聚合酶链反应
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密码子的第3位。
引物5′端 可被修饰:加酶切位点、标记生物素等 引物之间 不应互补,尤应避免3′端的互补 引物自身 不应存在互补序列
三、 PCR扩增产物分析
疑胶电泳分析法 通过凝胶电泳检测扩增产物片段大小,若特异扩 增出一条带,该法即可判断结果。
注意平行对照:
• DNA分子量标准物 阳性对照 阴性对照 内参照
变性、退火及延伸的温度与时
间、循环次数
模板 primers water
PCR反应体系---模板
DNA、RNA
影响PCR的主要因素是模板的数量和纯度,样品尽量纯 净,不要有核酸酶、蛋白水解酶等的污染;一般反应中的 模板数量为102 ~105 个拷贝
PCR反应时模板应充分变性
模板量过多可能增加非特异性产物。
基因 片段长 位点 度(bp)
CCATACCGACCACACCGACGA 51~71 147
GGTAGTTGGTCGTTCGCGGAC 166~198
引物设计应注意的问题
以电脑软件指导引物设计。 引物长度 15~30个碱基 G+C含量 40%~50%为宜 4种碱基随机分布 尽量避免>4个单一碱基连续排列 引物3′端 尽量不选用T碱基 ,不能进行修饰,不终止于
• 一般用量0.5~2.5U/50ul,酶量过多易导致非特
异性产物
Taq DNA聚合酶
• 分离:1969年,美国黄石国家公园 温泉
• 分子量:94KDa • 活性:在几种水生栖热菌中活性最
高,200 000U/mg
thermostable DNA polymerases
①Taq DNA polymerase ②Tth DNA polymerase—from T.thermophilus ③VENT DNA polymerase—from T.litoralis ④Sac polymerase ⑤pfu polymerase
•基因诊断
本实验课介绍的是经典PCR技术
9700型PCR仪
PCR 循环 第一步 – 加热变性
靶序列 靶序列
PCR 循环第二步 – 引物与靶序列退火
靶序列
primer2
pprriimmeerr11
靶序列
PCR 循环第三步 - 引物延伸
primer2
Taq DNA Polymerase
• 退火时间通常30~60s。
• 延伸 延伸温度通常为70~75℃,常选72 ℃,接近于Taq DNA聚
合酶最适反应温度75℃; 延伸时间根据所选Taq DNA聚合酶和扩增 片段长度,一般在扩增反应完成后,都需要一步较长时间的延伸反 应(5~10min),以获得尽可能完整的产物, 这对以后进行克隆或测序 反应可能很重要
的长短取决于引物的碱基组成、引物的长度、引物与模板的配对程度 以及引物的浓度。实际使用的退火温度比扩增引物的Tm值约低5℃。 一般当引物中GC含量高,长度长并与模板完全配对时, 应提高退火温度。 退火温度越高, 所得产物的特异性越高,有些反应甚至可将退火与延 伸两步合并,只用两种温度(例如用68℃和94℃)完成整个扩增循环, 既 省时间又提高了特异性;但温度过高易使DNA扩增效率下降。
-20℃保存,使用时稀释为10pmol/ul • 引物浓度 引物使用浓度一般在0.1~1.0μM,浓度太高会产生非特异
扩增或产生引物二聚体, 过低则降低PCR扩增产物产量
引物稀释计算方法
方法一 :
㈠ Primer合成量为1OD ;引物长度=20bp;A/G/C/T平均分 子量=324 ,因此,总分子量=20×324=6480
• 特点 特异性强 灵敏度高 操作简便、省时 对待检材料质量要求低
㈠ PCR过程
• 由DNA模板变性、模板与引物结合(退 火)、引物延伸3个步骤组成的不断重复过 程。每次重复的3个步骤称为1个周期。
• 步骤转换通过
温度转换来控 制。
变性 94℃
• 在自动化热循
延伸
退火
环仪上实施。
74℃
50℃
㈡ PCR反应体系
防止PCR污染㈠
