第三節 PCR操作範例及反應體系的組成
一、PCR操作範例
在一個典型的PCR反應體系中需加入：適宜的緩衝液、微量的模板DNA、4×dNTPs、耐熱性多聚酶、Mg2+和兩個合成的DNA引物。模板DNa 94℃變性1min，引物與模板40～60℃退火1min，72℃延伸2min。在首次循環前模板預變性3～5min；在末次循環後，樣品仍需繼續延伸3～5min以上，確保擴增的DNA為雙鏈DNA。為便於了解PCR反應中各成份的組成，加入量和反應條件，使人們以此為基礎，對不同的研究對象逐項改變來找到最佳反應條件，特列舉Perkin Elmer Cetus公司Gene Amp DNA試劑盒提供的典型反應條件供參考。
表22-1 PCR反應混合液
成分 加入體積（μl） 最終濃度 雙蒸餾水 53.5 10×反應緩衝液
[1]10.0 [1×]Mg
2+1.5mmol/l K
+50mmol/L 4×dNTPs(各1.25mmol/L) 16.0 各200μmol/L λ-DNA模板（全長48.5kD） 10.0 1ng/次 引物1,2（各25bp,20μmol/L）
[3,4]5.0 1.0μmol/L（100pmol） Taq聚合酶儲存液
[2]0.5 2U/100μl 總體積（pH8.3） 100.0 石蠟油 50～100.0
擴增條件：94℃60s,37℃60s,72℃120s,共25～30個循環。
註：[1]反應緩衝液[10×]含：100mmol/l Tris-HCl pH8.3(25℃),
15mmol/L KCl, 15mmol/L MgCl2,
0.01%(W/V)明膠（Sigma G2500）
[2]酶儲存緩衝液（-20℃）含：50%甘油，100mmol/l KCl,
20mmol/L Tris-HCl ph8.0
0.1mmol/L EDTA, 1.0mmol/L DTT
200μg/ml明膠
0.5%吐溫20，0.5% Nonidet P40
[3][4]引物，1，2：擴增λ-噬菌體基因中500bp的片段
引物1序列：7131～7155（5』）-GATGAGTTCGTGTCCGTACAACTGG-(3』)
引物2序列：7606～7630（5』）-GGTTATCGAAATCAGCCACAGCGCC-(3』)
注意（3』）端有2個bp互補故易生成50bp的雙體
二、PCR反應系統的組成
（一）PCR緩衝液（PCr Buffer）
用於PCR的標準緩衝液見PCR操作範例。於72℃時，反應體系的pH值將下降1個單位，接近於7.2。二價陽離子的存在至關重要，影響PCR的特異性和產量。實驗表明，Mg2+優於Mn2+，而Ca2+無任何作用。
1．Mg2+濃度Mg2+的最佳濃度為1.5mmol/L(當各種dNTP濃度為200mmol/L時)，但並非對任何一種模板與引物的結合都是最佳的。首次使用靶序列和引物結合時，都要把Mg2+濃度調到最佳，其濃度變化範圍為1～10mmol/L。Mg2+過量易生成非特異性擴增產物，Mg2+不足易使產量降低。
樣品中存在的較高濃度的螯合劑如EDTA或高濃度帶負電荷的離子基團如磷酸根，會與Mg2+結合而降低Mg2+有效濃度。因此，用作模板的DNA應溶於10mmol/l Tris-HCl(pH7.6)0.1mmol/L EDTA中。
dNTP含有磷酸根，其濃度變化將影響Mg2+的有效濃度。標準反應體系中4×dTNPs的總濃度為0.8mmol/L，低於1.5mmol/L的Mg2+濃度。因此，在高濃度DNA及dNTP條件時，必須相應調整Mg2+的濃度。
2．Tris -HCl緩衝液在PCR中使用10～50mmol/L的Tris –HCl緩衝液，很少使用其他類型的緩衝液。Tris緩衝液是一種雙極化的離子緩衝液，pKa為8.3(20℃),△pKa為0.021/℃。因此，20mmol/l Tris pH8.3(20℃)時，在典型的熱循環條件下，真正的pH值在7.8～6.8之間。
3．KCl濃度K+濃度在50mmol/L 時能促進引物退火。但現在的研究表明，NaCl濃度在50mmol/L時，KCl濃度高於50mmol/L將會抑制Taq酶的活性，少加或不加KCl對PCR結果沒有太大影響。
4．明膠明膠和BSA或非離子型去垢劑具有穩定酶的作用。一般用量為100μg/ml，但現在的研究表明，加或不加都能得到良好和PCR結果，影響不大。
5．二甲基亞碸（DMSO） 在使用Klenow片段進行PCR時DMSO是有用的；加入10%DM－SO有利於減少DNA的二級結構，使（G+C）%含量高的模板易於完全變性，在反應體系中加入DMSO使PCR產物直接測序更易進行，但超過10%時會抑制Taq DNA聚合酶的活性，因此，大多數並不使用DMSO。
（二）四種脫氧三磷酸核苷酸（4×dNTPs）
