知識分享：PCR儀的原理、分類(lèi)、常見(jiàn)問(wèn)題

　　一、PCR的基本原理
 

　　聚合酶鏈反應(polymerasechainreaction，PCR)PCR反應過(guò)程與細胞內的DNA復制相似，但PCR的反應體系要簡(jiǎn)單的多，主要包括DNA靶序列、引物、4種單核苷酸dNTP、耐熱DNA聚合酶以及合適的緩沖液體系。
 

　　PCR反應過(guò)程有以下3個(gè)步驟：
 

　　1、變性
 

　　將反應體系混合物加熱到94℃，維持較短時(shí)間(大約15s-30s)，使目標DNA雙螺旋的氫鍵斷裂，形成單鏈DNA作為反應模板。
 

　　2、退火
 

　　將反應體系冷卻至特定的溫度(引物的TM值左右或以下)，引物與DNA模板的互補區結合，形成模板引物復合物。
 

　　3、延伸
 

　　將反應體系的溫度提高到72℃并維持一段時(shí)間，引物在耐熱聚合酶的作用下，以引物為固定起點(diǎn)，以4種單核苷酸(dNTP)作為底物合成新的DNA鏈。
 

　　以上三步作為一個(gè)循環(huán)重復的進(jìn)行，每一循環(huán)的產(chǎn)物作為下一循環(huán)的模板。如此循環(huán)數十次，從而使目的基因得到指數級擴增，達到檢測或獲取基因的目的。
 

　　二、PCR儀的分類(lèi)
 

　　根據DNA擴增的目的和檢測的標準可以將PCR儀分為：普通PCR儀，梯度PCR儀，原位PCR，實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀等幾類(lèi)。
 

　　2.1普通PCR儀
 

　　一般把一次PCR擴增只能運行一個(gè)特定退火溫度的PCR儀，稱(chēng)之為普通PCR儀。
 

　　如果要用它做不同的退火溫度則需要多次運行。主要是用作簡(jiǎn)單的，對目的基因退火溫度的擴增。
 

　　主要應用于科研、教學(xué)、臨床醫學(xué)、檢驗、檢疫等。
 

　　2.2梯度PCR儀
 

　　一次性PCR擴增可以設置一系列不同的退火溫度條件(通常12種溫度梯度)的稱(chēng)之為梯度PCR儀。
 

　　因為被擴增的不同的DNA段其適合的退火溫度不同，通過(guò)設置一系列的梯度退火溫度進(jìn)行擴增，從而一次性PCR擴增就可以篩選出表達量高的適合退火溫度進(jìn)行有效的擴增。主要用于研究未知DNA退火溫度的擴增，這樣既節約時(shí)間，也節約經(jīng)費。
 

　　在不設置梯度的情況下亦可當做普通的PCR用。真正的梯度，是每一排管都有準確的加熱控溫探頭。
 

　　梯度PCR儀多應用于科研、教學(xué)機構。
 

　　2.3原位PCR儀
 

　　有些品牌的PCR儀具有普通PCR、梯度PCR、原位PCR的功能，通過(guò)替換模塊進(jìn)行多用途開(kāi)展實(shí)驗工作。是用于從細胞內靶DNA的定位分析的細胞內基因擴增儀。如病原基因在細胞的位置或目的基因在細胞內的作用位置等?？杀３旨毎蚪M織的完整性，使PCR反應體系滲透到組織和細胞中，在細胞的靶DNA所在的位置進(jìn)行基因擴增。
 

　　不但可以檢測到靶DNA，還能標出靶序列在細胞內的位置。于分子和細胞水平上研究疾病的發(fā)病機理和臨床過(guò)程及病理的轉變有著(zhù)重大的實(shí)用價(jià)值。
 

　　2.4實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀(fluorescencerquantitivepolymerasechainreaction,FQPCR)
 

　　在普通PCR儀設計基礎上增加熒光信號激發(fā)和采集系統和計算機分析處理系統，形成了具有熒光定量PCR功能的儀器。
 

　　其PCR擴增原理和普通PCR擴增原理相同，在PCR擴增時(shí)加入的引物是利用同位素、熒光素等進(jìn)行標記，使用引物和熒光探針同時(shí)與模板特異性結合擴增。擴增的結果通過(guò)熒光信號采集系統實(shí)時(shí)采集信號連接輸送到計算機分析處理系統，得出量化的實(shí)時(shí)結果輸出。
 

