很早就有用随机引物的PCR,但由于无法有效地控制由随机引物引发的非特异产物的产生,所以一直未能广泛应用。近年来由IJiu等设计的TAIL-PCR(Termal Asymmetric Interlaced PCR)又叫热不对称交错PCR,则解决了这个问题,后来有研究表明,经改良过的TAIL-PCR成功地从突变体中克隆到外源插入基因的旁侧序列,从而为启动子的克隆提供了有效的新方法。
在利用特异引物和随机引物进行PCR中一般有3种产物生成:(1)由特异性引物和简并引物扩增出的产物;(2)由同一特异性弓l物扩增出的产物;(3)由同一简并引物扩增出的产物。在TAIL-PCR反应中,其中后2种目标产物可以通过以嵌套的特异性引物进行的后续反应来消除。
TAIL-PCR的基本原理是利用目标序列旁的已知序列设计3个嵌套的特异性引物(specialprimer,简称sp1,sp2,sp3,约20bp),用它们分别和1个具有低Tm值的短的随机简并引物(Arbitrarydegenerate prime,AD,约14bp)相组合,以基因组DNA为模板.
根据引物的长短和特异性的差异设计不对称的温度循环,通过分级反应来扩增特异引物(流程如图5所示)。
TAIL-PCR共分3次反应。第一次反应包括5次高特异性、1次低特异、10次较低特异性反应和12个热不对称的超级循环。5次高特异性反应,使sp1与已知的序列退火并延伸,增加了目标序列的浓度;1次低特异性的反应使简并引物结合到较多的目标序列上;10次较低特异性反应使2种引物均与模板退火,随后进行12次超级循环。
经上述反应得到了不同浓度的3种类型产物:特异性产物(I)型和非特异性产物(Ⅰ型和Ⅲ型)。第二次反应则将第一级反应的产物稀释1000倍作为模板,通过10次热不对称的超级循环,使特异性产物被选择地扩增,而非特异产物含量极低。第三次反应又将第二次反应的产物稀释作模板,再设置普通的PCR反应或热不对称超级循环,通过上述3次PCR反应可获得与已知序列邻近的目标序列。
Gento等曾用构建的含有潮霉素抗性基因(hph)的双元表达载体pBIG2RHPH2转化真菌,然后利用TAIL-PCR法克隆得到的真菌转化子基因组DNA的T-DNA插入区的旁侧序列并取得了成功。根据T-DNA区的HPH基因设计了扩增右边界的3个引物HS1~HS3,以及扩增左边界的引物HAS2~HAS4,另外又根据不同的转化子分别设计了简并引物ADl~AD3(引物位置如图6所示)。
在首轮PCR中,以AD/HS1为引物扩增右边界(以AD/HAS2扩增左边界),然后取首轮PCR产物为模板,以AD/HS2(AD/HAS3)进行二次PCR,再以二次PCR产物为模板,AD/HS3(AD/HAS4)为模板进行第三轮PCR,将3轮的PCR产物进行电泳分析结果表明,采用TAIL-PCR的方法成功地从突变体中获得了带有T-DNA左右边界的旁侧序列,从而证明了TAIL-PCR法是有效地扩增基因旁侧序列的方法,为启动子的克隆又增添了1种可行的方法。
TAIL-PCR不需要PCR前的任何DNA操作,避免了环化和连接,速度快,特异性强,效率高,灵敏,在分子生物学研究的各个领域都有广泛的应用。
2 讨论
以上介绍的几种方法基本代表了现有的启动子克隆方法,它们分别具有不同的特点和适用范围。
利用启动子探针载体筛选启动子时,不需要知道具体的基因序列,避免了引物设计,并能获得大量的启动子片段;其缺点是需要构建1个穿梭质粒,建库、转化、筛选,工作量大,费时费力,而且克隆、亚克隆的过程繁琐。因此在基因的遗传背景不是很清楚时,往往通过探针载体随机筛选启动子。
而PCR法的主要优点是简便、快捷、操作简单;其缺点是只能扩增两端已知序列间的DNA区,且扩增的特异性较低。其适用条件是建立在对基因序列十分清楚的基础上,只有知道基因的全序列,才可根据已知序列设计引物,扩增出该基因的启动子。因此,在基因序列清楚的情况下.我们首先想到的就是PCR法。
I-PCR法操作简单,克服了文库筛选、克隆、亚克隆的繁琐步骤,对实验条件要求不高,花费少,在PCR法的基础上,增加了DNA的环化过程,从而可以扩增只有一端序列已知的DNA,由于不需要设计和合成大量昂贵的核苷酸接头,因此避免了引物设计和有接头而产生的非特异性产物的麻烦;然而由于直接克隆已知序列外的未知DNA区域依赖于DNA的环化性,而环化连接过程中常常产生多联体,成为副产物甚至是主要产物,导致非特异扩增,造成了闭环双链的DNA的PCR扩增效率差,经常得不到满意的结果,同时酶切片段太长也会使扩增效率下降。其适用于寻找只有一端序列已知的DNA,对未知DNA片段进行扩增。
相对于I-PCR,P-PCR经过设计形成的是锅柄状单链DNA模板,从而有效增加了引物与模板结合的特异性,p-PCR能够完成全部嵌套式扩增,因而产物有非常高的特异性;其缺点是也存在DNA环化、连接的弊端,但与I-PCR相比,其PCR产物的特异性已大大增加。目前,P-PCR可以扩增位于已知位点侧翼的大于3.0kb的人基因组DNA的启动子,是目前为止能扩增距离已知序列最远的DNA序列的方法.因而常用于扩增大片段的未知序列。
利用载体的PCR克隆启动子有实验设计简便的优点,在基因组DNA中加入含合适酶切位点的载体,是基于PCR法的又一创新之处;然而其实验操作较为繁琐,特异性差,即使用套式PCR,仍然有几条电泳条带,因而特异性产物需杂交进一步确定。
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