HPV病毒的通用通常引物检测.docx

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HPV病毒的通用通常引物检测

HPV病毒的常用通用引物检测

摘要研究表明，HPV病毒感染与人体多种肿瘤的发生相关。

对感染个体的病毒检测具有重要的疾病诊断、治疗、预防意义。

但目前缺乏可以兼顾敏感性、特异性、操作简单，可以大规模推广使用的可靠检测方法。

对待测样本进行PCR检测仍是目前实验室最多采用的检测方法。

PCR具有高敏感、易操作的优点，但其反应的灵活性和极高的敏感性，也带来了假阳性和假阴性的问题。

针对HPV病毒L1序列保守区域设计的通用引物检测，最常被应用于大样本检测。

通用引物可以在一次PCR反应中同时检测多种型别的HPV病毒感染，与序列特异PCR检测相比，可以大大减少检测的工作量。

但其缺点在于，通用引物仅与某个或少数HPV型序列匹配，而对于多数型别HPV，引物结合区都存在或多或少的碱基错配。

这使得通用引物对不同型别的HPV扩增效率不同。

因此，使用通用引物检测HPV感染时，对于某些与引物匹配较差的HPV型别，其感染情况往往可能被低估。

目前常用的通用引物根据设计原则不同分为三类：

1）单一引物如：

GP5+/6+。

2）简并引物如：

、MY09/11。

3）混合引物如：

SPF1/2。

个型通用引物都有其各自的优缺点，需要根据特定试验的目的、条件选用合适的通用引物进行检测。

【关键词】HPV病毒；通用引物；单一引物；简并引物；混合引物

HPV病毒是一种亲上皮细胞的双链DNA病毒，其基因组长约7900bp。

目前约共发现约200多型HPV病毒。

该病毒主要感染皮肤和粘膜的上皮细胞，造成上皮增生甚至恶性转化[1][2][3]。

人们已经在生殖道检测到超过40型的HPV，其中许多与宫颈内皮增生及宫颈癌密切相关，如：

16、18、31、33、35等，这部分HPV病毒被称为高危型[4][5]。

而HPV6、11等型别主要存在于良性病变中，多造成生殖道疣等疾病，被称为低危型[6][7]。

但人为区分的高危型和低危型并不是绝对的，因为在一些癌变中确实也存在所谓的低危型HPV[8]。

多数HPV病毒对人体的感染都是一过性的，病毒很快会被人体免疫系统清除。

但少数情况下，病毒整合入宿主基因组DNA，转变为持续感染[9]。

这种感染方式被认为与感染部位的恶性病变相关[10]。

接近100％的宫颈癌样本中都可以检测到HPV病毒的存在[11][12]。

据估计，每年约290,000人死于宫颈癌。

同时每年有490,000例新发宫颈癌病例[13]。

因此，对HPV病毒有效的检测方法，将具有重要的临床和社会意义。

目前，HPV病毒尚不能人工体外培养，而HPV的血清学检测技术也不成熟。

因此，对HPV感染的检测方法仍然局限于使用分子生物学的方法在待测样本中直接检测，如：

原位杂交、液相杂交（杂交捕获技术）等[14][15][16][17][18]。

但是这些方法不但操作复杂，而且敏感性有限。

HPV病毒的PCR检测虽然具备操作简单、高敏感性的优点，但污染严重、容易产生假阳性，因此无法推广到临床应用。

