分子诊断技术之PCR课件.ppt
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1、分子诊断技术之,生物技术教研室:郑 鸣,诊断主要通过引物介导特异性扩增目的基因以检测内源性或外源性目的基因的存在与否,进而对疾病的预防、诊断、和治疗提供信息和决策依据。,一 诊断技术原理,一 诊断技术原理,二 技术基本知识回顾,技术简史 的原理,技术简史,的复制核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明,技术简史,的复制核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明,引物酶,引物酶,技术简史,的复制核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明,聚合酶,聚合酶,技术简史,的复制核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明,技术简史,的复制核酸体外扩增的设想聚合酶链反应的发明,.,年美国杂志列 为十余项重大科学发明之首,比喻年为
2、爆炸年荣获年度诺贝尔化学奖。只是一个简单的不起眼玩艺。 凯利穆利斯( )我不认为能够用两种“革命”(政治革命和科学革命)加以说明。它的发明并没有改变基因操作的本质。有了,我们能在更广的范围内更快、更容易地进行基因操作,学术界也完全不用等到某人死去或退休后才能接受。它只不过是一种新工具。 凯利穆利斯( ),生物样品,片段,基因诊断,基因治疗,基因工程产品,法医学检测,人类学研究,基因组,获取特定片段,扩增特定片段,聚合酶,引物,引物,引物,引物,的构思,聚合酶,聚合酶,变性,退火,延伸,聚合酶( ),酶活性(),温度(),循环,的基本原理,反应条件过程的特点,的基本原理,反应条件过程的特点,重复
3、步轮,目的片段扩增万倍以上,双螺旋,单链与引物复性,变性形成条单链,子链延伸加倍,反应条件过程的特点,的基本原理,模板,反应条件过程的特点,的基本原理,引物,引物,反应条件过程的特点,的基本原理,引物,引物,酶,酶,反应条件过程的特点,的基本原理,第轮结束,第轮开始,反应条件过程的特点,的基本原理,反应条件过程的特点,的基本原理,第轮结束,的基本原理,反应条件过程的特点,模板,第轮扩增,第轮扩增,第轮扩增,第轮扩增,第轮扩增,的基本原理,反应条件过程的特点,的基本原理,反应条件过程的特点,引物设计,分离核酸,三 反应体系基本组份,目前有两种 聚合酶供应天然酶:从栖热水生杆菌中提纯基因工程酶:大
4、肠菌合成一个典型的 反应约需酶量 (指总反应体积为 时)浓度过高可引起非特异性扩增,浓度过低则合成产物量减少,酶(),(),的质量与浓度和 扩增效率有密切关系呈颗粒状, 保存不当易变性失活溶液呈酸性,使用时应配成高浓度后,以 或 的缓冲液将其调节到,小量分装,冰冻保存。多次冻融会使降解在反应中,应为,尤其是注意种的浓度要相等(等摩尔配制 ), 如其中任何一种浓度不同于其它几种时(偏高或偏低),就会引起错配。浓度过低又会降低产物的产量 能与结合,使游离的浓度降低,是聚合酶的激活剂。反应体系。浓度过低会使酶活性丧失、产量下降; 过高影响反应特异性。可与负离子结合,所以反应体系中、等的浓度影响反应中
5、游离的浓度。,引物(),引物是特异性反应的关键;产物的特异性取决于引物与模板互补的程度;理论上,只要知道任何一段模板序列,就能按其设计互补的寡核苷酸链做引物,用就可将模板在体外大量扩增。,引物设计是 技术中至关重要的一环,使用不合适的 引物容易导致实验失败:表现为扩增出目的带之外的多条带,不出带或出带很弱,等等。现在 引物设计大都通过计算机软件进行。,引物设计的基本原则,引物与模板的序列要紧密互补引物与引物之间避免形成稳定的二聚体()或发夹结构()引物不能在模板的非目的位点引发 聚合反应(即错配 )。,引物(),具体因素,引物长度( )产物长度( )序列 值( )引物与模板形成双链的内部稳定性
