intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Tiểu luận: Phương pháp PCR và ứng dụng

Chia sẻ: Cao Thị Dung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:31

301
lượt xem
56
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài được nghiên cứu nhằm mục đích tìm hiểu rõ hơn về các nguyên tắc, chỉ tiêu ảnh hưởng, ứng dụng và hạn chế của phương pháp PCR. Từ đó người viết có những kiến thức cơ bản phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài của luận văn cũng như việc tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm sau này.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận: Phương pháp PCR và ứng dụng

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HA NỘI KHOA SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN PHƯƠNG PHÁP PCR VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Lý luận và phương pháp dạy học Sinh học                                          Người hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Thành Đạt                                                                     PGS.TS. Đặng Hữu Lanh                     Sinh viên thực hiện: Cao Thị Dung                                                                            L ớp: Sinh CH­K24 1
  2. Hà Nội­2015 2
  3. 3
  4. 4
  5. MỞ ĐẦU Phản  ứng chuỗi trùng hợp (Polymerase Chain Reaction – PCR) do Kary   Mullis phát hiện ra năm 1985. Đây là phương pháp invitro để nhân bản nhanh một   đoạn AND nào đó, có độ nhạy rất cao mà chỉ cần một khối lượng mẫu ban đầu   hạn chế. Bản thân kỹ thuật này chỉ là sự mở rộng trực tiếp các tính chất của quá   trình tái bản AND. Nhưng nó đã được sử dụng theo nhiều cách khác nhau để làm  cho việc tách dòng và thao tác với AND dễ dàng và hiệu quả hơn.  PCR là kỹ thuật cơ bản và rất quan trọng trong Sinh học phân tử. Việc sử  dụng kỹ thuật PCR trong lĩnh vực AND tái tổ hợp đã tạo ra một bước tiến mang   tính cách mạng đối với di truyền học phân tử  nói riêng cũng như  với sinh học  phân tử nói chung, nhờ việc cho phép phân lập, xác định các gene và đi sâu nghiên  cứu chức năng cũng như biểu hiện của gen trong quá trình phát triển, hoặc phản  ứng của gen đối với các điều kiện môi trường. Nó cho phép ta tiến hành những  nghiên cứu mà trước đây không có khả  năng thực hiện. Kỹ  thuật này đã được   ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của sinh học phân tử, chẩn đoán các bệnh di   truyền ở người, di truyền quần thể, phân tích pháp y, … Việc triển khai các  ứng dụng của sinh học phân tử  thường vấp phải trở  ngại về số lượng vật chất di truyền cần có. Các phương pháp tạo dòng invitro đã   biết tuy giải quyết được vấn đề về số lượng nhưng lại đòi hỏi thao tác phức tạp  và thời gian dài. Sự  ra đời của nhiều phương pháp khuếch đại invitro có chọn   lọc, trong số đó nổi tiếng nhất phải kể đến phương pháp PCR đã đảo lộn nguyên   tắc của việc tạo dòng cổ điển, mở ra những triển vọng ứng dụng to lớn. Chính vì vậy tôi đã quyết định nghiên cứu đề tài “Phương pháp PCR và  ứng dụng”. Đề  tài được nghiên cứu nhằm mục đích tìm hiểu rõ hơn về  các nguyên   tắc, chỉ tiêu  ảnh hưởng, ứng dụng và hạn chế  của phương pháp PCR. Từ  đó có   những kiến thức cơ bản phục vụ cho việc nghiên cứu đề  tài của luận văn cũng   như việc tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm sau này. 1
