提高PCR反应的特异性的策略
1.热启动PCR
热启动PCR的原理是:通过抑制一种基本成分来延迟DNA合成开始,直到PCR仪达到变性温度。尽管Tag DNA聚合酶的最佳延伸温度在72~74℃,但其在室温仍然具有活性,因此,在进行PCR反应配置过程中,以及在热循环刚开始,温度低于退火温度时仍然会产生非特异性的产物。这些非特异性产物一旦形成,就会被有效扩增,所以减少热循环开始前的DNA合成反应就可以大大减少非特异性的扩增。热启动PCR是除了好的引物设计之外,提高PCR特异性最重要的方法之一。热启动PCR的方法可以分为手动和自动两种。
手动热启动PCR是通过延缓加入一种PCR基本组分来避免DNA合成反应在未达到变性温度前就开始,如在完成预变性后再加入Taq DNA聚合酶,使PCR开始。手动热启动PCR的缺点是十分烦琐,无法实现高通量的应用,此外在高温时打开PCR管的盖子容易造成水分蒸发,使PCR体系发生变化。对于热启动要求不高的常用方法是在冰上配制PCR反应液,然后再放到预热的PCR仪上进行反应,这种方法简单、成本低,但并不能完全抑制DNA聚合酶的活性,因此不能完全消除非特异性产物的扩增。
自动热启动PCR是通过抑制DNA合成在达到变性温度之前开始来实现的。早期的热启动是使用蜡防护层将一种基本成分(如镁离子或酶)包裹起来,或者将反应成分(如模板和缓冲液)物理地隔离开。在热循环达到变性温度时,蜡熔化,各种成分释放出来并混合在一起。与手动热启动方法一样,蜡防护层法的制作比较烦琐,容易被污染,也不适用于高通量应用。
目前的热启动PCR是基于DNA聚合酶的自动热启动PCR,它的原理是使DNA聚合酶在高温下才被活化,避免在未达到设定温度前就开始反应。这类酶主要包括化学修饰的Taq DNA聚合酶、抗体结合的DNA聚合酶和PCR抑制剂结合的Tag DNA聚合酶。
化学修饰的Taq DNA聚合酶,也称Hotstart Tag,在常温下,它的活性被化学基团封闭,要在94~95℃加热数分钟(10~15 min)才能恢复正常活力开始反应。这种酶的特点是:价格较便宜,但它需要94~95℃加热数分钟才能恢复活力,会在一定程度上缩短酶的半衰期,抑制酶的扩增效率。
抗体结合的Taq DNA聚合酶,商品名为Platinum Taq,它是一种复合有抗Taq DNA聚合酶单克隆抗体的重组Taq DNA聚合酶。此酶在常温下活性被封闭,要在94~95℃下加热数分钟(2~5 min)才能够恢复酶活性。其特点是:与经化学修饰的Taq DNA聚合酶相比,Platinum Taq保真度较高,不需要在94℃延时保温(10~15 min)以激活聚合酶,扩增效率较高。
PCR抑制剂结合的Taq DNA聚合酶,商品名为HotMasterTM Taq DNA聚合酶,它利用一种温度依赖性方式来可逆地阻断酶的活性。HotMasterTM Taq DNA聚合酶在温度低于40℃时,以非活性的酶—抑制剂复合物的形式存在,在高温条件下抑制剂与酶分离,聚合酶的活性立即恢复,抑制剂是热稳定的,当温度再降低时又能重新形成非活性的酶—抑制剂复合物,所以这种抑制过程随着PCR的热循环是可逆的。与一般热启动Taq DNA聚合酶的不同之处在于,一般的热启动Tag DNA聚合酶只在第一步温度升高之前封闭酶的活性,而HotlasterTM Taq DNA聚合酶不但能在反应的起始阶段提供热启动控制,而且可以使每个PCR循环过程在退火时达到冷终止的效果。其特点是:热启动更严格,最大程度减少PCR扩增全程中的非特异性扩增产物的非特异性合成,但酶的价格相对较贵。
2.巢式PCR
巢式PCR是一种变异的聚合酶链式反应,使用两对或者三对(而非一对)PCR引物扩增完整的片段。第一对PCR引物(也称外引物)扩增片段和普通PCR相似。第二对引物(称为巢式引物)结合在第一次PCR产物内部(也因此称为内引物),使得第二次PCR扩增片段短于第一次扩增。巢式PCR的好处在于,如果第一次扩增产生了错误片段,则第二次能在错误片段上进行引物配对并扩增的概率极低,因此,巢式PCR扩增的目标序列特异性非常高。
巢式PCR需要两到三对引物,一般采用第一套引物扩增15~30个循环,再用扩增DNA片段内设定的第二套引物扩增15~30个循环,这样可使待扩增序列得到高效扩增,而次级结构却很少扩增。巢式引物PCR减少了引物非特异性退火,从而增加了特异性扩增,提高了扩增效率。
若将PCR的内外引物稍加改变,延长外引物长度(25~30 bp),同时缩短内引物长度(15~17 bp),使外引物先在高退火温度下复性,做双温扩增,然后改换至三温循环,使内引物在外引物扩增的基础上,在低退火温度复性,直到扩增完成,这样就可以使两套引物一次同时加入。
3.降落PCR
降落PCR的原理是随着退火温度的降低,特异性逐步降低,但特异性条带在温度较高时已经扩增出来,其浓度远远超过非特异性条带。
降落PCR选择初始复性温度的原则是起始复性温度应该比引物的T m 高出5~10℃,以后每次循环递减1~2℃,在T m 扩增10~25次循环。