引物设计-hyb总结

引物设计
一.引物设计原则
首先引物与模板的序列要紧密互补，其次引物与引物之间避免形成稳定的二聚体或发夹结构，再次引物不能在模板的非目的位点引发DNA 聚合反应(即错配)。

二.引物设计注意的要点
1. 引物的长度一般为15-30 bp，常用的是18-27 bp，但不应大于38，因为过长会导致其延伸温度大于74℃，不适于Taq DNA聚合酶进行反应。

2. 引物序列在模板内应当没有相似性较高，尤其是3’端相似性较高
的序列，否则容易导致错配。

引物3’端出现3个以上的连续碱基，如GGG或CCC，也会使错误引发机率增加。

3. 引物3’端的末位碱基对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，引物二聚体或发夹结构也可能导致PCR反应失败。

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。

4. 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。

上下游引物的GC含量不能相差太大。

5. 引物所对应模板位置序列的Tm值在72℃左右可使复性条件最佳。

Tm值的计算有多种方法，如按公式Tm＝4(G+C)＋2(A+T)，在Oligo 软件中使用的是最邻近法(the nearest neighbor method)。

6. ΔG值是指DNA双链形成所需的自由能，该值反映了双链结构内部
碱基对的相对稳定性。

应当选用3’端ΔG值较低（绝对值不超过9），而5’端和中间ΔG值相对较高的引物。

引物的3’端的ΔG值过高，容易在错配位点形成双链结构并引发DNA聚合反应。

7. 引物二聚体及发夹结构的能值过高（超过4.5kcal/mol）易导致产生
引物二聚体带，并且降低引物有效浓度而使PCR反应不能正常进行。

8. 对引物的修饰一般是在5’端增加酶切位点，应根据下一步实验中要
插入PCR产物的载体的相应序列而确定。

三.引物设计的步骤
1.打开NCBI的主页，选择UniSTS,填写目的基因，选择符合要求的引物，导入blast和primer5检测是否符合要求，如果不符合要求再自己重新设计。

2.打开NCBI页面，选择Gene,填写需要查找的基因及源种（例如小鼠mus）,找到mRNA的序列号，点击打开，找到相应的mRNA，把序列或者mRNA的accession序号导出到word里面，找出含有内含子的位置，做好标记(从进入Gene页面后，点击Genbank,可以了解这个基因的大小，以及内含子与外显子的大小)或者把mRNA的accession序号导入priemer Designing tool里面，扩增产物是200-250，TM 58-62，至少包含一个内含子，内含子长度可慢慢调试，最终要求Tm,GC%都比较接近，同时self3complementarity的值不能超过3，self complementarity不能超过6，这2个值越低越好。

3.根据引物设计原则，从mRNA序列中找相应的序列作为引物，上引物
是5到3，下引物就是与mRNA序列反向互补的。

4.把设计的引物导入blast里检测下在所有基因中是否有非特异性扩增。

5.把全部mRNA序列导入primer5中，查看引物的Tm,GC%含量，是否有发夹结构与二聚体结构，以及错配率，得分，确定引物的可用性。

1.引物是如何合成的？
目前引物合成基本采用固相亚磷酰胺三酯法。

DNA合成仪有很多种, 主要都是由ABI/PE 公司生产，无论采用什么机器合成，合成的原理都相同，主要差别在于合成产率的高低，试剂消耗量的不同和单个循环用时的多少。

亚磷酰胺三酯法合成DNA片段，具有高效、快速的偶联以及起始反应物比较稳定的特点。

亚磷酰胺三酯法是将DNA固定在固相载体上完成DNA链的合成的，合成的方向是由待合成引物的3'端向5'端合成的，相邻的核苷酸通过3'→5'磷酸二酯键连接。

第一步是将预先连接在固相载体CPG上的活性基团被保护的核苷酸与三氯乙酸反应，脱去其5'-羟基的保护基团DMT，获得游离的5'-羟基；
第二步，合成DNA的原料，亚磷酰胺保护核苷酸单体，与活化剂四氮唑混合，得到核苷亚磷酸活化中间体，它的3'端被活化，5'-羟基仍然被DMT保护，与溶液中游离的5'-羟基发生缩合反应。

