PCR技术及其应用

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PCR技术原理及其应用

PCR技术原理及其应用

pcr技术原理及其应用
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目录
pcr技术原理 pcr技术的应用 pcr技术的优缺点 pcr技术的发展趋势 pcr技术的实际应用案例
01
pcr技术ห้องสมุดไป่ตู้理
pcr定义
Pcr(Polymerase Chain Reaction)即聚合酶链式反应,是一种在生物体外复制特定DNA的核酸合成技术。
03
除了用于目的基因的扩增,PCR技术还可以用于基因突变检测和基因分型等应用。通过比较正常人和患者基因序列的差异,PCR技术可以帮助科学家们发现与疾病相关的基因突变,为疾病的诊断和治疗提供依据。
案例一:pcr技术在基因克隆中的应用
案例二:pcr技术在疾病诊断中的应用
01
02
03
pcr技术在疾病诊断中发挥了重要作用,尤其是在感染性疾病和遗传性疾病的诊断中。通过检测病原体或特定基因序列的存在,PCR技术能够快速、准确地诊断疾病。
pcr技术的实际应用案例
01
基因克隆是生物技术领域的一项重要技术,它能够将特定的基因片段从复杂的基因组中分离出来。PCR技术在此过程中发挥了关键作用,通过高精度和高灵敏度的扩增,可以快速、准确地获取目标基因片段。
02
在基因克隆中,PCR技术主要用于目的基因的扩增和检测。通过设计特定的引物,PCR技术能够特异性地扩增目标基因片段,从而实现基因克隆的目的。
高温
90-95℃,变性,使双链DNA解旋。
pcr反应条件
02
pcr技术的应用
基因克隆
通过PCR技术,科学家可以快速、准确地获取特定基因片段,为基因克隆提供关键的DNA片段,从而实现基因的体外复制和遗传操作。
克隆步骤
首先,设计特定的引物,以便从模板DNA中扩增出所需的基因片段;然后,将模板DNA、引物和PCR反应所需的其他成分混合,进行PCR扩增;最后,将扩增得到的基因片段进行克隆,以便进一步的研究和应用。

PCR 技术及应用

PCR 技术及应用

PCR条件的选择
• DNA聚合酶
• 在其它参数最佳时,每100ul反应液中含12.5U(比活性为20U/pmol)Taq DNA聚合酶为佳。 然而,酶的需要量可根据不同的模板分子或引物 而变化。当优化PCR时,最好在每100ul反应体积 中加入0.5-5U酶的范围内试验最佳酶浓度。如果 浓度太高,则琼脂糖凝胶电泳中会出现非特异扩 增带;过低时,则靶序列产量很低。
引物及dNTP的优化
酶及溴酚蓝的优化
PCR反应的最佳模式(CT为例)
• • • • • • • • • CT DNA PCR最佳反应体系: 反应混合物 终浓度 20×反应缓冲液 1× dNTP混合物 200M 引物Ⅰ 15pmol 引物Ⅱ 15pmol MgCl2溶液 2.0mM 无菌去离子水至 26l/反应管 取26l反应混合物,加入已经分装的Taq DNA聚合酶1u (固定化的酶)的离心管中, 加入2l待测DNA模板,混匀,铺上石蜡,37℃保温10分钟,然后进行PCR循环: 94℃ 300秒 – 94℃ 45秒 – 55℃ 45秒 35次循环 – 72℃ 45秒 – 72℃ 300秒
PCR反应基本原理
Mullis在建立PCR发明的初期,仅采用非常简单的三种温 度水浴进行实验,应用的是大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ的 Klenow片段来催化复性引物的延伸效应。由于该酶会在进 行DNA变性的温度下失活,所以每一轮反应中都要添加一 次酶,扩增片段的长度受到限制,操作繁琐。1988年, Saiki把一种耐热的DNA聚合酶(Taq DNA聚合酶)引入PCR 后,PCR技术的应用进入了实用阶段,随后PE-Cetus公司 推出了第一台PCR热循环仪,使该技术的自动化成为现实。 PCR技术在微生物学,遗传病学,肿瘤学和法医学领域中 的应用越来越广,据文献报道PCR技术用于检测病原体的 种类已超过100多种。

