PCR技术的种类及应用资料

PCR技术的发展及应用

平骏 14112822276摘要：聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction, PCR）是1985年由美国PE- Cetus 公司的科学家Kary Banks Mullis发明的一种可在体外快速扩增特定基因或DNA序列的技术。经历了近30年的技术发展，现如今PCR技术在生命科学研究以及相关的很多领域都得到广泛的应用。本文主要对PCR的基本原理、反应组份作简要的介绍；同时也对在PCR基础上发展起来的相关技术作简要综述。

关键词：PCR技术；PCR原理；PCR新技术

对核酸的研究己有100多年的历史，20世纪70年代初人们就致力于研究基因的体外分离技术，Korana于1971年最早提出核酸体外扩增的设想，该设想在1985年被Mullis等人实现，他们发明了具有划时代意义的聚合酶链反应[6]。这项新技术是根据生物体内DNA序列能进行快速复制的特点，实现在体外对特定DNA序列进行快速扩增，可在短时间内从试管中获得数百万个特异DNA序列拷贝。PCR技术操作简便、结果可靠，被世界各国广泛应用于医学、农业、考古学等各个领域的基因研究和分析，对分子生物学的发展产生了深远的影响[18]。发明人Kary Banks Mulis也因此荣获了1994年的诺贝尔化学奖。

1、PCR 技术的原理[1,2]

PCR技术是模拟细胞内DNA的天然复制过程，DNA 聚合酶以单链DNA为模板，借助一小段双链DNA 来启动合成，通过一个或两个人工合成的寡核苷酸引物与单链DNA 模板中的一段互补序列结合，形成部分双链。在适宜的温度和环境下，DNA 聚合酶将脱氧单核苷酸加到引物3，- OH 末端，并以此为起始点，沿模板5，→3，方向延伸，合成一条新的DNA互补链。简言之，其基本原理包括3个基本反应过程：变性→退火→延伸。PCR 反应的基本成分包括：模板DNA( 待扩增DNA )、引物、4种脱氧核苷酸( dNTPs)、DNA 聚合酶和适宜的缓冲液。每一循环中所合成的新链，又都可作为下一循环中的模板。PCR 合成的特定的DNA序列产量随着循环次数呈指数增加，每完成一次循环需2-4min，2-3h就能将目的基因扩增，从而达到迅速大量扩增的目的。

2、PCR技术的反应组份

2.1 模板DNA

PCR反应的模板可以是单链DNA也可以是双链DNA，可以是基因组DNA 或cDNA，

mRNA 也能作为PCR的模板，只需用逆转录酶把mRNA 逆转录为cDNA即可。模板量的多少及其纯度的高低，是PCR成败与否的关键因素之一[6]。由于PCR反应的特异性由寡聚核苷酸引物决定, 模板DNA不需要高度纯化，但应避免任何蛋白酶、核酸酶、DNA聚合酶抑制剂、能结合DNA的蛋白质及多糖类物质的污染[18]。PCR所需模板DNA的量极微(通常在纳克级范围内)，通常适宜的模板DNA浓度为30-50ng，不到1纳克的基因组DNA序列就足以用来进行PCR分析，甚至用1个DNA分子就能扩增出特定的DNA 序列。

A-变性；B-退火；C-延伸

图1 PCR原理（摘自邓小红等, 2007）

2.2 引物

引物是PCR特异性反应的关键，PCR引物是一段与待扩增DNA序列互补的寡核苷酸片段，长度大多为10-30个碱基。一般情况下，一对引物包含5，端与正义链互补的寡核苷酸片段和3，端与反义链互补的寡核苷酸片段，这两个寡核苷酸片段在模板DNA 上的结合位置之间的距离决定PCR 扩增片段的长度。PCR 反应成功的关键是设计最佳的引物。引物设计的先决条件是与引物结合的靶DNA 序列必须是已知的，设计引物时尽可能的选择碱基随机分布的序列，尽量避免多嘌呤、多聚嘧啶或其他异常序列。避免引物自身形成发夹结构等二级结构，尤其是两个引物之间不应存在互补序列，尤其是在引物的3，末端，即使无法避免，其3，端的互补碱基也不能多于2个，以减少“引物二聚体”的形成。否则会影

