PCR技术原理...ppt
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1、第五章第五章PCR技术原理技术原理定义:定义:PCR技术又称聚合酶链式反应(技术又称聚合酶链式反应(polymerasechainreaction),是通过模拟体内,是通过模拟体内DNA复制的复制的方式,在体外选择性地将方式,在体外选择性地将DNA某个特殊区域扩某个特殊区域扩增出来的技术。增出来的技术。nPCR技术技术:PCR概念的提出概念的提出n1983,Kary Mullis引物引物引物引物Mullis的构思DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA聚合酶聚合酶特定特定特定特定DNADNA片段片段片段片段Mullis最初使用的DNA聚合酶是大肠杆菌 DNA 聚合酶 I 的Klenow片段。不耐高
2、温。Heat-stable polymerase is vital to the ease of the processthermusaquaticusTaqDNA多聚酶多聚酶的发现的发现1988年年Saiki等从温泉等从温泉(Hotspring)中分离)中分离的一株水生嗜热杆菌的一株水生嗜热杆菌(thermusaquaticus)中提取到一种耐热中提取到一种耐热DNA聚合酶。聚合酶。此酶具有以下特点此酶具有以下特点:耐高温,耐高温,在热变性时不会被钝化,不必在每次扩增反应后再加在热变性时不会被钝化,不必在每次扩增反应后再加新酶。新酶。大大提高了扩增片段特异性和扩增效率,增加了扩增大大提高了扩
3、增片段特异性和扩增效率,增加了扩增长度长度(2.0Kb)。酶命名为酶命名为TaqDNA多聚酶多聚酶(TaqDNAPolymerase)。此酶的发现使被。此酶的发现使被PCR广泛应用。广泛应用。在在1989年,年,Science将将PCR中的中的TaqDNA多聚酶命多聚酶命名为当年的风云分子名为当年的风云分子(Moleculeoftheyear)1 1 1 1、PCRPCRPCRPCR技术的基本原理技术的基本原理技术的基本原理技术的基本原理在微量离心管中在微量离心管中在微量离心管中在微量离心管中,加入适量的加入适量的加入适量的加入适量的缓冲液缓冲液缓冲液缓冲液,微量的微量的微量的微量的模板模板模
4、板模板DNADNADNADNA,四种脱氧四种脱氧四种脱氧四种脱氧单核苷酸单核苷酸单核苷酸单核苷酸,耐热性耐热性耐热性耐热性多聚酶多聚酶多聚酶多聚酶,一对合成一对合成一对合成一对合成DNADNADNADNA的的的的引物引物引物引物,通过通过通过通过高温变性、高温变性、高温变性、高温变性、低温退火低温退火低温退火低温退火和和和和中温延伸中温延伸中温延伸中温延伸三个阶段为一个循环的反应过程三个阶段为一个循环的反应过程三个阶段为一个循环的反应过程三个阶段为一个循环的反应过程,每一次循每一次循每一次循每一次循环使特异区段的基因拷贝数放大一倍环使特异区段的基因拷贝数放大一倍环使特异区段的基因拷贝数放大一倍
5、环使特异区段的基因拷贝数放大一倍,一般样品是经过一般样品是经过一般样品是经过一般样品是经过30303030次循环次循环次循环次循环,最终最终最终最终使基因放大了数百万倍使基因放大了数百万倍使基因放大了数百万倍使基因放大了数百万倍;扩增了特异区段的扩增了特异区段的扩增了特异区段的扩增了特异区段的DNADNADNADNA带。带。带。带。一、一、一、一、PCRPCRPCRPCR技术的基本原理和工作方式技术的基本原理和工作方式技术的基本原理和工作方式技术的基本原理和工作方式94949494变性变性变性变性 50-6550-65退火退火退火退火72延伸延伸延伸延伸2.PCR反应过程反应过程:20-402
