查找目的基因序列并不能直接用于我们研究所用,因为查找到的基因序列只能算是基因的电子序列,并不是我们研究要用的现实中的序列,如何获得现实的基因序列呢?这就需要我们根据基因的电子序列来设计引物了,通过引物借助PCR方法才能获得我们的目的基因序列。接下来,我们将介绍一下PCR方法并讲述如何设计引物。

PCR(polymerasechainreaction),即聚合酶链反应,又称基因体外扩增技术,是由一对引物介导、能在体外对特定DNA片段进行快速酶促扩增的技术。PCR能把很微量的遗传物质在数小时内扩增数百万倍达到检测水平。使原来无法进行分析和检测的许多项目得以完成。PCR引物设计的目的是找到一对合适的核苷酸片段,使其能有效地扩增模板DNA序列。引物的优劣直接关系到PCR的特异性与成功与否。对引物的设计不可能有一种包罗万象的规则确保PCR的成功,但遵循某些原则,则有助于引物的设计。

1.引物的特异性

引物与非特异扩增序列的同源性不要超过70%或有连续8个互补碱基同源。

2.避开产物的二级结构区

某些引物无效的主要原因是引物重复区DNA二级结构的影响,选择扩增片段时最好避开二级结构区域。用有关计算机软件可以预测估计mRNA的稳定二级结构,有助于选择模板。实验表明,待扩区域自由能(△G°)小于58.6lkJ/mol时,扩增往往不能成功。若不能避开这一区域时,用7-deaza-2′-脱氧GTP取代dGTP对扩增的成功是有帮助的。

3.长度

寡核苷酸引物长度为15~30bp,一般为20~27mer。引物的有效长度:Ln=2(G+C)+(A+T)Ln值不能大于38,因为>38时,最适延伸温度会超过TaqDNA聚合酶的最适温度(74℃),不能保证产物的特异性。

4.G+C含量

G+C含量一般为40%~60%。其Tm值是寡核苷酸的解链温度,即在一定盐浓度条件下,50%寡核苷酸双链解链的温度,有效启动温度,一般高于Tm值5~10℃。若按公式Tm=4(G+C)+2(A+T)估计引物的Tm值,则有效引物的Tm为55~80℃,其Tm值最好接近72℃以使复性条件最佳。

5.碱基随机分布

引物中四种碱基的分布最好是随机的,不要有聚嘌呤或聚嘧啶的存在。尤其3′端不应超过3个连续的G或C,因这样会使引物在G+C富集序列区错误引发。

6.引物自身

引物自身不应存在互补序列,否则引物自身会折叠成发夹状结构牙引物本身复性。这种二级结构会因空间位阻而影响引物与模板的复性结合。若用人工判断,引物自身连续互补碱基不能大于3bp。

7.引物之间

两引物之间不应有互补性,尤应避免3′端的互补重叠以防引物二聚体的形成。一对引物间不应多于4个连续碱基的同源性或互补性。

8.引物的3′端

引物的延伸是从3′端开始的,不能进行任何修饰。3′端也不能有形成任何二级结构可能,除在特殊的PCR(AS-PCR)反应中,引物3′端不能发生错配。在标准PCR反应体系中,用2UTaqDNA聚合酶和800μmol/LdNTP(四种dNTP各200μmol/L)以质粒(103拷贝)为模板,按95℃,25s;55℃,25s;72℃,1min的循环参数扩增HIV-1gag基因区的条件下,引物3′端错配对扩增产物的影响是有一定规律的。A∶A错配使产量下降至1/20,A∶G和C∶C错七下降至1/100。引物A:模板G与引物G:模板A错配对PCR影响是等同的。

9.引物的5′端

引物的5′端限定着PCR产物的长度,它对扩增特异性影响不大。因此,可以被修饰而不影响扩增的特异性。引物5′端修饰包括:加酶切位点;标记生物素、荧光、地高辛、Eu3+等;引入蛋白质结合DNA序列;引入突变位点、插入与缺失突变序列和引入一启动子序列等。

10.密码子的简并

如扩增编码区域,引物3′端不要终止于密码子的第3位,因密码子的第3位易发生简并,会影响扩增特异性与效率。

引物设计实例操作

我们在做引物设计中，经常使用的是Primer和Oligo两种软件，它们可以单独使用设计引物。但为了确保引物的正确性，避免引物在PCR操作过程中数据出现超预期的偏差，建议两种软件最好搭配使用。