响靶DNA序列的扩增。在合成新链时，DNA聚合酶将单核苷酸添加到引物的3，末端，因此引物3，端的5- 6 个碱基与靶DNA 片段的配对必须精确、严格。两个引物中G+ C碱基对的百分比( G+ C%)应尽量相似，若待扩增序列中GC 含量已知时，引物的GC 含量则应与其类似。一般情况下，设计引物时，G+ C 碱基对含量以40% - 60%为佳，解链温度( melting temperature,Tm) 应高于55℃。

2.3 DNA聚合酶

最初的DNA聚合酶是从大肠杆菌中提取得到的DNA聚合酶I的Klenow片段。该片段具有DNA聚合酶活性和3，-5，的外切核酸酶活性，能识别和消除错配的引物末端，以校正复制过程中错配的核苷酸。但是它有一个缺点，即Klenow 片段对热很敏感，DNA的变性温度就可以使酶失去活性，因此在PCR的变性步骤之后都必须重新添加聚合酶，否则实验无法继续进行，这样增加了PCR操作的繁琐程度，而且反应效率低，成本增加。后来，在美国黄石国家公园的温泉中发现了嗜热菌-水生栖热菌(Thermus aquatics, Taq)，从中分离提取出了一种DNA聚合酶。由于这些聚合酶具有95℃以上的耐热性，只要在PCR反应开始时加一次聚合酶，就能在整个PCR循环中保持酶活性，大大简化了PCR操作程序，提高了PCR扩增效率，从而使PCR 技术得到了进一步完善。目前，Taq DNA 聚合酶在PCR反应中广为应用。

2.4 dNTPs

dNTPs ( dATP、dCTP、dGTP和dTTP ) 是PCR反应中靶DNA序列扩增的原料。dNT P 在温度较高时容易失活，因此需要在- 20 ℃下冰冻保存，以保证dNTP的质量。在PCR 反应中，dNTP浓度以50-200μmol/L为宜，但是也不能低于10- 15μmol/L。dNTP浓度过高易引起非特异性PCR产物，还会抑制Taq 酶的活性；浓度过低则会影响扩增产量。尤其重要的是4种dNTP的体积浓度要相等，否则就会引起错配。

2.5 M g2+缓冲液

PCR反应的标准缓冲液通常含有10mmol/L Tri-s HCl (pH8.3)，50mmol/L KCl和1.5mmol/ L MgCl2。PCR反应体系中Mg2+的浓度非常的重要，当各种dNTP浓度为200μmol/L时，M g2+浓度为1. 5-2. 0mmol/L时为宜。当M g2 +浓度过高时，会使反应特异性降低，出现非特异扩增；当浓度过低时会使Taq DNA聚合酶的活性降低，使反应产物减少。同时，Mg2+的有效浓度受到高浓度的螯合剂、高浓度的带负电荷离子基团的影响，比如EDT A、磷酸根等。它们可与Mg2+结合从而降低Mg2+的有效浓度。因此，每当首次使用靶序列、引物、dNTP(含磷酸根)的新组合时，都要将Mg2+浓度调至最佳。通常的方法是设置一组反应实验，每一反

应的Tri-s HCl (10mmol/ L)和KCl (50mmol/ L)浓度相同，MgCl2浓度不同( 0.05- 5mmol/ L，每次增加0.5mmol/ L ) ，反应结束后，通过琼脂糖凝胶电泳或聚丙烯酰胺凝胶电泳来比较各反应扩增产物的量，从中选出最佳的Mg2+浓度。

