Кіріспе
ДНК синтезі үшін бастапқы нүкте ретінде қызмет ететін РНК немесе ДНҚ-ның қысқа тізбегі. Праймер – бұл барлық тірі организмдер ДНК синтезін бастау үшін пайдаланатын қысқа, бір тізбекті нуклеин қышқылы. Синтетикалық праймерді олиго деп те атайды, ол олигонуклеотидтің қысқартылған түрі. ДНК полимераза (ДНК көшірмесіне жауапты) ферменттері тек қолданыстағы нуклеин қышқылының 3’ ұшына ғана нуклеотидтерді қоса алады, сондықтан ДНК полимераза қосымша тізбекті бастау үшін үлгіге праймердің байланысуын қажет етеді. ДНК полимераза РНК праймеріне байланысқаннан кейін нуклеотидтерді қосады және бүкіл тізбекті синтездейді. Кейіннен РНК тізбектерін дәл алып тастап, оларды ДНК нуклеотидтерімен алмастыру қажет, бұл «ник» деп аталатын саңылау аймағын құрайды, ол лигаза ферментімен толтырылады. РНК праймерін алып тастау процесіне бірнеше ферменттер қатысады, мысалы, Fen1, Lig1 және басқалары, олар ДНК полимеразамен үйлесімде жұмыс істейді, РНК нуклеотидтерін алып тастауды және ДНК нуклеотидтерін қосуды қамтамасыз етеді. Тірі организмдер тек РНК праймерлерін пайдаланады, ал биохимия және молекулалық биологияның зертханалық әдістеріне, in vitro ДНК синтезі қажет болған жағдайда (мысалы, ДНК тізбегін анықтау және полимераза тізбектік реакциясы) көбінесе ДНК праймерлері қолданылады, себебі олар температураға төзімді. Праймерлерді полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) сияқты нақты реакциялар үшін зертханада жобалауға болады. ПТР праймерлерін жобалау кезінде праймерлердің балқу температурасы және реакцияның өзінің оттестіру температурасы сияқты нақты шараларды ескеру қажет. Сонымен қатар, in vitro жағдайында праймердің ДНК-мен байланысу тізбегі арнайы таңдалуы керек, бұл негізгі жергілікті сәйкестендіруді іздеу құралы (BLAST) арқылы жасалады, ол ДНК-ны сканерлеп, праймердің байланысуы үшін нақты және бірегей аймақтарды анықтайды.
A primer is a short, single stranded nucleic acid used by all living organisms in the initiation of DNA synthesis. A synthetic primer may also be referred to as an oligo, short for oligonucleotide. DNA polymerase (responsible for DNA replication) enzymes are only capable of adding nucleotides to the 3’ end of an existing nucleic acid, requiring a primer be bound to the template before DNA polymerase can begin a complementary strand. DNA polymerase adds nucleotides after binding to the RNA primer and synthesizes the whole strand. Later, the RNA strands must be removed accurately and replace them with DNA nucleotides forming a gap region known as a nick that is filled in using an enzyme called ligase. The removal process of the RNA primer requires several enzymes, such as Fen1, Lig1, and others that work in coordination with DNA polymerase, to ensure the removal of the RNA nucleotides and the addition of DNA nucleotides. Living organisms use solely RNA primers, while laboratory techniques in biochemistry and molecular biology that require in vitro DNA synthesis (such as DNA sequencing and polymerase chain reaction) usually use DNA primers, since they are more temperature stable. Primers can be designed in laboratory for specific reactions such as polymerase chain reaction (PCR). When designing PCR primers, there are specific measures that must be taken into consideration, like the melting temperature of the primers and the annealing temperature of the reaction itself. Moreover, the DNA binding sequence of the primer in vitro has to be specifically chosen, which is done using a method called basic local alignment search tool (BLAST) that scans the DNA and finds specific and unique regions for the primer to bind.
РНК-ның in vivo бастауыштары
РНК праймерлерін тірі организмдер ДНК-ның бір тізбегін синтездеуді бастау үшін пайдаланады. Примаза деп аталатын ферменттер класы алдыңғы және артта қалған тізбектердегі оқу шаблонына де ново РНК праймерін қосады. Праймердің бос 3’ ОН тобынан басталатын, праймердің ұшы деп белгілі, ДНК полимераза жаңа синтезделген тізбекті ұзарта алады. ДНК репликациясының жетекші тізбегі репликация шанышқысымен бірге қозғалатын бір үздіксіз бөлікте синтезделеді, синтезді бастау үшін тек бастапқы РНК праймері қажет. Артта қалған тізбекте шаблондық ДНК 5′→3′ бағытында жүреді. ДНК полимеразасы 3′→5′ бағытында шаблондық тізбекке толықтыратын негіздерді қоса алмайтындықтан, ДНК репликация шанышқысынан алыстаған қысқа фрагменттерде, Оказаки фрагменттері деп аталатын, синтезделеді. Жетекші тізбекке қарағанда, бұл әдіс ДНК синтезін қайталап бастау мен тоқтатуды талап етеді, сондықтан бірнеше РНК праймерлері қажет. ДНК