CN110506114B - Pcr引物对及其应用 - Google Patents
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Abstract
提供了PCR引物对。其中，该PCR引物对包括：第一引物和第二引物，其中，所述第一引物包含第一特异性序列和第一随机序列，所述第一特异性序列位于所述第一引物的3’端，所述第一随机序列位于所述第一引物的5’端，所述第二引物包含第二特异性序列和第二随机序列，所述第二特异性序列位于所述第二引物的3’端，所述第二随机序列位于所述第二引物的5’端，并且，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列分别为针对靶序列的上游引物和下游引物，所述第一随机序列和所述第二随机序列反向互补。
Description
优先权信息
无
技术领域
本发明涉及生物技术领域，具体而言，涉及PCR扩增，更具体地，涉及PCR引物对及其应用。
背景技术
由Mullis在1983年建立的PCR方法已成为分子生物学及其相关领域的经典实验方法，其应用已趋于多元化，从基因扩增与基因检测，到基因克隆、基因改造、遗传分析，等等，甚至扩展到非生物学领域。随着近年的发展，该技术本身正不断进步，可靠性也不断提高。而同时，在聚合酶链式反应这一基本原理的基础上，还发展出了一系列新的概念和实验方法，它们在生命科学研究中有重要的应用价值。
引物是所有PCR方法技术的关键因素之一。目前，引物的设计可通过计算机和网络来实现。在线引物设计的优点在于：1)无须精通软件的操作；2)可同时分析更多的变量。但在实际中工作中，常规引物设计软件设计的好的引物不一定会产生好的结果，特别是那些高GC区域以及模板中有和其他目的区域相似的序列，最终导致引物扩增得到的产物特异性不强，PCR扩增效率不高，而去优化这些区域的引物又往往难以得到满意的结果。
因而，目前的常规PCR引物设计方法仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能有效降低PCR扩增过程中的GC偏向性，提高扩增特异性的PCR引物设计策略及相应的PCR引物对。
首先，需要说明的是，本发明的是基于发明人的下列发现而完成的：
网上有许多提供免费在线引物设计服务的网址和软件，例如：NetPrimer(www.premierbiosoft.com)。常用的单机引物设计软件有很多不同的产品，各有其优点。RightprimerTM(Bio2Disk)具有超强校对功能，可将待扩增序列的可能引物在很短的时间内,通过查找Genebank，而与背景DNA校对，从而找到特异性极佳之引物。OligoTM(Molecular Biology Insights,Inc.)适合于MultiplexPCR和ConsensusPCR的引物设计，并能给出适合的PCR条件。PrimerPremier(或者Premierbiosoft)，可以在核酸序列未知的情况下，通过蛋白质序列来设计引物，这一功能在仅知道部分蛋白质序列，而又想克隆新基因时特别有用。PrimerDesigner210(Scientific and Educational Software)以其短小精悍，功能齐全而得到广泛的应用。
但在实际中工作中，常规引物设计软件设计的好的引物不一定会产生好的结果，特别是那些高GC区域以及模板中有和其他目的区域相似的序列，最终导致引物扩增得到的产物特异性不强，PCR扩增效率不高，而去优化这些区域的引物又往往难以得到满意的结果。
发明人研究后认为，当前的PCR引物设计需要严格按照引物设计条件进行设计，PCR特异性和扩增效率过多依赖于引物设计的好坏，在一些重复区域、高GC区域或是有高级结构的区域引物往往难以得到好的效果，设计引物和引物优化需要花费大量的精力和物力。因而，发明人进行了一系列设计和实验探索，以期改善这一问题。并且，发明人意外地发现：在一对常规引物的5’端加上一段互补的序列，形成的具有“5’端反向互补，3’端突出”的稳定的引物二聚体结构的引物对，能够有效改善上述问题。
进而，在本发明的第一方面，本发明提供了一种PCR引物对。根据本发明的实施例，该PCR引物对包括：第一引物和第二引物，其中，所述第一引物包含第一特异性序列和第一随机序列，所述第一特异性序列位于所述第一引物的3’端，所述第一随机序列位于所述第一引物的5’端，所述第二引物包含第二特异性序列和第二随机序列，所述第二特异性序列位于所述第二引物的3’端，所述第二随机序列位于所述第二引物的5’端，并且，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列分别为针对靶序列的上游引物和下游引物，所述第一随机序列和所述第二随机序列反向互补。发明人惊奇地发现，本发明的PCR引物对能有效降低PCR扩增过程中的GC偏向性，提高扩增特异性。具体地，用常规引物在二代测序文库PCR富集过程会带来一定的GC偏向性，而本发明的PCR引物对(有时也称为“锁定引物”)能有效降低文库PCR富集过程中的GC偏向性。
