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JBBLAB新蟲(chóng) (初入文壇)
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一種比較詳細(xì)的PCR技術(shù) 已有10人參與
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實(shí)驗(yàn)原理 1 TaqDNA聚合酶 在早期進(jìn)行的PCR反應(yīng)中,使用的是大腸桿菌DNA聚合酶1的大片段,,即Klenow片段。也曾有人用噬菌體T4 DNA聚合酶。這兩種酶的共同弱點(diǎn)是對(duì)熱不穩(wěn)定性,DNA合成反應(yīng)只能在370C進(jìn)行。PCR時(shí)每一循環(huán)的解鏈溫度都在90C以上進(jìn)行,故在每?jī)蓚(gè)循環(huán)之間要加入新的DNA聚合酶,使得整過(guò)程整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程很繁瑣和昂貴。同時(shí)在370C,引物與DNA模板之間會(huì)發(fā)生分子非特異性結(jié)合,最終導(dǎo)致很多非特異性DNA片段的擴(kuò)增。 Taq 酶有耐高溫的特性,其最適的活性溫度是720C(75-80),連續(xù)保溫30分鐘仍具有相當(dāng)?shù)幕钚,而且在比較寬的溫度范圍內(nèi)都保持著催化DNA合成的能力,一次加酶即可滿足PCR操作過(guò)程自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。 相對(duì)分子質(zhì)量為94000的TaqDNA聚合酶的酶活性較高,大約為200000Umg,在合成時(shí)有一個(gè)較高的最適溫度75-80C,轉(zhuǎn)換數(shù)Kcat接近150nt/(s•酶分子)。這種活性有明顯的溫度依賴(lài)性。TaqDNA聚合酶雖然在90C以上合成DNA的能力有限,但高溫時(shí)仍比較穩(wěn)定。有人試驗(yàn)證明在92.5C,95C,和97.5C時(shí),PCR混合物中的TaqDNA聚合酶分別經(jīng)130分鐘、40分鐘和5-6分鐘后仍可保持50%左右的活性,其半衰期較長(zhǎng)。所以,在一個(gè)PCR預(yù)備試驗(yàn)中,每次循環(huán)時(shí)上限溫度為95C(試管內(nèi))處理20秒,則循環(huán)50次后TaqDNA聚合酶仍可保持65%的活性,能夠保證實(shí)驗(yàn)的需要。 TaqDNA聚合酶具有很高的加工合成特性,其最適延伸溫度在75-80C時(shí),dNTP的摻入速度為35-100nt/(•酶分子),最長(zhǎng)延伸長(zhǎng)度7。6kb,如對(duì)M13上的富含GC的30-me引物,該酶在70C的延伸率高于60nt/(•酶分子), 在55C仍有較高的延伸活性,22C和37C時(shí)延伸速度分別為0。25和1。5 nt/(•酶分子)。由此可見(jiàn),在低溫下,TaqDNA聚合酶一表現(xiàn)活性明顯降低,因而,導(dǎo)致此酶在模板鏈分子內(nèi)局部二級(jí)結(jié)構(gòu)區(qū)域的延伸能力受損或前進(jìn)速率常數(shù)與解離常數(shù)的比值發(fā)生改變。在很高的溫度(90C以上)時(shí),很少DNA合成。在體外條件下,DNA在較高溫度時(shí)的合成速度受到引物或引物鏈與模板鏈的雙鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的限制。溫度對(duì)TaqDNA聚合酶活性的影響見(jiàn)表。 由于TaqDNA聚合酶的最適延伸溫度高達(dá)75-80C,故退火和延伸反應(yīng)溫度均可提高,限制了非特異性擴(kuò)增產(chǎn)物的出現(xiàn),增加了PCR的特異性。 2 模板 (1) 模板的純度 一般不要求很高,不需要達(dá)到超純。某些擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)中甚至可以直接將溶細(xì)胞液煮沸加熱,用蛋白質(zhì)變性后的DNA溶液作模板。