初級引物設計及簡易的操作

1、引物設計依據(jù)和軟件操作初做實驗關(guān)于引物的設計一頭霧水，但今天看到了這個帖子，很好，從中學到了很多的理論知識，還有很高的總結(jié)內(nèi)容，便于學習和迅速進行實戰(zhàn)操作(primer primer and oligo6 )，為實驗設計引物的學生提供了很好的參考。引物設計有3 條基本原則：首先引物與模板的序列要緊密互補，其次引物與引物之間避免形成穩(wěn)定的二聚體或發(fā)夾結(jié)構(gòu)，再次引物不能在模板的非目的位點引發(fā)DNA 聚合反應(即錯配)。具體實現(xiàn)這3 條基本原則需要考慮到諸多因素，如引物長度(primer length )，產(chǎn)物長度( product length )，序列 Tm 值 (melting tempera

2、ture) ， 引物與模板形成雙鏈的內(nèi)部穩(wěn)定性(internal stability, 用 ?G 值反映)， 形成引物二聚體 (primer dimer) 及發(fā)夾結(jié)構(gòu)( duplex formation and hairpin ) 的能值，在錯配位點( false priming site ) 的引發(fā)效率，引物及產(chǎn)物的GC 含量( composition )，等等。必要時還需對引物進行修飾，如增加限制性內(nèi)切酶位點，引進突變等。根據(jù)有關(guān)參考資料和筆者在實踐中的總結(jié)，引物設計應注意如下要點：1. 引物的長度一般為15-30 bp ，常用的是18-27 bp ，但不應大于38，因為過長會導致其延伸溫

3、度大于74，不適于 Taq DNA 聚合酶進行反應2 。2. 引物序列在模板內(nèi)應當沒有相似性較高，尤其是3端相似性較高的序列，否則容易導致錯配。引物3端出現(xiàn)3 個以上的連續(xù)堿基，如GGG 或 CCC ，也會使錯誤引發(fā)機率增加 2。3. 引物 3端的末位堿基對Taq 酶的 DNA 合成效率有較大的影響。不同的末位堿基在錯配位置導致不同的擴增效率，末位堿基為A 的錯配效率明顯高于其他3 個堿基，因此應當避免在引物的3端使用堿基A34 。另外，引物二聚體或發(fā)夾結(jié)構(gòu)也可能導致PCR 反應失敗。5端序列對PCR 影響不太大，因此常用來引進修飾位點或標記物2。4. 引物序列的GC 含量一般為40-60%

4、，過高或過低都不利于引發(fā)反應。上下游引物的GC 含量不能相差太大25 。5. 引物所對應模板位置序列的Tm 值在 72左右可使復性條件最佳。Tm 值的計算有多種方法，如按公式Tm= 4(G+C) +2(A+T),在Oligo 軟件中使用的是最鄰近法(the nearestneighbor method) 67。6. ?G 值是指 DNA 雙鏈形成所需的自由能，該值反映了雙鏈結(jié)構(gòu)內(nèi)部堿基對的相對穩(wěn)定性。應當選用3端 ?G 值較低(絕對值不超過9)，而5端和中間?G 值相對較高的引物。引物的3端的?G 值過高，容易在錯配位點形成雙鏈結(jié)構(gòu)并引發(fā)DNA 聚合反應6。7. 引物二聚體及發(fā)夾結(jié)構(gòu)的能值過高

5、(超過4.5kcal/mol )易導致產(chǎn)生引物二聚體帶，并且降低引物有效濃度而使 PCR 反應不能正常進行8。8. 對引物的修飾一般是在5端增加酶切位點，應根據(jù)下一步實驗中要插入PCR 產(chǎn)物的載體的相應序列而確定。值得一提的是，各種模板的引物設計難度不一。有的模板本身條件比較困難，例如GC 含量偏高或偏低，導致找不到各種指標都十分合適的引物；在用作克隆目的的PCR 因為產(chǎn) 物序列相對固定，引物設計的選擇自由度較低。在這種情況只能退而求其次，盡量去滿足條件。引物的自動搜索和評價分析軟件的引物設計功能主要體現(xiàn)在兩個方面：首先是引物分析評價功能，該功能只有少數(shù)商業(yè)版軟件能夠做到，其中以 “ Olig

6、o 6最優(yōu)秀；其次是引物的自動搜索功能，各種軟件在 ”這方面的側(cè)重點不同，因此自動搜索的結(jié)果也不盡相同。 據(jù)筆者的經(jīng)驗，自動搜索功能以“ Premier Primer 為最強且方便使用，”“ Oligo 6其次，” 其他軟件如“ ector NTI Suit 、Dnasis、 Omiga和Dnastar都帶有引物自動搜索功能，但搜索結(jié)果不是十分理想。要想得到效果很好的引物，在自動搜索的基礎上還要輔以人工分析。筆者認為引物設計軟件的最佳搭配是“ Oligo和Premier軟件合并使用，以Premier進行自動搜索，Oligo 進行分析評價，如此可快速設計出成功率很高的引物。Primer Prem

