CR技术及其发展和应用.ppt
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1、PCR技术及其发展和应用张雪梅检验系临床生化教研室主要参考书1.CW迪芬巴赫、GS德弗克斯勒美主编。PCR技术实验指南2.黄留玉主编。PCR最新技术原理、方法及应用3.尹一兵主编。分子诊断学目 录PCR技术的原理PCR技术的衍生技术实时荧光PCR技术PCR技术的应用一、PCR的基本原理PCR反应体系PCR过程PCR的特点标准的标准的PCRPCR反应体系反应体系4种dNTP混合物 各200umol/L引物 各10100pmol模板DNA 0.12ugDNA聚合酶 2.5uMg2+1.5mmol/LPCR的基本原理PCR反应体系PCR过程PCR的特点1234522557294时间(min)温度()
2、PCR的基本原理PCR反应体系PCR过程PCR的特点适温延伸3高温变性1低温退火2重复13步2530轮目的DNA片段扩增100万倍以上DNA双螺旋DNA单链与引物复性DNA变性形成2条单链子链延伸DNA加倍MOVIEPCR的基本原理nPCR反应条件nPCR过程nPCR的特点1234522557294时间(min)温度()适温延伸3高温变性1低温退火2重复13步2530轮目的DNA片段扩增100万倍以上DNA双螺旋DNA单链与引物复性子链延伸DNA加倍DNA变性形成2条单链模板DNA95PCR的基本原理nPCR反应条件nPCR过程nPCR的特点50引物1引物2DNA引物PCR的基本原理nPCR反
3、应条件nPCR过程nPCR的特点引物1引物2DNA引物72Taq酶Taq酶PCR的基本原理nPCR反应条件nPCR过程nPCR的特点第1轮结束95第2轮开始PCR的基本原理nPCR反应条件nPCR过程nPCR的特点50TaqTaqTaqTaqPCR的基本原理nPCR反应条件nPCR过程nPCR的特点72第2轮结束PCR的基本原理nPCR反应条件nPCR过程nPCR的特点模板DNA第1轮扩增第2轮扩增第3轮扩增第4轮扩增第5轮扩增第6轮扩增理想拷贝数=2n n 循环次数实际拷贝数=(1+x)n X 平均效率,约为0.85 n 循环次数 重复30轮后230=1,073,741,8241.8530=
4、103,550,417PCR技术简史核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明PCR的完善n1971年,Khorana提出:经过DNA变性,与合适引物杂交,用DNA聚合酶延伸引物,并不断重复该过程便可克隆tRNA基因。n但由于测序和引物合成的困难,以及70年代基因工程技术的发明使克隆基因成为可能,所以,Khorana的设想被人们遗忘了PCR技术简史核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明PCR的完善n1985年,美国PE-Cetus公司的Mullis等人发明了聚合酶链反应(PCR)n基本原理是在试管中模拟细胞内的DNA复制n然而,采用E-coli DNA聚合酶进行PCR,由于该酶不耐热,使这一过程耗时,
5、费力,且易出错PCR技术简史核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明PCR的完善n1988年初,Keohanog改用T4 DNA聚合酶进行PCR,其扩增的DNA片段很均一,真实性也较高,只有所期望的一种DNA片段。但每循环一次,仍需加入新酶。n1988年Saiki 等从温泉中分离的一株水生嗜热杆菌(thermus aquaticus)中提取到一种耐热DNA聚合酶。n耐热DNA聚合酶的应用使得PCR能高效率的进行,随后PE-Cetus公司推出了第一台PCR自动化热循环仪实验步骤(1)在0.5mlPCR管内配置20ul反应体系:CK(ul)1#(ul)模板01引物10.50.5引物20.50.510P
6、CRBuffer22Taq酶0.20.2dNTPs0.50.5ddH2O16.315.3Total2020(2)PCR反应程序(1)94(1)94(1)94(1)94变性变性变性变性5min5min5min5min,(2)94(2)94(2)94(2)94变性变性变性变性1min1min1min1min,(3)52 (3)52 (3)52 (3)52 退火退火退火退火1min1min1min1min,(4)72 (4)72 (4)72 (4)72 延伸延伸延伸延伸1min1min1min1min。(5)72 (5)72 (5)72 (5)72 延伸延伸延伸延伸10min10min10min10
