Jump to content

ПЦР с горячим стартом

ПЦР с горячим стартом — это модифицированная форма традиционной полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая уменьшает присутствие нежелательных продуктов и димеров праймеров за счет неспецифической амплификации ДНК при комнатной (или более холодной) температуре. [1] [2] Для достижения более высоких выходов было разработано множество вариантов и модификаций процедуры ПЦР; ПЦР с горячим стартом – один из них. [3] ПЦР с горячим стартом следует тем же принципам, что и обычная ПЦР, - в ней используется ДНК-полимераза для синтеза ДНК из одноцепочечной матрицы. [4] Однако в нем используются дополнительные методы нагревания и разделения, такие как инактивация или ингибирование связывания Taq-полимеразы и позднее добавление Taq-полимеразы, чтобы увеличить выход продукта, а также обеспечить более высокую специфичность и чувствительность. [5] Неспецифическое связывание и праймирование или образование димеров праймеров сводятся к минимуму за счет завершения реакционной смеси после денатурации . [6] Некоторые способы завершения реакционных смесей при высоких температурах включают модификации, которые блокируют активность ДНК-полимеразы при низких температурах. [1] [7] использование модифицированных дезоксирибонуклеотидтрифосфатов (dNTP), [8] и физическое добавление одного из основных реагентов после денатурации. [9]

Благодаря этим дополнительным методам ПЦР с горячим стартом способна уменьшить количество неспецифических амплификаций, которые естественным образом возникают при более низких температурах, что остается проблемой для традиционной ПЦР. Эти модификации в целом гарантируют, что определенные ферменты в растворе останутся неактивными или ингибируются до тех пор, пока не будет достигнута оптимальная температура отжига. [10] Ингибирование образования неспецифических продуктов ПЦР, особенно в ранних циклах, приводит к существенному повышению чувствительности амплификации методом ПЦР. Это имеет первостепенное значение в диагностических применениях ПЦР или RT-PCR.

Методика традиционной полимеразной цепной реакции (ПЦР)

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это метод молекулярной биологии, используемый для амплификации определенных сегментов ДНК на несколько порядков. Конкретные сегменты ДНК амплифицируются в ходе трех процессов: денатурации, отжига и удлинения, при которых цепи ДНК разделяются путем повышения температуры до оптимальной по сравнению с комнатной, прежде чем праймеры связываются, а полимераза выравнивает нуклеотиды с цепью матрицы. Он использует ДНК-полимеразу , которая малоактивна при низких температурах. [1] В обычной ПЦР реакционная смесь завершается при комнатной температуре, и из-за активности ДНК-полимеразы праймеры могут образовывать димеры праймеров или неспецифически отжигаться с ДНК. Во время процедуры ПЦР ДНК-полимераза удлиняет любой участок ДНК связанными праймерами, генерируя целевые продукты, а также неспецифические продукты, которые снижают выход. При ПЦР с горячим стартом некоторые реагенты хранятся отдельно до тех пор, пока смесь не нагреется до определенной температуры отжига. Это сокращает время отжига, что, в свою очередь, снижает вероятность неспецифического удлинения ДНК и влияние связывания неспецифического праймера перед денатурацией. [6] [5]

В обычной ПЦР более низкие температуры ниже оптимальной температуры отжига (50–65 ° C) приводят к нецелевым модификациям, таким как неспецифические амплификации, когда праймеры неспецифично связываются с нуклеиновой кислотой. [5] Эти неспецифические комплексы праймеров, которые находятся в избытке в смеси, являются причиной синтеза побочных продуктов, таких как димеры праймеров и неправильное праймирование. [10] Неправильный прайминг значительно затрудняет и снижает эффективность ПЦР-амплификации из-за активной конкуренции с целевыми последовательностями за амплификацию. Аналогично, димеры праймеров образуют комплексы, что уменьшает количество получаемых амплификаций числа копий. [10] Это можно контролировать путем внедрения ПЦР с горячим стартом, которая позволяет блокировать удлинение праймера до тех пор, пока не будут достигнуты оптимальные температуры. [2]

При ПЦР с горячим стартом важные реагенты (такие как ДНК-полимераза и кофакторы магния ) не могут вступать в реакцию в смеси для ПЦР до тех пор, пока не будут достигнуты оптимальные температуры за счет физического разделения или химических модификаций. [5] [2] ПЦР с горячим стартом также может происходить, когда Taq-полимераза ингибируется/инактивируется или ее добавление задерживается до достижения оптимальных температур отжига, посредством модификаций дезоксирибонуклеотидтрифосфата или путем модификации праймеров посредством захвата клеток и манипуляций со вторичной структурой .

