PCR(聚合酶链式反应)原理

PCR(聚合酶链式反应)原理

PCR 是体外酶促合成特异DNA片段的方法，主要由高温变性、低温退火和适温延伸三个步骤反复的热循环构成：即在高温（95℃）下，待扩增的靶DNA双链受热变性成为两条单链DNA模板；而后在低温（37～55℃）情况下，两条人工合成的寡核苷酸引物与互补的单链DNA模板结合，形成部分双链；在T aq酶的最适温度（72℃）下，以引物3’端为合成的起点，以单核苷酸为原料，沿模板以5’→3’方向延伸，合成DNA新链。这样，每一双链的DNA模板，经过一次解链、退火、延伸三个步骤的热循环后就成了两条双链DNA分子。如此反复进行，每一次循环所产生的DNA均能成为下一次循环的模板，每一次循环都使两条人工合成的引物间的DNA特异区拷贝数扩增一倍，PCR产物得以2n的批数形式迅速扩增，经过25～30个循环后，理论上可使基因扩增109倍以上，实际上一般可达106～107倍。

1971年Kleppe等人在Journal of molecular biology上发表文章首次准确、精炼、客观的阐述了PCR方法，1976年一种从嗜热水生菌(Thermus aquaticus)分离得到的热稳定的DNA依赖的DNA聚合酶的应用大大增加了PCR的效率。而现今所发展出来的PCR则是源于由Saiki和Mullis等人于1988年发表在Science上的一篇论文，Mullis当时服务于Perkin Elmer（PE）公司，因此PE公司在PCR界有着特殊的地位。后来PE被Applied Biosystems Inc.（ABI）公司收购、分拆、再转卖，而PCR的专利和倍受信赖的PCR仪器生产和销售就留在ABI名下。到如今，PCR方法愈发趋向自动化，并从中衍生出更多的新技术方法，可以说，PCR技术是支撑现代分子生物学发展的一块重要基石。这种技术的广泛应用催生了一个庞大的市场，多个公司均有各种类型的商品化PCR仪出售。PCR 的专利目前依然掌握在ABI和Roche（罗氏）两大公司手中，去年业界颇为引人瞩目ABI 诉MJ公司侵犯侵犯PCR仪知识产权案最终以MJ败诉并宣布破产、最终被Bio-rad收购暂告一段落。其后还会不会有后继的故事还需拭目以待。

PCR原理

DNA的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。双链DNA在多种酶的作用下可以变性解链成单链，在DNA聚合酶的作用下，以单链为模版，根据碱基互补配对原则复制成新的单链，与模版配对成为双链分子挎贝。在体外实验中发现，DNA 在高温时也可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制DNA的变性和复性，并设计与模板DNA的5’端结合的两条引物，加入DNA聚合酶、dNTP就可以完成特定基因的体外复制，多次重复“变性解链—退火—合成延伸”的循环就可以以几何级数大量扩增特定的基因。

发现耐热DNA聚合酶对于PCR的应用有里程碑的意义，该类酶可以耐受90℃以上的高温而不失活，不需要每个循环加酶，使PCR技术变得非常简捷、同时也大大降低了成本，PCR技术得以大量应用，并逐步应用于临床。

从PCR原理可以看出，PCR仪的关键是升降温的步骤。现在偶尔还能听到一些前辈们笑谈早年的PCR实验如何在3个水浴锅中完成的趣闻。经过不断改进，今天的PCR 已经越来越完善和智能化。出于市场推广的战略需要，各厂家的PCR仪型号不同，着力宣传的技术指标和参数也不尽统一，编者在这里简单列出选购时我们认为应该考虑的常用指标，希望有助于大家选购PCR仪的选购技巧。

PCR仪介绍及其选购

P CR仪的种类总体来说可以分为两大类：PCR扩增仪和实时荧光定量PCR仪，普通的PCR扩增仪又衍生出带梯度PCR功能的梯度PCR仪、和带原位扩增功能的原位PCR仪等等。1996年由ABI公司首先推出将扩增和检测融为一体的实时荧光定量

