一文了解PCR

背景介绍
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术,它可看作是生物体外的特殊DNA复制,PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加。因此,无论是化石中的古生物、历史人物的残骸,还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液,只要能分离出微量的DNA,就能用PCR加以放大,进行比对。这也是“微量证据”的威力之所在。该技术在1983年由美国Mullis首先提出设想,1985年由其发明了聚合酶链反应,即简易DNA扩增法,意味着PCR技术的真正诞生。经过演化和革新,PCR技术已经发展了三代:普通PCR技术、实时荧光定量PCR技术(qPCR)以及数字PCR(dPCR)技术。

PCR的分类
1、普通 PCR
即一代PCR,使用普通PCR扩增仪扩增靶基因,并通过琼脂糖凝胶电泳对产物进行定性分析。
2、实时荧光定量PCR(Quantitative Real-time PCR, qPCR)
即二代PCR,是指在PCR扩增反应体系中加入荧光染料或者荧光基团,在整个PCR过程中通过收集荧光信号实时监测每一个循环中扩增产物量的变化,最后通过标准曲线和CT值对待测样品进行定量分析。qPCR常用的有两种方法:SYBR Green法和TaqMan探针法。
3、数字PCR(Digital PCR, Dig-PCR, dPCR)
即三代PCR,是对原始PCR的另一种改进,是一种能够实现核酸绝对定量的精准检测技术,基于泊松分布原理将核酸样品分配到大量独立、平行的微反应单元(纳升级)中,使每个反应室中平均只有一个拷贝或者没有目标DNA分子,然后加入荧光信号进行扩增,从而实现靶标核酸分子的绝对计数,提高检测灵敏度和准确度。
表1.PCR的分类及优缺点
方法 优点 缺点
普通PCR 成本低,标准完善 操作繁琐,易污染,特异性和敏感性低,只能定性,不能定量
实时荧光定量PCR 特异性和敏感性高,操作简单,可定量分析 成本高,产物不可回收
数字PCR 绝对定量,更高的敏感性和特异性 成本昂贵,操作复杂
 

突变扩增阻滞系统PCR
突变扩增阻滞系统PCR(Amplification Refractory Mutation System PCR,ARMS-PCR),又称为等位基因特异性PCR(Allele-Specific PCR,AS-PCR)。是一项在PCR基础上发展起来的新方法。用于检测DNA中各种点突变,常应用于肿瘤领域精准分子诊断,用药指导等。
随着当今肿瘤病人的日趋增多和临床诊断对基因突变检测的依赖不断上升,ARMS-PCR已成为国际上肿瘤个体化分子检测最重要,最先进的技术之一,并凭借其操作简单,灵敏度高,操作简单等优点,目前在临床应用中的作用已被业内专家认可。
ARMS-PCR技术的核心在于设计两条模板引物,一条针对野生型等位基因特异性,另一条则针对突变型等位基因特异性。在Taq DNA聚合酶的作用下,只有与模板完全匹配的引物能够退火并延伸,产生PCR产物,而与模板不完全匹配的上游引物将不能退火,不能生成PCR产物。这一特性使得ARMS-PCR能够有效地区分野生型和突变型的基因型。

图1.ARMS-PCR的检测原理
 
虽然ARMS-PCR凭借其优势在临床中迅速走红,但其也有一定的局限性,1.通量较低,2.不能检测未知突变,3.仍有假阳性的情况。按照原理,Taq DNA聚合酶必须在引物碱基与模板完全互补情况下才能进行有效的聚合反应,但由于Taq DNA严谨性受多因素影响,某些情况下,即使引物的碱基与模板不互补,延伸仍然可以进行,并且随着不同的碱基错位会出现不同的延伸效率,进而出现假阳性的结果。因此,出现了多种优化条件来保证ARMS PCR的特异性,包括四引物ARMS-PCR和引入错配碱基等。
随着当今分子检测市场的高速运转,NGS技术随着其通量高,灵敏度高且性价比高等特点被广泛推崇,但ARMS-PCR技术仍会在分子检测中占有一席之地。

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