第八章PCR技術(shù)及其應用第1頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一前言PCR技術(shù)簡史鏈式反應：chainreaction燃燒中的鏈式反應：有焰燃燒都存在鏈式反應?？扇嘉锸軣釙r不僅會汽化，而且分子會發(fā)生熱裂解作用，產(chǎn)生高度活潑的、易與其他自由基和分子反應的自由基，使燃燒持續(xù)進行下去。核鏈式反應：指能自持進行的原子核反應。如鈾-235核受到中子轟擊后分裂成兩塊，同時放出二至三個次級中子和一定能量。除去損耗以后，這些次級中子中如能至少剩下一個以引起另一個鈾-235核裂變，則裂變反應就可繼續(xù)下去，這樣的鏈式反應是自持的。原子彈與核反應堆是根據(jù)這一原理而設計的。第2頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第3頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一DNA的復制聚合酶鏈反應的發(fā)明PCR：polymerasechainreaction，聚合酶鏈式反應。1971年，Khorana提出：經(jīng)過DNA變性，與合適引物雜交，用DNA聚合酶延伸引物，并不斷重復該過程便可克隆tRNA基因。但由于測序和引物合成的困難，以及70年代基因工程技術(shù)的發(fā)明使克隆基因成為可能，所以，Khorana的設想被人們遺忘了……第4頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一ATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGC5’3’TAGCGCTATCGCATCGACGCTGGATCG3’5’解旋酶解鏈酶DNA解旋解鏈合成引物子鏈延長第5頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一ATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGC5’3’TAGCGCTATCGCATCGACGCTGGATCG3’5’DNA解旋解鏈合成引物子鏈延長GGAUCG5’AUCGCG5’引物酶引物酶第6頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一ATCGCGATAGCGTAGCTGCGACCTAGC5’3’TAGCGCTATCGCATCGACGCTGGATCG3’5’DNA解旋解鏈合成引物子鏈延長GGAUCG5’AUCGCG5’TAGCGCTATCGCATCGACGCT3’ATAGCGTAGCTGCGAGGATCG3’DNA聚合酶DNA聚合酶第7頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一1985年，美國PE-Cetus公司的Mullis等人發(fā)明了聚合酶鏈反應（PCR）基本原理是在試管中模擬細胞內(nèi)的DNA復制最初采用E.coliDNA聚合酶進行PCR，由于該酶不耐熱，使這一過程耗時，費力，且易出錯耐熱DNA聚合酶的應用使得PCR能高效率的進行，隨后PE-Cetus公司推出了第一臺PCR自動化熱循環(huán)儀第8頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一KaryB.Mullis

<<TheUnusualOriginofthePolymeraseChainReaction>>1989年美國《Science》雜志列PCR為十余項重大科學發(fā)明之首,比喻1989年為PCR爆炸年,Mullis榮獲1993年度諾貝爾化學獎。第9頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一引物引物Mullis的構(gòu)思DNA聚合酶DNA聚合酶特定DNA片段第10頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一Taq

DNA聚合酶（Thermusaquaticus)酶活性(%)溫度(℃)40506070809010010080604020第11頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一72℃94℃55℃PCR循環(huán)第12頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一一、PCR的基本原理類似于DNA的體內(nèi)復制。首先待擴增DNA模板加熱變性解鏈，隨之將反應混合物冷卻至某一溫度，這一溫度可使引物與它的靶序列發(fā)生退火，再將溫度升高使退火引物在DNA聚合酶作用下得以延伸。這種熱變性-復性-延伸的過程就是一個PCR循環(huán)，PCR就是在合適條件下的這種循環(huán)的不斷重復。第一節(jié)PCR技術(shù)原理和工作方式第13頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第14頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一DenaturetemplateDNAbyheat(95oC)TargetSequenceTargetSequence①模板DNA的變性：模板DNA經(jīng)加熱至95℃左右一定時間后，使模板DNA雙鏈或經(jīng)PCR擴增形成的雙鏈DNA解離，使之成為單鏈，以便它與引物結(jié)合，為下輪反應作準備；PCRCycle-Step1–第15頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCRCycle-Step2–

Temperatureislowered(Tm)andprimersannealtotargetsequencesTargetSequenceTargetSequencePrimer1Primer25’3’5’5’3’5’3’3’②模板DNA與引物的退火(復性)：模板DNA經(jīng)加熱變性成單鏈后，溫度降至55℃左右，引物與模板DNA單鏈的互補序列配對結(jié)合；第16頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCRCycle-Step3-