• 合理分隔实验室 样品的处理、配制反应液、循环扩增及产 物的鉴定. 实验前应用紫外线消毒以破坏残留的DNA或RNA
• 预混和分装PCR试剂 所有的PCR试剂都应小量分装, -20℃保存
• 设立适当的阳性对照和阴性对照 为确保结果的可肯定性, 设置阳性及阴性或空白对照。每次反应都应有一管不加模板 的试剂对照 及相应不含有被扩增核酸的样品作阴性对照
聚合酶链 反应技术
◎聚合酶链反应(polymerase chain reaction, PCR)
• 定义 这是一种在体外由引物(primers)介导的DNA序 列酶促合成反应,又称基因扩增技术。
耐热DNA聚合酶 TaqDNA聚合酶由嗜热水生菌(Thermus aquaticus, Taq)
YT-1菌株中分离提取的。
三 聚合酶链反应
(Polymerase Chain Reaction,PCR)
一、PCR反应原理及应用
• PCR方法进行基因扩增过程类似于体内DNA的复制 过程。即在体外由引物(primers)介导的DNA序列酶促 合成反应,又称基因扩增技术。
•
特点:特异性强、灵敏度高、操作简便、省时、
对待检材料质量要求低
引物分子量
PCR反应体系--- 4种三磷酸脱氧核苷酸
(dNTPs)
• dATP、dGTP、dCTP、dTTP四种等摩尔浓度混合,作 为DNA聚合酶的底物。一般PCR反应中dNTPs使用浓度 20~200 µmol/L, 4种dNTPs的浓度应该相等,以减少 PCR合成中由于某种dNTPs的不足出现的错误掺入。对 基因组DNA或较长的目标物,提高dNTPs浓度会有效
• 5’端序列对PCR影响不太大,因此常用来引进修饰位点或标记物
PCR反应体系--引物
• 引物纯度和稳定性 合成引物的标准纯度对于大多数PCR应用是足 够的。通常可用去离子溶引物,注意: 实验室使用的水pH经常偏酸, 容易引起寡核苷的水解,此时,可用TE 缓冲液溶解;
• 引物贮存 公司合成的引物通常为干粉,开盖前应先离心。为使核酸 可以长期稳定保存,应用去离子水或TE溶解为100pmol/ul 贮存浓度,
果。
• 保存:购买的dNTPs应适量分装, -20℃保存,避免污
染和反复冻融。
• PCR反应体系---镁离子浓度(Mg2+)
作用 对Taq DNA聚合酶进行热激活。 Mg2+浓度 对Taq DNA聚合酶影响很大,它可影响酶的活性和真实 性,影响引物退火和解链温度, 影响产物的特异性以及引 物二聚体的形成等
通常PCR引物反应需要的MgCl2终浓度为1.5 mmol/L (0.5~2 mmol/L ),如果扩增效果不好,可调整 镁离子浓度
• PCR反应体系--- 10×PCR buffer
维持反应体系pH值
PCR反应体系--- Taq DNA聚合酶
• Taq DNA聚合酶是PCR反应的重要组成部分。 Taq DNA聚合酶从5’-3’端合成DNA,具有很强 的DNA聚合能力。Taq DNA聚合酶无3’-5’端外 切酶活性,DNA扩增时没有校正功能。扩增延 伸反应后,在PCR产物3’末端附加单个碱基A, 利用此特性可将PCR产物直接进行T/A克隆。
㈡寡合苷酸 1OD 260=33ug/ml 所以:33ug/6480= 0.0050925 um =5.0925nm = 5092.5pm
㈢水稀稀释释该引50物92,.5贮pm存o浓l/1度00为pm10o0l=p5m0o.9lu/ul l(。H2O)即,用50.9ul
方法二:预稀释引物的微升数(ul)=合成OD数×33×10000
primer1
第1个 PCR 循环完成后 – 得到两个拷贝的靶序列
Polymerase Chain Reaction
PCR反应体系
• 模板
• 引物
• dNTPs
• Mg2+ • 10×PCR buffer • Taq 酶 • 循环参数:
dNTPs 10×PCR buffer
MgCl2 Taq酶
50ul PCR 反应体系为例 人基因组DNA 大肠杆菌基因组DNA λDNA 质粒DNA
0.1~1μg 10~100ng 0.5~5ng 0.1~10ng
