PCR技術專題：PCR擴增分離目的DNA片段實驗原理、材料和步驟

一、目的

了解多聚合酶鏈反應DNA 擴增技術的基本原理和實驗應用，掌握PCR反應基本技術。

二、原理

PCR（Polymerase Chain Reaction）即聚合酶鏈式反應是1986 年由Kallis Mullis發(fā)現(xiàn)。這項技術已廣泛地應用于分子生物學各個領域，它不僅可用于基因分離克隆和核酸序列分析，還可用于突變體和重組體的構建，基因表達調(diào)控的研究，基因多態(tài)性的分析，遺傳病和傳染病診斷，腫瘤機制探查，法醫(yī)鑒定等方面。 PCR技術已成為方法學上的一次革命，它必將大大推動分子生物學各學科的研究發(fā)展。

PCR是一種利用兩種與相反鏈雜交并附著于靶DNA兩側(cè)的寡核苷酸引物經(jīng)酶促合成特異的DNA片段的體外方法，由高溫變性，低溫退火和適溫延伸等幾步反應組成一個循環(huán)，然后反復進行，使目的的DNA 得以迅速擴增，主要過程如圖6。置待擴增DNA于高溫下解鏈成為單鏈DNA模板；人工合成的兩個寡核苷酸引物在低溫條件下分別與目的片段兩側(cè)的兩條鏈互補結(jié)合；DNA聚合酶在72℃將單核苷酸從引物3'端開始摻入，沿模板5'—3'方向延伸，合成DNA 新鏈。由于每一循環(huán)所產(chǎn)生的DNA均能成為下一次循環(huán)的模板，所以PCR 產(chǎn)物以指數(shù)方式增加，經(jīng)25—30次周期之后，理論上可增加109倍，實際上可增加107倍。

PCR 技術具有操作簡便、省時、靈敏度高特異性強和對原始材料質(zhì)量要求低等優(yōu)點，但由于所用的TaqDNA聚合酶缺乏5'—3'核酶外切酶活性，不能糾正反應中發(fā)生的錯誤核苷酸摻入，估計每9000個核苷酸會導致一個摻入錯誤，不過Innis M·A 發(fā)現(xiàn)，錯誤摻入的堿基有終止鏈延伸的作用傾向，使得錯誤不會擴大。

原理示意圖

PCR 技術應用廣泛，不可能有這樣一套條件滿足所有的實驗，但本實驗所介紹的方法可適應于大多數(shù)DNA 擴增反應，即使有的不適應，至少也確定了一個共同的起點，在此基礎上可以作多種變化。不過下列因素在實驗應用時應予以特別注意，以求取得滿意結(jié)果。

1、模板：單、雙鏈DNA 和RNA都可以作為PCR樣品，若起始材料是RNA，須先通過逆轉(zhuǎn)錄得取第一條cDNA。雖然PCR可以僅用極微量的樣品，但為了保證反應的特異性，一般宜用ng 量級的克隆DNA，ug級的染色體DNA，待擴增樣品質(zhì)量要求較低，但不能混合有任何蛋白酶、核酸酶，Taq DNA聚合酶的抑制劑以及能結(jié)合DNA 的蛋白質(zhì)。

2、引物：引物是決定PCR 結(jié)果的關鍵，下列原則有助于引物的合理設計。（1）盡可能選擇堿基隨機分布，GC含量類似于被擴增片段的引物，盡量避免具有多聚嘌呤、多聚嘧啶或其它異常序列的引物。（2 ）避免具有明顯二級結(jié)構（尤其是在引物3'—末端）的序列。

（3 ）防止引物間的互補，特別要注意避免具有3'末端重疊的序列。

（4）引物的長度約為20個堿基，較長引物較好，但成本增加，短引物則特異性降低。

（5）引物濃度不宜偏高，過高易形成二聚體，而且擴增微量靶目標或起始材料是粗制品，容易產(chǎn)生非特異產(chǎn)物。
3、緩沖液：PCR緩沖液的變化通常會影響擴增結(jié)果，特別是MgCl2，其濃度對專一性和擴增量有重大影響，通常最適濃度為1.5mM左右（每種dNTP的濃度為0.2mM時），濃度過高，使反應特異性降低；濃度過低，使產(chǎn)物產(chǎn)量降低。四種dNTP濃度通常每種都是0.05mM—0.2mM。過高的濃度會導致錯誤摻入，濃度過低，則影響反應產(chǎn)物的產(chǎn)量。四種dNTP濃度應大體相同，其中一種若偏高，會誘發(fā)錯誤摻入，降低合成速度，過早終止延伸反應。另外dNTP能與Mg 2+結(jié)合，使游離Mg2+濃度降低，所以如果dNTP的濃度有很大改變，MgCl2濃度也要改變。Taq聚合酶是一種耐高溫聚合酶，用量通常是1—4 單位/100ul，濃度過高，產(chǎn)生過多的非特異片段。

