RACE原理及其应用

RACE 的简介
目前，全长基因的获得是生物工程及分子生物学研究的一个重点。

尽管已经有多种方法可以获得基因的全长序列，但在很多生物研究中，由于所研究的目的基因丰度较低，从而使得由低丰度mRNA 通过转录获得全长cDNA 很困难。

近年来发展成熟的cDNA 末端快速扩增(RACE)技术为从低丰度转录快速获得全长cDNA 提供了一个便捷的途径。

cDNA 末端快速扩增 (rapid amplification of cDNA ends，RACE)技术是一种基于 mRNA 反转录和 PCR 技术建立起来的、以部分的已知区域序列为起点，扩增基因转录本的未知区域，从而获得mRNA(cDNA)完整序列的方法。

简单的说就是一种从低丰度转录本中快速增长cDNA5’和cDNA3’末端，进而获得获得全长cDNA 简单而有效的方法，该方法具有快捷、方便、高效等优点，可同时获得多个转录本。

因此近年来RACE 技术已逐渐取代了经典的cDNA 文库筛选技术，成为克隆全长 cDNA 序列的常用手段。

第二 RACE 的原理
RACE 是采用PCR 技术由已知的部分cDNA 顺序来扩增出完整cDNA5’和3’ 末端，是一种简便而有效的方法，又被称为锚定PCR (anchoredPCR)和单边 PCR(one2side PCR)。

3’RACE 的原理
一)加入 oligo(dT)17 和反转录酶对 mRNA 进行反转录得到(-)cDNA；
二)以 oligo(dT)l7 和一个 35bp 的接头(dT17-adaptor)为引物，其中在引物的接头中有一在基因组 DNA 中罕见的限制酶的酶切位点。

这样就在未知cDNA 末端接上了一段特殊的接头序列。

再用一个基因特异性引物(3 amp)与少量第一链(-)cDNA 退火并延伸，产生互补的第二链(+)cDNA。

三)利用 3amp 和接头引物进行 PCR 循环即可扩增得到 cDNA 双链。

扩增的特异性取决于 3amp 的碱基只与目的 cDNA 分子互补．而用接头引物来取代 dT17 一 adaptor 则可阻止长(dT)碱基引起的错配。

5’RACE 的原理
5’RACE 与3’ RACE 略有不同。

首先，引物多设计了一个用于逆转录的基因特异引物GSP-RT；其次，在酶促反应中增加了逆转录和加尾步骤，即先用 GSP-RT 逆转录 mRNA 获得第一链(-)cDNA 后，用脱氧核糖核酸末端转移酶和dATP 在cDNA5’ 端加poly(A)尾，再用锚定引物合成第二链(+)cDNA，接下来与 3’ RACE 过程相同。

用接头引物和位于延伸引物上游的基因特异性引物(5amp)进行 PCR 扩增。

全长 cDNA 的获得
通过RACE 方法获得的双链cDNA 可用限制性内切酶酶切和southem 印迹分析并克隆。

通常的克隆方法是同时使用一个切点位于接头序列上的限制性内切酶和一个切点位于扩增区域内的内切酶。

由于大多数非特异性扩增的cDNA 产物不能被后一个限制性内切酶酶切，因而也就不会被克隆．从而增加了克隆的选择效率。

还可以用在基因特异性引物的5’端掺人一个限制性内切酶的酶切位点的方法来克隆。

最后，从两个有相互重叠序列的 3’和 5’RACE 产物中获得全长 cDNA。

或者通过分析RACE 产物的3’和5’端序列，合成相应引物来扩增mRNA 的反转录产物，从而获得全长 cDNA。

第三 RACE 的应用
RACE 技术主要是应用于对全长cDNA 序列的获得，但对该技术进行一定的修改后，也可在其它方面显示出极高的应用价值。

首先，RACE 技术可用于 cDNA 文库的构建及筛选。

Belyavaasky 等(1989)用10 个骨髓瘤细胞分离的总RNA，通过TdT 加同聚尾、(dT)16引物反转录，接着用(dC)13 和锚定引物扩增的方法建立了一个106 克隆的 cDNA 文库。