第三步，带帽(capping)反应，缩合反应中可能有极少数5'-羟基没有参加反应(少于2%)，用乙酸酐和1-甲基咪唑终止其后继续发生反应，这种短片段可以在纯化时分离掉。

第四步，在氧化剂碘的作用下，亚磷酰形式转变为更稳定的磷酸三酯。

经过以上四个步骤，一个脱氧核苷酸被连接到固相载体的核苷酸上。

再以三氯乙酸脱去它的5'-羟基上的保护基团DMT，重复以上步骤，直到所有要求合成的碱基被接上去。

合成过程中可以观察TCA处理阶段的颜色判定合成效率。

通过氨水高温处理，连接在CPG上的引物被切下来，通过OPC, PAGE等手段纯化引物，成品引物用C18浓缩,脱盐，沉淀。

沉淀后的引物用水悬浮，测定OD260定量，根据定单要求分装。

2.引物纯化方式有哪些，如何选择？
◆C18柱脱盐：有人称其为简易反相柱，它对DNA有特异性的吸附，可以被有机溶解洗脱，但不会被水洗脱，所以能有效地去除盐分。

它不能有效去除比目的片段短的小片段。

实际上，它是一种脱盐的作用。

这种方法一般不会对普通PCR反应产生影响。

对于需要用于测序、克隆的引物不能使用这个级别。

◆OPC纯化：OPC纯化是根据DNA保护基（DMTr基）和Cartridge柱中树脂间的亲合力作用的原理进行纯化目的DNA片段。

OPC法纯化的DNA纯度大于95%。

适用于40mer以下引物的纯化。

◆PAGE纯：PAGE纯化法是使用变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，对DNA片段进行分离，然后从凝胶中回收目的DNA的方法。

PAGE纯化法也是一种非常有效的DNA纯化方法，纯化后的DNA纯度大于95%，对长链Oligo DNA (大于50mer)的纯化特别有效。

◆HPLC纯化：HPLC纯化是使用高效液相色谱的原理，对DNA片段进行纯化。

纯度可以大于99%。

主要用于短链和修饰引物的纯化。

该法的弱点是成本较高，批量生产效率不高。

3.引物的OD数如何定量？
答：引物合成引物OD数是这样测定的：用紫外分光光度计，波长260nm，石英比色杯，光程为1厘米，测定溶液的光密度。

测定时溶液的光密度最好稀释到0.2-1.0之间。

DNA干粉用一定体积的水充分振荡溶解以后，用1ml水稀释测OD值。

需要根据稀释倍数换算出母液的OD值。

4.需要什么级别的引物？
答：引物常用的纯化方式C18脱盐，OPC纯化，PAGE纯化，HPLC纯化。

根据实验需要，确定订购引物的纯度级别。

应用引物长度要求纯度级别要求
一般PCR扩增 < 45base OPC
>45 base PAGE
诊断PCR扩增 < 40base OPC, PAGE
DNA测序 20base左右 OPC
亚克隆，点突变等根据实验要求定 OPC, PAGE，HPLC
基因构建（全基因合成）根据实验要求定 PAGE
反义核酸根据实验要求定 PAGE
修饰引物根据实验要求定 PAGE, HPLC
5.最长可以合成多长的引物？
答：引物越长，出现问题的概率就越大。

我们合成过120base的引物，但是产率很低。

除非需要，建议合成片段长度不要超过80mer,按照目前的引物合成效率，
80mer的粗产品，全长（还不一定正确）引物的百分比不会超过40%，后续处理还有丢失很多，最后的产量是很低。