7、ier 5.0 的使用技巧簡介功能1. “Premier的主要功能分四大塊，其中有三種功能比較常用，即引物設計 ()、2. 限制性內(nèi)切酶位點分析 ()和DNA基元(motif)查找()?！?Premier還具有同源3. 性分析功能()，但并非其特長，在此略過。此外，該軟件還有一些特殊功能，其中最重要的是設計簡并引物，另外還有序列“朗讀 ” 、 DNA 與蛋白序列的互換()、語音提示鍵盤輸入()等等。4. 有時需要根據(jù)一段氨基酸序列反推到DNA 來設計引物，由于大多數(shù)氨基酸( 20 種常見 結(jié)構(gòu)氨基酸中的18種)的遺傳密碼不只一種，因此，由氨基酸序列反推DNA 序列時，會遇到部分堿基的不確定性。

8、這樣設計并合成的引物實際上是多個序列的混和物，它們的序列組成大部分相同，但在某些位點有所變化，稱之為簡并引物。遺傳密碼規(guī)則因物種或細胞亞結(jié)構(gòu)的不同而異，比如在線粒體內(nèi)的遺傳密碼與細胞核是不一樣的。“ Premier可以針又t模板 DNA的來源以相應的遺傳密碼規(guī)則轉(zhuǎn)換DNA 和氨基酸序列。軟件共給出八種生物亞結(jié)構(gòu)的不同遺傳密碼規(guī)則供用戶選擇， 有纖毛蟲大核( Ciliate Macronuclear ) 、 無脊椎動物線粒體 ( Inertebrate Mitochondrion ) 、 支原體 ( Mycoplasma ) 、植物線粒體(Plant Mitochondrion )、原生動物線粒

9、體(Protozoan Mitochondrion )、一般標準(Standard )、脊椎動物線粒體(ertebrate Mitochondrion )和酵母線粒體(Yeast Mitochondrion )。5. 使用步驟及技巧Premier軟件啟動界面如下：其主要功能在主界面上一目了然(按鈕功能如上述)。限制性酶切點分析及基元查找功能比較簡單，點擊該功能按鈕后，選擇相應的限制性內(nèi)切酶或基元(如-10 序列， -35 序列 等)，按確定即可。常見的限制性內(nèi)切酶和基元一般都可以找到。你還可以編輯或者添加新限制性內(nèi)切酶或基元。進行引物設計時，點擊按鈕，界面如下：進一步點擊按鈕，出現(xiàn)“ sear

10、ch criteria 窗口，有多種參數(shù)可以調(diào)整。搜索目 ”的 ( Seach For ) 有三種選項，PCR 引物 ( PCR Primers ) ， 測序引物 ( Sequencing Primers ) ， 雜交探針 ( HybridizationProbes )。搜索類型(Search Type) 可選擇分別或同時查找上、下游引物(Sense/Anti-sense Primer ，或 Both )，或者成對查找(Pairs )，或者分別以適合上、下游引物為主(Compatible with Sense/Anti-sense Primer )。另外還可改變選擇區(qū)域(Search Rang

11、es )，引物長度(Primer Length )，選擇方式(Search Mode )，參數(shù)選擇(SearchParameters )等等。使用者可根據(jù)自己的需要設定各項參數(shù)。如果沒有特殊要求，建議使用默認設置。然后按，隨之出現(xiàn)的Search Progress 窗口中顯示Search Completed 時，再按，這時搜索結(jié)果以表格的形式出現(xiàn)，有三種顯示方式， 上游引物 ( Sense ) ， 下游引物(Anti-sense) ， 成對顯示(Pairs) 。 默認顯示為成對方式，并按優(yōu)劣次序( Rating )排列，滿分為 100 ，即各指標基本都能達標(如下圖)。點擊其中一對引物，如第1#

12、引物，并把上述窗口挪開或退出，顯示“ Peimer Premier ”主窗口，如圖所示：該圖分三部分，最上面是圖示PCR 模板及產(chǎn)物位置，中間是所選的上下游引物的一些性質(zhì)，最下面是四種重要指標的分析，包括發(fā)夾結(jié)構(gòu)(Hairpin )，二聚體(Dimer )，錯誤引發(fā)情況(False Priming )，及上下游引物之間二聚體形成情況(Cross Dimer )。當所分析的引物有這四種結(jié)構(gòu)的形成可能時，按鈕由變成，點擊該按鈕，在左下角的窗口中就會出現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的形成情況。一對理想的引物應當不存在任何一種上述結(jié)構(gòu)，因此最 好的情況是最下面的分析欄沒有，只有。值得注意的是中間一欄的末尾給出該引物的最佳退

