聚合酶链反应及基因突变检测方法精选课件.ppt
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1、关于聚合酶链反应及基关于聚合酶链反应及基因突变检测方法因突变检测方法第一页,本课件共有75页n n聚合酶链式反应聚合酶链式反应于于1983年由美国年由美国Cetus公司的公司的K.Mullis建立建立,并,并和定点突变的发明者和定点突变的发明者M.SmithM.Smith一起荣获一起荣获19931993年度诺贝尔化学奖,为生命科学年度诺贝尔化学奖,为生命科学领域的研究开创了崭新时代。领域的研究开创了崭新时代。第二页,本课件共有75页PCR反应的特点反应的特点n n特异性强特异性强特异性强特异性强 引物与模板结合的特异性及聚合酶的忠实性引物与模板结合的特异性及聚合酶的忠实性 n n灵敏度高灵敏度
2、高 指数增长,从指数增长,从pg(10-12)可扩增至可扩增至 m mg(10-6)水平水平水平水平 n n简便、快速简便、快速简便、快速简便、快速 24 小时完成扩增小时完成扩增n n对标本的纯度要求低对标本的纯度要求低 DNA 粗制品及总粗制品及总RNA均可作为扩增模板均可作为扩增模板 第三页,本课件共有75页一、PCR反应原理和反应过程DNA的体外复制包括的体外复制包括3个步骤:个步骤:n n变性(变性(denaturation):94 C 95 C C n n退火(退火(annealing):40 C C 70 C C n n延伸(延伸(extension):72 C 3个步骤作为个步
3、骤作为PCR的一个循环,每当完成一个的一个循环,每当完成一个循环,一个分子的模板被复制为二个,产循环,一个分子的模板被复制为二个,产物量以指数形式增长。物量以指数形式增长。第四页,本课件共有75页PCR原理原理5533d.NTPs耐热DNA聚合酶引物5353535353535353添加反应混合液添加反应混合液及样本及样本变性变性535353535353退火退火加入试管中加入试管中第五页,本课件共有75页延伸延伸53535353继续延伸继续延伸535355TaqTaq353TaqTaq55循环循环PCR原理原理第六页,本课件共有75页5353535355335353第二个循环第二个循环4个拷贝个
4、拷贝第三个循环第三个循环8个拷贝个拷贝53535353535353535353533553535353第第n个循环个循环2n个拷贝个拷贝PCR原理原理第七页,本课件共有75页94 C(30 s)40-60 C(30 s)72 C(30-60 s/kb)MeltAnnealExtendThe Polymerase Chain Reaction(PCR)1820-30X第八页,本课件共有75页94 C(30 s)40-60 C(30 s)72 C(30-60 s/kb)MeltAnnealExtendCycle#2NIH20-30X第九页,本课件共有75页第十页,本课件共有75页第十一页,本课件共
5、有75页二、二、PCR的反应体系和反应条件的反应体系和反应条件(一)PCR反应体系参与PCR反应的主要成份:模板、引物、dNTP、Taq DNA聚合酶和缓冲液等。第十二页,本课件共有75页1 模板n n 包括基因组包括基因组DNADNA、RNA、质粒、质粒、质粒、质粒DNA、线粒体、线粒体、线粒体、线粒体DNA等等n n 模板模板模板模板DNA需较高的浓度需较高的浓度需较高的浓度需较高的浓度n n RNARNA作为模板时,须先将作为模板时,须先将RNA逆转录为逆转录为逆转录为逆转录为cDNA,再以,再以,再以,再以 cDNA作为扩增的模板作为扩增的模板作为扩增的模板作为扩增的模板n n 模板量
6、:模板量:1000ng、500ng、100ng、50ng50ng第十三页,本课件共有75页2、引 物(Primers)引物决定引物决定PCR扩增产物的特异性和长度,扩增产物的特异性和长度,是化学合成的寡核苷酸片段是化学合成的寡核苷酸片段n n化学合成的寡核苷酸化学合成的寡核苷酸n n能与模板特异地结合能与模板特异地结合n n引物决定产物的特异性和长度引物决定产物的特异性和长度n n引物设计引物设计时必须遵循一些原则时必须遵循一些原则 第十四页,本课件共有75页设计引物的原则:n n二条引物分别位于被扩增片段的两端,与模板正负链序列二条引物分别位于被扩增片段的两端,与模板正负链序列二条引物分别位
