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三、基于引物特异性延伸的等位基因特异性PCR

(一)等位基因特异性PCR

等位基因特异性PCR(allele-specific PCR,AS-PCR)又称为扩增阻滞突变系统PCR(amplification refractory mutation system PCR,ARMS-PCR)。它建立在等位基因特异性延伸反应基础上,只有当某个等位基因特异性引物的3’末端碱基与突变位点处碱基互补时,才能进行延伸反应。常规PCR扩增DNA所用的上、下游引物与靶序列完全匹配,而等位基因PCR采用等位基因特异的两条上游引物,两者在3’端核苷酸不同,一个对野生型等位基因特异,另一个对突变型等位基因特异,在Taq DNA聚合酶作用下,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,而与模板匹配的引物体系则可扩增出产物,通过凝胶电泳就能很容易地分辨出扩增产物的有无,从而确定SNP基因型。

AS-PCR虽然简便、廉价、不需要昂贵的实验设备,但是该技术并未被广泛应用于SNP分型。原因在于理论上Taq DNA聚合酶必须在引物3’末端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3’末端碱基与模板不互补,延伸仍然可以进行,而且不同的3’末端错配(mismatch)有不同的延伸效率,因而仅靠引物3’末端一个碱基的错配不能充分而可靠地区分两个等位基因,进而造成假阳性结果。而且,通常的AS-PCR为三引物两管体系,即两条外引物扩增包含SNP位点DNA片段作为阳性对照,在两体系中分别加入对应不同基因型的内引物,分别与对侧外引物特异性扩增,最后通过电泳观察是否有扩增产物,判断基因型。该方法需要分管进行,增加了实验成本和检测量,使得分型通量下降。

(二)四引物扩增阻滞突变系统PCR

四引物扩增阻滞突变系统PCR(tetra-primer amplification refractory mutation system PCR,Tetra-primer ARMS-PCR)是在AS-PCR基础上发展起来的专门用于检测SNP的单管ARMS检测技术。该技术原理是同时使用4条PCR引物,两条3’末端位于SNP位点上的分属不同基因型的方向相反的内引物(inner primer),两条位于SNP外侧并与SNP距离不等的外引物(outer primer),4条引物理论上如果都匹配的话,两两组合可扩增出3条DNA产物(位于同一位点的两内引物无法产生长片段扩增产物,多为引物二聚体)。但若其中一条针对SNP的内引物不匹配,则只能扩增出另外两条DNA片段。由于外引物到达SNP距离不同,扩增产物大小也就不同。通过电泳根据扩增产物的大小即可判断基因型,同时由外侧引物扩增的长片段产物可作为体系的阳性质控。为了提高引物延伸的特异性,可在3’端倒数第2位或第3位碱基处引入一个错配碱基。该错配碱基与3’末端的错配碱基共同作用,使引物在与其3’末端不互补的模板中扩增产物率显著降低,而引物在与其3’末端互补的模板中正常扩增。引入的错配碱基类型取决于3’末端碱基错配类型。当3’末端是“强”错配(A/G或G/T)时,可以在引物中引入一个“弱”错配(C/A或G/T);当3’末端是“弱”错配时,则需要在引物中引入一个“强”错配。当3’末端是“中度”错配(A/A、C/C、G/G或T/T)时,可以在引物中在引入一个“中度”错配。

四引物ARMS-PCR系统检测SNP一般通过5个步骤:SNP位点(即基因序列)查找、DNA样品制备、引物设计、PCR扩增、产物检测和结果判读。SNP位点序列查询和DNA样品制备在此不再赘述。引物设计是四引物ARMS-PCR成功与否的关键。

内引物设计原则:①每条引物的产物约为28个碱基;②每条引物中4种碱基的分布均衡;③3’末端碱基必须位于待测SNP位点处;④两条引物延伸的方向相反,两条引物分别与SNP位点两侧的基因序列互补;⑤每条引物的GC含量越接近50%越好;⑥引物3’端倒数第2位或第3位碱基处引入一个错配碱;⑦引物的Tm值越近越好,若由于GC含量过低或过高不能达到,尽量通过增减碱基完成,由此出现的高稳定性的发卡结构和二聚体,靠近5’端者可通过引入突变解发卡,而3’端考虑倒数2位或3位突变,同时要结合碱基错配突变原则;⑧引物设计完成,应进行Blast特异性检验。

外引物设计:①引物与模板的序列紧密互补,引物与引物之间避免形成稳定二聚体或发卡结构,引物不能在模板其他位点形成非特异扩增;②引物的长度一般为15~30bp,常用为18~27bp,但不应大于38bp;③引物序列GC含量一般为40%~60%,上、下引物的GC含量不应相差太大;④尽量避免3’末端碱基为A,因为Taq DNA聚合酶合成效率受3’末端碱基影响较大,末端碱基为A的错配率明显高于其他碱基;⑤避免形成引物二聚体和发卡结构;⑥Tm应尽量和内引物接近;⑦两条引物与SNP位点的距离差应足够大,以保证内外引物的扩增产物大小能被电泳完全区分;⑧引物设计完成应进行Blast特异性检验。

四引物ARMS-PCR是基于等位基因特异性扩增基础上的SNP分型方法,鉴于DNA聚合酶严谨性、引物识别效率等因素,要实现四引物ARMS-PCR准确扩增判断基因型,需要对反应体系进行严格、有效的优化。

四引物ARMS-PCR检测技术在特异引物3’末端引入错配碱基,从而提高扩增的特异性,降低了假阳性率,该方法实现了在一个管内同时检测3种基因型,可通过凝胶电泳检测分型,不需要大型仪器,具有快速、简便、成本低等优点,在一般实验室即可推广应用。但是,由于在同一反应体系里有4条引物,多个SNP位点难以在同一反应中实现检测分型,且不同SNP位点序列差异较大,导致退火温度有较大差异,多个SNP位点难以同时在一台PCR仪上完成PCR反应程序,所以该方法难以实现高通量检测。为了使两条等位基因特异性扩增,往往需要在DNA浓度、引物比例和退火温度等因素上进行多番优化,尤其在内引物设计方面,若初始设计引物在经过一系列优化后不能特异扩增,还需再次设计反向引物,所以该法优化时间长、自动化程度低,因此该法不适用于位点附近GC含量过高或过低的SNP的分型检测。 DcJTApDJfp/6CG1NkjYsjks0ge7BSYkQUERUBgC/6HrCkvdtny6f+dOsVr407PGT

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