ПЦР с горячим стартом часто является лучшим подходом по сравнению с традиционной ПЦР в обстоятельствах, когда в реакционной смеси низкая концентрация ДНК, матрица ДНК очень сложна или если присутствует несколько пар олигонуклеотидных праймеров. в ПЦР [3]

ПЦР против ПЦР с горячим стартом: противопоставление ПЦР и ПЦР с горячим стартом, демонстрируя их методы и полученный продукт ПЦР на геле.

ПЦР с горячим стартом — это метод, который предотвращает расширение ДНК-полимеразы при более низкой температуре, чтобы предотвратить неспецифическое связывание и минимизировать потерю выхода. ПЦР с горячим стартом снижает количество неспецифического связывания за счет ограничения реагентов до этапа нагревания ПЦР - ограничивайте реакцию на ранней стадии, ограничивая ДНК-полимеразу Taq в реакции. Неспецифическое связывание часто приводит к образованию димеров праймеров и неправильному праймированию/ложному праймированию мишеней. [11] Их можно исправить с помощью модифицированных методов, таких как:

Инактивация/ингибирование ДНК-полимеразы Taq

[ редактировать ]

Фермент-связанные антитела/ДНК-полимераза Taq в комплексе с антителами против ДНК-полимеразы Taq:

Связанные с ферментом антитела инактивируют ДНК-полимеразу Taq. Антитела связываются с полимеразой, предотвращая раннюю амплификацию ДНК, которая может произойти при более низких температурах. Как только будет достигнута оптимальная температура отжига, антитела начнут разлагаться и диссоциировать, высвобождая ДНК-полимеразу Taq в реакцию и позволяя начать процесс амплификации. [2] [12] ДНК-полимераза Platinum Taq и ДНК-полимераза AccuStart Taq (обе разработаны Аюбом Ращианом из Life Technologies и Quanta BioSciences соответственно) являются примерами коммерчески доступных ДНК-полимераз Taq с горячим стартом на основе антител. Эти ДНК-полимеразы Taq предварительно образуют комплекс со смесью моноклональных антител, специфичных к ДНК-полимеразе Taq. [13]

Восковые бусины:

Между ДНК-полимеразой Taq и остальными компонентами ПЦР создается физический барьер с помощью восковых шариков, которые зависят от температуры. Как только температура поднимается выше 70 °C, на этапе денатурации в первом цикле восковые шарики плавятся, позволяя ДНК-полимеразе Taq выйти за барьер и высвободиться в реакцию, запуская процесс амплификации. Затем на стадии амплификации слой воска перемещается к верхней части реакционной смеси, чтобы позже действовать как барьер для пара. [2]

Высокоспецифичные олигонуклеотиды:

Олигонуклеотиды представляют собой короткие полимеры нуклеиновой кислоты, которые легко связываются. Высокоспецифичные олигонуклеотиды, такие как аптамеры, связываются с ДНК-полимеразой Taq при более низких температурах, что делает ее неактивной в смеси. Только при более высоких температурах олигонуклеотиды отделятся от Taq, позволяя ему вступить в реакцию. [5]

Это наиболее эффективные методы ПЦР с горячим стартом. Методы с использованием связанных с ферментом антител и высокоспецифичных олигонуклеотидов особенно подходят для процедур, требующих более короткого времени инактивации. [14] Однако известно, что реализуются и другие методы, такие как:

Позднее добавление ДНК-полимеразы Taq

[ редактировать ]

Предварительный нагрев:

Аппарат для ПЦР заранее нагревается, пока компоненты смешиваются со льдом, а затем сразу же помещаются в аппарат для ПЦР, как только он достигнет оптимальной температуры. Это устранит необходимый процесс прогрева, уменьшит неспецифический отжиг праймеров и обеспечит разделение любых не спаренных праймеров в смеси. [15]

Замораживание:

Замораживание действует как форма физического разделения, подобно восковым шарикам. Реакционную смесь, содержащую праймеры, цепь матрицы, воду и дезоксирибонуклеотидтрифосфат (dNTP), замораживают перед Taq-полимеразой, а остальные компоненты ПЦР добавляют поверх замороженной смеси. Это предотвращает неспецифическое связывание. [15]

Позднее добавление Taq:

Компоненты ПЦР в реакционной смеси готовят и нагревают без добавления Taq. Taq вводится в смесь только позже, когда достигается оптимальная температура. Однако этот метод наименее надежен и может привести к загрязнению компонентов. [15]

Другой метод - это ПЦР с горячим стартом, опосредованная дезоксирибонуклеотидтрифосфатом, которая модифицирует нуклеотидные основания посредством защитной группы.