13、火溫度，可參考應用。在需要對引物進行修飾編輯時，如在5 端加入酶切位點，可點擊，然后修改引物序列。若要回到搜索結(jié)果中，則點擊按鈕。如果要設計簡并引物，只需根據(jù)源氨基酸序列的物種來源選擇前述的八種遺傳密碼規(guī)則，反推至DNA 序列即可。對簡并引物的分析不需像一般引物那樣嚴格?？傊?，“Premier有優(yōu)秀的引物自動搜索功能，同時可進行部分指標的分析，而且容易使用，是一個相當不錯的軟 件。Oligo 6.22 使用技巧簡介1. 功能在專門的引物設計軟件中，“Oligo是最著名的。它的使用并不十分復雜，但初學者容易被其復雜的圖表嚇倒。Oligo 5.0的初始界面是兩個圖：Tm圖和AG圖；Oligo .2

14、2的界面更復雜，出現(xiàn)三個圖，加了個Frq圖?！癘ligo的功能比“Premier還要單一，就是引物設計。但它的引物分析功能如此強大以至于能風靡 全世界。2. 使用(以Oligo 6.22 為例)Oligo 6.22 的啟動界面如下：圖中顯示的三個指標分別為Tm、AG和Frq ,其中Frq是6.22版本的新功能，為鄰近 6至7個堿基組成的亞單位在一個指定數(shù)據(jù)庫文件中的出現(xiàn)頻率。該頻率高則可增加錯誤引發(fā)6 的可能性。因為分析要涉及多個指標，起動Frq ，窗口的 cascade 排列方式不太方便，可從windows 菜單改為tili 方式。如果覺得太擁擠，可去掉一個指標，如這樣界面的結(jié)構(gòu)同于Olig

15、o 5.0 ，只是顯示更清楚了。經(jīng)過 Windows/Tili 項后的顯示如圖：在設計時，可依據(jù)圖上三種指標的信息選取序列，如果覺得合適，可點擊Tm 圖塊上左下角的 Upper 按鈕，選好上游引物，此時該按鈕變成，表示上游引物已選取好。 下游引物的選取步驟基本同上，只是按鈕變成Lower 。 ?G 值反映了序列與模板的結(jié)合強度，最好引物的?G 值在 5端和中間值比較高，而在3端相對低(如圖：)Tm 值曲線以選取72 附近為佳，5到 3的下降形狀也有利于引物引發(fā)聚合反應。Frq 曲線 為 “ Oligo 6新引進的 ”一個指標，揭示了序列片段存在的重復機率大小。選取引物時，宜選用3 端 Frq

16、值相對較低的片段。當上下游引物全選好以后，需要對引物進行評價并根據(jù)評價對引物進行修改。首先檢查引物二聚體尤其是3 端二聚體形成的可能性。需要注意的是，引物二聚體有可能是上游或下游引物自身形成，也有可能是在上下游引物之間形成( cross dimer )。二聚體形成的能值越高，越不符合要求。一般的檢測(非克隆)性PCR ，對引物位置、產(chǎn)物大小要求較低，因而應盡可能選取不形成二聚體或其能值較低的引物。第二項檢查是發(fā)夾結(jié)構(gòu)(hairpin )；與二聚體相同，發(fā)夾結(jié)構(gòu)的能值越低越好。一般來說，這兩項結(jié)構(gòu)的能值以不超過4.5 為好。 當然，在設計克隆目的的PCR 引物時，引物兩端一般都添加酶切位點，必然

17、存在發(fā)夾結(jié)構(gòu)，而且能值不會太低。這種PCR 需要通過靈活調(diào)控退火溫度以達到最好效果，對引物的發(fā)夾結(jié)構(gòu)的檢測就不應要求太高。第三項檢查為GC 含量，以45-55 為宜。有一些模板本身的GC 含量偏低或偏高，導致引物的GC 含量不能被控制在上述范圍內(nèi)，這時應盡量使上下游引物的 GC 含量以及Tm值保持接近，以有利于退火溫度的選擇。如果 PCR的模板不是基因組DNA,而是一個特定模板序列，那么最好還進行False priming site 的檢測。這項檢查可以看出引物在非目的位點引發(fā)PCR 反應的可能性。如果引物在錯配位點的引發(fā)效率比較高，就可能出假陽性的PCR 結(jié)果。一般在錯配引發(fā)效率以不超過100 為好，但對于特定的模板序列，還應結(jié)合比