PCR技术及PCR仪.ppt
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2、Mullis荣获1993年度诺贝尔化学奖。,故事发生在1983年的春夏之交,Kary B.Mullis(1944-),在Cetus公司工作期间,发明了PCR。他原本是要合成DNA引物来进行测序工作,却常为没有足够多的模板DNA而烦恼。1983年春夏之交的一个晚上,他开车去乡下别墅的路上萌发了用两个引物(而不是一个引物)去扩增模板DNA 的想法.,很少有在公司工作的科研人员得诺贝尔奖,Mullis是其中之一,Mullis开车的时候,瞬间感觉两排路灯就是DNA的两条链,自己的车和对面开来的车象是DNA聚合酶,面对面地合成着DNA,,Mullis的第一个PCR实验,1983年9月中旬。Mullis在
3、反应体系中加 入DNA聚合酶后在37 一直保温。结果第二 天在琼脂糖电泳上没有 看到任何条带。于是他认识到有必要用加热来解链,每次解链后再加入DNA聚合酶进行反应,依次循环。1983年12月,他终于看到了被同位素标记的PCR条带。,PCR的发展史,1983年春,Mullis发展出PCR的概念;1983年9月,Mullis用大肠杆菌DNA聚合酶做了第一个PCR实验,只用一个循环;1983年12月,用同位素标记法看到了10个循环后的49 bp长度的第一个PCR片断;1985年12月20日,Mullis的同事Saiki在Science上发了一篇论文,方法中用了PCR技术,导致Mullis的文章到处被
4、拒;1985年10月25日申请了PCR的专利,1987年7月28日批准(专利号4,683,202),这回Mullis是第一发明人。1986年5月,Mullis在冷泉港实验室做专题报告,全世界从此开始学习PCR的方法;1986年6月,Cetus公司纯化了第一种高温菌DNA聚合酶,Taq DNA polymerase,这是85年春天Mullis建议做的;1988年,第一台PCR仪问世;1991年,Hoffman LaRoche以3亿美元的代价从Cetus公司获得全权开发权。,PCR不只是一个方法改进,Mullis的上司有句“名言”,“我们要扩增这么多DNA样品有什么用”;到了1991,Cetus公
5、司以3亿美元的转让费将PCR相关专利转让给瑞士Hoffman LaRoche公司,并在此后的经营中又获得了数亿美元的分红;Mullis于1993年获得诺贝尔化学奖,PCR和DNA重组技术一样意义深远。,生物样品,DNA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DNA,获取特定DNA片段,扩增特定DNA片段,DNA聚合酶,引物,引物,引物,引物,Mullis的构思,DNA聚合酶,DNA聚合酶,94变性,50-65退火,XX延伸,94,55,37,Taq DNA聚合酶(thermus aquaticus),酶活性(%),温度(),40 50 60 70 80 90 10
6、0,100 80 60 40 20,72,94,55,PCR循环,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点,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,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点,模板DNA,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点,引物1,引物2,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点,引物1,引物2,Taq酶,Taq酶,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点
7、,第1轮结束,第2轮开始,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点,Taq,Taq,Taq,Taq,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点,第2轮结束,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR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,PCR 动画,1st cycle,2nd cycle,3rd cycle,过 程,变 性,引 物 退 火,DNA 复制,PCR的基本原理,PCR反应条件PCR过程PCR的特点,PCR具有极高的灵敏度,样品,正对照,负对照,标准分子量,污染是PCR实验的常见问题。只要实验室里曾经
8、扩增过某个片段,就有可能以后的实验中发生污染。,因此,做实验的时候绝对不要忘了负对照。用紫外灯破坏污染物也是一个办法,PCR,琼脂糖凝胶电泳,最终产物,紫外光观察,3-4 小时,引物设计:(1)序列应位于高度保守区,与非扩增区无同源序列。(2)引物长度以15-40 bp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。(5)两引物间避免有互补序列。(6)引物3端为关键碱基;5端无严格限制。,3,5,3,5,限制性内切酶的识别序列启动子序列定点突变探针标记,1)PCR反应成分,(1)模板 单、双链DNA均可。不能混有蛋白酶、核酸酶、DNA聚合酶抑制剂、DNA结
