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引物设计的影响因素介绍

2022.10.18

最佳区域

DNA序列的保守区是通过物种间相似序列的比较确定的。在NCBI上搜索不同物种的同一基因,通过序列分析软件(比如DNAman)比对(Alignment),各基因相同的序列就是该基因的保守区。

长度

引物长度(primer length)常用的是18-27 bp,但不应大于38,因为过长会导致其延伸温度大于74℃,不适于Taq DNA聚合酶进行反应。

GC含量

引物序列的 GC 含量一般为 40-60%,过高或过低都不利于引发反应。上下游引物的 GC含量不能相差太大

Tm值

引物所对应模板位置序列的 Tm 值在 72℃左右可使复性条件最佳。Tm 值的计算有多种方法,如按公式 Tm=4(G+C)+2(A+T),在 Oligo 软件中使用的是最邻近法(the nearestneighbor method)

3′端避开密码子第3位

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,会影响扩增的特异性与效率。

选择T

引物3′端错配时,不同碱基引发效率存在着很大的差异,当末位的碱基为A时,即使在错配的情况下,也能有引发链的合成,而当末位链为T时,错配的引发效率大大降低,G、C错配的引发效率介于A、T之间,所以3′端最好选择T。

碱基随机分布

引物序列在模板内应当没有相似性较高,尤其是3’端相似性较高的序列,否则容易导致错误引发(False priming)。降低引物与模板相似性的一种方法是,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,因为这样会使引物在GC富集序列区错误引发。

自身避免互补

引物自身不应存在互补序列,否则引物自身会折叠成发夹结构(Hairpin)使引物本身复性。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。引物自身不能有连续4个碱基的互补。

两引物之间也不应具有互补性,尤其应避免3′ 端的互补重叠以防止引物二聚体(Dimer与Cross dimer)的形成。引物之间不能有连续4个碱基的互补。 引物二聚体及发夹结构如果不可避免的话,应尽量使其△G值不要过高(应小于4.5kcal/mol,∆G 值是指 DNA 双链形成所需的自由能,该值反映了双链结构内部碱基对的相对稳定性 [3]  ),否则易导致产生引物二聚体带,并且降低引物有效浓度而使PCR 反应不能正常进行。

5′ 端中间G值应较高3′ 端较低

△G值是指DNA双链形成所需的自由能,它反映了双链结构内部碱基对的相对稳定性,△G值越大,则双链越稳定。应当选用5′ 端和中间△G值相对较高,而3′ 端△G值较低(绝对值不超过9)的引物。引物3′ 端的△G 值过高,容易在错配位点形成双链结构并引发DNA 聚合反应。(不同位置的△G值可以用Oligo 6软件进行分析)

5′ 端可以修饰

引物的5′ 端决定着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;引入点突变、插入突变、缺失突变序列;引入启动子序列等。

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。

单链无二级结构

某些引物无效的主要原因是扩增产物单链二级结构的影响,选择扩增片段时最好避开二级结构区域。用有关软件(比如RNAstructure)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58.6l kJ/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。

自由能

∆G 值是指 DNA 双链形成所需的自由能,该值反映了双链结构内部碱基对的相对稳定性。应当选用 3’端 ∆G 值较低(绝对值不超过 9),而 5’端和中间 ∆G 值相对较高的引物。引物的 3’端的 ∆G 值过高,容易在错配位点形成双链结构并引发 DNA 聚合反应。

特异性

引物设计完成以后,应对其进行BLAST检测。如果与其它基因不具有互补性,就可以进行下一步的实验了。

值得一提的是,各种模板的引物设计难度不一。有的模板本身条件比较困难,例如GC含量偏高或偏低,导致找不到各种指标都十分合适的引物;用作克隆目的的PCR,因为产物序列相对固定,引物设计的选择自由度较低。在这种情况只能退而求其次,尽量去满足条件。


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