1. 引物是如何合成的?
目前引物合成基本采用固相亚磷酰胺三酯法。DNA合成仪有很多种, 主要都是由ABI/PE 公司生产,而Bioneer自行研制的ZL384并行高通量DNA合成仪,可实现99%的高合成率。无论采用什么机器合成,合成的原理都相同,主要差别在于合成产率的高低,试剂消耗量的不同和单个循环用时的多少。
亚磷酰胺三酯法合成DNA片段,具有高效、快速的偶联以及起始反应物比较稳定的特点。亚磷酰胺三酯法是将DNA固定在固相载体上完成DNA链的合成的,合成的方向是由待合成引物的3′端向5′端合成的,相邻的核苷酸通过3′→5′磷酸二酯键连接。
第一步是将预先连接在固相载体CPG上的活性基团被保护的核苷酸与三氯乙酸反应,脱去其5′-羟基的保护基团DMT,获得游离的5′-羟基。
第二步,合成DNA的原料,亚磷酰胺保护核苷酸单体,与活化剂四氮唑混合,得到核苷亚磷酸活化中间体,它的3′端被活化,5′-羟基仍然被DMT保护,与溶液中游离的5′-羟基发生缩合反应。
第三步,带帽(capping)反应,缩合反应中可能有极少数5′-羟基没有参加反应(少于2%),用乙酸酐和1-甲基咪唑终止其后继续发生反应,这种短片段可以在纯化时分离掉。
第四步,在氧化剂碘的作用下,亚磷酰形式转变为更稳定的磷酸三酯。
经过以上四个步骤,一个脱氧核苷酸被连接到固相载体的核苷酸上。再以三氯乙酸脱去它的5′-羟基上的保护基团DMT,重复以上步骤,直到所有要求合成的碱基被接上去。合成过程中可以观察TCA处理阶段的颜色判定合成效率。
通过氨水高温处理,连接在CPG上的引物被切下来,通过OPC, PAGE等手段纯化引物,成品引物用C18浓缩、脱盐,沉淀。沉淀后的引物用水悬浮,测定OD260定量,根据定单要求分装。
2.引物纯化方式有哪些,如何选择?
◆ 脱盐
寡核苷酸合成后,为了纯化寡核苷酸成为天然的DNA结构,首先必须去除保护基团。通过浓氨水处理,合成的寡核苷酸从固相载体上分离,2-氰乙氧基--磷酸二脂键的保护基团,以及碱基的保护基团基(苯甲酰基和异丁基)被去除,从而形成了天然的DNA结构。然而,必要的去保护步骤完成后,寡核苷酸混合物还包含几种必须被去除的小分子有机化合物。所有非必须有机化合物被移除的过程通常叫做脱盐。脱盐纯化可以借助反向硅胶柱进行。尽管脱盐纯化可以移除所有的非必须有机杂质,但它不能有效移除合成中产生微量的提前终止的寡核苷酸杂链。然而,脱盐的寡核苷酸还是能够满足PCR检测等基础生物研究。
◆ BioRP / OPC纯化
如果寡核苷酸以“三苯甲基”的形式合成,则N-甲基寡核苷酸包含5’-DMT基团,提前终止的寡核苷酸不包含该基团。因为DMT基有强的亲脂的特性,有5’-DMT基团的寡核苷酸与反相树脂有亲和性,因此反相亲和树脂通常被用于寡核苷酸的纯化。利用反向树脂和5’-DMT寡核苷酸存在强亲和力,但是提前终止的寡核苷酸不包含DMT基团,所以,我们能够成功的把想要的N-甲基寡核苷酸从提前终止的寡核苷酸杂质中分离出来。
◆ HPLC
如果合成的寡核苷酸应用于克隆,定向诱变或定量的基因探测,那么对其纯度要求较高。脱盐或OPC纯化的寡核苷酸可能达不到要求,则HPLC纯化被广泛地用于这个目的。作为一种纯化树脂,阴离子交换树脂或反向树脂被用于寡核苷酸纯化。阴离子交换树脂的HPLC通常显示95-98%纯化效率,对于达到35-mer寡核苷酸的纯化是充分的。反向树脂化的HPLC与阴离子交换树脂的HPLC呈现相似的纯化效率。因为HPLC的纯化效率很大程度依靠寡核苷酸的长度,用HPLC法不能有效纯化长的寡核苷酸(大于35-mer)。
◆ PAGE
对于长的寡核苷酸的纯化(50-100mer),我们推荐PAGE纯化法,它使用交连的聚丙烯酰胺凝胶(电泳)作为纯化基质。尽管PAGE显示出高的纯化效率(>98%),但它在额外的步骤方面有一些缺陷,比如在PAGE之后需要提取和脱盐,继而将导致纯化产率的下降。
3.引物的OD数如何定量?
答:引物合成引物OD数是这样测定的:用紫外分光光度计,波长260nm,石英比色杯,光程为1厘米,测定溶液的光密度。测定时溶液的光密度最好稀释到0.2-1.0之间。DNA干粉用一定体积的水充分振荡溶解以后,用1ml水稀释测OD值。需要根据稀释倍数换算出母液的OD值。
4.需要什么级别的引物?