目前尚缺乏一种能克服上述所有缺点，同时保持各自优点的成熟检测方式。

对于具有严格的污染控制，同时需要高敏感、大样本的检测HPV病毒的实验室，使用PCR检测仍是首选方案。

但是鉴于HPV存在如此多的类型，对每一型都使用其特异引物进行PCR检测将是十分巨大量的工作。

同时，序列特异PCR只能扩增序列已知的HPV。

对于未知HPV型或存在变异的HPV则不能有效扩增检测。

因此，人们选取HPV基因组序列中较为保守的L1和E1基因区域设计通用引物，以实现在单一PCR反应中同时检测多种型别HPV的目的[19][20][21]。

本文对目前常用的HPV通用引物进行了综述，在各自引物的序列分析基础上，对其优缺点进行了阐述。

一、HPV病毒的PCR通用引物检测

通常，通用引物的设计遵循三条原则：

1）上下有引物均为惟一序列，通用引物只与某一型或少数几型HPV扩增序列完全匹配。

在多数HPV型的引物结合区域，通用引物均存在或多或少的碱基错配。

使用该种类型的通用引物，应当使用较低的煺火温度，以保证引物可以与存在碱基错配的HPV型结合。

这种通用引物的代表为GP5+/6+[22][23]。

2）通用引物由一系列简并引物混合而成，这些引物的某些特定位点随机出现两到三种不同的碱基，通过这种方法来弥补不同型别HPV在这些位点的序列差异。

简并引物的代表为MY09/11[24]。

3）通用引物的上下游均由一系列不同的引物混合构成，这些引物充分考虑了各型HPV在特定位点的序列差异，在混合引物中，尽量存在与各型HPV均达到碱基完全配对的引物。

对于某些多数HPV都在此处存在较大的序列差异的位点，这种通用引物在此位点引入肌苷来替代常规的碱基。

这一位点的肌苷虽然不能与模板序列形成共价配对，但也不致形成空泡。

这种通用引物与各型HPV碱基配对都较好，因此可以采用较严格的PCR条件。

其检测效率和敏感性也较高。

代表引物为SPF1/2[25]。

各种类型的通用引物都存在其各自的优缺点，本文将分别代表性的介绍这三种通用引物。

1．GP5/6、GP11/12及GP5+/6+通用引物

图1：

GP5/6、GP11/12引物序列及其与9型HPV病毒的匹配情况

小点表示各型HPV序列与引物序列相同，各型HPV序列与引物序列的差异用相应碱基字母标出

GP5/6和GP11/12通用引物由PeterJ.F.Snijders等于1990年发表，其目的是开发一种可以方便、敏感的HPV广谱检测方法[26]。

这两对通用引物都扩增HPVL1基因的一段保守序列。

其中，GP5/6针对感染生殖道的HPV类型如：

HPV6b、16、18、33型，GP11/12针对感染皮肤的HPV类型如：

1a、5、8型等。

与以往的序列特异引物相比，GP5/6和GP11/12通用引物在大规模检测HPV病毒时具有较显著的优势。

它实现了高通量检测，只需通过一次PCR反应，就可以扩增样本中的多种不同类型HPV病毒。

虽然该引物只与少数几型HPV病毒序列完全匹配，多数型别的HPV病毒在引物结合区都存在碱基错配，但作者的研究证实，当错配在三个以下时，并不会显著影响PCR的扩增效率。