PCR技术的原理与应用

PCR技术的原理与应用

PCR技术的原理与应用PCR(聚合酶链式反应)技术是一种体外扩增DNA的方法,其原理是在适当的条件下,通过对DNA序列的短端引物的特异性杂交和聚合酶的扩增作用,来快速合成指定序列的DNA。

PCR技术的应用非常广泛,涵盖了医学、生物学、农业等领域。

本文将分别从原理和应用两方面详细介绍PCR技术。

1.变性:将DNA的双链分离为单链,通常是通过加热至90-95摄氏度进行变性。

高温使DNA的双链断裂,形成两条单链,用于之后的PCR反应。

2.退火:将反应体系温度降低至50-60摄氏度,加入两个引物(即DNA的扩增首尾序列),引物通过碱基对特异性杂交到DNA模板的特定区域上。

3.延伸:将温度升高至72摄氏度,引物上的聚合酶开始将引物区域上的DNA模板扩增。

由于引物的方向相对,两个引物同时在相应的模板序列两侧将DNA扩增。

通过这三个步骤的循环,可以指数级地扩增特定DNA片段,从而使其可以被快速检测和分析。

1.分子诊断:PCR技术广泛应用于临床医学中的分子诊断。

通过扩增其中一种病原体的DNA片段,可以快速诊断感染或遗传病。

例如,HIV的检测、乳腺癌的早期诊断等。

2.犯罪学:PCR技术可以对指定的DNA样本进行扩增,并通过比对DNA指纹数据库来进行罪犯的辨认。

这一技术在犯罪学中被广泛应用。

3.基因工程:通过PCR技术可以扩增特定基因,然后进行突变或重组。

这一技术在基因工程研究和基因治疗中发挥了重要作用。

4.农业:PCR技术可以用于快速检测转基因作物,对粮食和蔬菜进行品种鉴定。

同时,PCR技术还可以被用于植物病理学研究、基因组学研究等。

5.法医学:PCR技术可以通过对DNA标记位点的扩增,来对遗传证据进行鉴定。

例如,通过扩增DNA片段并与被疑犯的DNA进行比对,从而确定罪犯的身份。

总之,PCR技术是一种简便、快速和高效的DNA扩增方法。

通过合理设计引物和选择合适的参数,可以对特定DNA片段实现精确扩增。

其在医学、生物学、农业等领域都有广泛的应用,为相应领域的科研和实践提供了强有力的工具。

PCR技术的原理及其应用

PCR技术的原理及其应用

3
生物制药质量控制
PCR技术可用于生物制药过程中的质量控制,如 检测产品中特定基因序列的存在和表达情况。
06
PCR技术挑战与发展 趋势
灵敏度、特异性及通量提升
灵敏度提升
通过优化反应体系、提高引物设计和使用高效的DNA聚合 酶等手段,可以降低PCR检测的限度,提高灵敏度。
特异性增强
采用更严格的引物设计、使用热启动PCR、增加退火温度 等方法可以减少非特异性扩增,提高PCR的特异性。
应用
实时荧光定量PCR广泛应用于基因表达分析、病原体检测、SNP分型等领域,具有灵敏度高、特异性 强、可定量等优点。
逆转录PCR
原理
逆转录PCR(RT-PCR)是一种将RNA逆转录成cDNA,再进行PCR扩增的方法。该技术结合了RNA提取、逆转 录和PCR扩增三个步骤,可用于检测细胞中特定基因的表达情况。
DNA复制特点
DNA复制具有半保留复制、边解旋边复制以及需要引物等特 点。
引物设计与合成
引物设计原则
引物是PCR扩增的关键因素之一 ,设计时需要遵循一定的原则, 如长度适中、GC含量合理、避免 引物二聚体形成等。
引物合成方法
引物可以通过化学合成或生物合 成的方法获得,其中化学合成方 法更为常用,包括固相亚磷酰胺 法和液相合成法。
应用
逆转录PCR广泛应用于基因表达分析、病毒检测、RNA编辑等领域。通过比较不同样本或不同处理条件下的基因 表达差异,可以揭示生物学过程中的调控机制。
其他PCR变种技术
要点一
原理
除了上述常规PCR技术外,还有许多其他PCR变种技术, 如多重PCR、不对称PCR、热启动PCR等。这些技术通过 改进PCR反应条件或引入新的策略,提高了PCR的特异性 、灵敏度和通用性。