7、于被扩增片段的两端,与模板正负链序列二条引物分别位于被扩增片段的两端,与模板正负链序列互补互补互补互补n n长度为长度为长度为长度为18 2518 25个核苷酸个核苷酸个核苷酸个核苷酸n n二条引物之间避免形成引物二聚体二条引物之间避免形成引物二聚体二条引物之间避免形成引物二聚体二条引物之间避免形成引物二聚体n n引物的碱基组成应平衡引物的碱基组成应平衡n n引物退火温度计算:引物退火温度计算:引物退火温度计算:引物退火温度计算:Tm=2Tm=2(A+TA+T)+4+4(C+G)n n引物的引物的55端可被修饰(引入酶切位点、引入突变位点、端可被修饰(引入酶切位点、引入突变位点、端可被修饰(引
8、入酶切位点、引入突变位点、端可被修饰(引入酶切位点、引入突变位点、生物素等标记)生物素等标记)生物素等标记)生物素等标记)引物浓度:引物浓度:0.1 0.2umol/L,浓度过高容易生成引物二聚体浓度过高容易生成引物二聚体第十五页,本课件共有75页3、脱氧核苷三磷酸(、脱氧核苷三磷酸(dNTP)n n是dATP、dCTP、dGTP和dTTP4种脱氧 核苷三磷酸的混合物 n n 反应体系中各种核苷酸的浓度必须一致 n n 浓度过高虽能加快反应速度,但非特异 性扩增也随之增加 dNTP浓度:浓度:2020 200umol/L,浓度升高增加非特异性扩增浓度升高增加非特异性扩增第十六页,本课件共有75
9、页4、DNA聚合酶n n从一种生活在热泉(从一种生活在热泉(从一种生活在热泉(从一种生活在热泉(808090)中的水栖)中的水栖 噬热菌(噬热菌(噬热菌(噬热菌(Thermus aquaticus,TaqThermus aquaticus,Taq)中提取,)中提取,)中提取,)中提取,有很高的耐热稳定性有很高的耐热稳定性 n nTaq 酶的作用酶的作用酶的作用酶的作用:模板指导下,以模板指导下,以模板指导下,以模板指导下,以dNTPdNTP为原料,在引物为原料,在引物3-OH末端加上末端加上末端加上末端加上脱氧单核苷酸,形成脱氧单核苷酸,形成脱氧单核苷酸,形成脱氧单核苷酸,形成3,5-磷酸二酯
10、键,使磷酸二酯键,使DNADNA链沿链沿链沿链沿5 3方向延伸,催化方向延伸,催化方向延伸,催化方向延伸,催化DNA合成。合成。合成。合成。最适酶量:最适酶量:1-2.5U(酶量过多,导致非特异性扩增)(酶量过多,导致非特异性扩增)第十七页,本课件共有75页n nTaq DNA聚合酶复制的保真性:聚合酶复制的保真性:n nTaq DNA聚合酶无聚合酶无3 5外切酶活性,因而无外切酶活性,因而无校正功能,在复制新链的过程中会发生碱基错校正功能,在复制新链的过程中会发生碱基错配。配。n nTaq DNA聚合酶在每次循环中产生的移码突变聚合酶在每次循环中产生的移码突变率为率为1/30000,碱基替换
11、率为,碱基替换率为1/8000,故扩增的,故扩增的片段越长,错配的机率越高。片段越长,错配的机率越高。第十八页,本课件共有75页n n耐热的耐热的 DNA多聚酶:多聚酶:n nPwo DNA polymerase、Tth DNA polymerase、Pfu DNA polymerase具有较高的热稳定性,较高的保真具有较高的热稳定性,较高的保真性,降低碱基错配率性,降低碱基错配率2 10倍。倍。第十九页,本课件共有75页5、镁离子浓度n n镁离子浓度是一个至为关键的因素,对于反应镁离子浓度是一个至为关键的因素,对于反应 系统本身、稳定核苷酸和提高系统本身、稳定核苷酸和提高系统本身、稳定核苷酸
