備課素材（知識(shí)點(diǎn)）：影響PCR的主要因素 高中生物學(xué)選擇性必修三

影響PCR的主要因素先看一道試題：PCR可以特異性地快速擴(kuò)增目的基因，成功的擴(kuò)增應(yīng)該產(chǎn)生與目的基因大小一致的擴(kuò)增產(chǎn)物，不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鲿?huì)導(dǎo)致無擴(kuò)增產(chǎn)物或出現(xiàn)非目的基因擴(kuò)增產(chǎn)物。下列說法正確的是（）A.若PCR反應(yīng)緩沖溶液中未加入Mg2+，則結(jié)果可能不會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)增產(chǎn)物B.若模板DNA中含有抑制耐高溫的DNA聚合酶活性的雜蛋白，則結(jié)果可能不會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)增產(chǎn)物C.若引物與非目的序列發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)，則結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)非目的序列擴(kuò)增產(chǎn)物D.若引物間發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)，則結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)非目的序列擴(kuò)增產(chǎn)物解析：A、Mg2+濃度對(duì)PCR擴(kuò)增效率影響很大，濃度過高可降低PCR擴(kuò)增的特異性，濃度過低則影響PCR擴(kuò)增產(chǎn)量甚至使PCR擴(kuò)增失敗而不出擴(kuò)增條帶，A正確；B、若模板DNA中含有抑制耐高溫的DNA聚合酶活性的雜蛋白，則可能會(huì)抑制PCR反應(yīng)中的延伸步驟，導(dǎo)致結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)增產(chǎn)物，B正確；C、若引物與非目的序列發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)，則會(huì)使弓|物與模板結(jié)合位置錯(cuò)誤，導(dǎo)致擴(kuò)增片段錯(cuò)誤出現(xiàn)非目的序列擴(kuò)增產(chǎn)物，C正確；D、若引物間發(fā)生堿基互補(bǔ)配對(duì)，則結(jié)果可能不出現(xiàn)擴(kuò)增產(chǎn)物或產(chǎn)物減少，D錯(cuò)誤。故選：ABC。這道試題考查PCR的影響因素。那么，影響PCR的主要因素有哪些？PCR技術(shù)必須有人工合成的合理引物和提取的樣品DNA，然后才進(jìn)行自動(dòng)熱循環(huán)，最后進(jìn)行產(chǎn)物鑒定與分析。引物設(shè)計(jì)與合成目前只能在少數(shù)技術(shù)力量較強(qiáng)的研究院、所進(jìn)行，臨床應(yīng)用只需購(gòu)買PCR檢測(cè)試劑盒就可開展工作，PCR自動(dòng)熱循環(huán)中影響因素很多，對(duì)不同的DNA樣品，PCR反應(yīng)中各種成份加入量和溫度循環(huán)參數(shù)均不一致?，F(xiàn)將幾種主要影響因素介紹如下。一、溫度循環(huán)參數(shù)在PCR自動(dòng)熱循環(huán)中，最關(guān)鍵的因素是變性與退火的溫度。如操作范例所示，其變性、退火、延伸的條件是：94℃60s,37℃60s,72℃120s，共25～30個(gè)循環(huán)，擴(kuò)增片段500bp。