根据本发明的实施例，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列的TM值为55-65摄氏度，所述第一引物和所述第二引物的TM值为65-75摄氏度。由此，能够使该PCR先进行第一轮低退火温度(55-65℃)的线状扩增，然后在后面的循环中采用高退火温度(65℃-72℃)——即进行第二轮环状扩增。由于在环状扩增过程中，该轮退火温度高，特异性序列不能够单独结合到特异性位点(特异性序列的TM值只有55-65℃)，只有当锁定引物的5’端结合到模板的5’端，同时该锁定引物的3’端结合到模板的特异性位点，该PCR才能够进行有效的扩增，也即该轮扩增实际为双结合位点的环状扩增。
本发明的PCR引物对适用于针对任何形式的待测DNA样品进行PCR扩增和文库构建。其中，需要说明的是，在本发明中所述的“待测DNA样品”和常规的理解有些不同，常规理解不包含处理过的DNA。但在本发明中，“待测DNA样品”可包括处理过的DNA以及未经处理的DNA(在构建测序文库时，一般会针对样本的基因组DNA进行打断和加测序接头处理，以得到携带相应平台测序接头的DNA片段，再经过后续扩增等步骤后，得到的产物即可用于测序，该携带相应平台测序接头的DNA片段即为“处理过的DNA片段”，相应地，为经过上述处理的，即为“未经处理的DNA”)。如果是针对未经处理的DNA，利用本发明的PCR引物对扩增，即是针对特异目标片段进行扩增；若是针对处理过的DNA，扩增的目标片段可以为整个基因组的DNA片段。
根据本发明的一些实施例，当待测DNA样品为处理过的、携带通用序列(例如测序接头)的DNA片段(这里的“通用序列”是用于与引物中特异序列配对的序列，包括测序平台接头序列，也即测序接头)时，相应地，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列必须能够特异性识别携带通用序列的靶序列，换言之，实际上此时的靶序列实际为“通用序列+目标区域序列”；当待测DNA样品(也即PCR反应模板)为不携带通用序列的DNA片段时，相应地，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列能够特异性识别该靶序列即可。并且，此时，如果需要构建测序文库，则可以在第一引物和第二引物的随机序列中或者特异性序列和随机序列之间设置测序接头序列(即通用序列)，以便使PCR扩增产物上连接测序接头，进而能够有效用于测序平台。
根据本发明的另一些实施例，所述第一引物和所述第二引物的至少之一进一步包含标签序列，由此，可以同时对多个样本进行PCR扩增，并基于所述标签序列对各个样本进行区分。其中，所述标签序列在第一引物和第二引物中的位置没有特别限制，只要能够使其发挥区分各样本的作用，且不影响PCR扩增进行即可。根据本发明的一些具体示例，所述标签序列可以位于特异性序列和随机序列之间，由此，可以在第一引物的第一特异性序列和第一随机序列之间设置一个标签序列，和/或，在第二引物的第二特异性序列和第二随机序列之间设置一个标签序列。根据本发明的另一个实施例，所述标签序列还可以被设置为包含于随机序列中，也即为随机序列的一部分。由此，同样能够使其发挥区分各样本的作用，且并不影响PCR扩增的进行。
根据本发明的实施例，所述第一随机序列和所述第二随机序列的长度为15-45bp，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列的长度为15-30bp。
根据本发明的实施例，所述第一引物和所述第二引物的5’末端和3’末端的第1-5个碱基经过修饰，用以有效防止酶的外切。根据本发明的一些具体示例，所述第一引物和所述第二引物的5’末端和3’末端的第1-5个碱基经过硫代修饰。
根据本发明的一些实施例，硫代修饰的种类不受特别限制，只要能够防止第一引物和所述第二引物被酶外切(例如被具有5-3’或3-5’外切酶活性的酶降解)即可。根据本发明的一些具体示例，所述硫代修饰为选自硫代磷酸型修饰、甲基硫酸型修饰和肽核酸修饰的任意一种。
