PCR: 중합 효소 연쇄 반응

PCR: The Polymerase Chain Reaction
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Basic Methods in Cellular and Molecular Biology
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PCR: The Polymerase Chain Reaction

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13:27 min
April 30, 2023

Overview

폴리머라제 연쇄 반응 또는 PCR은 온도 가종은 고정 된 시간 간격으로 온도 변화인 열 순환을 통해 DNA를 증폭시키는 데 사용되는 기술입니다. 열안정 DNA 폴리머라아제를 사용하여 PCR은 dNTPs에게 불린 DNA 빌딩 블록에서 DNA의 수많은 사본을 만들 수 있습니다. PCR에는 데니션, 어닐링 및 신장의 세 가지 단계가 있습니다. 정립은 주기의 첫 번째 단계이며 단일 좌초 DNA의 결과로 기지 사이의 수소 결합을 방해하여 DNA가 녹아 발생시킵니다. Annealing은 올리고뉴클레오티드 프라이머를 DNA 템플릿에 결합할 수 있을 만큼 온도를 낮춥춥습니다. 신장 단계 동안 DNA 폴리머라제는 새로운 이중 좌초 DNA를 합성합니다.

이 비디오는 PCR 절차에 대한 소개를 제공합니다. PCR의 기본 원칙은 일반화된 PCR 반응을 설정하기 위한 단계별 절차뿐만 아니라 설명됩니다. 이 비디오는 PCR 반응에 필요한 구성 요소를 보여 주며, 프라이머 설계에 대한 지침을 포함하며 성공적인 PCR 반응을 보장하기 위한 유용한 힌트를 제공합니다.

Procedure

상기 중합체 연쇄 반응 또는 PCR은 DNA 단편을 증폭시키는 데 널리 사용되는 방법입니다. PCR은 열순환을 사용하며, 이는 데노처레이션, 어닐링 및 확장 또는 신장이라고 불리는 세 가지 뚜렷한 온도를 통해 반응의 반복적인 가열 및 냉각입니다.

열순환 반응은 PCR 시약이 정밀하게 가열하고 반응을 냉각하도록 프로그래밍된 기계의 온도 순환기에 넣으면 시작됩니다.

PCR 주기는 DNA의 용융 온도보다 훨씬 높은 95°C에서 20~30초 동안 발생하는 데포화로 시작됩니다. 용융 온도는 DNA의 절반이 이중 좌초 된 나선이고 다른 하나는 단일 좌초 된 임의코일 인 상태입니다. 보온 온도는 용융 온도보다 훨씬 높으며, 보완적인 베이스 쌍 사이의 모든 수소 결합이 단 하나의 좌초된 DNA만 항복하여 파손되도록 합니다. 쌍 단일 가닥은 감각과 안티 센스 가닥이라고합니다. 감각 또는 코딩 가닥의 서열은 궁극적으로 단백질을 코딩하는 mRNA의 서열과 동일합니다. 따라서, 그것은 의미가 있습니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 읽을 때 5’인산염으로 시작하여 3’하이드록실로 끝납니다. 안티센스 가닥은 보완가라고도 하며 3′ 하이드록실로 시작하여 왼쪽에서 오른쪽으로 읽을 때 5’인산염으로 끝납니다.

두 번째 단계에서, 효소, 소수 결합을 통해 결합하는 감각 또는 안티 센스 가닥에 특정되는 프라이머라는 DNA의 짧은 조각. 안티센스 가닥에 결합하고 감각 가닥과 동일한 시퀀스를 가지는 프라이머는 전방 또는 감각 프라이머입니다. 감각 가닥에 결합하고 감각 가닥에 역및 상호 보완적 인 시퀀스를 가지고 프라이머는 역 또는 안티 센스 프라이머입니다. 프라이머의 길이에 따라 이 단계에 대한 어닐링 온도는 일반적으로 두 프라이머의 낮은 용융 온도 보다 3 ~5°C 이다. Annealing은 50과 65°C 사이에서 발생하는 경향이 있으며 20 ~ 40 초 동안 지속됩니다.

