第一作者简介:王国力,女,山东荣成人,硕士,研究方向为法医遗传学。E-mail: wangguoli1996@sina.com
准确鉴定案发现场体液斑迹的组织属性来源可为案件侦查提供有力证据,故具有重要的研究价值。miRNA因其稳定性、体液特异性和检测灵敏快捷,成为法医物证体液鉴定的研究热点。实时荧光定量PCR灵敏度高、特异性好,可称作法医学定量检测miRNA的金标准。然而对于相对定量,欲获得准确、可靠的结果,选用恰当的内参基因是关键的前提保证。因此,本文主要对miRNA体液鉴定所用内参基因的研究进展、选择方法及应用挑战等作简要综述,以期为相关研究提供参考。
Strong evidence can be provided for case investigation through accurate identification of body fluid stains at crime scene so that an importance will have been being attached to the relevant studies. miRNA has recently been becoming a research hotspot for body fluid identification with its merits of stability, specificity and rapidity of detection. qPCR (quantitative PCR) is the so-called gold standard for miRNA detection thanks to its high sensitivity and excellent specificity from the involving fluorescence-based quantitative real-time PCR. However, selection of appropriate reference genes is the prerequisite to obtain accurate and reliable results when relative quantification is the purpose. Accordingly, this article tries to make an overview about the selection of reference genes adopted for body fluids identification using miRNA detection, with the emphasis being put on the concerned research progress, selection methods and application challenges.
准确鉴定案发现场体液斑迹的组织属性来源, 能够为确定案件性质、犯罪现场重建等提供有力的证据支持, 故其已成为法医物证领域研究的一个重要方向[1]。有别于DNA序列的同一性, RNA在不同组织中表达各异, 因而成为法医物证体液鉴定的适用工具[2]。微RNA(miRNA或MicroRNA)是一类18~24 nt的小型非编码RNA, 其短小稳定、不易降解, 在案发现场复杂的环境条件下能够较好地保持自身完整性[3, 4]。大量研究表明, miRNA在外周血、唾液以及阴道分泌液等多种体液中表达谱不尽相同, 这些体液(组织)特异性使其具有法医学的重要应用价值[4, 5, 6]。
但miRNA在体液(组织)中含量低, 提取难度大, 故对其进行精准的定量检测是体液鉴定的前提。实时荧光定量PCR(fluorescence-based quantitative real-time PCR, qPCR)灵敏度高、特异性好, 可称作法医学定量检测miRNA的金标准, 其中尤以相对定量检测居多。然而, 内参基因的选择是影响相对定量结果准确性的重要因素。内参基因选择不恰当, 会使实验数据重复性差, 不同研究结论不统一, 可能得出错误甚至相反的结论[7]。
本文主要对miRNA体液鉴定所用内参基因的研究进展、选择方法及应用挑战等进行简要综述, 以期为相关研究提供参考。
