PCR的原理是什么,它有什么用途
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发布时间：2022-04-23 21:38
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时间：2022-05-30 08:26
PCR的原理是利用DNA在体外摄氏95°高温时变性会变成单链，低温（经常是60°C左右）时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度（72°C左右），DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5'-3')的方向合成互补链。
PCR最有价值的应用领域就是对感染疾病的诊断。理论上，只要样本有一个病原体存在，PCR就可以检测到。
在实验中发现，DNA在高温时也可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制DNA的变性和复性，加入设计引物，DNA聚合酶、dNTP就可以完成特定基因的体外复制。
但是，DNA聚合酶在高温时会失活，因此，每次循环都得加入新的DNA聚合酶，不仅操作烦琐，而且价格昂贵，制约了PCR技术的应用和发展。
扩展资料
标准的PCR过程分为三步：
1、DNA变性：（90℃-96℃）：双链DNA模板在热作用下，氢键断裂，形成单链DNA。
2、退火：（60℃-65℃）：系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链。
3、延伸：（70℃-75℃）：在Taq酶（在72℃左右，活性最佳）的作用下，以dNTP为原料，从引物的3′端开始以从5′→3′端的方向延伸，合成与模板互补的DNA链。
每一循环经过变性、退火和延伸，DNA含量即增加一倍。
有些PCR因为扩增区很短，即使Taq酶活性不是最佳也能在很短的时间内复制完成，因此可以改为两步法，即退火和延伸同时在60℃-65℃间进行，以减少一次升降温过程，提高了反应速度。
参考资料来源：百度百科-PCR
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时间：2022-05-30 09:44
一、温度循环参数
在PCR自动热循环中,最关键的因素是变性与退火的温度.如操作范例所示,其变性、退火、延伸的条件是：94℃60s, 37℃60s, 72℃120s,共25～30个循环,扩增片段500bp.在这里,每一步的时间应从反应混合液达到所要求的温度后开始计算.在自动热循环仪内由混合液原温度变至所要求温度的时间需要30～60s,这一迟滞时间的长短取决于几个因素,包括反应管类型、壁厚、反应混合液体积、热源（水浴或加热块）以及两步骤间的温度差,在设置热循环时应充分给以重视和考虑,对每一仪器均应进行实测.
关于热循环时间的另一个重要考虑是两条引物之间的距离；距离越远,合成靶序列全长所需的时间也越长,前文给出的反应时间是按最适于合成长度500bp的靶序列拟定的.下面就各种温度的选择作一介绍.
1．模板变性温度变性温度是决定PCR反应中双链DNA解链的温度,达不到变性温度就不会产生单链DNA模板,PCR也就不会启动.变性温度低则变性不完全,DNA双链会很快复性,因而减少产量.一般取90～95℃.样品一旦到达此温度宜迅速冷却到退火温度.DNA变性只需要几秒种,时间过久没有必要；反之,在高温时间应尽量缩短,以保持Taq DNA聚合酶的活力,加入Taq DNA聚合酶后最高变性温度不宜超过95℃.
2．引物退火温度退火温度决定PCR特异性与产量；温度高特异性强,但过高则引物不能与模板牢固结合,DNA扩增效率下降；温度低产量高,但过低可造成引物与模板错配,非特异性产物增加.一般先由37℃反应条件开始,设置一系列对照反应,以确定某一特定反应的最适退火温度.也可根据引物的（G+C）%含量进行推测,把握试验的起始点,一般试验中退火温度Ta(annealing temperature)比扩增引物的融解温度TTm(melting temperature)低5℃,可按公式进行计算：
Ta = Tm - 5℃= 4(G+C)+ 2(A+T) -5℃
其中A,T,G,C分别表示相应碱基的个数.例如,20个碱基的引物,如果（G+C）%含量为50%时,则Ta的起点可设在55℃.在典型的引物浓度时（如0.2μmol/L）,退火反应数秒即可完成,长时间退火没有必要.
3．引物延伸温度温度的选择取决于Taq DNA聚合酶的最适温度.一般取70～75℃,在72℃时酶催化核苷酸的标准速率可达35～100个核苷酸/秒.每分钟可延伸1kb的长度,其速度取决于缓冲溶液的组成、pH值、盐浓度与DNA模板的性质.扩增片段如短于150bp,则可省略延伸这一步,而成为双温循环,因Taq DNA聚合酶在退火温度下足以完成短序列的合成.对于100～300bp之间的短序列片段,采用快速、简便的双温循环是行之有效的.此时,引物延伸温度与退火温度相同.对于1kb以上的DN*段,可根据片段长度将延伸时间控制在1～7min,与此同时,在PCR缓冲液中需加入明胶或BSA试剂,使Taq DNA聚合酶在长时间内保持良好的活性与稳定性；15%～20%的甘油有助于扩增2.5kb左右或较长DN*段.