　　熒光定量PCR儀有單通道，雙通道和多通道之分。當只用一種熒光探針標記的時(shí)候，選用單通道；有多種熒光標記的時(shí)候使用多通道。單通道也可以檢測多熒光的標記和目的基因表達產(chǎn)物，因為一次只能檢測一種目的基因的擴增量，需多次擴增才能檢測完不同的目的基因片段的量。多通道利于做多重PCR，實(shí)現一次檢測多種目的基因的功能。
 

　　實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀主要應用于臨床醫學(xué)檢測、生物醫藥研發(fā)、食品行業(yè)、科研院校等。
 

　　實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀+實(shí)時(shí)熒光定量試劑+通用電腦+自動(dòng)分析軟件，構成PCR-DNA/RNA實(shí)時(shí)熒光定量檢測系統。
 

　　實(shí)時(shí)熒光定量PCR的優(yōu)勢：
 

　　熒光定量PCR儀比普通的PCR儀多了熒光信號采集系統和計算機分析處理系統，實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀主要是用來(lái)定量分析和確定基因轉錄水平的，而普通的PCR儀是做定性分析和擴增基因片段，定量PCR儀可以做普通PCR儀的工作，但是成本太高。
 

　　樣品到達域值水平所經(jīng)歷的循環(huán)數稱(chēng)為Ct值(限制點(diǎn)的循環(huán)數)。域值應設定在使指數期的擴增效率為大，這樣可以獲得準確，可重復性的數據。如果同時(shí)擴增的還有標有相應濃度的標準品，線(xiàn)性回歸分析將產(chǎn)生一條標準曲線(xiàn)，可以用來(lái)計算未知樣品的濃度。
 

　　熒光定量PCR儀特點(diǎn)：
 

　　1.特異性強：引物和探針的“雙保險”，避免檢測的假陽(yáng)性。
 

　　2.靈敏度高：分析PCR產(chǎn)物的對數期，自動(dòng)化儀器收集熒光信號，避免了許多人為因素干擾。
 

　　3.避免污染：全封閉反應，無(wú)須PCR后處理。
 

　　4.實(shí)現定量：運用標準品獲得標準曲線(xiàn)，結合Ct值進(jìn)行準確定量。
 

　　5.高效低耗：可實(shí)現一管多檢。
 

　　6.操作簡(jiǎn)便：在線(xiàn)式實(shí)時(shí)監測擴增結果，不必接觸有害物質(zhì)。
 

　　7.快速：反應時(shí)間<1.5小時(shí)。
 

　　三、PCR常見(jiàn)問(wèn)題匯總
 

　　1.無(wú)擴增條帶
 

　　(1)酶失活或在反應體系中未加入酶。TaqDNA聚合酶因保存或運輸不
 

　　當而失活，往往通過(guò)更換新酶或用另一來(lái)源的酶以獲得滿(mǎn)意的結果。
 

　　(2)模板含有雜質(zhì)。特別是對甲醛固定及石蠟包埋的組織常含甲酸，
 

　　造成DNA脫嘌呤而影響PCR的結果。
 

　　(3)變性溫度是否準確：PCR儀指示溫度與實(shí)際溫度是否相符，過(guò)高酶
 

　　在前幾個(gè)循環(huán)就迅速失活；過(guò)低則模板變性不*。
 

　　(4)反應系統中污染了蛋白酶及核酸酶，應在未加Taq酶以前，將反應
 

　　體系95℃加熱5-10分鐘。
 

　　(5)引物變質(zhì)失效。人工合成的引物是否正確。是否純化，或因儲存
 

　　條件不當而失活。
 

　　(6)引物錯誤。利用BLAST檢查引物特異性或重新設計引物。
 

　　(7)DNA凝膠電泳時(shí)加入陽(yáng)性對照，確保不是DNA凝膠和PCR程序的問(wèn)
 