根据本发明的实施例，所述第一引物和所述第二引物的至少之一的5’端经过磷酸化修饰。由此，利用本发明的PCR引物对得到的产物——带有缺口的类环状物(即类环状物的5’端和3’端未连接)，通过加入连接酶即可进行连接反应而形成完整的环状DNA。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种PCR扩增试剂盒。根据本发明的实施例，该试剂盒包含前面所述的PCR引物对。根据本发明的实施例，相对于常规引物，利用该试剂盒采用本发明的PCR引物对进行PCR扩增，扩增过程中的GC偏向性低、扩增特异性高，扩增效果突出。
在本发明的第三方面，本发明提供了一种PCR扩增方法。根据本发明的实施例，该方法利用前面所述的PCR引物对或者PCR扩增试剂盒进行所述PCR扩增。由此，利用该方法能够有效实现模板的PCR扩增。并且该方法能够增加PCR扩增的特异性，有效降低非特异性产物的产生，并提高扩增效率。
根据本发明的实施例，所述方法包括如下的两轮扩增：于55-65摄氏度的退火温度下，使所述PCR引物对和模板进行第一轮线状扩增；以及于65-72摄氏度的退火温度下，对第一轮线状扩增的产物进行第二轮环状扩增。这样，从PCR的第二个循环(也即第二轮环状扩增)开始，第一引物和第二引物的5’端碱基和新生成的模板5’端的碱基反向互补结合，第一引物和第二引物的3’端特异性碱基和新生成的模板3’端的碱基反向互补结合，也即引物和模板结合识别位点为2个(如附图3)，从而能够增加PCR扩增的特异性，并有效降低非特异性产物的产生。
根据本发明的实施例，所述方法的扩增反应程序如下：
| 步骤1 | 98℃预热2min |
| 步骤2 | 98℃变性10s |
| 步骤3 | 55-65℃结合2min |
| 步骤4 | 72℃扩增30s |
| 步骤5 | 98℃变性10s |
| 步骤6 | 65-72℃结合1min |
| 步骤7 | 重复步骤5-6：5-35个循环 |
| 步骤8 | 72℃延伸5min |
。
由此，PCR扩增过程中的GC偏向性低、扩增特异性高，扩增效果好。
在本发明的第四方面，本发明提供了一种制备环状DNA文库的方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：
(1)根据前面所述的PCR扩增方法，将待测DNA样品进行PCR扩增，以便获得包含类环状物的扩增产物，其中，所述类环状物的5’端和3’端未连接，所述第一引物和所述第二引物的至少之一的5’端经过磷酸化修饰，且所述第一引物和所述第二引物的5’末端和3’末端的第1-5个碱基经过硫代修饰；以及
(2)利用连接酶将所述扩增产物进行连接反应，以便使所述类环状物的5’端和3’端连接，形成环状DNA，所有环状DNA构成所述环状DNA文库，
其中，当所述第一引物和所述第二引物的其中之一的5’端经过磷酸化修饰时，所述环状DNA文库为单链环状DNA文库，当所述第一引物和所述第二引物的5’端均经过磷酸化修饰时，所述环状DNA文库为双链环状DNA文库。
根据本发明的实施例，利用该方法能够有效制备单链或双链的环状DNA文库，并且，获得的单链或双链的环状DNA文库，文库质量好，用于DNA保存或文库测序时效果好。
根据本发明的实施例，进一步包括：(3)去除线性DNA。由此，获得的文库质量好。
根据本发明的一些具体示例，利用线性消化反应去除线性DNA。
根据本发明的实施例，在步骤(1)中，所述待测DNA样品两端添加有通用序列。
根据本发明的实施例，本发明的PCR引物对及其应用具有下列优点的至少之一：
1、本发明的PCR引物对的设计策略，简化了引物设计流程、优化了实验步骤，引物对的组成由3’端的特异性序列和5’端的随机序列(互补序列)组成，正反向引物通过互补序列形成一个稳定的二聚体结构，不需要满足常规引物严格的条件，大大简化了设计流程。在常规引物设计过程中需要避免引物5’端和5’端的互补、引物自身形成回文结构等，以保证引物之间不能形成二聚体结构和发生自身延伸进行PCR。但本发明的PCR引物对的设计不需要考虑这些问题，因为锁定引物自身的结构就是5’端互补稳定的二聚体且此时的二聚体的3’端还能正常的和特异性序列进行互补发生延伸，而常规引物如果5’端形成二聚体结构，3’端就没有足够的序列和特异性互补序列进行结合。并且，本发明的锁定引物2条引物之间形成5’端互补序列的势能远远大于自身回文结构，所以就算3’端和5’端有互补的序列也会优先形成5’端二聚体结构。
2、本发明的PCR扩增方法能够增加PCR扩增的特异性，有效降低非特异性产物的产生；其从PCR的第二个循环开始，引物5’端碱基(随机序列)和新生成的模板的5’端的碱基反向互补结合，引物的3’端特异性序列和新生成的模板3’端的碱基反向互补结合，也即引物和模板结合识别位点为2个(如附图3)，由此，显著增加了引物和模板的结合能力，以及扩增的特异性。而引物和模板的结合率提高，扩增效率也得到了有效的提高。