  6. Để đạt được điều đó, đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như  phương pháp thu thập, xử  lý thông tin, phương pháp phân tích, tổng hợp, hệ  thống hóa thông tin… Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, bài tiểu luận bao gồm những nội dung sau:  1. Sự phát hiện ra phương pháp PCR. 2. Phương pháp PCR và ứng dụng. 2
  7. 1. SỰ RA ĐỜI CỦA PHƯƠNG PHÁP PCR 1.1. Khái niệm   PCR là chữ  viết tắt của cụm từ Polymerase Chain Reaction, được gọi là  “phản  ứng chuỗi trùng hợp”  hay “phản  ứng khuếch đại gen”. PCR là một kỹ  thuật phổ  biến trong sinh học phân tử  nhằm khuếch đại (tạo ra nhiều bản sao)  một đoạn DNA mà không cần sử  dụng các sinh vật sống như E. coli hay nấm  men [7]. Một đoạn DNA bất kỳ có thể được nhân lên nhanh chóng hàng tỷ lần mà   không cần đưa vào tế bào vi khuẩn [3]. Điều đó xảy ra trong phản ứng tổng hợp  invitro sử  dụng DNA polymerase và các oligonucleotide (các mồi – primers). Đó   chính là kết quả  tuyệt vời của phản  ứng PCR. Nhờ  phản  ứng này, một đoạn   DNA  ở  một vùng bất kỳ  trong genome được khuếch đại lên rất nhiều lần khi  trình tự nucleotide ở hai đầu đoạn mạch DNA đó đã biết. Dựa vào trình tự đó, các  cặp oligonucleotide được tổng hợp nhân tạo, mồi oligo tạo liên kết với từng sợi  đơn. Chúng được sử dụng làm mồi để  tổng hợp DNA invitro nhờ  enzyme DNA  polymerase. Đặc biệt phản  ứng PCR chỉ  đòi hỏi một lượng DNA ban đầu làm  khuôn rất nhỏ (cỡ 10­3μg) [3].   Như  vậy, PCR là phương pháp invitro để  tổng hợp và khuếch đại một  đoạn   DNA   đặc   thù   nhờ   công   hiệu   của   hai   mồi  oligonucleotide gắn vào hai sợi đôi của đoạn DNA  đích với sự tham gia của DNA polymerase. 1.2. Lịch sử của phương pháp PCR Vào năm 1985, trong một đêm trăng sáng  ở  tiểu bang California, trên đường lái xe dọc theo bờ  3
  8. biển, một ý tưởng chợt xuất hiện trong đầu của một nhà sinh hóa học rất bình  thường, làm việc cũng tại một phòng thí nghiệm rất bình thường. Ý tưởng này  khi trở  thành hiện thực, chính là thử  nghiệm PCR, đã làm một cuộc đại cách  mạng trong sinh học phân tử  và đã đưa tác giả  của nó, K.B Mullis, đến giải   Nobel danh giá. Phương   pháp   căn   bản   chạy   PCR   được Kary   Mullis phát   minh,   ông   đã  đoạt giải Nobel về  Hóa học vào tháng 10 năm 1993 cho thành tựu này, chỉ  sau 7  năm khi ông đưa ra ý tưởng. Ý kiến của Mullis là phát triển một quy trình mà   DNA có thể  nhân lên nhiều lần một cách nhân tạo qua nhiều chu kỳ  sao chép  bởi enzyme DNA polymerase [7]. DNA  polymerase  có tự  nhiên trong sinh vật sống, nơi  mà nó  thực hiện  chức năng nhân DNA khi tế  bào phân chia. Nó làm việc bằng cách nối với sợi  DNA và tạo sợi bổ sung. Theo quy trình PCR gốc của Mullis,  enzyme phản ứng  nhân bản DNA được thực hiện trong ống nghiệm (invitro). Sợi DNA đôi bị  tách  thành 2 sợi đơn khi đun nóng ở 96 °C. Tuy nhiên, ở nhiệt độ này DNA polymerase  bị phá hủy vì vậy cần bổ sung enzyme sau mỗi giai đoạn nung nóng của mỗi chu   kỳ. Quy trình PCR gốc của Mullis không có hiệu quả  cao vì nó mất nhiều thời  gian, cần một lượng lớn DNA polymerase, và phải liên tục lưu ý suốt trong quá   trình PCR. Sau   đó,   quy   trình   gốc   này   được   phát   triển   bằng   cách   dùng   DNA­ Polymerase lấy từ  vi khuẩn thermophilic (ưa nhiệt) sống trong mạch nước phun   ở nhiệt độ trên 110 °C. DNA polymerase từ sinh vật này là thermostable (ổn định   ở  nhiệt độ  cao) và khi dùng trong PCR nó không bị  phá vỡ  khi hỗn hợp được  nung nóng để  tách sợi DNA [7]. Từ  đó, không cần phải thêm DNA­polymerase  vào mỗi chu kỳ, quá trình sao chép DNA có thể đơn giản và tự động hơn. Một   trong   những   DNA­polymerase   chịu   nhiệt   đầu   tiên   được   phân   lập  được từ Thermus aquaticus và được gọi là Taq. Taq polymerase được dùng rộng   rãi trong thực nghiệm PCR (5/2004). Nhược điểm của Taq là thỉnh thoảng nó   nhầm lẫn trong quá trình sao chép DNA, dẫn đến đột biến trong chuỗi DNA, vì   nó thiếu tính sửa sai exonuclease 3’­5’. Các polymerase như  Pwo hay Pfu, được  4
  9. phân lập từ  Archaea có cơ  chế  sửa sai (cơ  chế  kiểm tra lỗi sai) và có thể  làm  giảm một cách đáng kể  số  đột biến xảy ra trong chuỗi DNA được sao chép.  Ngày nay, sự kết hợp giữa Taq và Pfu có thể cung cấp cả độ tin cậy cao lẫn sự  nhân bản chính xác của DNA. PCR được dùng để  khuếch đại một đoạn DNA ngắn, đã xác định được  một phần. Đó có thể là một gen đơn. Trái với sinh vật sống, quy trình PCR có thể  copy một mảnh DNA ngắn, có thể lên đến 10kb (kb = kilo cặp base = 1000 cặp  base). Một vài phương pháp có thể  copy một mảnh kích thước lên đến 40kb, ít   hơn nhiều so với nhiễm sắc thể DNA trong tế bào Eukaryote (ví dụ  như  tế  bào  người chứa hơn 3 tỷ cặp base) [6]. 1.3. Hai bước tiến quan trọng đã đưa PCR đến cuộc đại cách mạng sinh   học phân tử 1.3.1. Sự phát hiện ra các men polymerase chịu nhiệt độ Chính việc phát hiện được các men polymerase chịu nhiệt là bước tiến   đầu tiên đã làm thử nghiệm PCR trở nên đơn giản hơn. Nhờ sự sử dụng các men  polymerase chịu nhiệt mà giai đoạn bắt cặp của đoạn mồi vào nucleic acid đích  được đặc hiệu hơn vì được thực hiện ở nhiệt độ  cao hơn, do đó phản ứng PCR  trở nên đặc hiệu hơn. Cho đến nay đã có hàng chục loại polymerase chịu nhiệt đã   được phát hiện và tổng hợp ra. Có những men polymerase trích từ  các vi khuẩn  chịu nhiệt như Thermus aquaticus (Taq polymerase), Thermus thermophilus (rTth),   Thermus lithoralis (Vent), Pyrococcus furiosus (Pfu). Có những men polymerase   chịu nhiệt được tổng hợp từ  các vi khuẩn không chịu nhiệt nhưng mang gen tái  tổ  hợp từ  các vi khuẩn chịu nhiệt như  Ampli Taq, Vaent (exo). Có những men  polymerase  chịu nhiệt có  hoạt tính sửa  sai  (proofreading)  khi  tổng hợp  chuỗi   nucleic acid bổ  sung (3’­5’ exonuclease) như Ultima, Vent, Deep Vent, Pfu. Nh ờ  vậy mà người dùng có rất nhiều chọn lựa để  sử  dụng cho đúng mục đích của   mình. 5