6、( , 用 值反映)形成引物二聚体( )及发夹结构( )的能值在错配位点( )的引发效率,引物及产物的 含量(),引物(),引物的长度:一般为 ,常用的是 ,但不应大于,因为过长会导致其延伸温度大于,即 酶的最适温度。引物过短又同时会引起错配现象,一般来说引物长度大于是必要的(不容易引起错配)。 例如:一个长度为的引物在人类基因组上存在个潜在的退火位点( ).而一个长度为的引物在人基因组上存在的退火位点只有个.较长的引物()一般是用来区分同源性较高的模板序列或者使用于产生一些突变位点。,引物(),引物设计的一般原则,引物(),引物设计的一般原则,引物的值 引物的值一般控制在度, 尽可能保证上下
7、游引物的值一致,一般不超过度. 如果引物中的含量相对偏低,则可以使引物长度稍长,而保证一定的退火温度. 经验公式:()()() :最近邻位(),引物(),引物设计的一般原则,引物序列的含量 一般为,以为宜,过高或过低都不利于引发反应。有一些模板本身的 含量偏低或偏高,导致引物的含量不能在上述范围内,这时应尽量使上下游引物的 含量以及 值保持接近(上下游引物的含量不能相差太大),以有利于退火温度的选择。如果比例超出,则在引物的端增加或;而如果比例过高,则同样在端增加或。,引物端的序列要比端重要 引物端的碱基一般不用(端碱基序列最好是、),因为在错误引发位点的引发效率相对比较高。另外引物间端的互补
8、、二聚体或发夹结构也可能导致反应失败。端序列对 影响不大,因此常用来引进修饰位点或标记物。,引物(),引物设计的一般原则,引物序列在模板内应当没有相似性较高、尤其是端相似性较高的序列,否则容易导致错配。引物端出现 个以上的连续碱基,如 或,也会使错误引发机率增加。引物的特异性: 引物应与核酸序列数据库的其它序列无明显同源性。,引物(),引物设计的一般原则,可能的错误引发位点决定于引物序列组成与模板序列组成的相似性,相似性高则错误引发率高。 错误引发的引发率一般不要高过,如此可保证不出非目的产物的假带。但对于特定的模板序列,还应结合比较其在正确位点的引发效率。如果两者相差很大,比如在正确位点的引
9、发效率为 以上,而在错误位点的引发效率为,并且不好找其他更合适的引物,那么这对引物也是可以接受的。,引物(),引物设计的一般原则,值(自由能)反映了引物与模板结合的强弱程度,该值反映了双链结构内部碱基对的相对稳定性。 一般情况下,引物的值最好呈正弦曲线形状,即端和中间值较高,而端值相对较低,且不要超过(值为负值,这里取绝对值),如此则有利于正确引发反应而可防止错误引发。引物的端的 值过高,容易在错配位点形成双链结构并引发 聚合反应。(能值越高越容易结合),引物(),引物设计的一般原则,引物二聚体及发夹结构的能量一般不要超过,否则容易产生引物二聚体带而且会降低引物浓度从而导致 正常反应不能进行。
10、 与二聚体相关的一个参数是碱基的分布,端的连续 或 会导致错误引发。二聚体形成的能值越高越稳定,越不符合要求。与二聚体相同,发夹结构的能值越低越好。虽然有些带有发夹环,其为 的自身互补引物也可以得到不错的结果,但是如果它的末端被发夹环占据时就很麻烦,即会引发引物内部的延伸反应,减少了参与正式反应引物的数量。当然,如果发夹环在末端对反应就没有多大的影响了。,引物(),引物设计的一般原则,(引物评价)* (自动搜索)* (在线服务)*,引物(),引物设计的常用软件,的使用简介,主要功能:引物设计限制性内切酶位点分析 基元()查找同源性分析,简并引物设计,根据氨基酸序列来设计引物引物 提供了种生物遗
11、传密码使用的偏好选择、纤毛虫大核( )、无脊椎动物线粒体( )、支原体()、植物线粒体( )、原生动物线粒体( )、一般标准()、脊椎动物线粒体( )、酵母线粒体( ),使用介绍(),启动界面,基本信息,种密码子偏好,引物设计界面,引物搜索选项设定,引物类型,搜索模式,引物位置范围,引物位置范围,产物大小范围,引物长度,搜索结果,对引物,引物分值分为满分,每对引物的信息,双击选中一对引物,引物信息,回到主窗口,引物及产物信息,是否出现,一对理想的引物应当不存在任何一种上述结构,因此最好的情况是最下面的分析栏都, ,引物编辑,引物编辑,用对引物评价,:这是评价引物二聚体形成的,包括自身形成二聚体