在這里，每一步的時(shí)間應(yīng)從反應(yīng)混合液達(dá)到所要求的溫度后開始計(jì)算。在自動(dòng)熱循環(huán)儀內(nèi)由混合液原溫度變至所要求溫度的時(shí)間需要30～60s，這一遲滯時(shí)間的長(zhǎng)短取決于幾個(gè)因素，包括反應(yīng)管類型、壁厚、反應(yīng)混合液體積、熱源（水浴或加熱塊）以及兩步驟間的溫度差，在設(shè)置熱循環(huán)時(shí)應(yīng)充分給以重視和考慮，對(duì)每一儀器均應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)。關(guān)于熱循環(huán)時(shí)間的另一個(gè)重要考慮是兩條引物之間的距離；距離越遠(yuǎn)，合成靶序列全長(zhǎng)所需的時(shí)間也越長(zhǎng)，前文給出的反應(yīng)時(shí)間是按最適于合成長(zhǎng)度500bp的靶序列擬定的。下面就各種溫度的選擇作一介紹。1．模板變性溫度變性溫度是決定PCR反應(yīng)中雙鏈DNA解鏈的溫度，達(dá)不到變性溫度就不會(huì)產(chǎn)生單鏈DNA模板，PCR也就不會(huì)啟動(dòng)。變性溫度低則變性不完全，DNA雙鏈會(huì)很快復(fù)性，因而減少產(chǎn)量。一般取90～95℃。樣品一旦到達(dá)此溫度宜迅速冷卻到退火溫度。DNA變性只需要幾秒種，時(shí)間過久沒有必要；反之，在高溫時(shí)間應(yīng)盡量縮短，以保持TaqDNA聚合酶的活力，加入TaqDNA聚合酶后最高變性溫度不宜超過95℃。2．引物退火溫度退火溫度決定PCR特異性與產(chǎn)量；溫度高特異性強(qiáng)，但過高則引物不能與模板牢固結(jié)合，DNA擴(kuò)增效率下降；溫度低產(chǎn)量高，但過低可造成引物與模板錯(cuò)配，非特異性產(chǎn)物增加。一般先由37℃反應(yīng)條件開始，設(shè)置一系列對(duì)照反應(yīng)，以確定某一特定反應(yīng)的最適退火溫度。也可根據(jù)引物的（G+C）%含量進(jìn)行推測(cè)，把握試驗(yàn)的起始點(diǎn)，一般試驗(yàn)中退火溫度Ta(annealingtemperature)比擴(kuò)增引物的融解溫度TTm(meltingtemperature)低5℃，可按公式進(jìn)行計(jì)算：Ta=Tm-5℃=4(G+C)+2(A+T)-5℃其中A，T，G，C分別表示相應(yīng)堿基的個(gè)數(shù)。例如，20個(gè)堿基的引物，如果（G+C）%含量為50%時(shí)，則Ta的起點(diǎn)可設(shè)在55℃。在典型的引物濃度時(shí)（如0.2μmol/L）,退火反應(yīng)數(shù)秒即可完成，長(zhǎng)時(shí)間退火沒有必要。3．引物延伸溫度溫度的選擇取決于TaqDNA聚合酶的最適溫度。一般取70～75℃，在72℃時(shí)酶催化核苷酸的標(biāo)準(zhǔn)速率可達(dá)35～100個(gè)核苷酸/秒。每分鐘可延伸1kb的長(zhǎng)度，其速度取決于緩沖溶液的組成、pH值、鹽濃度與DNA模板的性質(zhì)。擴(kuò)增片段如短于150bp，則可省略延伸這一步，而成為雙溫循環(huán)，因TaqDNA聚合酶在退火溫度下足以完成短序列的合成。對(duì)于100～300bp之間的短序列片段，采用快速、簡(jiǎn)便的雙溫循環(huán)是行之有效的。此時(shí)，引物延伸溫度與退火溫度相同。對(duì)于1kb以上的DNA片段，可根據(jù)片段長(zhǎng)度將延伸時(shí)間控制在1～7min，與此同時(shí)，在PCR緩沖液中需加入明膠或BSA試劑，使TaqDNA聚合酶在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好的活性與穩(wěn)定性；15%～20%的甘油有助于擴(kuò)增2.5kb左右或較長(zhǎng)DNA片段。