3、PCR相关技术的发展

3.1 PCR芯片

传统的PCR扩增仪的缺点是体积大，因此所需的样品量大，热容量也大，降低了反应效率。随着微电子机械系统（microelectromechanical system, MEMS）技术的发展，wilding 于1994年首次成功的在硅芯片上完成了PCR扩增反应。PCR芯片的原理是把硅制薄片的反应器代替传统的塑料小管用于PCR反应，构成了一次性PCR芯片[4]。. 与传统PCR仪相比，PCR微芯片具有体积更小，反应速度加快、操作更加简便、价格低、样品使用量少、节省试验成本、集成化、结果可靠等优点。芯片表面的化学材料的特性对PCR的成功起到关键的作用。没有经过表面处理过的裸露的以及一些硅相关的材料对PCR扩增反应起抑制作用[24]。目前通常使用的方法是对芯片中的微反应池/通道的内表面进行钝化处理[4]，比如对反应接触面进行硅烷化及多聚物处理，或者在芯片表面添加一层二氧化硅以消除芯片表面对PCR的影响[12]。

利用微电子机械系统（MEMS）技术不仅可以制作PCR芯片，实现DNA片段的迅速扩增，而且可将整个分子生物学的实验过程包括采样、稀释、抽提、进样、扩增、分离、检测等集成在微芯片上，实现分析系统从样品处理到检测的整体微型化、集成化与便携化，并最终实现微全分析系统(Micro Total Analysis System，μ-TAS)或称为芯片实验室(Lab On Chip)。

PCR芯片实质上就是在固相载体上固定与研究对象相关的许多已知基因的引物阵列，并且用于PCR检测，其制作时最关键的是目的基因的引物设计[17]。基于芯片的PCR技术主要有两种模式：一种是试剂在温度循环变化的管道区间中连续流动实现PCR扩增，称为连续流动PCR微芯片；另一种是试剂不动，而芯片腔体的温度迅速循环变化实现PCR扩增，称为PCR微池芯片。前一种方式容易实现集成化，后一种方式的反应速度要比前一种快。

根据不同的需要，可将不同的PCR技术与芯片结合，如利用微加工技术制备的微型PCR 芯片[5]、实时定量PCR芯片[9]、荧光定量PCR芯片[17]等。

3.2 固相PCR

所谓固相PCR，就是将特定引物寡核苷酸通过不同的方法共价固定到固相支持物上来扩增目标DNA。固相支持物有琼脂糖小珠、乳胶小珠、聚丙烯酰胺小珠、普通玻片、磁珠、硅片等。在固相支持物上固定核酸的方法有两种，1）将核酸的末端修饰上氨基，比如利用氨基与甲苯磺酰基或肼基的反应来固定核酸；2）将核酸的末端磷酸化修饰，再通过磷酸基团与其他功能基团结合将核酸固定在固相支持物表面。容易分离纯化PCR产物是固相PCR 的主要优点。例如用琼脂糖小珠固定引物与RT-PCR相结合, 就能很方便地构建cDNA文库[12]。

图2 桥式固相PCR原理（摘自陶生策等, 2001）

3.3 电子PCR

电子PCR( Electronic PCR, e-PCR)是一种新概念，主要是用于基因组作图[12]。现在已经成为常用的核苷酸序列电子分析工具，它在DNA 片段的染色体定位、基因组测序、基因组辅助作图、PCR引物辅助设计和基因克隆等方面都发挥着重要的作用[20]。

电子PCR技术是利用生物信息学数据库作为平台，借助相应的分析运算软件，搜索要查询的DNA序列( query sequence) 是否含有序列标记位点( Sequence Tagged Sit, STS)，并且根据序列标记位点（STS）在已知基因组图谱的位置将所查询的DNA 序列在基因组图谱上进行定位[21]。它的原理与BLAST相似，但是BLAST是将所查询序列与数据库中序列的全长进行比对，而电子PCR是将所查询序列与数据库中STS序列两端的PCR引物序列进行比对。从一定意义上说，电子PCR 是一种不需要具体实验操作的，并且借助于某些生物信