  10. Thermus aquaticus Pyrococcus furiosus 1.3.2. Máy chu kỳ nhiệt Trước đây khi chưa có máy chu kỳ nhiệt, thử nghiệm PCR được thực hiện  bằng cách liên tục chuyển các ống nghiệm phản ứng PCR vào các máy cách thủy  có nhiệt độ  khác nhau để  tạo ra được các chu kỳ  nhiệt cho phản  ứng. Sau đó  công việc bằng tay nhàm chán va nặng nhọc này được thay thế  bằng các robot  tương đối cồng kềnh và đắt tiền. Ngày nay,   thử  nghiệm PCR được thực hiện trong các  buồng ủ PCR của máy chu kỳ nhiệt, còn gọi  là máy luân nhiệt. Một cách tổng quát, máy  luân nhiệt bao gồm các bộ  phận chính như  sau:  + Một bàn phím đơn giản để lập các chương   trình chu kỳ  nhiệt và ra các mệnh lệnh để  máy thực hiện. + Một bộ  vi xử  lý để  ghi nhớ  các chương trình đã nạp vào máy, thực hiện các  mệnh lệnh đến buồng ủ PCR, cũng như ghi nhận cách thay đổi nhiệt độ buồng ủ  PCR trong các chu kỳ nhiệt để điều chỉnh cho đúng với chương trình đang được   thực hiện. 6
  11. + Buồng  ủ  PCR là nơi mà các chu kỳ  nhiệt được thực hiện qua sự  điều khiển   của bộ vi xử lý. Trong các chu kỳ nhiệt, nhiệt độ trong buồng ủ PCR có thể đưa   lên cao hay hạ  xuống thấp trong một thời gian rất ngắn. Để  làm thay đổi được  nhiệt độ trong buồng ủ, có hai phương pháp: (1) Liên tục thổi lên buồng ủ những luồng khí nóng sinh ra từ một đèn phát   nhiệt, hay luồng khí lạnh sinh ra từ một dàn lạnh của máy làm lạnh. Với phương   pháp này, máy luân nhiệt hãy còn tương đối cồng kềnh, khá đắt tiền và khi máy  hoạt động âm thanh cũng khá ồn ào. (2) Phương pháp thứ hai hoạt động dựa theo hiệu quả Peltier ngược. Hiệu  quả Peltier là nguyên tắc của các máy đo nhiệt  độ điện tử. 2. PHƯƠNG PHÁP PCR VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ 2.1. Sự khác nhau giữa tái bản DNA trong tế bào và trong invitro Trong tế bào, DNA được tái bản dựa theo nguyên tắc bảo tồn, tức là mỗi  phân tử con được hình thành từ một mạch cũ và một mạch mới, ở mạch ra chậm  5’→3’ theo nguyên tắc nửa gián đoạn là hình thành các đoạn okazaki, và theo  nguyên tắc bổ sung A­T, G­C. Qúa trình nhân đôi mở đầu nhờ enzyme tháo xoắn.  Sự tái bản bắt đầu bằng sự tổng hợp mồi RNA. Qúa trình tái bản DNA trong tế  bào diễn ra trong điều kiện nhiệt độ thường, mang tính chất chính xác rất cao. 7
  12. Còn tái bản DNA trong invitro lại diễn  ra   như   sau:  Phải  đun  nóng  DNA   khuôn  đến  gần 1000C và phải dùng DNA­polymerase  ưa  nhiệt   (chịu   nhiệt)   để   tác   động   đến   mạch  5’→3’  ở   32­800C,   tốc   độ   150Nu/s.   Hơn   nữa  cần có đoạn mồi ngắn chặn hai đầu của đoạn   nhân lên, cả  hai mạch  đều có thể  dùng làm  khuôn nếu đoạn mồi được cung cấp cho cả  hai mạch.  Sau n phản  ứng,  về  lý  thuyết sẽ  được 2n bản sao DNA nằm giữa hai đoạn mồi.  Tái   bản   xáy   ra   kém   chính   xác   hơn   trong   tế   bào,   sai   sót   khoảng   10 ­4  do   Taq  polymerase.  