4．循環(huán)次數(shù)常規(guī)PCR一般為25～40個(gè)周期。一般的錯(cuò)誤是循環(huán)次數(shù)過多，非特異性背景嚴(yán)重，復(fù)雜度增加。當(dāng)然循環(huán)反應(yīng)的次數(shù)太少，則產(chǎn)率偏低。所以，在保證產(chǎn)物得率前提下，應(yīng)盡量減少循環(huán)次數(shù)。擴(kuò)增結(jié)束后，樣品冷卻并置4℃保存。二、引物引物設(shè)計(jì)要擴(kuò)增模板DNA，首先要設(shè)計(jì)兩條寡核苷酸引物，所謂引物，實(shí)際上就是兩段與待擴(kuò)增靶DNA序列互補(bǔ)的寡核苷酸片段，兩引物間距離決定擴(kuò)增片段的長(zhǎng)度，兩引物的5’端決定擴(kuò)增產(chǎn)物的兩個(gè)5’末端位置。由此可見，引物是決定PCR擴(kuò)增片段長(zhǎng)度、位置和結(jié)果的關(guān)鍵，引物設(shè)計(jì)也就更為重要。引物設(shè)計(jì)的必要條件是與引物互補(bǔ)的靶DNA序列必須是已知的，兩引物之間的序列未必清楚，這兩段已知序列一般為15～20個(gè)堿基，可以用DNA合成儀合成與其對(duì)應(yīng)互補(bǔ)的二條引物，除此之外，引物設(shè)計(jì)一般遵循的原則包括：1．引物長(zhǎng)度根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算，長(zhǎng)約17個(gè)堿基的寡核苷酸序列在人的基因組中可能出現(xiàn)的機(jī)率的為1次。因此，引物長(zhǎng)度一般最低不少于16個(gè)核苷酸，而最高不超過30個(gè)核苷酸，最佳長(zhǎng)度為20～24個(gè)核苷酸。這樣短的寡核苷酸在聚合反應(yīng)溫度（通過72℃）下不會(huì)形成穩(wěn)定的雜合體。有時(shí)可在5’端添加不與模板互補(bǔ)的序列，如限制性酶切位點(diǎn)或啟動(dòng)因子等，以完成基因克隆和其他特殊需要；引物5’端生物素標(biāo)記或熒光標(biāo)記可用于微生物檢測(cè)等各種目的。有時(shí)引物不起作用，理由不明，可移動(dòng)位置來解決。2．（G+C）%含量引物的組成應(yīng)均勻，盡量避免含有相同的堿基多聚體。兩個(gè)引物中（G+C）%含量應(yīng)盡量相似，在已知擴(kuò)增片段（G+C）%含量時(shí)宜接近于待擴(kuò)增片段，一般以40%～60%為佳。3．引物內(nèi)部應(yīng)避免內(nèi)部形成明顯的次級(jí)結(jié)構(gòu)，尤其是發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hairpinstructures）。4．引物之間兩個(gè)引物之間不應(yīng)發(fā)生互補(bǔ)，特別是在引物3’端，即使無法避免，其3’端互補(bǔ)堿基也不應(yīng)大于2個(gè)堿基，否則易生成“引物二聚體”或“引物二倍體”（Primerdimer）。所謂引物二聚體實(shí)質(zhì)上是在DNA聚合酶作用下，一條引物在另一條引物序列上進(jìn)行延伸所形成的與二條引物長(zhǎng)度相近的雙鏈DNA片段，是PCR常見的副產(chǎn)品，有時(shí)甚至成為主要產(chǎn)物。另外，兩條引物之間避免有同源序列，尤為連續(xù)6個(gè)以上相同堿基的寡核苷酸片段，否則兩條引物會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)模板的同一位點(diǎn)；同樣，引物與待擴(kuò)增靶DNA或樣品DNA的其它序列也不能存在6個(gè)以上堿基的同源序列。