Polimeráz láncreakció

A polimeráz láncreakció ( PCR ) egy olyan molekuláris biológiai módszer, amely lehetővé teszi bizonyos nukleinsav-fragmensek ( DNS vagy RNS ) kis koncentrációjának jelentős növekedését a biológiai anyagban (mintában).

A DNS- amplifikáció mellett a PCR számos egyéb nukleinsavakkal végzett manipulációt tesz lehetővé ( mutációk bevezetése , DNS-fragmensek splicingje), és széles körben alkalmazzák a biológiai és orvosi gyakorlatban, például betegségek (örökletes, fertőző) diagnosztizálására, apaság megállapítására , gének klónozására , új gének izolálására .

Történelem

Az 1970-es évek elején a norvég tudós, Kjell Kleppe , a Nobel-díjas Hara Gobinda Korana laboratóriumából egy olyan módszert javasolt a DNS- amplifikációra , amely egy pár rövid egyszálú DNS-molekulát – szintetikus primereket használ fel [1] . Ekkor azonban ez az ötlet megvalósítatlan maradt. A polimeráz láncreakciót (PCR) 1983-ban találta fel Kary Mullis amerikai biokémikus [2] [3] . Célja egy olyan módszer létrehozása volt, amely lehetővé teszi a DNS-amplifikációt az eredeti DNS-molekula többszöri, egymást követő megkettőzése során a DNS-polimeráz enzim segítségével . A PCR-módszerrel kapcsolatos első publikáció 1985 novemberében jelent meg a Science folyóiratban [4] . A módszer forradalmasította a molekuláris biológiát és az orvostudományt. 1993-ban Kary Mullis ezért kapott kémiai Nobel-díjat [5] .

A módszer alkalmazásának kezdetén minden fűtési-hűtési ciklus után DNS-polimerázt kellett a reakcióelegyhez adni , mivel az inaktiválódott a DNS-spirál szálainak elválasztásához szükséges magas hőmérsékleten. A reakcióeljárás viszonylag nem volt hatékony, sok időt és enzimet igényelt. 1986- ban a polimeráz láncreakciós módszert jelentősen továbbfejlesztették. Termofil baktériumokból származó DNS-polimerázok alkalmazását javasolták [6] . Ezek az enzimek hőstabilnak bizonyultak, és számos reakcióciklust képesek voltak ellenállni. Használatuk lehetővé tette a PCR egyszerűsítését és automatizálását. Az egyik első hőstabil DNS polimerázt Thermus aquaticus baktériumból izolálták, és a Taq polimeráz nevet kapta . Ennek a polimeráznak a hátránya a hibás nukleotid bejuttatásának meglehetősen nagy valószínűsége, mivel ez az enzim nem rendelkezik hibajavító mechanizmusokkal (3'→5' - exonukleáz aktivitás). Az archaeából izolált Pfu és Pwo polimerázok rendelkeznek ilyen mechanizmussal; használatuk jelentősen csökkenti a mutációk számát a DNS-ben, de munkájuk sebessége (proceszivitása) alacsonyabb, mint a Taq -é . A Taq és Pfu keverékeit ma már nagy polimerizációs sebesség és nagy másolási pontosság eléréséhez is használják.

A módszer feltalálása idején Kary Mullis szintetikus vegyészként dolgozott (oligonukleotidokat szintetizált, amelyeket aztán genomi DNS-sel hibridizációval pontmutációk kimutatására használtak) a PCR-módszert szabadalmaztató Cetus Corporationnél 1992-ben a Cetus 300 millió dollárért eladta a módszer jogait és a Taq polimeráz használatára vonatkozó szabadalmat a Hofmann-La Roche- nak. Kiderült azonban, hogy a Taq -polimerázt A. Kaledin , A. Slyusarenko és S. Gorodetsky szovjet biokémikusok jellemezték 1980-ban [7] , valamint 4 évvel e szovjet publikáció előtt, azaz 1976-ban Alice amerikai biokémikusok. Chien, David B. Edgar és John M. Trela ​​[8] . Ennek eredményeként a Promega bírósági úton próbálta rákényszeríteni a Roche-t, hogy mondjon le az enzimre vonatkozó kizárólagos jogairól [9] . A PCR-módszer amerikai szabadalma 2005 márciusában járt le.