息数据和专用分析软件在计算机上进行的PCR技术，而BLAST是类似于电子杂交技术。

3.4 简并PCR

简并PCR是于20世纪90年代初建立起来的用于细胞遗传学中特异扩增DNA的技术，它根据密码子存在的简并性设计寡核苷酸引物，并进行聚合酶链式反应，由于该PCR反应不需要知道要扩增DNA片段的核苷酸序列，所以该技术在很多领域都得到广泛的应用。

PCR最初是为了扩增已知序列设计的，简并PCR技术能扩增未知的序列。当待研究的基因序列不明，仅仅知其一部分蛋白质的氨基酸序列，可根据已知氨基酸序列合成一组简并引物，进行PCR扩增，对基因家族中的未知基因进行分离[15]。

要成功的进行简并PCR的关键是设计好两组引物库和对反应条件进行优化[10]。简并PCR技术是寻找和发现”新”基因和蛋白质家族新成员的一种非常有用的工具[15]。

3.5 等位基因特异PCR技术

等位基因特异PCR( Allele specific PCR, AS-PCR)的基本原理：根据SNP 位点设计特异性引物，其中一条链(特异链)的3，末端与SNP位点的碱基互补或相同，另一条链(普通链) 按常规方法进行设计，因此，AS-PCR技术是一种基于SNP的PCR标记。因为特异引物在一种基因型中有扩增产物，而在另一种基因型中没有扩增产物，用凝胶电泳可以很容易地分辨出是否有扩增产物，从而确定基因型的SNP。

图3 AS-PCR技术原理（摘自陈吉宝等. 2005）

3.6 原位PCR

原位PCR ( In situ polymerase Chain reaction) 就是将PCR技术的高效扩增和原位杂交的细胞定位结合起来，从而在组织细胞中原位检测单拷贝或低拷贝的特定的DNA或RNA序列。

虽然PCR的扩增产物可以利用凝胶电泳或Southern印记杂交来显示结果，PC R对很多细胞的靶序列进行分析时，需要破碎细胞或组织，并且分离出核酸，因此不能将扩增结果直接在组织中定位，所以不能确定靶序列所在的细胞和细胞的类型，这是PC R技术的一个明显的局限性。1990年，H aase等首次将PCR技术和原位杂交技术相结合的方法检测了羊绒毛膜络丛细胞中的绵羊脱髓鞘脑炎病毒[4]。

IS-PCR技术成功0地将PCR技术和原位杂交技术结合起来，既可以定位靶序列在细胞或组织中的位置，又可以快速、灵敏、特异性的检测样品。原位PCR技术的待检样本一般要先进行化学固定，以保持良好的组织或细胞的形态结构。细胞质膜和核膜均具有一定的通透性，当进行PCR扩增时，引物，DNA聚合酶，核苷酸等均可进入细胞内或细胞核内，以固定在细胞内或细胞核内的DNA或RNA为模板，进行原位扩增。扩增的产物一般分子较大，也可能互相交织，不易穿过细胞膜，或者在膜内外弥散而被保留在原位。原有的细胞内单拷贝或低拷贝的特定DNA或RNA序列在原位呈指数级扩增，利用原位杂交技术可以很容易的检测到扩增产物[6]。

3.7 反转录PCR

反转录PCR( Reversed Transcript PCR, RT - PCR )，也叫做逆转录PCR，是一种将cDNA 合成与PCR技术结合，快速灵敏的分析基因表达的方法，其原理是提取组织或者细胞中的总RNA，以其中的mRNA为模板，反转录所有mRNA，合成cDNA，再以cDNA 为模板进行PCR扩增[13]。反转录PCR主要用于对表达信息进行检测或定量分析，可用于测定目的基因表达的强度。RT-PCR使RNA检测的灵敏性提高了几个数量级，使对极为微量RNA样品的分析成为可能[6,13]。