프라이머가 DNA에 결합되면 DNA를 복제하는 효소인 폴리머라제가 결합되는 3′ 하이드록실 그룹을 만들어 반응을 일으킵니다.

신장 또는 연장이라고 하는 다음 단계는 72°C에서 발생하며, 이는 중합체 활성에 최적입니다. 일단 중합체는 이중 좌초된 DNA를 만들기 위하여 5’에서 3′ 방향으로 프라이머의 끝에 자유 뉴클레오티드 트리호스페이트, 또는 dNTPs를 추가하기 시작합니다.

연신이 완료되면 다음 주기가 시작됩니다. 다음 주기 프라이머에서 프라이머는 이전 확장을 통해 형성된 단일 좌초 된 DNA에 결합합니다. 증폭을 시도하는 짧은 단편, 앰플리코, 폴리머라제가 역프라이머로부터 증폭되거나 그 반대의 경우도 마찬가지인 가닥의 전방 프라이머에서 확장될 때 궁극적으로 형성된다. 일단 생성되면, 앰플리콘의 양은 후속 주기에서 기하급수적으로 증가할 것입니다. 반응의 목표에 따라 20~40사이클이 필요합니다.

긴 앰플리콘의 경우, 최종 신장 단계는 전형적으로 모든 DNA가 이중 좌초되도록 하기 위해 5~15분 동안 72°C에서 실행됩니다. 일반적으로 4°C의 최종 홀드 단계는 열순환기에서 꺼낼 때까지 DNA가 안정적으로 유지되도록 예방 단계로 써모사이클러로 프로그래밍된다.

PCR 반응에는 몇 가지 주요 시약이 필요합니다. 첫 번째는 DNA 템플릿으로, 파편이 증폭되는 DNA 샘플입니다. 그런 다음 폴리머라제 반응을 주요 DNA 또는 올리고뉴클레오티드의 짧은 조각인 프라이머가 있습니다.

프라이머를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 고려 사항이 있습니다. 첫째, 증폭하려는 서열에 좌우되는 DNA 템플릿의 5′ 및 3′ 영역에 보완되어야 합니다. 둘째, 15~30개의 기본 쌍이 길어야 하며 약 50%의 구아닌과 사이토신으로 구성되어야 합니다. 셋째, 두 프라이머의 용융 온도는 50°C 이상이어야 하며 동일한 어닐링 온도에서 효율적으로 결합할 수 있도록 서로 1~2도 이내여야 합니다. 넷째, 서로 보완할 수 없으며 프라이머 디머를 형성할 수 없습니다. 그리고 다섯 째, 프라이머 중 하나에서 자기 어닐링에 의해 형성되는 보조 구조를 포함해서는 안됩니다.

프라이머 및 DNA 템플릿 외에도 DNA 폴리머라제는 PCR 반응에 필수적입니다. PCR에서 가장 일반적으로 사용되는 효소는 온천에서 집을 만드는 박테리아 테루스 수생에서 분리 된 열안정 효소인 Taq 폴리머 라제입니다. Taq 폴리머라제는 90 °C 이상의 온도를 견딜 수 있습니다.

성장하는 가닥에서 기본 쌍을 포함하는 dNTP도 반응에 추가되어야 합니다. pH를 유지하고 망간, 마그네슘 및 칼륨과 같은 중요한 이온을 포함하는 반응 버퍼는 또한 반응을 안정화시키고 중합효소에 중요한 보조인을 제공하는 데 필요한 반응 성분이다. 모든 반응과 마찬가지로 PCR은 용매가 필요하므로 반응을 억제할 수 있는 이온이 없는 PCR 등급의 물이 사용됩니다.

PCR을 시작하기 전에 작업 환경이 오염을 피하기 위해 깨끗한지 확인하십시오. 장갑은 항상 착용해야합니다.