PCR lefolytatása

A módszer a DNS -nukleinsav egy bizonyos szakaszának többszöri szelektív másolására épül enzimek segítségével mesterséges körülmények között ( in vitro ). Ebben az esetben csak az a terület kerül másolásra, amely megfelel a meghatározott feltételeknek, és csak akkor, ha az jelen van a vizsgált mintában. Ellentétben a DNS-amplifikációval az élő szervezetekben ( replikáció ), a DNS viszonylag rövid szakaszait PCR amplifikálja . Egy hagyományos PCR eljárásban a replikált DNS-régiók hossza nem haladja meg a 3000 bázispárt (3 kbp [10] ). Különböző polimerázok keverékének segítségével, adalékok használatával és bizonyos feltételek mellett egy PCR-fragmens hossza elérheti a 20-40 ezer bázispárt is. Ez még mindig sokkal kevesebb, mint egy eukarióta sejt kromoszómális DNS-ének hossza. Például az ember legrövidebb nukleáris kromoszómájának (21. kromoszóma) hossza 46,71 millió bázispár [11] .

Reakció komponensek

A PCR-hez a legegyszerűbb esetben a következő összetevőkre van szükség:

A reakcióelegy elpárolgásának elkerülése érdekében magas forráspontú olajat, például vazelint adunk a kémcsőbe. Ha fűtött fedős ciklust használ, erre nincs szükség.

Pirofoszfatáz hozzáadása növelheti a PCR hozamát. Ez az enzim katalizálja a pirofoszfát hidrolízisét , amely a nukleozid-trifoszfátok növekvő DNS-szálhoz való hozzáadásának mellékterméke, az ortofoszfáttá . A pirofoszfát gátolhatja a PCR-t [12] .

Alapozók

A PCR specifitása a templát és a primerek , rövid, 18-30 bázis hosszú szintetikus oligonukleotidok közötti komplementer komplexek képződésén alapul . A primerek mindegyike komplementer a kétszálú templát egyik láncához, és korlátozza az amplifikált régió kezdetét és végét.

A templát primerrel való hibridizálása (annealing [13] ) után az utóbbi a DNS-polimeráz primerjeként szolgál a templát komplementer szálának szintézise során (lásd alább ).

A primerek legfontosabb jellemzője a primer-mátrix komplex olvadási hőmérséklete (T m ).

Tm az  a hőmérséklet, amelyen a DNS-templátok fele komplexet képez az oligonukleotid primerrel. A rövid oligonukleotid (és a hosszú DNS-fragmensek) T m kiszámításának átlagos képlete , figyelembe véve a K + -ionok és a DMSO koncentrációját :

, [14]

ahol  a nukleotidok száma a primerben,  a káliumionok moláris koncentrációja,  az összes guanin és citozin összege .

Ha a primer hosszát és nukleotid összetételét vagy az összekapcsolási hőmérsékletet nem megfelelően választják meg, akkor a templát DNS más régióival részlegesen komplementer komplexek képződhetnek, amelyek nem specifikus termékek megjelenéséhez vezethetnek. Az olvadási hőmérséklet felső határát a polimeráz optimális működési hőmérséklete korlátozza, amelynek aktivitása 80 °C feletti hőmérsékleten leesik.

Az alapozók kiválasztásakor kívánatos a következő kritériumok betartása:

Erősítő

A PCR-t egy erősítőben hajtják végre  - olyan eszközben, amely a kémcsövek időszakos hűtését és melegítését biztosítja, általában legalább 0,1 ° C-os pontossággal. A modern ciklusok lehetővé teszik összetett programok beállítását, beleértve a "hot start", a Touchdown PCR (lásd alább) lehetőségét és az amplifikált molekulák ezt követő tárolását 4 °C-on. A valós idejű PCR-hez fluoreszcens detektorral felszerelt eszközöket gyártanak. A műszerek automata fedéllel és mikrolemez rekesszel is kaphatók, így automatizált rendszerekbe integrálhatók.

A reakció lefolyása

A PCR végrehajtása során általában 20-35 ciklust hajtanak végre, amelyek mindegyike három szakaszból áll. [≡]

Denaturáció

A kétszálú DNS-templátot 94-96 °C-ra (vagy 98 °C-ra, ha különösen hőstabil polimerázt használunk) 0,5-2 percig melegítjük. , hogy a DNS-láncok szétszóródjanak. Ezt a lépést olvasztásnak ( denaturáció ) nevezik, mivel a két DNS-szál közötti hidrogénkötések megszakadnak. Általában az első ciklus előtt a reakcióelegyet hosszan 2-5 percig melegítik a templát és a primerek teljes denaturálásához.

Lágyítás

Amikor a szálakat szétválasztjuk, a hőmérsékletet lecsökkentjük, hogy lehetővé tegyük a primerek kötődését az egyszálú sablonhoz. Ezt a szakaszt lágyításnak nevezik . A lágyítási hőmérséklet az alapozók összetételétől függ, és általában 5 fokkal alacsonyabbra választják, mint a primerek olvadáspontja. A lágyítási hőmérséklet helytelen megválasztása vagy a primerek gyengén kötődik a templáthoz (emelt hőmérsékleten), vagy rossz helyen kötődik, és nem specifikus termékek jelennek meg (alacsony hőmérsékleten). Az izzítási szakasz ideje - 30 másodperc Ezzel egyidejűleg ez idő alatt a polimeráznak már van ideje több száz nukleotid szintetizálására. Ezért ajánlatos 60°C feletti olvadáspontú alapozót választani, és egyszerre, 60-72°C-on végezni a lágyítást és a nyújtást.

Megnyúlás

A DNS-polimeráz replikálja a templátszálat, a primert primerként használva. Ez a megnyúlás szakasza . A polimeráz a második szál szintézisét a primer 3' végétől kezdi meg, amely a templáthoz kötődött, és a templát mentén mozog, új szálat szintetizálva az 5'-től a 3'-végig. A nyúlási hőmérséklet a polimeráztól függ. Az általánosan használt Taq és Pfu polimerázok 72 °C-on a legaktívabbak. Az elongációs idő mind a DNS-polimeráz típusától, mind az amplifikálandó fragmens hosszától függ. A nyúlási időt jellemzően minden ezer bázispáronként egy percnek vesszük. Az összes ciklus lejárta után gyakran a végső megnyújtás egy további szakaszát hajtják végre az összes egyszálú fragmentum elkészítése érdekében. Ez a szakasz 7-10 percig tart.

Egy adott reakciótermék mennyisége (amelyet primerek korlátoznak) elméletileg 2n  - 2n arányban növekszik, ahol n a reakcióciklusok száma [17] . Valójában az egyes ciklusok hatásfoka 100%-nál kisebb is lehet, így a valóságban P ~ (1 + E) n , ahol P a termék mennyisége, E a ciklus átlagos hatásfoka.

A "hosszú" DNS-másolatok száma is nő, de lineárisan, így a reakciótermékekben egy specifikus fragmentum dominál.

A szükséges termék növekedését exponenciálisan korlátozza a reagensek mennyisége, az inhibitorok jelenléte és a melléktermékek képződése. A reakció utolsó ciklusaiban a növekedés lelassul, ezt nevezik "fennsík-effektusnak".

PCR variánsok

Ha a templát nukleotidszekvenciája részben ismert vagy egyáltalán nem ismert, akkor degenerált primerek használhatók , amelyek szekvenciája olyan degenerált pozíciókat tartalmaz, amelyekben bármilyen bázis elhelyezhető. Például a primer szekvencia lehet: ...ATH... ahol H jelentése A, T vagy C.

A PCR alkalmazása

A PCR-t számos területen használják elemzésre és tudományos kísérletekre.

Kriminalistika

A PCR-t az úgynevezett „genetikai ujjlenyomatok” összehasonlítására használják. A tetthelyről származó genetikai anyag mintája szükséges – vér, nyál, sperma, haj stb. Ezt összehasonlítják a gyanúsított genetikai anyagával. Nagyon kis mennyiségű DNS elég, elméletileg - egy példány. A DNS-t fragmensekre vágjuk, majd PCR-rel amplifikáljuk. A fragmentumokat DNS-elektroforézissel választják el . A DNS-sávok elhelyezkedéséről kapott képet genetikai ujjlenyomatnak nevezzük .

Az apaság megállapítása

Bár a "genetikai ujjlenyomatok" egyediek, családi kötelékek még mindig létrehozhatók több ilyen ujjlenyomat készítésével. [≡] Ugyanez a módszer, kis módosítással, alkalmazható az élőlények közötti evolúciós kapcsolatok megállapítására.