PCR技术及其应用(医学分子生物学)

PCR技术及其应用(医学分子生物学)
PCR技术及其应用(医学分 子生物学)
PCR技术是一种在实验室中用于从极微小的DNA样本中进行扩增的技术。它采 用特定的酶系统和温度循环,使得DNA片段可以被放大成大量可见的形式。
PCR技术原理
PCR技术利用DNA聚合酶在体外合成DNA的特性。它涉及三个主要步骤:变性、引物结合和扩增。
PCR技术应用领域
基因组学研究
PCR技术在基因组学研究中发挥着重要作用,可以用于从复杂基因组中扩增特定的DNA区域。
遗传疾病诊断
PCR技术可以用于检测携带有致病基因突变的人群,帮助进行早期诊断和预防。
法医学鉴定
PCR技术在法医学中可用于鉴定嫌疑犯的DNA,为犯罪调查提供重要证据。
PCR技术在医学研究中的应用
基因表达研究
2
基因突变筛查
PCR技术可以用于筛查各种遗传性疾病的突变,帮助早期诊断和预后评估。
3
体外受精
Hale Waihona Puke PCR技术在体外受精过程中可以检测和筛查胚胎的遗传疾病,提高受孕成功率。
PCR技术在药物研发中的应用
1 药物代谢研究
PCR技术可以用于研究药物在人体内的代谢途径和速度,以及相关的影响因素。
2 毒性评估
PCR技术可以检测和分析药物对细胞和组织的毒性作用,帮助评估药物的安全性。
PCR技术可以检测和定量特定基 因的表达水平,帮助解析基因功 能。
细胞株鉴定
PCR技术可用于验证和鉴定细胞 株是否为纯种,以确保实验结果 的准确性。
基因克隆
PCR技术可以在研究中克隆和扩 增特定的基因序列,为后续研究 提供材料。
PCR技术在临床诊断中的应用
1
病原检测
PCR技术可以迅速检测出引起感染的病原微生物,为精确诊断和治疗提供依据。

PCR技术的原理及应用

PCR技术的原理及应用

PCR技术的原理及应用PCR(Polymerase Chain Reaction)技术是一种在体外扩增DNA分子的方法,可以快速、高效地制备大量的特定DNA序列。