但DNA溶液中不能有影響擴(kuò)增反應(yīng)的物質(zhì)存在,例如蛋白酶、核酸酶、結(jié)合DNA的蛋白質(zhì)等;另一類(lèi)是尿素、十二烷基硫酸鈉、卟啉類(lèi)物質(zhì)等;還有一類(lèi)是二價(jià)金屬離子的絡(luò)合劑(如EDTA)等,會(huì)與Mg2 絡(luò)合,影響Taq DNA聚合酶的活性。上述物質(zhì)的存在會(huì)影響擴(kuò)增效果,甚至使擴(kuò)增失敗。 (2) 模板DNA的量 一般對(duì)于單拷貝的哺乳動(dòng)物基因組模板來(lái)說(shuō),100ul的反應(yīng)體系中有100ng的模板已足夠。有時(shí),加的模板太多,會(huì)令擴(kuò)增失敗。這時(shí)如果對(duì)模板稀釋后再加入反應(yīng)體系中,往往能獲得成功。 3 dNTP dNTP儲(chǔ)備液必須為PH7.0左右,濃度一般為2mmol/L, 分裝后置-20C保存.典型的PCR擴(kuò)增體系中,兩種dNTP的終濃度為20-200umol/L. 理論上,100ul反應(yīng)液中兩種dNTP的濃度為20umol/L時(shí),足以合成12.5ug DNA或合成10pmol 400bp的DNA片段. DNTP會(huì)絡(luò)合溶液中的 Mg2 , 而且大于200umol/L的dNTP會(huì)增加Taq DNA聚合酶的錯(cuò)配率.如果dNTP的濃度達(dá)到1mmol/L時(shí),則會(huì)抑制Taq DNA聚合酶活性. 4 Mg2 濃度 Taq DNA聚合酶在合成新DNA鏈時(shí),要求有游離的Mg2 ,因而在PCR系統(tǒng)中確定Mg2 的最適濃度是必要的. Mg2 濃度太低會(huì)無(wú)PCR產(chǎn)物,太高又會(huì)導(dǎo)致非特異的產(chǎn)物產(chǎn)生. 故常需根據(jù)各自的實(shí)驗(yàn)預(yù)先試驗(yàn),以確定本實(shí)驗(yàn)的最佳Mg2 濃度,保證DNA聚合酶具有良好的活性. 通常情況下,要求反應(yīng)體系中有0.5-2.5mmol/L的游離Mg2 .反應(yīng)內(nèi)容物中, dNTP能與Mg2 .結(jié)合,所含EDTA會(huì)與Mg2 絡(luò)合,高濃度的DNA也有干擾作用,都會(huì)影響Mg2 的有效濃度. 5 PCR系統(tǒng)中的其它成分 PCR反應(yīng)緩沖溶液通常用10 mmol/L Tris-HCl(PH8.3, 20C), 它是兩性離子緩沖劑.此外,還有50 mmol/L KCL, 它有利于引物與模板退火.高于50mmol/L 的KCL, 或50mmol/L 的NaCl對(duì)Taq DNA聚合酶有抵制作用.明膠或血清白蛋白(100ug/ml)及非離子去污劑,如Tween20等,對(duì)Taq DNA聚合酶起穩(wěn)定作用. 6 PCR的熱循環(huán)計(jì)劃 在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)中,將標(biāo)本加熱至90-95C,使DNA雙鏈變性, 再快速冷卻至40-60C使引物退火并結(jié)合到互補(bǔ)靶序列上,然后升溫至70-75C, 在Taq DNA聚合酶的作用下?lián)饺雴魏塑账崾挂镅啬0逖由?每步時(shí)間從反應(yīng)達(dá)到要求溫度后計(jì)算. PCR反應(yīng)的每一個(gè)溫度循環(huán)周期都是由DNA變性\引物退火和反應(yīng)延伸3個(gè)步驟組成的.圖中設(shè)定的反應(yīng)參數(shù)是94C變性1分鐘,60C退火1分鐘,72C延伸1.5分鐘.如此周而復(fù)始,重復(fù)進(jìn)行,直到擴(kuò)增產(chǎn)物的數(shù)量滿足實(shí)驗(yàn)需求為止. (1) 變性溫度與時(shí)間 使靶基因模板和PCR產(chǎn)物完全變性是PCR成敗的關(guān)鍵.DNA在其鏈分解溫度時(shí)的變性只需幾秒鐘,但反應(yīng)管內(nèi)達(dá)到Tss還需一定時(shí)間,變性溫度太高會(huì)影響酶活性;通常情況下94-95C變性1分鐘就足以使模板DNA完全變性,更高的溫度可能更為有效(尤其是富含C G的靶基因),若低于94C,則需延長(zhǎng)變性時(shí)間.為提高起始模板的變性效果,保存酶活性,常常在加入Taq 酶之前97C先變性7-10分鐘,再按94C的變性溫度進(jìn)入循環(huán)方式,這對(duì)PCR的成功有益處. (2) 復(fù)性溫度與時(shí)間 復(fù)性溫度決定著PCR的特異性.