Модификации дезоксирибонуклеотидтрифосфата (dNTP)

[ редактировать ]

Горячий старт dNTP может быть химически модифицирован для включения термочувствительной защитной группы на 3-м штрих-конце. Эта модификация предотвратит взаимодействие нуклеотидов с Taq-полимеразой для связывания с цепью матрицы до тех пор, пока не будут достигнуты оптимальные температуры, поэтому защитная группа будет удалена на этапе тепловой активации. Горячий старт dNTP, dA, dT, dC и dG заменяют природные нуклеотиды. [16] [17] Рекомендуется использовать все четыре модифицированных нуклеотида, однако предыдущие исследования показали, что замены одного или двух природных нуклеотидов модифицированными dNTP будет достаточно, чтобы гарантировать отсутствие неспецифической амплификации. [16] [17] Другая химическая модификация нуклеиновой кислоты осуществляется посредством термообратимой ковалентной модификации, которая препятствует гибридизации праймеров с интересующей матрицей. Аминогруппа гуанозина взаимодействует с глиоксалем с образованием dG. [18]

Модифицированные праймеры

[ редактировать ]

Вторичная структура:

Определенная вторичная структура может препятствовать функциям праймеров. Например, олигонуклеотиды со структурой шпильки не могут эффективно действовать в качестве праймера. Однако после нагрева реакционной смеси до температуры отжига праймер претерпит конформационное изменение, позволяя вместо этого праймеру сформировать линейную структуру, что позволяет праймеру прикрепиться к целевому сегменту и начать ПЦР. [19] [20] На самом деле, существует более стабильная конфигурация шпилечных праймеров, называемая «двухпузырчатыми» праймерами, которые образуют гомодимерную конфигурацию «от головы к хвосту», которую можно использовать как для обратной транскрипции, так и для ПЦР с горячим стартом. [21]


Фотохимически съемные клетки:

Каркасная группа, которая представляет собой защитную группу, удаляемую фотохимически, такая как каркасные тимидинфосфорамидиты, включена в олигонуклеотидный праймер. Это позволяет активировать и деактивировать функцию праймера с помощью УФ-облучения (365 нм). Следовательно, праймеры можно активировать после достижения температуры отжига. [22]

Контролируемое добавление магния

[ редактировать ]

Магний необходим для ПЦР и действует как кофактор, поскольку Taq-полимераза зависит от магния. [23] Увеличение концентрации магния и фосфата по сравнению со стандартными буферными реагентами приводит к образованию осадка магния , обеспечивая горячий старт реакции, поскольку магний для ДНК-полимеразы отсутствует до стадии термоциклирования. Во время термоциклирования магний снова растворяется в растворе и становится доступным для использования полимеразой, что позволяет ей нормально функционировать. [24]

Преимущества

[ редактировать ]

Преимущество ПЦР с горячим стартом заключается в том, что она требует меньше манипуляций и снижает риск загрязнения. ПЦР с горячим стартом может быть либо химически модифицированной, либо основанной на антителах, что дает этой процедуре различные преимущества. При химически модифицированной ПЦР с горячим стартом процедуру можно проводить при комнатной температуре, и она значительно уменьшает образование димеров праймеров, предотвращая связывание праймеров друг с другом до начала процесса ПЦР, а также ограничивая неспецифическое праймирование. Аналогичным образом, ПЦР с горячим стартом ингибирует связывание праймеров с последовательностями матрицы, имеющими низкую гомологию, что приводит к неправильному праймированию. Благодаря строгим условиям он также может улучшить специфичность и чувствительность, а также увеличить выход продукта целевого фрагмента. [5] В ПЦР с горячим стартом на основе антител полимераза активируется после начальной стадии денатурации во время циклического процесса, что сокращает необходимое время. Это также приводит к высокой специфичности . [14]

Ограничения

[ редактировать ]