7、min。重复重复(2)-(4)30(2)-(4)30次次PCR结果:1、对照(无模板);26、PCR产物(5ul样品)PCR产物的电泳鉴定PCR的基本原理PCR反应条件PCR过程PCR的特点n灵敏度高1.皮克(pg=10-12)量级扩增到微克(ug=10-6)水平2.能从100万个细胞中检出一个靶细胞3.病毒检测的灵敏度可达3个RFU4.细菌检测的最小检出率为3个细菌n简便、快速1.一次性加好反应液,14 小时完成扩增2.扩增产物一般用电泳分析n对标本的纯度要求低u血液、体腔液、洗嗽液、毛发、细胞、活组织等组织的粗提DNA(1)模板n n单、双链DNA均可,多种来源。n n质量要求不高,但不能
8、混有蛋白酶、核酸酶、DNA聚合酶抑制剂、DNA结合蛋白类。n n一般人基因组100ng DNA模板(100L)。n n模板浓度过高会导致反应的非特异性增加。PCR反应的影响因素1)反应体系LambdaDNA,模板量分别为100pg,10pg,1pg,100fg,10fg(2)引物 引物是与待扩增DNA片断两翼互补的一段特异的寡核苷酸片断。引物是PCR反应中最关键的因素,因此引物序列的设计对于PCR是否成功是非常重要的。引物设计的原则:(1)序列应位于高度保守区,与非扩增区无同源序列。n序列的查找可在相关的网址,如查找各种目的序列。n同源性比较可以在进行在线比较或通过OMIGA、ClustalX
9、等软件进行两两或多序列的比较。引物序列同源性比对(2)引物长度以15-40bp为宜。(3)碱基尽可能随机分布,G+C占50-60%。(4)引物内部避免形成二级结构(发夹结构)。(5)两引物间避免有互补序列(二聚体)。(6)引物3端为关键碱基;5端无严格限制。335535 5限制性内切酶的识别序列限制性内切酶的识别序列启动子序列启动子序列定点突变定点突变探针标记探针标记引物设计引物设计常用软件主要有:nPrimerPremier5.0nOligo6nprimer3nThePrimerGeneratornNetPrimer1.将序列输入软件中(2)在表中粘贴序列(1)新序列两个方法选择序列文选择序
10、列文件所在位置件所在位置(2)打开原有的序列文件 在对话框中输入待扩增序列 点击左上角的“Primer”按钮2.设置相关参数3.得到的引物结果Hairpin:引物自身是否会形成发夹结构引物自身是否会形成发夹结构Dimer:同一种引物是否会形成二聚体同一种引物是否会形成二聚体False primiring:引物在待扩增序列中其他位置是否有配对引物在待扩增序列中其他位置是否有配对Cross Dimer:正向与反向引物间是否会形成二聚体正向与反向引物间是否会形成二聚体正向和正向和反向引反向引物的互物的互换换正向和反向正向和反向引物的评价引物的评价正向和反向正向和反向引物的信息引物的信息每点击左每点击
11、左边红色的边红色的按钮,就按钮,就出现相应出现相应的内容的内容对正向和反向引物进行编辑对正向和反向引物进行编辑可对引物进行增加或减少碱基用键盘输入5个碱基引物的信息引物的信息改动后引物的信息重新回到双引物的界面“Edit”“Copy”“Sense Primer”5 CGCCTCGAGAAAAGACAGGACTCCACCTCA 34.输出引物序列n引物纯度:公司合成引物常用的纯化方式C18脱盐、OPC纯化、PAGE纯化、HPLC纯化。普通PCR:OPC纯(95%)较长引物(大于50个碱基):PAGE纯(95%)经过修饰或标记的引物:HPLC纯(99%,但价格昂贵)n引物浓度:0.1-0.5mol
12、/L,浓度过高易导致模板与引物错配,反应特异性下降。合成内容合成内容产量产量(OD)发货时间发货时间(工作工作日日)纯化方式纯化方式价格价格(¥)普通引物合成(12kb)的功能较强。nPfuDNA聚合酶:具有35外切酶活性的校对功能,催化DNA合成的忠实性比Taq聚合酶高12倍,但不适于2kb的片断扩增。2 2)其他的耐热聚合酶)其他的耐热聚合酶(4)dNTP dNTP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+n n Mg2+是DNA聚合酶的激