2.2. Nguyên tắc và các giai đoạn của phương pháp PCR Tất cả các DNA polymerase khi hoạt động tổng hợp một mạch DNA mới   từ mạch khuôn đều cần sự hiện diện của những mồi chuyên biệt. Mồi là những  đoạn DNA ngắn, có khả năng bắt cặp bổ sung với một đầu của mạch khuôn và   DNA polymerase sẽ nối dài mồi để hình thành mạch mới. Phương pháp PCR đã   được hình thành dựa vào đặc tính đó của các DNA polymerase. Thật vậy, nú ta   cung cấp hai mồi chuyên biệt bắt cặp bổ sung với hai đầu của một trình tự DNA,  ta sẽ chỉ tổng hợp đoạn DNA nằm giữa hai mồi. Điều đó có nghĩa là để khuếch   đại một trình tự DNA xác định, ta phải có thông tin tối thiểu về trình tự đó đủ để  tạo các mồi bổ sung chuyên biệt; các mồi này gồm một mồi xuôi (sens primer) và  một mồi ngược (antisens primer).  Từ  “xuôi” và “ngược” phải hiểu là so với   chiều phiên mã của gen. Phản  ứng PCR là một chuỗi nhiều chu kỳ (cycle) nối tiếp nhau, mỗi chu   kỳ gồm ba giai đoạn: (1) Giai đoạn biến tính (denaturation): Nhiệt độ  tăng lên 94­96°C để  tách hai  sợi DNA ra. Bước này gọi là biến tính, nó phá vỡ  cầu nối hydrogen nối 2 sợi   DNA. Trước chu kỳ  1, DNA thường được biến tính đến thời gian mở  chuỗi để  8
  13. đảm bảo mẫu DNA và mồi được phân tách hoàn toàn và chỉ  còn dạng sợi đơn.  Thời gian: 1­2 phút [7]. Một số chú ý trong giai đoạn này: +  Việc tăng nhiệt độ  hoặc kéo dài thời gian biến tính có thẻ  làm tăng tính đặc   hiệu của PCR nhưng làm giảm tuổi thọ của enzyme DNA polymerase. + Đối với những enzyme DNA polymerase bền nhiệt thường nên sử  dụng nhiệt  độ  biến tính 95­980C. Bao gồm bước biến tính dài lúc khởi đầu và một bước   biến tính ngắn trước từng chu kỳ nhiệt. + Đối với các genome lớn như thực vật thường sử dụng bước biến tính dài đến 5   phút. Để  làm giảm  ảnh hưởng đối với enzyme thì có thể  bổ  sung enzyme DNA   polymerase sau khi biến tính ban đầu.  + Khi đã tối ưu PCR thì cần giảm tối thểu thời gian biến tính mỗi chu kỳ để tăng   lượng sản phẩm, thông thường từ 10­30s. + Tốc độ  gia nhiệt và chế  độ  điều khiển nhiệt độ   ở  mỗi hệ  thống luân nhiệt   (PCR machine, thermocylcer) là khác nhau, phụ thuộc hãng sản xuất.  (2) Giai đoạn bắt cặp (anealation) : Sau khi 2 sợi DNA tách ra, nhiệt độ  được   hạ thấp xuống để mồi có thể gắn vào sợi DNA đơn. Bước này gọi là gắn mồi.  Nhiệt độ  giai đoạn này phụ  thuộc vào đoạn mồi và thường thấp hơn nhiệt độ  biến tính 50°C (45­60°C). Sử dụng sai nhiệt độ trong giai đoạn này dẫn đến việc  đoạn mồi không gắn hoàn toàn vào DNA mẫu, hay gắn một cách tùy tiện. Thời   gian: 1­2 phút. Một số chú ý trong giai đoạn này:  + Đối với primer dài hơn 22 nucleotide, nhiệt độ  bắt mồi thường hoạt động  ở  Tm thấp nhất +30C. + Đối với primer nhỏ hơn 22 nucleotide, nhiệt độ  bắt mồi thường thấp hơn Tm   thấp nhất, có thể  dùng gradient nhiệt độ  (touchdown PCR) để  tìm nhiệt độ  bắt  mồi tối ưu (khoảng cách nhiệt ở mỗi chu kỳ thường là 0,50C). 9
  14. + Đối với các cặp Tm cao hoặc tự  bắt cặp, có loop thì có thể  khắc phục bằng  PCR hai bước (950C và 680C). (3) Giai đoạn kéo dài chuỗi (elongation):   DNA polymerase gắn tiếp vào sợi  trống. Nó bắt đầu bám vào và hoạt động dọc theo sợi DNA. Bước này gọi là kéo  dài. Nhiệt độ  kéo dài phụ  thuộc DNA­polymerase. Thời gian của giai đoạn này  phụ thuộc vào cả DNA­polymerase và chiều dài mảnh DNA cần khuếch đại, như  một quy tắc 1000bp/1 phút. Những chú ý trong giai đoạn kéo dài: + Nhiệt độ kéo dài thường ở 720C, tuy nhiên hoạt tính 5’­3’ DNA polymerase vẫn  xảy ra ở nhiệt độ 680C. + Thời gian kéo dài phụ  thuộc hoạt độ  enzyme DNA polymerase, chiều dài sản   phẩm   và   loại   template.   