필요한 다양한 반응 구성 요소를 추적하는 데 도움을 줍니다. 컨트롤을 포함한 각 샘플에 대해 시약 볼륨 및 농도 테이블을 만듭니다. 부피의 관점에서 일반적인 반응은 10X 반응 완충제의 5μL, 25mM MgCl2의 4μL, 10mMM에서 dNTPs의 1μL, 50 ng/μL에서 전방 및 역 프라이머의 2μL, 5 U/μL에서 Taq 폴리머라제의 0.3μL을 포함해야 한다. 100 ng가 반응에 존재하도록 충분한 템플릿을 추가하려고합니다. 마지막으로, 대부분의 PCR 반응은 총 50μL의 부피로 수행됩니다. 따라서 총 부피가 실제로 50μL인지 확인하기 위해 PCR 등급의 물을 사용해야 합니다.

종이에 대한 반응이 계획되면 얼음 에 시약을 조립합니다.

다음으로 PCR 튜브에 시약을 추가합니다. 먼저 물을 추가한 다음 템플릿, 프라이머, 버퍼, 염화 마그네슘 및 dNTP를 추가하고 Taq 폴리머라아제 를 마지막으로 추가하고 완전히 혼합합니다.

반응을 설정한 후 샘플을 열순환기에 배치하고 PCR 프로그램을 시작합니다. 간단히 말해서, 기계의 일부는 PCR 튜브 또는 플레이트가 삽입되고 정확한 온도 변화에 따라 체온 블록으로 구성됩니다. 응축을 방지하는 가열된 뚜껑은 샘플을 분실하지 않고 PCR 온도 및 사이클 지속 시간을 프로그래밍하기 위한 디스플레이가 있는 인터페이스입니다. 반응을 구성하기 전에 항상 프로그램을 설정합니다.

일단 열순환기는 그 일을 했습니다. 반응을 꺼내 젤 전기 전광으로 PCR 제품을 확인하십시오. PCR이 성공하면 올바른 기본 쌍 크기로 앰플리코가 표시됩니다.

그리고 지금 PCR로 작업 할 때 몇 가지 유용한 힌트에 대한. 여러 가지 템플릿에서 동일한 PCR 제품을 증폭하려고 할 때 설정에 대한 반응이 많이 있습니다. 마스터 믹스를 만들기 위해 반응을 확장하는 것이 유용합니다. PCR 마스터 믹스는 샘플 간에 공유되는 모든 시약의 대량 혼합물이며, 이는 나중에 여러 반응 튜브로 분포됩니다.

대부분의 PCR 반응은 1~9분 동안 95°C에서 발생하는 초기 내포화 단계로 시작됩니다. 이 단계는 모든 템플릿이 첫 번째 증폭 주기에 대해 단일 좌초되도록 합니다.

종종 시료를 오염시킬 위험이 높을 때 PCR 캐비닛을 사용하는 것이 바람직합니다. 반응에 오염을 확인 하려면 부정적인 제어를 설정 하는 것이 좋습니다., DNA 템플릿이 없는 하 고 DNA 젤에 제품을 생산 하지 말아야.

종종 PCR은 온도, 염화 마그네슘 농도 조정 또는 새로운 프라이머를 시도하여 최적화되어야 합니다. PCR이 작동하면 됩니다. 항상 제품을 생산할 수 있는 긍정적인 제어 템플릿을 실행하는 것이 좋습니다.

PCR의 많은 변형 및 응용 프로그램은 다양한 목적을 위해 존재합니다.

PCR의 한 가지 변형, 핫 스타트 PCR, 첫 번째 데칭 단계 후까지 반응에서 폴리머라제를 원천 징수 포함, 이는 사이클링 전에 발생할 수있는 비특이적 증폭을 방지.

PCR은 또한 멀티플렉스 PCR에게 불린 단 하나 PCR 반응에 다중 프라이머를 채택해서 동시에 다중 DNA 서열을 증폭하기 위하여 수정될 수 있습니다.

형광 올리고뉴클레오티드 프로브와 함께 PCR은 실제로 유전자 발현의 상대적 또는 절대 수준을 측정할 수 있는 기술또는 주어진 유전자 또는 유전자 그룹을 위해 얼마나 많은 mRNA가 생성되는지를 측정할 수 있다. 이 메서드를 qPCR이라고 합니다.