6.需要合成多少OD数？
答：根据实验目的确定。

一般PCR扩增，2 OD引物，可以做200-500次50ul标准PCR反应。

如果是做基因拼接或退火后做连接，1 OD就足够了。

但是有些研究人员，就做几次PCR，但是却要5-10 OD。

做全基因构建的引物都比较长，但是我们有些研究人员也要求高OD数。

片段越长, 最后全长得率就越低，出错的几率就越大。

超出需要之外的OD数要求，其实也是对社会资源的一种浪费，同时也从一个侧面反映了部分研究人员，特别是新手的自信心不足，总觉得需要重复多次才能成功。

7.如何检测引物的纯度？
答：实验室方便的作法是用PAGE方法。

使用加有7M尿素的16%的聚丙烯酰胺凝胶进行电泳。

取0.2-0.5OD的引物，用尿素饱和液溶解或引物溶液中加入尿素干粉直到饱和，上样前加热变性(95℃,2mins)。

加入尿素的目的一是变性，二是增加样品比重，容易加样。

600V电压进行电泳，一定时间后(约2-3小时)，剥胶，用荧光TLC板在紫外灯下检测带型，在主带之下没有杂带，说明纯度是好的。

如果条件许可，也可以用EB 染色或银染方式染色。

8.如何计算引物的浓度？
答：引物保存在高浓度的状况下比较稳定。

引物一般配制成10-50pmol/ul。

溶解前您需要核对合成报告单和引物标签上的引物OD数是否一致。

如果不一致，请和我们联系。

我们可以根据生产记录查到实际产量是多少。

一般情况下，我们建议将引物的浓度配制成50pmol/ul，加水的体积（微升）按下列方式计算：V (微升)= OD数*（乘）33 *（乘）*（乘）20000 / (除) 引物的分子量。

引物的分子量可以从合成报告
单上获得。

如果需要配制成其他浓度，按上述公式换算。

注意：1 OD260= 33 ug/ml.
9.如何计算引物的Tm值？
答：引物设计软件都可以给出Tm，引物长度，碱基组成，引物使用缓冲的离子强度有关。

长度为25mer以下的引物，Tm计算公式为：Tm = 4℃(G + C)+ 2℃(A + T)
对于更长的寡聚核苷酸，Tm计算公式为：
Tm = 81.5 + 16.6 x Log10[Na+] + 0.41 (%GC) – 600/size
公式中，Size = 引物长度。

Tm的定义：Tm = Temperature at which 50% of a given oligonucleotide is hybridized to its complementary strand. In the absence of destabilizing agents, like formamide or urea, Tm will depend on 3 major parameters: The sequence: a GC-rich sequence has a higher melting temperature. The strand concentration: high oligonucleotide concentrations favor hybrid formation, which results in a higher melting temperature. The salt concentration: high ionic strength results in a higher Tm as cations stabilize the DNA duplexes.
10.引物（含修饰）的分子量是如何确定的？
答：非修饰的引物的Molecular Weight在随引物提供的报告单上都有明确的标示。

如果需要估计一个引物的分子量按每个碱基的平均分子量为324.5，引物的分子量=碱基数x 碱基的平均分子量。

或按下列公式计算MW= (NA * WA) + (NC * WC) + (NG * WG) + (NT * WT) +(Nmod * Wmod) ＋（Nx * Wx）+( Ni* Wi) +16* Ns– 62.
NA, NG, NC, NT, Ni分别为引物中碱基A或G或C或T或I的数量，WA, WC, WG, W, Wi分别为引物中碱基A或G或C或T或I的分子量，Nmod，Wmod 分别为修饰基团的数目和分子量。

对于混合碱基的分子量为混合碱基的分子量总合除以混合数，例如G+A混合的分子量为（313.21+329.21）/2 = 321.21。

Ns为硫代数目，硫代每个位置增加分子量16。

常规碱基分子量
Base Molecular Weight
A 313.21
C 289.18
G 329.21
T 304.19
I 314.2
U 290.17
常规修饰基团分子量
5’-Biotin 405.45 3’-TAMARA 623.60
5’-(6 FAM) 537.46 3’-Dabsyl 498.49
5’-HEX 744.13 3’-(6 FAM) 569.46
5’-TET 675.24 3’-Amino Modifier C3 153.07
5’-Cy5 533.63 3’-Amino Modifier C7 209.18
5’-Cy3 507.59 3’-Thiol Modifier C3 154.12
11.如何溶解引物？
答：干燥后的引物质地非常疏松，开盖前最好离心一下，或管垂直向上在桌面上敲敲，将引物粉末收集到管底。

