PCR：既是公主連結也是聚合酶鏈式反應

2020-09-05 鹿人甲的愛好小屋

作為一個生物狗，最近在摸魚的時候突然發現 「PCR」這三個對我來說充滿了不太美好回憶的字母像病毒一樣在各個群裡傳播。一瞬間我錯以為，生物學出圈了，21世紀真的是生物的世紀了。然而打開一看，什麼嘛，原來是公主連結（Princess connect Re；Dive）啊。

也許，這個PCR大家都很熟悉，但是我們生物圈內的PCR，多數人一定很陌生。

聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction）是目前生物研究中非常常用的一種技術。它的目的是獲得大量的目標DNA片段。就好像我們本來需要抓一條魚缸裡的孔雀魚做研究，本來魚很小不好抓，我們通過PCR把要研究的魚複製了一魚缸，這樣就很容易抓到了。當然，為了做到這一點可不容易。


圖1 為什麼我們需要PCR技術

在自然界中DNA複製時所遵循的原則是半保留複製。雙鏈DNA在酶的作用下解旋、解鏈成單鏈，在DNA聚合酶與啟動子的參與下，每一條單鏈根據鹼基互補配對原則複製成兩條與原始DNA同樣的雙鏈。PCR技術就是在體外重現這種自然複製過程。DNA在高溫時氫鍵打開，也會發生變性解鏈，當溫度降低後又可以復性成為雙鏈。因此，通過溫度變化控制DNA的變性和復性，並設計引物做啟動子，加入DNA聚合酶、dNTP就能做到目標基因的體外複製。

PCR由三個基本反應步驟構成：①模板DNA的變性：模板DNA經加熱至90~95℃一定時間後，模板DNA雙鏈發生解離，成為單鏈，以便於隨後引物和DNA結合，進行複製；②模板DNA與引物的退火（復性）：在模板DNA變性充分後，溫度降至50~60℃，此時引物會和模板DNA單鏈發生鹼基互補配對結合，形成DNA模板--引物結合物；③引物的延伸：DNA模板--引物結合物在DNA聚合酶的作用下，於70~75℃，以dNTP為反應原料，根據模板DNA序列，按鹼基互補配對原理，合成一條與模板DNA鏈互補的半保留複製鏈。這樣複製出的雙鏈DNA與我們的模板DNA鹼基組成一致。


圖2 PCR的反應步驟

至此，一次完整的複製就結束了，只要重複循環變性--退火--延伸三過程，就可獲得更多的「半保留複製鏈」，而且這些新合成的DNA鏈又可作為下一個循環所使用的的模板。每完成一個循環就是目標DNA的指數性增長，而時間僅需要2～4分鐘，只要2～3小時就能將目的基因擴增放大幾百萬倍，這使得對目標基因的檢測靈敏度非常高。當複製了足夠濃度的目標DNA之後，只需要用凝膠電泳，就可以得到我們所需要的DNA了。


圖3 白色條帶為DNA片段

然而大部分酶本質都是蛋白質，在高溫時會失活變性，因此技術發展在早期，每次循環都得加入新的DNA聚合酶，不僅實驗操作繁瑣，更主要的是這些酶的價格昂貴，使這項技術難以推廣，只是個中看不中用的花架子。當20世紀80年代時Saiki等人從黃石公園的溫泉中發現了一種新的水生嗜熱桿菌，在它的體內提取到一種耐熱的DNA聚合酶--Taq酶，這種酶可以耐受90℃以上的高溫而不失活變性，從此以後再也不需要每個循環重新加酶，這使得PCR技術變得方便快捷、同時也大大降低了成本，最終PCR技術得以大量應用，並逐步應用各個領域。

目前PCR技術在多個領域都有使用，比如基因診斷，安吉麗娜朱莉曾經做過乳腺癌基因檢測，發現她患病概率很高，隨後切除了乳房；微生物檢測，對物種特徵基因序列進行擴增之後可以區分不同微生物種類；同時在基因工程等方面也有所應用。在這次疫情期間，最早就是使用了PCR技術，幫助醫務工作者快速鑑定了物種序列，通過測序開展了後續的研究，同時在疫情早期，也是通過PCR的方式來進行核酸檢測確認患者。這項技術，改變了我們對生命科學的研究方式，極大的加速了我們對生命本質的研究。正如《紐約時報》所評論的：「PCR技術作為分水嶺，將生物學劃分為了兩個時代，那就是：前PCR時代和後PCR時代。」


引用資料

PCR技術應用舉例及發展前景 俞璐雲 浙江科技學院 農業經濟與科技 2018年14期

圖片來源

圖2 網絡來源

http://www.360doc.com/content/19/0202/23/52645714_812792175.shtml

圖1.3 自己畫的

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