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18种PCR抑制剂来源及作用机制

18种PCR抑制剂来源及作用机制 捷倍斯生物
2025-04-25
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导读:PCR(聚合酶链式反应)是一种广泛应用于分子生物学的技术,用于扩增特定DNA片段。然而,PCR的成功与否常常受到多种抑制物的影响。
PCR(聚合酶链式反应)是一种广泛应用于分子生物学的技术,用于扩增特定DNA片段。然而,PCR的成功与否常常受到多种抑制物的影响。这些抑制物可能源于样本的特性或PCR反应体系中的其他成分。以下是一些常见 PCR 抑制剂的来源及作用机制。
一.常见的PCR抑制剂的来源

样本本身:

许多样本在采集过程中,会不可避免地携带抑制剂。例如,植物样本中的多酚类化合物、叶片绿素,动物样本中的血红蛋白、脂肪、尿素,微生物样本中的腐殖酸等

血液:血液中的血红蛋白及其降解产物如血红素,会与 DNA 结合,阻止 Taq DNA 聚合酶与 DNA 模板的结合,同时还可能抑制 Taq 酶的活性。此外,血液中的免疫球蛋白、乳铁蛋白等蛋白质也可能对 PCR 反应产生抑制作用。
组织:组织样本中的胶原蛋白、多糖等成分会与 DNA 缠绕在一起,影响 DNA 的提取和纯化,进而干扰 PCR 反应。例如,多糖会与 DNA 形成复合物,阻止引物与模板的结合,还可能抑制 Taq 酶的活性。
粪便:粪便中含有大量的细菌、食物残渣以及各种代谢产物。其中,胆盐是粪便中常见的 PCR 抑制剂,它可以通过改变 Taq 酶的构象,使其活性中心被遮蔽,从而抑制酶的活性。此外,粪便中的腐殖酸等物质也会与 DNA 结合,影响 PCR 反应。
土壤:土壤中的腐殖酸是一类复杂的有机化合物,它带有多种官能团,能与 DNA 和 Taq 酶发生非特异性结合,形成稳定的复合物,导致 Taq 酶活性降低,同时也阻碍了引物与模板的结合。另外,土壤中的黏土颗粒也可能吸附 DNA,减少可用于 PCR 反应的模板量。

实验操作:

在实验操作过程中,一些试剂和设备也可能成为抑制剂的来源。如未充分洗涤的离心管、枪头,以及提取过程中使用的苯酚、氯仿等。

抗凝剂:常用的抗凝剂如乙二胺四乙酸(EDTA),它能与 Mg²⁺等金属离子螯合,而 Mg²⁺是 Taq DNA 聚合酶发挥活性所必需的辅助因子。EDTA 与 Mg²⁺结合后,使反应体系中游离的 Mg²⁺浓度降低,从而抑制 Taq 酶的活性,影响 PCR 扩增。
有机溶剂:在 DNA 提取过程中,使用的有机溶剂如酚、氯仿等,如果残留于 DNA 样本中,会对 PCR 反应产生抑制作用。酚会使蛋白质变性,同时也可能破坏 Taq 酶的结构,使其失去活性。氯仿则会影响 DNA 的溶解性,使 DNA 沉淀不完全,进而影响 PCR 反应的模板量。
核酸提取试剂盒中的杂质:一些核酸提取试剂盒中的硅胶膜、结合缓冲液等成分,如果在提取过程中没有完全去除,可能会含有残留的杂质,如盐离子、洗涤剂等。过高的盐离子浓度会影响 DNA 的稳定性和 Taq 酶的活性,洗涤剂则可能破坏 Taq 酶的蛋白质结构,导致酶活性下降。

反应体系:

 PCR反应体系中的试剂,如未充分纯化的dNTPS、酶制剂等,也可能含有抑制剂。

二.PCR抑制剂的作用机制

影响与DNA模板的结合:

抑制剂可以与DNA模板结合,阻止DNA聚合酶与模板的结合和延伸,从而降低扩增效率。如腐殖酸化合物中包含许多羧基和羟基,具有与 DNA 磷酸骨架中磷酸基团相似的物理化学性质,进而会影响模板DNA与引物的结合,阻碍DNA链的延伸,此外,在反应终产物的纯化过程中,因腐殖酸与DNA具有相似结构,影响了腐殖酸抑制物与模板DNA的分离从而抑制了PCR的效率。

影响与DNA聚合酶的结合:

DNA聚合酶作为PCR实验的核心试剂原料,其活性大小直接关系到PCR反应的效率。有研究显示,血红素、黑色素、蛋白酶、金属离子等可抑制DNA聚合酶的活性,使聚合酶降解、变性或活性区域失活,从而影响聚合酶与引抑制剂物、模板结合;而腐殖酸可与DNA聚合酶产生非竞争性抑制作用,从而降低DNA聚合酶的最大反应速度

