PCR技术是一种体外酶促合成、扩增特定DNA片段的方法。下面是我整理的关于pcr技术论文,希望你能从中得到感悟!
技术的研究进展
摘要 PCR技术是一种体外酶促合成、扩增特定DNA片段的方法。因其高强的特异性和灵敏度以及检测速度快、准确性好等优点,已被广泛地应用于水产、微生物检测等许多领域。该文从PCR技术的原理及应用方面进行了综述,并对其发展做出了展望。
关键词 PCR技术;研究进展;应用
中图分类号 Q819 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2012)10-0047-02
PCR(polymerase chain reaction,PCR)即聚合酶链式反应,它是一种体外酶促合成,扩增特定DNA片段的方法。1985年,美国Karray等学者首创了PCR技术,并由美国Cetus公司开发研制[1]。随着科学技术的发展和突破,PCR技术已在多个领域得到广泛地应用,如微生物检测、兽医学、水产养殖等方面。由于该技术具有较强的灵敏度、准确度和特异性,又能快速进行检测,因而其应用领域也在不断延伸[2-3]。随着PCR技术的不断发展,在常规PCR技术的基础上又衍生出了许多技术,如多重PCR(mutiplex PCR)技术[4]、实时荧光定量PCR(real-time fluorescent quantitative PCR,FQ-PCR)技术[5]、单分子PCR技术[6]。
1 PCR技术原理
PCR技术是根据待扩增的已知DNA片段序列、人工合成与该DNA 2条链末端互补的2段寡核苷酸引物,在体外将待检DNA序列(模板)在酶促作用下进行扩增。PCR的整个技术过程经若干个循环组成,一个循环包括连续的3个步骤:第1步是高温条件下的DNA模板变性,即模板DNA在93~94 ℃的条件下变性解链;第2步是退火,即人工合成的2个寡核苷酸引物与模板DNA链3’端经降温至55 ℃退火;第3步是延伸,即在4种dNTP底物同时存在的情况下,借助TaqDNA聚合酶的作用,引物链将沿着5’-3’方向延伸与模板互补的新链[7]。经过这个循环后,合成了新链,可将其作为DNA模板继续反应,由此循环进行。循环进程中,扩增产物的量以指数级方式增加,一般单一拷贝的基因循环25~30次,DNA可扩增l00万~200万倍[1]。PCR反应的步骤很简单,但是具体的操作是复杂的,如退火温度的确定、延伸时间的长短以及循环数等。因此,不同的反应体系应该确定适当的反应条件,以避免假阴性或假阳性等情况的产生。
2 PCR技术的分类
在传统PCR技术的基础上,根据人们的需要以及各个领域的应用要求,又衍生出很多种类的PCR技术。新技术在各领域广泛应用并逐渐改进,为进一步的研究提供了基础。
2.1 实时荧光定量PCR技术
1996年,学者经过研究,在传统PCR技术的基础上,首创了实时荧光定量PCR技术,新技术已经应用至医学领域、分子生物学和其他基础研究领域。实时荧光定量PCR技术基于传统技术的优势,还具有实时性、准确性、无污染,实现了自动化操作和多重反应,是PCR技术研究史上从定性到定量的飞跃[8]。
荧光定量PCR技术最大的特点是能将荧光基团加入到PCR反应体系中,借助于荧光信号,累积实时监测整个PCR进程,最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析[9]。实时监测这一特点是常规PCR技术所不具有的,因为其对扩增反应不能进行随时的检测。常规PCR技术的扩增终产物需要在凝胶电泳等条件下才能进行,无法对起始模板进行准确的定量,而荧光定量PCR技术的反应进程可以根据荧光信号的变化做出准确的判断[10-11]。一个PCR循环反应结束之后,定量PCR仪可以收集1个荧光强度信号,荧光信号强度的变化可以反映产物量的变化情况,这样就可以得到1条荧光扩增曲线[12]。荧光信号在指数扩增阶段,PCR产物荧光信号的对数值与起始模板量之间存在线性对应关系,然后进行定量分析[13]。
2.2 多重PCR技术
多重PCR(mutiplex PCR)技术是PCR技术的一种,为同一管中加入多对特异性引物,与PCR管内的多个模板反应,在一个PCR管中同时检测多个目标DNA分子。多重PCR技术可以扩增一个物种的一个片段,也可以同时扩增多个物种的不同片段[14]。