　　題。
 

　　2.PCR產(chǎn)物量過(guò)少
 

　　(1)退火溫度不合適。以2度為梯度設計梯度PCR反應優(yōu)化退火溫
 

　　度。
 

　　(2)DNA模板量太少。增加DNA模板量。
 

　　(3)PCR循環(huán)數不足。增加反應循環(huán)數。
 

　　(4)引物量不足。增加體系中引物含量。
 

　　(5)延伸時(shí)間太短。以1kb/分鐘的原則設置延伸時(shí)間。
 

　　(6)變性時(shí)間過(guò)長(cháng)。變性時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )導致DNA聚合酶失活。
 

　　(7)DNA模板中存在抑制劑。確保DNA模板干凈
 

　　3.擴增產(chǎn)物在凝膠中涂布或成片狀條帶彌散
 

　　(1)酶量過(guò)高。減少酶量；酶的質(zhì)量差，調換另一來(lái)源的酶。
 

　　(2)dNTP濃度過(guò)高。減少dNTP的濃度。
 

　　(3)MgCl2濃度過(guò)高?？蛇m當降低其用量。
 

　　(4)模板量過(guò)多。質(zhì)粒DNA的用量應<50ng，而基因組DNA則應
 

　　<200ng。
 

　　(5)引物濃度不夠優(yōu)化。對引物進(jìn)行梯度稀釋重復PCR反應。
 

　　(6)循環(huán)次數過(guò)多；增加模板量減少循環(huán)次數至30，縮短退火時(shí)間及
 

　　延伸時(shí)間，或改用二種溫度的PCR循環(huán)。
 

　　(7)退火溫度過(guò)低。
 

　　(8)電泳體系有問(wèn)題：
 

　?、倌z中緩沖液和電泳緩沖液濃度相差太大；
 

　?、谀z沒(méi)有凝固好；
 

　?、郗傊琴|(zhì)量差。
 

　　(9)若為PCR試劑盒則可能：
 

　?、儆捎谶\輸儲存不當引起試劑盒失效；
 

　?、谠噭┖斜旧碣|(zhì)量有問(wèn)題，如引物選擇、循環(huán)參數等選擇不當。
 

　　(10)降解的陳舊模板擴增也易產(chǎn)生涂布。
 

　　4.擴增產(chǎn)物出現多條帶(雜帶)
 

　　(1)引物用量偏大，引物的特異性不高。應調換引物或降低引物的使
 

　　用量。
 

　　(2)循環(huán)的次數過(guò)多。適當增加模板的量，減少循環(huán)次數。
 

　　(3)酶的用量偏高或酶的質(zhì)量不好，應降低酶量或調換另一來(lái)源的
 

　　酶。
 

　　(4)退火溫度偏低，退火及延伸時(shí)間偏長(cháng)。應提高退火溫度，減少變
 

　　性與延伸時(shí)間，也可采用二種溫度的PCR擴增。以2度為梯度設計梯度
 

　　PCR反應優(yōu)化退火溫度。
 

　　(5)樣品處理不當。
 

　　(6)Mg2+濃度偏高，因適當調整Mg2+使用濃度。
 

　　(7)若為PCR試劑盒，也可能時(shí)試劑盒本身質(zhì)量有問(wèn)題。
 

　　(8)復制提前終止。使用非熱啟動(dòng)的聚合酶時(shí)常有發(fā)生。冰上準備
 

　　反應體系或采用熱啟動(dòng)聚合酶。
 

　　(9)反應緩沖液未*融化或未充分混勻。確保反應緩沖液融化完
 

　　全并*混勻。
 

　　(10)引物特異性差。利用BLAST檢查引物特異性或重新設計引物。
 

　　(11)引物量過(guò)多。減少反應體系中引物的用量。
 

　　(12)模板量過(guò)多。質(zhì)粒DNA的用量應<50ng，而基因組DNA則應
 

　　<200ng。
 

　　(13)外源DNA污染。確保操作的潔凈。
 

　　5.陰性對照出現條帶
 

　　試劑，槍頭，工作臺污染。使用全新的試劑和槍頭，對工作臺進(jìn)行清
 

　　潔。
 

　　6.條帶大小與理論不符
 

　　1)污染。使用全新的試劑和槍頭，對工作臺進(jìn)行清潔。
 

　　2)模板或引物使用錯誤。更換引物和模板。
 

　　3)基因亞型。對研究的基因進(jìn)行序列分析和BLAST研究。