6、0-40个个个个PCRPCR循环循环循环循环1个个PCR循环循环PCR扩增原理引物引物引物引物延伸延伸延伸延伸延伸延伸延伸延伸5 55 53 33 3变性、退火变性、退火变性、退火变性、退火变性、退火变性、退火变性、退火变性、退火模板:单链或双链模板:单链或双链DNA引物:引物:16-30bp合成的寡核苷酸合成的寡核苷酸DNA聚合酶:耐热的聚合酶:耐热的DNA聚合酶聚合酶底物:四种脱氧三磷酸核苷底物:四种脱氧三磷酸核苷(dNTP:dATP、dTTP、dCTP、dGTP)Mg2+Mg2+:DNADNA聚合酶的激活剂聚合酶的激活剂聚合酶的激活剂聚合酶的激活剂3.PCR基本要素基本要素4.PCR反应
7、程序反应程序949630-3预变性(使模板预变性(使模板DNA充分变性)充分变性)9430变性变性50-6030-1复性(使引物与模板充分退火)复性(使引物与模板充分退火)72n(按按1扩增扩增1kb计算)延伸计算)延伸723-7总的延伸(使产物延伸完整)总的延伸(使产物延伸完整)4-10保存保存 25-35个循环个循环1)复性和延伸复性和延伸温度温度 复性的温度是复性的温度是PCR扩增是否顺利的关键因素,通常在扩增是否顺利的关键因素,通常在50-60之间。具体的温度主要由引物的之间。具体的温度主要由引物的Tm值决定值决定(低于(低于Tm值值2-3)。)。延伸温度绝大多数设定为延伸温度绝大多数
8、设定为72。如果复性的温度很高,。如果复性的温度很高,可以将延伸温度和复性温度设置成同一温度,变成二步可以将延伸温度和复性温度设置成同一温度,变成二步法法PCR。2)反应)反应时间时间 变性一般使用变性一般使用30秒钟,如果模板的秒钟,如果模板的G+C含量较高,或含量较高,或直接用细胞做模板,变性时间可适当延长。直接用细胞做模板,变性时间可适当延长。复性时间有复性时间有30秒种一般是足够的。秒种一般是足够的。延伸时间由扩增产物的大小决定,一般采用延伸时间由扩增产物的大小决定,一般采用1kb用用1分分钟来保证充足的时间。钟来保证充足的时间。3)循环)循环次数次数循环次数主要与模板的起始数量有关,
9、循环数通常为循环次数主要与模板的起始数量有关,循环数通常为2535次。次。平台效应(平台效应(plateaueffect):):PCR扩增过程后期出现扩增过程后期出现的产物的积累按减弱的指数速率增长的现象。的产物的积累按减弱的指数速率增长的现象。原因:底物和引物的浓度已经降低,原因:底物和引物的浓度已经降低,dNTP和和DNA聚合聚合酶的稳定性或活性降低酶的稳定性或活性降低,产生的焦磷酸会出现末端产物,产生的焦磷酸会出现末端产物抑制作用,非特异性产物或引物的二聚体出现非特异性抑制作用,非特异性产物或引物的二聚体出现非特异性竞争作用,扩增产物自身复性,高浓度扩增产物变性不竞争作用,扩增产物自身复
10、性,高浓度扩增产物变性不彻底。彻底。4)PCR反应液的配制反应液的配制最后加入最后加入DNA聚合酶。聚合酶。早期的早期的PCR仪没有带加热的盖子,要求在反应液上覆仪没有带加热的盖子,要求在反应液上覆盖一层矿物油,防止水分蒸发。盖一层矿物油,防止水分蒸发。热启动(热启动(hotstart)PCR操作方式可较好解决非特异操作方式可较好解决非特异性扩增的问题。性扩增的问题。总体积总体积总体积总体积 50-100 50-100 l l缓冲液缓冲液缓冲液缓冲液 dNTPdNTP(底物)(底物)(底物)(底物)引物引物引物引物 模板模板模板模板 DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 5 5 5 5、反应体
11、系、反应体系、反应体系、反应体系 缓冲液:提供合适的缓冲液:提供合适的缓冲液:提供合适的缓冲液:提供合适的PHPH值和值和值和值和DNADNA聚合酶的激活剂聚合酶的激活剂聚合酶的激活剂聚合酶的激活剂10mM10mMTrisHClTrisHCl(pH8.3-9.0pH8.3-9.0),),),),1.5mM1.5mMMgCl2,50mMK+dNTPdNTP(底物):等摩尔浓度的(底物):等摩尔浓度的(底物):等摩尔浓度的(底物):等摩尔浓度的 44种种种种 dNTPdNTP(即即即即 dATPdATP、dTTPdTTP、dCTPdCTP和和和和dGTPdGTP),),),),终浓度一般为终浓度一