同时，用该方法构建文库的优点是它们都只需要很少量的实验材料。

建喜等(2001)利用 RACE 技术从已经构建的 cDNA 文库中成功克隆了家兔精子膜蛋白基因。

其次，应用 RACE 克隆已知片段的旁侧内部序列(neighboring internal sequence)。

Fritz 等(1991)以及 Struck 等(1994)分别用该法获得了 3’端和5’ 端的旁侧序列。

Zhang (1996)应用LA-PCR 方法获得了特异基因的5’末端非编码和编码序列，省去了构建及筛选基因组文库的麻烦。

王东等(2003)利用RT-PCR 和RACE 技术从玉米中获得一个长度为2469bp F2KP 蛋白基因的 cDNA 克隆。

此外，RACE 技术还可用于克隆同源基因的同源片断，为寻找同基因提供了一种方法。

除此之外，Whitcomb 等设计的随机引物/锚定PCR 能对克隆质粒载体上的靶序列进行定点删除，采用(N)10 锚随机引物和变性的质粒DNA 进行杂交，然后通过 T7 聚合酶来延伸，这样单链 DNA 就可被一随机引物和一基因特异性引物扩增，一端可达到缺失删除，缺失的片段可达 2Kb。

Balavoine 应用连接介导 PCR 从一种扁虫中克隆得到 8 个分别属于 Hox，msh，NK-1 和 NK-2 的含同源盒的片段，说明 RACE 可用于克隆同源基因的同源片段，为寻找同源基因提供了一种手段。

RACE 技术与生物信息学，例如EST 库相结合，具有快速，高效克隆新基因的特点，为快速钓取基因家族候选新成员提供新思路，如果一个基因是多基因家族的一个成员，用基因特异引物(GSP)可能同时扩增几个高度同源的Cdna.李红等利用一条cDNA 作为探针，通过BLASTN 从 GenBank 中整合出了 7 条更长的 EST，通过设计引物，利用RACE 扩增，得到了7 条新基因.相比单纯寻找新基因的全长，此种方法的结合充分利用了信息巨大的基因资源库，得到了更多的信息，获得新基因速度更快*效果更高，属一种颇具规模化的方法，很有应用前景。

总之，随着 RACE 技术的不断改进和完善，优化 PCR 扩增的条件以提高扩增的效率和忠实性，RACE 技术必将在基因克隆以及基因家族和基因表达变化等研究中发挥极大的作用。

第四 RACE 的优点与局限性
RACE 技术相对于其他方法克隆全长cDNA 来说具有价廉、简单和快速等特点。

用RACE 获得cDNA 克隆只需几天的时间，而且对丰度很低的起始反应物质，照样能迅速反馈是否有目的产物生成。

因此，可根据不同的RNA 制备来修订反转录条件，以满足全长cDNA 的获得。

同时，通过RACE 技术获得5’端调控序列和多聚腺苷化信号序列的信息，有助于选择引物以用于转录模型非常复杂的基因中扩增 cDNA 的亚群。

另外，RACE 技术能产生大量独立克隆，这些克隆可用来证实核苷酸序列，并使得被选择性剪接或开始用于很少使用的启动子的特殊转录物的分离成为可能。

RACE 技术从理论上来说是很简单的，但是实际操作中会面临许多技术上的难题。

许多研究人员发现，利用RACE 来获得全长基因并非如想像中那般成功，甚至经常会发生错误的扩增和克隆结果，多数情况下，5’端的编码区经常会由于反转录过程的不彻底而丢掉，特别是由于有大的转录物或者存在复杂的二级结构的时候，而且连接反应通常是特异性差效率很低，这样 PCR 成功进行就不能保证.尤其在长片段扩增时，PCR 就显得不那么有效.例如几个Kb 片段的产物就需要优化改变扩增条件，而且扩增结果经常出现非特异性扩增条带，使得选择目的条带变得十分困难，而对于丰度较低，长度较长的基因RACE 方法困难更大，这是困扰研究人员的一大难题。

由于RACE 扩增中经常出现由于引物的不匹配而导致的非特异性扩增，有时需要进行几轮巢式扩增来达到获得特异性扩增的目的，然而多轮扩增又容易提高PCR 反应的错误发生率，由于这些原因，利用RACE 技术通常不易获得所希望的结果。

尽管RACE 技术在应用中取得了很大的成功．但在实际操作过程仍有不少局限性。

一般来说导致失败的原因主要有二：第一，在逆转录、TdT 加尾、PCR 扩增这三个连接的酶促反应过程中，任何一步的失败都会导致前功尽弃；第二，即便是上述反应平稳顺利．但结果也通常会出现一些非特异性产物或非全长的产物。

因此，要保证RACE 技术的顺利进行，还需从不同方面进行改良优化。