pcr引物设计原则总结-第1部分

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PCR引物设计的目的是为了找到一对合适的核苷酸片段，使其能有效地扩增模板DNA序列。因此，引物的优劣直接关系到PCR的特异性与成功与否。要设计引物首先要找到DNA序列的保守区。同时应预测将要扩增的片段单链是否形成二级结构。如这个区域单链能形成二级结构，就要避开它。如这一段不能形成二级结构，那就可以在这一区域设计引物。现在可以在这一保守区域里设计一对引物。一般引物长度为15~30碱基，扩增片段长度为100~600碱基对。让我们先看看P1引物。一般引物序列中G＋C含量一般为40％~60％。而且四种碱基的分布最好随机。不要有聚嘌呤或聚嘧啶存在。否则P1引物设计的就不合理。应重新寻找区域设计引物。同时引物之间也不能有互补性，一般一对引物间不应多于4个连续碱基的互补。
引物确定以后，可以对引物进行必要的修饰，例如可以在引物的5′端加酶切位点序列；标记生物素、荧光素、地高辛等，这对扩增的特异性影响不大。但3′端绝对不能进行任何修饰，因为引物的延伸是从3′端开始的。这里还需提醒的是3′端不要终止于密码子的第3位，因为密码子第3位易发生简并，会影响扩增的特异性与效率。
综上所述我们可以归纳十条PCR引物的设计原则：
①　引物应用核酸系列保守区内设计并具有特异性。
②　产物不能形成二级结构。
③　引物长度一般在15~30碱基之间。
④　G＋C含量在40％~60％之间。
⑤　碱基要随机分布。
⑥　引物自身不能有连续4个碱基的互补。
⑦　引物之间不能有连续4个碱基的互补。
⑧　引物5′端可以修饰。
⑨　引物3′端不可修饰。
⑩　引物3′端要避开密码子的第3位。
PCR引物设计的目的是找到一对合适的核苷酸片段，使其能有效地扩增模板DNA序列。如前述，引物的优劣直接关系到PCR的特异性与成功与否。对引物的设计不可能有一种包罗万象的规则确保PCR的成功，但遵循某些原则，则有助于引物的设计。
1。引物的特异性
引物与非特异扩增序列的同源性不要超过70％或有连续8个互补碱基同源。
2。避开产物的二级结构区
某些引物无效的主要原因是引物重复区DNA二级结构的影响，选择扩增片段时最好避开二级结构区域。用有关计算机软件可以预测估计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。6lkJ/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。
3。长度
寡核苷酸引物长度为15~30bp，一般为20~27mer。引物的有效长度：Ln=2（G＋C）＋（A＋T＋，Ln值不能大于38，因为》38时，最适延伸温度会超过Taq　DNA聚合酶的最适温度（74℃）；不能保证产物的特异性。
4。G＋C含量
G＋C含量一般为40％~60％。其Tm值是寡核苷酸的解链温度，即在一定盐浓度条件下，50％寡核苷酸双链解链的温度，有效启动温度，一般高于Tm值5~10℃。若按公式Tm=4（G＋C）＋2（A＋T）估计引物的Tm值，则有效引物的Tm为55~80℃，其Tm值最好接近72℃以使复性条件最佳。
5。碱基础随机分布
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，因这样会使引物在G＋C富集序列区错误引发。
6。引物自身
引物自身不应存在互补序列，否则引物自身会折叠成发夹状结构牙引物本身复性。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。若用人工判断，引物自身连续互补碱基不能大于3bp。
7。引物之间
两引物之间不应不互补性，尤应避免3′端的互补重叠以防引物二聚体的形成。一对引物间不应多于4个连续碱基的同源性或互补性。
8。引物的3′端
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，除在特殊的PCR（AS…PCR）反应中，引物3′端不能发生错配。
在标准PCR反应体系中，用2U　Taq　DNA聚合酶和800μmol/L　dNTP（四种dNTP各200μmol/L）以质粒（103拷贝）为模板，按95℃，25s；55℃，25s；72℃，1min的循环参数扩增HIV…1　gag基因区的条件下，引物3′端错配对扩增产物的影响是有一定规律的。A∶A错配使产量下降至1/20，A∶G和C∶C错七下降至1/100。引物A：模板G与引物G：模板A错配对PCR影响是等同的。
9。引物的5′端
引物的5′端限定着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；引入突变位点、插入与缺失突变序列和引入一启动子序列等。
10。密码子的简并
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，会影响扩增特异性与效率。
特殊目的的引物设计将在有关章节讨论。随着人们对引物的认识，一些引物的计算机设计程序也应运而生，下面将讨论有关引物计算机设计方法。
PCR引物设计的11条黄金法则　

