cada nova molécula de DNA.

31 Holland et al. 1991: descreveu pela primeira vez a atividade síntese de DNA associada a atividade exonucleásica 5 -> 3 da Taq DNA pol.; atividade essa que se seguia ao aparecimento de uma estrutura em forquilha, criada pela fita template e pela fita a ser removida pela atividade exonucleolítica da enzima. Lee : explorou a essa característica da enzima para criar sistema TaqMan reporter quencher reporter quando liberado pela enzima, fluoresce livremente FAM TET

32 Taq DNA Pol Cada vez que é sintetisada uma nova fita há aumento da intensidade da emissão fluorescente

33 Representação de um plot da amplificação em tempo real O plot da amplificação mostra 4 fases distintas: linha basal: não houve acúmulo de fitas duplas o suficiente para que a fluorescência emitida possa ser detectada. fase log: a quantidade de amplicon dobra a cada ciclo fase linear: há pequeno aumento, amplificação linear, da quantidade de amplicon fase platô: não há mais aumento no número de amplicons

34 sensibilidade (dynamic range): < 10 1 a > Esta maneira de quantificar o produto de PCR criou um novo paradigma para quantificação por PCR: É avaliado o momento de aparecimento do sinal e não quanto sinal é gerado após um dado número de ciclos Ciclo threshold Ct: A fluorescência ultrapassa um nível avaliado como background valor correspondente a cerca de 10 vezes o desvio padrão do background. Pode-se estabelecer um nível (Crossing Point CP) em qualquer ponto da fase 2.

35 A diluição serial (diluição em série de 10 x) de uma amostra seguida de amplificação das moléculas originais por PCR deve resultar numa curva com gradiente próximo de 3,3, isso indica que a amplificação é de duas vezes a cada ciclo (Y = 1). Caso o slope seja maior em módulo que 3,3 significa que a eficiência de amplificação é menor que 1.

36 Nesta curva padrão (diluições seriadas), as 3 últimas diluições parecem ter a mesma quantidade. Exemplo típico de contaminação com DNA genômico.

37 Sistema SYBR Green: O corante detecta todo tipo de dupla fita presente na amostra. Caso haja amplificação de produtos inespecíficos ou amplificação de dímeros de primers, a fluorescência emitida por estas moléculas será indistinguível da fluorescência emitida pelo produto amplificado específico que se desejava amplificar. Cada curva é o registro do que ocorreu em um tubo ao longo dos diversos ciclos de PCR

38 Após o término dos ciclos de amplificação, se utilizamos SYBR Green, podemos avaliar quantos tipos de diferentes fragmentos foram amplificados, porque diferentes fragmentos têm melting points diferentes: Quando as fitas se separam, o SYBR Green não mais se liga àquelas moléculas, e deixa de emitir fluorescência. A fluorecência cai abruptamente.

39 SYBR Green É possível derivar a quantidade de fluorescência em função da temperatura e expressar o resultado como na curva abaixo. Neste caso, um único produto amplificado.

40 SYBR Green Exemplo de dois diferentes produtos amplificados em tubos distintos.

41 SYBR Green Identificação de tipos de HPV por avaliação do Tm dos produtos amplificados com o mesmo par de primers.

42 Para otimização, procure obter a condição com:. maior variação de fluorescência por ciclo ( R ou Rn). menor Ct Sintetize vários pares de primers e teste-os com SYBR Green. Analise R, Ct e curvas melting. Primers: Tm 10 o C abaixo do Tm da sonda (60 a 65 o C) Sonda: Não pode ter G na extremidade 5 junto ao fluoróforo repórter Tm 70 o C a 75 o C Localize a sonda a 2 ou 3 bases de um dos primers

43 Como calcular o número de moléculas-template presentes no início da reação (N o ) a partir do Ct? N f = N o (1+Y) n Ct = n = número de ciclos

44 Ct é um termo exponencial! Não é linear.

45 A conversão para uma forma linear é através do termo: N f = N o (1+Y) Ct 2 -Ct Nf = número de moléculas quando a fluorescência atinge o nível limiar definido pelo pesquisador. Tem que ser um ponto escolhido dentro da fase de amplificação exponencial e é o mesmo para todas as amostras analisadas num mesmo experimento. Y = 1 (se a eficiência de amplificação for 100%) N f /N o = 2 Ct N o /N f = 2 -Ct N o 2 -Ct

