聚合酶鏈式反應(Polymerase chain reaction,,縮寫:PCR,,又稱多聚酶鏈式反應),,是一項利用DNA雙鏈復制的原理,在生物體外復制特定DNA片段的核酸合成技術,。透過這項技術,,可在短時間內(nèi)大量擴增目的基因,而不必依賴大腸桿菌或酵母菌等生物體,。
PCR技術的基本原理首先基于DNA半保留復制原理,,還有堿基互補配對原則,即復制的過程中雙鏈DNA會解鏈,,由雙鏈變成單鏈,,溫度一般為95℃;之后溫度降下來,引物會結合到DNA單鏈上,,在DNA聚合酶的作用下,,把游離的dNTP按照堿基互補配對原則結合到單鏈上,形成一條由舊鏈和新鏈雜合成的新的雙鏈DNA,。這個過程可概括為‘變性-退火-延伸’三個基本步驟,。
表1 標準的PCR反應體系
組分 | 用量 |
10×擴增緩沖液 | 10μl |
4種dNTP混合物 | 200μl |
引物 | 10~100μl |
模板DNA | 0.1~2μg |
Taq DNA聚合酶 | 2.5 μl |
Mg2+ | 1.5mmol/L |
加雙蒸水 | 100 μl |
4 PCR反應特點
4.1特異性強
PCR反應的特異性決定因素為:
①引物與模板DNA特異正確的結合,;
②堿基配對原則,;
③Taq DNA聚合酶合成反應的忠實性;
④靶基因的特異性與保守性,。
4.2 靈敏度高
PCR產(chǎn)物的生成量是以指數(shù)方式增加的,,能將皮克(pg=10-12)量級的起始待測模板擴增到微克(μg=10-6)水平。能從100萬個細胞中檢出一個靶細胞,;在病毒的檢測中,,PCR的靈敏度可達3個RFU(空斑形成單位);在細菌學中最小檢出率為3個細菌。
4.3簡便,、快速
PCR反應用耐高溫的Taq DNA聚合酶,,一次性地將反應液加好后,經(jīng)過變性-退火-延伸反應,,一般在2~4 小時完成擴增反應。擴增產(chǎn)物一般用電泳分析,,不一定要用同位素,,無放射性污染、易推廣,。
4.4 對標本的純度要求低
不需要分離病毒或細菌及培養(yǎng)細胞,,DNA粗制品及RNA均可作為擴增模板??芍苯佑门R床標本如血液,、體腔液、洗嗽液,、毛發(fā),、細胞、活組織等DNA擴增檢測,。
5 PCR常見問題
5.1假陰性,,不出現(xiàn)擴增條帶
PCR反應的關鍵環(huán)節(jié)有:
(1)模板核酸的制備
①模板中含有雜蛋白質(zhì);
②模板中含有Taq酶抑制劑,;
③模板中蛋白質(zhì)沒有消 化除凈,,特別是染色體中的組蛋白;
④在提取制備模板時丟失過多,,或吸入酚,;
⑤模板核酸變性不底。在酶和引物質(zhì)量好時,,不出現(xiàn)擴增帶,,極有可能是標本
的消化處理,模板核酸提取過程出了毛病,,因而要配制有效而穩(wěn)定的消化處理液,,
其程序亦應固定不宜隨意更改。
(2)引物的質(zhì)量與特異性
引物質(zhì)量,、引物的濃度,、兩條引物的濃度是否對稱,是PCR失敗或擴增條
帶不理想,、容易彌散的常見原因,。有些批號的引物合成質(zhì)量有問題,兩條引物一
條濃度高,一條濃度低,,造成低效率的不對稱擴增,,對策為:
①選定一個好的引物合成單位。
②引物的濃度不僅要看OD值,,更要注重引物原液做瓊脂糖凝膠電泳,,一定要有
引物條帶出現(xiàn),而且兩引物帶的亮度應大體一致,,如一條引物有條帶,,一條引物
無條帶,此時做PCR有可能失敗,,應和引物合成單位協(xié)商解決,。如一條引物亮度
高,一條亮度低,,在稀釋引物時要平衡其濃度,。
③引物應高濃度小量分裝保存,防止多次凍融或長期放冰箱冷藏部分,,導致引物