答:引物常用的纯化方式脱盐、BioRP / OPC纯化、PAGE纯化、HPLC纯化。根据实验需要,确定订购引物的纯度级别。
应用 | 引物长度要求 | 纯度级别要求 |
一般PCR扩增 | <45 base | BioRP / OPC |
一般PCR扩增 | >45 base | PAGE |
诊断PCR扩增 | < 40base | BioRP / OPC, PAGE |
DNA测序 | 20base左右 | BioRP / OPC |
亚克隆,点突变等 | 根据实验要求定 | BioRP / OPC, PAGE,HPLC |
基因构建(全基因合成) | 根据实验要求定 | PAGE |
反义核酸 | 根据实验要求定 | PAGE |
修饰引物 | 根据实验要求定 | PAGE, HPLC |
5.最长可以合成多长的引物?
答:引物越长,出现问题的概率就越大。有的公司合成过120base的引物,产率很低。除非需要,建议合成片段长度不要超过80mer,按照目前的引物合成效率,80mer的粗产品,全长(还不一定正确)引物的百分比不会超过40%,后续处理还有丢失很多,最后的产量很低。
6.需要合成多少OD数?
答:根据实验目的确定。一般PCR扩增,2 OD引物,可以做200-500次50ul标准PCR反应。如果是做基因拼接或退火后做连接,1 OD就足够了。但是有些研究人员,就做几次PCR,但是却要5-10 OD。做全基因构建的引物都比较长,但是我们有些研究人员也要求高OD数。片段越长, 最后全长得率就越低,出错的几率就越大。超出需要之外的OD数要求,其实也是对社会资源的一种浪费,同时也从一个侧面反映了部分研究人员特别是新手的自信心不足,总觉得需要重复多次才能成功。
7.如何检测引物的纯度?
答:实验室方便的作法是用PAGE方法。使用加有7M尿素的16%的聚丙烯酰胺凝胶进行电泳。取0.2-0.5OD的引物,用尿素饱和液溶解或引物溶液中加入尿素干粉直到饱和,上样前加热变性(95℃,2mins)。加入尿素的目的一是变性,二是增加样品比重,容易加样。600V电压进行电泳,一定时间后(约2-3小时),剥胶,用荧光TLC板在紫外灯下检测带型,在主带之下没有杂带,说明纯度是好的。如果条件许可,也可以用EB 染色或银染方式染色。
而有的厂家提供Maldi-TOF质谱QC质量控制,从而保障了合成的准确率:
Bioneer使用多重Maldi-TOF质谱仪进行全自动装载及监测。 每份样品的质谱分析数据将自动插入到寡核苷酸的信息单中。Bioneer是世界上仅有的几个对生产的每份核苷酸 (单个寡核苷酸和高通量和成) 都用MALDI-TOF质谱仪检测进行核苷酸QC检测的厂商,而且免费提供质谱数据。
8.如何计算引物的浓度?
答:引物保存在高浓度的状况下比较稳定。引物一般配制成10-50pmol/ul。 一般情况下,建议将引物的浓度配制成50pmol/ul,加水的体积(微升)按下列方式计算:V (微升)= OD数*(乘)33 *(乘)*(乘)20000 / (除) 引物的分子量。引物的分子量可以从合成报告单上获得。如果需要配制成其他浓度,按上述公式换算。
注意:1 OD260= 33 ug/ml.
9.如何计算引物的Tm值?
答:引物设计软件都可以给出Tm,与引物长度、碱基组成、引物使用缓冲的离子强度有关。
长度为25mer以下的引物,Tm计算公式为:
Tm = 4℃ (G + C)+ 2℃ (A + T)
对于更长的寡聚核苷酸,Tm计算公式为:
Tm = 81.5 + 16.6 x Log10[Na+] + 0.41 (%GC) - 600/size
公式中,Size = 引物长度。
Tm的定义:Tm = Temperature at which 50% of a given oligonucleotide is hybridized to its complementary strand. In the absence of destabilizing agents, like formamide or urea, Tm will depend on 3 major parameters: The sequence: a GC-rich sequence has a higher melting temperature. The strand concentration: high oligonucleotide concentrations favor hybrid formation, which results in a higher melting temperature. The salt concentration: high ionic strength results in a higher Tm as cations stabilize the DNA duplexes.
10.引物(含修饰)的分子量是如何确定的?
答:非修饰的引物的Molecular Weight在随引物提供的报告单上都有明确的标示。如果需要估计一个引物的分子量按每个碱基的平均分子量为324.5,引物的分子量=碱基数 x 碱基的平均分子量。或按下列公式计算MW= (NA * WA) + (NC * WC) + (NG * WG) + (NT * WT) +(Nmod * Wmod) +(Nx * Wx)+( Ni* Wi) +16* Ns- 62.
NA, NG, NC, NT, Ni分别为引物中碱基A或G或C或T或I的数量,WA, WC, WG, W, Wi分别为引物中碱基A或G或C或T或I的分子量,Nmod,Wmod 分别为修饰基团的数目和分子量。
对于混合碱基的分子量为混合碱基的分子量总合除以混合数,例如G+A混合的分子量为(313.21+329.21)/2 = 321.21。Ns为硫代数目,硫代每个位置增加分子量16。
常规碱基分子量:
Base | Molecular Weight |
A | 313.21 |
C | 289.18 |
G | 329.21 |
T | 304.19 |
I | 314.2 |
U | 290.17 |