普通PCR技术简介

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聚合酶链式反应 链式反应( 聚合酶链式反应(PCR)
简述
内容
• 发展简史 • 定义 • 应用 • 特点 • 技术原理 • 反应体系与反应条件 • 反应条件的选择 • PCR反应分类
发展简史
• 20世纪60年代末70年代初,人们致力于研究基因的体外分离技术。Khorana 于1971年最早提出核酸体外扩增的设想。但是,当时的基因序列分析方法尚 未成熟,对热具有较强稳定性的DNA聚合酶还未发现。 • 1985年,美国科学家Kary Mullis发明了PCR技术,并在Science杂志上发表了 关于PCR技术的第一篇学术论文。从此,PCR技术得到了生命科学界的普遍 认同,Kary Mullis也因此而获得1993年的诺贝尔化学奖。 • 1988年初,Keohanog通过对所使用的酶的改进,提高了扩增的真实性。尔 后,Saiki等人又从生活在温泉中的水生嗜热杆菌内提取到一种耐热的DNA聚 合酶,使得PCR技术的扩增效率大大提高。

引物: 引物:引物质量、引物的浓度、两条引物的浓度是否对称,是PCR失败或扩增条带 不 理想、容易弥散的常见原因。有些批号的引物合成质量有问题,两条引物一条 浓度 高,一条浓度低,造成低效率的不对称扩增,对策为:①选定一个好的引物 合成单 位。②引物的浓度不仅要看OD值,更要注重引物原液做琼脂糖凝胶电泳, 一定要有引物条带出现,而且两引物带的亮度应大体一致,如一条引物有条带, 一条引物无条带,此时做PCR有可能失败,应和引物合成单位协商解决。如一条引 物亮度高,一条亮度低,在稀释引物时要平衡其浓度。③引物应高浓度小量分装 保存,防止多次冻融或长期放冰箱冷藏部分,导致引物变质降解失效。④引物设 计不合理,如引物长度不够,引物之间形成二聚体等。
工作步骤
PCR反应的基本过程 反应的基本过程 标准的PCR过程分为三步: 过程分为三步: 标准的 过程分为三步 • 1.DNA变性(90℃-96℃):双链DNA模板在热作用下, 氢键断裂,形 成单链DNA • 2.退火(复性)(40℃-65℃):系统温度降低,引物与 DNA模板结合, 形成局部双链。 • 3.延伸(68℃-75℃):在Taq酶(在72℃左右最佳的活 性)的作用下, 以dNTP为原料,从引物的5′端→3′ 端延 伸,合成与模板互补的 DNA链。 • 每一循环经过变性、退火和延伸,DNA含量既增加一倍。
反应体系与反应条件
标准的PCR反应体系: 反应体系: 标准的 反应体系 • • • • • • • 10×扩增缓冲液10ul 4种dNTP混合物各200umol/L 引物各10~100pmol 模板DNA0.1~2ug TaqDNA聚合酶2.5u Mg2+1.5mmol/L 加双或三蒸水至100ul
应用 • 用于基因分离、克隆和核酸序列分析等基 础研究,定性判核酸含量; • 用于疾病的诊断或任何与DNA、RNA相关。
反应特点
• • • • 特异性强 灵敏度高 简便、快速 对标本的纯度要求低
特异性强
PCR反应的特异性决定因素为: 反应的特异性决定因素为: 反应的特异性决定因素为 •
• • • ①引物与模板DNA特异正确的结合; ②碱基配对原则; ③Taq DNA聚合酶合成反应的忠实性; ④靶基因的特异性与保守性。
③延伸温度与时间:Taq DNA聚合酶的生物学活性: 延伸温度与时间: • • • • • 70~80℃ 150核苷酸/S/酶分子 70℃ 60核苷酸/S/酶分子 55℃ 24核苷酸/S/酶分子 高于90℃时, DNA合成几乎不能进行。 PCR反应的延伸温度一般选择在70~75℃之间,常用温度为72℃, 过高的延伸温度不利于引物和模板的结合。
• ①变性温度与时间:变性温度低,解链不完全是导致PCR失败的最主 变性温度与时间: 要原因。一般情况下,93℃~94℃1min足以使模板DNA变性,若低于 93℃则需延长时间,但温度不能过高,因为高温环境对酶的活性有影 响。此步若不能使靶基因模板或PCR产物完全变性,就会导致PCR失败。 • ②退火(复性 温度与时间:退火温度是影响PCR特异性的较重要因素。 复性)温度与时间 退火 复性 温度与时间: 变性后温度快速冷却至40℃~60℃,可使引物和模板发生结合。由于 模板DNA 比引物复杂得多,引物和模板之间的碰撞结合机会远远高于 模板互补链之间的碰撞。退火温度与时间,取决于引物的长度、碱基 组成及其浓度,还有靶基序列的长度。对于20个核苷酸,G+C含量约 50%的引物,55℃为选择最适退火温度的起点较为理想。