否則，引物就會(huì)與其它位點(diǎn)結(jié)合，使特異擴(kuò)增減少，非特異擴(kuò)增增加。5．引物3’端配對(duì)DNA聚合酶是在引物3’端添加單核苷酸，所以，引物3’端5～6個(gè)堿基與靶DNA的配對(duì)要求必須精確和嚴(yán)格，這樣才能保證PCR有效擴(kuò)增。引物設(shè)計(jì)是否合理可用PCRDESN軟件和美國(guó)PRIMER軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)檢索來核定。人工合成的寡核苷酸引于最好經(jīng)過色譜（層析）純化或PAGE純化，以除去未能合成至全長(zhǎng)的短鏈等雜質(zhì)。純化引物在25%乙腈溶液中4℃保存可阻止微生物的生長(zhǎng)；一般情況下，不用的引物應(yīng)保存在-20℃冰箱中，在液體中引物能保存6個(gè)月，凍干后可保存1～2年。三、DNA聚合酶早在1956年Kornberg等就從大腸桿菌提取液中發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶，并且得到了DNA聚合酶Ⅰ純品。DNA聚合酶Ⅰ是由分子量為109000的一條多肽鏈構(gòu)成，此酶可被枯草桿菌蛋白酶分解為兩個(gè)片段，一個(gè)片段分子量為76000，有聚合酶活性，并有3’→5外切酶活力，即Klenow片段（Klenowfragment）。另一個(gè)片段分子量為34000，具有5’→’3’外切酶活力。因此，DNA聚合酶具有幾種功能：一是聚合作用，以DNA為模板，將dNTP中的脫氧單核苷酸逐個(gè)加到3-OH末端。二是有’3’→5’外切酶活力，能識(shí)別和消除錯(cuò)配的引物末端，與復(fù)制過程中校正功能有關(guān)。三是5’→3’外切酶活力，它能從5’端水解核苷酸，還能經(jīng)過幾個(gè)核苷酸起作用，切除錯(cuò)配的核苷酸。1985年Mullis等發(fā)明了PCR方法，以Klenow片段完成β-珠蛋白的PCR后，世界上許多實(shí)驗(yàn)室就考慮用耐熱DNA聚合酶代替Klenow片段進(jìn)行PCR，使耐熱多聚酶的研究得以迅速發(fā)展。人們從生活于60℃（B.Stearothermophilus）到87℃（S.Solfatavicus）的許多菌中分離純化出耐熱DNA聚合酶，但有些酶不能耐受DNA變性所需溫度，所以無法應(yīng)用于PCR?，F(xiàn)就PCR反應(yīng)中常用的DNA聚合酶等作一詳細(xì)介紹。1．TaqDNA聚合酶用TaqDNA聚合酶代替大腸桿菌DNA聚合酶Ⅰ的Klenow片段是使PCR普及應(yīng)用的關(guān)鍵。Klenow片段不能耐受95℃的雙鏈DNA變性溫度，所以每次循環(huán)都要加入新酶；而TaqDNA聚合酶可以耐受93～95℃的高溫，避免了不斷補(bǔ)加多聚酶的繁瑣操作，同時(shí)使退火和延伸溫度得以提高，減少了非特異性產(chǎn)物和DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)PCR的干擾，增進(jìn)了PCR特異性、產(chǎn)量和敏感度，二者相比，其主要區(qū)別在于：①Klenow酶的最適溫度為37℃，擴(kuò)增的產(chǎn)物并非全是目的序列，需用探針檢測(cè)。Taq酶則不僅產(chǎn)率高而特異性也高。它的最適溫度為74～75℃。因而使退火溫度可以提高，使退火嚴(yán)格性提高，減少錯(cuò)配引物的延伸。②循環(huán)后期酶量漸感不足而產(chǎn)生平坡。到達(dá)平玻的循環(huán)次數(shù)，Klenow酶為20個(gè)（均用1μg基因組DNA開始）而Taq酶為30個(gè)。③延伸片段長(zhǎng)度Taq酶為10kb以內(nèi)，而Klenow酶為400bp以內(nèi)。