Orvosi diagnosztika

A PCR lehetővé teszi az örökletes és vírusos betegségek diagnosztizálásának jelentős felgyorsítását és megkönnyítését . A kívánt gént PCR-rel amplifikálják megfelelő primerek alkalmazásával, majd szekvenálják a mutációk meghatározására . A vírusfertőzések a fertőzés után azonnal, hetekkel vagy hónapokkal ( az inkubációs időszak hosszától függően) a betegség tüneteinek megjelenése előtt észlelhetők .

Személyre szabott orvoslás

Néha a gyógyszerek mérgezőek vagy allergizálóak egyes betegek számára. Ennek oka részben a gyógyszerek és származékaik érzékenységének és anyagcseréjének egyéni különbségei. Ezeket a különbségeket genetikai szinten határozzák meg. Például az egyik betegnél egy bizonyos citokróm (az idegen anyagok metabolizmusáért felelős májfehérje) aktívabb lehet, egy másikban - kevésbé aktív. Annak megállapítására, hogy egy adott betegnek milyen citokrómja van, javasolt a gyógyszer alkalmazása előtt PCR analízis elvégzése. Ezt az elemzést előzetes genotipizálásnak ( prospektív genotipizálásnak ) nevezik.

Génklónozás

A génklónozás (nem tévesztendő össze az organizmusok klónozásával ) a gének izolálásának és a géntechnológiai manipulációk eredményeként egy adott gén termékének nagy mennyiségének kinyerésének folyamata. A PCR-t egy gén amplifikálására használják, amelyet azután egy vektorba  , egy olyan DNS-darabba inszertálnak, amely egy idegen gént visz át ugyanabba vagy egy másik, könnyen termeszthető szervezetbe. Vektorként például plazmidokat vagy virális DNS-t használunk. A gének idegen szervezetbe történő beillesztését általában e gén termékének - RNS-nek vagy leggyakrabban fehérjének - előállítására használják. Ily módon számos fehérjét nyernek ipari mennyiségben, hogy felhasználják a mezőgazdaságban, az orvostudományban stb.

DNS szekvenálás

A fluoreszcens jelöléssel vagy radioaktív izotóppal jelölt didezoxinukleotidokat alkalmazó szekvenálási módszerben a PCR szerves részét képezi, mivel a polimerizáció során a fluoreszcens vagy radioaktív jelöléssel jelölt nukleotidszármazékok beépülnek a DNS-láncba. Didezoxinukleotid hozzáadása a szintetizált szálhoz leállítja a szintézist, lehetővé téve a specifikus nukleotidok helyzetének meghatározását a gélben történő elválasztás után.

Mutagenezis

Jelenleg a PCR a mutagenezis (a DNS nukleotidszekvenciájának megváltoztatása) végrehajtásának fő módszere. A PCR alkalmazása lehetővé tette a mutagenezis eljárás egyszerűsítését, felgyorsítását, valamint megbízhatóbbá és reprodukálhatóbbá tételét.