引物復(fù)性所需的溫度與時(shí)間取決于引物的堿基組成、長(zhǎng)度和濃度。合適的復(fù)性溫度應(yīng)低于擴(kuò)增引物在PCR條件下真實(shí)Tm值的5C,引物越短(12-15bp),復(fù)性溫度越低(40-45C)。一般來(lái)說(shuō),若降低復(fù)性溫度(37C),可提高墳增產(chǎn)量,但引物與模板間錯(cuò)配現(xiàn)象會(huì)增多,導(dǎo)致非特異性擴(kuò)增上升;若提高復(fù)性溫度(56-70C),雖擴(kuò)增反應(yīng)的特異性增加,但擴(kuò)增效果下降。理想的方法是:設(shè)置一系列對(duì)照反應(yīng),以確定擴(kuò)增反應(yīng)的最適復(fù)性溫度。 (3)延伸溫度與時(shí)間 Taq DNA聚合酶雖能在較寬的溫度范圍內(nèi)催化DNA的合成,但不合適的溫度仍可對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物的特異性、產(chǎn)量造成影響。引物延伸溫度一般為72C(較復(fù)性溫度高10C左右),延伸時(shí)間視目標(biāo)DNA片段長(zhǎng)短和濃度而定。在最適溫度下,核苷酸的摻入率為35-100nt/s,這也取決于緩沖體系、PH值、鹽濃度和DNA模板的性質(zhì)等,延伸1分鐘對(duì)長(zhǎng)達(dá)2kb的擴(kuò)增片段是足夠的,延伸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致非特異擴(kuò)增帶的出現(xiàn),但在循環(huán)的最后一步延伸時(shí),為使反應(yīng)完全,提高產(chǎn)量,可將延伸時(shí)間延長(zhǎng)4-10分鐘。 (4)循環(huán)數(shù) 循環(huán)數(shù)決定著擴(kuò)增程度,常規(guī)PCR一般為25-40周期,在其他參數(shù)交已優(yōu)化的條件下,最適循環(huán)數(shù)取決于靶序列的初始濃度,其相應(yīng)關(guān)系參照下表 模板DNA分子數(shù) 需要熱循環(huán)次數(shù) 3.0×105 25-30 1.5×104 30-35 1.0×103 35-40 循環(huán)次數(shù)太少,得不到一定的產(chǎn)物量;循環(huán)次數(shù)太多時(shí),擴(kuò)增反應(yīng)的后期,產(chǎn)物積累的指數(shù)率下降甚至不再有正確的產(chǎn)物生成,正常的反應(yīng)幾乎停止,呈現(xiàn)平臺(tái)效應(yīng)。 影響出現(xiàn)平臺(tái)效應(yīng)的因素有: A、反應(yīng)試劑(dNTP或酶)穩(wěn)定性的改變; B、終產(chǎn)物(如焦磷酸)的抑制效應(yīng); C、產(chǎn)物濃度超過(guò)10-5時(shí)可產(chǎn)生重復(fù)退火,于是會(huì)降低引物延伸速率或DNA聚合酶的活性 D、高濃度產(chǎn)物DNA雙鏈的解鏈不寶劍。平臺(tái)效應(yīng)時(shí)的一種重要后果是由于錯(cuò)誤引導(dǎo),在開(kāi)始時(shí)濃度不高的非特異產(chǎn)物會(huì)繼續(xù)擴(kuò)增,使結(jié)果的分析復(fù)雜化。 7 引物的要求: (1) 一般長(zhǎng)15-30bp,常用20bp(理論上420=11×1011長(zhǎng)的DNA片段才會(huì)有重復(fù))。引物過(guò)長(zhǎng),擴(kuò)增的效率降低。 (2) 堿基組成:C G占50-60%(常規(guī)),盡量避免數(shù)個(gè)嘌呤和嘧啶的連續(xù)排列。 (3) 一對(duì)引物之間不能有2個(gè)以上的堿基互補(bǔ),特別是3‘末端;引物之間的堿基互補(bǔ)會(huì)形成引物二聚體,引物本身應(yīng)避免回文序列。 (4) 引物與模板退火的溫度和所需的時(shí)間取決于引物的堿基組成、長(zhǎng)度和溶液中引物的濃度。合適的退火溫度是低于引物本身的實(shí)際變性溫度(Tm)50C。20bp左右長(zhǎng)度的DNA片段的Tm=(G C) ×40C (A T) ×20C。退火火溫度通常在55-720C下進(jìn)行在標(biāo)準(zhǔn)的引物濃度(0.2umol/L)下,幾秒內(nèi)即可完成退火。