多重PCR反应中关键因素和实验步骤

互联网2013-09-06

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多重 PCR反应循环条件的优化

延伸温度（步骤 5 ， A-C ） . Figure 2c 展示了当加入相等量 (0.4 μM each) 的四种用于扩增 Y 染色体上不同基因的引物进行多重 PCR 时，用程序 A 和程序 B 扩增得到的结果 (Table 2) ，程序 B 有更高的延伸温度 (72 ℃ ) 和更长的退火和延伸时间。总的来说，用程序 A 对 Y-1, Y-undefined 和 Y-4 的扩增得到了更高产量的 PCR 产物。此外，用程序 B 扩增时某些产物消失 (Y-1 、 Y-2) ，同时出现了某些非特异性的扩增产物 (Y-1 、 Y-undefined) 。程序 B 得到的结果更差一些，表明高的延伸温度减少了某些基因的扩增，尽管我们试图用长的退火时间和延伸时间来消除这种影响。

延伸时间（步骤 5 ， A, B 和 D ） . 在多重 PCR 中，由于同时扩增多个基因，酶和 dNTP 的缺乏就成为限制因素，就需要更多的时间来完成所有产物的合成。两个实验表明了延伸时间的影响。在一个实验中，一对 Y 染色体引物 (Y6BaH34pr, 910bp) 被加入 X 染色体引物混合物 (X-3) 中。结果表明 (Figure 3b) ，多重 PCR 中增加延伸时间 ( 程序 A 与程序 D) 可以增加较长的 PCR 产物的产量。在另一个实验中，用程序 C 和 A （ Figure 3a 和 Table 2 ）扩增四个 Y 染色体上的基因。当延长延伸时间时，所有基因的 PCR 产物量都增加了。

退火时间和退火温度 （步骤 5 ， A-D; Figure 1 ） . 将退火时间从 20 秒改为两分钟并未改变扩增效率，但退火温度却是最重要的参数之一。尽管许多基因能在退火温度为 56 ℃ �60 ℃被特异的扩增，我们的经验表明将退火温度降低 4 ℃ �6 ℃对于在多重 PCR 中扩增出同样的基因是必需的。 Figure 3, d�f 展示了这种情况，单独扩增时退火温度为 60 ℃的基因在多重 PCR 中退火温度为 54 ℃时最优。尽管在 54 ℃时可能出现非特异性扩增（如 Figure 3c ），但多重反应中并发的其他基因的特异扩增会消除非特异性扩增的影响。相似的，当同时扩增许多特异的基因时，扩增效率高的基因会使扩增效率低的基因的扩增产量降低。这是由于在 PCR 反应中酶和 d NTP 的供应是有限的，所有的产物都是由同样的一组原料生成。

PCR 循环数 . 引物混合物 Y-undefined 被用于扩增两个不同的基因组 DNA 样品，以不同的循环次数做多次实验 (Figure 4a) 。其中的一个基因组模板质量更高或 DNA 含量更高。可以看出，当循环数增加时，两组样品的各扩增带的产量都逐渐增加。 PCR 产物量增加最明显是在 25 个循环附近。通常对于一个反应， 28 至 30 个循环足矣，增加至 60 个循环对产物量无明显影响。

多重反应中试剂组分的优化

当使用同样的扩增程序时，不同的实验间存在差异 (Figures 2c 和 3a) 。解决重复性问题要求调节 PCR 反应组分。

引物的量 ( 步骤 5, B 和 C). 最初，在多重 PCR 反应中使用了相等物质量的引物（每种引物为 0.2�0.4 μ M ） (Figure 3c) 。但是扩增并非均一的，即使在优化了循环条件后，某些基因的扩增产物仍不明显。解决这一问题，要求改变反应中各种引物的比例，要增加"弱"基因的引物量，而要减少"强"基因的引物量。不同基因相对的引物终浓度有明显的差异 (0.04�0.6 μ M) ，这完全取决于经验。

dNTP和MgCl 2 的浓度（步骤 5D）.

dNTP. 用引物混合物 Y-4 检测了多重 PCR 反应中 dNTP 浓度的影响。氯化镁浓度保持恒定 (3 mM) ，而 dNTP 的浓度从每种 50 μ M 逐渐增加到每种 1200 μ M(Figure 4b) 。当 dNTP 浓度为每种 200 μ M 和每种 400 μ M 时结果最好，浓度继续增加时扩增被迅速抑制。降低 dNTP 浓度 (50 μ M) 不抑制扩增，但扩增产物的量会减少。 dNTP 母液对于反复冻融十分敏感，反复冻融 3�5 次后，多重 PCR 反应常常不能很好进行，扩增产物几乎完全不可见。为了避免这一问题，应分装出小份的 dNTP(25 mM each, 2�4 μ L, 10�20 次反应 ) ，冻存于 -20 ℃，使用前离心。 dNTP 的这种低稳定性在单一基因扩增中并不明显。

