Введение

Полимеразная цепная реакция с перекрывающимся расширением (или ОЭ ПЦР) является вариантом ПЦР. Она также известна как сборка по перекрывающимся концам / сшивание по перекрывающимся концам (SOE) ПЦР. Она используется для сборки нескольких небольших двухцепочечных фрагментов ДНК в более крупную последовательность ДНК. ОЭ ПЦР широко применяется для введения мутаций в определенные участки последовательности или для сборки заданной последовательности ДНК из небольших фрагментов в более крупный полинуклеотид.

Сплицирование молекул ДНК

Как и в большинстве реакций ПЦР, для каждой последовательности используются два праймера – по одному для каждого конца. Для соединения двух молекул ДНК используются специальные праймеры на концах, которые необходимо соединить. Для каждой молекулы праймер на конце, предназначенном для соединения, конструируется таким образом, чтобы он имел 5'-выступ, комплементарный концу другой молекулы. После отжига, когда происходит репликация, ДНК удлиняется новой последовательностью, комплементарной молекуле, к которой она должна быть присоединена. После того как обе молекулы ДНК удлинены таким образом, их смешивают и проводят ПЦР, используя только праймеры для внешних концов. Введённые перекрывающиеся комплементарные последовательности будут служить праймерами, и две последовательности будут объединены. Этот метод имеет преимущество перед другими методами соединения генов, поскольку не требует наличия сайтов рестрикции. Для получения более высоких выходов некоторые праймеры используются в избытке, как в асимметричной ПЦР.

Введение мутаций

Для введения мутации в последовательность ДНК разрабатывается специфический праймер. Праймер может содержать единичную замену или новую последовательность на 5'-конце. Если требуется делеция, добавляется последовательность, расположенная 5' к делеции, поскольку 3'-конец праймера должен обладать комплементарностью к матричной нити, чтобы обеспечить достаточное отжигание праймера к ДНК-матрице. После отжига праймера к матрице происходит репликация ДНК до конца матрицы. Дуплекс денатурируется, и второй праймер отжигается к новообразованной нити ДНК, содержащей последовательность от первого праймера. Репликация продолжается, образуя нить с требуемой последовательностью, содержащую мутацию. Дуплекс денатурируется повторно, и первый праймер теперь может связываться с последней нитью ДНК. Реакция репликации продолжается, образуя полностью димеризованный фрагмент ДНК. После дополнительных циклов ПЦР для амплификации ДНК образец можно разделить электрофорезом в агарозном геле, после чего провести электроэлюцию для сбора. Эффективное получение олигонуклеотидов длиной более ~110 нуклеотидов является сложной задачей, поэтому для введения мутации дальше, чем позволяет праймер длиной 110 н., необходимо использовать ПЦР с перекрывающимся расширением (overlap extension PCR). В ПЦР с перекрывающимся расширением последовательность, подлежащая модификации, используется для создания двух модифицированных нитей с мутацией на противоположных концах, используя описанную выше методику. После смешивания и денатурации нитям дают возможность отжечься, образуя три различные комбинации, как показано на схеме. Только дуплекс без перекрытия на 5'-конце позволит расширению ДНК-полимеразой в направлении 3'–5'. После расширения реакции ПЦР с перекрывающимся расширением смесь ПЦР или элюированные фрагменты соответствующего размера подвергаются обычной ПЦР с использованием самых внешних праймеров, использованных в начальных мутагенных реакциях ПЦР. Кроме того, комбинация ПЦР с перекрывающимся расширением и асимметричной ПЦР может быть использована для повышения эффективности сайт-направленного мутагенеза.

Применение в молекулярном клонировании

Помимо введения мутаций, ПЦР с перекрывающейся экстензией широко используется для сборки сложных последовательностей ДНК без внесения нежелательных нуклеотидов в какие-либо позиции. Это возможно, поскольку ОЭ ПЦР основана на использовании комплементарных перекрытий для направленной бесшовной лигирования (сплайсинга) сконструированных фрагментов ДНК в заданном порядке. Это основное преимущество ОЭ ПЦР и других методов клонирования на основе длинных участков гомологии, таких как сборка Гибсона, которые преодолевают ограничения традиционных методов клонирования с использованием рестрикции и лигазы. Сборка сконструированных последовательностей ДНК с помощью ОЭ ПЦР состоит из трех основных этапов. Во-первых, отдельные последовательности ДНК амплифицируются ПЦР из различных матриц и снабжаются необходимыми комплементарными перекрытиями. Во-вторых, полученные продукты ПЦР объединяются в реакцию ПЦР с перекрывающейся экстензией, где комплементарные перекрытия связываются попарно, позволяя полимеразе удлинять цепь ДНК. В заключение, используются внешние праймеры, комплементарные внешним перекрытиям, и желаемый продукт ДНК амплифицируется в финальной ПЦР.

Технические соображения

Общий успех сборки ДНК на основе ОЭ ПЦР зависит от нескольких факторов, среди которых наиболее важными являются присущие особенности собираемой последовательности ДНК, последовательность и длина перекрывающихся концов, конструкция внешних праймеров для финальной амплификации и условия ПЦР-реакции. Обычно от 2 до 6 фрагментов можно одновременно соединить в одной реакции ОЭ ПЦР. Длина перекрывающихся концов должна быть не менее 40 нуклеотидов для обеспечения достаточного взаимодействия между фрагментами. Праймеры для финальной амплификации обычно разрабатываются в соответствии с общими рекомендациями для ПЦР, однако их концентрация используется в 2-5 раз ниже, чем в стандартных ПЦР-реакциях, поскольку это позволяет снизить нежелательные амплификации. Кроме того, настоятельно рекомендуется использовать ДНК-полимеразы с функцией коррекции ошибок.