At72oCTaqDNApolymerasecatalysesprimerextensionascomplementarynucleotidesareincorporatedTargetSequenceTargetSequencePrimer1Primer25’3’5’5’3’5’3’3’TaqDNAPolymerase③引物的延伸：DNA模板--引物結(jié)合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTPs為反應原料，靶序列為模板，按堿基配對與半保留復制原理，合成一條新的與模板DNA鏈。第17頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一Endofthe1stPCRCycle–

ResultsintwocopiesoftargetsequenceTargetSequenceTargetSequence每完成一個循環(huán)需2～4分鐘，2～3小時就能將待擴目的基因擴增放大幾百萬倍。第18頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一TargetAmplificationNo.of No.AmpliconCycles CopiesofTarget1 22 43 84 165 326 6420 1,048,57630 1,073,741,8241cycle=2Amplicon2cycle=4Amplicon3cycle=8Amplicon4cycle=16Amplicon5cycle=32Amplicon6cycle=64Amplicon7cycle=128Amplicon第19頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一1

緩沖液10mmol/LTris-HCl，50mmol/LKCl，pH=8.3-9.0(室溫時約為7.2)，還可能有添加劑、共溶劑等。廠商一般以10倍的貯存液形式提供。Mg2+是DNA聚合酶的激活劑。廠商一般以25mmolMgCl2+形式提供，使用濃度為0.5mmol/L至2.5mmol/L反應體系。Mg2+濃度過低會使Taq酶活性喪失、PCR產(chǎn)量下降；Mg2+過高影響反應特異性。Mg2+可與負離子結(jié)合，所以反應體系中dNTPs、EDTA等的濃度影響反應中游離的Mg2+濃度。二、PCR反應體系第20頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2、脫氧三磷酸核苷(dNTPs)

dATP、dGTP、dCTP、dTTP四種的等量混合物。廠商一般提供為10mmol/L或4mmol/L的貯存液，使用濃度為0.2mmol/L左右。

dNTPs濃度取決于擴增片段的長度。

濃度過高易產(chǎn)生錯誤堿基的摻入，濃度過低則降低反應產(chǎn)量。

dNTPs可與Mg2+結(jié)合，使游離的Mg2+濃度下降，影響DNA聚合酶的活性。第21頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR引物的設計一般原則1.引物長度一般以18～30bp為宜，過短則降低特異性，過長則會引起引物間的退火而影響有效擴增，同時也增加引物合成的成本。2.解鏈溫度(Tm值)很重要，直接決定了擴增中可使用的退火溫度(Ta值)的高低，較高時特異性增加，但退火效率下降，過低時退火效率較高，但特異性下降。兩條引物間的Tm值越接近越好。計算Tm值的方法很多，簡易公式為Tm=4×(G+C)+2×(A+T)，適于短于20nt的引物。長引物的Tm值計算公式見書，但比實際值往往偏低。精確的Tm計算需要考慮緩沖液的鹽離子濃度和引物內(nèi)部的相鄰堿基的動力學參數(shù)。3、引物

一般溶成10mol/L的貯存液，使用濃度為1-5mol/L。

濃度過低則產(chǎn)量低，過高則易導致錯配，PCR特異性下降。第22頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一3.避免引物內(nèi)部出現(xiàn)二級結(jié)構(gòu)，避免序列內(nèi)有較長的回文結(jié)構(gòu)，使引物自身不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。4.要避免兩個引物間特別是3’末端堿基序列互補以及同一引物自身3’末端堿基序列互補的，使它們不能形成引物二聚體或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。5.G/C和A/T堿基均勻分布，G+C含量在40～60%之間，引物堿基序列盡可能選擇堿基隨機分布，避免出現(xiàn)嘌呤或嘧啶連續(xù)排列。6.引物3’末端堿基一般應與模板DNA嚴格配對，并且3’末端為G、C或T時引發(fā)效率較高，但3’要避免較密的C+C或G+C連排。7.引物5’末端堿基可不與模板DNA匹配，可添加與模板無關(guān)的序列(如限制性核酸內(nèi)切酶的識別序列、ATG起始密碼子或啟動子序列等)，便于克隆和表達，但其保護堿基有一定的要求。8.引物的堿基順序不能與非擴增區(qū)有同源性。第23頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一4、模板單、雙鏈DNA均可。一個PCR反應中104至107個模板分子可獲得較理想的效果，但由于PCR較靈敏，更少的模板分子數(shù)在循環(huán)數(shù)增加時也會得到大量擴增。不能混有蛋白酶、核酸酶、DNA聚合酶抑制劑、DNA結(jié)合蛋白類，模板純度不高往往是限制PCR擴增的重要因素。