Наряду со своими преимуществами, ПЦР с горячим стартом также имеет ограничения, которые необходимо учитывать перед внедрением метода. ПЦР с горячим стартом требует добавления тепла в течение более длительных периодов времени, в отличие от обычной ПЦР, поэтому ДНК-матрица более подвержена повреждению. Увеличенное время нагрева также означает, что эта процедура несовместима с некоторыми процедурами, такими как метод обратной транскрипции-ПЦР с одной пробиркой и одним буфером, который требует более низкой температуры для прохождения стадии обратной транскрипции. [12] При химически модифицированной ПЦР с горячим стартом процесс амплификации ДНК может быть отрицательно затронут, во-первых, из-за значительного увеличения времени реактивации, необходимого для активации полимеразы, и, во-вторых, если длина матрицы целевой ДНК слишком велика. [14] В процедурах, основанных на антителах, для каждого фермента требуется отдельное антитело, и поэтому стоимость выполнения процедуры выше. [15] Есть также свидетельства того, что многие коммерческие ферменты горячего старта действительно имеют некоторый уровень активности до денатурации, и лишь немногие поставщики предоставляют какую-либо информацию о тестировании этой остаточной активности. [25] Это означает, что преимущества, приписываемые ферментам горячего старта, могут быть не реализованы или, в лучшем случае, будут различаться в зависимости от партии или производителя.