PCR技术的原理主要包括三个步骤:变性、引物结合和DNA合成。

首先是变性步骤。

DNA双链会在高温(通常为94-98℃)下变性,即两条链分离成两条单链。

这一步的目的是断开氢键,使DNA分子完全解旋成单链,为下一步的引物结合提供条件。

接下来是引物结合步骤。

在降温到50-65℃的温度下,引物会结合到单链DNA上的互补序列上。

引物是两端能够与目标序列互补配对的短链DNA分子,通常由实验者设计合成。

引物结合的位置取决于目标DNA序列的两端,这两个位置是实验者在设计引物时需要仔细考虑的。

引物结合完成后,可以通过温度升高将引物与模板DNA分离。

最后是DNA合成步骤。

在70-75℃的温度下,引物就位后,酶Taq DNA聚合酶会在模板DNA上合成新的DNA链。

Taq DNA聚合酶是特殊的热稳定酶,能够耐受高温,因此可以在高温下工作。

合成的DNA链以双链DNA的形式存在,成为新的模板DNA,重复上述步骤,即可实现DNA的指数级扩增。

1.分子诊断:PCR可以用于检测和诊断疾病,如感染病毒、细菌等。

例如,通过设计特异引物,PCR可以快速检测是否患有COVID-19病毒。

2.基因克隆:PCR可以用于检测和扩增目标DNA序列,从而进行基因克隆。

在基因工程中,通过PCR技术可以扩增目标基因,然后将其插入到载体中进行进一步研究。

3.DNA测序:PCR可以用于扩增目标DNA片段,然后进行测序。

PCR 测序是测序技术中的一种常用方法,可以用于测序新发现的基因序列或研究特定目标基因的序列。

4.基因表达分析:PCR可以用于检测和量化基因的表达水平。

通过设计特异引物,可以扩增目标基因的cDNA,然后通过定量PCR等方法可以分析基因的表达水平。

5.遗传多态性研究:PCR可以用于检测和分析不同个体之间的遗传多态性。

PCR技术及应用

PCR技术及应用

2、引物的设计: 引物包括两条,即5/端引物和3/端引物。 引物决定PCR扩增产物的特异性和长度
引物设计的基本要求: (1)引物长度: 15~30 nucleotides (2)碱基的分布尽可能随机,避免出现嘌 呤或嘧啶碱基的堆积现象。 No GGG or CCC at 3’-end (G+C) 45%~ 55% Tm=4(G+C)+2(A+T)
(3)dNTP 能与Mg2+结合,使游离的Mg2+ 浓度降低
5)镁离子浓度 TaqDNA聚合酶的激活剂 Mg2+对PCR扩增的特异性和产量有显著 的影响;在一般的 PCR反应中,各种NTP浓 度为200umol/L时,Mg2+浓度为1.5~2.0 mmol/L为宜; Mg2+浓度过高,反应特异性降低,出现非 特异扩增, 浓度过低会降低,Taq DNA聚合酶的活性 不够,使反应产物减少。
PCR技术简史
• DNA的复制 • 核酸体外扩增的设想 • 聚合酶链反应的发明
• 1985年,美国PE-Cetus公司的Mullis等人发明了 聚合酶链反应(PCR)
• 基本原理是在试管中模拟细胞内的DNA复制
• 最初采用E-coli DNA聚合酶进行PCR,由于该酶 不耐热,使这一过程耗时,费力,且易出错 • 耐热DNA聚合酶的应用使得PCR能高效率的进行, 随后PE-Cetus公司推出了第一台PCR自动化热循 环仪 • 1993年,Mullis等因此项技术获诺贝尔化学奖
含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA 复制起始区域的复合结构称为引发体。
复制的起始
3
5 3
引物
5
引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。
复 制 过 程 简 图

PCR技术及应用

PCR技术及应用
PCR技术及其应用
聚合酶链式反应
——PCR技术
PCR (Polymerase chain reaction) 是用一对寡聚DNA 作为引物,通过加温变性-退火-延伸(DNA合成) 这一周期的多次循环,使目的DNA片段得到扩增。 由于这种扩增产物是以指数形式积累的,经25~30 个循环后,扩增倍数可达106。

中国的状况 1991年出现三个水浴锅+机械手的原始PCR仪(华美,复日等) 现在以半导体(Peltier板)制冷式为主(杭州博日,上海天呈, 厦门安普 利等)
耐高温DNA聚合酶的种类
Taq
DNA聚合酶 Tth DNA聚合酶 Pfu DNA聚合酶
Tfl
(Thermus aquaticus,Cetus/Roche)
目前,TALEN 已经成功应用于酵母、 哺乳动
物和植物的位点特异性基因打靶,与锌指核酸 酶系统相比有较大的应用优势,但仍然有些问 题需要解决,例如:脱靶效应、TALEN 与基因 组进行特异结合与染色体位置及邻近序列有关 等。
3. CRISPR /Cas9 基因组编辑技术

CRISPR (Clustered regularly interspaced short
充满梦想却幻灭的ZFN:
难以完全找到匹配的3连子锌指; • Off-target 严重 • 美国加州大学Dave Segal教授说: “ With zinc fingers, we have to let the DNA tell us where we target”。