шаблоны бойымен примаза ДНК полимеразасы ДНК-ны 5′→3′ бағытында синтездеу үшін пайдаланатын РНК праймерлерін араластырады. Ник трансляциясы РНК праймерін жою және дезоксирибонуклеотидтерді қосудағы I полимеразаның синхронды әрекетін білдіреді. Кейін, жіптер арасында ник деп аталатын саңылау пайда болады, ол ДНК лигазасы арқылы жабылады. Эукариоттарда артта қалған тізбектегі РНК праймерлерін жою репликацияны аяқтау үшін маңызды. Осылайша, ДНК полимераза δ арқылы 5′→3′ бағытында синтезделген артта қалған тізбекте Оказаки фрагменттері пайда болады, олар ДНК-ның үзіліссіз тізбектері. Содан кейін, ДНК полимеразасы бұрынғы Оказаки фрагментінен РНК праймерінің 5’ ұшына жеткенде, ол праймердің 5’ ұшын бір тізбекті РНК жапсырмасына ығыстырады, ол нуклеаза арқылы алынып тасталады. РНК жапсырмаларын жою үшін үш түрлі әдіс қолданылады. Праймерді жоюдың бірінші мүмкіндігі – 5’ ұшындағы жапсырманы кесетін жапсырма құрылымына тән эндонуклеаза 1 (FEN 1) арқылы қысқа жапсырманы жасау. Бұл әдіс РНК праймерін жоюдың қысқа жапсырма жолы деп аталады. РНК-ны жоюдың екінші жолы – РНҚ-ны РНҚаза арқылы ыдырату, эукариоттарда ол РНҚаза H2 деп аталады. Бұл фермент праймердің 5’ ұшына жақын нуклеотидтерді қоспағанда, ананған РНК-ның көп бөлігін ыдыратады. Осылайша, қалған нуклеотидтер FEN 1 арқылы кесілетін жапсырмаға айналады. РНК праймерін жоюдың соңғы мүмкіндігі – ұзын жапсырма жолы. ePrime және Beacon Designer сияқты коммерциялық бағдарламалық өнімдер де осылай. Теориялық ПТР нәтижелерін компьютерлік модельдеу (электрондық ПТР) балқу және жабысу температурасын беру арқылы праймерді жобалауға көмектесу үшін жүргізілуі мүмкін. 2014 жылдан бастап, көптеген онлайн құралдар праймерді жобалау үшін тегін қол жетімді, олардың кейбіреулері ПТР-ның нақты қолданылуына бағытталған. Көптеген ұқсас ДНК үлгілерінің кіші тобына жоғары ерекшелікпен праймерлерді кейбір бағдарламалық қамтамасыз ету (мысалы, DECIPHER) арқылы жобалауға немесе жануарлардың белгілі бір тобы үшін дербес әзірлеуге болады. Праймерлік байланысу үшін ДНК-ның белгілі бір аймағын таңдау қосымша ескеретін жайттарды қажет етеді. Мононуклеотидтік және динуклеотидтік қайталануы жоғары аймақтардан аулақ болу керек, өйткені бұрандалар пайда болуы мүмкін және қате жабысуға ықпал етеді. Праймерлер қоспадағы басқа праймерлермен оңай жабыспауы керек, өйткені бұл құбылыс түпкілікті ерітіндіні ластайтын «праймер димері» өнімдерін тудыруы мүмкін. Праймерлер өздеріне де қатты жабыспауы керек, өйткені ішкі шаштық пен бұрандалар шаблондық ДНК-мен жабысуға кедергі келтіруі мүмкін. Праймерлерді жобалау кезінде әрбір праймердің артқы ұштарына қосымша нуклеотидтік негіздерді қосуға болады, нәтижесінде күшейткіш аймақтың әр шетінде жекешеленген қақпақ тізбегі пайда болады. Бұл әдістің бір қолданылуы – ТА клондау, ПТР-ге ұқсас арнайы субклондық әдіс, онда тиімділікті арттыру үшін 5’ және 3’ ұштарына AG тізбектерін қосуға болады.
Дегенерациялық праймерлер
Кейбір жағдайларда дегенеративті праймерлерді қолдану қажет болуы мүмкін. Бұл – ұқсас, бірақ толықтай бірдей емес праймерлердің қоспасы. Олар әртүрлі организмдерден бір генді амплификациялау кезінде ыңғайлы болуы мүмкін, себебі тізбектер ұқсас, бірақ толықтай бірдей емес. Бұл техника пайдалы, өйткені генетикалық кодтың өзі дегенеративті, яғни бірнеше түрлі кодон бір аминқышқылына кодтауы мүмкін. Бұл әртүрлі организмдерге өте ұқсас белокты кодтайтын генетикалық тізбектің айтарлықтай ерекшеленуіне мүмкіндік береді. Сондықтан, праймердік дизайн ақуыз тізбегіне негізделген жағдайда дегенеративті праймерлер қолданылады, себебі кодондардың нақты тізбегі белгісіз болады. Мысалы, аминқышқылы изолейцинге сәйкес праймерлік тізбек "ATH" болуы мүмкін, мұнда А – аденин, Т – тимин, ал H – аденин, тимин немесе цитозинды білдіреді, кодонның генетикалық кодына сәйкес және дегенеративті негіздер үшін IUPAC белгілерін пайдалана отырып. Дегенеративті праймерлер мақсатты тізбекпен толыққанды гибридтеспеуі мүмкін, бұл ПТР амплификациясының спецификасын едәуір төмендетуі мүмкін. Дегенеративті праймерлер микробиология саласында кеңінен қолданылады және өте тиімді. Олар бұрын өсірілмеген микроорганизмдердің гендерін амплификациялауға немесе геномдық ақпараты жоқ организмдерден гендерді алуға мүмкіндік береді. Әдетте, дегенеративті праймерлер GenBank-те табылған ген тізбектерін салыстыру арқылы жобаланады. Тізбектер арасындағы айырмашылықтар жеке негіздер үшін IUPAC дегенерацияларын қолдану арқылы ескеріледі. PCR праймерлері кодон тізбегінің барлық мүмкін комбинацияларына сәйкес келетін праймерлердің қоспасы ретінде синтезделеді.