不同屬性的模板所加的理想的量不同，哺乳動物基因組總DNA、酵母DNA、細菌DNA、質(zhì)粒、M13噬菌體作模板時，需要的量分別為1g、10ng、1ng、1pg和1%噬菌斑。

模板濃度過高會導致反應的非特異性增加。第24頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一5、耐熱性的DNA聚合酶有多種，均從耐熱性的細菌中分離出來，均耐高溫，普遍具有5’→3’聚合酶和5’→3’外切酶活性，但在3’→5’外切酶活性(proofreading,校正功能，決定保真度,fidelity)、耐熱性和附加功能上有差異。酶量增加使產(chǎn)量增加，但反應特異性下降，酶量過少雖能保證特異性，但影響產(chǎn)量。常用的有：

1）TaqDNA聚合酶：最常用，來自嗜熱水生菌(Thermusaquaticus)，95℃時的半衰期為40分鐘，75℃時活性最強，沒有校正功能，錯配率為8.9×10-5至1.1×10-4。標準使用濃度一般為2.5U/50l。2）TthDNA聚合酶：來自嗜熱熱細菌(Thermusthermophilus)HB8，95℃時的半衰期為20分鐘，74℃時進行擴增，除在Mg2+催化下進行常規(guī)的PCR擴增外，還具有在MnCl2催化下的高溫反轉(zhuǎn)錄功能。

3）VentDNA聚合酶：來自嗜熱高溫球菌(Thermococcuslitoralis)，100℃時的半衰期為1.8小時，具校正功能，保真度比Taq高5-15倍。第25頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一4）PwoDNA聚合酶：來自嗜熱細菌(Pyrococcuswoesei)，100℃時的半衰期大于2小時，有校正功能，保真度高。5）PfuDNA聚合酶：來自激烈熱球菌(Pyrococcusfariosus)，具有極高的熱穩(wěn)定性，目前公認是最保真的。

6）混合DNA聚合酶：將具有校正功能的酶與Taq酶按一定比例混合，具有類似Taq的強啟動合成能力，同時又有一定的保真度，而且具有一定的擴增長片段的能力。Taq酶的延伸速度為1-2kb/min，但具有校正功能的酶的延伸速度要小些，一般只能按照600-700bp/min來預計。

PCR擴增不是絕對真實的，因為具校正功能的DNA聚合酶只是比不具校正功能的DNA聚合酶相對保真而已，錯配率相差在兩個數(shù)量級以內(nèi)。一些具校正功能的酶作PCR時，即使產(chǎn)物短也可能得不到產(chǎn)物，原因不明，估計可能與該酶的外切活性將引物降解有關(guān)。第26頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一三、PCR反應程序1、常規(guī)程序：94℃左右預變性幾十秒至幾分鐘；

94℃左右變性10秒至1分鐘；50-65℃左右退火30秒至1分鐘；20-35個循環(huán)72℃左右延伸30秒至幾分鐘；72℃左右最后延伸和加尾3-10分鐘；4-25℃保持3分鐘或更長。2、退火和延伸溫度：

退火溫度Ta值由Tm值決定，多數(shù)情況下Ta采用Tm減去3-5℃，較高時特異性強但退火效率低，較低時退火效率增加而非特異擴增增加，可根據(jù)實際研究目的采用高特異性或低特異性退火。當退火溫度高到與延伸溫度接近時，可以將退火和延伸溫度合為一個，這時PCR就由三步法變成了兩步法。第27頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一3、反應時間：變性步驟一般為5秒至1分鐘，變性溫度高時時間短，低時時間長，簡單模板時間短，復雜模板時間長，尤其是直接用細胞作模板時預變性和變性時間都要長。

退火時間一般為30秒至1分鐘即可，引物結(jié)構(gòu)好的時間短，引物結(jié)構(gòu)差的退火時間宜長。

延伸時間從半分鐘到10分鐘以上不等，由擴增片段的長度和DNA聚合酶的延伸速度共同決定。Taq擴增時按1kb/min計算，具校正活性的酶則按0.6-0.7kb/min計算。4、循環(huán)次數(shù)：多數(shù)為25-35，主要取決于模板屬性、模板豐度、引物退火效率、DNA聚合酶的擴增能力。裸露DNA、雜質(zhì)少、高豐度模板、引物結(jié)構(gòu)好、DNA聚合酶擴增能力強時，循環(huán)數(shù)宜少，以盡量減少突變。否則宜多，以保證獲得必要的PCR產(chǎn)物量。

