PCR引物設計原則

2022-01-12 實驗之家

1、引物最好在模板cDNA的保守區內設計


DNA序列的保守區是通過物種間相似序列的比較確定的。在NCBI上搜索不同物種的同一基因,通過序列分析軟體(比如DNAman)比對(Alignment),各基因相同的序列就是該基因的保守區。



引物長度(primer length)常用的是18-27 bp,但不應大於38,因為過長會導致其延伸溫度大於74℃,不適於Taq DNA 聚合酶進行反應。


3、引物GC含量在40%~60%之間,Tm值最好接近72℃


GC含量(composition)過高或過低都不利於引發反應。上下遊引物的GC含量不能相差太大。另外,上下遊引物的Tm值(melting temperature)是寡核苷酸的解鏈溫度,即在一定鹽濃度條件下,50%寡核苷酸雙鏈解鏈的溫度。有效啟動溫度,一般高於Tm值5~10℃。若按公式Tm= 4(G+C)+2(A+T)估計引物的Tm值,則有效引物的Tm為55~80℃,其Tm值最好接近72℃以使復性條件最佳。



如擴增編碼區域,引物3′端不要終止於密碼子的第3位,因密碼子的第3位易發生簡併,會影響擴增的特異性與效率。



引物3′端錯配時,不同鹼基引發效率存在著很大的差異,當末位的鹼基為A時,即使在錯配的情況下,也能有引發鏈的合成,而當末位鏈為T時,錯配的引發效率大大降低,G、C錯配的引發效率介於A、T之間,所以3′端最好選擇T。



引物序列在模板內應當沒有相似性較高,尤其是3』端相似性較高的序列,否則容易導致錯誤引發(False priming)。降低引物與模板相似性的一種方法是,引物中四種鹼基的分布最好是隨機的,不要有聚嘌呤或聚嘧啶的存在。尤其3′端不應超過3個連續的G或C,因這樣會使引物在GC富集序列區錯誤引發。



引物自身不應存在互補序列,否則引物自身會摺疊成髮夾結構(Hairpin)使引物本身復性。這種二級結構會因空間位阻而影響引物與模板的復性結合。引物自身不能有連續4個鹼基的互補。  

兩引物之間也不應具有互補性,尤其應避免3′ 端的互補重疊以防止引物二聚體(Dimer與Cross dimer)的形成。引物之間不能有連續4個鹼基的互補。  

引物二聚體及髮夾結構如果不可避免的話,應儘量使其△G值不要過高(應小於4.5kcal/mol)。否則易導致產生引物二聚體帶,並且降低引物有效濃度而使PCR 反應不能正常進行。


8、引物5′ 端和中間△G值應該相對較高,而3′ 端△G值較低


△G值是指DNA 雙鏈形成所需的自由能,它反映了雙鏈結構內部鹼基對的相對穩定性,△G值越大,則雙鏈越穩定。應當選用5′ 端和中間△G值相對較高,而3′ 端△G值較低(絕對值不超過9)的引物。引物3′ 端的△G 值過高,容易在錯配位點形成雙鏈結構並引發DNA 聚合反應。(不同位置的△G值可以用Oligo 6軟體進行分析)



引物的5′ 端決定著PCR產物的長度,它對擴增特異性影響不大。因此,可以被修飾而不影響擴增的特異性。引物5′ 端修飾包括:加酶切位點;標記生物素、螢光、地高辛、Eu3+等;引入蛋白質結合DNA序列;引入點突變、插入突變、缺失突變序列;引入啟動子序列等。 引物的延伸是從3′ 端開始的,不能進行任何修飾。3′ 端也不能有形成任何二級結構可能。



某些引物無效的主要原因是擴增產物單鏈二級結構的影響,選擇擴增片段時最好避開二級結構區域。用有關軟體(比如RNAstructure)可以預測估計mRNA的穩定二級結構,有助於選擇模板。實驗表明,待擴區域自由能(△G°)小於58.6l kJ/mol時,擴增往往不能成功。若不能避開這一區域時,用7-deaza-2′-脫氧GTP取代dGTP對擴增的成功是有幫助的。



引物設計完成以後,應對其進行BLAST檢測。如果與其它基因不具有互補性,就可以進行下一步的實驗了。  

值得一提的是,各種模板的引物設計難度不一。有的模板本身條件比較困難,例如GC含量偏高或偏低,導致找不到各種指標都十分合適的引物;用作克隆目的的PCR,因為產物序列相對固定,引物設計的選擇自由度較低。在這種情況只能退而求其次,儘量去滿足條件。做Real Time時,用於SYBR Green I法時的一對引物與一般PCR的引物,在引物設計上所要求的參數是不同的。引物設計的要求:  1)避免重複鹼基,尤其是G.  2)Tm=58-60度。  3)GC=30-80%. 4)3'端最後5個鹼基內不能有多於2個的G或C.5)正向引物與探針離得越近越好,但不能重疊。6)PCR擴增產物長度: 引物的產物大小不要太大,一般在80-250bp之間都可;80~150 bp最為合適(可以延長至300 bp)。7)引物的退火溫度要高,一般要在60度以上;  要特別注意避免引物二聚體和非特異性擴增的存在。

而且引物設計時應該考慮到引物要有不受基因組DNA汙染影響的能力,即引物應該跨外顯子,最好是引物能跨外顯子的接頭區,這樣可以更有效的不受基因組DNA汙染的影響。  至於設計軟體,PRIMER3,PRIMER5,PRIMER EXPRESS都應該可以的。

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