Primer5.0设计引物实例

 打开程序首先进入的是序列编辑参看,与Plasmid Premier 相比,其多了一个语音校正的功能,即在输入序列的时候,程序自动将碱基读出,以便用户进行校正,保证输入的正确和快速。

点击该界面的按钮即可进入到程序的引物设计窗口。

该界面共分为四层,最上面一层左面是5 个控制按钮,用于实现引物设计中的各种功能,包括引物自动寻找,寻找结果查看和引物编辑;右边是观察两个引物在模板上结合位置的直观图以及对正链还是负链引物进行选择;第二层是显示模板和引物序列及二者间的配对情况的显示;第三层是显示两个引物的各种参数,包括给引物的打分,引物以及产物的起始位置、长度、Tm 值、GC%消光系数、简并性;最后一层是给出的有关于引物的二聚体结构、发卡结构、错配情况和引物间二聚体结构的预测,左边是显示是否存在以上各种对PCR 扩增有影响的结构,右边显示的是这些结构的位置,结构细节和稳定能,利用这些参数可以对引物作出可靠的评价。

下面是根据模板序列寻找引物的界面,在该界面中可以设定所要搜索的引物的类型,包括PCR 引物,测序引物和杂交探针以及引物所在的链;另外也能设定搜索引物的范围,以及最终PCR 产物的长度和引物的长度等。

 并通过来点击"Search Parameters"按钮来设置一些搜寻参数:

这些参数包括引物的Tm 值,GC 比,有简并性碱基,3’端稳定性,引物的稳定性,重复序列,二聚体/发卡结构和与模板及可能的杂质DNA(需要从另外的序列文件中读入)之间的错配情况,这些参数的设定可以根据要求变化,程序本身根据一定的标准分成从极高严谨性到极低严谨性5 个档次。该程序对引物的自动搜索过程是采用的排除法,根据用户设定的引物范围和产物长度所规定区域内,所有的符合设定的引物长度的寡核苷酸都被视为可能的引物,然后根据以上各个参数逐步去除不符合条件的寡核苷酸,经过这种层层剔除的筛选,最终找到符合用户所设定标准的引物,如果找不到合适的引物可以逐步降低要求来进行进一步搜寻。

搜寻到引物结果最终显示在下面的窗口中:

在结果窗口中给出了程序给该对引物的打分(rating)和上下游引物的起始位置和长度以及产物的长度。通过直接点击各对引物在相应引物搜寻界面中相应的显示引物的各种信息。包括其各种参数和各种可能存在的不利结构。

其中用File 菜单中的Parameter 命令可以对系统参数,PCR 反应条件和程序打分系统进行设置,以帮助用户根据自己的特殊要求来进行引物设计,其中反应条件按照引物浓度,单价离子浓度,Mg 离子浓度,Na 盐浓度等。利用该打分系统可以为对引物进行有效评估和和在引物之间进行对比选择提供有效的有效的依据。

 最后还可以在利用引物编辑窗口对程序自动找到的或手工找到的引物序列进行编辑,以便用户能在引物引入突变及加入特定的酶切位点,并对修改后的序列的二聚体结构、发卡结构和错配进一步评估。其中是对修改后的引物再次搜寻找出其最合适的引发位置。

除了以上的直观地对引物进行基本的设计和评估功能外,该程序还提供了多种数据报告,主要通过Report 菜单和Graph 菜单中命令来实现:

Oligo设计引物实例

一、序列查询

1.进入NCBI数据库:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/

2.选择gene数据库

3.输入基因名(β-actin为例),点击“search”

4.选择物种(以人为例)

5.进入基因信息页面

6.选择序列

7.进入序列页面,点击CDS,棕色背景为CDS序列

二、引物设计

1.将序列拷贝在Oligo软件中,选择序列。定量PCR一般选用CDS序列作为模板。

2.选择search/for primers & probes,设置引物设计参数,点击“search”

3.软件搜索的引物,引物信息有:引物长度,产物长度,推荐的PCR条件等。

三、引物评估

1.选择Analyze,分析引物。分析引物可能的错配、二级结构和发夹结构。

2.进入NCBI的Blast界面

3.选择primer blast

4.输入引物序列

5.选择数据库及目标序列种属,点击“Get Primers”

6.在检索结果中查看引物的目标序列、特异性和其他信息。引物完全匹配的目标序列应该只有要检测的基因,扩增片段长度与Oligo中的产物长度一致。