此酶具有以下特點:
(1)耐高溫,在70℃下反應2小時后其殘留活性在90%以上,在93℃下反應2小時后其殘留活性是仍能保持60%,而在95℃ 下反應2小時后為原來的40%。
(2)在熱變性時不會被鈍化,故不必在擴增反應的每輪循環完成后再加新酶。
(3)一般擴增的PCR產物長度可達2.0 kb,且特異性也較高。
PCR的廣泛應用得益于此酶,目前各試劑公司中開發了多種類型的Taq酶,有用于長片段擴增的酶,擴增長度極端可達40kb;有在常溫條件下即可應用的常溫PCR聚合酶;還有針對不同實驗對象的酶等。
一典型的PCR反應約需的酶量為 2.5u(總反應體積為50ml時),濃度過高可引起非特異性擴增,濃度過低則合成產物量減少。
1.2.3 dNTP的質量與濃度
dNTP
的質量與濃度和PCR擴增效率有密切關系,dNTP粉呈顆粒狀,如保存不當易變性失去生物學活性。dNTP溶液呈酸性,使用時應配成高濃度后,以 1M
NaOH或1M
Tris。HCl的緩沖液將其pH調節到7.0~7.5,小量分裝,-20℃冰凍保存。多次凍融會使dNTP降解。在PCR反應中,dNTP應為50~200mmol/l,尤其是注意4種dNTP的濃度要相等(等摩爾配制),如其中任何一種濃度不同于其它幾種時(偏高或偏低),就會引起錯配。濃度過低又會降低PCR產物的產量。dNTP能與Mg2+結合,使游離的Mg2+濃度降低。
1.2.4 模板(靶基因)核酸
模板核酸的量與純化程度,是PCR成敗與否的關鍵環節之一,傳統的DNA純化方法通常采用SDS和蛋白酶K來消化處理標本。SDS的主要功能是:溶解細胞膜上的脂類與蛋白質,因而溶解膜蛋白而破壞細胞膜,并解離細胞中的核蛋白,SDS還能與蛋白質結合而沉淀;蛋白酶K能水解消化蛋白質,特別是與DNA結合的組蛋白,再用有機溶劑(酚與氯仿抽)抽提除去蛋白質和其它細胞組份,用乙醇或異丙醇沉淀核酸,該核酸即可作為模板用于PCR反應。一般臨床檢測標本,可采用快速簡便的方法溶解細胞,裂解病原體,消化除去染色體的蛋白質使靶基因游離,直接用于PCR擴增。
模板DNA投入量對于細菌基因組DNA一般在1~10ng/ml,實驗中模板濃度常常需要優化,一般可選擇幾個濃度梯度(濃度差以10倍為一個梯度)。在PCR反應中,過高的模板投入量往往會導致PCR實驗的失敗。
1.2.5 Mg 2+濃度
Mg2+對PCR擴增的特異性和產量有顯著的影響,在一般的PCR反應中,各種
dNTP濃度為200mmol/l時,Mg2+濃度為1.5~2.0mmol/l為宜。Mg2+濃度過高,反應特異性降低,出現非特異擴增,濃度過低會降低Taq
DNA聚合酶的活性,使反應產物減少。一般廠商提供的Taq DNA聚合酶均有相應的緩沖液,而Mg2+也已添加,如果特殊實驗應采用無
Mg2+的緩沖液,,在PCR反應體系中添加一定量的Mg2+。
1.3 PCR反應條件
溫度與時間的設置:基于PCR原理三步驟而設置變性-退火-延伸三個溫度點。在標準反應中采用三溫度點法,雙鏈DNA在90~95℃變性,再迅速冷卻至40
~60℃,引物退火并結合到靶序列上,然后快速升溫至70~75℃,在Taq DNA
聚合酶的作用下,使引物鏈沿模板延伸。對于較短靶基因(長度為100~300bp時)可采用二溫度點法,
除變性溫度外、退火與延伸溫度可合二為一,一般采用94℃變性,65℃左右退火與延伸(此溫度Taq DNA酶仍有較高的催化活性)。 5.1.4
PCR反應特點
(1)強特異性
PCR反應的特異性決定因素為:
A. 引物與模板DNA特異性的結合;
