PCR檢測試劑盒引物設計課堂
PCR引物設計的目的是為了找到一對合適的核苷酸片段,使其能有效地擴增模板DNA序列。 引物設計是PCR的關鍵,引物設計的原則總結如下:
1.引物最好在模板cDNA的保守區(qū)內設計。
DNA序列的保守區(qū)是通過物種間相似序列的比較確定的。在NCBI上搜索不同物種的同一基因,通過序列分析軟件(比如DNAman)比對(Alignment),各基因相同的序列就是該基因的保守區(qū)。
2.引物長度一般在15~30堿基之間。
引物長度(primer length)常用的是18-27 bp,但不應大于38,因為過長會導致其延伸溫度大于74℃,不適于Taq DNA 聚合酶進行反應。
3.引物GC含量在40%~60%之間,Tm值最好接近72℃。
GC含量(composition)過高或過低都不利于引發(fā)反應。上下游引物的GC含量不能相差太大。另外,上下游引物的Tm值(melting temperature)是寡核苷酸的解鏈溫度,即在一定鹽濃度條件下,50%寡核苷酸雙鏈解鏈的溫度。
有效啟動溫度,一般高于Tm值5~10℃。若按公式Tm= 4(G+C)+2(A+T)估計引物的Tm值,則有效引物的Tm為55~80℃,其Tm值最好接近72℃以使復性條件最佳。
4.引物3′端要避開密碼子的第3位。
如擴增編碼區(qū)域,引物3′端不要終止于密碼子的第3位,因密碼子的第3位易發(fā)生簡并,會影響擴增的特異性與效率。
5.引物3′端不能選擇A,最好選擇T。
引物3′端錯配時,不同堿基引發(fā)效率存在著很大的差異,當末位的堿基為A時,即使在錯配的情況下,也能有引發(fā)鏈的合成,而當末位鏈為T時,錯配的引發(fā)效率大大降低,G、C錯配的引發(fā)效率介于A、T之間,所以3′端最好選擇T。
6. 堿基要隨機分布。
引物序列在模板內應當沒有相似性較高,尤其是3’端相似性較高的序列,否則容易導致錯誤引發(fā)(False priming)。
降低引物與模板相似性的一種方法是,引物中四種堿基的分布最好是隨機的,不要有聚嘌呤或聚嘧啶的存在。尤其3′端不應超過3個連續(xù)的G或C,因這樣會使引物在GC富集序列區(qū)錯誤引發(fā)。
7. 引物自身及引物之間不應存在互補序列。
引物自身不應存在互補序列,否則引物自身會折疊成發(fā)夾結構(Hairpin)使引物本身復性。這種二級結構會因空間位阻而影響引物與模板的復性結合。引物自身不能有連續(xù)4個堿基的互補。
兩引物之間也不應具有互補性,尤其應避免3′ 端的互補重疊以防止引物二聚體(Dimer與Cross dimer)的形成。引物之間不能有連續(xù)4個堿基的互補。
引物二聚體及發(fā)夾結構如果不可避免的話,應盡量使其△G值不要過高(應小于4.5kcal/mol)。否則易導致產生引物二聚體帶,并且降低引物有效濃度而使PCR 反應不能正常進行。
8. 引物5′ 端和中間△G值應該相對較高,而3′ 端△G值較低。
△G值是指DNA 雙鏈形成所需的自由能,它反映了雙鏈結構內部堿基對的相對穩(wěn)定性,△G值越大,則雙鏈越穩(wěn)定。應當選用5′ 端和中間△G值相對較高,而3′ 端△G值較低(絕對值不超過9)的引物。引物3′ 端的△G 值過高,容易在錯配位點形成雙鏈結構并引發(fā)DNA 聚合反應。(不同位置的△G值可以用Oligo 6軟件進行分析)
9.引物的5′端可以修飾,而3′端不可修飾。
引物的5′ 端決定著PCR產物的長度,它對擴增特異性影響不大。因此,可以被修飾而不影響擴增的特異性。引物5′ 端修飾包括:加酶切位點;標記生物素、熒光、地高辛、Eu3+等;引入蛋白質結合DNA序列;引入點突變、插入突變、缺失突變序列;引入啟動子序列等。
引物的延伸是從3′ 端開始的,不能進行任何修飾。3′ 端也不能有形成任何二級結構可能。
10. 擴增產物的單鏈不能形成二級結構。
某些引物無效的主要原因是擴增產物單鏈二級結構的影響,選擇擴增片段時最好避開二級結構區(qū)域。用有關軟件(比如RNAstructure)可以預測估計mRNA的穩(wěn)定二級結構,有助于選擇模板。
實驗表明,待擴區(qū)域自由能(△G°)小于58.6l kJ/mol時,擴增往往不能成功。若不能避開這一區(qū)域時,用7-deaza-2′-脫氧GTP取代dGTP對擴增的成功是有幫助的。
11. 引物應具有特異性。
引物設計完成以后,應對其進行BLAST檢測。如果與其它基因不具有互補性,就可以進行下一步的實驗了。
值得一提的是,各種模板的引物設計難度不一。有的模板本身條件比較困難,例如GC含量偏高或偏低,導致找不到各種指標都十分合適的引物;用作克隆目的的PCR,因為產物序列相對固定,引物設計的選擇自由度較低。在這種情況只能退而求其次,盡量去滿足條件。