内参基因(reference gene)是研究基因表达相对定量不可缺少的内部参照。其主要对实验中一些无法避免的难以量化的差异, 如原始样本质量、逆转录和扩增的效率以及上样量等进行校正和归一化处理, 以尽可能消除组内和组间的差异, 便于比较目的基因的相对表达量, 从而使相对定量结果更为准确可靠[8, 9]。
理想的内参基因具有以下特点:其一, 在各组织细胞中表达相对稳定, 无显著性差别; 其二, 表达丰度较高, 且与目的基因的表达量具有可比性; 其三, 表达水平不受任何内源性或外源性因素的影响; 其四, 不存在假基因, 从而可避免基因组DNA的无关扩增[7]。然而大量研究表明, 许多常用的内参基因在不同组织细胞、不同实验条件、不同生理状态下表达水平有较大差异, 迄今尚未发现普遍适用于所有条件的内参基因[10, 11, 12]。因此, 在特定样本集合中选择恰当的内参基因至关重要。
![]() | 表1 miRNA体液鉴定所用内参基因 Table 1 Reference genes selected for body fluid identification using miRNA |
早期选用miRNA进行体液鉴定的研究者对内参基因的重要性认识不足, 选择方法和标准不够严谨, 研究中使用的内参基因相对单一。2009年Hanson等[13]应用SYBR Green qPCR首次推断体液鉴定miRNA组时, 依据基因表达的高丰度、稳定性和有效性的特点, 选择U6b作为5种体液(外周血、月经血、唾液、精液、阴道分泌液)的归一化参照。2011年Court和Madea[14]应用SYBR Green qPCR验证微阵列筛选的外周血和唾液特异性标记, 以及2013年Bai等[15]应用SYBR Green qPCR验证前人报道的8个体液miRNA标记, 均选择U6b作为相对定量的归一化参照。然而, 这些研究中对于U6b作为内参基因的归一化能力并没有作进一步说明。
为了量化候选内参的归一化水平, 以比较其稳定性差异, 研究者采用实验验证与软件分析相结合的方法择优筛选内参基因。2013年Wang等[16]应用TaqMan qPCR验证了4个文献报道的内参基因:RNU44、RNU48、U6b和U6, 并使用BestKeeper软件评估其表达稳定性。根据每种体液10个样本, 共计50个样本的结果显示, 与U6相比, RNU44、RNU48和U6b在不同体液中表达不够稳定, 且单因素方差分析表明, U6在5种体液中表达差异无统计学意义, 因此更适宜作为内参基因。
针对单个内参基因归一化效果不理想的情况, 许多研究认为将多个内参基因进行组合在理论上可提高归一化的准确性。
2010年Zubakov等[17]应用微阵列筛选5种体液的标记物时, 认为RNU24、RNU44和RNU48在每个样本中显示了相似的表达水平, 且与样本类型无关, 因此将这3个基因作为TaqMan qPCR检测的内参组合。然而, 该研究并未提及这些内参基因的具体表达量, 也并未分析各个基因的稳定性情况, 因此无法得知该研究中内参基因的归一化水平。
2014年Sauer等[8]应用TaqMan qPCR验证了13个文献报道的内参基因, 并采用geNorm、NormFinder和BestKeeper 3种软件综合评估其表达稳定性。根据5种体液单个样本、同种体液不同个体混合样本以及5种体液间混合样本的实验结果, SNORD24(RNU24)、SNORD38B(RNU38B)和SNORD43(RNU43)为最佳内参组合, 因其表现出最稳定的表达水平和最小的预期变异。该研究因SNORD44(RNU44)扩增效率较低(61%), SNORD48(RNU48)存在非特异性扩增, 故将二者排除在分析之外。然而, 这些候选内参中并不包含U6, 因此无法比较U6与内参组合的归一化水平高低。
2015年Sirker等[18]应用TaqMan qPCR验证了10个文献报道的内参基因, 并使用geNorm软件确定miR-92和miR-374作为内参组合。
2017年Sirker等[19]试图使用miR-26b、miR-92、miR-144和miR-484的内参组合进行归一化改进。然而, 选用过多内参会增加实际应用的复杂性, 且这些研究中对于多个内参归一化的一致性缺乏合理解释, 因此仍需进一步讨论。
鉴于越来越多的研究推荐使用组合内参, 一些研究试图对单个内参和组合内参的归一化能力进行比较评价。