1。引物最好在模板cDNA的保守区内设计。　
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。　

2。引物长度一般在15~30碱基之间。　
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。　

3。引物GC含量在40％~60％之间，Tm值最好接近72℃。　
GC含量（position）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。另外，上下游引物的Tm值（melting　temperature）是寡核苷酸的解链温度，即在一定盐浓度条件下，50％寡核苷酸双链解链的温度。有效启动温度，一般高于Tm值5~10℃。若按公式Tm=　4（G＋C）＋2（A＋T）估计引物的Tm值，则有效引物的Tm为55~80℃，其Tm值最好接近72℃以使复性条件最佳。　

4。引物3′端要避开密码子的第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。　

5。引物3′端不能选择A，最好选择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。　

6。　碱基要随机分布。　
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，因这样会使引物在GC富集序列区错误引发。　

7。　引物自身及引物之间不应存在互补序列。　
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）。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。　

8。　引物5′　端和中间△G值应该相对较高，而3′　端△G值较低。　
△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）　

9。引物的5′端可以修饰，而3′端不可修饰。　
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。　

10。　扩增产物的单链不能形成二级结构。　
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。　

11。　引物应具有特异性。　
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。　
做Real　Time时；用于SYBR　Green　I法时的一对引物与一般PCR的引物；在引物设计上所要求的参数是不同的。引物设计的要求：　
1）避免重复碱基，尤其是G。　
2）Tm=58…60度。　
3）GC=30…80％。　
4）3'端最后5个碱基内不能有多于2个的G或C。　
5）正向引物与探针离得越近越好，但不能重叠。　
6）PCR扩增产物长度：　引物的产物大小不要太大，一般在80…250bp之间都可；80～150　bp最为合适（可以延长至300　bp）。　
7）引物的退火温度要高，一般要在60度以上；　

要特别注意避免引物二聚体和非特异性扩增的存在。　

而且引物设计时应该考虑到引物要有不受基因组DNA污染影响的能力，即引物应该跨外显子，最好是引物能跨外显子的接头区，这样可以更有效的不受基因组DNA污染的影响。　

至于设计软件，PRIMER3；PRIMER5；PRIMER　EXPRESS都应该可以的。　

做染料法最关键的就是寻找到合适的引物和做污染的预防工作。对于引物，你要有从一大堆引物中挑出一两个能用的引物的思想准备…寻找合适的引物非常不容易。　

关于BLAST的作用应该是通过比对，发现你所设计的这个引物，在已经发现并在GENEBANK中公开的不物种基因序列当中，除了和你的目标基因之外，还有没有和其他物种或其他序列当中存在相同的序列，如和你的目标序列之外的序列相同的序列，则可能扩出其他序列的产物，那么这个引物的特异性就很差，从而不能用









另一版本的总结：

1．简介　
寡聚核苷酸引物的选择，通常是整个扩增反应成功的关键。所选的引物序列将决定PCR产物的大小、位置、以及扩增区域的Tm值这个和扩增物产量有关的重要物理参数。好的引物设计可以避免背景和非特异产物的产生，甚至在RNA…PCR中也能识别cDNA或基因组模板。引物设计也极大的影响扩增产量：若使用设计粗糙的引物，产物将很少甚至没有；而使用正确设计的引物得到的产物量可接近于反应指数期的产量理论值。当然，即使有了好的引物，依然需要进行反应条件的优化，比如调整Mg2＋浓度，使用特殊的共溶剂如二甲基亚砜、甲酰胺和甘油。　
计算机辅助引物设计比人工设计或随机选取更有效。一些影响PCR反应中引物作用的因素诸如溶解温度、引物间可能的同源性等，易于在计算机软件中被编码和限定。计算机的高速度可完成对引物位置、长度以及适应用户特殊条件的其他有关引物的变换可能性的大量计算。通过对成千种组合的检测，调整各项参数，可提出适合用户特殊实验的引物。因此通过计算机软件选择的引物的总体“质量”（由用户在程序参数中设定）保证优于通过人工导出的引物。　
需要指出的是，引物不必与模板完全同源，因