13、活剂。n n 反应体系。n n 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。n n 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。2)循环参数(1)变性 (2)使双链DNA解链为单链 95oC 20-30秒(2)退火 温度由引物长度和GC含量决定。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,延伸时间由扩增片段长度决定(4)循环次数 主要取决于模板DNA的浓度 一般为25-35次 次数过多:扩增效率降低,错误掺入率增加二、PCR的衍生技术 逆转录PCR(rev
14、ersetranscriptionPCR,RT-PCR)反向PCR(inversePCR)巢氏PCR(nestingPCR)原位PCR(insituPCR)多重PCR(multiplexPCR)多重等位基因PCR(multiplexallelePCR)不对称PCR(asymmertricPCR)锚定PCR(anchoredPCR)长片段PCR(longfragmentPCR)荧光定量PCR(fluorescentquantitativePCR)逆转录酶DNA聚合酶活性mRNAcDNA杂化双链杂化双链PCR扩增1、逆转录PCR(reversetranscription-PCR,RT-PCR)(r
15、eversetranscription-PCR,RT-PCR)影响因素(1)模板对RT-PCR的影响对RNA制品的纯度和完整性要求都极为严格(2)逆转录酶对RT-PCR的影响MLV逆转录酶能合成大于2kb的较长cDNA,但对热的稳定性较AMV逆转录酶差。(3)逆转录引物对RT-PCR的影响随机引物:原核细胞多用oligo(dT):真核细胞多用基因特异性的引物(GSP):特异性强,广谱性低例子:的转化对PsaA基因mRNA表达的影响na、RNA的提取:野生型和转化缺陷型都诱导转化后,采用Qiagen试剂盒进行总RNA提取。nb、cDNA的制备:取RNA2l,随机引物1l,DEPC水9l,混匀后,
16、70变性5min,立即置于冰上。然后顺序加入逆转录buffer5l,dNTP1.5l,RNasin0.5l,DEPC水5l,逆转录酶M-MLV1l。混匀后于37,1小时,得到cDNA。nc、PCR扩增:PsaA的引物3L,cDNA1L,Tagplus酶,共30L体系。循环参数:9430秒,5540秒,7245秒,循环30次。用16srRNA的PCR产物为标准物,2%琼脂糖电泳。电泳结果用软件进行半定量比较,结果进行配对t检验分析16S(463bp)PsaA(254bp)图2,2号菌株及其转化缺陷菌株在加入CSP后的不同时间PsaA mRNA的表达。1 2 3 4 5 6 7图1,2号菌株及其转
17、化缺陷菌株在加入CSP后的不同时间PsaA 的RT-PCR电泳图。line1:Marker2.line2-4:0min,10min,20min after No.2 was added CSP.line5-7:0min,10min,20min after No.2d was added CSP.*2、反向PCR(inverse PCR)用反向的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。应用:(1)用于测序的DNA大片段的克隆(2)获得启动子序列(3)小质粒的定点突变(4)鉴定插入失活基因或体内诱导基因已知序列已知序列未知序列未知序列未知序列未知序列限制酶限制酶
18、限制酶限制酶连接酶连接酶反向反向PCRPCR示意图示意图转化到大肠杆菌后,提取质粒,采用质粒引物即可直接对X片断进行扩增后测序,得到X基因序列信息。(10/64)EGFPXdw序列序列Xdw序列序列质粒引物质粒引物质粒引物质粒引物质粒引物质粒引物例子:体内诱导基因序列的获得3、多重PCR(multiplex PCR)用于检测特定基因序列的存在或缺失。电电电电泳泳泳泳引物引物图1第1、2、3组引物多重PCR电泳图1:正常对照;2:DL2000marker;310:检出的缺失型患者杜氏/贝克型肌营养不良症 一种常见的致死性神经-肌肉系统的X连锁隐性遗传病,其基因突变中缺失最常见,约占55%65%,
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