4．循环次数常规PCR一般为25～40个周期.一般的错误是循环次数过多,非特异性背景严重,复杂度增加.当然循环反应的次数太少,则产率偏低.所以,在保证产物得率前提下,应尽量减少循环次数.
扩增结束后,样品冷却并置4℃保存.
二、引物引物设计
要扩增模板DNA,首先要设计两条寡核苷酸引物,所谓引物,实际上就是两段与待扩增靶DNA序列互补的寡核苷酸片段,两引物间距离决定扩增片段的长度,两引物的5’端决定扩增产物的两个5’末端位置.由此可见,引物是决定PCR扩增片段长度、位置和结果的关键,引物设计也就更为重要.
引物设计的必要条件是与引物互补的靶DNA序列必须是已知的,两引物之间的序列未必清楚,这两段已知序列一般为15～20个碱基,可以用DNA合成仪合成与其对应互补的二条引物,除此之外,引物设计一般遵循的原则包括：
1．引物长度根据统计学计算,长约17个碱基的寡核苷酸序列在人的基因组中可能出现的机率的为1次.因此,引物长度一般最低不少于16个核苷酸,而最高不超过30个核苷酸,最佳长度为20～24个核苷酸.这样短的寡核苷酸在聚合反应温度（通过72℃）下不会形成稳定的杂合体.有时可在5’端添加不与模板互补的序列,如*性酶切位点或启动因子等,以完成基因克隆和其他特殊需要；引物5’端生物素标记或荧光标记可用于微生物检测等各种目的.
有时引物不起作用,理由不明,可移动位置来解决.
2．（G+C）%含量引物的组成应均匀,尽量避免含有相同的碱基多聚体.两个引物中（G+C）%含量应尽量相似,在已知扩增片段（G+C）%含量时宜接近于待扩增片段,一般以40%～60%为佳.
3．引物内部应避免内部形成明显的次级结构,尤其是发夹结构（hairpin structures）.例如：
4．引物之间两个引物之间不应发生互补,特别是在引物3’端,即使无法避免,其3’端互补碱基也不应大于2个碱基,否则易生成“引物二聚体”或“引物二倍体”（Primer dimer）.所谓引物二聚体实质上是在DNA聚合酶作用下,一条引物在另一条引物序列上进行延伸所形成的与二条引物长度相近的双链DN*段,是PCR常见的副产品,有时甚至成为主要产物.
另外,两条引物之间避免有同源序列,尤为连续6个以上相同碱基的寡核苷酸片段,否则两条引物会相互竞争模板的同一位点；同样,引物与待扩增靶DNA或样品DNA的其它序列也不能存在6个以上碱基的同源序列.否则,引物就会与其它位点结合,使特异扩增减少,非特异扩增增加.
5．引物3’端配对DNA聚合酶是在引物3’端添加单核苷酸,所以,引物3’端5～6个碱基与靶DNA的配对要求必须精确和严格,这样才能保证PCR有效扩增.
引物设计是否合理可用PCRDESN软件和美国PRIMER软件进行计算机检索来核定.
人工合成的寡核苷酸引于最好经过色谱（层析）纯化或PAGE纯化,以除去未能合成至全长的短链等杂质.纯化引物在25%乙腈溶液中4℃保存可阻止微生物的生长；一般情况下,不用的引物应保存在-20℃冰箱中,在液体中引物能保存6个月,冻干后可保存1～2年.
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时间：2022-05-30 11:19
PCR（聚合酶链式反应）技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性→退火→延伸三个基本反应步骤构成：
①模板DNA的变性：模板DNA经加热至93℃左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应作准备。
②模板DNA与引物的退火（复性）：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合。
③引物的延伸：DNA模板--引物结合物在72℃、DNA聚合酶（如TaqDNA聚合酶）的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链。
重复循环变性→退火→延伸三过程就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2～4分钟，2～3小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。
扩展资料：
PCR反应条件为温度、时间和循环次数。温度与时间的设置：基于PCR原理三步骤而设置变性-退火-延伸三个温度点。在标准反应中采用三温度点法，双链DNA在90～95℃变性，再迅速冷却至40～60℃，引物退火并结合到靶序列上，然后快速升温至70～75℃。
在Taq DNA聚合酶的作用下，使引物链沿模板延伸。对于较短靶基因（长度为100～300bp时）可采用二温度点法，除变性温度外、退火与延伸温度可合二为一，一般采用94℃变性，65℃左右退火与延伸（此温度Taq DNA酶仍有较高的催化活性）。
参考资料：百度百科-聚合酶链式反应
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时间：2022-05-30 13:10
Chain
Reaction)，简称PCR，是一种分子生物学技术，用于放大特定的DN*段。可看作生物体外的特殊DNA复制。
DNA聚合酶（DNA
polymerase
I）最早于1955年发现
，而较具有实验价值及实用性的Klenow
fragment
of
E.
Coli
则是于70年代的初期由Dr.
H.
