聚合本酶链式反应PCR技术讲座.ppt
《聚合本酶链式反应PCR技术讲座.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《聚合本酶链式反应PCR技术讲座.ppt(98页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、PCR技术,侯云鹏 2013.11.10,1.PCR概述2.PCR反应的原理和步骤3.PCR的反应动力学4.PCR反应体系的主要成分和作用5.PCR的反应条件控制6.PCR反应的特点7.防止PCR错误扩增的措施8.PCR常见问题及解决办法9.常规PCR技术及几类PCR新技术,一、聚合酶链式反应(PCR)概述,(一)概念 聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaciton,PCR),即PCR技术,是近年来发展起来的一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法。,(二)发展历程1971年 Kjell Kleppe提出PCR原始雏形 概念1983年 Kary Mullis发明PCR技
2、术1987年 获得专利1993年 诺贝尔化学奖,PCR技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程,其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性-退火-延伸三个基本反应步骤构成:,二、PCR反应的原理和步骤,1、模板DNA的变性:模板DNA经加热至93左右一定时间后,使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离,使之成为单链,以便它与引物结合,为下轮反应作准备;2、模板DNA与引物的退火(复性):模板DNA经加热变性成单链后,温度降至55左右,引物与模板DNA单链的互补序列配对结合;,3、引物的延伸:DNA模板-引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下,以dNTP为反应原料,靶序
3、列为模板,按碱基配对与半保留复制原理,合成一条新的与模板DNA 链互补的半保留复制链。重复循环变性-退火-延伸三过程,就可获得更多的“半保留复制链”,而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需24分钟,23小时就能将待扩目的片段富集106109倍。所需循环次数取决于样品中模板的拷贝。,变性,退火,引物,经2530次循环,目的DNA增加106-9,PCR反应过程示意图,Y=Y0*(1+X)n,Y:扩增拷贝数量Y0:起始模板数量X:扩增效率n:扩增循环数,PCR 理论方程,三、PCR的反应动力学,PCR的三个反应步骤反复进行,使DNA扩增量呈指数上升。平均扩增效率的理论值为100%,但在
4、实际反应中平均效率达不到理论值。反应初期,靶序列DNA片段的增加呈指数形式,随着PCR产物的逐渐积累,被扩增的DNA片段不再呈指数增加,而进入线性增长期或静止期,即出现“停滞效应”,这种效应称平台期。,四、PCR反应体系的主要成分和作用,DNA聚合酶模板引物dNTP缓冲体系,(一)DNA聚合酶 Taq DNA聚合酶来源于嗜热水生菌的重组体,与一般的聚合酶所不同的是在高温状态仍具有活性。可分为两大类:1、具有校正功能的(有35核酸酶活性)比如:Vent,pfu,pwo等 2、不具有校正功能的(无3 5核酸酶活性)比如:一般的Taq DNA聚合酶,(二)模板 核酸模板的量与纯化程度,是PCR成败与
5、否的关键环节之一,传统的DNA纯化方法通常采用SDS和蛋白酶K来消化处理标本。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PCR扩增。RNA模板提取一般采用异硫氰酸胍或蛋白酶K法,要防止RNase降解RNA。,(三)引物 引物是PCR特异性反应的关键,PCR产物的特异性取决于引物与模板DNA互补的程度。理论上,只要知道任何一段模板DNA序列,就能按其设计互补的寡核苷酸链做引物,利用PCR就可将模板DNA在体外大量扩增。,设计引物应遵循以下原则:1、引物长度一般15-30个bp,常用为20bp左右。引物过短过长都会使特异性降低。2、引物
