聚合酶链反应及其相关技术

聚合酶链反应极其相关技术上海交通大学医学院附属瑞金医院樊绮诗 聚合酶链反应于1983年由美国Cetus公司K Mullis博士建立 并和定点突变的发明者M Smith一起荣获1993年度诺贝尔化学奖 为生命科学领域的研究开创了崭新时代 PCR反应的特点 特异性强引物与模板结合的特异性及聚合酶的忠实性灵敏度高指数增长 从pg 10 12 可扩增至mg 10 6 水平简便 快速2 4小时完成扩增对标本的纯度要求相对较低DNA粗制品及总RNA均可作为扩增模板 一 PCR反应原理和反应过程 AmplificationofDNAinvitroincluding 变性 denaturation 94 C 95 C退火 annealing 40 C 70 C延伸 extension 72 C三个步骤作为PCR的一个循环 每当完成一个循环 一个分子的模板被复制为二个 产物量以指数形式增长 二 PCR的反应体系和反应条件 PCR反应体系参与PCR反应的主要成份 principlecomponents Template Primers dNTPTaqDNApolymeraseBuffer 模板 Template 基因组DNA RNA 质粒DNA 线粒体DNA等RNA作为模板时 须先将RNA逆转录cDNA 再以cDNA作为扩增的模板模板量 1000ng 500ng 100ng 50ng 引物 Primers 引物决定PCR扩增产物的特异性和长度 是化学合成的寡核苷酸片段 化学合成的寡核苷酸能与模板特异地结合引物决定产物的特异性和长度引物设计时必须遵循相关原则 设计引物的原则 二条引物分别位于被扩增片段的两端 与模板正负链序列互补长度为18 25个核苷酸二条引物之间避免形成引物二聚体引物的碱基组成应平衡引物退火温度计算 Tm 2 A T 4 C G 引物的5 端可被修饰 引入酶切位点 引入突变位点 生物素等标记 引物浓度 0 1 0 2 mol L 浓度过高容易生成引物二聚体 Tmisdefinedasthetemperatureatwhichhalfthemoleculesaresingle stranded Effectof GCContentonTm Effectof Salt onTm 脱氧核苷三磷酸 dNTP dATP dCTP dGTP和dTTP4种脱氧核苷三磷酸的混合物反应体系中各种核苷酸的浓度必须一致浓度过高虽能加快反应速度 但非特异性扩增也随之增加dNTP浓度 20 200 mol L 浓度升高增加非特异性扩增 DNA聚合酶 DNApolymerase 从一种生活在热泉水 80 90 中的水栖噬热菌 Thermusaquaticus Taq 中提取 有很高的耐热稳定性Taq酶的作用 在模板指引下以dNTP为原料 在引物3 OH末端加上脱氧单核苷酸 形成3 5 磷酸二酯键 使DNA链沿5 3 方向延伸 催化DNA合成最适酶量 1 2 5U 酶量过多导致非特异性扩增 TaqDNA聚合酶复制的保真性 TaqDNA聚合酶无3 5 外切酶活性 因而无校正功能 在复制新链的过程中会发生碱基错配TaqDNA聚合酶在每次循环中产生的移码突变率为1 30000 碱基替换率为1 8000 故扩增片段越长 错配的机率越高 耐热的DNA多聚酶PwoDNApolymerase TthDNApolymerase PfuDNApolymerase具有较高的热稳定性 较高的保真性 降低碱基错配率2 10倍 镁离子浓度 镁离子浓度是一个至为关键的因素 对于稳定反应系统 稳定核苷酸和提高Taq酶的活性有直接影响虽然Taq酶的活性只与游离的Mg2 浓度有关 但PCR反应体系中dNTP 引物 模板DNA及鳌合剂的存在均可与Mg2 结合而降低游离Mg2 的浓度从而影响酶的活性当dNTP浓度为200 mol L时 MgCl2的浓度为1 5mmol L较宜 其它反应因素 pH 调节至酶反应所需的最适pH pH7 2左右 盐 合适的盐浓度有利于稳定杂交体 有利于引物与模板杂交基质 BSA gelatin Tween20 DTT等 牛血清白蛋白或明胶等基质可以保护Taq酶的活性 PCR的反应条件 反应温度 变性 退火 延伸 反应时间 变性 退火 延伸 循环次数 PCR效率及产物量 温度 变性温度 94 97 退火温度 低于引物Tm5 左右温度过高降低扩增效率 温度过低 增加非特异性扩增延伸温度 72 此时Taq酶具有较高的酶促活性 时间 第一次变性应给予足够时间 5 7分钟 每一个步骤所需时间取决于扩增片段的长度 一般为30秒 1分钟 时间过长易导致非特异性扩增 循环次数 重复次数一般设为25 35个循环扩增反应的平台效应 理论上PCR反应产物呈指数性增长 但在扩增25 35个循环以后便放慢直至停止 达到反应平台 此时扩增产物量不再随循环次数的增加而呈指数增长 指数增长期平台期 循环数 PCR的扩增过程 平台出现得迟早与模板的初始量有关 