3、利用本发明的PCR引物对进行PCR扩增，能够有效降低测序文库(尤其是二代测序文库)扩增中不同模板的GC偏向性，因为PCR扩增只有在模板变性后引物结合上去才能发生有效的扩增。GC偏好性的产生，是因为在一些高GC区域，PCR过程中模板复性很快，模板在引物还没有结合上去就复性了，导致这些区域不能进行有效扩增。而本发明的锁定引物和模板有2个结合位点，这样能够大大提高和模板的结合能力，进而能够有效结合那些高GC的模板，从而降低GC偏向性。
4、本发明的PCR扩增方法得到的产物为带缺口的类环状物(即该类环状物的5’端和3’端未连接)，对于一些产物需要进行环化操作的实验来讲只需加入连接酶即可实现环化，不需要复杂的变性、淬火过程，能够有效简化实验流程。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例，本发明的PCR引物对(即锁定引物)的结构示意图；
图2显示了根据本发明另一个实施例，本发明的PCR引物对(即锁定引物)的结构示意图；
图3显示了根据本发明的实施例，本发明环状扩增中引物与新生成链的结合示意图；
图4显示了根据本发明的实施例，利用本发明的PCR引物对制备BGISEQ-500文库的流程示意图，其中，图中各标识分别表示：1.第一轮线状PCR，2.第二轮环状PCR，3.连接反应，4.线性消化；
图5显示了实施例1中，锁定引物PCR扩增产物的琼脂糖凝胶电泳检测结果；
图6-图9显示了实施例2中，获得的不同类型文库的2100电泳检测图，其中：图6-图9分别为常规引物cfDNA文库、锁定cfDNA引物文库、常规引物Ecoli基因组文库和锁定引物Ecoli基因组文库的2100电泳检测图；
图10和图11显示了实施例2中，不同类型文库的GC偏向性检测结果。
发明详细描述
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
PCR引物对
在本发明的第一方面，本发明提供了一种PCR引物对。根据本发明的实施例，该PCR引物对包括：第一引物和第二引物，其中，所述第一引物包含第一特异性序列和第一随机序列，所述第一特异性序列位于所述第一引物的3’端，所述第一随机序列位于所述第一引物的5’端，所述第二引物包含第二特异性序列和第二随机序列，所述第二特异性序列位于所述第二引物的3’端，所述第二随机序列位于所述第二引物的5’端，并且，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列分别为针对靶序列的上游引物和下游引物，所述第一随机序列和所述第二随机序列反向互补。发明人惊奇地发现，本发明的PCR引物对能有效降低PCR扩增过程中的GC偏向性，提高扩增特异性。具体地，用常规引物在二代测序文库PCR富集过程会带来一定的GC偏向性，而本发明的PCR引物对(有时也称为“锁定引物”)能有效降低文库PCR富集过程中的GC偏向性。
其中，需要说明的是，本发明的“第一随机序列”和“第二随机序列”可以是随机序列，也可以是固定序列，只要保证两者反向互补即可。
根据本发明的实施例，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列的TM值为55-65摄氏度，所述第一引物和所述第二引物的TM值为65-75摄氏度。由此，能够使该PCR先进行第一轮低退火温度(55-65摄氏度)的线状扩增，然后在后面的循环中采用高退火温度(65-72摄氏度)——即进行第二轮环状扩增。由于在环状扩增过程中，该轮退火温度高，特异性序列不能够单独结合到特异性位点(特异性序列的TM值只有55-65摄氏度)，只有当锁定引物的5’端结合到模板的5’端，同时该锁定引物的3’端结合到模板的特异性位点，该PCR才能够进行有效的扩增，也即该轮扩增实际为双结合位点的环状扩增。
本发明的PCR引物对适用于针对任何形式的待测DNA样品进行PCR扩增和文库构建。其中，需要说明的是，在本发明中所述的“待测DNA样品”和常规的理解有些不同，常规理解不包含处理过的DNA。但在本发明中，“待测DNA样品”可包括处理过的DNA以及未经处理的DNA(在构建测序文库时，一般会针对样本的基因组DNA进行打断和加测序接头处理，以得到携带相应平台测序接头的DNA片段，再经过后续扩增等步骤后，得到的产物即可用于测序，该携带相应平台测序接头的DNA片段即为“处理过的DNA片段”，相应地，为经过上述处理的，即为“未经处理的DNA”)。如果是针对未经处理的DNA，利用本发明的PCR引物对扩增，即是针对特异目标片段进行扩增；若是针对处理过的DNA，扩增的目标片段可以为整个基因组的DNA片段。