PCR은 또한 유기체에서 특정 DNA 서열의 존재를 결정하기 위하여 이용될 수 있다. 이 절차를 지노티핑이라고 합니다. 예를 들어, 지노피핑은 샘플에 특정 서열이 존재하는 경우를 파악하여 물고기 샘플의 진위를 결정하는 데 사용될 수 있다. Genotyping은 또한 범죄 현장에서 발견 된 DNA가 용의자와 일치하는지 확인하기 위해 법의학 분석에 사용됩니다.

당신은 PCR에 JoVE의 소개를 보았다. 이 비디오에서 우리는 PCR이 무엇이며 어떻게 작동하는지, PCR 반응의 많은 구성 요소, PCR이 DNA를 증폭시킬 수있는 메커니즘 및이 매우 유용한 기술의 많은 변형 및 응용 프로그램을 검토했습니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

Transcript

The polymerase chain reaction or PCR is a widely used method for amplifying DNA fragments. PCR uses thermocycling, which is the repeated heating and cooling of the reaction via three distinct temperatures called denaturation, annealing and extension or elongation.

The thermocycling reaction begins once the PCR reagents are put into a thermocycler a machine, which is programmed to precisely heat and cool the reaction.

The PCR cycle begins with denaturation, which occurs for 20 to 30 seconds at 95 °C, well above the melting temperature of DNA. The melting temperature is a state where half of the DNA is a double stranded helix and the other is a single stranded random coil. The denaturation temperature is well above the melting temperature, in order to ensure that all the hydrogen bonds between complementary base pairs are broken yielding only single stranded DNAs. Paired single strands are termed the sense and antisense strands. The sequence of the sense, or coding strand, is identical to the sequence of mRNA, which will ultimately code for protein. Therefore, it makes sense. When read from left to right it begins with the 5’ phosphate and ends with the 3’ hydroxyl. The antisense strand is also called the complementary strand and begins with 3’ hydroxyl and ends with the 5’ phosphate when read from left to right.

In the second step, annealing, short pieces of DNA called primers, which are specific to the sense or antisense strands bind via hydrogen bonds. The primer that binds to the antisense strand and has the same sequence as the sense strand is the forward or sense primer. The primer that binds to the sense strand and has a sequence that is reverse and complementary to the sense strand is your reverse or antisense primer. Depending on the length of primers used the annealing temperature for this step is usually 3 to 5 °C below the lower melting temperature of your two primers. Annealing tends to occur between 50 and 65 °C and lasts for 20 to 40 seconds.

Once the primers bind to DNA they prime the reaction by creating a 3’ hydroxyl group end to which a polymerase, an enzyme that replicates DNA, will bind.

The next step called elongation or extension occurs at 72 °C, which is optimal for polymerase activity. Once bound the polymerase begins to add free nucleotide triphosphates, or dNTPs, to the ends of the primer one at a time in the 5’ to 3’ direction to make double stranded DNA.

Once elongation completes the next cycle begins. In the next cycle primers will bind to single stranded DNA formed via previous extension. The short fragment you are trying to amplify, the amplicon, will ultimately form when the polymerase extends from the forward primer on a strand that was generated by amplification from the reverse primer or vice versa. Once generated, the amount of amplicon will increase exponentially in subsequent cycles. Depending on the goal of your reaction, 20 to 40 cycles will be needed.

For long amplicons, a final elongation step is typically run at 72 °C for 5 to 15 minutes in order to ensure all DNA is double stranded. Usually, a final hold step at 4 °C is programmed into the thermocycler as a precautionary step to ensure that the DNA remains stable until taken out of the thermocycler.

The PCR reaction requires several key reagents. First is the DNA template, which is the DNA sample from which your fragment will be amplified. Then there are your primers, which are the short pieces of DNA or oligonucleotides that prime the polymerase reaction.

There are several important considerations that need to be taken when choosing your primers. First, they must be complementary to the 5’ and 3’ regions of your DNA template that flank the sequence you want to amplify. Second, they should be between 15 and 30 base pairs long and be comprised of about 50% guanines and cytosines. Third, the melting temperatures of both primers should be above 50 °C and within one to two degrees of each other so they can efficiently bind at the same annealing temperature. Fourth, they can’t be complementary to each other and form primer dimers. And fifth, they should not contain secondary structure, which is form by self-annealing within one of the primers.

