background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Do przeprowadzenia reakcja PCR potrzeba:

1. Jednoniciowej matrycy DNA.

2. Pary starterów (sekwencji oligonukleotydów komplementarnych do końców
zdefiniowanej sekwencji matrycowego DNA).

3. Trójfosforanów deoksyrybonukleotydów (dNTP).

4. Enzymu polimerazy DNA.

Każdy cykl reakcji składa się z trzech etapów:

1. 

Termiczna denaturacja 

powielanego DNA (temp. 94 - 95°C) w obecności 

nadmiaru każdego z dwóch starterów i czterech dNTP.

2. 

Hybrydyzacja starterów 

do sekwencji komplementarnej z matrycą w

temperaturze 40 - 60°C przez 20 do 40 sekund.

3. 

Wydłużanie startera 

od końca 3'-OH przez sukcesywne dosyntetyzowanie 

dNTP w temperaturze 72°C. Proces ten jest katalizowany przez polimerazę DNA.

PCR – podsumowanie

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Powtarzanie  cykli  amplifikacji  prowadzi  do  wzrostu  ilości 

odpowiednich  fragmentów  DNA  w  postępie  wykładniczym, 
2

n

 

gdzie n oznacza liczbę cykli 

Po 30 - 40 cyklach uzyskuje się powielenie fragmentu DNA 
kilka  milionów  razy  -  produkty  jednego  cyklu  amplifikacji 
służą jako matryce dla następnego. 

Główny  produkt  tej  eksponencjalnej  reakcji  to  segment 
dwuniciowego DNA , którego końce określone są prze końce 
5'  primera  i  których  długość  określona  jest  przez  odległość 
pomiędzy primerami.

PCR – podsumowanie

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Na  efektywność  reakcji  PCR  w  istotny  sposób 
wpływają różne czynniki fizyczne i chemiczne.

Czynnikami takimi są:

1. Typ termocyklera.
2. Temperatura i czas poszczególnych etapów, 
ilość cykli.
3. Stężenie polimerazy DNA, jakość enzymu i 

buforu reakcyjnego.

4. Stężenie dNTP.
5. Primery.

Optymalizacja warunków reakcji PCR

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Optymalizacja warunków reakcji PCR

Temperatura i czas poszczególnych etapów

Denaturacja – typowe warunki dla niemal każdej reakcji z 
polimerazą Taq to 95°C 20 - 30 sekund, lub 97°C - 15 sekund. 

Wyższa temperatura może być stosowana w przypadku matrycy 

bogatej w pary G+C.

Niekompletna denaturacja może obniżyć wydajność reakcji – za mało 
matrycy w kolejnych cyklach.

Za długa denaturacja może doprowadzić do niepotrzebnego 

zmniejszenia aktywności enzymu. 

Czas aktywności polimerazy Taq: >2 godz. przy 92,5°C, 40 minut 

przy 95°C i 5 minut dla temperatury 97,5°C.

Denaturacja nie powinna być ostatnim etapem kończącym proces 
amplifikacji PCR.

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Optymalizacja warunków reakcji PCR

Temperatura i czas poszczególnych etapów

Hybrydyzacja (ang. annealing)– przyłączenie startera, najbardziej istotny czynnik w optymalizacji

reakcji. 

Na ten etap ma wpływ a) temperatura, b) stężenie matrycy i startera oraz c) czas.
Po denaturacji mieszaninę reakcyjną schładza się do około 50 – 65°C w której startery mogą łatwo i

dokładnie hybrydyzować z matrycą. Czas hybrydyzacji – 20 – 40 sekund.

Jeżeli temperatura hybrydyzacji jest za wysoka – przyłączenie starterów jest nie możliwe.

Przy za niskiej temperaturze może zachodzić niespecyficzne przyłączenie starterów do wielu miejsc 

na matrycy – w efekcie duża ilość nie specyficznych produktów o nie znanej sekwencji.

Temperaturę hybrydyzacji należy ustalać oddzielnie dla każdego startera, można to już przewidzieć na 

etapie projektowania. Ważnym parametrem do określenia jest temperatura topnienia Tm (malting 

temperature) zaprojektowanej struktury. 