6、扩增跨度以200-500bp为宜,特定条件下可扩增长至10kb的片段。3、引物碱基G+C含量以40-60%为宜,G+C太少扩增效果不佳,G+C过多易出现非特异条带。碱基随机分布,避免5个以上的相同核苷酸的成串排列。4、避免引物内部出现二级结构,避免两条引物间互补,特别是3端的互补,否则会形成引物二聚体,产生非特异的扩增条带。,5、引物3端的碱基,特别是最末及倒数第二个碱基,应严格要求配对,以避免因末端碱基不配对而导致PCR失败。6、引物中有或能加上合适的酶切位点,被扩增的靶序列最好有适宜的酶切位点,这对酶切分析或分子克隆很有好处。7、引物应与核酸序列数据库的其它序列无明显同源性。引物量以最低引
7、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,且可增加引物之间形成二聚体的机会。,(四)dNTP的质量与浓度 dNTP的质量与浓度和PCR扩增效率有密切关系。在PCR反应中,dNTP应为50200umol/L,尤其是注意4种dNTP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PCR产物的产量。,(五)PCR反应缓冲液组成:50mM KCl 10mM Tris.Cl(pH 8.4)1.5mM MgCl2 Mg2+是Taq酶活性所必需的金属离子。dNTP能与Mg2+结合,使游离的Mg2+浓度降低。Mg2+浓度过高,反
8、应特异性降低,出现非特异扩增,浓度过低会降低Taq DNA聚合酶的活性,使反应产物减少。,(六)PCR反应标准体系,五、PCR的反应条件控制,(一)PCR反应的温度和时间控制 1、变性温度与时间 变性温度低,解链不完全是导致PCR失败的最主要原因。一般情况下,9394lmin足以使模板DNA变性,若低于93则需延长时间,但温度不能过高,因为高温环境对酶的活性有影响。此步若不能使靶基因模板或PCR产物完全变性,就会导致PCR失败。,2、退火(复性)温度与时间 退火温度与时间,取决于引物的长度、碱基组成及其浓度,还有靶基序列的长度。引物的复性温度可通过以下公式帮助选择合适的温度:Tm值(解链温度)
9、=4(G+C)2(A+T)复性温度=Tm值-(510)在Tm值允许范围内,选择较高的复性温度可大大减少引物和模板间的非特异性结合,提高PCR反应的特异性。复性时间一般为3060sec,足以使引物与模板之间完全结合。,3、延伸温度与时间:PCR反应的延伸温度一般选择在7075之间,常用温度为72,过高的延伸温度不利于引物和模板的结合。PCR延伸反应的时间,可根据待扩增片段的长度而定,一般1Kb以内的DNA片段,延伸时间1min是足够的。34kb的靶序列需34min;扩增10Kb需延伸至15min。延伸进间过长会导致非特异性扩增带的出现。对低浓度模板的扩增,延伸时间要稍长些。,(二)PCR反应的循
10、环次数控制 循环次数决定PCR扩增程度。PCR循环次数主要取决于模板DNA的浓度。一般的循环次数选在3040次之间,循环次数越多,非特异性产物的量亦随之增多。,六、PCR反应的特点,1、特异性强 PCR反应的特异性决定因素为引物与模板DNA特异正确的结合、碱基配对原则、TqDNA聚合酶合成反应的正确度、靶基因的特异性与保守性。2、灵敏度高 PCR产物的生成量是以指数方式增加的。3、简便快速 PCR反应用耐高温的Taq DNA聚合酶,一次性地将反应液加好后,即在DNA扩增液和水浴锅上进行变性、退火、延伸反应,一般在24h完成扩增反应。4、对标本的纯度要求低 不需要分离病毒或细菌及培养细胞,DNA
11、粗制品及总DNA均可作为扩增模板。可直接用临床标本如血液、体腔液、洗嗽液、毛发、细胞、活组织等粗制的DNA扩增检测。,1、隔离操作、戴不受污染的手套2、试剂的配制、分装和保存3、开盖前先离心,小心开盖和上盖。4、加样时最后加模板DNA5、设立对照实验6、注意其他操作过程中可能造成的污染,七、防止PCR错误扩增的措施,八、PCR常见问题及解决办法,(一)扩增不出特异性带 1、原因(1)引物设计有问题(引物位置错误,引物之间太强的相互作用)(2)反应体系有问题(3)退火温度太高 2、解决办法(1)确认引物正确性(2)用保证能扩增出来的引物验证反应体系(3)采用梯度PCR功能,寻找最适合的退火温度,
12、(二)扩增带很弱 1、原因(1)反应体系效率低(2)退火温度太高(3)很多非特异性扩增(4)大量引物二聚物的形成 2、解决办法(1)用已确认的引物验证(2)采用梯度PCR功能寻最适的退火温度(3)采用定量PCR的熔点曲线功能分析,提高退火温度,改变反应体系的PH值,(三)非特异性扩增带很多 1、原因(1)退火温度太低(2)反应体系有问题 2、解决办法(1)采用梯度PCR功能寻找最佳反应温度(2)更换反应体系,(四)引物二聚物太多 1、原因(1)引物设计有问题(2)反应体系有问题(3)退火温度太低 2、解决办法(1)重新设计引物(2)调整和更换反应体系(3)用梯度PCR寻找最佳的退火温度,(五)