PCR擴增的后期循環(huán)易進入平臺期，實際上是由于PCR擴增條件的逐步劣化而引起的。第28頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一平臺效應（plateaueffect）：PCR擴增過程后期會出現(xiàn)的產(chǎn)物的積累按減弱的指數(shù)速率增長的現(xiàn)象。原因：底物和引物的濃度降低dNTP和DNA聚合酶的穩(wěn)定性或活性降低產(chǎn)生的焦磷酸會出現(xiàn)末端產(chǎn)物抑制作用非特異性產(chǎn)物或引物的二聚體產(chǎn)生非特異性競爭作用擴增產(chǎn)物自身復性高濃度擴增產(chǎn)物變性不徹底Nf=N0(1+Y)nN0起始拷貝數(shù)；Nf最終拷貝數(shù)；Y延伸效率；n循環(huán)數(shù)IfNf=1012，Y=70%，N0=3x105，thenn=28.6第29頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一5、PCR反應液的配制：

加試劑順序：雙蒸水、緩沖液、MgCl2、dNTPs、正向引物、反向引物、模板、DNA聚合酶。加DNA聚合酶前應將其余試劑混勻后再加入酶。加完酶后應先放回酶，然后再混勻PCR成分，覆蓋礦物油，并上機。

酶要用冰盒取放，禁止因手的接觸或暴露于空氣中而使酶升溫。第一次使用各試劑時要輕柔充分混勻。正確保存各種試劑，尤其是要避免核酸因反復凍融而降解，各試劑宜分裝成適量的小管。

熱啟動(hotstart)：購買的DNA聚合酶偶連有特異抗體，只有當溫度升至68度或更高時，抗體才會失活并釋放出DNA聚合酶，從而增加PCR的特異性，減少低溫下尤其是配制PCR體系過程中由于引物錯配而帶來的非特異性擴增。但啟動的DNA聚合酶的價格較貴。早期有蠟珠法。冷啟動(coolstart)：在冰水浴上配制PCR成分，然后立即放到已運行并暫停于預變性之初的PCR儀的block上面，直接進入高溫變性和隨后的PCR擴增。延遲成分法：扣留一種PCR關(guān)鍵成分，直到已進入預變性后才加入。第30頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR儀第31頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第32頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第33頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一1234522557294時間（min）溫度（℃）適溫延伸3高溫變性1低溫退火2重復1~3步25~30輪目的DNA片段擴增100萬倍以上DNA雙螺旋DNA單鏈與引物復性DNA變性形成2條單鏈子鏈延伸DNA加倍第34頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一模板DNA95℃第35頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR的基本原理PCR反應條件PCR過程PCR的特點50℃引物1引物2DNA引物第36頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR的基本原理PCR反應條件PCR過程PCR的特點引物1引物2DNA引物72℃Taq酶Taq酶第37頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR的基本原理PCR反應條件PCR過程PCR的特點72℃第1輪結(jié)束第2輪開始第38頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR的基本原理PCR反應條件PCR過程PCR的特點95℃50℃72℃TaqTaqTaqTaq第39頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR的基本原理PCR反應條件PCR過程PCR的特點72℃第2輪結(jié)束第40頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR的基本原理PCR反應條件PCR過程PCR的特點重復30輪后230=1,073,741,824模板DNA第1輪擴增第2輪擴增第3輪擴增第4輪擴增第5輪擴增第6輪擴增理想拷貝數(shù)=2nn循環(huán)次數(shù)實際拷貝數(shù)=(1+x)nX平均效率,約為0.85n循環(huán)次數(shù)