PCR仪，此后很多公司如Eppendorf、ROCHE、Corbett、MJ等等都先后推出不同款式的定量PCR仪。

一、温度控制

对普通PCR仪来说，温度控制指标主要是指温度的准确性、均匀性、以及升降温速度，对梯度PCR仪来说，除了温度的准确性和均匀性、升降温速度以外，还必须考虑仪器在梯度模式和标准模式下是否具有同样的温度特性。

温度的准确性是指样品孔温度与设定温度的一致性，它直接关系到实验的成败。如果排除样品加入过程中的问题，对于PCR反应而言最重要的莫过于温度控制的准确性，由于PCR是一个几何级数扩增的过程，扩增过程中退火温度的细微变化会被放大而直接影响结果，不论是变性、退火还是延伸都需要准确控制温度，对退火温度而言温控显的尤为重要，有时1度甚至0.5度的差异也能决定实验的成功与失败，所谓差之毫厘，谬之千里。因而对PCR扩增仪而言温度控制就意味着质量。

温度的均匀性是指样品孔间的温度差异，它关系到在不同样品孔进行反应结果的一致性。我们在实验中发现有时用同样的样品，同样的PCR反应程序，最后的结果竟然差异非常明显，或许就是因为不同位置的温度不均一性所致。一些使用过早期PCR 仪的脑子格外灵光的研究人员偏爱使用PCR仪中间某几个固定的孔，就是因为过往反复的教训和认真的思索得出了这样的结论，PCR仪的温度均匀性不好，特别是最外周的样品孔情况更差，很有可能影响实验结果——即“位置的边缘效应”会影响结果的可重复性。正是这种位置效应对定量PCR的结果的影响更为明显，所以后来才有Roche和Cobbett的离心式定量PCR的重大创新。

温度控制除了精确度，还有一个厂家喜欢大力宣传的指标——升降温的速度。更快的升降温速度，可以缩短反应进行的时间，而且缩短了可能的非特异性结合、反应的时间，能提高PCR反应煌特异性。因此从本质而言温控方式就从以前相对稳定耐用的机械式转向了升降温更快速的半导体。除了机械本身的原因，影响升降温速度的还有制作承托样品管的基座模块的材料的导热性。例如ABI早就有升降温速度高达5°C 的黄金基座(不要误会，是银质镀金而已，要是足金在哪儿可都长久不了)，最近eppendorf也推出了升降温速度可达到6℃/秒和4.5/秒的银质模块,是目前同类产品中升降温速度最快的，据厂家资料，一个在其他仪器上原本需要需要40—60分钟的PCR 反应，eppendorf Mastercycler ep(银质模块)只需运行28分钟——别小看这节约下来的几十分钟，一天下来就可以多运行好几轮了。而真正常用而经济的材料是铝合金。

作为用户来说，当然更愿意选择升降温速度快的，这就像汽车上好看的表面配置一样容易看到，而内在的稳定性和耐用性往往是看不到的而容易被忽略。必须注意到，仪器的升降温速度和样品管中的样品的升降温速度并非同一回事，因为样品管与基座接触的紧密性、导热性、邻近样品管的相互影响都会影响样品的实际升降温速度。

现在的PCR仪如ABI,Eppendorf的一般具有两种温控模式，即模块温控模式（Block-control）和反应管温控模式）（tube-control）。在模块温控模式下，机器根据探测器直接探测的温控模块（即承载样品的金属台）的温度进行控制，这种模式适用于长时间的静态孵育（如连接、酶切、去磷酸化等）。反应管温控模式实际上是一种模拟试管/PCR板的温控模式，根据探测器所探测到的温控模块的温度由计算机计算出管内/PCR板孔内样品液的温度来进行控制。一般说来，试管温控更为准确，因为管内样品的温度无法与温控模块同时达到预设温度。特别是PCR反应中的孵育过程一般都很短