2. TALEN 基因组编辑技术
PCR不只是一个方法改进
Mullis的上司有句“名言”,“我们
要扩增这么多DNA样品有什么用”。 到了1991,Cetus公司以3亿美元的 转让费将PCR相关专利转让给瑞士 Hoffman LaRoche公司,并在此后 的经营中又获得了数亿美元的分红。 Mullis于1993年获得诺贝尔化学奖, PCR和DNA重组技术一样意义深远。
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Frequently used PCR methods
Overlap-extension PCR
Frequently used PCR methods
Nested PCR
Frequently used PCR methods
Real-Time PCR (quantitative PCR)
Detect fluorescence for each cycle
Iso-Thermal PCR
Iso-Thermal
Fast
Sensitive
LAMP / RPA
Loop-mediated isothermal amplification (LAMP)
Recombinase polymerase amplification
Two primers
Quantitativable
Quantitaive by amplification curve
Quanlity control
Real-Time PCR
double-stranded DNA-binding dye
Real-Time PCR (quantitative PCR)
Detect fluorescence for each cycle
PCR in forensic science
variable number of tandem repeats
Short Tandem Repeat Mitochondria Sequencing
PCR in forensic science
variable number of tandem repeats
Genetic testing
Tissue typing
Tumor target typing
Cell Free DNA analysis
major current techniques for analyzing fetal chromosomes
PCR in diagnosis of fetal heredopathia
Short Tandem Repeat
Mitochondria Sequencing
PCR in forensic science
Sex discernment
Y-chromosome specific DNA
Medical application of PCR
Medical applications
Fetal sex discernment
Procedure
DYS14 gene
SRY gene
DAZ gene
Initialization step
Denaturation step
Annealing step Elongation step Final elongation
20~40 Cycles
Exponential amplification
Leveling off stage Plateau
Final hold
Evolution of machines for PCR
3
1
2
4
PCR Optimization
Proofreading DNA Polymerase Pfu, KOD …
Contamination Polymerase errors
Hairpins
GC-rich Template
DMSO, betaine Redesign Primers
Primer Design: avoid failure of amplification
High difference between product and primer melting temperatures.
3'-end dimer between the Forward and Reverse primers.
Real-Time PCR (quantitative PCR)
Quanlity control by melting curve
Real-Time PCR
Fluorescent reporter probe
Real-Time PCR
Pathogen Diagnosis microRNA Diagnosis heredopathia Diagnosis
PCR Reagents
Template DNA Primers
dNTP DNA Polymerase
Buffer ealling
v.s.
DNA polymerase
Why primers are essential for DNA polymerase?
PCR procedure & stages
Reverse Transcription PCR
Real-Time PCR (quantitative PCR)
Overlap-extension PCR
Nested PCR
Isothermal PCR
Frequently used PCR methods
Reverse Transcription PCR
3'-end Forward Primer dimer.
Terminal stability of the Forward Primer is too high.
Primer Design: avoid failure of amplification
PCR methods
Frequently used PCR methods
Hot-Start Polymerase
Non-specific priming
Primer dimers Magnesium concentration Deoxynucleotides
PCR Optimization: Primer Design Softwares
Primer3: Command line style design tool
Baby gender blood tests
Fetal sex discernment
Chorionic villus sampling after the 11th~15th week of pregnancy risk of damage to the fetus Obstetric ultrasonography after the 13th week of pregnancy Accuracy: ~90% Cell-free fetal DNA after the 7th week of pregnancy Accuracy: ~98%
Primers for amplification of human b-actin genomic DNA region
Primer Design: avoid failure of amplification
5’-primer: stem-loop structure with high melting temperature
医学分子细胞生物学研究方法
PCR技术在医学中的应用
What is PCR
Why do PCR
How to PCR
polymerase chain reaction (PCR)
Developed in 1983 by Kary Mullis
1993年的诺贝尔化学奖
Animation of PCR
Primer premier: Multi-Oligo design for probes or primers
Oligo 7:
Single paired primers design for PCR
e-PCR (NCBI) Avoid non-specific amplification by blast
Sensitive
Long Primers
Application of PCR
Application of PCR
Selective DNA isolation
Amplification and Quantification
PCR in forensic science
PCR in diagnosis of diseases
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