根据本发明的一些实施例，当待测DNA样品为处理过的、携带通用序列(例如测序接头)的DNA片段(这里的“通用序列”是用于与引物中特异序列配对的序列，包括测序平台接头序列，也即测序接头)时，相应地，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列必须能够特异性识别携带通用序列的靶序列，换言之，实际上此时的靶序列实际为“通用序列+目标区域序列”；当待测DNA样品(也即PCR反应模板)为不携带通用序列的DNA片段时，相应地，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列能够特异性识别该靶序列即可。并且，此时，如果需要构建测序文库，则可以在第一引物和第二引物的随机序列中或者特异性序列和随机序列之间设置测序接头序列(即通用序列)，以便使PCR扩增产物上连接测序接头，进而能够有效用于测序平台。
根据本发明的另一些实施例，所述第一引物和所述第二引物的至少之一进一步包含标签序列，由此，可以同时对多个样本进行PCR扩增，并基于所述标签序列对各个样本进行区分。其中，所述标签序列在第一引物和第二引物中的位置没有特别限制，只要能够使其发挥区分各样本的作用，且不影响PCR扩增进行即可。根据本发明的一些具体示例，所述标签序列可以位于特异性序列和随机序列之间，由此，可以在第一引物的第一特异性序列和第一随机序列之间设置一个标签序列，和/或，在第二引物的第二特异性序列和第二随机序列之间设置一个标签序列。根据本发明的另一个实施例，所述标签序列还可以被设置为包含于随机序列中，也即为随机序列的一部分。由此，同样能够使其发挥区分各样本的作用，且并不影响PCR扩增的进行。
根据本发明的实施例，所述第一随机序列和所述第二随机序列的长度为15-45bp，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列的长度为15-30bp。
根据本发明的实施例，所述第一引物和所述第二引物的5’末端和3’末端的第1-5个碱基经过硫代修饰。由此，能够有效防止酶的外切。
根据本发明的一些实施例，硫代修饰的种类不受特别限制，只要能够防止第一引物和所述第二引物被酶外切(例如被具有5’-3’或3’-5’外切酶活性的降解)即可。根据本发明的一些具体示例，所述硫代修饰为选自硫代磷酸型修饰、甲基硫酸型修饰和肽核酸修饰的任意一种。
根据本发明的实施例，所述第一引物和所述第二引物的至少之一的5’端经过磷酸化修饰。由此，经过两轮扩增得到的带有缺口的类环状物(即类环状物的5’端和3’端未连接)，通过加入连接酶即可进行连接反应而形成完整的环状DNA。
此外，需要说明的是，参照图1中本发明的PCR引物对的结构示意图可知，本发明的PCR引物对的设计策略是：在一对常规引物(包括正向引物、反向引物)的5’端加上一段互补的序列，这段互补序列可以是一段随机序列也可以是一段固定序列，由此，即将PCR的一对引物设计成了5’端反向互补，3’端突出的“锁定引物”(PadlockPrimer，PP)，锁定引物的引物对之间形成了一个稳定的引物二聚体结构。整个引物对每条链的长度为30-70bp，TM值较高(第一引物和第二引物的TM值一般在65-75摄氏度)，其中锁定引物的5’端互补序列(即第一随机序列和第二随机序列)长度为15-45bp，其序列可以是随机的也可以是固定的；3’端(即第一特异性序列和第二特异性序列)长度为15-30bp，其和模板的靶序列互补，TM值较低(一般为55-65摄氏度)。
另外，针对本发明的PCR引物对的应用问题，本发明的PCR引物对需要通过2个不同的扩增部分(即两轮扩增)来实现PCR扩增(参照图3)：在第一个扩增部分，退火温度为55-65℃，循环数为1；在第二个扩增部分，退火温度为65-72℃，循环数为5-35。在第一个扩增部分中，PCR引物对只能通过3’端的特异性序列和模板结合，因此该循环的退火温度低；在第二个扩增部分中，PCR引物对先通过5’端互补的序列(即第一随机序列和第二随机序列)和新生成的模板(即第一轮扩增的产物)结合，再通过3’端的特异性序列(即第一特异性序列和第二特异性序列)和新生成的模板结合，也即引物和模板结合识别位点为2个，而2个锚定位点的结合大大提高了引物的退火温度，因此退火温度较高。
