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随着生物技术的飞速发展,曾经遥不可及的PCR技术逐步走进了高中实验室。PCR技术应用广泛,如实时荧光定量RT-PCR技术、重叠延伸PCR、大引物PCR、反向PCR、巢式PCR等,高考试题中有关PCR的问题越来越多,设问考查深度也明显提升。各种PCR技术不是孤立的,它们均已常规PCR为基础,为实现特定目的而进行了一定改进,但也有各自的局限性,因此在必要时可同时使用几种扩增技术,如多重巢式PCR、反向实时荧光定量PCR等。
在高考备考中,要关注不同扩增技术的本质差异,同时总结此类试题的解题步骤;一是寻找题图有效信息,确定所考PCR类型;二是迅速再忆所考PCR的独特性,猜测出题人可能得意图;二是根据设问对前述猜测进行验证,并领悟出题人挖掘的新考点,进而对知识框架进行完善。
命题点:PCR技术与病毒检测、基因定点突变与基因改造、基因编辑技术、同尾酶等。
一、PCR技术及其应用
1、PCR技术与病毒检测——实时荧光定量PCR(RT-PCR)
新型冠状病毒感染的常规检测方法是通过实时荧光PCR鉴定。先从样本中提取RNA,RNA中可能有新冠病毒的RNA,同时也存在很多采样患者的组织和存在于采样部位的微生物的RNA。通过逆转录酶将样本的RNA逆转录为cDNA,并进行PCR扩增,在PCR反应体系中,包含一对特异性引物以及一个Taqman探针,该探针为一段特异性寡核苷酸序列,两端分别标记了报告荧光基团和淬灭荧光基团。探针完整时,报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收;若反应体系存在靶序列,PCR反应时探针与模板结合,DNA聚合酶沿模板利用酶的外切酶活性将探针降解,报告基团与淬灭基团分离,发出荧光。每扩增一条DNA链,就有一个荧光分子产生。荧光定量PCR仪能够监测出荧光到达预先设定阈值的循环数(Ct值)与病毒核酸浓度有关,病毒核酸浓度越高,Ct值越小(如图)。
RT(reversetranscription)-PCR即反转录聚合酶链反应,是将RNA的反转录和cDNA的聚合酶链式扩增(PCR)相结合的技术。
(2)优点:早期诊断、灵敏度和特异性高,判断是否感染新冠病毒的直接接证据。
2、重叠延伸PCR技术
重叠延伸PCR技术是一项重要的基因定点突变技术,其主要设计思路是用具有互补配对片段的引物(图中的引物2和3,突起处代表与模板链不能互补的突变位点),分别进行PCR,获得有重叠链的两种DNA片段,再在随后的扩增反应中通过重叠链的延伸获得想要的目的基因。水蛭素是一种蛋白质,可用于预防和治疗血栓。某科研团队运用重叠延伸PCR技术在水蛭素基因中的特定位点引入特定突变,使水蛭素第47位的天冬酰胺(密码子为AAC、AAU)替换为赖氨酸(密码子为AAA、AAG),从而提高水蛭素的抗凝血活性。原理见图。
PCR扩增过程
高温变性:温度超过90℃,双链DNA解聚为单链
低温复性:温度下降到50℃左右,两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合
中温延伸:温度上升到72℃左右,溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下,根据碱基互补配对原则合成新的DNA链
3、大引物PCR技术
大引物PCR需要用到三条引物进行两轮PCR,这三条引物分别是突变上游引物、常规上游引物和常规下游引物。该技术的流程如图所示。第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增,得到不完整的含有突变位点的DNA片段;第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条DNA链作为下游大引物,它与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。
(1)引物设计需要遵循以下原则:
①引物的长度一般为15-30bp,常用的是18-27bp,但不应大于38,过长会导致其延伸温度大于74℃,不适于TaqDNA聚合酶进行反应。
②引物序列在模板内应当没有相似性较高的序列,尤其是3’端相似性较高的序列,否则容易导致错配。
③引物3’端的末位碱基对Taq酶的DNA合成效率有较大的影响。末位碱基为A的错配效率明显高于其他3个碱基,因此应当避免在引物的3’端使用碱基A。
④引物序列的GC含量一般为40-60%,过高或过低都不利于引发反应。
⑤引物所对应模板位置序列的Tm值在72℃左右可使复性条件最佳。
⑥ΔG值是指DNA双链形成所需的自由能,该值反映了双链结构内部碱基对的相对稳定性。应当选用3’端ΔG值较低(绝对值不超过9),而5’端和中间ΔG值相对较高的引物。
⑦引物二聚体及发夹结构的能值过高(超过4.5kcal/mol)易导致产生引物二聚体带,并且降低引物有效浓度而使PCR反应不能正常进行。
⑧对引物的修饰一般是在5’端增加酶切位点。
4、反向PCR测定未知DNA区域
当DNA的某些序列已知,而需要扩增已知序列两端的未知序列时,可采用反向PCR技术。原理:用限制
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