PCR技術概述

聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）技術是基因擴增技術的一次重大革新，是分子生物學發展史中的一個重要里程碑。使用PCR擴增技術，可以將極微量的靶DNA的片段特異地擴增上百萬倍，大大提高了對DNA分子的分析和檢測能力。PCR技術具有敏感度高、特異性強、快速簡便等優點，在醫學、遺傳學、法醫學、微生物學、食品檢驗、衛生檢驗等眾多領域中具有巨大的應用價值和廣闊的發展前景。
 

耐熱DNA聚合酶的應用是PCR技術的核心。根據是否具有3’→5’端外切酶活性，耐熱DNA聚合酶通常分為無校讀活性和有校讀活性兩類。無校讀活性的DNA聚合酶（以Taq 酶為代表）具有較高的擴增效率，但由于缺乏校讀活性，容易發生堿基錯配，故產物中點突變較多。Taq DNA聚合酶還具有末端轉移酶活性，可在PCR產物的3’末端非特異地添加堿基，因單個A突出堿基的比例高，故PCR產物可直接與含有3’末端突出T堿基的載體連接（即TA克隆），方便PCR產物的克隆、擴增和測序。然而，TaqDNA聚合酶在PCR反應*步升溫過程中即可催化錯配引物延伸或引物二聚體形成，因而導致非特異性擴增，影響目的片段的合成量。針對這一現象設計的熱啟動Taq DNA聚合酶，在低溫時其聚合酶活性被抑制，通過高溫變性，聚合酶的活性恢復，催化特異性結合的引物擴增，因而提高了目的片段的特異性和產量。另一類有校讀活性的DNA聚合酶（以Pfu為代表）可選擇性地去除錯誤摻入的dNTP，維持DNA鏈的正確延伸；然而其擴增效率通常低于Taq DNA聚合酶，特別是對于長片段DNA鏈的延伸能力較差。基于上述兩類酶的特點，可將適量的Taq DNA聚合酶與任意一種有校讀活性的DNA聚合酶混合，在適當的反應緩沖液體系中，可獲得保真性與擴增性能介于上述兩類酶之間的混合酶，用于長片段以及復雜模板的高保真擴增。
 

PCR實驗受諸多因素的影響。的商業化耐熱DNA聚合酶及其配套緩沖液通常可以滿足絕大多數DNA的片段擴增的需要。首先應根據模板的性質（基因組、cDNA、質粒等）和目的片段的大小、GC含量、有無二級結構等，選擇合適的DNA聚合酶（參見GenStar® PCR產品選擇指南）。對于難于擴增的片段，應針對不同的模板、引物，優化反應條件，以獲得佳的擴增效率（詳見“常規PCR反應的優化方法）。
 

A. 模板用量：以50 μl反應體系為例
• 人基因組DNA：0.1~1.0 μg
• 大腸桿菌基因組DNA：10~100 ng
• λ DNA：0.5~5 ng
• 質粒DNA：0.1~10 ng
 

B. 引物設計原則：
• 引物長度要滿足特異性需要，一般可在18~25個堿基之間；擴增長片段時好在24~30個堿基之間；
• （G+C）%含量應盡量控制在40~60%，兩條引物的（G+C）%含量應盡量接近；
• 盡量避免相同堿基連續出現三次以上，3’端應避免使用A或T；
• 避免引物內部自身配對形成二級結構；
• 正反向引物之間應避免配對堿基，尤其是3’端的三個堿基，否則易生成引物二聚體（Primer dimer）；
• 兩條引物的Tm值應盡量接近，好相差不超過5oC；
• 引物Tm值的計算方法：
20 nt以下：Tm = 2x（A + T）+ 4x（G+C）
20 nt以上：Tm = 81.5+0.41x（G+C%）-600/nt（nt：引物的堿基數）
 

C. 引物用量：
• 0.1~1.0 μM，通常可以0.2 μM起始，根據體系不同調整用量；
• 使用簡并引物、隨機引物時，需增加引物總量以彌補產量損失；但隨著引物量加大，特異性將降低；
• 模板較大較多，或結構較復雜（如人基因組DNA）時，需減少引物用量以提高特異性；
• 模板較小較少（如質粒模板）時，增加引物用量可提高產量。