反应体系中二聚体的形成及离子强度的改变:

引物二聚体是引物的3端间相互错配扩增形成,可对引物产生影响;Mg2+是DNA聚合酶的激活剂,Mg2+浓度过高时,会降低扩增的特异性,抑制DNA聚合酶:但当Mg2+浓度过低时,则影响扩增产量,甚至使扩增失败。

氧化作用:

部分抑制剂具有氧化作用,导致DNA降解,影响扩增效果。

三.常见的PCR抑制剂

SDS(十二烷基硫酸钠):阴离子去污剂,可以破坏酶蛋白质的非共价键(氢键和疏水键),并结合到蛋白质的疏水部位,从而使酶蛋白质变性,并丧失天然构象和功能。0.01%即可完全抑制PCR反应,0.005%可显著降低产量。

 苯酚:有机溶剂,能使酶蛋白变性。0.5%即可完全抑制PCR反应,0.2%可显著降低产量。

乙醇:有机溶剂,大于1%的浓度可抑制PCR反应。

异丙醇:有机溶剂,对PCR反应的抑制作用比乙醇稍强。

乙酸钠(NaAc):大于5mM时抑制PCR反应。引起反应体系PH降低,与DNA形成钠盐复合物而聚合沉淀。

氯化钠:大于25mM时抑制PCR反应。

EDTA:金属离子螯合剂,能够螯合体系中的Mg2+,抑制聚合酶活性。0.5mM可使PCR产物减少,1mM完全没有PCR产物

血红素:血红素属于高等动物的红色素,是血红蛋白的辅基,存在于高等动物的血液、肝脏与肌肉的色蛋白中。大于1mg/ml抑制PCR反应。有机溶剂法提取DNA的不好除去,易残留。

氯高铁血红素:血红素的中心离子二价铁离子在氧化剂存在并加热的情况下可被氧化成三价铁离子,变成褐色的高铁血红素 。大于0.1ng/μl抑制PCR反应。

丹宁酸:鞣酸,又名单宁酸,是一种存在于植物中的天然酚类有机化合物,为黄色或棕黄色粉末,其水溶液与铁盐溶液相遇变蓝黑色。大于0.1ng/μl抑制PCR反应。

肝素:大于0.15 IU/ml抑制PCR反应。肝素是由硫酸D-葡萄糖胺和D-葡萄糖醛酸组成的黏多糖,肝素对MLV反转录酶和Taq DNA聚合酶均有很强的抑制作用,在核酸纯化的过程中,标本中的肝素可结合于DNA和RNA上,且后续处理步骤不能去除肝素的这种干扰作用。

尿素:来源于尿液,一种由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物,大于20mM时对PCR产生抑制。

腐殖质:来源土壤,植物材料,自然界水。其可能是通过对Mg2+的螯合作用而抑制聚合酶活性。腐殖质的主要组成元素为碳、氢、氧、氮、硫、磷等。腐殖质并非单一的化合物,而是在组成、结构及性质上既有共性又有差别的一系列有机化合物的混合物,其中以胡敏酸与富里酸为主。

胆酸盐:存在于粪便。胆酸盐也被称为胆汁酸盐,是胆汁中由胆固醇衍生而来的具有甾核结构的一类两性大分子。

胆红素:胆红素是胆色素的一种,是人胆汁中的主要色素。胆红素是体内铁卟啉化合物的主要代谢产物,有毒性,胆红素可抑制Taq酶活性。

血红蛋白:血红蛋白及其代谢产物可能与Taq酶相互作用,抑制Taq酶活性,使PCR扩增效率明显降低。这种抑制抑制作用可能与释放铁离子有关。

高血脂:高血脂会抑制Taq酶的活性,从而使扩增效率降低。高血脂对Real-Time PCR的干扰机制主要是血液中的低密度脂肪对荧光的屏蔽或吸收作用。高血脂会导致荧光猝灭,使得荧光信号强度降低。有研究表明,采用低温高速离心法可以有效去除脂血因素的干扰。

IgG:IgG对PCR反应抑制机制是与单链DNA相互作用,使得靶DNA不能与DNA聚合酶结合,而且当样本加热循环时,这种抑制作用会增强。


PCR抑制剂是影响PCR实验成功的“隐形杀手”,了解其产生来源、作用机制及去除方法,对于我们开展PCR实验具有重要意义。通过采取一系列措施,如优化样本处理、选用高质量试剂、规范实验操作等,我们有望将抑制剂的影响降至最低,为实验的顺利进行保驾护航。 


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