普通PCR及测序PCR原理分解

一PCR技术PCR概念PCR的原理PCR中的注意事项PCR的主要类型什么是PCR?•多聚酶链式反应(polymerasechainreaction)简称ＰＣＲ技术，是一种在DNA聚合酶作用下体外扩增特异ＤＮＡ片段的技术。PCR技术操作简便，可在短时间获得数百万个特异的目的ＤＮＡ序列的拷贝。80年代中期PCR技术的发明，引起了生物技术发展的一次革命，目前已被广泛应用于与分子生物学相关的各个领域。PCR反应的几个要素•DNA聚合酶生产机器•模板（要扩增的DNA）•引物•dNTPs原料•Buffer（缓冲液）稳定的环境•Mg2+等润滑剂模具72℃（延伸）95℃（变性）50℃（退火）PCR循环（25-35个）PCR反应步骤模板DNA95℃变性(denaturaion)50℃引物1引物2DNA引物退火(annealing)引物1引物2DNA引物72℃Taq酶Taq酶延伸(extension)第1轮结束95℃第2轮开始PCR的基本原理•PCR反应条件•PCR过程•PCR的特点模板DNA（1）第1轮扩增（2）第2轮扩增（4）第3轮扩增（8）第4轮扩增（16）第5轮扩增（32=25）标准的PCR反应体系4种dNTP混合物各200umol/L上下游引物各10～100pmol模板DNA0.1～2ugTaqDNA聚合酶2.5uMg2+1.5mmol/L1）PCR反应成分（1）模板模板可以是DNA，也可以是RNA（反转录PCR），既可以是双链，也可以是单链。不能混有蛋白酶、核酸酶、DNA聚合酶抑制剂、DNA结合蛋白类。一般100ngDNA模板/100L。模板浓度过高会导致反应的非特异性增加。PCR反应条件（2）TaqDNA聚合酶（Taq酶）DNA聚合酶的主要活性是在具备模板、引物、dNTP等存在的情况下催化DNA的合成。Taq酶来自水生嗜热菌Thermusaquaticus特点：1.良好的耐热性在70～80℃具有最高聚合活性在95℃仍然可以有50%活性2.Mg2+依赖性3.扩增时3‘末端凸出一个A碱基3.无校正功能一般PCR中酶的用量为0.5-2.5U/50l，酶量增加使反应特异性下降，酶量过少影响反应产量。（3）引物引物浓度：0.1-0.5mol/L浓度过高易导致模板与引物错配,反应特异性下降。引物设计：（1）引物序列特异性好，与非扩增区无同源性。（2）引物长度以15-40bp为宜。（3）碱基尽可能随机分布，G+C占40-60%。（4）引物Tm在50℃-65℃之间，两条引物的Tm应接近，不能相差太大。（5）引物内部避免形成二级结构。（6）两引物间避免有互补序列。（7）引物3’端与模板序列要严格配对，3’端避免出现3个或3个以上连续相同的碱基；引物5’端无严格限制。3’5’3’5’限制性内切酶的识别序列启动子序列定点突变探针标记（4）dNTPdNTP：dATP，dTTP，dGTP，dCTPdNTP浓度取决于扩增片段的长度四种dNTP浓度应相等浓度过高易产生错误碱基的掺入，浓度过低则降低反应产量dNTP可与Mg2+结合，使游离的Mg2+浓度下降，影响DNA聚合酶的活性。（5）Mg2+Mg2+是DNA聚合酶的激活剂。0.5mmol/L-2.5mmol/L反应体系。Mg2+浓度过低会使Taq酶活性丧失、PCR产量下降；Mg2+过高影响反应特异性。Mg2+可与负离子结合，所以反应体系中dNTP、EDTA等的浓度影响反应中游离的Mg2+浓度。（6）缓冲液（Buffer）10mmol/LTrisHCl调节PH，使Taq酶活性作用环境维持在扁碱性（pH8.3,室温）50mmol/LKCL有利于引物的退火，但过高会抑制Taq酶活性0.01%明胶保护酶不变性失活2）循环参数(1)变性使双链DNA解链为单链95oC20-30秒(2)退火退火温度由引物Tm值决定，一般为Tm–5~10℃增加温度能减少引物与模板的非特异性结合;降低温度可增加反应的灵敏性。