模板初始量越多 平台出现得越早平台效应产生的因素 引物二聚体的产生 反应产物 各组分的消耗和变性 引物和已扩增的DNA片段间的竞争等 以PCR为基础的相关技术 以PCR为基础的相关技术 逆转录PCR reversetranscriptionPCR RT PCR 定量PCR quantitativePCR 实时PCR realtimePCR 多重PCR multiplexPCR 免疫PCRPCR诱导定点突变原位PCR insituPCR 逆转录PCR RT PCR 以细胞内总RNA或mRNA为材料进行体外扩增的技术主要用于克隆cDNA 合成cDNA探针检测RNA病毒 分析基因表达等 逆转录生成cDNA方式 以随机进行的PCR扩增所需的下游引物作为逆转录反应的引物以oligo dT 作为引物 mRNA3 末端polyA尾与之互补以人工合成的随机序列六核苷酸混合物作为引物 进行扩增 定量PCR 对DNA或RNA样本的靶序列进行定量分析主要用于基因表达的分析 病原体核酸的检测等在定量PCR反应体系中 除了常规PCR反应所需的材料和试剂外 还必须引入内参照系统 相对定量 因为多种因素会影响最终产物量内参照系统一般选用与待测序列结构无关的基因 如 肌球蛋白基因 3 磷酸甘油醛脱氢酶基因 glyceraldehyde 3 phosphatedehydrogenase GAPDH 等 相对定量PCR 通过凝胶电泳分析靶基因和内参照的PCR产物量 实现对样本中靶基因的相对定量内参照基因一般选择与靶基因序列无关的 管家基因 这些基因的含量相对丰富 转录比较稳定 相对定量PCR 设计相对定量PCR实验方案时须注意 预先确定最佳模板量和PCR循环数 使所采用的各反应参数在扩增指数范围内 避免平台效应 相对定量RT PCR 将RNA逆转录为cDNA靶基因与 管家基因 同管扩增PCR产物的凝胶电泳分析 不同模板量时线性扩增循环数的确定 模板量62 5 250ng时 27个循环内为线性扩增反应期 不同循环次数时模板量的确定 62 5 250ng模板量至27个循环内为线性扩增 相对定量PCR 管家基因与靶基因扩增产物的长度应不同 以使电泳能将两者分离开分别扫描管家基因和靶基因的条带密度 二者之比即为靶基因扩增条带的相对密度分析各靶基因相对密度的变化 B actin 相对定量PCR 相对定量PCR的优势与不足 不需要特殊的检测设备和试剂即可以对靶基因进行相对定量内对照系统无法排除参照基因本身表达变化的影响及参照基因和靶基因两者扩增效率不同等因素对实验结果的干扰 对核酸扩增反应进行直接和动态监测 实现对靶基因的实时定量分析 实时PCR realtimePCR 荧光定量PCRfluorescencequantitativePCR FQ PCR是一种实时PCR 通过监测荧光信号对PCR过程中产物量进行实时检测 计算出PCR的初始模板量 技术原理 DNA交联荧光染料技术基于荧光共振能量转移 fluorescenceresonanceenergytransfer FRET 技术 DNA交联荧光染料技术 在PCR反应体系中加入SYBRGreenI染料 该染料能选择性地掺入至双链DNA分子中 并且产生强烈荧光 结合的荧光信号和DNA含量成正比荧光信号的检测在每一个循环的延伸期完成后进行成本较低 无须对引物或探针进行预先的荧光标记 适用于任何反应体系特异性不高 染料分子也会结合到非特异性扩增产生的双链分子和引物二聚体中 FRET技术 水解探针技术 hydrolizationprobe 技术杂交探针 hybridizationprobe 技术分子信标 molecularbeacon 技术 TaqManTM技术原理 d NTPs ThermalStableDNAPolymerase Primers AddMasterMixandSample Denaturation Annealing ReactionTube l TaqManTM技术原理 ExtensionStep StrandDisplacement Cleavage PolymerizationComplete Detection l 临床标本实时定量PCR的扩增曲线 RelativeFluorescence PCR产物的终点检测 同一份标本作96复管的测定结果 Lockeyetal 1998 Biotechniques24 744 6 终点检测与实时监测的结果比较 Ct值的概念 Ct值 扩增曲线与基线交叉处的循环数 可以更为客观地反映样本中靶基因的初始拷贝数 定量PCR的外参照系统 标准曲线的制备制备标准品并计算标准品浓度系列稀释的标准品与被检样本同时扩增仪器软件绘制标准曲线并依据被检样品的Ct值给出每一反应中靶基因的拷数 标准品的扩增曲线 r 实测数据与所得标准曲线的线性吻合度 标准曲线 实时定量RT PCR检测CEA基因拷贝数在监测胃肠癌微转移中的应用 CEA基因在消化系统上皮腺癌 