根据计算出的体积加入去离子无菌水或10mM Tris pH7.5缓冲液，室温放置几分钟，振荡助溶，离心将溶液收集到管底。

溶解引物用的水一般不要用蒸馏水，因为有些蒸馏水的pH值比较低（pH4-5）,引物在这种条件下不稳定。

12.如何保存引物？
答：引物合成后，经过一系列处理和纯化步骤，旋转干燥而成片状物质。

引物在溶解前，室温状态下可以长期保存。

溶解后的引物-20度可以长期保存。

如果对实验的重复性要求较高，合成的OD 数较大，建议分装，避免反复冻融。

修饰荧光引物需要避光保存。

13.合成的引物5’端是否有磷酸化
答：合成的引物5’为羟基，没有磷酸基团。

如果需要您可以用多核苷酸激酶进行5'端磷酸化，或者要求我们合成时直接在5'或3'端进行磷酸化，需要另外收费。

14.引物片段退火后不能连接到载体上是什么问题？
连接反应需要引物的5’磷酸基团。

如果需要将合成的引物退火直接连接相应的载体上，引物需要磷酸化。

磷酸化的产物如果还不能连接载体上，需要检查载体的酶切效果，需要改善引物退火的条件。

SiRNA分子具有特殊的对称结构，退火的难度较大，退火时需要提高退火温度。

15.测序发现引物有突变是怎么回事？
答：测序发现引物区域有突变，特别是40个碱基以下的引物, 发生的概率不大，但是肯定也会发生。

用户一般可以放心，引物序列一般都是通过电脑直接将您的序列COPY到合成仪的，碱基输错的机会不多。

我们有一套控制办法，预防碱基输入错误。

发生这种突变的原因有很多解释，人们还没有办法彻底解决这个问题。

引物合成的固相合成原理都一样，采用的机器也基本相同，合成主要原料都是由可数的几家跨国公司提供的，所有每个合成服务商遇到的问题也基本类似，没有人可以超脱。

引物合成是一种多步骤的化学反应，合成效率最高也就是99%，副产品不可以避免。

引物序列中插入突变往往是碱基重复，一般认为，偶连过程中，正在偶连的部分单体发生丢失DMT,导致单体又接了上去，故发生插入同一碱基的突变。

至于缺失突变，一般认为是一般认为是带帽(capping)反应不彻底造成的，Caping反应主要是封闭极少数5'-羟基没有参加反应单体。

被封闭的引物，在下一轮偶连时将不能继续参与合成。

对于碱基置换的突变，产生的原因一般认为是碱基不能100%脱保护，即引物上可能含有残留保护基团，引物的这些区域不能很好地与互补链配对，当扩增的产品被亚克隆转化到大肠杆菌中，可能被细菌中修复系统补上了非配对的碱基。

置换突变通常发生在G 转换成其它碱基。

碱基G在一定条件下可以转化为烯醇异构体（脱嘌呤），2,6 diaminopurine , DNA复制和扩增过程中DNA聚合酶将2,6 diaminopurine看作碱基A，测序就会发现碱基G-A置换。