9、合蛋白类。一般100ng DNA模板/100L。模板浓度过高会导致反应的非特异性增加。,PCR反应条件,(2)引物浓度 0.1-0.5 mol/L 浓度过高易导致模板与引物错配,反应特异性下降。(3)Taq DNA聚合酶(thermus aquaticus)0.5-2.5 U/50 l 酶量增加使反应特异性下降;酶量过少影响反应产量。,耐高温DNA聚合酶的种类,Taq DNA聚合酶(Thermus aquaticus,Cetus/Roche)Tth DNA聚合酶(Thermus thermophilus,Toyobo)Pfu DNA聚合酶(Pyrococcus furiosus,Stratag
10、ene)Deep Vent DNA聚合酶(Bio-labs)Tfl DNA聚合酶(Thermus flavus,Promega)Tli DNA聚合酶(Thermococcus litoralis,Promega)Vent DNA聚合酶(Bio-labs)Pwo DNA聚合酶(Pyrococcus woesei,Roche)Pfx DNA聚合酶(Thermococcus kodakaraensis,Invitrogen)Dynazyme DNA聚合酶(Thermus brockianus,Finnazyme)FD DNA聚合酶(Thermus sterophilus?,复旦大学)Tma,Tne,
11、KOD,PCR反应中Taq酶的选择,高特异性:热启动Taq酶-高温激活 修饰(抗体抑制剂、蜡封等)如Clongtechstratagen等公司或重组酶,如QIAGEN公司的HotStar系列高保真Taq酶(因其具有3”到5“核酸外切酶活性,错配率10-6,)普通Taq酶2510-5碱基/循环,如Stratagene的Pfu,NEB公司的Vent DNA聚合酶,QIAGEN公司的ProofStar DNA聚合酶,兼特异性与保真性于一体高耐热性Taq酶 NEB公司的Vent 和Deep Vent DNA聚合酶系列,从海底火山口分离后克隆的,是普通Taq酶耐热性的三倍以上,前者在95 半衰期近7h,
12、100 近2h;后者更甚分别为23h和8h,超长片段扩增Taq酶;基因组图谱、测序及分子遗传学研究。Clontech公司的Advantage Genomic系列混有TthDNA聚合酶,Proofreading酶和热启动抗体,对复杂模板可扩增10kb片段,简单模板可达40kb。关于复杂模板的扩增 对于模板结构复杂,如GC含量高(60%),有二级结构等,普通的Taq酶可能难以延伸下去,加入DMSO等助溶剂可帮助扩增顺利进行,但DMSO有毒,而且用量需要优化。QIAGEN公司的任何一种Taq酶都附有特制的Q-溶液,操作方便、安全,对复杂模板的扩增特别有效。,(4)dNTP dNTP浓度取决于扩增片段
13、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+,Mg2+是DNA聚合酶的激活剂。0.5mmol/L-2.5mmol/L反应体系。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。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,变性 使双链DNA解链为单链 95 20-30秒变性温度低,解链不完全是导致PCR失败的最主要原因。一般情况下,9394 1 min足以使模板DNA
14、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: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。退火温度是影响PCR特异性的较重要因素。变性后温度快速冷却至4060,可使引物和模板发生结合。由于模板DNA 比引物复杂得多,引物和模板之间的碰撞结合机会远远高于模板互补链之间的碰撞。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。对于20个核苷酸,G+C含量约50%的引物,55为选择最适退火温度的起点较
15、为理想。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)=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:Taq DNA聚合酶的生物学活性:7080 150核苷酸/S/酶分子70 60核苷酸/S/酶分子55 24核苷酸/S/酶分子高于90时,DNA合成几乎不能进行。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
16、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。,(4)循环次数 主要取决于模版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,PCR产物生成曲线,logDNA,Cycles,logDNA,Cycles,不同样品有不同的生成曲线,PCR的类型和应用,研究基因克隆,DNA测序,分析突变诊断细菌、病毒、寄生虫检测,诊断人类基因组工程遗传图谱的构建,DNA测序,表达图谱法医犯罪现场标本分析肿瘤各种肿瘤检测其他
17、,PCR相关的术语和产品层出不穷,T-vectorHotStart TaqRT-PCRRAPD-PCRDDRT-PCRLM-PCRInverse PCRNested PCRReal-time PCRRACEFlow chip PCR,TASMultiplex PCRImmuno PCRAsymmetric PCRLP-PCRNASBA Recombinant PCR AFLPSSCPIn situ PCRTaqMan/SYBR green,1)不对称PCR 目的:扩增产生特异长度的单链DNA。方法:采用两种不同浓度的引物。分别称为限制性引物和非限制性引物,其最佳比例一般是0.010.5M,关键
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