不可否认，使用该通用引物扩增HPV病毒序列存在许多局限性。

首先，由于错配序列的存在，引物与模板的结合势必受到影响，这将大大降低PCR扩增的效率。

因此，使用这两对通用引物进行PCR扩增时，常常需要使用与平常不同的PCR反应条件。

作者推荐了40度的退火温度及3.5到10mM的Mg离子浓度。

在这种情况下，尤其是扩增模板的拷贝数较低时，PCR扩增产物往往会产生许多非特异条带，影响研究人员对结果的判断。

对于包含较多非特异条带的PCR产物分析，作者推荐使用southblot杂交的方式进行。

其次，在作者发表这两对引物时，仅有9种类型的HPV病毒序列得到测定，现在已知的多数HPV病毒类型的序列仍然处于未知状态。

因此，作者设计GP5/6和GP11/12时可用的HPV病毒序列信息是有限的，不可避免存在较大的改进空间。

虽然具有局限性，但这两对通用引物尤其是GP5/6及其衍生物仍然是十分成功的，因为它较早的实现了高通量HPV病毒检测[27]。

图2：

GP5+/6+引物序列及其与23型HPV病毒的匹配情况

小点表示各型HPV序列与引物序列相同，各型HPV序列与引物序列的差异用相应碱基字母标出

对通用引物GP5/6的序列分析，发现HPV病毒序列的引物结合区域向3′端延伸仍然存在数个碱基的保守序列。

据此，Ana-MariadeRodaHusman等通过对GP5/6通用引物的改进发展了新的通用引物，称为GP5+/6+[28]。

由于引物结合区域配对碱基序列比GP5/6多，GP5+/6+具有相对较高的特异度和敏感度。

在对22例克隆的HPV病毒序列扩增实验中，GP5+/6+的敏感度比GP5/6高10到100倍。

并且在对PCR产物的电泳分析发现，GP5+/6+产物的特异度好，杂带少。

GP5+/6+通用引物的检测敏感性仍然与引物结合区域的碱基匹配程度相关。

当GP5+/6+引物与模板匹配较好时，可以检测到飞克（femtogram）水平的病毒序列，而当其中一个引物或引物对与模板存在4个或更多碱基错配时，只可以检测到皮克（picogram）水平。

将GP5引物向3′端延伸三个碱基，有TAC或CAC两种选择（如图2所示）。

研究发现，当选择CAC序列时，引物内部容易形成六个碱基的互补结构，这样的结构会促使引物二聚体的形成，反而使检测敏感性下降。

选择TAC序列则不会出现此情况。

与此相同，GP6引物向3′端延申有两种选择（5'TACTC3'或5'TATTC3'），根据同样原因而选择了5'TACTC3'序列。

虽然GP6+引物的3′端仍然存在3个碱基的保守序列，但研究者并没有继续向外延伸，因为那样将会使两条引物的Tm值相差过大。

并且，引物过长，必然需要提高PCR反应的煺火温度，这也不利于与引物存在较多剪辑错配的HPV型的检测。

虽然比起GP5/6来说，GP5+/6+引物在多数HPV型中都引入了一个或更多的碱基错配，但是这对引物总体上提高了引物与模板的结合能力，使用这对引物进行PCR反应可以获得更好的特异性和敏感性。