脱嘌呤现象在富含嘌呤的引物中发生的频率较高。

脱嘌呤的引物在引物后处理脱保护阶段如果被降解，测序就会发现碱基G或A的缺失。

引物合成过程中，造成碱基插入，缺失，置换突变的因素客观存在，有不少降低发生的频率建议和措施，但是这些措施还停留在实验室阶段，还没有能够应用到规模化生产中。

16.长链引物为什么出错的几率非常高？
答：引物合成时，每一步反应效率都不能达到100%，产生碱基插入，缺失，置换突变的因素客观条件都有一直存在。

引物链越长，突变的频率累加起来就越高。

研究人员总希望合成的引物万无一失，这种心情可以理解。

但是犹如PCR扩增，不可能绝对保证扩增产物中没有突变，引物合成
也不可能保证100%正确。

要知道，引物合成中发生错误（非人为因素）的频率，比任何高保真高温聚合酶PCR扩增过程所产生的频率都要高。

做引物合成，长链引物合成，您要有引物中部分引物可能有突变的思想准备。

17.如果测序发现突变，该如何处理？
答：对您遇到的困惑，我们表示同情。

遇到这种情况，首先和我们取得联系，我们的生产人员会检查生产的原始记录，主要是核对合成序列是否和定单一致，我们在电脑中保留所有原始数据。

如果确认引物合成序列没有输错，我们建议重新挑取克隆测序，您可能会找到正确克隆的。

根据我们经验，40个碱基以下的引物，测1-2个克隆就可以了；40个以上的特别是用于全片段拼接合成的，就需要多测一些了。

一般情况下，每个克隆突变的位点都不一样，提示正确的总是有的，就是如何找到它。

您也可以要求我们将引物免费重合一次，不过重合的引物和第一次的引物一样，都可能含突变，不会因为重合的引物就减少您的遇到问题的几率。

基因拼接过程中，如果发现一段区域突变点不多，就多测几个，否则就重合一下引物。

18.引物是经过PAGE纯化的，为什么还有碱基缺失或插入？
答：理论上分析型PAGE变性电泳，可以区分引物之间一个碱基的差别。

但是制备PAGE电泳，上样量都是非常大，电泳时的条带非常宽，带与带之间有重叠，分辨率已下降，电泳后割带回收目的引物时，很难说不割到差别仅几个碱基的引物。

国内有一个不好的现象，PAGE纯化的引物，特别是长引物要的量都比较高，导致割的条带有时可能比较宽。

建议：您如果减少OD数，引物遇到的问题可能就会少一些。

19. TaqMan 探针设计的基本原则是什么？
答：下列原则供您参考。

◆TaqMan 探针位置尽可能靠近扩增引物（扩增产物50-150bp），但不能与引物重叠。

◆长度一般为18-40mer 。

◆G-C含量控制在40-80%左右。

◆避免连续相同碱基的出现，特别是要避免GGGG或更多G出现。

◆在引物的5’端避免使用G。

◆选用比较多的碱基C。

◆退火温度Tm控制在68-70C左右。

有用的荧光染料参数
Name Name 吸收波长发射波长 colors
6-FAM 6-carboxy-fluorescein 494nm 518nm Green
TET 5-tetrachloro-fluorescein 521nm 538nm Orange
HEX 5-hexachloro-fluorescein 535nm 553nm Pink
TAMRA tetramethyl-6-carboxyrhodamine 560nm 582nm Rose
ROX 6-carboxy-x-rhodamine 587nm 607nm Red
Cy3 Indodicarbocyanine 552nm 570nm Red
Cy5 Indodicarbocyanine 643nm 667nm Violet
20.Primer设计的基本原则是什么？
答：引物设计的下列原则供您参考。

◆引物长度一般在18-35mer。

◆G-C含量控制在40-60%左右。

◆避免近3’端有酶切位点或发夹结构。

◆如果可能避免在3’端最后5个碱基有2个以上的G或C。

◆如果可能避免在3’端最后1个碱基为A。

◆避免连续相同碱基的出现，特别是要避免GGGG或更多G出现。

◆退火温度Tm控制在58-60C左右。

◆如果是设计点突变引物，突变点应尽可能在引物的中间。

21.为什么引物的OD260/OD280小于1.5 ？
答：我们多次接到类似的投诉：引物应该全是DNA,但是OD260/OD280的比值为什么那么低，怎么会有蛋白质污染？遇到这样的投诉有时我们感到很是为难。

