МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Основы полимеразной цепной реакции (ПЦР) и методики ее проведения

Методические указания к лабораторным занятиям по генетике и биохимии

Для студентов III – V курсов и магистров биологического факультета Башгосуниверситета

Уфа

РИО БашГУ

2010

Утверждено к печати учебно-методической

комиссией биологического факультета.

Составители: к.б.н., доц. БашГУ Р.Р. Валиев;

к.б.н., н.с. ИБГ УНЦ РАН Р.Р. Валиев.

Методические указания предназначены для студентов 3-5 курсов дневного и заочного отделений биологического факультета по направлению «Биология», а также магистров I и II года обучения. Цель методических указаний – ознакомление с механизмом ПЦР и методикой ее проведения на лабораторных занятиях по молекулярной генетике, биохимии и при выполнении курсовых и дипломных работ. Приведены основные компоненты реакционной смеси, необходимые материалы и оборудование для ПЦР-анализа, а также методика подготовки проб биологического материала и детекции конечных продуктов ПЦР. Даны некоторые комментарии к методикам для успешного выполнения лабораторных работ и научных исследований.

Введение

В последние годы все больше молекулярно-биологических методов находят практическое применение в различных областях медицины, промышленности и сельского хозяйства. Один из таких методов полимеразная цепная реакция (ПЦР) – это метод, имитирующий естественную репликацию ДНК и позволяющий обнаружить единственную специфическую молекулу ДНК в присутствии миллионов других молекул. Основные принципы использования праймеров (коротких искусственно синтезированных молекул ДНК) и состав ингредиентов, входящих в реакционную смесь для получения копий ДНК впервые были описаны Kleppe с соавт. в 1971 году. Однако тогда еще не была продемонстрирована основная черта ПЦР -экспоненциальное увеличение количества копий фрагмента исходной ДНК как результат реакции. В 1983 году сотрудник фирмы «Cetus» Kary Mullis предложил метод, ставший в дальнейшем известным как полимеразная цепная реакция. Суть метода заключается в многократном копировании (амплификации) в пробирке определенных участков ДНК в процессе повторяющихся температурных циклов. На каждом цикле амплификации синтезированные ранее фрагменты вновь копируются ДНК-полимеразой. Благодаря этому происходит многократное увеличение количества специфических фрагментов ДНК, что значительно упрощает дальнейший анализ. Следует отметить, что этому открытию сопутствовало развитие некоторых технологий. В частности, появление приборов, позволяющих автоматически синтезировать одноцепочечные фрагменты ДНК (олигонуклеотиды). В тот же период были обнаружены уникальные микроорганизмы, живущие в гейзерах. Их ферментативная система, в частности ДНК-полимераза, выдерживает высокие температуры горячих источников и сохраняет свою биологическую активность вплоть до 95°С, что является необходимым условием для проведения полимеразной цепной реакции. Результатом открытия ПЦР стало почти немедленное практическое применение метода. В 1985 году Saiki с соавт. опубликовали статью, в которой была описана амплификация геномной последовательности β-глобина. С этого момента количество публикаций, в которых авторы сообщали о применении ПЦР в своих работах, стало увеличиваться в геометрической прогрессии. Метод приобрел такую популярность, что сегодня уже трудно представить работу в области молекулярной биологии без его использования. Особенно бурное развитие метод полимеразной цепной реакции получил благодаря международной программе «Геном человека». Были созданы современные лазерные технологии сиквенирования (расшифровки нуклеотидных последовательностей ДНК). Если в недавнем прошлом для расшифровки последовательности ДНК размером в 250 пар нуклеотидов (п.н.) требовалась неделя, то современные лазерные сиквенаторы позволяют определять до 5000 п.н. в день. Это в свою очередь способствует значительному росту информационных баз данных, содержащих последовательности ДНК различных биологических объектов. В настоящее время предложены различные модификации ПЦР, показана возможность создания тест-систем для обнаружения микроорганизмов, выявления точечных мутаций, описаны десятки различных применений метода.

Что же может ПЦР? Основные медицинские области применения этого метода – диагностика инфекций и наследственных заболеваний. ПЦР открывает поистине широкие возможности анализа генома человека – выявления дефектных генов, определяющих наследственную предрасположенность к заболеваниям. Вместе с тем, интересно и обнаружение генов, несущих информацию о полезных признаках. Например, генов снижающих риск опухолевого перерождения тканей или генов, значительно уменьшающих вероятность заражение ВИЧ-инфекцией. ПЦР используется также при генетической идентификации личности, определении степени родства. Только результат анализа ДНК позволяет окончательно дать заключение о достоверности отцовства. Но, пожалуй, самое широкое распространение метод ПЦР в настоящее время получил как метод диагностики различных инфекционных заболеваний. ПЦР позволяет выявлять этиологию инфекции даже если в пробе, взятой на анализ содержится всего несколько молекул ДНК возбудителя. ПЦР широко используется в для ранней диагностики ВИЧ-инфекции, вирусных гепатитов, клещевого энцефалита, туберкулеза, заболеваний, передающихся половым путем и т.д. На сегодняшний день практически нет инфекционного агента, которого нельзя было бы выявить с помощью ПЦР. ДНК-диагностика онкологических заболеваний ограничивается небольшим, но активно возрастающим количеством сведений о генах, ассоциированных с опухолевыми заболеваниями. В рамках проекта «Геном человека» ученые продолжают поиски мутаций, ассоциированных с этой патологией. Диагностика генетических заболеваний, также как и онкологических, может развиваться только вслед за проведением широких научных исследований генома человека. Медицинское сообщество уже осознало важность изучения генетической основы заболеваний, а также возможность диагностики и начала лечения болезни до появления ее симптомов.