此外，需要说明的是，在第二个扩增部分中，引物5’端和3’端只有同时和新生成的模板结合时才能够进行有效的环状扩增，这样，2个识别位点大大提高了该种PCR扩增的特异性，2个结合位点大大提高了引物和模板的结合能力，提高了该PCR的扩增效率。由此，相对于传统PCR引物，采用本发明的PCR引物对进行PCR扩增，能够显著增加PCR扩增的特异性，有效降低非特异性产物的产生，并降低扩增过程中的GC偏向性。由此，在测序中尤其是二代测序文库中应用该种引物，可以有效降低文库富集扩增中全基因组范围内的GC偏向性。
并且，根据本发明的实施例，采用本发明的PCR引物对的PCR扩增可以应用于产物环化，得到的产物可以直接进行连接，得到环状DNA。具体地，不需要进行额外的变性、淬火等步骤，产物只要加入连接反应体系即可成环，由此，能够大大简化成环的流程，进而简化环状DNA文库的制备流程。
应用
进而，在本发明的第二方面，本发明还提供了一种PCR扩增试剂盒。根据本发明的实施例，该试剂盒包含前面所述的PCR引物对。根据本发明的实施例，相对于常规引物，利用该试剂盒采用本发明的PCR引物对进行PCR扩增，扩增过程中的GC偏向性低、扩增特异性高，扩增效果突出。
进一步，本发明提出了PCR引物对及包含它的试剂盒的应用。
在本发明的第三方面，本发明提供了一种PCR扩增方法。根据本发明的实施例，该方法利用前面所述的PCR引物对或者PCR扩增试剂盒进行所述PCR扩增。由此，利用该方法能够有效实现模板的PCR扩增。并且该方法能够增加PCR扩增的特异性，有效降低非特异性产物的产生，并提高扩增效率。
根据本发明的实施例，所述方法包括如下的两轮扩增：于55-65摄氏度的退火温度下，使所述PCR引物对和模板进行第一轮线状扩增；以及于65-72摄氏度的退火温度下，对第一轮线状扩增的产物进行第二轮环状扩增。这样，从PCR的第二个循环(也即第二轮环状扩增)开始，第一引物和第二引物的5’端碱基和新生成的模板5’端的碱基反向互补结合，第一引物和第二引物的3’端特异性碱基和新生成的模板3’端的碱基反向互补结合，也即引物和模板结合识别位点为2个(如附图3)，从而能够增加PCR扩增的特异性，并有效降低非特异性产物的产生。
根据本发明的实施例，所述方法的扩增反应程序如下：
| 步骤1 | 98℃预热2min |
| 步骤2 | 98℃变性10s |
| 步骤3 | 55-65℃结合2min |
| 步骤4 | 72℃扩增30s |
| 步骤5 | 98℃变性10s |
| 步骤6 | 65-72℃结合1min |
| 步骤7 | 重复步骤5-6：5-35个循环 |
| 步骤8 | 72℃延伸5min |
。
由此，PCR扩增过程中的GC偏向性低、扩增特异性高，扩增效果好。
在本发明的第四方面，本发明提供了一种制备环状DNA文库的方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：
(1)根据前面所述的PCR扩增方法，将待测DNA样品进行PCR扩增，以便获得包含类环状物的扩增产物，其中，所述类环状物的5’端和3’端未连接，所述第一引物和所述第二引物的至少之一的5’端经过磷酸化修饰，且所述第一引物和所述第二引物的5’末端和3’末端的第1-5个碱基经过硫代修饰；以及
(2)利用连接酶将所述扩增产物进行连接反应，以便使所述类环状物的5’端和3’端连接，形成环状DNA，所有环状DNA构成所述环状DNA文库，
其中，当所述第一引物和所述第二引物的其中之一的5’端经过磷酸化修饰时，所述环状DNA文库为单链环状DNA文库，当所述第一引物和所述第二引物的5’端均经过磷酸化修饰时，所述环状DNA文库为双链环状DNA文库。
根据本发明的实施例，利用该方法能够有效制备单链或双链的环状DNA文库，并且，获得的单链或双链的环状DNA文库，文库质量好，用于DNA保存或文库测序时效果好。
根据本发明的实施例，进一步包括：(3)去除线性DNA。由此，获得的文库质量好。
根据本发明的一些具体示例，利用线性消化反应去除线性DNA。
根据本发明的实施例，在步骤(1)中，所述待测DNA样品两端添加有通用序列。如前所述，本文所使用的表达方式“通用序列”是指用于与引物中特异序列配对的序列，包括测序平台接头序列，也即测序接头。由此，当待测DNA样品两端添加有通用序列例如测序接头时，获得的文库能够直接用于对应的测序平台进行上机测序。
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件(例如参考J.萨姆布鲁克等著，黄培堂等译的《分子克隆实验指南》，第三版，科学出版社)或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品，例如可以采购自Illumina公司。
