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聚合酶链式反应(PCR)

一、实验原理


聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法,为最常用的分子生物学技术之一。典型的PCR由(1)高温变性模板;(2)引物与模板退火;(3)引物沿模板延伸三步反应组成一个循环,通过多次循环反应,使目的DNA得以迅速扩增。其主要步骤是:将待扩增的模板DNA置高温下(通常为93℃-94℃)使其变性解成单链;人工合成的两个寡核苷酸引物在其合适的复性温度下分别与目的基因两侧的两条单链互补结合,两个引物在模板上结合的位置决定了扩增片段的长短;耐热的DNA聚合酶(Taq酶)在72℃将单核苷酸从引物的3’端开始掺入,以目的基因为模板从5’→3’方向延伸,合成DNA的新互补链。

二、试剂准备


1. DNA模版
2.对应目的基因的特异引物
3.10×PCR Buffer
4.2mM dNTPmix:含dATP、dCTP、dGTP、dTTP各2mM
5.Taq酶


三、操作步骤 


1.在冰浴中,按以下次序将各成分加入一无菌0.5ml离心管中。
  10×PCR buffer       5 μl
  dNTP mix (2mM)       4 μl
  引物1(10pM)       2 μl
   引物2(10pM)       2 μl
  Taq酶 (2U/μl)       1 μl
  DNA模板(50ng-1μg/μl)    1 μl
  加ddH2O至           50 μl
视PCR仪有无热盖,不加或添加石蜡油。
2. 调整好反应程序。将上述混合液稍加离心,立即置PCR仪上,执行扩增。一般:在93℃预变性3-5min,进入循环扩增阶段:93℃ 40s → 58℃ 30s → 72℃ 60s,循环30-35次,最后在72℃ 保温7min。
3. 结束反应,PCR产物放置于4℃待电泳检测或-20℃长期保存。
4.PCR的电泳检测:如在反应管中加有石蜡油,需用100μl氯仿进行抽提反应混合液,以除去石蜡油;否则,直接取5-10μl电泳检测。


四、PCR反应体系的组成与反应条件的优化


PCR反应体系由反应缓冲液(10×PCR Buffer)、脱氧核苷三磷酸底物(dNTPmix)、耐热DNA聚合酶(Taq酶)、寡聚核苷酸引物(Primer1,Primer2)、靶序列(DNA模板)五部分组成。各个组份都能影响PCR结果的好坏。


1. 反应缓冲液:一般随Taq DNA聚合酶供应。标准缓冲液含:50mM KCl,10mM Tris-HCl(pH8.3室温),1.5mM MgCl2。Mg2+的浓度对反应的特异性及产量有着显著影响。浓度过高,使反应特异性降低;浓度过低,使产物减少。在各种单核苷酸浓度为200μM时,Mg2+为1.5mM较合适。若样品中含EDTA或其它螯合物,可适当增加Mg2+的浓度。在高浓度DNA及dNTP条件下进行反应时,也必须相应调节Mg2+的浓度。据经验,一般以1.5-2mM(终浓度)较好。


2. dNTP :高浓度dNTP易产生错误掺入,过高则可能不扩增;但浓度过低,将降低反应产物的产量。PCR中常用终浓度为50-400μM的dNTP。四种脱氧三磷酸核苷酸的浓度应相同,如果其中任何一种的浓度明显不同于其它几种时(偏高或偏低),就会诱发聚合酶的错误掺入作用,降低合成速度,过早终止延伸反应。此外,dNTP能与Mg2+结合,使游离的Mg2+浓度降低。因此,dNTP的浓度直接影响到反应中起重要作用的Mg2+浓度。
3. Taq DNA聚合酶酶:在100μl反应体系中,一般加入2-4U的酶量,足以达到每min延伸1000-4000个核苷酸的掺入速度。酶量过多将导致产生非特异性产物。但是,不同的公司或不同批次的产品常有很大的差异,由于酶的浓度对PCR反应影响极大,因此应当作预试验或使用厂家推荐的浓度。当降低反应体积时(如20μl或50μl),一般酶的用量仍不小于2U,否则反应效率将降低。


4. 引物:引物是决定PCR结果的关键,引物设计在PCR反应中极为重要。要保证PCR反应能准确、特异、有效地对模板DNA进行扩增,通常引物设计要遵循以下几条原则:
⑴ 引物的长度以15-30bp为宜,一般(G+C)的含量在45-55%,Tm值高于55℃[Tm=4(G+C)+2(A+T)]。应尽量避免数个嘌呤或嘧啶的连续排列,碱基的分布应表现出是随机的。
⑵ 引物的3’端不应与引物内部有互补,避免引物内部形成二级结构,两个引物在3’端不应出现同源性,以免形成引物二聚体。3’端末位碱基在很大程度上影响着Taq酶的延伸效率。两条引物间配对碱基数少于5个,引物自身配对若形成茎环结构,茎的碱基对数不能超过3个由于影响引物设计的因素比较多,现常常利用计算机辅助设计。
⑶ 人工合成的寡聚核苷酸引物需经PAGE或离子交换HPLC进行纯化。
⑷ 引物浓度不宜偏高,浓度过高有两个弊端:一是容易形成引物二聚体(primer-dimer),二是当扩增微量靶序列并且起始材料又比较粗时,容易产生非特异性产物。一般说来,用低浓度引物不仅经济,而且反应特异性也较好。一般用0.25-0.5pM/μl较好。
⑸ 引物一般用TE配制成较高浓度的母液(约100μM),保存于-20℃。使用前取出其中一部分用ddH2O配制成10μM或20μM的工作液。


5. 模板:PCR对模板的要求不高,单、双链DNA均可作为PCR的样品。虽然PCR可以用极微量的样品(甚至是来自单一细胞的DNA)作为摸板,但为了保证反应的特异性,一般还宜用μg水平的基因组DNA或104拷贝的待扩增片段作为起始材料。原材料可以是粗制品,某些材料甚至仅需用溶剂一步提取之后即可用于扩增,但混有任何蛋白酶、核酸酶、Taq DNA聚合酶抑制剂以及能结合DNA的蛋白,将可能干扰PCR反应。


6. PCR循环加快,即相对减少变性、复性、延伸的时间,可增加产物的特异性。


五、注意事项


1.PCR反应应该在一个没有DNA污染的干净环境中进行。最好设立一个专用的PCR实验室。
2.纯化模板所选用的方法对污染的风险有极大影响。一般而言,只要能够得到可靠的结果,纯化的方法越简单越好。
3.所有试剂都应该没有核酸和核酸酶的污染。操作过程中均应戴手套。
4.PCR试剂配制应使用最高质量的新鲜双蒸水,采用0.22μm滤膜过滤除菌或高压灭菌。
5.试剂都应该以大体积配制,试验一下是否满意,然后分装成仅够一次使用的量储存,从而确保实验与实验之间的连续性。
6.试剂或样品准备过程中都要使用一次性灭菌的塑料瓶和管子,玻璃器皿应洗涤干净并高压灭菌。
7.PCR的样品应在冰浴上化开,并且要充分混匀。


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