（3）延伸70-75oC(温度取决于聚合酶的活性）延伸时间由扩增片段长度及DNA聚合酶的延伸速度决定（4）循环次数主要取决于模版DNA的浓度一般为25-35次次数过多：扩增效率降低错误掺入率增加一个典型PCR体系反应体系（50ul）：Taq酶2.5U10xBuffer5uldNTP(2.5mM)4ulDNA模板0.1～2ug上游引物(10P)2ul下游引物(10P)2ulH2O补足至50ul总计50ul反应流程（以扩增片段大小为800bp为例）：95℃5min95℃30s55℃30s72℃1min72℃5min4℃------30个循环PCR的特点1.特异性强2.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(g=10-6)水平3.简便、快速PCR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4.对标本的纯度要求低：不需要分离病毒或细菌及培养细胞，DNA粗制品及总RNA均可作为扩增模板。可直接用临床标本如血液、体腔液、洗嗽液、毛发、细胞、活组织等粗制的DNA扩增检测PCR常见问题•假阴性，无扩增产物•非特异性扩增•拖尾•假阳性•无扩增产物1.模板:含有抑制物，含量低2.Buffer对样品不合适3.引物设计不当或者发生降解4.反应条件：退火温度太高，延伸时间太短原因对策1.纯化模板或者使用试剂盒提取模板DNA或加大模板的用量2.更换Buffer或调整浓度3.重新设计引物（避免链间二聚体和链内二级结构）或者换一管新引物4.降低退火温度、延长延伸时间现象：正对照有条带，而样品则无；•非特异性扩增现象：PCR扩增后出现的条带与预计的大小不一致，或大或小，或者同时出现特异性扩增带与非特异性扩增带。1.引物特异性差2.模板或引物浓度过高3.酶量过多4.Mg2+浓度偏高5.退火温度偏低6.循环次数过多原因对策1.重新设计引物或者使用巢式PCR2.适当降低模板或引物浓度3.适当减少酶量4.降低镁离子浓度5.适当提高退火温度或使用二阶段温度法6.减少循环次数•非特异性扩增•拖尾现象：产物在凝胶上呈Smear状态。M121.模板不纯2.Buffer不合适3.退火温度偏低4.酶量过多5.dNTP、Mg2+浓度偏高6.循环次数过多原因对策1.纯化模板2.更换Buffer3.适当提高退火温度4.适量用酶5.适当降低dNTP和镁离子的浓度6.减少循环次数•拖尾•假阳性（筛选转基因、检测基因表达情况)原因：靶序列或扩增产物的交叉污染现象：空白对照出现目的扩增产物对策：1.操作时应小心轻柔，防止将靶序列吸入加样枪内或溅出离心管外；2.除酶及不能耐高温的物质外，所有试剂或器材均应高压消毒。所用离心管及加样枪头等均应一次性使用。3.各种试剂最好先进行分装，然后低温贮存。（一）防止污染试剂小量分装吸头及EP管一次性使用器皿及工作区域要分开，无菌操作（二）设立对照阳性对照：阳性模板阴性对照：阴性模板试剂对照：除模板外的所有组分注意的事项：PCR的类型及应用•研究–基因克隆，DNA测序，分析突变•诊断–细菌、病毒、寄生虫检测，诊断•人类基因组工程–遗传图谱的构建，DNA测序，表达图谱•法医–犯罪现场标本分析•肿瘤–各种肿瘤检测•其他……PCR的不同类型重组PCR不对称PCR反向PCR多重PCR原位PCR连接酶链反应巢式PCR递减PCR热启动PCRRT－PCR实时定量PCR重组PCR（基因克隆）重组DNA质粒DNA基因片段5’5’BamHIBamHIBamHIBamHIGTCCGGACCCTGCAGGGTCCGGACCCTGCAGGCCTGGGACGTCCCAGG质粒DNA目的基因限制性核酸内切酶不对称PCR目的：扩增产生特异长度的单链DNA。方法：采用两种不同浓度的引物。分别称为限制性引物和非限制性引物,其最佳比例一般是0.01∶0.5μM,关键是限制性引物的绝对量。