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混模板 PCR 中压低异源双链比的两条“杠杆”

混模板 PCR 中压低异源双链比的两条“杠杆”
导读:捷克科学院生物物理研究所 Michu 等,在2010年Biologia Plantarum一篇文献里,针对混模板 PCR 里普遍存在的"异源双链(heteroduplex)"伪信号,给出两个低成本、可落地的压制杠杆——补加Taq酶或Taq酶/引物与减少循环数。

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背景:混模板 PCR 里的"幽灵双链"

同源双链(homoduplex)是两条完全互补、来自同一模板的链;而异源双链(heteroduplex)是一条链来自模板 A、互补链来自模板 B,因 A、B 序列有差异而在错配处形成局部"鼓包"。在使用通用引物同时扩增多个相似模板(不同等位基因、不同物种、不同甲基化状态)的混模板PCR中,后期循环引物耗尽,大量单链产物不再结合引物,而是互相错配退火,于是生成异源双链。(参考1、参考2)

The ratio of heteroduplexes to homoduplexes increases rapidly in the later PCR cycles. The most rapid increase is between the cycles 26 - 31.

As Thompson et al. (2002) hypothesized, heteroduplex formation could be caused by a low concentration of primers in the later PCR cycles.

它的危害是实质性的:克隆进 E. coli 后,宿主 MutHLS 错配修复会把异源双链"修"成嵌合序列;Thompson 等建模显示,假序列数随差异位点数与原始变种数指数级爆炸;在 DGGE / CDCE 上异源双链因构象差异被误判成"新变种";直接测序则峰图混乱、碱基读错。(参考2)

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核心发现:两个降异源双链比的杠杆

Thompson等(2002)提出,将扩增产物稀释10倍,随后进行三个循环的再扩增(“复原条件PCR”,reconditioning PCR)可以有效地从模板扩增中去除异源双链。

Thompson et al. (2002) proposed that a 10-fold dilution of the amplification product, followed by a three cycle re-amplification (“reconditioning”) could effectively remove heteroduplexes from template amplifications.

而在本文献中给出了两种方法:

2.1、补加 Taq 聚合酶

研究者尝试通过在第27个循环后添加2 U的Taq DNA聚合酶或2 U的Taq DNA聚合酶加8 pmol的每种引物(加入已含有Taq DNA聚合酶和8 pmol每种引物的标准PCR混合物中)来减少异源双链DNA的量,PCR在第28、29和30个循环后终止,通过Sau96I限制性消化检测异源双链DNA。

其观察到在添加Taq聚合酶后的第二个循环(第30个循环)异源双链与同源双链比率下降了30%。添加Taq聚合酶在两种情况下都增加了同源双链分子的绝对数量,因此降低了异源双链与同源双链的比率

异源双链与同源双链比率的分析清楚地表明,与未添加额外Taq聚合酶的实验相比,添加Taq聚合酶降低了异源双链与同源双链的比率

2.2、 减少 PCR 循环数

研究者观察到在少数PCR循环后异源双链与同源双链的比率较低,因此当PCR产物量不是很高时,复原条件PCR可能是消除异源双链形成的合适方法

We have observed that the heteroduplex to homoduplex ratio is low after a few PCR cycles and that the ratio rapidly increases in the later PCR cycles.

Therefore, reconditioning PCR may be a suitable method to eliminate heteroduplex formation when the quantity of PCR products is not very high.

总之:发现表明异源双链的形成最可能取决于Taq聚合酶分子与PCR产物的比率异源双链与同源双链的比率可以通过添加Taq聚合酶和减少PCR循环数来降低。然而,这种解决方案限制了PCR产量,因此通常不太有吸引力,但它避免了异源双链分子的形成。

Appropriate combination of both (a higher number of PCR cycles + the addition of Taq polymerase in the later PCR cycles) can be a method generally applicable to avoid, or at least decrease the formation of heteroduplexes.

本文参考内容:

1:Michu E, Mráčková M, Vyskot B, Žlůvová J. Reduction of heteroduplex formation in PCR amplification. Biologia Plantarum. 2010;54(1):173-176. DOI: 10.1007/s10535-010-0029-8;

2:Thompson JR, Marcelino LA, Polz MF. Heteroduplexes in mixed-template amplifications: formation, consequence and elimination by 'reconditioning PCR'. Nucleic Acids Research. 2002;30(9):e43. PMID: 11972349;

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