在同一反应体系中,多重PCR技术进行多个位点的特异性扩增时,引物间的配对、引物间的竞争性扩增等会对扩增效果产生重要影响。一方面,如果能选择适宜的反应体系和反应条件,可极大地提高多重PCR的扩增效果[15]。主要包括退火温度、退火及延伸时间、PCR缓冲液成分、dNTP的用量、引物及模板的量等。另一方面,DNA的抽提质量也影响多重PCR扩增效率,如DNA抽提不干净或降解都将影响PCR扩增效果[16]。
2.3 单分子PCR技术(SM-PCR)
单分子PCR技术是在传统PCR技术的基础上发展的,基本循环过程相同,但在反应条件、模板数量、DNA 聚合酶选择、引物设计方面具有不同点。该技术是以少量或单个DNA分子为模板进行的PCR[17]。
单分子PCR技术反应中,DNA 模板浓度极低,这就要求模板有较高的质量。因为这是试验成败的决定性因素。在设计引物时,应该严格控制GC的含量和Tm值,同时尽量避免引物间存在可配对序列。在反应混合物模板数极低的情况下,若引物之间存在少量配对序列,扩增时极易形成二聚体,使反应无法进行,得不到所需要的产物[18]。由于单分子PCR技术反应的变性温度(96~98 ℃)大多比常规PCR技术(94 ℃)略高,因而对DNA 聚合酶热稳定性的要求也更加严格,需要有较好的热稳定性,以防止温度过高而使其失活。其变性时间(5~15 s)、退火时间及延伸时间也短于常规PCR技术[17]。
3 PCR技术的应用
3.1 PCR技术在水产上的应用
基因表达是检测某个基因在不同发育期或不同组织中的表达量变化,或受到某种试验处理过程中的影响而出现表达量变化的情况。有学者应用real-time PCR技术研究碳水化合物含量对翘嘴红鲴糖代谢酶G6Pase、GK以及PEPCK表达量的影响[19-21],研究结果可为翘嘴红鲴饲料配方中的最合适糖含量提供理论依据。孙淑娜等[22]研究叶酸拮抗剂对斑马鱼心脏发育相关基因BMP2b及HAS2表达的影响,表明叶酸拮抗剂对早期胚胎的心脏发育影响较大,可导致斑马鱼心脏发育延迟及心脏形态异常,并下调斑马鱼心脏发育相关基因BMP2b及HAS2的表达,这可能是叶酸生物学活性受抑后导致心脏发育异常的机制之一。Sawyer et al[23]以斑马鱼的未受精卵、胚胎、仔鱼和成鱼为研究材料,采用实时荧光定量PCR技术,检测了P450aromA和P450aromB在不同组织的表达量,表明在各组织中均有2种基因的表达,但表达量显著不同,呈现组织特异性。
3.2 PCR技术在微生物检测上的应用
1990年,Bej et al[24]在利用多重PCR的方法检测了Leg-ionella类菌种和大肠类细菌,其结果是通过点对点方法固定的多聚dT尾捕捉探针和生物素标记的扩增DNA进行杂交来检测的。张志东等检测口蹄疫病毒(FMDV)持续性感染的带毒动物,表明实时荧光定量PCR技术具有快速检测、准确、客观等优势,较优于传统的检测方法[25-26]。Metzger-Boddien et al[27]对PCR-ELISA的方法进行了评价,结果显示,样品中沙门氏菌的检出率可以达到98%。
4 展望
传统PCR技术以及衍生出来的新型PCR技术自面世以来,已被广泛应用到生命科学的各个领域。随着技术方法的不断改进与完善,荧光定量PCR技术将会逐渐完善并广泛应用。多重PCR技术在食品病原微生物、非致病微生物及环境微生物检测中具有重要作用;未来的研究主要集中在去除食品抑制因子干扰、改进样品前处理技术等方面,其次是整合应用多重PCR与其他技术,必将在未来食品微生物检测中有非常好的应用前景。
5 参考文献
[1] 常世敏.PCR在食品微生物检测中的应用[J].邯郸农业高等专科学校学报,2004,21(4):23-25.
[2] 唐永凯,俞菊华,徐跑,等.实时荧光定量PCR技术及其在水产上的应用[J].中国农学通报,2010(21):422-426.
[3] 吴学贵.LPS刺激点带石斑鱼免疫相关基因的克隆与组织表达差异性分析[D].海口:海南大学,2011.
[4] 侯立华,黄新,朱水芳,等.双色荧光多重PCR技术及在禽流感病毒检测中的应用[J].生物技术通报,2010(1):168-172.
