⑴PCR技術的基本原理:該技術是在模板DNA、引物和四種脫氧核糖核苷酸存在下,依賴于DNA聚合酶的酶促合成反應。DNA聚合酶以單鏈DNA為模板,借助一小段雙鏈DNA來啟動合成,通過一個或兩個人工合成的寡核苷酸引物與單鏈DNA模板中的一段互補序列結合,形成部分雙鏈。在適宜的溫度和環境下,DNA聚合酶將脫氧單核苷酸加到引物3´-OH末端,并以此為起始點,沿模板5´→3´方向延伸,合成一條新的DNA互補鏈。
PCR反應的基本成分包括:模板DNA(待擴增DNA)、引物、4種脫氧核苷酸(dNTPs)、DNA聚合酶和適宜的緩沖液。類似于DNA的天然復制過程,其特異性依賴于與靶序列兩端互補的寡核苷酸引物。PCR由變性--退火--延伸三個基本反應步驟構成:①模板DNA的高溫變性:模板DNA經加熱至93℃左右一定時間后,使模板DNA雙鏈或經PCR擴增形成的雙鏈DNA解離,使之成為單鏈,以便它與引物結合,為下輪反應作準備;②模板DNA與引物的低溫退火(復性):模板DNA經加熱變性成單鏈后,溫度降至55℃左右,引物與模板DNA單鏈的互補序列配對結合;③引物的適溫延伸:DNA模板--引物結合物在TaqDNA聚合酶的作用下,以dNTP為反應原料,靶序列為模板,按堿基配對與半保留復制原理,合成一條新的與模板DNA 鏈互補的半保留復制鏈重復循環變性-退火-延伸三過程,就可獲得更多的“半保留復制鏈”,而且這種新鏈又可成為下次循環的模板。每完成一個循環需2~4分鐘, 2~3小時就能將待擴目的基因擴增放大幾百萬倍。
⑵PCR的反應動力學: PCR的三個反應步驟反復進行,使DNA擴增量呈指數上升。反應最終的DNA 擴增量可用Y=(1+X)n計算。Y代表DNA片段擴增后的拷貝數,X表示平(Y)均每次的擴增效率,n代表循環次數。平均擴增效率的理論值為100%,但在實際反應中平均效率達不到理論值。 反應初期,靶序列DNA片段的增加呈指數形式,隨著PCR產物的逐漸積累,被擴增的DNA 片段不再呈指數增加,而進入線性增長期或靜止期, 即出現“停滯效應” ,這種效應稱平臺期數、PCR 擴增效率及DNA聚合酶PCR的種類和活性及非特異性產物的竟爭等因素。大多數情況下,平臺期的到來是不可避免的。
⑶PCR擴增產物 :可分為長產物片段和短產物片段兩部分。短產物片段的長度嚴格地限定在兩個引物鏈5'端之間,是需要擴增的特定片段。短產物片段和長產物片段是由于引物所結合的模板不一樣而形成的,以一個原始模板為例,在第一個反應周期中, 以兩條互補的DNA為模板,引物是從3'端開始延伸, 其5'端是固定的,3' 端則沒有固定的止點,長短不一,這就是“長產物片段”。進入第二周期后,引物除與原始模板結合外,還要同新合成的鏈(即“長產物片段”)結合。引物在與新鏈結合時, 由于新鏈模板的5'端序列是固定的, 這就等于這次延伸的片段3'端被固定了止點, 保證了新片段的起點和止點都限定于引物擴增序列以內、形成長短一致的“短產物片段”。不難看出“短產物片段”是按指數倍數增加, 而“長產物片段”則以算術倍數增加, 幾乎可以忽略不計, 這使得PCR的反應產物不需要再純化,就能保證足夠純DNA片段供分析與檢測用。