用途：制备核酸序列测定的模板制备杂交探针基因组DNA结构功能的研究高浓度引物低浓度引物反向PCR(reversePCR)是用反向的互补引物来扩增两引物以外的DNA片段对某个已知DNA片段两侧的未知序列进行扩增。可对未知序列扩增后进行分析,如探索邻接已知DNA片段的序列；用于仅知部分序列的全长cDNA的克隆,扩增基因文库的插入DNA；建立基因组步移文库。已知序列未知序列未知序列已知序列未知序列未知序列限制酶限制酶连接酶多重PCR用于检测特定基因序列的存在或缺失。电泳引物原位ＰＣＲ原位聚合酶链式反应（InStillPCR，Is－PCR）是由Haase等于1990年首创。它是利用完整的细胞作为一个微小的反应体系来扩增细胞内的目的片段，在不破坏细胞的前提下，利用一些特定的检测手段来检测细胞内的扩增产物。直接用细胞涂片或石蜡包埋组织切片在单个细胞中进行ＰＣＲ扩增。可进行细胞内定位。适用于检测病理切片中含量较少的靶序列操作步骤①固定组织或细胞:将组织细胞固定于预先用四氟乙烯包被的玻片上，并用多聚甲醛处理，再灭活除去细胞内源性过氧化物酶.②蛋白酶K消化处理:用60ug/ml的蛋白酶K将固定好的组织细胞片55℃消化处理2h后，96℃2min以灭活蛋白酶K.③PCR扩增:在组织细胞片上，加PCR反应液，覆盖并加液体石蜡后，直接放在扩增仪的金属板上，进行PCR循环扩增.有的基因扩增仪带有专门用于原位PCR的装置.④杂交:PCR扩增结束后，用标记的寡核苷酸探针进行原位杂交原位PCR的作用既往鉴定细胞内特异序列一般采用原位杂交（ISH），但在每个细胞中目的片段的拷贝数少于10的情况下，该方法的敏感度就明显下降。而标准的PCR则可扩增出细胞内单拷贝的序列，敏感度很高，但却未能与细胞形态学研究相结合。ISPCR则可把这两者结合起来，成为细胞学诊断中一种崭新的检测技术。利用该法可检测细胞内病毒感染、细胞内基因重排、以及分析细胞内RNA表达产物等方面发挥一定作用。在检测细胞的潜在感染方面也具有重要意义。人类染色体端粒DNA的荧光原位杂交照片LCR连接酶链反应LCR（Ligasechainreaction）基本原理为利用DNA连接酶.特异地将双链DNA片段连接，经变性-退火-连接三步骤反复循环，从而使靶基因序列大量扩增.若连接处的靶序列有点突变，引物不能与靶序列精确结合，缺口附近核苷酸的空间结构发生变化，连接反应不能进行，也就不能形成连接产物.LCR的引物是两对分别互补的引物，引物长度为20～26个，以保证引物与靶序列的特异性结合，其特异性首先取决于引物与模板的特异性结合，其次是耐热连接酶的特异性.LCR连接反应温度接近寡苷酸的解链温度(Tm)，因而识别单核苷酸错配的特异性极高.LCR的扩增效率与PCR相当，用耐热连接酶做LCR只用两个温度循环，94℃min变性和65℃复性并连接，循环30次左右.目前该方法主要用点突变的研究与检测、微生物病原体的检测及定向诱变等，还可用于单碱基遗传病多态性及单碱基遗传病的产物诊断，微生物的种型鉴定，癌基因的点突变研究等.LP（Labelledprimers)检测利用同位素、荧光素等对ＰＣＲ引物进行标记，用以直观地检测目的基因。特别适合大量临床标本的基因诊断可同时检测多种基因成分病毒1病毒2病毒3病毒4标记引物ＰＣＲ观察PCR产物巢式PCR（Nest-PCR）P1P2P3P4巢式PCR的使用降低了扩增多个靶位点的可能性，因为同多套引物都互补的靶序列很少。巢式PCR可以增加有限量靶序列（如稀有mRNA）的灵敏度，并且提高了困难PCR（如5'RACE）的特异性。递减PCR（TouchDownPCR）递减PCR通过在PCR的前几个循环使用严谨的退火条件提高特异性。循环设在比估算的Tm高大约5℃的退火温度下开始，然后每个循环降低1-2℃,直到退火温度低于Tm5℃。特异性最高的目的模板会被优先扩增，这些产物在随后的循环中继续扩增占据优势。递减PCR对于那些不了解引物和目的模板同源性程度的方法更为有用，如AFLP、DNA指纹分析等。热启动PCR（HotStartPC