Jeśli temperatura topnienia będzie wyższa niż temperatura hybrydyzacji to z reakcji nic nie będzie. 

Nie dojdzie do hybrydyzacji a to jest warunek rozpoczęcia reakcji przez polimerazę. 

Jeśli Tm jest niższa niż temperatura hybrydyzacji nic nie powinno zakłócić reakcji. Wybiera się 

najwyższą możliwą temperaturę hybrydyzacji, znacząco wpływa to na specyficzność reakcji.

Na temperaturę hybrydyzacji wpływa budowa primera, a dokładnie procentowa zawartość par G+C
w stosunku do par AT oraz jego długość.

background image

Optymalizacja warunków reakcji PCR

Temperatura i czas poszczególnych etapów

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Elongacja -kiedy startery połączą się specyficznie z matrycą do 

pracy przystępuje polimeraza.

Standardowo dla polimerazy Taq reakcję polimeryzacji 
przeprowadza się przy 72°C przez 20 sekund - dla fragmentów 
krótszych niż 500 pz i 40 sekund - dla fragmentów o długości 
do 1,2 kpz. 

W przypadku innych polimeraz należy się kierować 
wskazaniami producenta odnośnie temperatury i czasu 
elongacji

Zakończenie amplifikacji – 4 °C

background image

Optymalizacja warunków reakcji PCR

Temperatura i czas poszczególnych etapów

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Ilość cykli:

● 

Zależy od początkowego stężenia matrycy DNA.

● 

Nie powinna przekraczać 40 (optymalna od 25 do 35).

● 

Zwiększając liczbę cykli wzrost niespecyficznych produktów.

● 

Zbyt mała liczba cykli mała wydajność powstającego produktu.

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Optymalizacja warunków reakcji PCR

Stężenie polimerazy DNA

Optymalna ilość enzymu wynosi 0,5 - 2,5 jednostki (U) w próbce na 
50 μl na około 40 cykli.

● 

Zwiększenie stężenia enzymu - niespecyficzne produkty

● 

Zmniejszenie stężenia enzymu - zbyt małe ilości produktu.

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Optymalizacja warunków reakcji PCR

Skład buforu reakcyjnego

Stężenie jonów Mg

2+

● 

Optymalne stężenie około l,5 mM, (0,5 – 5 mM)

● 

Jony Mg

2+

 

wpływają na aktywność enzymu, zwiększają Tm ds DNA, 

tworzą rozpuszczalne kompleksy z dNTP oraz z powstającymi z nich w 

trakcie polimeryzacji pirofosforanem oraz EDTA

● 

Zbyt wysokie stężenie Mg

2+

 

niespecyficzne produkty

● 

Zbyt niskie stężenie Mg

2+

 

- słabszy sygnał amplifikacji.

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Optymalizacja warunków reakcji PCR

Stężenie dNTP

Optymalne stężenie dNTP długość reakcji PCR zależy od:

● 

Długości amplifikowanego produktu,

● 

Stężenia MgCl

2

● 

Stężenia primera

Końcowe stężenie każdego nukleotydu w roztworze wynosi około 200 μM 
ale zależy od rodzaju polimerazy i prowadzonej reakcji. 

Nierówne ilości czterech dNTP redukują wydajność amplifikacji. 

Nukleotydy (i pirofosforan) redukują pulę wolnych jonów Mg

2+

(wpływając na aktywność polimerazy i hybrydyzację starterów). 

Niskie stężenie dNTP minimalizuje błędne ich wstawianie w nowo 

syntetyzowanej nici.

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Optymalizacja warunków reakcji PCR

Startery

● 

Długość typowych starterów powinna wynosić 18 do 28 nukleotydów, 

zawierających 50 - 60 % par G-C.

● 

Końcowe optymalne stężenie starterów wynosi 0,1 do 0,5 μM wyższe 

stężenie może prowadzić do akumulacji niespecyficznych produktów i 
zwiększa prawdopodobieństwo generowania dimerów starterów.