Đối   với   DNA   đồng   chất  (plamid,   lambda   hoặc   BAC   DNA) thì tốc độ  có thể  đạt tới 15 s/kb; đối với DNA genome lớn, phức tạp thì   tốc độ thường 30s­1min/kb. Cuối cùng sau một số chu kỳ, số lượng sợi DNA có kích thước duy nhất  chiếm ưu thế tuyệt đối trong phản ứng. N = (2n – 2n). x .Trong đó: n: Số chu kỳ. 2n: Số phân tử có chiều dài không xác định. x: Số phân tử khuôn ban đầu. N: Số sợi tổng hợp được trong phản ứng. 2n: Số phân tử có chiều dài bằng khoảng cách giữa hai mồi. 10
  15. Hình 1: Chu trình PCR dưới dạng sơ đồ. (1) Nóng chảy  ở  96°C. (2)Gắn mồi  ở 68°C. (3)Kéo dài  ở  72°C (P=Polymerase).   (4)Chu trình đầu tiên hoàn thành. Hai sợi DNA kết quả thành DNA mẫu cho chu   trình kế tiếp, mặc dù gấp đôi lượng DNA bản sao cho mỗi chu kỳ. 11
  16. Hình 2: Các chu kỳ của kỹ thuật PCR 2.3. Phân tích sản phẩm PCR bằng điện di gel agarose Điện di agarose thường được sử dụng để xác định sản phẩm PCR dựa trên  khả năng phân tách các đoạn DNA có kích thước khác nhau khi sản phẩm PCR di   chuyển qua mạng lưới các vi lỗ có trong gel agarose.  Do phân tử  DNA tích điện âm cao, khi phân tử  DNA được đặt dưới một   điện trường xác định, những phân tử DNA tích đện âm này sẽ di chuyển về phía  cực  dương  của   điện  trường.  Trong  trường  hợp   điện  di  agarose,   chúng sẽ  di   chuyển qua gel agarose được đặt trong dung dịch đệm điện di. Các phân tử  càng   nhỏ  có khả  năng di chuyển càng nhanh trong gel agarose về  phía cực dương so   với các phân tử  DNA lớn hơn. Nguyên tắc này cho phép kỹ  thuật điện di phân   tách các đoạn DNA có kích thước khác  nhau. Hình 3: Bộ sản phẩm điện di Sản phẩm PCR được trộn với dung dịch đặt mẫu (loading gel) chuyển vào  các giếng trên gel agarose để thực hiện phân tách dưới tác động của điện trường.  Gel agarose có chứa sẵn Ethidium bromid, vì thế  khi DNA di chuyển trong gel  agarose sẽ tạo liên kết với Ethidium bromide. Dung dịch đặt mẫu (loading gel) chứa chất có tỷ  trọng nặng (như  đường   sucrose hoặc glycerol) để lôi cuốn DNA xuống đáy giếng trên bản gel agarose và  ngăn cản không cho DNA khuếch tán vào dung dịch đệm điện di. Ngoài ra, trong  12
  17. dung dịch đặt mẫu còn chứa chất chỉ  thị  tích điện âm. Chất chỉ  thị  di chuyển   cùng với DNA giúp cho dễ dàng ước lượng sự di chuyển của DNA trong bản gel.   Chất   chỉ   thị   thường   dùng   là   Xylene   cyanol   và   Bromophenol   blue.   Chúng   di  chuyển cùng với những phân tử DNA có chiều dài tương ứng lần lượt là 5000bp  và 300bp. Đệm điện di: Đệm điện di giúp  ổn định các điều kiện môi trường, cho  phép quá trình di chuyển của DNA được ổn định trong suốt quá trình điện di. Có   một vài loại đệm điện di thường dùng trong phân tích điện di agarose như: Tris  acetate EDTA (TAE),  Tris/Borate/EDTA (TBE). Khả  năng đệm của dung dịch  đệm TAE thấp hơn so với TBE. Tuy nhiên, TAE lại cho phép phân tách tốt đối   với những đoạn DNA lớn hơn. Điều này đồng nghĩa với việc phải dùng điện thế  thấp hơn và mất thời gian điện di