PCR 및 핵산 증폭

중합효소 연쇄 반응(PCR)은 선택된 DNA 단편을 기하급수적으로 복제하는 주기적이고 프라이머 지향적인 방법이며, 이를 기반으로 하는 더 넓은 범위의 증폭 기술군입니다.

Definition

중합효소 연쇄 반응은 가닥 분리, 인접 프라이머의 결합, 열 안정성 DNA 중합효소에 의한 신장(extension)의 반복적인 주기를 통해 정의된 DNA 영역을 기하급수적으로 증폭시키는 시험관 내(in vitro) 방법입니다. 핵산 증폭은 더 넓게는 DNA 또는 RNA 서열을 복제하기 위한 관련 기술들을 포괄합니다.

Scope

이 주제는 핵산 증폭의 원리와 변형을 다룹니다. 즉, 중합효소 연쇄 반응을 정의하는 변성, 프라이머 결합, 신장(extension)의 열 순환; 프라이머와 열 안정성 중합효소의 역할; 그리고 역전사 및 정량 실시간 증폭과 같은 확장 기술을 포함합니다. 이 방법과 그 논리를 다루며, 증폭된 DNA를 사용하는 시퀀싱 및 클로닝은 관련 주제에서 다룹니다.

Core questions

• 가열 및 냉각의 반복적인 주기가 특정 DNA 영역을 어떻게 증폭시키는가?
• 두 개의 프라이머와 열 안정성 중합효소가 왜 필수적인가?
• 증폭은 어떻게 기하급수적으로 이루어지는가?
• 핵산을 정량화하거나 RNA를 증폭하기 위해 이 방법이 어떻게 확장되는가?

Key theories

프라이머에 의해 정의되는 기하급수적 증폭

표적에 인접한 한 쌍의 프라이머가 증폭될 영역을 정의하며, 각 새로운 가닥이 다음 주기에서 주형 역할을 하므로, 표적 복제본의 수는 주기당 대략 두 배로 증가하여 기하급수적으로 늘어납니다.

열 안정성 중합효소가 순환을 가능하게 함

열에 안정한 DNA 중합효소를 사용하면 효소를 다시 추가할 필요 없이 고온 변성을 반복할 수 있어 자동화된 열 순환이 실용적이고 반응이 견고해집니다.

Mechanisms

각 주기에서 시료를 가열하여 DNA 가닥을 분리하고, 냉각하여 두 개의 프라이머가 반대 가닥의 표적에 인접한 서열에 결합하도록 하며, 신장(extension) 온도까지 가열하여 열 안정성 중합효소가 프라이머로부터 새로운 가닥을 합성하도록 합니다. 한 주기의 산물이 다음 주기의 주형이 되기 때문에, 표적 영역은 여러 주기에 걸쳐 기하급수적으로 증폭됩니다. 변형에는 RNA를 먼저 DNA로 복제하는 역전사 증폭과 산물 축적을 모니터링하여 시작량을 측정하는 실시간 정량 증폭이 포함됩니다.

Clinical relevance

증폭은 유전자 검사, 병원체 탐지 및 법의학적 식별에 핵심적입니다. 이는 임상적 지침보다는 중요성으로 제시됩니다.

History

멀리스(Mullis)는 1980년대 초에 중합효소 연쇄 반응을 고안했으며, 1985년 사이키(Saiki)와 동료들의 보고서에서 그 사용이 입증되었고, 이후 열 안정성 중합효소의 채택으로 일상적인 기술이 되었습니다. 이 발명은 1993년 노벨 화학상으로 인정받았습니다.

Key figures

• Kary Mullis
• Randall Saiki
• Henry Erlich

Seminal works

• saiki1985
• lodish2016

Frequently asked questions

PCR에 프라이머가 필요한 이유는 무엇인가요?

프라이머는 각 가닥에서 합성의 시작점을 정의하므로, 복사될 영역을 결정하고 중합효소가 신장(extension)을 시작할 수 있도록 합니다.

무엇이 증폭을 기하급수적으로 만드나요?

각 주기의 새로운 가닥은 다음 주기에서 주형이 되므로, 표적 복제본의 수는 매 주기마다 대략 두 배로 증가합니다.