46 PCR em tempo real será quase sempre comparativo. Duas moléculas alvo são amplificadas, simultaneamente em um mesmo tubo, ou em duas reações distintas: Gene de interesse (x) Controle interno Referência (r) (outro gene, ou o mesmo gene clonado e mutado para servir de controle) Analisemos esta questão formalmente: Para o Gene de interesse - x N f,x = N o,x (1 + Y x ) Ct,x Para o controle interno - r N f,r = N o,r (1 + Y r ) Ct,r Se Y x = Y r = 1, podemos escrever: N o,x = N f,x. 2 -Ct,x (1) N o,r = N f,r. 2 -Ct,r (2) Dividindo (1) por (2)

47 N o,x = N f,x. 2 -Ct,x N o,r = N f,r. 2 -Ct,r Definindo: N o,x /N o,r = X N quantidade normalizada de moléculas do gene de interesse em relação ao número de moléculas controle no tempo zero N f,x /N f,r = K relação constante e próxima de 1, visto que o número de moléculas amplificadas quando ambos atingem o limiar deve ser o mesmo. Temos que X N = K. 2 - Ct

48 Em nossos experimentos o valor de X N (número normalizado de nossas moléculas alvo no início da reação de PCR) será medido em diferentes condições experimentais: por exemplo condição A e condição B: Assim teremos: X N,A K. 2 - Ct,A = = 2 - Ct X N,B K. 2 - Ct,B

49 Exemplo de comparação da quantidade de moléculas de mrna/c-myc normalizada pela quantidade de molécula de mrna/gapdh em cérebro e rins. A comparação foi: cérebro/cérebro rim/cérebro Livak KJ AND Schmittgen TD 2001 Methods 25:

50 Quantificação relativa de mrna por PCR convencional

51 Quantificação relativa mrna Comparação de amostras A e B A quantidade de um mrna específico em cada uma das amostras A e B é normalizada por meio da comparação com a quantidade de uma molécula tomada como controle interno, esta com expressão constante nas condições A e B. Controles internos mais utilizados: b-actina; b2-microglobulina, GAPDH; fosfogliceratocinase 1; hipoxantina ribosiltransferase (HPRT1); RNA ribossomal Estes mesmos controles internos são utilizados para PCR em tempo real

52 Para quantificação, o que mais comumente é feito quando não se dispõe de PCR em tempo real: Transcrição reversa com oligo-dt ou randon primers, a partir de 5 mg de RNA total de cada uma das amostras correspondentes às situações A e B Diluição do cdna (1:10 a 1:100) - 1 ml para PCR PCR com primers específicos para o gene alvo e para um gene utilizado como controle interno. Faz-se PCR com números variáveis de ciclos, de modo a determinar o menor número de ciclos necessários para visualização da banda amplificada sem alcançar o platô. A amplificação de ambos os genes deve estar na fase exponencial de amplificação, para que possamos fazer a comparação entre eles.

53 A quantidade final de produto só tem relação conhecida com a quantidade inicial de moléculas alvo se o platô ainda não foi atingido Cinética da PCR N f = N o (1 + Y) n

54 Considerações sobre controles internos para PCR semiquantitativo

55 O RNA nativo a ser usado como controle interno: Não deve ter sua expressão modificada pela manobra experimental e condição especial que está sendo analisada. Os níveis de expressão do controle interno e do gene analisado devem ser similares. A amplificação de uma molécula muito abundante pode prejudicar, por competição, a amplificação da molécula pouco abundante (isso, para multiplex PCR) Para genes muito expressos: GAPDH e b-actina (ambos muito abundantes) Para genes de média e baixa expressão: hipoxantina ribosiltransferase (HPRT1) que é um gene housekeeping com poucas cópias de mrna Para estudos com estimulação com soro: b2-microglobulina ou 18S Neste caso, b-actina e GAPDH não são recomendáveis

56 Exemplo de análise temporal do nível de expressão gênica após um dado tratamento No caso da avaliação do efeito de um dado tratamento, o controle interno não deve sofrer variação com o tratamento. No exemplo acima, b-2 microgobulina poderia ser usada como controle interno, mas não o GAPDH.

57 Gene de interesse: Interleucina Ib Controle interno: 18S

58 Para análise quantitativa a integridade do RNA é fundamental. Com a degradação parcial do RNA há alteração da relação entre a quantidade de um RNA específico e a quantidade de RNA total. As moléculas de RNA não se degradam de forma homogênea.

59 A reprodutibilidade dos experimentos de quantificação relativa cai muito quando o número de cópias da molécula alvo é muito baixo. Efeito de amostragem estocástica ( stochastic sample effect )