灵敏度高
• PCR产物的生成量是以指数方式增加的,能将皮克(pg=10-12)量级的起始待测模板扩增到 微克(μg=10-6)水平。能从100万个细胞中检出一个靶细胞;在病毒的检测中,PCR的灵敏度可 达3个RFU(空斑形成单位);在细菌学中最小检出率为3个细菌。
简便、 简便、快速
• PCR反应用耐高温的Taq DNA聚合酶,一次性地将反应液加好后,即在DNA扩增液和水浴 锅上进行变性-退火-延伸反应,一般在2~4 小时完成扩增反应。扩增产物一般用电泳分析, 不一定要用同位素,无放射性污染、易推广。
定义:Polymerase Chain Reaction, 简称PCR,又称无细胞分子克
隆或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术。 •聚合酶链式反应(PCR)是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法,由高温变 性、低温退火(复性)及适温延伸等几步反应组成一个周期,循环进行,使 目的DNA得以迅速扩增。
酶及其浓度
• Taq DNA聚合酶供应 一种是从栖热水生杆菌中提纯的天然酶,另一种为 聚合酶供应: 聚合酶供应 大肠菌合成的基因工程酶。 • dNTP的质量与浓度 dNTP的质量与浓度和PCR扩增效率有密切关系,dNTP 的质量与浓度: 的质量与浓度 粉呈颗粒状,如保存不当易变性失去生物学活性。dNTP溶液呈酸性,使 用时应配成高浓度后,以1M NaOH或1M Tris-HCL的缓冲液将其PH调节到 7.0~7.5,小量分装, -20℃冰冻保存。多次冻融会使dNTP降解。在PCR反 应中,dNTP应为50~200umol/L,尤其是注意4种dNTP的浓度要相等( 等摩 尔配制),如其中任何一种浓度不同于其它几种时(偏高或偏低),就会引起 错配。浓度过低又会降低PCR产物的产量。dNTP能与Mg2+结合,使游离 的Mg2+浓度降低。
Fra Baidu bibliotek
• 模板(靶基因 核酸: 模板核酸的量与纯化程度,是PCR成败与否的关 模板 靶基因)核酸 靶基因 核酸 键环节之一,传统的DNA纯化方法通常采用SDS和蛋白酶K来消化处理 标本。 • Mg2+浓度 Mg2+对PCR扩增的特异性和产量有显著的影响,在一般 浓度: 浓度 的PCR反应中,各种dNTP浓度为200umol/L时,Mg2+浓度为1.5~ 2.0mmol/L为宜。Mg2+浓度过高,反应特异性降低,出现非特异扩增, 浓度过低会降低Taq DNA聚合酶的活性,使反应产物减少。
PCR反应条件的选择 反应条件的选择
PCR反应条件为温度、时间和循环次数 温度、 环次数。 温度
• 温度与时间的设置: 基于PCR原理三步骤而设置变性-退火-延伸 温度与时间的设置: 三个温度点。在标准反应中采用三温度点法,双链DNA在90~ 95℃变性,再迅速冷却至40 ~60℃,引物退火并结合到靶序列 上,然后快速升温至70~75℃,在Taq DNA 聚合酶的作用下, 使引物链沿模板延伸。对于较短靶基因(长度为100~300bp时) 可采用二温度点法, 除变性温度外、退火与延伸温度可合二为 一,一般采用94℃变性,65℃左右退火与延伸(此温度Taq DNA 酶仍有较高的催化活性)。
电泳检测时间
• 一般为48h以内,有些最好于当日电泳检测,大于48h后带型不规则甚 至消失。假阴性,不出现扩增条带 。
PCR失败原因
• PCR反应的关键环节有①模板核酸的制备,②引物的质量与特异性,③酶的质量及, ④PCR循环条件。寻找原因亦应针对上述环节进行分析研究。 • 模板:①模板中含有杂蛋白质,②模板中含有Taq酶抑制剂,③模板中蛋白质没有 模板 消 化除净,特别是染色体中的组蛋白,④在提取制备模板时丢失过多,或吸入酚。 ⑤模 板核酸变性不彻底。在酶和引物质量好时,不出现扩增带,极有可能是标本 的消化处 理,模板核酸提取过程出了毛病,因而要配制有效而稳定的消化处理液, 其程序亦应 固定不宜随意更改。 • 酶失活:需更换新酶,或新旧两种酶同时使用,以分析是否因酶的活性丧失或不 酶失活 够而 导致假阴性。需注意的是有时忘加Taq酶或溴乙锭。