研究人员对GP引物的改进，并没有局限在序列的优化方面。

MarkFEvans等发展了递减PCR（TouchdownPCR）的方法来获得更敏感及更特异的PCR扩增[29]。

递减PCR通过在PCR的前几个循环使用严紧的退火条件提高特异性。

循环设在比估算的Tm高大约5℃的退火温度下开始，然后每个循环降低1℃到2℃，直到退火温度低于Tm5℃。

因此，在反应的前几个循环，特异性最高的目的片段会被优先扩增，这些产物在随后的循环中继续扩增占据优势。

这样就允许后续循环中使用较低的煺火温度而不至于影响反应的特异性。

递减PCR可以很好的扩增模板很少的样本以及与通用引物序列结合区域存在较多错配的HPV类型。

在作者发表的论文中，使用TouchdownPCR检测宫颈癌样本比经典的GP5+/6+PCR条件发现了更高的阳性率和更多的感染型别。

另外，经典的GP5+/6+PCR条件检测26例乳腺癌样本的阳性率为19％，而使用TouchdownPCR检测的阳性率为58％。

通过对宫颈脱落细胞样本检测研究表明，使用GP5+/6+进行PCR后，产物凝胶电泳分析时的敏感性比GP5/6提高11％。

如果使用混合探针对PCR产物进行杂交分析，敏感性提高4％。

但是，在GP5+/6+阳性而GP5/6阴性的样本中，不包括六种在宫颈中常见的HPV类型。

这是因为这些HPV型的引物区序列本生就与引物匹配性很好，引物的修改没有显著的增加其扩增效率。

GP5+/6+虽然具有较高的扩增效率，也仍然存在一些缺陷，如对HPV52一种常见的宫颈高危HPV扩增效率不高[30]。

但作为一种成功的通用引物，GP5+/6+对于大规模人群筛查，及多种类型HPV感染，HPV多重感染样本的检测具有意义[31]。

图3：

GP5+/6+的普通PCR条件和TouchdownPCR反应条件比较

2、MY09/11/HMB01及PGMY09/11通用引物

图4：

MY09/11/HMB01引物序列及其与18型HPV病毒的匹配情况

小点表示各型HPV序列与引物序列相同，各型HPV序列与引物序列的差异用相应碱基字母标出

简并碱基表示如下：

M＝A或C,W＝A或T,Y＝C或T,R＝A或G

MY09/MY11由Manos等于1990年最早发表[24]。

当时，仅有HPV6、11、16、18、33五种病毒序列被研究人员完全掌握。

所以基于这五种HPV病毒序列，人们选择了L1基因的一段保守序列设计通用引物，并希望该引物可以通过一次PCR过程同时扩增出这五型HPV病毒。

为了推广应用该引物，研究人员假定其他序列没有完全知道的HPV病毒基因序列在这一段也是保守的，同样适用于该引物扩增。

事实上，MY09/MY11引物只与HPV6型的引物结合区域序列完全匹配，其它几型都存在在一些碱基位点的序列差异。

为了使引物能够更好的与存在序列差异的结合区煺火，该引物的设计者采用了简并碱基的方式。

因此，MY09/MY11是由24条序列存在差异的不同引物混合而成的。

事实证明，MY09/MY11是十分成功的通用引物[32][33]。

它可以有效扩增超过30型的生殖道HPV病毒。

MY09/MY11扩增约450bp长的片段，可以为研究人员提供较多的病毒序列信息[34][35][36]。

但是作为简并引物，MY09/MY11的缺点也很明显的。

简并引物的合成需要在引物序列的特定位点随机插入两到三种不同的碱基，这一过程是不可控制的，导致人们无法保证在混合引物中每一种特定的引物序列都能够以相同的几率出现。

因此，不同批次合成的MY09/MY11实际存在差异，而这种差异往往导致不同批次合成的引物对相同样本中病毒的扩增也会出现效率不同的问题。

这种缺点对于需要扩增条件稳定、试验结果均一、的大样本病毒感染率检测是十分不利的。

图5：

PGMY09/11引物组成

PGMY09－I和PGMY09－P5′端删除两个碱基，避免引物出现内部发卡结构，影响PCR扩增。

HMB01设计针对HPV51型，此型病毒为高危型，并且PGMY引物不能有效扩增。

P.E.GRAVITT等针对MY09/11的缺点进行了改进，于2000年发表了PGMY09/11通用引物[37]。

PGMY通用引物的引物结合区域与MY09/11相同。

但该引物不使用简并引物，而使用了与SPF1/2相似的混合引物。

研究人员通过序列分析，将已知的HPV病毒序列根据MY09/11引物结合区域相似性分组，再根据每组的序列匹配性，设计了由5条序列组成的PGMY11，及由13条序列组成的PGMY09。

PGMY09/11避免了使用简并引物，混合引物中每条引物都是单独合成并以相同的比例掺入到混合引物池中。

PGMY09/11通用引物保证了每条引物都能以固定比例存在，从而确保了不同批次合成引物的均一性。

在一项研究中，科研人员使用MY09/11和PGMY09/11分别检测了262例宫颈脱落细胞样本。

[38]结果发现，PGMY09/11的阳性样本比MY09/11多20例（62.8%：

55.1%）。

同时，PGMY09/11的多重感染检测率也比MY09/11高（40.0%：

33.8%）。

HPV26,35,42,45,52,54,55,59,66,73,和MM7型使用PGMY09/11的检测率比MY09/11高25%。

所以，PGMY09/11引物提供了一种比MY09/11更加敏感、特异的检测方法[39][40][41][42]