2015年Sirker等[18]应用TaqMan qPCR对U6b与内参组合miR-92和miR-374进行了归一化比较评价。然而, 两组内参的归一化效果各异。如对miR-16在不同体液样本中的表达情况进行分析时, 使用U6b作为内参能够区分出血液与非血液样本, 使用内参组合则无法区分; 在对miR-203进行分析时, 则是适用内参组合而不是U6b; 对于miR-451, 虽然内参组合和U6b都能够区分出血液和非血液样本, 但归一化后的数值相差极大。
2018年Fujimoto等[20]应用添加锁核酸(locked nucleic acid, LNA)的SYBR Green qPCR评估了11个候选基因作为内参基因的可行性, 并在使用NormFinder和BestKeeper软件之外, 追加使用R软件中的RankAggreg包对候选基因进行排名计算, 试图对内参基因归一化的一致性进行相关解释, 以确定最佳的单个内参和组合内参。该研究认为, 5S rRNA为单个最佳内参, 且优于常用内参U6; 使用5S rRNA与miR-92a-3p和/或miR-484进行组合可进一步提高归一化质量。
随着研究者对内参基因重要性的认识不断增强, 越来越多的实验室致力于筛选更普适的内参基因用于后续研究。一般来讲内参基因的选择分为高通量筛选及适用性验证两个部分。高通量筛选目前常用的方法包括微阵列芯片及下一代测序, 而对筛选出来的基因进行验证则需同时进行实验验证与数据评估, 以确保结果的可信度。
微阵列(microarray)是目前广泛应用的高通量miRNA检测技术。其利用芯片上固定的已知序列探针与待测样本进行核酸杂交, 通过相应位置的荧光信号反映特定miRNA的表达丰度[21]。微阵列可同时并行检测数百个miRNA, 多用于miRNA的初筛, 在法医体液相关标志物的筛选中应用较广。
随着下一代测序(next-generation sequencing, NGS)的发展, 通量更高、数量更多的高效率检测已被广泛应用于各个领域。应用small RNA-seq等技术可对特定样本中的miRNA进行深度测序, 直接反映出目的miRNA的含量。NGS还可发现新的miRNA,
并根据研究需求实现miRNA的筛选及表达谱检测[22]。尽管目前在体液鉴定中应用NGS技术筛选稳定表达miRNA的报道较少, 但该方法在理论上具有可行性。然而, 高通量检测对miRNA的质量和完整性要求很高[6], 且测序费用高, 数据分析、处理复杂, 具有一定的限制性。
高通量筛选虽全面有效, 但只是反映特定样本中整体的基因表达趋势, 因此筛选结果仍需进行实验验证。qPCR灵敏度更高、特异性更优, 可同时检测多个样本中有限数量基因的表达水平, 适用于高通量筛选结果的验证。
目前法医学miRNA相关检测主要应用SYBR Green qPCR与TaqMan qPCR两种方法[23]。应用SYBR Green qPCR的优势在于经济便捷、模板通用性好; 而应用TaqMan qPCR可实现探针与靶序列的特异性结合, 提高检测的准确度[24]。
扩增效率(PCR efficiency)是qPCR实验优化程度以及重复性好坏的重要指标[25]。内参基因作为相对定量的内部参照, 其扩增效率的细微差别将导致目的基因相对表达倍率的较大差异。
目前较常用的扩增效率评估方法是基于qPCR构建标准曲线, 即将内参基因标准品或是样本RNA逆转录为cDNA, 进行一系列的等浓度梯度稀释, 利用qPCR构建平均Ct值与稀释倍数对数值之间的线性关系, 从而计算扩增效率大小。大多数研究认为相对定量中目的基因与内参基因的扩增效率应皆处于90%~105%之间。
由于候选内参的比较过程中并无其他归一化参照, 因此对qPCR数据的准确解释与评估至关重要。对此, 许多研究者提出了衡量候选基因表达稳定性的方法, 如geNorm[26]、NormFinder[27]和BestKeeper[28]软件。
geNorm和NormFinder要求对每个候选内参的相对表达值进行比较, 即以2-Δ Ct的形式进行基因内归一化, 通过计算各个基因的稳定性值来确定恰当的内参。然而, geNorm通过两两比较, 可确定给定基因集中最适内参的数量, 并选出两个或两个以上的候选内参[11, 26]; 而NormFinder考虑了样本的组内和组间差异, 并可确定唯一的最佳内参[9, 27]。BestKeeper则要求将qPCR 3次重复的几何平均值作为输入数据, 按高相关性、低标准差、低变异系数的标准确定最优内参[28]。BestKeeper不仅可用于评估候选内参的稳定性, 也可分析目的基因的表达情况, 但对基因和样本的数量有限制(目的基因和内参基因上限均为10, 样本上限为100)。