In addition to the primers and DNA template, DNA polymerase is essential for the PCR reaction. The enzyme most commonly used in PCR is Taq polymerase, which is a thermostable enzyme isolated from the bacterium Thermus aquaticus that makes its home in hot springs. Taq polymerase can withstand temperatures greater than 90 °C.

dNTPs, which will comprise the base pairs in the growing strands, must also be added to the reaction. A reaction buffer, which maintains pH and contains important ions like manganese, magnesium and potassium, is also a necessary reaction component that stabilizes the reaction and provides important cofactors to the polymerase enzyme. Like all reactions, PCR needs a solvent, and so PCR grade water, which is free of ions that can inhibit the reaction, is used.

Before beginning the PCR make sure the working environment is clean to avoid contamination. Gloves must always be worn.

To help with keeping track of the various reaction components that you will need. Make a table of reagent volumes and concentrations for each of your samples including controls. In terms of volumes a typical reaction should contain 5μL of 10X reaction buffer, 4μL of 25 mM MgCl2, 1μL of dNTPs at 10 mM, 2μL of forward and reverse primers at 50 ng/μL, and 0.3μL of Taq polymerase at 5 U/μL. You want to add enough template so that 100 ng is present in the reaction. Finally, most PCR reactions are conducted in a total volume of 50μL. So a volume of PCR grade water must be used to ensure the total volume is indeed, 50μL.

Once your reaction is planned on paper assemble your reagents on ice.

Next, add your reagents to the PCR tube. First add water, then your template, your primers, buffer, magnesium chloride, and dNTPs, add Taq polymerase last and mix thoroughly.

After your reaction is setup place your sample in a thermocycler and start your PCR program. Briefly, parts of the machine consist of a thermoblock, where the PCR tube or plate is inserted and subject to precise temperature changes. A heated lid, which prevents condensation so no sample is lost and an interface with a display for programming PCR temperatures and cycle durations. Always setup your program before assembling the reaction.

Once the thermocycler has done its job. Take out your reaction and verify the PCR product with gel electrophoresis. If the PCR is successful, you should see the amplicon at the correct base pair size.

And now for some helpful hints when working with PCR. When you are trying to amplify the same PCR product from a number of different templates and therefore have a lot of different reactions to setup. It is useful to scale up the reaction to create a master mix. The PCR master mix is a large volume mixture of all the reagents shared among your samples, which is later distributed into multiple reaction tubes.

Most PCR reactions begin with an initial denaturation step, which occurs at 95°C for 1 to 9 minutes. This step ensures that all of the template is single stranded for the first amplification cycle.

Often it is desirable to use a PCR cabinet when the risk of contaminating your sample is high. To check for any contamination in your reaction it is beneficial to setup a negative control, which has no DNA template and shouldn’t produce a product in your DNA gel.

Often PCR must be optimized by adjusting temperatures, magnesium chloride concentration, or trying new primers. Once you have your PCR working. It’s a good idea to always run a positive control template, which you know will produce a product.

Many variations and applications of PCR exist for a variety of purposes.

One variation of PCR, hot start PCR, involves withholding the polymerase from the reaction until after the first denaturation step, which prevents nonspecific amplification that might occur before cycling.

PCR can also be modified to simultaneously amplify multiple DNA sequences by employing multiple primers in a single PCR reaction called multiplex PCR.

In combination with fluorescent oligonucleotide probes, PCR can actually become a technique that can measure relative or absolute levels of gene expression or how much mRNA is produced for a given gene or group of genes. This method is referred to as qPCR.

PCR can also be used to determine the presence of a particular DNA sequence in an organism. This procedure is referred to as genotyping. For example, genotyping can be used to determine the authenticity of fish samples by figuring out if a species specific sequence is present in the sample. Genotyping is also used in forensic analysis to determine if DNA found at the scene of a crime matches a suspect.

You’ve just watched JoVE’s introduction to PCR. In this video we reviewed what PCR is and how it works, the many components of the PCR reaction, the mechanism by which PCR can amplify DNA and the many variations and applications of this highly useful technique. Thanks for watching!