Taq酶由水棲高溫菌（Thermusaquatics）YT1蓖株中分離而得。此菌于1969年由Brock分離自美國(guó)黃石公園溫泉，作為棲熱桿菌的標(biāo)準(zhǔn)菌株，其生長(zhǎng)溫度為70～75℃。最初從中分離到分子量60～68KDa，比活性為2000～8000U/mg的DNA聚合酶。后來Cetus公司的KaryMullis等又分離到比活為20萬U/mg的純酶，分子量為93910。此種9.4KDa酶的最適溫度為75～80℃，與單純核苷酸的結(jié)合率（Kcat）可達(dá)150核苷酸（nt）/s酶分子。以M13模板，用富含G+C的30bp引物延伸，70℃時(shí)Kact>60nt/s；55℃可達(dá)24nt/s；37℃時(shí)為1.5nt/s，而22℃時(shí)低至0.25nt/s。高于90℃時(shí)DNA合成活性甚差，這種高溫條件下，引物與模板已不能牢固結(jié)合。在PCR反應(yīng)混合液中，Taq酶于92.5℃,95℃及97.5℃保持其50%活力的時(shí)間分別為130、40及5～6min，在50次循環(huán)的PCR中當(dāng)管內(nèi)最高溫度為95℃。每循環(huán)為20s時(shí)尚可保持65%活力。Taq酶在95℃的半壽期為40min，故在PCR循環(huán)中選用的變性溫度，不宜高于95℃。Taq酶現(xiàn)已可用基因重組的方法生產(chǎn)，商品名為AmpliTaq（Cetus公司）。Taq酶的完整基因長(zhǎng)2499bp，在大腸桿菌中表達(dá)生產(chǎn)，含832個(gè)氨基酸。在氨基酸序列上與大腸桿菌DNA聚合酶Ⅰ有38%是一致的，包括對(duì)dNTP結(jié)合，引物與模板作用區(qū)均存在于Taq酶中。Taq酶具有依賴DNA合成的5’→’3’外切酶活性，因此，模板上有一段退火的3’-磷酸化的“阻斷物”，會(huì)被逐個(gè)切除而不會(huì)阻止來自上游引物鏈的延伸，而對(duì)于5’-32P標(biāo)記的合成寡核苷酸引物，則無論是單鏈或是與模板復(fù)性，都未發(fā)現(xiàn)降解，所以該種活性不會(huì)影響PCR結(jié)果。Taq酶沒有3’→’5’外切酶活性，如果發(fā)生dNTP錯(cuò)誤摻入，這種酶沒有校正能力，因此運(yùn)用Taq酶進(jìn)行PCR，產(chǎn)物中點(diǎn)突變較多，對(duì)克隆等不太有利。一般錯(cuò)摻率為1.25×10-4~1×10-5(4×dNTPs濃度分別為200μmol/L，Mg2+為1.5mmol/L，在55℃退火)。但不含3’→5’外切酶活性對(duì)測(cè)序有利。2．影響酶活力的因素Taq酶的活力受Mg2+離子的影響。用鯡精DNA為模板，總dNTP濃度0.7～0.8mmol/L,Mg2+為2.0mmol/L時(shí)激活能力最高。濃度超過此值產(chǎn)生抑制。10mmol/lMgCl2抑制活力達(dá)40%～50%。dNTP能與Mg2+結(jié)合，故游離Mg2+只是結(jié)合后剩余的量。若總dNTP濃度高至4～6mmol/L時(shí),Taq酶活力要降低20～30%，即底物抑制。dNTP濃度低時(shí)PCR產(chǎn)率及特異性均增高，適合于用擴(kuò)增摻入法標(biāo)記生物素及放射性元素。當(dāng)100μlPCR液中含dNTP各40μmol/L時(shí)就足以合成2.6μg的DNA（dNTP消耗一半）。3．第二代耐熱DNA聚合酶Stoffel片段：Cetus公司的Stoffel將TaqDNA聚合酶的5’→3’外切酶活性片段（N端289個(gè)氨基酸）去除，稱為stoffel片段。其97.5℃的半衰期從TaqDNA聚合酶的5～6min提高到20min，同時(shí)該酶片段也對(duì)兩個(gè)或更多模板位點(diǎn)的擴(kuò)增反應(yīng)即復(fù)合PCR（MultiplexPCR）更為有利。