● 

3' końce starterów powinny być niekomplementarne w stosunku do siebie 

(niebezpieczeństwo tworzenia dimerów).

● 

Nie powinny zawierać sekwencji palindromicznych.

● 

Nie powinny tworzyć struktur drugorzędowych.

● 

Należy unikać w sekwencjach starterów nierównej dystrybucji rejonów 

bogatych w G/C lub A/T.

● 

Ważne jest, aby Tm obydwu starterów były do siebie zbliżone, najlepiej 

takie same.

● 

Tm nie powinna być niższa niż 50°C.

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Projektowanie starterów

Temperatura stapiania starterów

Najprostszy wzór na obliczanie temperatury stapiania (stosowany 

najczęściej):

T

m

 = 2°(A + T) + 4°(G +C)

Jest prawdziwy dla oligonukleotydów o długości 14-20 pz. Dla dłuższych 

starterów wprowadza się korekcję temperatury obniżając ją o 5-10°C

Obliczenia oparte o stężenie soli, zawartość par G-C i długość startera:

L – długość startera
[SALT]- zawartość soli w buforze reakcyjnym:

background image

Projektowanie starterów

Temperatura stapiania starterów

Projektowanie starterów

Temperatura stapiania starterów

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Obliczenia oparte o oddziaływania między nukleotydami w najbliższym 

sąsiedztwie:

Wartości entalpii

ΔH

o

e

=-5kcal/mol

Wartości energii swobodnej

ΔG

o

e

=-1kcal/mol, ΔG

o

i

=+2,2kcal/mol

background image

Projektowanie starterów

Długość starterów

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

W standardowym PCR stosuje się startery o długości 18-24 pz. 
Minimalna długość (18pz) wynika z wielkości genomu i 
prawdopodobieństwa spotkania w sekwencji 2 identycznych 
fragmentów (specyficzność oddziaływania starter-matryca).
 
Z każdym kolejnym nukleotydem starter staje się 4 x bardziej 
specyficzny.

Im dłuższy starter tym mniejsza wydajność reakcji amplifikacji, bo 
trudniej podczas stapiania utworzyć prawidłowy dupleks z nicią 
matrycowego DNA.

Najdłuższe startery mają 28-35 pz. Są stosowane w specyficznych 
sytuacjach np: 1) amplifikacja blisko spokrewnionych izoform 
białek; 2) amplifikacja fragmentów niekodującego DNA

background image

Projektowanie starterów

Końce 5' i 3'

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Koniec 5' nie wymaga szczególnej uwagi, bo od niego nie zależy w 
tak dużym stopniu specyficzność PCR. Przyłączać można do niego 
dodatkowe nukleotydy nieparujące z matrycą np. miejsca 
restrykcyjne.
 
Bardzo ważny dla specyficzności reakcji jest koniec 3', bo od tej 
strony przyłącza się polimeraza, która zaczyna działać wtedy, kiedy 
utworzy się para nukleotydów na tym końcu.

Większa zawartość par G-C w ostatnich 5 nukleotydach 3'-końca 
wzmacnia siłę specyficznego wiązania startera do matrycy ale 
powinno się unikać stosowania więcej niż 3 par G-C w tym 
ostatnim odcinku aby nie zaszło przypadkowe parowanie 
nukleotydów co obniża specyficzność reakcji.

background image

Projektowanie starterów

Końce 5' i 3'

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Koniec 5' nie wymaga szczególnej uwagi, bo od niego nie zależy w 
tak dużym stopniu specyficzność PCR. Przyłączać można do niego 
dodatkowe nukleotydy nieparujące z matrycą np. miejsca 
restrykcyjne.
 
Bardzo ważny dla specyficzności reakcji jest koniec 3', bo od tej 
strony przyłącza się polimeraza, która zaczyna działać wtedy, kiedy 
utworzy się para nukleotydów na tym końcu.