4、循环中的变性步骤 • 循环中一般95℃,30秒足以使各种靶DNA序列完全变性: • 变性时间过长损害酶活性,过短靶序列变性不彻底,易造成扩增失败。 5、循环数 • 大多数PCR含25-35循环,过多易产生非特异扩增。 PCR 25-35 6、最后延伸 • 在最后一个循环后,反应在72℃维持5-15分钟.使引物延伸完全,并 使单链产物退火成双链。
对标本的纯度要求低
• 不需要分离病毒或细菌 细菌及培养细胞,DNA 粗制品及RNA均可作为扩增模板。可直接用临 细菌 床标本如血液、体腔液、洗嗽液、毛发、细胞、活组织等DNA扩增检测。
技术原理
• DNA的半保留复制 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 半保留复制 的作用下可以变性解链成单链,在DNA聚合酶与启动子的参与下,根 据碱基互补配对原则复制成同样的两分子挎贝。 • 在聚合酶链式反应实验中发现,DNA在高温 高温时也可以发生变性解链 变性解链, 高温 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,并设计引物做启动子,加入DNA聚合酶、dNTP就可以完 成特定基因的体外复制。( DNA高温变性低温复性) ( 高温变性低温复性) 高温变性低温复性 • 发现耐热 耐热DNA聚合同酶 聚合同酶--Taq酶对于PCR的应用有里程碑的意义,该酶 耐热 聚合同酶 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。
循环参数
1、预变性(Initial denaturation). • 模板DNA完全变性对PCR能否成功至关重要,一般95℃加热3-5分钟。 2、引物退火(Primer annealing) • 退火温度一般需要凭实验(经验)决定。 • 退火温度对PCR的特异性有较大影响。 3、引物延伸 • 引物延伸一般在72℃进行(Taq酶最适温度)。 • 延伸时间随扩增片段长短及所使用Taq酶的扩增效率而定。
普通PCR反应流程
反应原理
PCR循环
与荧光定量PCR技术相比较 主要缺点
常规PCR结合电泳分析方法的缺点: 结合电泳分析方法的缺点:
只能对终产物进行分析,无法对起始模版准确定量 必须在扩增反映结束后借助电泳方法分析,费时费事 无法对扩增反应实时检测 EB有毒
反应五要素 五种即引物、 五种即引物、酶、dNTP、模板和 、模板和Mg2+ • 引物: 引物是PCR特异性反应的关键,PCR 产物的 引物: 特异性取决于引物与模板DNA互补的程度。理论上, 只要知道任何一段模板DNA序列, 就能按其设计互 补的寡核苷酸链做引物,利用PCR就可将模板DNA在 体外大量扩增。
设计引物应遵循以下原则: 设计引物应遵循以下原则 • • • ①引物长度: 15-30bp,常用为20bp左右。 ②引物扩增跨度: 以200-500bp为宜,特定条件下可扩增长至10kb的片段。 ③引物碱基:G+C含量以40-60%为宜,G+C太少扩增效果不佳,G+C过多易出现非 特异条带。ATGC最好随机分布,避免5个以上的嘌呤或嘧啶核苷酸的成串排列。 • ④避免引物内部出现二级结构,避免两条引物间互补,特别是3'端的互补,否则 会形成引物二聚体,产生非特异的扩增条带。 • ⑤引物3'端的碱基,特别是最末及倒数第二个碱基,应严格要求配对,以避免因 末端碱基不配对而导致PCR失败。 • ⑥引物中有或能加上合适的酶切位点, 被扩增的靶序列最好有适宜的酶切位点, 这对酶切分析或分子克隆很有好处。 • ⑦引物的特异性:引物应与核酸序列数据库的其它序列无明显同源性。引物量: 每条引物的浓度0.1~1umol或10~100pmol,以最低引物量产生所需要的结果为好, 引物浓度偏高会引起错配和非特异性扩增,且可增加引物之间形成二聚体的机会。
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