第41頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR的特點靈敏度高皮克(pg=10-12)量級擴增到微克(ug=10-6)水平能從100萬個細胞中檢出一個靶細胞病毒檢測的靈敏度可達3個PFU細菌檢測的最小檢出率為3個細菌簡便、快速一次性加好反應液，2～4小時完成擴增擴增產(chǎn)物一般用電泳分析對標本的純度要求低血液、體腔液、洗嗽液、毛發(fā)、細胞、活組織等組織的粗提DNA第42頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一PCR中其它注意的事項1.防止污染試劑小量分裝吸頭及EP管一次性使用器皿及工作區(qū)域要分開，無菌操作2.設立對照：陽性對照：陽性模板陰性對照：陰性模板、無模板試劑對照：除模板外的所有組分第43頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)PCR產(chǎn)物的克隆一、在PCR產(chǎn)物兩端添加限制性酶切位點在PCR引物的5’加上根據(jù)需要而設計的酶切位點，PCR產(chǎn)物內(nèi)部沒有該切點。在酶切位點的5’加3個左右的保護堿基，堿基數(shù)目多少取決該酶的性質(zhì)。PCR物產(chǎn)物經(jīng)電泳后回收后，直接用限制酶進行切割，純化后與目標載體連接重組。該法適用于直接將PCR產(chǎn)物克隆到表達載體進行功能研究，但構(gòu)建好的表達載體必須測序才能證明PCR產(chǎn)物的身份正確且沒有突變。第44頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一二、TA克隆這是目前最通行的PCR產(chǎn)物克隆方法，基本思路是先將PCR產(chǎn)物與特制的T載體進行連接重組，測序證明正確無誤后，再從T載體上亞克隆到表達載體上進行功能研究。Taq酶PCR產(chǎn)物的特點：該酶具有末端轉(zhuǎn)移酶活性，通常在其產(chǎn)物DNA分子每條鏈的3’末端加上一個突出的A。T載體：通過特定技術(shù)制作的在多克隆位點中間已開環(huán)的質(zhì)粒載體，其每條鏈的3’末端具有一個突出的T，如promega公司的pGEMT-easy。TA克?。簩?’末端具一個突出的A的PCR產(chǎn)物與T載體連接重組，轉(zhuǎn)化大腸桿菌，對鑒定為陽性的重組克隆子的多克隆位點區(qū)的插入片段進行測序，然后再亞克隆到其它載體進行功能研究等。pCR-TOPO技術(shù)：T載體上已經(jīng)偶連有拓撲異構(gòu)酶，因此PCR產(chǎn)物無需DNA連接酶而可直接與該T載體進行快速連接重組。第45頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第46頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第47頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第48頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第49頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第50頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一三、平末端DNA片段的克隆所有具有校正功能的DNA聚合酶擴增出來的PCR產(chǎn)物均為平末端，有兩種克隆思路：一是在PCR完成后加入適量的Taq酶并在72℃保溫20-30分鐘，使PCR產(chǎn)物每條鏈的3’末端加上一個突出的A后進行TA克隆。二是將平末端PCR產(chǎn)物與平末端進行載體連接克隆：1、pCR-ScriptAmpSK(+)克隆載體：連接體系中除加有T4DNA連接酶外，還加有限制酶SrfⅠ，連接過程中載體自連的產(chǎn)物總是被SrfⅠ切開，而重組載體卻不能被切開，轉(zhuǎn)化子中重組子的比例就較高。2、pCR-Blunt克隆載體：載體的lacZ’基因下游融合了一個致死基因ccdB，載體自連轉(zhuǎn)化的大腸桿菌不能存活，重組載體的轉(zhuǎn)化子則能長成菌落，因為致死基因已被插入失活。第51頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第52頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第53頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一四、長片段DNA的PCR擴增長片段DNA的PCR擴增效率較低，因為有許多降低PCR效率的因素。策略有：一是改進PCR緩沖液體系。二是采用混合酶，尤其是Taq與Pwo的混合酶可擴增40kb左右的片段。第54頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第55頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第56頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第57頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一一、反向PCR(reversePCR)

基本原理:用反向的互補引物來擴增兩引物之外的DNA片段。首先用限制性內(nèi)切酶切割靶DNA片段,并用連接酶,使酶切所得DNA片段自身環(huán)化,然后再用內(nèi)切酶消化核心區(qū),并以該內(nèi)切酶切點兩側(cè)的DNA片段為引物進行PCR擴增,可將鄰近已知序列旁側(cè)的未知DNA片段擴增出來?？蓪ξ粗蛄袛U增后進行分析,如探索鄰接已知DNA片段的序列；用于僅知部分序列的全長cDNA的克隆,擴增基因文庫的插入DNA；建立基因組步移文庫。已知序列未知序列未知序列第三節(jié)PCR擴增未知DNA片段第58頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第59頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第60頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一二、利用接頭的PCR/錨定PCR(anchoredPCR)