nhiều hơn. Kết thúc quá trình điện di, bản gel sẽ được đặt dưới tác động của tia UV,  các đoạn DNA sản phẩm PCR sau khi phân tách theo kích thước sẽ được hiển thị  dưới dạng băng vạch màu vàng sáng tại những vị  trí khác nhau tương  ứng với  kích thước chiều dài của chúng. Hình 4: Phân tích sản phẩm sau khi chụp UV Ethidium brommide có sẵn trong bản gel sẽ  chèn vào giữa các base nitơ  của phân tử DNA dẫn đến chúng bám vào phần trung tâm của phân tử  DNA. Sự  13
  18. phát sáng là do phức hợp DNA­Ethidium bromide phát ra khi chịu tác động của tia   UV. 2.4. Các chỉ tiêu ảnh hưởng đến phản ứng PCR Một phản ứng PCR điển hình bao gồm các thành phần sau:  + DNA (0,01­0,1μg) + Mồi 1 (20pmol) + Mồi 2 (2pmol) + Tris­HCl (20Mm; Ph 8,0) + MgCl2 (2mM) + KCl (25mM) hoặc KCl (10mM) và (NH4)2SO4 (10mM) + Deoxynucleotide triphosphat (50μg mỗi loại dATP, dGTP, dCTP, dTTP) + DNA polymerase chịu nhiệt (2 đơn vị) + Tổng thể tích phản ứng 50­100μl 2.4.1. DNA khuôn Phản  ứng khuếch đại tối  ưu xảy ra trên DNA tinh sạch nhưng nhiều kỹ  thuật chẩn đoán bằng PCR vẫn đạt kết quả  tốt với DNA thu nhận trực tiếp từ  dịch chiết tế  bào. Lượng DNA mẫu sử  dụng cũng có khuynh hướng giảm (1μg   xuống còn 100ng) với việc sử dụng các polymerase cho hiệu quả  cao. Hơn nữa  việc giảm lượng mẫu ban đầu còn hạn chế  được các khuếch đại “ký sinh” tạo   những sản phẩm phụ  không mong muốn. Gần như  bất kỳ loại DNA nào, dù là   mạch thẳng, mạch vòng, DNA plasmid, DNA hệ gen, cDNA,… đều có thể  làm  khuôn cho phản ứng PCR. DNA láy từ nguồn nào không quan trọng, yêu cầu duy   nhất là vị  trí gắn các mồi và trình tự  giữa chúng còn nguyên vẹn. Đã có những   mẫu DNA mà tuổi đến hơn 7000 năm vẫn được sử dụng rất thành công trong các   phản ứng PCR. 2.4.2. Mồi và nhiệt độ lai Đoạn mồi là những đoạn DNA đơn (oligonucleotide) có kích thước chỉ vài   chục base (18­30), có thể bắt cặp theo nguyên tắc bổ sung vào đoạn khởi đầu và  đoạn kết thúc của chuỗi DNA đích khi chuỗi này biens tính thành sợi đơn. Trong   thử  nghiệm PCR, đoạn mồi có hai vai trò chính: Một là quyết định nên tính đặc  14
  19. hiệu của thử nghiệm, vì nếu đoạn mồi được chọn càng đặc hiệu cho chuỗi đích,  nghĩa là chỉ có thể bắt cặp trên chuỗi đích mà không thể bắt cặp trên chuỗi DNA   khác thì sản phẩm PCR càng đặc hiệu và thử nghiệm PCR càng đặc hiệu. Vai trò   thứ hai là khởi động men polymerase vì men polymerase chỉ có thể bắt đầu tổng   hợp sợi bổ sung cho chuỗi DNA đích một khi nó nhận dạng được đầu 3’ (là đầu   mà nó xúc tác cho một dNTP được gắn vào) đang  ở  tình trạng sợi đôi. Thông   thường trong phản ứng PCR, người ta dùng một cặp mồi, gọi là primer set, trong   đó có một mồi lên gọi là up­stream primer và một mồi xuống gọi là down­steam  primer. Cặp mồi này quyết định kích thước của sản phẩm PCR. Chúng càng bắt   cặp trên chuỗi đích xa nhau bao nhiêu thì kích thước của sản phẩm PCR càng lớn   bấy nhiêu và ngược lại, càng gần nhau bao nhiêu thì kích thước càng nhỏ  bấy  nhiêu. Vệc chọn mồi là giai đoạn quyết định của phương pháp PCR, và phải tuân  thủ một số quy tắc sau [5]. ­ Trình tự của mồi được chọn sao