變質(zhì)降解失效,。
④引物設計不合理,如引物長度不夠,,引物之間形成二聚體等,。
(3)酶的質(zhì)量
酶失活:需更換新酶,或新舊兩種酶同時使用,,以分析是否因酶的活性喪失或不夠而導致假陰性,。需注意的是有時忘加Taq酶或溴乙錠。
(4)Mg2+濃度
Mg2+離子濃度對PCR擴增效率影響很大,,濃度過高可降低PCR擴增的特異
性,,濃度過低則影響PCR擴增產(chǎn)量甚至使PCR擴增失敗而不出擴增條帶。
(5)反應體積的改變
通常進行PCR擴增采用的體積為20ul,、30ul,、50ul或100ul,應用多大體積
進行PCR擴增,,是根據(jù)科研和臨床檢測不同目的而設定,,在做小體積如20ul 后,
再做大體積時,,一定要模索條件,,否則容易失敗。
(6)物理原因
變性對PCR擴增來說相當重要,,如變性溫度低,,變性時間短,,極有可能出現(xiàn)
假陰性;退火溫度過低,,可致非特異性擴增而降低特異性擴增效率退火溫度過高
影響引物與模板的結合而降低PCR擴增效率,。有時還有必要用標準的溫度計,,檢
測一下擴增儀或水溶鍋內(nèi)的變性,、退火和延伸溫度,這也是PCR失敗的原因之一,。
(7)靶序列變異
如靶序列發(fā)生突變或缺失,,影響引物與模板特異性結合,,或因靶序列某段缺
失使引物與模板失去互補序列,其PCR擴增是不會成功的,。
5.2 假陽性
出現(xiàn)的PCR擴增條帶與目的靶序列條帶一致,有時其條帶更整齊,,亮度更高,。
(1)引物設計不合適
選擇的擴增序列與非目的擴增序列有同源性,因而在進行PCR擴增時,,
擴增出的PCR產(chǎn)物為非目的性的序列,。靶序列太短或引物太短,容易出現(xiàn)假
陽性,。需重新設計引物,。
(2)靶序列或擴增產(chǎn)物的交叉污染
這種污染有兩種原因:一是整個基因組或大片段的交叉污染,導致假陽性,。
這種假陽性可用以下方法解決:操作時應小心輕柔,,防止將靶序列吸入加樣槍
內(nèi)或濺出離心管外。除酶及不能耐高溫的物質(zhì)外,,所有試劑或器材均應高壓消
毒,。所用離心管及樣進槍頭等均應一次性使用。必要時,,在加標本前,,反應管
和試劑用紫外線照射,以破壞存在的核酸,。二是空氣中的小片段核酸污染,,這
些小片段比靶序列短,但有一定的同源性,??苫ハ嗥唇樱c引物互補后,,可擴
增出PCR產(chǎn)物,,而導致假陽性的產(chǎn)生,,可用巢式PCR方法來減輕或消除。
5.3 出現(xiàn)非特異性擴增帶
非特異性條帶的出現(xiàn),,其原因:一是引物與靶序列不全互補,、 或引物聚合形成二聚體。二是Mg2+離子濃度過高,、退火溫度過低,,及PCR循環(huán)次數(shù)過多有關。其次是酶的質(zhì)和量,,往往一些來源的酶易出現(xiàn)非特異條帶而另一來源的酶則不出現(xiàn),,酶量過多有時也會出現(xiàn)非特異性擴增。對策有:
①必要時重新設計引物,;
②減低酶量或調(diào)換另一來源的酶,;
③降低引物量,適當增加模板量,,減少循環(huán)次數(shù),;
④適當提高退火溫度或采用二溫度點法(93℃變性,65℃左右退火與延伸),。
5.4出現(xiàn)片狀拖帶或涂抹帶
PCR擴增有時出現(xiàn)涂抹帶或片狀帶或地毯樣帶,。其原因往往由于酶量過多或酶的質(zhì)量差,dNTP濃度過高,,Mg2+濃度過高,,退火溫度過低,循環(huán)次數(shù)過多引起,。對策為:
①減少酶量,,或調(diào)換另一來源的酶。
②減少dNTP的濃度,。適當降低Mg2+濃度,。增加模板量,減少循環(huán)次數(shù),。