12、和引物间二聚体,形成二聚体的能值,引物端有无配对碱基(最好没有)。 :是看引物自身能否形成发夹结构,主要也是看端不要形成发夹结构。还要看形成发夹结构的能值,不超过。 : 如果模板不是基因组,而是一个特定模板序列,需要进行错配的分析,看你的引物(尤其端)是否与特定模板的其他位点结合。:总结性的显示引物位置,产物大小,值等参数,你可以横向比较一下,,使用说明,主要功能:专门的引物设计和分析软件,启动界面,个弹出窗口,为邻近至个碱基组成的亚单位在一个指定数据库文件中的出现频率。该频率高则可增加错误引发的可能性。,用 设计引物时的个标准,值曲线以选取到的下降形状有利于引物引发聚合反应。 曲线宜选用端
13、值相对较低的片段。 值在端和中间值比较高,而在端相对低。,选中引物,上游引物,下游引物,只是示意图,引物分析,首先检查引物二聚体尤其是端二聚体形成的可能性。,引物分析,二项检查是发夹结构();与二聚体相同,发夹结构的能值越低越好。,引物分析,第三项检查为 含量,以为宜。第四 检查,引物分析,利用进行引物评价,:这是评价引物二聚体形成的,包括自身形成二聚体和引物间二聚体,主要是看引物端有无配对碱基(最好没有)。形成的二聚体要看能值,能值越低越好,最好不要超过 :是看引物自身能否形成发夹结构,主要也是看端不要形成发夹结构。还要看形成发夹结构的能值,不超过。如果引物中加入酶切位点,可能会有发夹结构且
14、能值不会太低,这就需要灵活控制退火温度了。 :分析上下游引物的碱基组成,比和值,原则我就不多说了。,: 如果模板不是基因组,而是一个特定模板序列,需要进行错配的分析,看你的引物(尤其端)是否与特定模板的其他位点结合。一般错配的引发效率以不超过为好,但并不绝对,如果正确结合位点的引发效率为以上,而有一个错配的引发效率是左右的,这个引物也是可以接受地!:总结性的显示引物位置,产物大小,值等参数,你可以横向比较一下,尤其是给了一个 还是可以参照一下地。也给了简单的评价供参考。,利用进行引物评价,每条引物的浓度 或 ,以最低引物量产生所需要的结果为好引物浓度偏高会引起错配和非特异性扩增,且可增加引物之
15、间形成二聚体的机会。,引物(),引物浓度,核酸,单、双链均可。不能混有蛋白酶、核酸酶、聚合酶抑制剂、结合蛋白类。浓度一般为 ,模板浓度过高会导致反应的非特异性增加。一般临床检测标本,可采用快速简便的方法溶解细胞,裂解病原体,消化除去染色体的蛋白质使靶基因游离,直接用于扩增。,模板核酸的量与纯化程度,是成败与否的关键环节之一。,分离核酸的基本步骤和原则,尽可能保持其天然状态,防止降解和变性。条件温和,防止过酸、过碱、剧烈搅拌。抑制核酸酶。,制备细胞及破碎细胞,消化蛋白质,去除生物大分子,去除不需要的核酸分子,沉淀核酸,去除杂质,基本步骤:,基本原则:,蛋白酶法的基本原理,是一种阴离子去垢剂,在高
16、温()条件下能裂解细胞,使染色体离析,蛋白酶降解核蛋白,释放出核酸;提高盐(或)浓度并降低温度(冰浴),使蛋白质及多糖杂质沉淀,离心后除去沉淀;上清液中的用酚氯仿反复抽提除去蛋白质用无水乙醇沉淀水相中的。,蛋白酶法提取缓冲液,动物性材料的分离提纯 蛋白酶法,蛋白酶法基本流程,动物性材料的分离提纯 蛋白酶法,动物性材料的分离提纯 蛋白酶法,蛋白酶法主要试剂,组织匀浆缓冲液:,消化缓冲液:,缓冲液:,其他试剂: 平衡酚:氯仿:异戊醇 氯仿:异戊醇 蛋白酶储存液: 储存液: (): 无水乙醇,动物性材料的分离提纯 蛋白酶法,蛋白酶法实验步骤,动物性材料的分离提纯 蛋白酶法,蛋白酶法实验步骤,提取用宽
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