  1. ^ Jump up to: а б с Шарки DJ, Скалис Э.Р., Кристи К.Г., Этвуд С.М., Дайс Дж.Л. (май 1994 г.). «Антитела как термолабильные переключатели: запуск полимеразной цепной реакции при высокой температуре». Био/Технологии . 12 (5): 506–9. дои : 10.1038/nbt0594-506 . PMID   7764710 . S2CID   2885453 .
  2. ^ Jump up to: а б с д и Пол Н., Шум Дж., Ле Т. (2010). «ПЦР с горячим стартом». Протоколы ОТ-ПЦР . Методы молекулярной биологии. Том. 630. Хумана Пресс. стр. 301–18. дои : 10.1007/978-1-60761-629-0_19 . ISBN  9781607616283 . ПМИД   20301005 .
  3. ^ Jump up to: а б Грин, Майкл Р.; Сэмбрук, Джозеф (май 2018 г.). «Полимеразная цепная реакция с горячим стартом (ПЦР)». Протоколы Колд-Спринг-Харбора . 2018 (5): pdb.prot095125. дои : 10.1101/pdb.prot095125 . ISSN   1940-3402 . ПМИД   29717052 .
  4. ^ Арьял, Сагар (23 апреля 2015 г.). «Полимеразная цепная реакция (ПЦР) – принцип, процедура, типы, применение и анимация» . Микробиология Info.com . Проверено 29 мая 2020 г.
  5. ^ Jump up to: а б с д и ж Берч Д.Э. (май 1996 г.). «Упрощенная ПЦР с горячим стартом». Природа . 381 (6581): 445–6. Бибкод : 1996Natur.381..445B . дои : 10.1038/381445a0 . ПМИД   8632804 . S2CID   4267296 .
  6. ^ Jump up to: а б ван Пелт-Веркуил Э., ван Белкум А., Хейс Дж. П., ред. (2008). «Варианты и адаптации стандартного протокола ПЦР». Принципы и технические аспекты ПЦР-амплификации . Спрингер Нидерланды. стр. 231–276. дои : 10.1007/978-1-4020-6241-4_12 . ISBN  9781402062414 .
  7. ^ «Чем технология горячего старта полезна для вашей ПЦР» . Термофишер . Проверено 3 октября 2019 г.
  8. ^ «DNTP — Wiki школы биомедицинских наук» . учить.ncl.ac.uk . Проверено 9 октября 2019 г.
  9. ^ Коулман ВБ (2016). Диагностика молекулярной патологии . [Лондон]: Elsevier Academic Press. ISBN  9780128011577 . OCLC   960448665 .
  10. ^ Jump up to: а б с Лебедев Александр Владимирович; Павел, Наташа; Да, Джойклин; Тимощук Виктор А.; Шум, Джонатан; Мияги, Кей; Келлум, Джек; Хогрефе, Ричард И.; Зон, Джеральд (ноябрь 2008 г.). «ПЦР с горячим стартом с термоактивируемыми праймерами: новый подход к повышению эффективности ПЦР» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (20): е131. дои : 10.1093/нар/gkn575 . ISSN   1362-4962 . ПМЦ   2582603 . ПМИД   18796527 .
  11. ^ Кермекчиев Милко Б.; Цеков, Анатолий; Барнс, Уэйн М. (1 ноября 2003 г.). «Чувствительные к холоду мутанты ДНК-полимеразы Taq обеспечивают горячий старт для ПЦР» . Исследования нуклеиновых кислот . 31 (21): 6139–6147. дои : 10.1093/нар/gkg813 . ISSN   0305-1048 . ПМК   275455 . ПМИД   14576300 .
  12. ^ Jump up to: а б Шенбруннер, Нэнси Дж; Гупта, Амар П; Янг, Карен К.Ю.; Уилл, Стивен Дж. (01 января 2017 г.). «Ковалентная модификация праймеров повышает специфичность и выход ПЦР-амплификации» . Биологические методы и протоколы . 2 (1): bpx011. doi : 10.1093/biomethods/bpx011 . ISSN   2396-8923 . ПМК   6994073 . ПМИД   32161793 .
  13. ^ Вестфолл и др. (1997), Фокус 19.3, стр. 46.
  14. ^ Jump up to: а б с «Чем технология горячего старта полезна для вашей ПЦР - AU» . www.thermofisher.com . Проверено 29 мая 2020 г.
  15. ^ Jump up to: а б с д «Что такое ПЦР с горячим стартом?» . Генетическое образование . 03.03.2019 . Проверено 29 мая 2020 г.
  16. ^ Jump up to: а б Кухарева Инна; Лебедев, Александр (15 июня 2009 г.). «3'-Защищенные 2'-дезоксинуклеозид-5'-трифосфаты как инструмент термической активации полимеразной цепной реакции» . Аналитическая химия . 81 (12): 4955–4962. дои : 10.1021/ac8026977 . ISSN   0003-2700 . ПМК   2712722 . ПМИД   19438248 .
  17. ^ Jump up to: а б Кухарева И.; Хаоцян, Х.; Да, Дж.; Шум, Дж.; Пол, Н.; Хогрефе, Род-Айленд; Лебедев, А.В. (01.09.2008). «Термоактивируемые 3'-модифицированные dNTP: синтез и применение для ПЦР с горячим стартом» . Серия симпозиумов по нуклеиновым кислотам . 52 (1): 259–260. дои : 10.1093/насс/nrn131 . ISSN   0261-3166 . ПМИД   18776352 .
  18. ^ Заявка США 20030162199 , Боннер, Алекс, «Обратимая химическая модификация нуклеиновых кислот и улучшенный метод гибридизации нуклеиновых кислот», опубликованная 28 августа 2003 г., передана BioLink Partners Inc.   , но отменена.
  19. ^ Айленберг, М. и Сильверман, М., 1 ноября 2000 г., Контролируемый горячий старт и улучшенная специфичность при проведении ПЦР с использованием подправочных и петлевых праймеров (TULIPS), Biotechniques, 29 (5): 1018-1022, doi: 10.2144/00295st03,PMID: 11084864
  20. ^ Кабоев, ОК; Лучкина Л.А.; Третьяков А.Н.; Бахрманд, Арканзас (1 ноября 2000 г.). «ПЦР горячего старта с использованием праймеров со структурой молекулярных маяков (шпилькообразная структура)» . Исследования нуклеиновых кислот . 28 (21): е94. дои : 10.1093/нар/28.21.e94 . ISSN   0305-1048 . ПМЦ   113163 . ПМИД   11058144 .
  21. ^ Айленберг М., Капус А. и Ротштейн О.Д., 14 сентября 2021 г., Улучшенное обнаружение и генотипирование ПЦР SARS-CoV-2 с помощью двухпузырьковых праймеров, Biotechniques, 71 (6): 587-597, DOI: 10.2144/ бтн-2021-0063
  22. ^ Янг, Дуглас Д.; Эдвардс, Уэсли Ф.; Лусич, Хрвое; Лайвли, Марк О.; Дейтерс, Александр (10 января 2008 г.). «Светозависимая полимеразная цепная реакция» . Химические коммуникации (4): 462–464. дои : 10.1039/B715152G . ISSN   1364-548X . ПМК   3760149 . ПМИД   18188468 .
  23. ^ Маркулатос, П.; Сиафакас, Н.; Монкани, М. (2002). «Мультиплексная полимеразная цепная реакция: практический подход» . Журнал клинического лабораторного анализа . 16 (1): 47–51. дои : 10.1002/jcla.2058 . ISSN   0887-8013 . ПМК   6808141 . ПМИД   11835531 .
  24. ^ Барнс, Уэйн М; Роулик, Кэтрин Р. (июнь 2002 г.). «Метод горячего старта осадка магния для ПЦР». Молекулярные и клеточные зонды . 16 (3): 167–171. дои : 10.1006/mcpr.2002.0407 . ПМИД   12219733 .
  25. ^ Стивенс А.Дж. и др. (август 2016 г.). «Многие коммерческие полимеразы с горячим стартом демонстрируют активность до термической активации» . БиоТехники . 61 (6): 293–296. дои : 10.2144/000114481 . ПМИД   25967906 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 21456da549313e5f54fb34775889d153__1682855340
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/21/53/21456da549313e5f54fb34775889d153.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hot start PCR - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)