在PCR反體系中dNTP終濃度高於50mmol/L會抑制Taq酶的活性，使用低濃度dNTP可以減少在非靶位置啟動和延伸時核苷酸錯誤摻入，高濃度dNTPs易產生錯誤摻入，而濃度太低，勢必降低反應物的產量。PCR常用的濃度為50～200μmol/L，不能低於10～15μmol/L。四種dNTP的濃度應相同，其中任何一種濃度偏高或偏低，都會誘導聚合酶的錯誤摻入，降低合成速度，過早終止反應。
決定最低dNTP濃度的因素是靶序列DNA的長度和組成，例如，在100μl反應體系中，4×dNTPs濃度若用20μmol/L，基本滿足合成2.6μg DNA或10pmol的400bp序列。50μmol/L的4×dNTPs可以合成6.6μg DNA,而200μmol/L足以合成25μg/DNA。
購自廠商的dNTP溶液一般均未調pH，應用1mol/l NaOH將dNTP貯存液pH調至7.0，以保證反應的pH值不低於7.1。市購的游離核苷酸凍乾粉，溶解後要用NaOH中和，再用紫外分光光度計定量。
（三）引物的量
引物在PCR反應中的濃度一般在0.1～1μmol/L之間。濃度過高易形成引物二聚體且產生非特異性產物。一般來說用低濃度引物經濟、特異，但濃度過低，不足以完成30個循環的擴增反應，則會降低PCR的產率。
（四）Taq DNA聚合酶的量
典型PCR反應混合物中，所用酶濃度為2.5U/μl，常用範圍為1～4U/100μl。由於DNA模板的不同和引物不同，以及其它條件的差異，多聚酶的用量亦有差異，酶量過多會導致非特異產物的增加。
由於生產廠家所用兵配方、製造條件以及活性定義不同，不同廠商供應的Taq DNA聚合酶性能也有所不同。
Cetus公司酶定義是：1個酶單位是指在以下分析條件下，於74℃，30min內使10nmmol的dNTP摻入酸不溶性成分所需的酶。測定時間為10min，折算成30min摻入量。
分析條件為25nmol/L TAPS（三羥基-甲基-氨基丙烷磺酸鈉pH9.3,25℃）,50mmol/l KCl, 2mmol/L MgCl2,1mmol/L β-ME（巰基乙醇），dATP、dTTP、dGTP各200mmol/L，dCTP為100mmol/L(由不標記及α-32P標記混合)，12.μg變性鯡魚精子DNA，最終體積50μl。
（五）模板
單、雙鏈DNA或RNA都可以作為PCR的樣品。若起始材料是RNA，須先通過逆轉錄得到第一條cDNA。雖然PCR可以僅用極微量的樣品，甚至是來自單一細胞的DNA，但為了保證反應的特異性，還應用ng級的克隆DNA，μg水平的單拷貝染色體DNA或104拷貝的待擴增片段作為起始材料，模板可以是粗品，但不能混有任何蛋白酶、核酸酶、Taq DNA聚合酶抑制劑以及能結合DNA的蛋白。
DNA的大小並不是關鍵的因素，但當使用極高分子量的DNA（如基因組的DNA時），如用超聲處理或用切點罕見的限制酶（如Sal1和Not1）先行消化，則擴增效果更好。閉環靶序列DNA的擴增效率略低於線狀DNA，因此，用質粒作反應模板時最好先將其線狀化。
模板靶序列的濃度因情況而異，往往非實驗人員所控制，實驗可按已知靶序列量逆減的方式（1ng,0.1ng,0.001ng等），設置一組對照反應，以檢測擴增反應的靈敏度是否符合要求。
（六）石蠟油
PCR擴增時建議在混合物上面鋪一層石蠟油，減少PCR過程中尤其是變性時液體蒸發所造成的產物的丟失。研究表明，應用石蠟油可使擴增產量增加5倍，可能與石蠟油維持熱恆定和整個反應體系中鹽濃度有關。
三、電泳分析
在實際工作中常採用瓊脂糖凝膠電泳。一般情況下先在電泳緩衝液或凝膠中加1%溴化乙錠（EB）（每100ml加100μl），然後將已經製備好的1%～2%瓊脂糖凝膠（用電泳緩衝液配製）放入電泳槽內，加入待測樣品10μl，同時用分子量標準品作標記。瓊脂糖濃度應按分離DNA片段的大小進行選擇，一般用1.5%～2%，電泳電壓75V，待樣品進行凝膠內距膠末端1cm時，切斷電源，取出凝膠在紫外燈下直接觀察結果。
由於溴化乙錠可與雙鏈DNA形成結合物，在紫外燈下能發射螢光，使EB的螢光強度增強80～100倍，所以，電泳後凝膠在紫外燈下可直接觀察。一般肉眼觀察DNA量可達10ng，其螢光強度與DNA含量成正比。
DNA分子在凝膠中泳動速度決定於電荷效應及分子效應。前者由所帶淨電荷量決定，而後者與分子大小及構型有關。按照DNA分子大小，其凝膠濃度可做不同的調整。有條件的實驗室也可用聚丙烯醯胺凝膠電泳（PAGE）分析擴增的DNA片段。
表22-2 電泳檢測擴增結果，EB螢光顯色（254nm）
瓊脂糖（%） kb PAGR(%) bp 0.3 60～5 3.5 100～1000 0.6 20～1 0.7 10～0.8 5.0 80～500 0.9 7～0.5 8.0 60～400 1.2 6～0.4 12.0 40～200 1.5 4～0.2 20.0 10～100