12、般为终浓度一般为终浓度一般为 200mM200mM(即饱和浓度),(即饱和浓度),(即饱和浓度),(即饱和浓度),dNTPdNTP 的浓度会影响扩增的产量、特异性和忠实性。的浓度会影响扩增的产量、特异性和忠实性。的浓度会影响扩增的产量、特异性和忠实性。的浓度会影响扩增的产量、特异性和忠实性。引物:引物:引物:引物:1 1M/LM/L 引物设计的一般原则引物设计的一般原则长度:至少长度:至少16bp,通常为,通常为18-30bp。更短的引物一般会降低扩增的特异性,但会提高扩增的有效性。更短的引物一般会降低扩增的特异性,但会提高扩增的有效性。引物的解链温度:两个引物之间的引物的解链温度:两个引物之
13、间的Tm值差异最好在值差异最好在2-5。对于小于对于小于20个碱基的引物其个碱基的引物其Tm值可用简易公式计算,即值可用简易公式计算,即Tm=4(G+C)+2(A+T)。)。对于对于14-70个核苷酸的引物可用个核苷酸的引物可用以下公式计算。以下公式计算。Tm=81.5+16.6(1gK+)+0.41(G+C)%-(675/N)N表示引物的核苷酸数目,表示引物的核苷酸数目,K+表示单价离子即钾离子的浓度表示单价离子即钾离子的浓度避免引物内部或引物之间形成引物二聚体(特别是引物的避免引物内部或引物之间形成引物二聚体(特别是引物的3端)。端)。G+C含量:尽量控制在含量:尽量控制在40%至至60%
14、之间,之间,4种碱基的分布应种碱基的分布应尽可能均匀。尽量避免嘌呤或嘧啶的连续排列,以及尽可能均匀。尽量避免嘌呤或嘧啶的连续排列,以及T在在3末末端的重复排列。端的重复排列。引物的引物的3末端最好是末端最好是G或或C,但不要,但不要GC连排。连排。模板:模板:模板:模板:单、双链单、双链单、双链单、双链DNADNA均可。均可。均可。均可。模板的数量会直接影响扩增的效果。模板的数量会直接影响扩增的效果。模板的数量会直接影响扩增的效果。模板的数量会直接影响扩增的效果。模板浓度过模板浓度过模板浓度过模板浓度过高会导致反应的非特异性增加。高会导致反应的非特异性增加。高会导致反应的非特异性增加。高会导致
15、反应的非特异性增加。DNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶:最常用的是最常用的是最常用的是最常用的是TaqTaqDNADNA聚合酶,最适反应温度聚合酶,最适反应温度聚合酶,最适反应温度聚合酶,最适反应温度7575。PfuPfu DNADNA聚合酶:是目前使用最广泛的具有聚合酶:是目前使用最广泛的具有聚合酶:是目前使用最广泛的具有聚合酶:是目前使用最广泛的具有 3-53-5外切外切外切外切活性的活性的活性的活性的 PCRPCR酶,目前为止酶,目前为止酶,目前为止酶,目前为止错配率最低错配率最低错配率最低错配率最低的高温的高温的高温的高温DNADNA聚合酶。聚合酶。聚合酶。聚合酶。酶量增加使反应特异
16、性下降酶量增加使反应特异性下降酶量增加使反应特异性下降酶量增加使反应特异性下降;酶量过少影响反应产量。酶量过少影响反应产量。酶量过少影响反应产量。酶量过少影响反应产量。6.PCR6.PCR6.PCR6.PCR技术的特点技术的特点技术的特点技术的特点1 1)高度的灵敏性)高度的灵敏性3030轮循环轮循环扩增量达扩增量达2 23030个拷贝(个拷贝(10109 9拷贝)拷贝)PCRPCR产物每轮循环增加一倍产物每轮循环增加一倍2 2)特异性)特异性 引物的序列及其与模板结合的特异性是决定引物的序列及其与模板结合的特异性是决定PCRPCR反应结果的反应结果的关键。关键。引物设计的最大原则是最大限度地
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