提高退火溫度可提高引物與模板結(jié)合的特異性。特別在最初幾次循環(huán)中采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐嘶饻囟,有助于PCR特異性擴(kuò)增。如果引物中(G C)的含量小于50%,退火溫度應(yīng)低于550C。 (5) 100ul的PCR反應(yīng)液中,引物的絕對(duì)量為10-100pmol。PCR反應(yīng)液中2個(gè)引物濃度不等時(shí),其濃度比為50:1,稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)PCR。 簡(jiǎn)并引物:由多種寡核苷酸組成的混合物,彼此之間僅有一個(gè)或數(shù)個(gè)核苷酸的差異。若PCR擴(kuò)增引物的核苷酸組成順序是根據(jù)氨基酸順序推測(cè)而來(lái),就需合成簡(jiǎn)并引物。 嵌套引物:利用第一輪PCR擴(kuò)增產(chǎn)物作為第二輪PCR擴(kuò)增的起始材料,同時(shí)除使用第一輪的一對(duì)特異引物外,另加1-2個(gè)新引物(處在同一個(gè)模板DNA的頭兩個(gè)引物之間序列)進(jìn)行第二輪擴(kuò)增。通過(guò)嵌套引物擴(kuò)增的產(chǎn)物,產(chǎn)生錯(cuò)誤擴(kuò)增的可能性極小,所以應(yīng)用嵌套引物技術(shù)能夠使靶DNA序列得到有效的選擇性擴(kuò)增。 PCR的的應(yīng)用:基因克隆、反向PCR、不對(duì)稱(chēng)PCR、RT-PCR、基因的體外誘變和突變檢測(cè)、基因組的比較研究。 主要試劑 (1) 引物:根據(jù)待擴(kuò)增DNA不同,引物亦不同。 (2) TaqDNA聚合酶:能耐受93-100C的高溫。 (3) 10*PCR緩沖液:含500mmol/L KCl、100mmol/L Tris-HCl(pH8.4, 20C)、150mmol/L MgCl及1mg/ml明膠。 (4) 5mmol/L dNTP貯備液:將dATP、dCTP、dGTP、dTTP鈉鹽各100mg合并,加3ml滅菌無(wú)離子水溶解,用NaOH調(diào)pH值至中性,分裝每份300ul,-20C保存。DNTP濃度最好用UV吸收法精確測(cè)定。 (5) 標(biāo)本處理試劑: 主要設(shè)備 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)步驟 (1) 向一微量離心管中集資加入如下物質(zhì): 10*PCR緩沖液 1/10體積 DNA模板 10-10拷貝 dNTP 各200umol/L ddHO補(bǔ)至終體積(終體積50-100ul)引物(一對(duì)人工合成寡核苷酸)各1umol/L 混勻后,離心15秒使反應(yīng)成分集于管底。 (2) 加石蠟50-100ul于反應(yīng)液表面以防蒸發(fā)。置反應(yīng)管于97C變性7分鐘(染色體DNA)或5分鐘(質(zhì)粒DNA)。 (3) 冷至延伸溫度時(shí),加入1-5uTaqDNA聚合酶,在此溫度下作用1分鐘。 (4) 于變性溫度下(92-93)使模板DNA變性45秒。 (5) 在復(fù)性溫度下(55C)使引物與模板雜交45秒。 (6) 在延伸溫度下(72C)使復(fù)性的引物延伸1分鐘。 (7) 重復(fù)(4)-(6)步25-30次,每次即為一個(gè)PCR循環(huán)。 (8) 微量瓊脂糖凝膠電泳檢查擴(kuò)增產(chǎn)物。 PCR的結(jié)果分析 (1) 瓊脂糖凝膠電泳 (2) 限制性?xún)?nèi)切酶片段分析 用限制性?xún)?nèi)切酶酶解PCR產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)有特定的限制性?xún)?nèi)切酶片段,則說(shuō)明擴(kuò)增的PCR產(chǎn)物是特異的,反之表明PCR產(chǎn)物在限制性位點(diǎn)發(fā)生了堿基突變。 (3) 核酸雜交 首先將擴(kuò)增的DNA固定到尼龍膜或硝酸纖維素濾膜上,再用放射性或非放射性標(biāo)記物標(biāo)記的探針雜交。陽(yáng)性表明PCR產(chǎn)物是特異的。 |
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