尤其是直结肠癌和胃癌中高表达 因此在肿瘤细胞内可检测到其转录本 在正常成人体内极少表达 正常成人体内CEA基因表达状况 胃肠癌肿瘤组织中CEA基因表达状况 在肿瘤发生血道转移时 外周血中有少量肿瘤细胞残留 用灵敏 特异的技术检测到这些肿瘤细胞中CEA基因的转录本 是发现肿瘤早期转移的关键 胃肠癌患者外周血中CEA基因表达状况 多重PCR MultiplexPCR 在同一反应体系中加入多对引物 同时扩增一份DNA样本中多个不同序列的靶片段 DMD基因外显子缺失的检测 差异显示PCR differentialdisplayPCR DD PCR 一种以逆转录PCR为基础的研究基因表达差异的技术DD PCR主要用于肿瘤和多种疾病的分子遗传学研究 是目前筛选基因表达差异比较有效的方法之一 差异显示RT PCR DifferentialdisplayRT PCR PCR诱导定点突变 PCRmutagenesis 产物末端引入点突变 A B A B P2 P1 PCR 用酶A和B消化 将突变位点引入PCR产物 末端 PCR产物中间引入点突变 EcoRI HindIII PvuII PCR产物中引入片段性缺失 A B P1 P2 P3 P4 PCR A B PCR A B PCR产物的检测 PCR 限制性片段长度多态性 PCR RFLP 等位基因特异性寡核苷酸 allelespecificoligonucleotide ASO 单链构象多态性 singlestrandconformationpolymorphism SSCP 变性梯度凝胶电泳 DGGE 融点曲线分析 meltingcurveanalysis 序列分析 PCR RFLP 利用正常序列或突变序列是否处于限制性内切酶的酶切位点点突变处于某一限制性内切酶的酶切位点内 可在突变点两侧设计引物 使PCR产物含有该突变序列用相应的内切酶对正常产物和突变产物进行水解并作电泳分离 可根据水解片段的大小和电泳位置区分二者 RFLP诊断镰状细胞贫血 Southernblotanalysis Southern印迹杂交 Southernblotanalysis ResultsofSouthernBlot ControlTissue CancerTissue probe E E PCR SSCP 单链DNA分子具有特定的二级空间构象 取决于该分子本身的碱基组成突变DNA的PCR产物经变性后产生与正常DNA空间构象不同单链在非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳中时 不同构象的单链片段具有不同的电泳迁移率 从而能区别正常与突变的DNA不同顺序不同构象不同电泳行为 DGGE是一种筛查单碱基突变及多态性的方法被检DNA双链分子的解链温度因存在突变而发生改变 从而使电泳迁移率发生改变DGGE的突变检出率可达90 100 变性梯度凝胶电泳 DGGE DenaturingGradientGelElectrophoresis DGGE DenaturingGradientGelElectrophoresis DGGE Low High Denaturant 熔点曲线分析 meltingcurveanalysis 野生型序列和突变序列因不同Tm而产生不同的融点曲线荧光染料标记的双链DNA分子或荧光标记的探针被仪器的检测系统所识别DNA分子在复性时结合荧光最强 随温度的上升荧光量逐渐降低温度升至其融点温度 Tm 时荧光量急剧下降而形成融点曲线 其波峰所在温度即代表被检DNA分子的Tm值 Tm值取决于DNA分子的长度和其序列中G C碱基含量当被检片段中存在突变时 就会有不同于野生型的Tm值而呈现不同的波峰如果一个被检片段中存在一个以上的突变时 可以出现一个以上的波峰 从而可以将突变序列检测出来 高分辨率熔点分析技术 highresolutionmelting HRM 温度普通熔点曲线分析中每个监测点温度升高的幅度为0 5 1 0 而HRM时则为0 02 0 1 即在同一温度变化范围内能获得更多的监测数据点 体现了 高分辨率 染料一般常用的荧光染料为非饱和染料 在反应体系中如果加入过多量会抑制PCR扩增 因此实际使用浓度未达到饱和 此时染料不足以与DNA双螺旋结构完全结合在DNA双链解链过程中 非饱和染料会从已经完成解链的DNA序列上解离下来 再重新结合到未完全与染料结合的DNA双链上 造成检测结果不准确 HRM中使用的染料不抑制PCR反应 可以加入较多量使之形成饱和状态 占据双链DNA的所有碱基对当双链DNA局部解链时 游离下来的染料不会再重新结合到DNA分子上去 荧光强度的降低能更精确地反映出DNA分子的解链情况 更可靠地分辨出单个碱基序列的变化特异性避免生成引物二聚体和非特异性扩增长度增加时 野生型和纯合突变型片段Tm值差异变小 将对HRM的特异性和灵敏度造成一定影响 A 凝血因子V基因 B 凝血酶原基因 C 亚甲基四