投诉者有时心情很不好，还不听解释。

撇开其他不谈，引物化学合成，哪里有机会污染到蛋白质？
需要指出的是OD260/OD280的比值不能用来衡量引物的纯度。

OD260/OD280的比值过低一般是由于引物中C/T 的含量比较高所致。

下表是一个20mer 同聚体引物的OD260/OD280的比值，清楚表明OD260/OD280的比值与引物的碱基组成密切相关。

A260/280 ratios of Crude 20-mer Oligos of Differing Base Compositions
Base Composition A260/280
5-AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA-3 2.50
5-GGGGGGGGGGGGGGGGGGGG-3 1.85
5-CCCCCCCCCCCCCCCCCCCC-3 1.15
5-TTTTTTTTTTTTTTTTTTTT-3 1.14
5-AAAAAGGGGGTTTTTCCCCC-3 1.66
22.同样的OD用PAGE检测，EB染色为什么深浅不一？
答：通常可以用EB染色的方法来判断双链DNA的量(如质粒DNA)，因为EB可以嵌合到双链DNA 中。

而合成的单链DNA，由于碱基组成不同，形成二级结构的可能性不同，EB的染色程度也会有差异，比如Oligo(dT)等不形成二级结构，EB染色效果就非常差。

所以不要用EB染色的方法来定量，而用紫外分光光度计检测。

同样道理，用EB染色来照片不适合所有引物。

23.引物不纯会有什么后果？
答：引物不纯可能会导致：1)非特异性扩增；2)无法用预先设计在引物5'端酶切位点的酶切开，特别是没有保护碱基的引物；3) 用于测序出现双峰或乱峰。

解决办法重新合成或重新纯化。

24.为什么我们的引物重合了几遍都扩增不出来？
答：有些PCR扩增没有成功，怀疑是引物不好。

PCR扩增不成功的因素很多，需要您耐心地分析，最好在实验时设置对照来判定原因。

如果您怀疑引物的问题，请您首先测定您溶解的引物的OD值，看实验时加入的引物量是否正确。

如果量是正常的，请您告诉我司您的引物编号，我们会复查留存样品。

如不明原因，我们免费为您重新合成一次。

如果仍然不能扩增，请您查找其它原因。

25.已经溶解的引物，为什么原先使用正常，而过一段时间再使用就不好了？
答：如果您溶解引物的水PH过低或污染了菌或核酸酶，会使引物降解。

使用时没有充分解冻混合，液体不均匀也可能会造成引物加入量不准确。

建议分装引物，避免反复冻溶。

建议使用10mM Tris pH7.5缓冲液溶解引物，因为有些蒸馏水的pH值比较低（pH4-5）, 引物在这种条件下不稳定。

还
有一种可能性是引物没有问题，而是PCR使用材料特别是模板的质量与先前使用的不完全一致。

26.引物质量好坏的判断标准是什么？
答：合成的引物和您的定单序列一致，而不是能否扩增出您所需要的产物。

27.PCR扩增不出就引物有问题吗？
答：基本不是。

当今发展出各色各样的PCR扩增技术，各色各样的高温聚合酶，就是来解决PCR 扩增中遇到的扩不出，扩增效率低的问题。

如槽式PCR就是扩增那些拷贝数很低的基因片段。

有些重复片段的扩增, GC含量高的片段，非要采用特殊扩增手段才能扩增出了。

引物扩增不出，主要是下列两种情况比较常见（1）RT-PCR。

请注意，很多基因通过常规RT –PCR 方法是很难不增出来的。

RT- PCR成功的关键在于RT的反应的RNA质量和目标基因在特定组织和细胞中含量。

（2）从基因组中扩增。

一般情况下，基因在基因组中都是单拷贝，基因组作为模板需要严格控制用量。

基因组DNA过高，会影响反应体系中的Mg和pH。

28.PCR扩增有很强的非特异条带，说明引物有污染吗？
答：不能。

瞧，扩增目标很弱或没有，道是非特异性条带很亮，说明引物不纯或有污染。

一些用户如是说。

我们曾分析过一些非特异条带，测序发现在这些非特异性片段的两头至少可以发现一条引物序列。

我们只能说非特异性扩增一般是模板污染（如RNA中污染基因组）或扩增条件不合适所致。