内参基因的选择是相对定量研究必须面对的难题。一方面, 尽管有大量研究, 但迄今尚未发现适用于所有条件的理想内参; 另一方面, 使用错误内参将会导致差异甚至是错误的结果。因此, 慎重选择特定样本、特定条件下的恰当内参尤为关键。而miRNA体液鉴定相对定量的方法目前尚无统一规范, 选择内参基因也面临诸多挑战。
首先, 法医物证体液鉴定具有特殊性。从目的看, 其要求能够区分出尽可能多的体液类型, 因此需要对多种体液进行归一化, 而这相比于对特定样本类型进行疾病诊断更为复杂。从基因表达看, 其理想内参需要在多种样本中具有相对稳定的较高表达, 然而受miRNA表达固有特性制约, 样本类型的增加使筛选表达量高、稳定性优的候选内参难度加大。从样本制约性上看, 体液检材质量相对较差, miRNA含量低, 提取困难, 加之还存在年龄、降解、腐败等因素的影响, 此又为内参基因的筛选与应用带来更大挑战[29]。
其次, 不同研究qPCR检测方法不同。SYBR Green法因经济便利、模板通用性好, 是miRNA体液鉴定中广泛采用的方法; 但不同研究间引物序列不同会使目的内参扩增效率不一, 进而会对归一化效果产生一定影响。TaqMan法虽然特异性好、准确度高, 但其对探针和引物的设计要求较高, 且大多为直接购入而非自行设计, 价格昂贵[24]。两种qPCR方法各有利弊, 均被广泛使用, 内参基因也需进行统一。因此, 如何平衡两种qPCR方法所用内参归一化性能的一致性, 是miRNA体液鉴定选择内参基因需要面对的又一难题。
第三, 可作为内参基因的RNA类型多样。目前法医miRNA体液鉴定报道的相关内参基因主要有miRNA、snRNA、snoRNA和rRNA四类。对于miRNA, 虽然许多研究提出miRNA数据归一化也应使用同种基因[7, 9], 但是不同研究对可作为内参的miRNA意见不一, 至今尚未统一相关规定, 因此目前尚无普遍可接受的miRNA内参。对于snRNA, 常用的内参基因是U6b和U6, 其可作为单个内参基因使用, 表达丰度和稳定性较好, 在两种qPCR检测方法中均被使用[13, 16]。U6因在不同体液中表达量和稳定性更好而成为常用内参。对于snoRNA, 不同研究多使用TaqMan qPCR检测, 且使用组合内参归一化[8, 17], 罕有使用SYBR Green qPCR检测的报道。而rRNA通常表达量较高, 作为内参基因具有潜力。其中5S rRNA被报道作为单个内参基因优于U6[20], 但尚需进一步试验比较。选择和使用不同RNA类型的内参基因应始终慎重。
最后, 不同研究评估内参稳定性所用方法存在差别。其一, 由于候选内参的评估过程并无其他归一化参照, 不同基因表达量的差异难以简单分辨, 因此借助软件程序对候选内参进行稳定性评估是必要的[30]。而早期的一些研究或是缺少相关实验验证, 或是对实验数据的解读不充分, 因而欠缺说服力。其二, 由于不同软件评估内参的侧重点不同, 因此对软件的使用要尽量全面。综合使用geNorm、NormFinder和BestKeeper对候选内参进行综合分析, 可避免应用单一软件造成选择偏差。
miRNA作为法医物证体液鉴定的新型标记具有重要应用价值, 然而获取准确、可靠的相对定量数据的前提, 是使用恰当的内参基因。
随着法医物证相关鉴定规范的不断完善, 对于内参基因的筛选与评估方法也在不断优化, 但在最优内参的确立上仍意见不一, 这也对miRNA体液鉴定相关研究者提出了要求。在最优内参尚未统一的情况下, 尽管许多研究推荐使用2~3个基因作为内参组合以提高归一化的准确性, 但这些基因归一化的一致性仍需进一步研究, 实际应用也需进一步讨论。
因此, 我们建议相关研究者在特定研究中对于内参基因的选择需要有充分的数据支持, 一方面可继续对前人报道的内参基因择优验证, 另一方面也可在特定样本组合中自行筛选内参基因作为补充。
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