Хотя большинство затравок с большей или меньшей эффективностью способно работать, бывают случаи, когда и синтезированные праймеры совершенно непригодны для амплификации желаемых последовательностей. Причина этого явления остается пока неясной. Во многих случаях простой сдвиг последовательности затравки на несколько оснований «вверх» или «вниз» решает проблему.

7а-7-полимеразу можно приобрести у ряда фирм. Для реакции ПЦР обычно используют фермент в концентрации 2 ед. в 100 мкл реакционной смеси. Для амплификации образцов ДНК, обладающих высокой кинетической сложностью, например, последовательностей геномной ДНК, оптимум концентрации Гад-полимеразы обычно 1-4 ед. на 100 мкл реакционной смеси. Увеличение количества фермента выше указанного уровня может привести к возрастанию уровня неспецифического синтеза и к уменьшению выхода требуемого фрагмента.

1.3 Параметры температурных циклов

Полимеразная цепная реакция предусматривает инкубацию образцов при трех температурах, соответствующих трем этапам цикла амплификации, - денатурации, отжигу и достройке.

Обычно двухцепочечную ДНК денатурируют путем кратковременного нагрева образца до 90-95°С, затем проводят отжиг, охлаждая образец до 40-60°С, и далее нагревают до 70-75°С, чтобы осуществить достройку отожженных затравок с помощью 7а-7-полимеразы. Время инкубации при 70-75 СС варьируют в зависимости от длины амплифицируемой последовательности. Длительность температурного скачка определяется типом оборудования, используемого для нагрева и охлаждения. За одним лишь исключением, скорость смены температуры не имеет значения и для сокращения длительности цикла практически всегда используются быстрые температурные скачки. Однако, чтобы быть уверенным, что образцы все-таки нагрелись до необходимой температуры, время скачка следует определить, проводя замеры температуры в контрольном эксперименте амплификации. Термопара для замера в микронробах и цифровой многофункциональный счетчик очень полезны для этих целей.

Обычно длительность смены температур для 100 мкл реакционной смеси в 1,5 мл пробирках и водяных банях, настроенных на 72°, 93о и 55°С, следующая:

1) 72° — 93°С— 1 мин,

2) 93 — 55°С— 1 мин,

3) 55 — 72°С — 45 с.

Время скачка для таких же образцов, но в нагревательном блоке с формованными отверстиями обычно больше, по крайней мере, в два раза. Недостаточный прогрев на этапе денатурации — одна из наиболее распространенных причин неудач при проведении реакции ПЦР вручную. Как правило, разделение цепей происходит, если реакционная смесь нагрета выше 90°С. Чтобы гарантировать разделение, следует довести температуру смеси до 93°С. Как только этот рубеж достигнут, образец можно охлаждать до температуры отжига затравки. Долгая денатурация не является необходимой; более того, именно непродолжительное воздействие повышенных температур обеспечивает поддержание высокой активности фермента в течение всей реакции амплификации. Чтобы предотвратить потерю влаги за счет испарения с поверхности реакционной смеси, можно наслоить на нее 50 мкл минерального масла.

Температура проведения отжига зависит от длины затравки и содержания в ней GC-nap. Для типичной затравки длиной 20 нуклеотидов и 50%-ным содержанием GC-nap подбор температуры хорошо начинать с 50-60°С. Из-за большого молярного избытка затравки в реакционной смеси гибридизация происходит почти мгновенно и не требуется долгой инкубации при температуре отжига. Иногда оказывается возможным отжигать затравки и при 72°С, т.е. при температуре достройки. При этом значительно упрощается вся процедура: она сводится к двухтемпературному циклу.

В некоторых случаях, когда доступны только 12-15-нуклеотидные затравки, требуется температура отжига 40°С. Однако затравки такой длины не удерживаются на матрице при температуре достройки 72°С. Преодолеть эту трудность можно следующим образом. Используя частичную ферментативную активность полимеразы при низких температурах, можно удлинить затравки на несколько нуклеотидов и тем самым стабилизировать их. Это достигается либо за счет промежуточной инкубации в течение нескольких минут при 55-60°С или путем медленного нагревания от 40 до 72°С.

Температура достройки праймера 72°С очень близка к температуре, при которой ДНК-полимераза Taq проявляет максимальную активность. Как уже отмечено, продолжительность инкубации при 72°С зависит от длины амплифицируемого участка ДНК. Считается, что Га-полимераза синтезирует последовательность длиной 1000 нуклеотидов за 1 мин, однако можно опробовать и более короткое время инкубации. Этап удлинения затравки можно совсем исключить, если исследуемая последовательность имеет длину, не превышающую 150 нуклеотидов. При нагреве между этапами отжига и денатурации образцы будут находиться в диапазоне температур 70-75°С несколько секунд, что достаточно для полной достройки отожженной затравки.

2. Амплификация геномной последовательности «вручную»

Методика, описанная в этом разделе, предназначена для проведения амплификации однокопийной последовательности ДНК длиной до 500 п. н. Детали ее могут быть изменены в соответствии с целями эксперимента. Реакционная смесь в объеме 100 мкл включает 1 мкг геномной ДНК человека, 1-кратный солевой буфер, 1 мм каждого праймера, 0,2 мм каждого dNTP и 2,5 единиц Гад-полимеразы. В приведенном частном примере район, а также с помощью гибридизации с олигонуклеотидными пробами. Теперь для этого разработан метод секвенирования амплифицированной ДНК без предварительного ее клонирования.

Прямое секвенирование имеет два важных преимущества перед традиционным клонированием фрагментов ПЦР в плазмидных и вирусных геномах.

1. Эту процедуру проще стандартизовать, так как ее проводят in vitro и она не зависит от живых систем. 2. Метод более быстр и надежен, поскольку в норме достаточно проанализировать единственную последовательность для каждого образца. Если же мы имеем дело с клонированными ПЦР-последовательностями, то для одного образца их нужно проанализировать несколько, чтобы отличить мутации, происшедшие в исходной геномной последовательности, от случайных ошибок при достройке ДНК-полимеразой в реакции ПЦР.и таких артефактов полимеразной реакции, как образование мозаичных аллелей вследствие рекомбинации in vitro.

Простота, с которой можно получить четкие надежные данные, не прибегая к клонированию в бактериях, определяется 1) способностью ПЦР-затравок амплифицировать только интересующие последовательности и 2) способом получения образца, приемлемого для секвениро-вания. Для прямого секвенирования продуктов ПЦР вполне пригоден химический метод. Мы рассмотрим здесь только наиболее распространенный метод Сэнгера, использующий нуклеотиды-терминаторы полимеразной реакции. Специфичность ПЦР-затравок в принципе определяет гомогенность амплифицируемых последовательностей. В идеале, в результате реакции экспоненциально наращивается только интересующая последовательность. Однако в реальных условиях многие праймеры амплифицируют также различные посторонние последовательности. Повышая температуру отжига в полимеразной реакции, это осложнение удается преодолеть. К тому же для устранения затруднений, связанных со свойствами конкретной амплифицируемой последовательности, можно применить предварительную очистку интересующей последовательности электрофорезом в геле или использовать денатурирующий градиентный гель.