连续PCR扩增过程中异常现象的发生机理研究

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）技术从其发明以来，因为其操作的简单方便和高效率而在生物学研究的各个领域得到了广泛的应用，包括序列扩增、序列的人工突变、疾病诊断、法医学鉴定、基因的表达分析等等。从PCR技术发明以来，如何提高反应的特异性和反应的效率一直是人们所共同关心的题目，为此也发展了相当数量的各种方法，如热启动PCR、降落PCR、巢式PCR以及在反应体系中添加一些有益的附属物等。而适合不同目的的PCR技术也得到了充分的发展，如多重PCR、反转录PCR、定量PCR、原位PCR、PCR突变、毛细管PCR技术等等。并且，包括随机引物扩增多态、扩增片段长度多态性、简单重复序列多态性、单核苷酸多态性等这些在PCR技术基础上发展而来的各种分子标记技术极大地方便了遗传分析和遗传图谱的构建等工作。在PCR技术发明了20年后的今天，提高PCR的反应性能、发展适合新领域的PCR技术和新的分子标记技术仍然是研究者关心的题目和努力的方向。 　　PCR实验中已经观察到多种异常现象，除了常见的扩增失败（没有产物）、扩增产物特异性不强（有非特异产物出现）、引物多聚体产物扩增、扩增效率低等现象以外，还包括PCR介导的重组、跳跃、复制滑动等等。阐明这些异常现象的发生机理和过程，避免或缓解这些异常现象在扩增过程中对目的产物扩增的影响，以及促进和利用一些特殊的异常PCR扩增都是PCR技术研究所关心的话题。各种研究工作中经常需要扩增一些长片段的序列，但是在进行长片段PCR时经常会发现扩增目标序列的长度是有限的、扩增效率比较低、扩增产物检测中有很强的背景弥散等现象;同时长片段PCR需要一些特殊的反应体系组成和反应条件。如何更加有效地实现更长序列的PCR扩增也是人们所关心的话题之一。 　　常见的PCR产物重复扩增（以上一轮扩增产物为模板进行新的PCR扩增）扩增轮数少，通常仅进行一次重复扩增;同时，在重复扩增中常使用的策略是使用巢式引物。而连续PCR扩增实验（用相同的引物以产物为模板进行多轮次的连续重复PCR扩增）从未见于文献报道。我们第一次系统地进行了连续PCR扩增实验;同时，在实验过程中我们观察到了一种新的PCR扩增异常现象——用不同来源的模板（病毒、细菌质粒或真核生物来源的DNA序列）进行连续PCR扩增不同长度的靶序列，经过有限次数的重复扩增后，最终都会导致扩增失败;这种扩增失败都表现为在常规琼脂糖电泳检测时特异产物条带的消失和不能泳动出点样孔之复杂异常产物的出现;这种扩增产生的异常产物能够被稳定地重复扩增。用λ和细菌质粒序列为模板连续扩增不同长度靶序列的结果表明：连续PCR扩增失败的时期具有扩增靶序列长度的依赖性，越长的靶序列在连续PCR中扩增失败的时期越早。 　　对不同连续PCR扩增的扩增过程观察表明扩增产物经历了一个从高效特异性扩增到低效率特异性扩增，再到扩增产生复杂异常产物的过程。对复杂异常产物的甲酰胺辅助变性处理和变性胶电泳（尿素变性聚丙烯酰胺胶电泳和NaOH碱变性琼脂糖电泳）检测表明扩增产生的复杂产物主要由连续分布的小于靶序列长度的具有相当程度多样性的非全长链组成。连续PCR产生的复杂产物在内部具有局部的双链区域和大量的单链区域及外部单链分支，能够被单链特异的S1核酸酶消化，但是不能被双链特异的限制性内切酶消化。用DNase I或限制性内切酶处理连续扩增早期产生特异扩增产物形成不同长度序列组成的混合物，或者直接用不同扩增反应产生的不同长度的核酸序列组成混合物，混合物在经历变性-复性后都表现出类似连续PCR失败所产生的异常产物电泳行为。这些证据都表明PCR扩增过程中形成的非全长链成分是导致这种异常现象的关键因素，多个不同长度的非全长链复性形成“杂种分子”（具有较大且不一致的分子量和复杂的分支结构），最终表现为常规琼脂糖电泳异常的复杂产物。同时，异常产物组成非全长链成分和全长链成分是其能够实现稳定重复扩增的基础。 　　实验结果表明：对于特定长度的靶序列而言，导致复杂异常出现的根本原因是连续PCR扩增体系中所经历的总PCR热循环数目（每一轮PCR扩增所使用的循环数目多，成功连续扩增的轮数就少）;而扩增体系中的引物浓度、DNA聚合酶用量的多少、扩增程序中时间参数等对此影响较小;巢式PCR和单引物-互补引物PCR的结果表明这些处理对于缓解或延迟异常产物的出现有一定的作用。人工处理（DNase I或限制性内切酶处理）完整模板双链形成的非全长链长产物，然后把非全长链长产物以不同比例同完整模板混合模拟连续扩增后期产物，这种人工混合模板表明连续PCR扩增中同源的非全长链成分对PCR扩增有严重的干扰作用，是导致复杂异常产物出现的直接原因。 　　已有的研究表明：PCR介导重组、长片段PCR难于操作有共同的产生基础——扩增过程中非全长链成分的产生和非全长链成分对后续扩增过程的干扰作用。这一点和导致连续PCR失败的原因是一致的。非全长链成分的出现是PCR扩增过程中不可避免的，其最初产生的可能来源有三个：模板的损伤（扩增前的模板损伤或扩增热循环过程中的损伤）、聚合酶的忠实性、以及聚合酶的进行性。根据聚合酶的特性而调整扩增程序中延伸时间的实验表明，聚合酶的进行性不是导致连续PCR扩增失败的最主要原因。这种非全长链成分产物从无到有且不依赖于体系中非全长链成分的过程我们称之为非全长链成分的初级合成;而已经存在的非全长链成分干扰后续合成形成非全长链成分的过程我们称之为非全长链成分的次级合成。非全长链成分的初级合成和次级合成共同导致了连续扩增的失败和异常产物的形成。 　　从已有的研究结果看，任何降低PCR扩增过程中非全长链成分产生的措施，特别是聚合酶忠实性的提高，都能缓解异常扩增产物的出现和利于长片段PCR操作。