引入
为什么在实验室里能把一小段 DNA 复制上百万倍?
为什么 PCR 必须用耐高温的 DNA 聚合酶,普通的酶不行?
为什么引物决定了扩增的是哪一段?
聚合酶链式反应(PCR)是分子生物学最基础也最实用的技术。它把细胞内的 DNA 复制过程搬到体外,用温度循环代替解旋酶和复杂的复制机器,实现指数级扩增。
正文
定义
聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction,PCR)是利用 DNA 双链复制的原理,在生物体外复制特定 DNA 片段的核酸合成技术。由凯利·穆利斯(Kary Mullis)于 1983 年开发。
使用材料
| 组分 | 作用 | 要点 |
|---|---|---|
| 模板 DNA | 提供待扩增序列 | 少量即可,甚至单个细胞 |
| 引物 | 界定扩增区段的起点 | 一对,分别与两条链互补 |
| 耐高温 DNA 聚合酶 | 催化新链合成 | Taq 酶,最适 |
| 四种 dNTP | 合成原料 | dATP、dTTP、dGTP、dCTP |
| 酶的辅因子 | 浓度影响特异性和产量 | |
| 缓冲液 | 维持 pH 和离子强度 | — |
为什么必须用耐高温的酶? 每轮循环都要在 以上变性,普通 DNA 聚合酶会失活。Taq 酶来自嗜热菌 Thermus aquaticus,在 下仍稳定,正是它让 PCR 能自动化。
循环流程
每一轮循环包括三步:
| 步骤 | 温度 | 时间 | 作用 |
|---|---|---|---|
| 变性 | 双链解开成单链 | ||
| 复性(退火) | 引物与模板互补结合 | ||
| 延伸 | 按长度定 | Taq 酶沿引物合成新链 |
变性(解链)
↓
退火(引物结合)
↓
延伸(合成新链)
↓
循环 25~35 轮指数扩增:每轮产物翻倍, 轮后约为 倍。30 轮理论上是 ,约 倍。
| 轮数 | 相对量 |
|---|---|
| 10 | |
| 20 | |
| 30 |
实际效率达不到 100%,通常在 左右,且后期因引物耗尽、酶失活而进入平台期。
关键参数
| 参数 | 影响 |
|---|---|
| 退火温度 | 太低导致非特异扩增,太高导致扩增失败 |
| 引物长度与 GC 含量 | 一般 ,GC 含量 |
| 循环数 | 过多产生非特异产物,过少产量不足 |
| 浓度 | 过高降低特异性,过低降低产量 |
退火温度通常按引物熔解温度()减去 估算:
这是粗略公式,适用于短引物。精确值需用软件按最近邻法计算。
衍生技术
| 技术 | 特点 | 用途 |
|---|---|---|
| 逆转录 PCR(RT-PCR) | 先把 RNA 逆转录为 cDNA 再扩增 | 检测基因表达、病毒 RNA |
| 实时荧光定量 PCR(qPCR) | 边扩增边测荧光 | 定量、病原检测 |
| 数字 PCR | 分液到大量微反应单元 | 绝对定量、稀有突变检测 |
| 多重 PCR | 一个反应中多对引物 | 同时检测多个靶标 |
qPCR 的定量原理:荧光信号达到阈值所需的循环数( 值)与起始模板量的对数成反比。模板越多, 越小。
PCR 的应用
| 领域 | 应用 |
|---|---|
| 医学诊断 | 病原体检测(如新冠病毒核酸检测) |
| 法医学 | DNA 指纹比对 |
| 考古 | 古 DNA 扩增 |
| 基因工程 | 目的基因获取、定点突变 |
| 产前诊断 | 检测基因突变 |
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “PCR 能无限扩增” | 引物和酶耗尽后进入平台期 |
| “PCR 只需要一对引物和模板” | 还需要聚合酶、dNTP、、缓冲液 |
| “退火温度越高越好” | 过高会导致引物无法结合 |
| “PCR 产物一定是目标片段” | 可能产生非特异扩增,需电泳验证 |
| “PCR 能直接扩增 RNA” | 需先逆转录为 cDNA |
引出
为什么 Taq 酶的保真度低于高保真酶?错配如何影响后续克隆?
qPCR 的 值如何换算成起始拷贝数?
引物二聚体是如何形成的,如何避免?
- 基因工程的基本操作程序:PCR 在基因工程中的位置
- DNA 的复制:体内复制的机制
- DNA测序技术:测序与 PCR 的关系
- CRISPR与基因编辑:编辑前的片段扩增
- 生物工程:生物工程的整体框架