將基因組總DNA用限制酶切割，然后將序列已知的接頭連接到酶切片段的兩端，以提供PCR的錨定引物，該錨定引物與已知序列中的基因特異引物(gene-specificprimer,GSP)組合后，用于目標基因側(cè)翼序列的擴增。為了減少錨定引物與錨定引物之間組合后構(gòu)成的非特異擴增，可以將接頭替換為一端平、另一端為5’突起的結(jié)構(gòu)，且對3’凹陷的堿基實行亞氨基修飾。第61頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一同端化PCR基本原理:首先將兩條變性的單鏈DNA的3′端加上同樣的特殊引物接頭,使其具有相同的末端序列,然后以DNA單鏈為模板,接頭的主體部分為引物,進行PCR擴增得到目的DNA片段。具體方法:將一條具有回文結(jié)構(gòu)的特殊引物接頭,加在待擴增的單鏈DNA片段3′端,然后以其為模板,以該引物接頭的5′端主體部分為引物,合成它們的互補鏈,再通過變性、復性,使新合成的兩條鏈復性。并在DNA聚合酶作用下補平,產(chǎn)生兩端都含有所連接引物5′端同一主體序列的模板分子,然后再用該主體序列作引物進行PCR反應,即可使未知序列的基因片段得以擴增。第62頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第63頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一不對稱PCR

目的：擴增產(chǎn)生特異長度的單鏈DNA。方法：采用兩種不同濃度的引物。分別稱為限制性引物和非限制性引物,其最佳比例一般是0.01∶0.5μM,關(guān)鍵是限制性引物的絕對量。用途：制備核酸序列測定的模板制備雜交探針基因組DNA結(jié)構(gòu)功能的研究三、熱不對稱交錯PCR(thermalasymmetricinterlacedPCR,TAIL-PCR)

第64頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

高濃度引物低濃度引物第65頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一TAIL-PCR：利用特異引物與隨機引物組合后進行PCR，產(chǎn)生3種產(chǎn)物：Ⅰ型產(chǎn)物：特異引物和隨機引物共同延伸的產(chǎn)物；Ⅱ型產(chǎn)物：特異引物單獨延伸的產(chǎn)物；Ⅲ型產(chǎn)物：隨機引物單獨延伸的產(chǎn)物。5輪高嚴謹度PCR，形成特異引物介導的目標序列的單鏈擴增；1個低嚴謹度PCR循環(huán)，將目標序列轉(zhuǎn)換為雙鏈；高嚴謹度與低嚴謹度循環(huán)交錯進行，共14個超級循環(huán)；PCR產(chǎn)物稀釋1000倍；換用新的特異引物與隨機引物進行第二次擴增，10個超級循環(huán)；PCR產(chǎn)物稀釋1000倍；換用第三特異引物與隨機引物進行第三次擴增，10個超級循環(huán)；電泳、回收、克隆、測序。第66頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第一輪擴增

第67頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第二輪擴增第68頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第三輪擴增第69頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一基因mRNA蛋白質(zhì)多肽鏈第四節(jié)與反轉(zhuǎn)錄相關(guān)的PCR第70頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一逆轉(zhuǎn)錄酶ＤＮＡ聚合酶mRNAcDNA雜合雙鏈PCR擴增第71頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一一、cDNA末端快速擴增(rapidamplificationofcDNAends,RACE)用于克隆全長cDNA的5’和3’末端序列。RACE是利用PCR技術(shù)由已知的部分cDNA序列來獲得完整cDNA末端的方法,又稱為錨定PCR(AnchoredPCR)和單邊PCR(One-sidedPCR)。一般有兩種RACE策略,分別用于擴增3′或5′端。無論哪一種策略的第一步都需要首先通過反轉(zhuǎn)錄把mRNA轉(zhuǎn)化為單鏈cDNA。在擴增反應中,先根據(jù)基因已知部分的序列設計引物;引物(又稱錨定引物)帶有與cDNA5′或3′端相鄰區(qū)域互補的序列。這些序列可以是自然存在的,也可以在反轉(zhuǎn)錄完成后添加。錨定引物也可以帶有接頭序列,以方便克隆。第72頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一在5′RACE中,第一條cDNA單鏈是以與基因中已知序列互補的寡聚核苷酸片段為引物合成的。去掉RNA模板后,用脫氧核糖核苷末端轉(zhuǎn)移酶或T4RNA連接酶在單鏈cDNA3′端添加一個錨定引物序列尾巴。然后就可以用與基因中已知序列和錨定序列尾巴互補的序列為引物,進行典型的PCR反應。1、