[5] 查锡良.生物化学[M].7版.北京:人民卫生出版社,2009:483-485.
[6] 张杰道.生物化学实验技术PCR技术及应用[M].北京:科学出版社,2005:12-18.
[7] 谢海燕.黑线仓鼠LHR部分序列克隆及组织器官的表达差异[D].曲阜:曲阜师范大学,2011.
[8] KUBISTA M,ANDRADE J M,BENGTSSON M,et a1.The real-time pol-ymerase chain reaction[J].MoLecular Aspects of Medicine,2006,27(2-3):95-125.
[9] AGINDOTAN B O,SHIEL P J,BERGER P H.Simultaneous detection of potato viruses,PLRV,PVA,PVX and PVY from dormant potato tubers by TaqMan real-timeRT-PCR[J].J Virol Methods,2007,142(1-2):l-9.
[10] 李丽平.小麦慢锈品种叶片受条锈菌侵入后的木质素合成及调控研究[D].雅安:四川农业大学,2009.
[11] 薛霜,独军政,高闪电,等.实时荧光定量PCR技术研究进展及其在兽医学中的应用[J].中国农学通报,2010(7):11-15.
[12] SCHUBERT J,FOMITCHEVA V,SZTANGRET-WISNIEWSKA J. Dif-ferentiation of Potato virus Y strains using improvedsets of diagnostic-PCR-primers [J].J Virol Methods,2007,140(1-2):66-74.
[13] 袁继红.实时荧光定量PCR技术的实验研究[J].现代农业科技,2010(13):20-22.
[14] 朱善元.生物检测技术PCR及其在兽医微生物检测中的应用[J].黑龙江畜牧兽医,1999(11):21-22.
[15] 黄银花,胡晓湘,李宁,等.影响多重PCR扩增效果的因素[J].遗传,2003,25(1):65-68.
[16] 陈诺,唐善虎,岑璐伽,等.多重PCR技术在食品微生物检测中的应用进展[J].生物技术,2010,37(10):72-75.
[17] 刘连生.常规PCR技术与单分子PCR技术[J].医学信息,2010,23(11):4379-4380.
[18] 顾超颖.汗孔角化病的临床分析,SSH1、ARPC3基因突变检测和表达谱分析[D].上海:复旦大学,2008.
[19] 唐永凯,俞菊华,刘波,等.翘嘴红鲌肝脏G6Pase催化亚基的克隆以及摄食和饲料中碳水化合物对其表达的影响[J].水产学报,2007,31(1):45-53.
[20] 刘波,谢骏,苏永腾,等.高碳水化合物日粮对翘嘴红鲌生长、GK及GK mRNA表达的影响[J].水生生物学报,2008,32(1):47-53.
[21] 俞菊华,戈贤平,唐永凯,等.碳水化合物、脂肪对翘嘴红鲌PEPCK基因表达的影响[J].水产学报,2007,31(3):369-373.
[22] 孙淑娜,桂永浩,宋后燕,等.叶酸拮抗剂甲氨喋呤导致斑马鱼心脏发育异常及BMP2bHAS2表达下调[J].中国当代儿科杂志,2007,9(2):159-163.
[23] SAWYER S J,GERSTNER K A,CALLARD G.Real-time PCR analysis of cytochrome P450 aromatase expression in zebrafish:gene specific tissue disyribution,sex differences,developmental programming,and estrogen regulation[J].General and comparative endocrinology,2006,147(2):108-117.
[24] BEJ A K,MAHBUBANI M H,MILLER R,et a1.Multiplex PCR amplif-ication and immobilized capture probes for detection of bacterial patho-gens and indicators in water[J].Mol Cell Probes,1990,4(5):353-365.
[25] ZHANG Z D,ALEXANDERSEN S.Detection of carrier cattle and sheep persistently infected with foot-and-mouth disease virus by a rapid real-time RT-PCR assay[J].Journal of Virological Methods,2003,111(2):95-100.
[26] ZHANG Z D,BASHIRUDDIN J B.Quantitative analysis of foot-and-mouth disease virus RNA duration in tissues of experimentally infected pigs[J].TheVeterinary Journal,2009,180(1):130-132.
[27] METZGER-BODDIEN C,BOSTEL A,KEHLE J.Salmonella sp.PCR-ELISA for analysis of food samples[J].J Food Prot,2004,67(8):1585-1590.
点击下页还有更多>>>关于pcr技术论文