PCR反应体系----引物设计
• 引物设计是PCR反应中最重要的一步 引物序列与模板DNA待扩增区两侧的碱基序列互补
• 引物与引物之间避免形成稳定的二聚体或发夹结构 • 引物不能在模板的非目的位点引发DNA聚合反应(即错配)
内源DNA:不同来源的酶可能由于制备过程中 残留的原细菌DNA或PCR产物的污染而含 有不明来源的DNA。在使用扩增保守序列 的通用引物时,会在无模板对照管出现扩 增带。
保存:在-20℃至少6个月。
实验条件对PCR反应的影响
• PCR反应参数:变性温度与时间、退火温度与时间、延伸温度与时间;
•
预变性 第一轮循环前,94℃变性3~5min非常重要,使模板DNA完
• 循环次数 当其它参数确定之后, 循环次数主要取决于模板DNA
浓度、扩增片段的长度。一般而言25~40个循环已经足够。循环次 数过多会使PCR产物中非特异性产物大量增加,而且通常经25~40 个循环扩增后, 反应中Taq DNA聚合酶已经不足
PCR optimization 变性温度和时间 92-95℃,富含G和C的序列,可适当提高,但过高或 时间过长都会导致酶活性损失。 退火温度与时间 引物中G、C含量高、 长度长并与模板完全配对时,应 提高温度。温度越高,产物特异性越高。通常3755℃、1-2分钟。 延伸温度和时间 温度:72℃,接近Taq酶的最适75℃ 时间:过长会导致产物非特异性增加。但对低浓度的 目的序列,则可适当增加时间。 循环次数 循环过多,非特异性产物大量增加
• 引物序列的GC含量一般为40~60%,过高或过低都不利于引发反应, 避开局部富含GC或AT,两引物间最好不存在4个连续碱基的同源性或 互补性
• 引物3’端末位碱基对Taq酶的DNA合成效率有较大的影响。不同的末 位碱基在错配位置导致不同的扩增效率,末位碱基为A的错配效率明 显高于其他3个碱基,因此应当避免在引物的3’端使用碱基A。另外, 两条引物3’端若互补,或者单条引物自身形成发夹结构也可能导致 PCR反应失败
全解链,然后加入Taq DNA聚合酶,可减少聚合酶在低温下仍有活性从
而延伸非特异性配对的引物与模板复合物所造成的错误;变性不完全,
往往使PCR失败,因为未变性完全的 DNA双链会很快复性,减少DNA
产量。对于富含GC的序列,可适当提高变性温度,但变性温度过高或
时间过长都会导致酶活性的损失
• 退火 引物退火温度决定PCR特异性。引物退火的温度和所需时间
Selection for DNA polymerase
Klenow酶 早期采用 该酶不耐热,缺点有 ①温度要求低(37℃),受热即失活; ②产物特异性不高; ③积累大量的失活残酶,使反应产物纯度大大降低; ④扩增的最长序列约400bp(Taq酶则能扩增10kb)
Taq DNA聚合酶
离子需要:对Mg2+、单价离子性质和浓度较 敏感。最适浓度为50mmol/L。
• 模板核酸 DNA
mRNA
• 引物 • TaqDNA聚合酶 • dNTP(三磷酸脱氧核苷) • 缓冲液
• Mg2+
• 循环参数 变性、退火及延伸的温度与时间
循环次数
引物设计
引物序列与模板DNA待扩增区两侧的碱基序列互补。
引物决定了PCR扩增产物的大小,特异性及有效扩增。
上游引物 下游引物
引物序列 (5′~3′)
引物决定了PCR扩增产物的大小,特异性及有效扩增。
上游引物 下游引物
引物序列 (5′~3′)
基因 片段长 位点 度(bp)
CCATACCGACCACACCGACGA 51~71
147
GGTAGTTGGTCGTTCGCGGAC 166~198
PCR反应体系--引物设计
• 引物长度一般为15~30 bp,但进行LA PCR时,引物长度可增长30~ 35bp
忠实性:没有校正单核苷酸错配功能--致命弱 点。一般出错率为2×10-4核苷酸/每轮循环, 利用PCR克隆、测序时尤应注意。
商品化Taq DNA聚合酶比较
Taq DNA聚合酶选择主要j基于:扩增效率、扩增片段长度、保真性、 特异性等
Taq DNA聚合酶