图4 反转录PCR原理 (摘自邓小红等, 2007)

3.8 实时荧光定量PCR

实时荧光定量PCR( realtime flurescent quantitive polymerase chain reaction, FQ- PCR) 技术于1996年由美国Applied Biosystes公司推出[23]，FQ- PCR是基于荧光能量传递技术，在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整PCR进程，受体荧光染料发射出的荧光信号强度与DNA产量成正比，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法[23,7,3]。它是PCR技术与核酸探针技术、荧光共振能量传递技术的有机结合，而荧光探针是荧光定量PCR的核心。荧光定量PCR具有特异性强、重复性好、灵敏度高、速度快、定量准确、全封闭反应等特点，是对PCR技术的革新，该技术在分子生物学研究、分子诊断、动植物检疫和食品安全检测等方面有广泛的应用，扩大了PCR的应用范围[3,7]。

按照荧光产生的原理，可将FQ-PCR分为非特异性DNA结合染料法和探针法。探针法又可分为水解探针法（Taq Man探针）、分子信标、双杂交探针和复合探针法。

图5 荧光定量PCR原理 (摘自邓小红等, 2007)

3.9 其他类型的PCR技术

名称原理

巢式PCR[13]用两套引物进行扩增的PCR技术，用内外两

对引物先后扩增靶基因片段。

多重PCR( multiplex PCR)[1,12,13]在一个反应管中使用多套引物，针对多个

DNA模板或同一模板的不同区域进行扩增

的过程即为多重PCR。

免疫PCR[4,13] 用DNA分子作为标记物，在做一般的免疫反

应的同时进行PCR扩增。使Taq DNA聚合

酶只在样品温度超过至少70℃时才发挥作用

的PCR。

菌落PCR技术[16]跳过DNA抽提这一步，而直接以菌体热、冻

解后暴露的DNA为模板进行PCR 扩增。数字PCR技术[8] 数字PCR技术是在扩增结束后对每个反应单

元的荧光信号进行采集，通过直接计数或泊

松分布公式计算得到样品的原始浓度或含

量。

单细胞PCR[6] 单细胞PCR是以一个细胞所含的DNA 或

RNA为模板的PCR。

4 讨论

PCR 技术是生物工程技术与现代分子生物学的核心，了解和掌握PCR技术是进行分子生物学实验的基础。了解PCR的反应原理及操作方法并不难，但由于研究目的、技术要求等的不同，各实验室一定要根据实际情况选择适合自身研究的PCR技术。

随着科技的不断发展更新，许多研究者对PCR技术进行研究和改进，使PCR技术得到了飞速发展，在PCR基础上诞生了很多新技术，如荧光定量PCR、RT-PCR、原位PCR、单细胞PCR、多重PCR等。这些技术相互融合，为生命科学领域的研究提供了更加方便的研究方法，同时为深入开展科学研究提供了高质量的技术保障，也为公共卫生事业的检测提供了方便。