5′RACE

第73頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第74頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2、3’RACE在3′RACE中,首先用寡聚(dT)引物/接頭做引物進行反轉(zhuǎn)錄。這一寡聚(dT)引物可與mRNA的多聚(A)尾巴復性。這一寡聚(dT)引物/接頭同時還用來在隨后的PCR反應中作為錨定引物。反應中的另一引物與基因中某一特定序列互補。第75頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第76頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一二、差異顯示PCR(differentialdisplayPCR,DD-PCR)檢測相似材料表達譜差異的經(jīng)典方法，此后已衍生出許多新方法。

基本原理：利用一系列寡核苷酸為引物,其中一種錨定于mRNA3′端poly(A)進行反轉(zhuǎn)錄,形成mRNA:cDNA雜交分子。然后進行PCR擴增。擴增時在PCR反應溶液中除加入前一種引物外,再加入另一短的隨機引物,通過兩組引物的隨機組合,使細胞中大約15000種mRNA均有擴增的機會,并在序列膠上顯示出清晰的電泳帶,從中分離出目的DNA片段。利用真核細胞mRNA均含有ploy(A)末端的特點,把其中3′端引物設計成T11VN(V表示為除T以外的三種堿基,N表示四種堿基中的任意一種),所以共有12種組合,分別對總RNA進行反轉(zhuǎn)錄,理論上這12種組合剛好覆蓋所有mRNA,而且每一種組合均可有效地進行反轉(zhuǎn)錄,反應結(jié)束時,應全部形成mRNA:cDNA雜交分子。第77頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一mRNA反轉(zhuǎn)錄出cDNA后,向反應體系中加入另一個十聚核苷酸的隨機引物,連同T引物，進行標記的PCR擴增，然后，通過序列膠分析即可將差異表達條帶，即目的條帶從中檢出，然后再回收DNA，并進行常規(guī)PCR擴增，即可得到進行進一步鑒定所需要的量。第78頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第79頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一DDRT-PCR技術(shù)的不足:（1）假陽性率高，假陽性的比例有時高達50％～75％。（2）由于某些序列的特異性，一些差異表達的轉(zhuǎn)錄不能得到分離，所以凝膠中的單條帶可能由1種以上cDNA片段所構(gòu)成。（3）差異顯示所得的cDNA片段較短，長度多在100bp～400bp之間，且大多位于mRNA3′端約300bp的非翻譯區(qū)（untranslatedregions,3′UTR），很少能擴增到ORF范圍內(nèi)。（4）研究表明，差顯技術(shù)對高豐度mRNA具有明顯的傾向性，不管用多少個10mer引物，標準的差顯技術(shù)并不能有效顯示細胞中的大量mRNA。

第80頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一一、多重PCR(multiplexPCR)：在一個反應體系中使用一對以上引物的PCR稱為多重PCR。其結(jié)果是產(chǎn)生多個PCR產(chǎn)物，用于檢測特定基因序列的存在或缺失，也可用于多種病原微生物的同時檢測或鑒定和病原微生物，某些遺傳病及癌基因的分型鑒定。

電泳引物第五節(jié)PCR產(chǎn)生的DNA指紋第81頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一二、隨機擴增多態(tài)性DNA(randomamplifiedpolymorphicDNA,RAPD)：在高等真核生物龐大基因組背景下，引物長度縮短到一定程度以后，單一引物就可以擴增出多個PCR產(chǎn)物。RAPD引物一般為10-11nt。它的應用是基于這樣的一個推理：對于不同模板DNA，用同一引物擴增既可能得到相同的帶譜（模板基因組間可能具有同源性），也可能得到不同的帶譜。僅在某一特定模板中出現(xiàn)的條帶就可作為該模板的分子標記。事實上，不同基因組DNA總是一定差異的，所以用RAPD就可以進行分子標記研究。理論上講，在一定的擴增條件下，擴增的條帶數(shù)取決于基因組的復雜性。對特定的引物，復雜性越高的基因組所產(chǎn)生的擴增條帶數(shù)也越多。第82頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第83頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第84頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一RAPD技術(shù)目前運用相當廣泛，幾乎滲透于整個基因組研究的各個方面，這與它所具有的眾多優(yōu)勢是分不開的。①無需專門設計RAPD擴增反應引物，也無須預先知道被研究生物基因組的核苷酸序列，引物可隨機合成和隨機選定，長度一般為9-10個核苷酸；②每個RAPD反應中，僅加單個引物，就可通過引物和模板DNA隨機配對實現(xiàn)擴增，擴增無特異性；③退火溫度低，一般為36℃，這樣的溫度能保證核苷酸引物與模板的穩(wěn)定結(jié)合，同時允許適當?shù)腻e誤配對，以擴大引物在基因組DNA中配對的隨機性，使RAPD有較高的檢出率；④RAPD技術(shù)簡便易行、省時省力。RAPD易于程序化，利用一套隨機引物可得到大量的分子標記，并可借助于計算機系統(tǒng)進行分析；⑤RAPD分析所需的DNA樣品量極少，這對于生物早期取樣鑒定或在DNA受限制的情況下是十分有利的。第85頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一RAPD的缺點：