Molekuláris sexing

A PCR gyakorlati alkalmazásának másik területe a molekuláris ivarmeghatározás  – a nemek meghatározása a hímek és nők közötti DNS-szintű nemi különbségek alapján [22] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. Kleppe, K. et al. (1971): Tanulmányok polinukleotidokról. évi XCVI. Javítja a rövid szintetikus DNS-ek replikációit a DNS polimerázok által katalizáltaként. In: J. Mol. Biol. bd. 56, S. 341-361. PMID 4927950
  2. Bartlett, JMS; Stirling, D. A polimeráz láncreakció rövid története // PCR-protokollok  (határozatlan) . — 2. - 2003. - T. 226. - S. 3-6. — (Módszerek a molekuláris biológiában). — ISBN 1-59259-384-4 . - doi : 10.1385/1-59259-384-4:3 .
  3. Mullis, Kary B. et al. „Eljárás nukleinsavszekvenciák amplifikálására, kimutatására és/vagy klónozására” 4 683 195 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalom
  4. Saiki RK, Scharf S., Faloona F., Mullis KB, Horn GT, Erlich HA, Arnheim N. Science 1985. december 20.; 230 (4732): 1350-4; Béta-globin genomiális szekvenciák enzimatikus amplifikációja és restrikciós hely elemzése a sarlósejtes vérszegénység diagnosztizálására.
  5. [ Kémiai Nobel-díjasok 1993  ] . Letöltve: 2007. augusztus 29. Az eredetiből archiválva : 2012. október 26.. Kémiai Nobel-díjasok, 1993  (angol )
  6. RK Saiki, DH Gelfand, S. Stoffel, SJ Scharf, R. Higuchi, GT Horn, KB Mullis, HA Erlich. DNS primer által irányított enzimatikus amplifikációja termostabil DNS-polimerázzal Archiválva : 2008. december 19., a Wayback Machine -nél . in: Tudomány . 239.1988, 487-491. ISSN 0036-8075 PMID 2448875
  7. Kaledin A. S., Slyusarenko A. G., Gorodetsky S. I. // Biokémia. - 1980. - T. 45. - C. 644-651.
  8. Alice Chien, David B. Edgar és John M. Trela. Dezoxiribonukleinsav polimeráz Extreme Thermophilic Thermus aquaticusból. Bakteriológiai folyóirat, szept. 1976, pp. 1550-1557.
  9. A Roche egyezségi megállapodást hirdet a Promegával (downlink) . Letöltve: 2007. augusztus 29. Az eredetiből archiválva : 2008. október 6.. 
  10. 1 kbp ( angol  kilo bázispár ) - 1 ezer bázispár, a DNS hosszának mértékegysége
  11. Venter J et al. (2001). Az emberi genom szekvenciája. Science 291 (5507): 1304-1351. PMID 11181995
  12. {title} (downlink) . Letöltve: 2007. szeptember 1. Az eredetiből archiválva : 2007. szeptember 29.. 
  13. Annealing ( annealing ) - DNS fragmentumok hibridizációja
  14. Nicolas von Ahsen, Carl T. Wittwer, Ekkehard Schütz. Oligonukleotidok olvadáspontja pcr körülmények között: Mg 2+ , dezoxinukleotid-trifoszfát és dimetil-szulfoxid koncentrációk legközelebbi szomszédos korrekciói az alternatív empirikus képletekkel összehasonlítva  //  Clinical Chemistry : Journal. - 2001. - Vol. 47 , sz. 11 . - P. 1956-1961 . Az eredetiből archiválva : 2012. szeptember 1.
  15. Hajtű  - intramolekuláris önkomplementer szerkezet
  16. Dimer  - intermolekuláris struktúrák, amelyeket egymással vagy önmagukkal kialakított primerek alkotnak
  17. Calendar R. N., Sivolap Yu. M. Polimeráz láncreakció tetszőleges primerekkel  // Biopolimerek és sejt: folyóirat. - 1995. - T. 11 , 3-4 . - S. 55-65 . — ISSN 0233-7657 .
  18. Rekombináz polimeráz amplifikáció (RPA) – az izoterm DNS/RNS amplifikáció, amely valóban működik. . Letöltve: 2017. szeptember 9. Az eredetiből archiválva : 2017. szeptember 9..
  19. Videó angolul: Mi az a rekombináz polimeráz amplifikáció? — TwistDx archiválva : 2016. november 24., a Wayback Machine -nél
  20. Pierce KE és Wangh LJ Lineáris exponenciális polimeráz láncreakció és rokon technológiák Valós idejű kimutatási stratégiák a gyors, megbízható diagnózishoz egyetlen sejtből  //  Methods Mol Med. : folyóirat. - 2007. - Vol. Módszerek a Molekuláris Medicinában™ . - 65-85 . o . — ISBN 978-1-58829-578-1 . - doi : 10.1007/978-1-59745-298-4_7 . — PMID 17876077 .
  21. Fluoreszcencia SpectraViewer Fluoreszcencia SpectraViewer | Élettechnológiák . Hozzáférés dátuma: 2012. október 30. Az eredetiből archiválva : 2012. november 15.
  22. Romanov MN, Ellegren H., Dodgson JB (2001.01.13.). Polimeráz láncreakcióval erősített markerek a madarak nemének meghatározásához . Nemzetközi Növény- és Állatgenom IX. Konferencia (San Diego, 2001. január 13–17 . ) San Diego, CA, USA: Scherago International. p. 118.OCLC 899128222.  _ _ Absztrakt P229. Archiválva az eredetiből , ekkor: 2020-09-20 . Letöltve: 2020-10-26 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó ) (Angol)

Irodalom

Linkek