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PCR技术的种类及应用

PCR技术的发展及应用 平骏 14112822276摘要：聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction, PCR）是1985年由美国PE- Cetus 公司的科学家Kary Banks Mullis发明的一种可在体外快速扩增特定基因或DNA序列的技术。经历了近30年的技术发展，现如今PCR技术在生命科学研究以及相关的很多领域都得到广泛的应用。本文主要对PCR的基本原理、反应组份作简要的介绍；同时也对在PCR基础上发展起来的相关技术作简要综述。 关键词：PCR技术；PCR原理；PCR新技术 对核酸的研究己有100多年的历史，20世纪70年代初人们就致力于研究基因的体外分离技术，Korana于1971年最早提出核酸体外扩增的设想，该设想在1985年被Mullis等人实现，他们发明了具有划时代意义的聚合酶链反应[6]。这项新技术是根据生物体内DNA序列能进行快速复制的特点，实现在体外对特定DNA序列进行快速扩增，可在短时间内从试管中获得数百万个特异DNA序列拷贝。PCR技术操作简便、结果可靠，被世界各国广泛应用于医学、农业、考古学等各个领域的基因研究和分析，对分子生物学的发展产生了深远的影响[18]。发明人Kary Banks Mulis也因此荣获了1994年的诺贝尔化学奖。 1、PCR 技术的原理[1,2] PCR技术是模拟细胞内DNA的天然复制过程，DNA 聚合酶以单链DNA为模板，借助一小段双链DNA 来启动合成，通过一个或两个人工合成的寡核苷酸引物与单链DNA 模板中的一段互补序列结合，形成部分双链。在适宜的温度和环境下，DNA 聚合酶将脱氧单核苷酸加到引物3，- OH 末端，并以此为起始点，沿模板5，→3，方向延伸，合成一条新的DNA互补链。简言之，其基本原理包括3个基本反应过程：变性→退火→延伸。PCR 反应的基本成分包括：模板DNA( 待扩增DNA )、引物、4种脱氧核苷酸( dNTPs)、DNA 聚合酶和适宜的缓冲液。每一循环中所合成的新链，又都可作为下一循环中的模板。PCR 合成的特定的DNA序列产量随着循环次数呈指数增加，每完成一次循环需2-4min，2-3h就能将目的基因扩增，从而达到迅速大量扩增的目的。 2、PCR技术的反应组份 2.1 模板DNA PCR反应的模板可以是单链DNA也可以是双链DNA，可以是基因组DNA 或cDNA，

PCR 技术的种类及其应用

PCR 技术的种类及其应用 1PCR 技术的基本原理 PCR技术是在模板DNA、引物和四种dNTP等存在的条件下, 依赖于DNA聚合酶(T aq酶)的酶促合成反应。其具体反应分三步：变性、退火、聚合。以上三步为一个循环，每一循环的产物DNA又可以作为下一个循环模板，数小时后，介于两个引物之间的目的DNA得到了大量的复制，经25～30次循环DNA数量可达2×106～7拷贝数。2PCR技术的种类 2.1反向PCR( Inverse PCR, IPCR)技术 原理：反向PCR是克隆已知序列旁侧序列的一种方法．主要原理是用一种在已知序列中无切点的限制性内切酶消化基因组I)NA．后酶切片段自身环化．以环化的DNA 作为模板，用一对与已知序列两端特异性结合的引物，扩增夹在中间的未知序列。该扩增产物是线性的DNA片段，大小取决于上述限制性内切酶在已知基闲侧翼DNA 序列内部的酶切位点分布情况。用不同的限制性内切酶消化，可以得到大小不同的模板DNA，再通过反向PCR获得未知片段。 该方法的不足是：①需要从许多酶中选择限制酶，或者说必须选择一种合适的酶进行酶切才能得到合理大小的DNA片段。这种选择不能在非酶切位点切断靶DNA。②大多数有核基因组含有大量中度和高度重复序列，而在YAC或Cosmid 中的未知功能序列中有时也会有这些序列，这样，通过反向PCR得到的探针就有可能与多个基因序列杂交。 2.2锚定PCR(Anchored PCR, APCR)技术 用酶法在一通用引物反转录cDNA3’-末端加上一段已知序列, 然后以此序列为引物结合位点对该cDNA进行扩增, 称为APCR。 应用：它可用于扩增未知或全知序列, 如未知cDNA的制备及低丰度cDNA文库的构建。 2.3不对称PCR(asymmetric PCR)技术 两种引物浓度比例相差较大的PCR技术称不对称PCR。在扩增循环中引入不同的引物浓度, 常用50～100÷1比例。在最初的10～15个循环中主要产物还是双链DNA, 但