B. 堿基配對原則;
C. Taq DNA聚合酶合成反應的忠實性;
D. 靶基因的特異性與保守性。
其中引物與模板的正確結合是關鍵,引物與模板的結合及引物鏈的延伸是遵循堿基配對原則的。聚合酶合成反應的忠實性及Taq
DNA聚合酶耐高溫性,使反應中模板與引物的結合(復性)可以在較高的溫度下進行,結合的特異性大大增加,被擴增的靶基因片段也就能保持很高的正確度。再通過選擇特異性和保守性高的靶基因區,其特異性程度就更高。
(2)高靈敏度
PCR產物的生成量是以指數方式增加的,能將皮克(pg=10-12g)量級的起始待測模板擴增到微克(mg =
10-6g)水平。能從100萬個細胞中檢出一個靶細胞;在病毒的檢測中,PCR的靈敏度可達3個RFU(空斑形成單位);在細菌學中最小檢出率為3個細菌。
(3)快速簡便
PCR反應用耐高溫的Taq
DNA聚合酶,一次性地將反應液加好后,即在PCR儀上進行變性-退火-延伸反應,反應一般在2~4小時完成。擴增產物常用電泳分析,操作簡單易推廣,如采用特殊PCR儀(熒光時時定量PCR儀)則可全程監測PCR反應的結果,故耗時將更短。
(4)低純度模板
不需要分離病毒或細菌及培養細胞,DNA粗制品及總RNA等均可作為擴增模板。可直接用臨床標本如血液、體腔液、洗嗽液、毛發、細胞、活組織等粗制的DNA擴增檢測。
1.5 PCR結果異常分析
(1)非特異性擴增產物的出現
當擴增產物不止一種時,通常與以下幾種情況有關:
A. 背景DNA與引物同源性高。可通過在兩個引物的內側序列上再使用另外一對對擴增產物DNA再次進行PCR擴增。
B.
退火溫度太低。引物和模板的配對是一個動態過程,分子的熱運動使引物與模板結合與解離而達到最佳配對位點上。退火溫度太低,造成引物與模板的非特異性位點部分配對而解離不下來,這種不正確的配對,進入PCR反應過程就可擴增出非特異性的產物DNA。提高退火的溫度將可改善結果。
C. 過量的酶、引物和模板DNA可使PCR反應造成混亂,強行擴增出非特異性產物DNA,適當降低這些試劑的量有助于問題的解決。
(2)無特異性擴增產物帶
A. 引物溶液反復凍融或污染了DNA酶類,造成引物降解。
B. 模板DNA制備時模板已降解。
C. Taq酶有失活或有雜酶污染。
D. 緩沖液條件不當。
E. 引物不正確。
2 試劑與器材
1. 試劑 (1)模板DNA 沸水浴制備的大腸桿菌染色體DNA
(2)Taq DNA聚合酶
(3)10×緩沖液
(4)dNTP(2.5mM)
(5)Primer1(10pmol/ml)
(6)Primer2(10pmol/ml)
2. 器材 (1)eppendorf管 PCR專用薄壁管(200ml)
(2)槍頭 進口(潔凈度高)
(3)移液器
(4)離心機 PCR發應液混合后離心
(5)PCR儀
(6)超凈工作臺 提供潔凈操作區用于PCR加樣
5.3實驗步驟
(1)按如下體積加樣進行PCR反應:
1# 2#
總體積 50ml 50ml
ddH2O 28.5ml 26.5ml
10×buffer(含 Mg2+) 5ml 5ml
dNTP(2.5mM) 4ml 4ml
Primer1(10pmol/ml) 5ml 5ml
Primer2(10pmol/ml) 5ml 5ml
染色體DNA(沸水浴制備) 2ml 4ml
Taq 酶(5U/ml) 0.5ml 0.5ml
(3)取40ml采用瓊脂糖凝膠電泳檢查產物情況,擴增產物集中于1.5 kb片段的位置附近,割下該位置的凝膠進行外源DNA的回收。