12、和提高系统本身、稳定核苷酸和提高Taq 酶的活性有直接影酶的活性有直接影酶的活性有直接影酶的活性有直接影响响响响 虽然虽然虽然虽然Taq Taq 酶的活性只与游离的酶的活性只与游离的MgMg2+浓度有关,浓度有关,浓度有关,浓度有关,但但但但PCRPCR反应体系中反应体系中dNTPdNTP、引物、模板、引物、模板、引物、模板、引物、模板DNA及及 鳌合剂的存在均可与鳌合剂的存在均可与鳌合剂的存在均可与鳌合剂的存在均可与MgMg2+结合而降低游离结合而降低游离结合而降低游离结合而降低游离 MgMg2+2+的浓度从而影响酶的活性。的浓度从而影响酶的活性。当当dNTP浓度为浓度为200umol/L2
13、00umol/L时,时,时,时,MgCl2的浓度为的浓度为1.5mmol/L较宜。较宜。第二十页,本课件共有75页6、其它反应因素 n npH:调节至酶反应所需的最适:调节至酶反应所需的最适pHpH(pH=7.2pH=7.2左右)左右)n n盐:合适的盐浓度有利于稳定杂交体,有利于引物与模板盐:合适的盐浓度有利于稳定杂交体,有利于引物与模板盐:合适的盐浓度有利于稳定杂交体,有利于引物与模板盐:合适的盐浓度有利于稳定杂交体,有利于引物与模板杂交杂交杂交杂交n n基质:基质:BSABSA、gelatin gelatin、Tween20Tween20、DTTDTT等(牛血清白蛋等(牛血清白蛋等(牛血
14、清白蛋等(牛血清白蛋白或明胶等基质可以保护白或明胶等基质可以保护白或明胶等基质可以保护白或明胶等基质可以保护Taq Taq 酶的活性)酶的活性)第二十一页,本课件共有75页(二)PCR的反应条件 n n反应温度(变性、退火、延伸)反应温度(变性、退火、延伸)n n反应时间(变性、退火、延伸)反应时间(变性、退火、延伸)n n循环次数(循环次数(PCR效率及产物量)效率及产物量)第二十二页,本课件共有75页1、温度 变性温度:变性温度:94 94 97 97 退火温度:低于引物退火温度:低于引物Tm 5 Tm 5 左右左右 温度过高:降低扩增效率;温度过高:降低扩增效率;温度过低:增加非特异性扩
15、增温度过低:增加非特异性扩增 延伸温度:延伸温度:7272度,此时度,此时TaqTaq酶具有较高的酶酶具有较高的酶 促活性促活性第二十三页,本课件共有75页2、时间 第一次变性应给予足够时间(第一次变性应给予足够时间(5 7分钟)分钟)每一个步骤所需时间取决于扩增片段的长度,每一个步骤所需时间取决于扩增片段的长度,一般为一般为30秒秒 1分钟,时间过长易导致非特分钟,时间过长易导致非特异性扩增异性扩增第二十四页,本课件共有75页3、循环次数 n n重复次数一般设为重复次数一般设为25253535个循环个循环n n扩增反应的平台效应:扩增反应的平台效应:理论上,理论上,理论上,理论上,PCRPC
16、R反应产物呈指数性增长,但这种增长反应产物呈指数性增长,但这种增长反应产物呈指数性增长,但这种增长反应产物呈指数性增长,但这种增长形式在扩增形式在扩增形式在扩增形式在扩增25-2525-25个循环以后便放慢直至停止,达个循环以后便放慢直至停止,达到反应平台,此时扩增产物量不再随循环次数的到反应平台,此时扩增产物量不再随循环次数的增加而呈指数增长增加而呈指数增长第二十五页,本课件共有75页n指数增长期n线形增长期n平台期循环数#理论值 实际值Log 产物DNAPCR过程的实时监测第二十六页,本课件共有75页n n平台出现得迟早与模板的初始量有关,模板初平台出现得迟早与模板的初始量有关,模板初始量
17、越多,平台出现得越早。始量越多,平台出现得越早。n n平台效应产生的因素:平台效应产生的因素:引物二聚体的产生、反应产物、各组分的消引物二聚体的产生、反应产物、各组分的消耗和变性、引物和已扩增的耗和变性、引物和已扩增的DNA片段间的竞片段间的竞争等争等第二十七页,本课件共有75页三、PCR技术的质量控制(一)实验室的规范化设置实验室的规范化设置:试剂贮存和准备区试剂贮存和准备区 标本制备区标本制备区 扩增反应区扩增反应区 产物分析区 PCR技术的质量保证:技术的质量保证:基因扩增检验的全过程的质量保证基因扩增检验的全过程的质量保证 室内质量控制和室间质量评价 PCRPCR实验系统中的污染源及防
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