VentTMDNA多聚酶：是美國(guó)NewEnglandBiolabs公司從潛水艇排氣孔（Vent）中分離的超級(jí)嗜熱菌-能生長(zhǎng)于98℃中的Thermococcuslitoralis中分離純化得到的，故名Vent酶。它的一些酶學(xué)性質(zhì)較TaqDNA聚合酶更為優(yōu)越，它能耐100℃高溫且2h以上仍有活力，并且具有3’→5’外切酶活性的校正能力，錯(cuò)誤擴(kuò)增的機(jī)率比Taq酶降低一倍。后來該公司又從深水潛艇（2010m）排氣孔分離的能在104℃生長(zhǎng)的Pyococcus菌GB-D株植入DeepVentDNA聚合酶基因而表達(dá)的DeepVentDNA聚合酶，在95℃的半壽期達(dá)23h（Vent酶為6.7h,Taq酶為1h）。4．RTth逆轉(zhuǎn)錄酶（rTthReverseTranscriptase）目前逆轉(zhuǎn)錄-PCR（RT-PCR）的發(fā)展很快，所以對(duì)耐熱的依賴于RNA的DNA多聚酶的研究也有進(jìn)展。有實(shí)驗(yàn)表明TaqDNA多聚酶有依賴于RNA的DNA聚合酶活性，但活性較弱。Cetus公司于1991年推出一種rTthReverseTran－scriptase,有很好的依賴于RNA的耐熱DNA聚合酶活性和依賴于DNA的耐熱DNA聚合酶活性，二種活性分別依賴于Mn2+Mg2+，這樣就可分別控制酶活性。利用該酶只需250ng的總RNA即可有效地進(jìn)行RT-PCR，得到特異的DNA片段，從而非常有利于逆轉(zhuǎn)錄PCR的發(fā)展。耐熱DNA聚合酶的研究近幾年來得到長(zhǎng)足的發(fā)展，這在PCR發(fā)展中起到了重要的作用。我們相信隨著進(jìn)一步的研究，將使人們對(duì)耐熱DNA聚合酶的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用更進(jìn)一步地發(fā)展。我國(guó)的PCR研究發(fā)展很快，其關(guān)鍵試劑-耐熱DNA聚合酶-也已有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室能夠分離純化，如復(fù)旦大學(xué)遺傳學(xué)研究所、華美公司、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所。后二者的菌株為ThermusaquaticusYT-1。前者則是從自己篩選的嗜熱菌中分離純化，復(fù)旦大學(xué)遺傳所亦已成功地克隆了該聚合酶的基因并獲得了耐熱F4DNA聚合酶，其酶學(xué)性質(zhì)非常接近于TaqDNA聚合酶，為我國(guó)PCR的開展提供了保證。四、影響PCR特異性的因素有許多因素可以影響PCR的特異性，在此我們作一歸納，供大家參考：①退火步驟的嚴(yán)格性：提高退火溫度可以減少不匹配的雜交，從而提高特異性。②減短退火時(shí)間及延伸時(shí)間可以減少錯(cuò)誤引發(fā)及錯(cuò)誤延伸。③引物二聚體是最常見的副產(chǎn)品，降低引物及酶的濃度也可以減少錯(cuò)誤引發(fā)，尤其是引物的二聚化。④改變MgCl2(有時(shí)KCl)濃度可以改進(jìn)特異性，這可能是提高反應(yīng)嚴(yán)格性或者對(duì)Taq酶的直接作用。⑤模板中如果存在次級(jí)結(jié)構(gòu)，例如待擴(kuò)增的片段易自行形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)時(shí)，可在PCR混合物中的4×dNTPs中加入7-脫氮-2’-脫氧鳥苷-5’-三磷酸（7-deaza-2’-deoxyguanosine-5’-trihosphate）(de7GTP)。用de7GTP與dGTP比例為3：1的混合物（150μmol/lde7GTP+50μmo