MgCl 2 . 在 dNTP 浓度为每种约 200 μ M 的标准 PCR 反应中 MgCl 2 的浓度建议为 1.5 mM 。为测试 MgCl 2 的影响，将 dNTP 浓度保持在 200 μ M 进行多重 PCR 反应 (mixture Y-3) ， MgCl 2 浓度从 1.8mM 逐渐增加到 10.8 mM (Figure 4c) 。随着 MgCl 2 浓度的逐渐升高，扩增反应的特异性逐渐增强（非特异性条带消失），产物量逐渐增多 (10.8 mM) 。在 MgCl 2 浓度为 20 mM 的 PCR 反应中，产物几乎不可见，似乎反应被抑制了。

dNTP/MgCl 2 的平衡 . Taq DNA 聚合酶正确工作时需要游离的镁离子 (9) （不包括与 dNTP 和 DNA 结合的镁离子）。这也许是 dNTP 浓度增加时扩增反应被迅速抑制 (Figure 4b) 而增加镁离子浓度能消除这种抑制现象 (Figure 4c) 的原因。通过对各种浓度 dNTP 和 MgCl 2 的组合实验发现，浓度为每种 200 μ M 的 dNTP 要得到最好的扩增结果需要 1.5�2 mM MgCl 2 ，而浓度为每种 800 μ M 的 dNTP 要得到最好的扩增结果至少需要 6�7mM 的 MgCl 2 。浓度为每种 200 μ M 的 dNTP 扩增反应要求的阈值为 1 mM MgCl 2 ，当 MgCl 2 低于这一阈值时，扩增会减少。

PCR 缓冲液（ Kcl ）的浓度 . PCR 缓冲液的比较 (Step 5, B�D).

KCl 或 PCR 缓冲液浓度 . 提高 PCR 缓冲液的浓度为 2x （或仅将 KCl 的浓度增加到 100mM ）可以提高多重 PCR 的效率 (Figure 4d 及 Figure 3, d�f) ，这种调节作用比调节 DMSO ，甘油或 BSA 更重要。通常产生长片断扩增产物的引物在低盐浓度下扩增结果更好，而产生短片断扩增产物的引物在高盐浓度下扩增结果更好，高盐浓度会使长片断扩增产物难于变性解链 ( 比较 Figure 4d 中 0.4x 缓冲液与 2.8x 缓冲液 ) 。例如， sY94 引物对 ( 熔点为 58 ℃ ) 在缓冲液的浓度为 0.8x 时扩增效果优于 sY88 引物对 ( 熔点为 58 ℃ ) 和 sY151 引物对 ( 熔点为 52 ℃ ) ，但在高的盐浓度条件下， sY94 引物对的扩增效果无明显优势。合适的缓冲液浓度可以克服产物大小和 GC 含量等因素的影响。

PCR 缓冲液的比较 . 我们还比较了原先提到的被称为 DMD 的多重 PCR 缓冲液 (6) 和相对简单的 KCl 缓冲液在多重 PCR 反应中的差异。 5x 的 DMD 缓冲液含有 83 mM(NH 4 ) 2 SO 4 , 335 mM Tris-HCl (pH8.8), 33.5 mM MgCl 2 , 50 mM β -mercaptoethanol （β－巯基乙醇）和 850 μ g/mL BSA ，缓冲液 DMD 的使用终浓度为 1x ，与 10% DMSO 和 1.5 mM each dNTP 同时使用 (1,2,4) 。实验表明用 1.6x 的常规 KCl 缓冲液比用 DMD 缓冲液扩增 DMD 基因 ( 引物混合物 X-1) 效果更好，明显见到更多的 PCR 产物 (Figure 4e) 。实验结果使用病人的 DNA 样品做了十二次重复，重复性很好。 KCl 缓冲液相对简单，便于调节和优化实验。低 dNTP 浓度时 Taq DNA 聚合酶的保真性更高 (9) 。使用 KCl 缓冲液（要求更少的 dNTP ）有利于对 PCR 产物做进一步的突变分析。

模板 DNA 的量和 Taq DNA 聚合酶 ( 步骤 5, A 和 D). 当每 25 μ L 反应体积中 DNA 的模板量为 30ng 到 500ng 时，混合物 Y-undefined 未表现出明显差异 (Figure 4f) ，然而当模板量低于 30ng 时，某些 PCR 产物的量会减少。当模板量很低时（ pg 级的 DNA ），扩增的效率与特异性可以通过进一步降低退火温度来优化，有时甚至要降低 10 ℃ �12 ℃（数据未显示）。使用引物混合物 Y-3(Figure 5a) 来测试不同 Taq DNA 聚合酶的浓度 (Perkin-Elmer) 。 Taq DNA 聚合酶的最适浓度为每 25 μ L 反应体积中 0.4 μ L 或 2U 。也许是由于 Taq DNA 聚合酶中甘油浓度过高，加入过多的 Taq DNA 聚合酶会导致不同基因扩增不平衡及背景的轻微增高。在 1.6xPCR 缓冲液中使用自制的五种不同来源的 Taq DNA 聚合酶（每 25 μ L 反应体积中加入 2U ）对 Y-4 引物混合物的反应体系扩增得到了相似的结果 (Figure 5b) 。

佐剂的使用： DMSO, 甘油 , BSA (Step 5E). 许多作者建议使用浓度范围为 5%�10% (v/v) 的 DMSO 和甘油来改善扩增的效率（提高产物量）和特异性（没有非特异性产物） (9) 。然而在多重反应中， DMSO 的使用会给出矛盾的结果。例如， 5% DMSO 增加了某些基因的产物量，减少了另一些基因的产物量，而对某些基因却没有任何影响 (Figure 5c) 。使用 5% 的甘油也得到了相似的结果。因此， DMSO 和甘油的调节对实验结果的影响要根据具体的实验来摸索。加入浓度达 0.8 μ g/ μ L BSA （比以前描述得更高）比加入 DMSO 和甘油更能提高 PCR 扩增的效率。 BSA 对任何基因的扩增都未产生抑制作用。