实施例1：锁定引物改善常规引物的特异性和扩增效率
一、锁定引物(即本发明的PCR引物对，下面简称为“PP引物”)引物设计
1)根据NC_000004.12(Homo sapiens chromosome 4,GRCh38.p7PrimaryAssembly)设计一对常规引物，扩增产物大小277bp；在常规引物的5端分别加上24bp、19bp、11bp的互补序列，得到3对锁定引物；
2)根据NC_000016.10(Homo sapiens chromosome 16,GRCh38.p7PrimaryAssembly)设计扩增产物长度分别为88bp、235bp、318bp、404bp、498bp的常规引物，在常规引物的5端加上18bp的互补序列，得到5对锁定引物(如表1，引物结构示意图如图1)。
二、实验步骤
取10ng基因组DNA分别用常规引物(6对)和PP引物(6对)进行PCR扩增(引物序列如表1)。其中，PCR扩增采用Takara公司的rTaq扩增试剂盒(货号RR001B)，按照以下体系进行：
A)常规引物的扩增条件如下：
B)PP引物的扩增条件如下：
1.得到的产物进行纯化和琼脂糖电泳(如图5)。
表1：引物序列
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/>
注：F：正向引物；R：反向引物；Control：常规引物；PP：锁定引物，
各PP引物的方框标注部分为互补序列。
图5显示了锁定引物PCR扩增产物的琼脂糖凝胶电泳检测结果。如图5所示，条带1、2、3、4分别是常规引物、24bp互补序列的锁定引物、19bp互补序列的锁定引物、11bp互补序列的锁定引物的扩增产物，1-4目的条带的预期大小依次为：277bp、325bp、315bp、299bp(其中条带4是采用PP-11BP-F和PP-11BP-R，即11bp互补序列的锁定引物的扩增产物，如图所示，当正反互补序列为11bp时，扩增效果不好，因此发明人将互补序列的最低长度限制为15bp)；条带5-9为常规引物的扩增产物，目的条带的预期大小依次为：88bp、235bp、318bp、404bp、498bp；条带10-14为18bp互补序列的锁定引物的扩增产物，目的条带的预期大小依次为：124bp、271bp、354bp、440bp、534bp。
结论：从图5可以看到，常规引物出现严重的非特异性扩增，不同长度的锁定引物对扩增具有明显的改善作用，且在一定范围内(15-45bp)，互补序列越长特异性越好。可以得出采用锁定引物涉及策略可以大大增加引物的扩增特异性。
实例2：锁定引物在BGI-SEQ500文库富集中的应用
本实施例分别用常规引物和本发明的锁定引物(结构示意图见图2)以Ecoli基因组DNA和cfDNA(血浆游离DNA)为模板进行文库制备。
取Ecoli基因组DNA10ng，cavoris打断至200bp左右的片段后进行文库制备，提取血浆游离DNA 2ng，均按照以下方式进行文库制备，建库试剂盒采用的是华大基因公司的联合探针锚定聚合测序法试剂盒(货号BOX3)。(建库流程图见图4)。
1.末端修复加A
文库制备末端修复加A反应如下：
反应条件：37℃，30min；65℃，15min。
DNA：Ecoli基因组DNA或者cfDNA(血浆游离DNA)。
2.接头连接
连接体系如下：
反应条件：23℃，30min。
3.文库富集
PCR体系如下：
引物序列见下表2：
表2
注：下划线处碱基为标签序列。
PCR反应条件：
4.文库环化
环化反应体系：
反应条件：37℃，30min。
5.最终连接产物纯化后进行qubit定量(如表3)和2100检测(如图6-图9)
6.质检合格后进行上机测序(BGISEQ-500)，测序类型SE28+10，数据下机后对基本参数包括GC偏向，比对率，重复率等内容进行统计(见表4、图10-图11)。
图6-图9显示了获得的不同类型文库的2100电泳检测图，其中：图6-图9分别为常规引物cfDNA文库、锁定cfDNA引物文库、常规引物Ecoli基因组文库和锁定引物Ecoli基因组文库的2100电泳检测图。
表3：文库产量
表4：文库下机数据统计
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图10和图11显示了不同类型文库的GC偏向性检测结果。图10中，虚线为常规引物GC偏向性，实线为锁定引物GC偏向性，锁定引物得到的文库深度随着GC含量变化的波动较小；图11中，虚线为常规引物GC偏向性，实线为锁定引物GC偏向性，锁定引物得到的文库深度随GC含量变化的波动较小；锁定引物能有效改善GC偏向性。
