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PCR的基本原理
1概述
聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase chain reaction,縮寫:PCR,又稱多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)),是一項利用DNA雙鏈復(fù)制的原理,在生物體外復(fù)制特定DNA片段的核酸合成技術(shù)。透過這項技術(shù),可在短時間內(nèi)大量擴(kuò)增目的基因,而不必依賴大腸桿菌或酵母菌等生物體。
2 PCR原理
PCR技術(shù)的基本原理首先基于DNA半保留復(fù)制原理,還有堿基互補(bǔ)配對原則,即復(fù)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(jié)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(bǔ)配對原則結(jié)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。
一般的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由20到35個循環(huán)組成,每個循環(huán)包括以下3個步驟:
變性:利用高溫(94℃~98℃)使雙鏈DNA分離。高溫將連接兩條DNA鏈的氫鍵打斷。在第一個循環(huán)之前,通常加熱長一些時間以確保模板和引物全分離,僅以單鏈形式存在。該步驟時間1~2分鐘,接下來機(jī)器就控制溫度進(jìn)入循環(huán)階段。
退火(又稱復(fù)性、降溫貼合、緩冷配對、引物黏合):在DNA雙鏈分離后,降低溫度使得引物可以結(jié)合于單鏈DNA上。此階段的溫度通常低于引物熔點5℃。錯誤的退火溫度可能導(dǎo)致引物不與模板結(jié)合或者錯誤地結(jié)合。該步驟時間1~2分鐘。新技術(shù)的融合型核酸聚合酶在此階段的溫度會高于熔點3~5℃,僅需時間5~10秒。
延伸:DNA聚合酶由降溫時結(jié)合上的引物開始沿著DNA鏈合成互補(bǔ)鏈。此階段的溫度依賴于DNA聚合酶。該步驟時間依賴于聚合酶以及需要合成的DNA片段長度。傳統(tǒng)的Taq估計合成1000 bp大概需要1分鐘、較新的Tbr(來自于嗜熱菌Thermus brockianus)約40秒、商業(yè)公司生產(chǎn)的融合型聚合酶僅需約10-15秒。有修正功能的則會比較慢。
3 PCR反應(yīng)體系表1 標(biāo)準(zhǔn)的PCR反應(yīng)體系
組分 | 用量 |
10×擴(kuò)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(yīng)特點
4.1特異性強(qiáng)
PCR反應(yīng)的特異性決定因素為:
①引物與模板DNA特異正確的結(jié)合;
②堿基配對原則;
③Taq DNA聚合酶合成反應(yīng)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(kuò)增到微克(μg=10-6)水平。能從100萬個細(xì)胞中檢出一個靶細(xì)胞;在病毒的檢測中,PCR的靈敏度可達(dá)3個RFU(空斑形成單位);在細(xì)菌學(xué)中最小檢出率為3個細(xì)菌。
4.3簡便、快速
PCR反應(yīng)用耐高溫的Taq DNA聚合酶,一次性地將反應(yīng)液加好后,經(jīng)過變性-退火-延伸反應(yīng),一般在2~4 小時完成擴(kuò)增反應(yīng)。擴(kuò)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(biāo)本的純度要求低
不需要分離病毒或細(xì)菌及培養(yǎng)細(xì)胞,DNA粗制品及RNA均可作為擴(kuò)增模板??芍苯佑门R床標(biāo)本如血液、體腔液、洗嗽液、毛發(fā)、細(xì)胞、活組織等DNA擴(kuò)增檢測。