13、结果的重现性差 1、原因 反应体系发生了变化 2、解决办法 用荧光定量PCR仪熔点曲线功能分析PCR的结果,看非特异性产物和引物二聚物,九、常规PCR技术及几类PCR新技术,温度梯度PCR 不对称PCR热启动PCR 原位PCRTouch-down PCR 连接酶链反应RT-PCR RACE-PCR荧光定量PCR AFLP兼并引物PCR 巢氏PC免疫-PCR(immuno-PCR)反向PCRMSP甲基化特异 PCR,温度梯度PCR,温度梯度曲线,Thermal Image of 45-65C Gradientacross a PTC-200 with a 96-well Alpha,温度梯度PC
14、R优化复性温度,Gradient optimization of 12 different temperatures across the block,tested between 48C and 68C,手动热启动法管底:DNA、预冷buffer、dNTP和dH2O 管壁:引物预热:80加Taq酶,离心,开始PCR循环。专用热启动酶法抗体介导的抑制DNA聚合酶法化学阻断DNA聚合酶法其他DNA聚合酶抑制剂法,(三)Touch-down PCR1、概念:Touch-down PCR又称降落PCR。即选定一个温度范围,如50-35,每降1-2进行1-2个循环,然后在50度下进行15个循环。2、原
15、理:随着退火温度的降低,特异性逐步降低,但特异性条带在温度较高时已经扩增出来,其浓度远远超过非特异性条带,随着退火温度的降低,特异性条带优先被扩增。,3、选择初始复性温度的原则:起始复性温度应该比引物的Tm值高出5-10度,然后每个循环递减1-2度。4、Touch-down PCR的应用范围模板DNA浓度较低;引物简并程度高或特异性低;RT-PCR时使用oligo-dT。,(四)RT-PCR1、概念:RNA的多聚酶反应(RT-PCR)是以RNA为模板,联合逆转录反应(reverse transcription,RT)与PCR,可用于检测单个细胞或少数细胞中少于10个拷贝的RNA模板。2、RNA
16、扩增包括两个步骤:(1)在单引物的介导下和逆转录酶的催化下,合成RNA的互补cDNA(2)加热后cDNA与RNA链解离,然后与另一引物退火,并由DNA聚合酶催化引物延伸生成双链靶DNA,最后扩增靶DNA,RT-PCR,RT-PCR,(2)置换合成法 该方法利用第一链在反转录酶作用下产生的cDNA-mRNA杂交链不经变性,而是dNTP存在下,利用RNA酶H在杂交链的mRNA链上造成切口和缺口。从而产生一系列RNA引物,使之成为合成第二链的引物,在大肠杆菌DNA聚合酶的作用下合成第二链。该反应有3个主要优点:非常有效;直接利用mRNA链,无须进一步处理和纯化;不必使用S1核酸酶来切割双链cDNA中
17、的单链发夹环。,4、RT-PCR特殊条件(1)模板:作为模板的RNA分子必须是完整的,并且不含DNA、蛋白质和其他杂质。RNA中即使含有最微量的DNA,经扩增后也会出现非特异性扩增;蛋白若未除干净,与RNA结合后会影响逆转录和PCR;残留的RNase极易将模板RNA降解掉。,(2)引物:上下游引物设计在跨内含子的两个外显子的3端和下一个外显子的5端,这样不会在基因组上扩出来。设计在两个离得远的外显子上,这样从基因组和cDNA上得到的片段长度不一样,可以一物两用。,5、RT-PCR方法:一步法和两步法(1)一步法:在同一缓冲液体系中加入逆转录酶、引物、Taq酶、4种dNTP直接进行mRNA反转录
18、与PCR扩增。另外Taq酶不仅具有DNA多聚酶的作用,而且具有反转录酶活性,可利用其双重作用在同一体系中直接以mRNA为模板进行反转录和其后PCR扩增,从而使mRNA的PCR步骤更为简化。特点:所需样品量少,可检测出总RNA中小于1ng的低丰度mRNA。可用于临床小样品的检测、低丰度mRNA的cDNA文库的构建及特异cDNA的克隆,并有可能与Taq酶的测序技术相组合。,(2)两步法:由于单管反应时RT和PCR都不能在最佳条件下进行并且容易相互干扰,常只适宜用基因特异引物扩增较短的基因及定量PCR,两步法则是将RT和PCR分别进行。特点:两步法使得两个反应分开,能够充分发挥各自的特点,更为灵活而
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 聚合 链式反应 PCR 技术讲座

链接地址:https://www.31ppt.com/p-2901761.html