Większa zawartość par G-C w ostatnich 5 nukleotydach 3'-końca 
wzmacnia siłę specyficznego wiązania startera do matrycy ale 
powinno się unikać stosowania więcej niż 3 par G-C w tym 
ostatnim odcinku aby nie zaszło przypadkowe parowanie 
nukleotydów co obniża specyficzność reakcji.

background image

Projektowanie starterów

Zawartość par G-C i ich położenie

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Par G-C powinno być w granicach 40-60% bo to daje optymalne 
warunki (głównie temperaturowe) dla parowania startera z matrycą.
 
Należy unikać występowania więcej niż 3 par G-C obok siebie 
szczególnie na 3'-końcu.

Starter powinien być bardziej „lepki” (więcej par G-C) w środku i 
na 5'-końcu niż na końcu 3'.

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Projektowanie starterów

Struktury drugorzędowe

Struktury drugorzędowe starterów pojawiają się w wyniku 
oddziaływań wewnątrz, bądź międzycząsteczkowych.

Powodują:
1) zmniejszenie ilości produktu PCR aż do jego 
całkowitego braku;
2) hamują stapianie się starterów z matrycą;
3) w dużym stopniu zmniejszają zdolność starterów do 
reakcji 

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Projektowanie starterów

Struktury drugorzędowe

Self Dimer: tworzy się przez międzycząsteczkowe oddziaływanie 
z  drugim,  takim  samym  starterem.  Kiedy  startery  tworzą  dimery 
szybciej  niż  hybrydyzują  z  matrycą  to  spada  wydajność  PCR. 
Wartości  ΔG  akceptowalne  dla  tego  typu  dimeryzacji:  1)  dla  3'-
końca ΔG -5 kcal/mol; 2) dla środka startera ΔG -6 kcal/mol.

Przykłady

Starter ma T

m =

50°C, więc 3’ GC 

homologia (ΔG=-3.1 kcal/mol) może 

być problemem; jeżeli T

m

 byłaby 

wyższa (np. 60°C), wtedy starter 

byłby dobry.

ΔG=-9.3 kcal/mol. Bardzo zły!!!

ΔG=-1.6 kcal/mol. Dobry!!

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Projektowanie starterów

Struktury drugorzędowe

Cross 

Dimer

tworzy 

się 

przez 

międzycząsteczkowe 

oddziaływanie z drugim, innym starterem kiedy występują między 

nimi  homologiczne  fragmenty.  Wartości  ΔG  akceptowalne  dla 
tego  typu  dimeryzacji:  1)  dla  3'-końca  ΔG  -5  kcal/mol;  2)  dla 
środka startera ΔG -6 kcal/mol.

Przykłady

ΔG=-5 kcal/mol, dobry ale nie 

najlepszy.

ΔG=-5 kcal/mol, dobry ale nie 

najlepszy.

background image

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Projektowanie starterów

Struktury drugorzędowe

Spinki (Hairpins): Tworzą się przez oddziaływania 
wewnątrzcząsteczkowe w jednym starterze. Powinno się ich 
unikać!!!
 Ale jeżeli już są to wartości ΔG akceptowalne dla tego 
typu struktur: 1) dla 3'-końca ΔG -2 kcal/mol; 2) dla środka 
startera ΔG -3 kcal/mol. Nie powinno być więcej niż 3 pz 

wewnątrz startera, które mogą tworzyć dupleksy.

Przykłady:

ΔG=-1,36 kcal/mol, dobry ale nie 

najlepszy.

ΔG=-3,72 kcal/mol, 

Zły!!!

background image

Projektowanie starterów

Powtórzenia par zasad

   Obliczenia w biochemii i biologii molekularnej  

Dinukleotydy: powtarzające się kolejno pary takich samych 
nukleotydów (np. ATATATAT) mogą powodować nieprawidłowe 
parowanie. Maksymalna, dopuszczalna ilość powtórzeń dinukleotydów 
w starterze to 4.

Mononukleotydy: powtarzające się kolejno takie same nukleotydy (np. 
GGGGG) mogą powodować nieprawidłowe parowanie. Maksymalna, 
dopuszczalna ilość powtórzeń tej samej zasady w starterze to 4.