cho không thể có sự bắt cặp bổ sung giữa mồi  “xuôi” và mồi “ngược”, và cũng không có những cấu trúc “kẹp tóc” do sự  bắt   cặp bổ sung giữa các phần khác nhau của một mồi. ­ Tm của mồi xuôi và mồi ngược không cách biệt quá xa. Thành phần nucleotide  của các mồi cân bằng tránh các cặp GC lặp đi lặp lại nhiều lần. ­ Các mồi chọn phải đặc trưng cho trình tự  DNA cần khuếch đại, không trùng  bới các trình tự lặp lại trên gen. 2.4.3. Enzyme Enzyme được sử dụng đầu tiên là đoạn Klenow của DNA polymerase I. Vì  đây là enzyme không chịu nhiệt nên thao tác phức tạp và hiệu quả  thấp (phải   thêm enzyme mới vào phản  ứng sau mỗi lần biến tính vì enzyme cũ đã bị  nhiệt  phân  hủy,   nhiệt   độ   lại   thấp   khiến   sự   ký   sinh   rất   cao...).   Phương   pháp   PCR  chuyển sang một bước ngoặt mới cùng với sự  phát hiện một DNA  polymerase   chịu   nhiệt   được   tách   từ   một   vi   khuẩn   suối   nước   nóng,   Thermus   aquaticus.  Enzyme này – Taq polymerase không bị  phá hủy  ở  nhiệt độ  biến tính và xúc tác   sự tổng hợp từ đầu đến cuối quá trình phản ứng. 15
  20. Ngày nay, nhiều polymerase chịu nhiệt khác đã được đưa ra thị trường với   nhiều chức năng chuyên biệt hay hoàn thiện hơn. VentTM DNA polymerase cô lập từ Thermococcus litoralis – một vi khuẩn  cổ tìm thấy ở dưới đáy đại dương tại nhiệt độ  đạt tới 980C. Enzyme này có tính  chịu nhiệt cao hơn Taq DNA polymerase, coa khả năng nhân bản các sản phẩm  có kích thước lên đến 13kb. Tính trung thực trong nhân bản của VentTM DNA   polymerase cao do enzyme có thêm hoạt tính sửa sai 3’­5’ exonuclease. Pfu DNA   polymerase được cô lập từ vi khuẩn cổ đại dương Pyrocccus furiosus hay Ultma   DNA polymerase (từ Thermotoga maritima) cũng có tính trung thực cao nhờ hoạt   tính tương tự. Tth polymerase là một enzyme tách chiết từ Thermus thermophilus, có khả  năng hoạt động như một enzyme phiên mã ngược khi có mặt RNA khuôn và ion  Mn++; nhưng với sự  hiện diện của DNA khuôn và ion Mg++, Tth pol lại xúc tác  phản ứng khuếch đại bản mẫu là RNA thông qua sự hình thành cDNA. 2.4.4. Một số yếu tố khác Bốn loại nucleotide thường được sử dụng ở nồng độ 20­200 μΜ/mỗi loại   nucleotide. Nồng độ  cao hơn dễ  dẫn đến sự  khuếch đại “ký sinh”. Sự  mất cân   bằng   trong     thành   phần   các   nucleotide   lại   làm   tăng   các   lỗi   sao   chép   của  polymerase [1]. Trong môi trường, một số  ion có  ảnh hưởng đến PCR. Chẳng hạn như,   nồng độ ion Mg++ qúa thấp sẽ làm giảm hieuj quả nhân bản, còn quá cao sẽ tạo   sản phẩm không đặc hiệu. Nếu Mg++ kích thích phản ứng tổng hợp DNA thì KCl  lại ức chế quá trình khuếch đại đoạn DNA dài [3]. Hiệu suất, tính chính xác của enzyme DNA polymerase phụ  thuộc nhiều   vào hệ  buffer (dung dịch đệm) được sử  dụng. Thông thường nên sử  dụng đúng  loại buffer tương  ứng với enzyme do nhà sản xuất khuyến cáo. Dung dịch đệm  thường chứa muối đệm Tris HCl 10mM, KCl 50mM và MgCl2 21,5mM. Ngoài ra  còn có thể chứa 0,001% BSA hay Gelatine và trong một số phản ứng PCR còn có  thể thêm tween hay formamide [6]. 16
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
15=>0