Klenow
所发现，但由于此酶不耐高温，高温能使之变性,
因此不符合使用高温变性的聚合酶链式反应。现今所使用的酶(简称
Taq
polymerase),
则是于1976年从
温泉中的细菌（Thermus
aquaticus）分离出来的。它的特性就在于能耐高温，是一个很理想的
酶，但它被广泛运用则于80年代之后。PCR最初的原始雏形概念是类似基因修复复制，它是于1971年由
Dr.
Kjell
Kleppe
提出。他发表了第一个单纯且短暂性基因复制（类似PCR前两个周期反应）的实验。而现今所发展出来的PCR则于1983由
Dr.
Kary
B.
Mullis发展出的，Dr.
Mullis当年服务于PE公司，因此PE公司在PCR界有着特殊的地位。Dr.
Mullis
并于1985年与
Saiki
等人正式表了第一篇相关的论文。此后，PCR的运用一日千里，相关的论文发表质量可以说是令众多其它研究方法难望其项背。随后PCR技术在生物科研和临床应用中得以广泛应用，成为分子生物学研究的最重要技术。Mullis也因此获得了1993年诺贝尔化学奖。
［PCR原理］
[编辑本段]
DNA的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。双链DNA在多种酶的作用下可以变性解链成单链，在DNA聚合酶与启动子的参与下，根据碱基互补配对原则复制成同样的两分子挎贝。在实验中发现，DNA在高温时也可以发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制DNA的变性和复性，并设计引物做启动子，加入DNA聚合酶、dNTP就可以完成特定基因的体外复制。
但是，DNA聚合酶在高温时会失活，因此，每次循环都得加入新的DNA聚合酶，不仅操作烦琐，而且价格昂贵，制约了PCR技术的应用和发展。
发现耐热DNA聚合同酶--Taq酶对于PCR的应用有里程碑的意义，该酶可以耐受90℃以上的高温而不失活，不需要每个循环加酶，使PCR技术变得非常简捷、同时也大大降低了成本，PCR技术得以大量应用，并逐步应用于临床。
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时间：2022-05-30 15:18
通过上述内容。可以看出有许多因素可以影响PCR的特异性，在此我们作一归纳，供大家参考：①退火步骤的严格性：提高退火温度可以减少不匹配的杂交，从而提高特异性。②减短退火时间及延伸时间可以减少错误引发及错误延伸。③引物二聚体是最常见的副产品，降低引物及酶的浓度也可以减少错误引发，尤其是引物的二聚化。④改变MgCl2(有时KCl)浓度可以改进特异性，这可能是提高反应严格性或者对Taq酶的直接作用。⑤模板中如果存在次级结构，例如待扩增的片段易自行形成发夹结构时，可在PCR混合物中的4×dNTPs中加入7-脱氮-2’-脱氧鸟苷-5’-三磷酸（7-deaza-2’-deoxyguanosine-5’-trihosphate）(de7GTP)。用de7GTP与dGTP比例为3：1的混合物（150μmol/l
de7GTP
+50μmol/L
dGTP）代替200μmol/l
dGTP，则可阻非特异性产物的生成。
五、扩增平坡
扩增反应并不是可以无穷地进行下去的，经过一定的循环周期后需扩增的片段不再按指数增多而逐渐进入平坡；进入平坡的循环次数，取决于起始时存在的模板拷贝数以及合成的DNA总量。所谓平坡就是批PCR循环的后期，合成产物达0.3～1pmol时，由于产物的堆积，使原来以指数增加的速率变成平坦的曲线。
造成PCR进入平坡的原因有：引物和dNTP等消耗完毕、Taq酶失活，这几中因素在标准反应中均不会出现。此外，还有几种可能：
1．底物过剩 因DNA合成量多于反应液中存在的Taq酶，在100μl反应液中含2.5Utaq酶而DNA合成量达1μg（3nmol脱氧核苷酸）时，开始变为底物过剩。延长延伸时间或添加Taq酶，可以克服之。但不实用，因每进行下一循环就要延长延伸时间一倍及多加一倍Taq酶，才能继续保持指数增长。
2．非特异性扩增产物的竞争 与上述情况密切相关，此时不需要的DN*段与需要的片段同时竞争聚合酶，要克服这一情况是要提高反应特异性，使不需要片段不能大量积聚。
3．退火时产物的单链自己缔合 两条单链的DN*段在退火时除了与引物缔合外，也可以自行缔合，这也会阻止产品增多。当产物浓度到达10pmol/100μl时即可发生此现象，除稀释外无法克服。
4．变性在高浓度产物条件下，产物解链不完全，以及最终产物的阻化作用（焦磷酸化，双链DNA）。
总而言之，PCR的条件是随系统的而异的，并无统一的最佳条件，先选用通用的条件扩增，然后稍稍改变各参数，可以达到优化，以取得优良的特异性和产率。
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时间：2022-05-30 17:43