抑制剂:尿素、乙醇、DMSO、DMF、甲酰胺、 SDS•及许多其他化学药剂。
引物5′端 可被修饰:加酶切位点、标记生物素等 引物之间 不应互补,尤应避免3′端的互补 引物自身 不应存在互补序列
三、 PCR扩增产物分析
疑胶电泳分析法 通过凝胶电泳检测扩增产物片段大小,若特异扩 增出一条带,该法即可判断结果。
注意平行对照:
• DNA分子量标准物 阳性对照 阴性对照 内参照
变性、退火及延伸的温度与时
间、循环次数
模板 primers water
PCR反应体系---模板
DNA、RNA
影响PCR的主要因素是模板的数量和纯度,样品尽量纯 净,不要有核酸酶、蛋白水解酶等的污染;一般反应中的 模板数量为102 ~105 个拷贝
PCR反应时模板应充分变性
模板量过多可能增加非特异性产物。
基因 片段长 位点 度(bp)
CCATACCGACCACACCGACGA 51~71 147
GGTAGTTGGTCGTTCGCGGAC 166~198
引物设计应注意的问题
以电脑软件指导引物设计。 引物长度 15~30个碱基 G+C含量 40%~50%为宜 4种碱基随机分布 尽量避免>4个单一碱基连续排列 引物3′端 尽量不选用T碱基 ,不能进行修饰,不终止于
• 一般用量0.5~2.5U/50ul,酶量过多易导致非特
异性产物
Taq DNA聚合酶
• 分离:1969年,美国黄石国家公园 温泉
• 分子量:94KDa • 活性:在几种水生栖热菌中活性最
高,200 000U/mg
thermostable DNA polymerases
①Taq DNA polymerase ②Tth DNA polymerase—from T.thermophilus ③VENT DNA polymerase—from T.litoralis ④Sac polymerase ⑤pfu polymerase
•基因诊断
本实验课介绍的是经典PCR技术
9700型PCR仪
PCR 循环 第一步 – 加热变性
靶序列 靶序列
PCR 循环第二步 – 引物与靶序列退火
靶序列
primer2
pprriimmeerr11
靶序列
PCR 循环第三步 - 引物延伸
primer2
Taq DNA Polymerase
• 退火时间通常30~60s。
• 延伸 延伸温度通常为70~75℃,常选72 ℃,接近于Taq DNA聚
合酶最适反应温度75℃; 延伸时间根据所选Taq DNA聚合酶和扩增 片段长度,一般在扩增反应完成后,都需要一步较长时间的延伸反 应(5~10min),以获得尽可能完整的产物, 这对以后进行克隆或测序 反应可能很重要
的长短取决于引物的碱基组成、引物的长度、引物与模板的配对程度 以及引物的浓度。实际使用的退火温度比扩增引物的Tm值约低5℃。 一般当引物中GC含量高,长度长并与模板完全配对时, 应提高退火温度。 退火温度越高, 所得产物的特异性越高,有些反应甚至可将退火与延 伸两步合并,只用两种温度(例如用68℃和94℃)完成整个扩增循环, 既 省时间又提高了特异性;但温度过高易使DNA扩增效率下降。
-20℃保存,使用时稀释为10pmol/ul • 引物浓度 引物使用浓度一般在0.1~1.0μM,浓度太高会产生非特异
扩增或产生引物二聚体, 过低则降低PCR扩增产物产量
引物稀释计算方法
方法一 :
㈠ Primer合成量为1OD ;引物长度=20bp;A/G/C/T平均分 子量=324 ,因此,总分子量=20×324=6480
• 特点 特异性强 灵敏度高 操作简便、省时 对待检材料质量要求低
㈠ PCR过程
• 由DNA模板变性、模板与引物结合(退 火)、引物延伸3个步骤组成的不断重复过 程。每次重复的3个步骤称为1个周期。
• 步骤转换通过
温度转换来控 制。
变性 94℃
• 在自动化热循
延伸
退火
环仪上实施。
74℃
50℃
㈡ PCR反应体系
防止PCR污染㈠
• 合理分隔实验室 样品的处理、配制反应液、循环扩增及产 物的鉴定. 实验前应用紫外线消毒以破坏残留的DNA或RNA