3、SPF1/2通用引物

图6：

SPF1/2引物及探针组成

i代表次黄嘌呤核苷（inosine）

图7：

SPF1/2引物结合区域38型HPV病毒的碱基位点差异

以HPV16型为代表，小点表示各型HPV序列与其序列相同，各型HPV序列与HPV16型序列的差异用相应碱基字母标出

由于现存的通用引敏感性较低、包括的HPV类型局限等问题，BernhardKleter等于1998年发表了SPF1/2通用引物[25]。

希望开发一种敏感性高、检测类型广谱的通用引物。

SPF1/2同样扩增L1基因的一段保守序列。

其上游引物位于GP5+引物的结合区域内，下游引物位于MY09引物的结合区域内。

该引物对仅扩增一段65bp长的核酸片段，产物需要使用混合探针杂交系统来分辨[43]。

SPF1/2通用引物采用了混合引物池的方法，其中，SPF1由四条引物构成，SPF2由两条混合引物构成（见图6）。

同一引物池中的引物序列仅有个别碱基的差别。

而这些差别正好对应了不同类型HPV在该位点的差异（见图7）。

SPF通用引物可以高效的扩增多达43型的HPV病毒。

并且，与GP5+/6+及MY11/09相比，具有如下优势：

1）SPF1/2的扩增片段只有65bp，而GP5+/6+及MY11/09的扩增片段分别为150bp和450bp。

而PCR的特性导致较短的片段往往具有较高的扩增效率[44][45]。

2）PCR的效果与实验样品DNA的质量息息相关，一些样本如石蜡提取样本的DNA质量往往较差。

此时，扩增短片段的SPF1/2就具有比扩增较长片段的GP5+/6+及MY11/09具有更大优势[46]。

3）SPF1/2是混合引物，比GP5+/6+及MY11/09与扩增模板的匹配性更好，错配更少。

并且，SPF1/2引物的3′端与大多数型别HPV都高度匹配，因此具有更高的扩增效率。

[47][48]。

4）SPF1/2不但可以高效扩增感染生殖道的HPV型，还可以扩增皮肤型的HPV病毒如：

3、4、5、8、27、32、37、65、71等。

图8：

MY09/11,GP5＋/6＋,和SPF1/2在L1基因的位置及扩增片段

二、结语：

由于MY09/MY11/HMB01,GP5＋/GP6＋,和SPF1/SPF2三种针对HPV病毒L1基因序列的通用引物可以有效的扩增现在已知的大部分HPV病毒，尤其是感染生殖道的HPV病毒类型。

同时，这些通用引物还可以发现新的病毒型、亚型、及病毒变异体。

因此，这三对通用引物被广泛应用于大样本流行病调查中。

图8表示了本文叙述的三种通用引物在L1基因的位置及扩增片段长短[49]。

由图可知：

SPF1与MY11序列重叠、GP5+与SPF2序列重叠。

不同类型通用引物扩增效率、优势型别不同[50]。

在实验时，根据试验目的选用合适的通用引物就显得非常重要。

SPF1/2扩增短片段，效率最高，适用于各种不同的检测模板。

尤其是DNA模板片段较短时，SPF1/2仍能很好的检测。

但其产物只能通过探针杂交检测，同时它提供的病毒序列信息也十分有限。

MY11/09扩增450bp长短的序列，可以提供较多的病毒序列信息，但该引物对模板质量要求较高，如石蜡提取样本就不适合使用该引物检测。

GP5+/6+扩增片段长度中等，是目前最为常用的通用引物。

不同的通用引物，PCR扩增效率不同[51]。

而且，当同一个样本中同时存在多种HPV类型感染时，通用引物扩增往往存在竞争抑制。

这时，多重感染就很难正确检测[52]。

特别是存在较多碱基错配的HPV，及感染量很低的样本，就很难被检测到。

针对通用引物的这些缺点，研究人员尝试了许多解决方案，如：

将SPF1和GP6＋配合使用，改造GP5+/6+单一引物，使其成为类似SPF1/2的混合引物，结合PCR、限制性酶切长度多态分析、探针杂交[53]等。

合理选用通用引物，灵活掌握使用方式，勇敢尝试变通，严格的质量控制，这些都是通用引物检测HPV病毒感染的成功关键[54][55]！

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