4、循環(huán)參數(shù)：PCR 循環(huán)是把起始材料加熱到90—95℃，保持短時間使雙鏈DNA解鏈；然后冷卻至37—55℃，使引物與模板退火；再升溫至70—75℃，在TaqDNA聚合酶的作用下?lián)饺雴魏塑账�，使引物沿模板延伸。解鏈不完全是導致PCR失敗的最主要原因。用DNA擴增儀時，94℃保持1分鐘可使模板的起始物完全變性。若用低于94℃的條件，則應適當延長時間。引物與模板退火溫度由引物的長度及G+C含量決定。適時間退火（1—2）分鐘有利于產(chǎn)物的特異性。引物延伸在70—75℃保溫的時間可根據(jù)擴增DNA片段的長短來調(diào)節(jié)。正常情況下，每分鐘可延伸1Kb的長度，常規(guī)PCR 一般為25—40 個循環(huán)，若循環(huán)加長，則由于酶活性降低，聚合時間延長，引物及單核苷酸減少等原因，反應后期容易產(chǎn)生錯誤摻入，所以在滿足產(chǎn)物得率前提下，應盡量減少周期次數(shù)。

三、材料

（一）儀器與器皿

PRC 擴增儀（PE2400），瓊脂糖凝膠電泳設備，微量取樣器，一次性指形管，凝膠成像儀,玻片

（二）試劑與材料

1．瓊脂糖凝膠電泳試劑

1）電泳緩沖液：Tris—乙酸0.04mol/L PH8.0  0.002mol/L EDTA

2）加樣緩沖液：0.25%溴酚蘭40% w/v蔗糖

3）溴化乙錠溶液：0.05mg/ml溴化乙錠/水

4）瓊脂糖

2．TaqDNA 多聚酶

3．5′反應緩沖液：125mmol/L Tris-HCl pH8.2；10mmol/L MgCl2；0.5mg/mlgelatin；125mmol/L(NH4)2SO4； Formamide 25%

4．混合dNTP 液(dATP dGTP dTTP dCTP各2mmol/L)

5．DNA 模板（每2′ ml 中含有10fg 待擴增DNA）

6．引物 1 （25pmol/L），5’加入EcoRI 粘性末端堿基

7. 引物 2 （25pmol/L），5’加入HindIII 粘性末端堿基

8. 無菌水

四．實驗步驟

1.按順序在200ml 指形管中加入以下試劑與樣品：（因購入的試劑批次不同，加樣時有

所差別，以預實驗結(jié)果為準。）

1） ddH2O        74ml

2） 10′Buffer    10ml

3） MgCl2         6ml（10′Buffer 如已加入MgCl2，則不必加）

4） dNTP          2ml

5） 引物1          2ml

6） 引物2          2ml

7） 模板            2ml

8） TaqDNA聚合酶2ml

總體積共100ml（也可以配成40ml 的反應體系）

2. 在PCR 擴增儀上按以下反應條件編入程序：（以下為參考值，因擴增的DNA片段不同，各類PCR擴增儀程序設定各不相同，編程過程視擴增的DNA 片段的要求及儀器而定參數(shù)，見示范。）

1．預變性            94℃         2 分種

2．循環(huán)條件（30 次）

變性                  94℃        40 秒

復性                  55℃        35 秒

延伸                  72℃        2 分10 秒

3．延長延伸 72℃ 7 分鐘編完反應程序，置反應管于PCR擴增儀的反應孔中，開動機器，擴增循環(huán)反應開始。

4. PCR 擴增完畢，配2%瓊脂糖凝膠，取15ml 反應液及相適應的PCR mark 分別點樣，加樣緩沖液應為40%W/V 蔗糖，電泳觀察結(jié)果。

5. 凝膠成像儀或紫外燈下觀察實驗結(jié)果，是否已擴增到實驗設計的 DNA 片段