结论：由表3和图6-图9，可以看到锁定引物文库的产量得到了一定的提高，说明定锁定引物能够提高PCR的扩增效率；由表4和图10-图11可知，下机数据(比对率等基本参数)和常规引物相比没有太大差异，和常规引物相比，锁定引物能够有效改善文库的GC偏向性。锁定引物的适用范围不仅限于BGISEQ-500文库的制备，还可以应用于其他二代测序平台如illumina、proton等的文库制备。
工业实用性
本发明的PCR引物对，能够有效地用于待测DNA样品的PCR扩增，并且能有效降低PCR扩增过程中的GC偏向性，提高扩增特异性。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，本领域技术人员将会理解。根据已经公开的所有教导，可以对那些细节进行各种修改和替换，这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
Claims (10)
1.一种PCR环状扩增方法，其特征在于，利用PCR引物对进行PCR扩增；
所述PCR引物对包括：
第一引物和第二引物，
其中，
所述第一引物包含第一特异性序列和第一随机序列，所述第一特异性序列位于所述第一引物的3’端，所述第一随机序列位于所述第一引物的5’端，
所述第二引物包含第二特异性序列和第二随机序列，所述第二特异性序列位于所述第二引物的3’端，所述第二随机序列位于所述第二引物的5’端，
并且，
所述第一特异性序列和所述第二特异性序列分别为针对靶序列的上游引物和下游引物，所述第一随机序列和所述第二随机序列反向互补；
所述第一特异性序列和所述第二特异性序列的TM值为55-65摄氏度，所述第一引物和所述第二引物的TM值为65-75摄氏度；
所述方法包括如下的两轮扩增：
于55-65摄氏度的退火温度下，使所述PCR引物对和模板进行第一轮线性扩增；以及
于65-72摄氏度的退火温度下，对第一轮线性扩增的产物进行第二轮环状扩增；
所述第一轮线性扩增和所述第二轮环状扩增的退火温度不同，使得完成两轮扩增。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一随机序列和所述第二随机序列的长度为15-45bp，所述第一特异性序列和所述第二特异性序列的长度为15-30bp。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一引物和所述第二引物的5’末端和3’末端的第1-5个碱基经过硫代修饰。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述硫代修饰为选自硫代磷酸型修饰、甲基硫酸型修饰和肽核酸修饰的任意一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一引物和所述第二引物的至少之一的5’端经过磷酸化修饰。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法的扩增反应程序如下：
。
7.一种制备环状DNA文库的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据权利要求1-6任一项所述的方法，将待测DNA样品进行PCR扩增，以便获得包含类环状物的扩增产物，其中，所述类环状物的5’端和3’端未连接，所述第一引物和所述第二引物的至少之一的5’端经过磷酸化修饰，且所述第一引物和所述第二引物的5’末端和3’末端的第1-5个碱基经过硫代修饰；以及
（2）利用连接酶将所述扩增产物进行连接反应，以便使所述类环状物的5’端和3’端连接，形成环状DNA，所有环状DNA构成所述环状DNA文库，
其中，当所述第一引物和所述第二引物的其中之一的5’端经过磷酸化修饰时，所述环状DNA文库为单链环状DNA文库，当所述第一引物和所述第二引物的5’端均经过磷酸化修饰时，所述环状DNA文库为双链环状DNA文库。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
（3）去除线性DNA。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用线性消化反应去除线性DNA。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述待测DNA样品两端添加有通用序列。
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