• 预混和分装PCR试剂 所有的PCR试剂都应小量分装, -20℃保存
• 设立适当的阳性对照和阴性对照 为确保结果的可肯定性, 设置阳性及阴性或空白对照。每次反应都应有一管不加模板 的试剂对照 及相应不含有被扩增核酸的样品作阴性对照
聚合酶链 反应技术
◎聚合酶链反应(polymerase chain reaction, PCR)
• 定义 这是一种在体外由引物(primers)介导的DNA序 列酶促合成反应,又称基因扩增技术。
耐热DNA聚合酶 TaqDNA聚合酶由嗜热水生菌(Thermus aquaticus, Taq)
YT-1菌株中分离提取的。
三 聚合酶链反应
(Polymerase Chain Reaction,PCR)
一、PCR反应原理及应用
• PCR方法进行基因扩增过程类似于体内DNA的复制 过程。即在体外由引物(primers)介导的DNA序列酶促 合成反应,又称基因扩增技术。
•
特点:特异性强、灵敏度高、操作简便、省时、
对待检材料质量要求低
引物分子量
PCR反应体系--- 4种三磷酸脱氧核苷酸
(dNTPs)
• dATP、dGTP、dCTP、dTTP四种等摩尔浓度混合,作 为DNA聚合酶的底物。一般PCR反应中dNTPs使用浓度 20~200 µmol/L, 4种dNTPs的浓度应该相等,以减少 PCR合成中由于某种dNTPs的不足出现的错误掺入。对 基因组DNA或较长的目标物,提高dNTPs浓度会有效
• 5’端序列对PCR影响不太大,因此常用来引进修饰位点或标记物
PCR反应体系--引物
• 引物纯度和稳定性 合成引物的标准纯度对于大多数PCR应用是足 够的。通常可用去离子溶引物,注意: 实验室使用的水pH经常偏酸, 容易引起寡核苷的水解,此时,可用TE 缓冲液溶解;
• 引物贮存 公司合成的引物通常为干粉,开盖前应先离心。为使核酸 可以长期稳定保存,应用去离子水或TE溶解为100pmol/ul 贮存浓度,
果。
• 保存:购买的dNTPs应适量分装, -20℃保存,避免污
染和反复冻融。
• PCR反应体系---镁离子浓度(Mg2+)
作用 对Taq DNA聚合酶进行热激活。 Mg2+浓度 对Taq DNA聚合酶影响很大,它可影响酶的活性和真实 性,影响引物退火和解链温度, 影响产物的特异性以及引 物二聚体的形成等
通常PCR引物反应需要的MgCl2终浓度为1.5 mmol/L (0.5~2 mmol/L ),如果扩增效果不好,可调整 镁离子浓度
• PCR反应体系--- 10×PCR buffer
维持反应体系pH值
PCR反应体系--- Taq DNA聚合酶
• Taq DNA聚合酶是PCR反应的重要组成部分。 Taq DNA聚合酶从5’-3’端合成DNA,具有很强 的DNA聚合能力。Taq DNA聚合酶无3’-5’端外 切酶活性,DNA扩增时没有校正功能。扩增延 伸反应后,在PCR产物3’末端附加单个碱基A, 利用此特性可将PCR产物直接进行T/A克隆。
㈡寡合苷酸 1OD 260=33ug/ml 所以:33ug/6480= 0.0050925 um =5.0925nm = 5092.5pm
㈢水稀稀释释该引50物92,.5贮pm存o浓l/1度00为pm10o0l=p5m0o.9lu/ul l(。H2O)即,用50.9ul
方法二:预稀释引物的微升数(ul)=合成OD数×33×10000
primer1
第1个 PCR 循环完成后 – 得到两个拷贝的靶序列
Polymerase Chain Reaction
PCR反应体系
• 模板
• 引物
• dNTPs
• Mg2+ • 10×PCR buffer • Taq 酶 • 循环参数:
dNTPs 10×PCR buffer
MgCl2 Taq酶
50ul PCR 反应体系为例 人基因组DNA 大肠杆菌基因组DNA λDNA 质粒DNA
0.1~1μg 10~100ng 0.5~5ng 0.1~10ng
PCR反应体系----引物设计