(1)RADP圖譜中某些弱帶重復性較差，而且目前該法在引物長度和序列及應用的引物數(shù)目、擴增反應條件等實驗技術(shù)方面未標準化，影響了不同條件下結(jié)果的可比性；(2)每個標記含有的信息量小；(3)有假陽性或假陰性結(jié)果；(4)顯性標記，無法區(qū)分從一個位點擴增的DNA片段是純合的還是雜合的，無法進行等位基因分析；(5)用在種以上類群間的比較時無法得到可靠的遺傳距離。第86頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一三、擴增片段長度多態(tài)性(amplifiedfragmentpolymorphism,AFLP)：將高等真核生物基因組DNA酶切，連接接頭，然后進行選擇性PCR擴增?；驹恚夯蚪MDNA經(jīng)限制性內(nèi)切酶酶切后，產(chǎn)生分子量大小不同的限制性片段。使用特定的雙鏈接頭與酶切DNA片段連接作為擴增反應的模板，用含有選擇性堿基的引物對模板DNA進行擴增，選擇性堿基的種類、數(shù)目和順序決定了擴增片段的特殊性，只有那些限制性位點側(cè)翼的核苷酸與引物的選擇性堿基相匹配的限制性片段才可被擴增。擴增產(chǎn)物經(jīng)放射性同位素標記、聚丙烯酰胺凝膠電泳分離，然后根據(jù)凝膠上DNA指紋的有無來檢驗多態(tài)性。引物由三部分組成：①核心堿基序列，該序列與人工接頭互補；②限制性內(nèi)切酶識別序列；③引物3’端的選擇堿基。選擇堿基延伸到酶切片段區(qū)，這樣只有那些兩端序列能與選擇堿基配對的限制性酶切片段被擴增。AFLP技術(shù)包括三個主要內(nèi)容：①模板的制備；②片段的擴增；③聚丙烯酰胺變性膠電泳分離檢測。第87頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一被擴增的DNA限制性酶切片段由二個限制性內(nèi)切酶產(chǎn)生，一個為酶切位點較少的限制性酶（如EcoRI），另一個為多酶切位點的限制酶（如MseI）。采用雙酶切的原因：

①多位點酶切產(chǎn)生小的DNA片段，這些片段易被擴增且片段長短適宜在變性膠上分離；②切點數(shù)少的酶可減少擴增片段的數(shù)目。由于擴增片段是由多切點酶和切點數(shù)較少的酶酶切后產(chǎn)生酶切片段，這樣就可選擇擴增時所需的選擇堿基數(shù)目限制在一定的范圍內(nèi)；③利用雙酶切使對PCR產(chǎn)物的單鏈進行標記成為可能，從而防止膠上由于擴增片段雙鏈遷移率不一致而造成的雙帶現(xiàn)象（doublets）；④雙酶切可以對擴增片段的數(shù)目進行靈活調(diào)節(jié)；⑤通過少數(shù)引物可產(chǎn)生許多不同的引物組合，從而產(chǎn)生大量的不同的AFLP指紋。第88頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第89頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一第90頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一AFLP技術(shù)主要特點：（1）分析所需DNA量少，僅需0.5μg。（2）可重復性好。誤差小于0.6%。（3）多態(tài)性強。AFLP分析可以通過改變限制性內(nèi)切酶和選擇性堿基的種類與數(shù)目,來調(diào)節(jié)擴增的條帶數(shù),具有較強的多態(tài)分辨能力。（4）分辨率高。（5）樣品適用性廣。AFLP技術(shù)適用于任何來源和各種復雜度的DNA。（6）穩(wěn)定的遺傳性。AFLP標記在后代中的遺傳和分離中符合Mendel