• 引物设计是PCR反应中最重要的一步 引物序列与模板DNA待扩增区两侧的碱基序列互补
• 引物与引物之间避免形成稳定的二聚体或发夹结构 • 引物不能在模板的非目的位点引发DNA聚合反应(即错配)
内源DNA:不同来源的酶可能由于制备过程中 残留的原细菌DNA或PCR产物的污染而含 有不明来源的DNA。在使用扩增保守序列 的通用引物时,会在无模板对照管出现扩 增带。
保存:在-20℃至少6个月。
实验条件对PCR反应的影响
• PCR反应参数:变性温度与时间、退火温度与时间、延伸温度与时间;
•
预变性 第一轮循环前,94℃变性3~5min非常重要,使模板DNA完
• 循环次数 当其它参数确定之后, 循环次数主要取决于模板DNA
浓度、扩增片段的长度。一般而言25~40个循环已经足够。循环次 数过多会使PCR产物中非特异性产物大量增加,而且通常经25~40 个循环扩增后, 反应中Taq DNA聚合酶已经不足
PCR optimization 变性温度和时间 92-95℃,富含G和C的序列,可适当提高,但过高或 时间过长都会导致酶活性损失。 退火温度与时间 引物中G、C含量高、 长度长并与模板完全配对时,应 提高温度。温度越高,产物特异性越高。通常3755℃、1-2分钟。 延伸温度和时间 温度:72℃,接近Taq酶的最适75℃ 时间:过长会导致产物非特异性增加。但对低浓度的 目的序列,则可适当增加时间。 循环次数 循环过多,非特异性产物大量增加
• 引物序列的GC含量一般为40~60%,过高或过低都不利于引发反应, 避开局部富含GC或AT,两引物间最好不存在4个连续碱基的同源性或 互补性
• 引物3’端末位碱基对Taq酶的DNA合成效率有较大的影响。不同的末 位碱基在错配位置导致不同的扩增效率,末位碱基为A的错配效率明 显高于其他3个碱基,因此应当避免在引物的3’端使用碱基A。另外, 两条引物3’端若互补,或者单条引物自身形成发夹结构也可能导致 PCR反应失败
全解链,然后加入Taq DNA聚合酶,可减少聚合酶在低温下仍有活性从
而延伸非特异性配对的引物与模板复合物所造成的错误;变性不完全,
往往使PCR失败,因为未变性完全的 DNA双链会很快复性,减少DNA
产量。对于富含GC的序列,可适当提高变性温度,但变性温度过高或
时间过长都会导致酶活性的损失
• 退火 引物退火温度决定PCR特异性。引物退火的温度和所需时间
Selection for DNA polymerase
Klenow酶 早期采用 该酶不耐热,缺点有 ①温度要求低(37℃),受热即失活; ②产物特异性不高; ③积累大量的失活残酶,使反应产物纯度大大降低; ④扩增的最长序列约400bp(Taq酶则能扩增10kb)
Taq DNA聚合酶
离子需要:对Mg2+、单价离子性质和浓度较 敏感。最适浓度为50mmol/L。
• 模板核酸 DNA
mRNA
• 引物 • TaqDNA聚合酶 • dNTP(三磷酸脱氧核苷) • 缓冲液
• Mg2+
• 循环参数 变性、退火及延伸的温度与时间
循环次数
引物设计
引物序列与模板DNA待扩增区两侧的碱基序列互补。
引物决定了PCR扩增产物的大小,特异性及有效扩增。
上游引物 下游引物
引物序列 (5′~3′)
引物决定了PCR扩增产物的大小,特异性及有效扩增。
上游引物 下游引物
引物序列 (5′~3′)
基因 片段长 位点 度(bp)
CCATACCGACCACACCGACGA 51~71
147
GGTAGTTGGTCGTTCGCGGAC 166~198
PCR反应体系--引物设计
• 引物长度一般为15~30 bp,但进行LA PCR时,引物长度可增长30~ 35bp
忠实性:没有校正单核苷酸错配功能--致命弱 点。一般出错率为2×10-4核苷酸/每轮循环, 利用PCR克隆、测序时尤应注意。
商品化Taq DNA聚合酶比较
Taq DNA聚合酶选择主要j基于:扩增效率、扩增片段长度、保真性、 特异性等
Taq DNA聚合酶
抑制剂:尿素、乙醇、DMSO、DMF、甲酰胺、 SDS•及许多其他化学药剂。