Q1. Primer 디자인 시 가장 고려해야 할 요소는 무엇인가요?
Primer 디자인은 PCR 반응의 성패를 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나입니다.
반응 특이성과 증폭효율, 두 가지 포인트에 따라 고려해 볼 수 있습니다.
- 반응 특이성 (specificity) : mispriming 현상의 발생정도에 따라 결정되며 반응 특이성이 낮은 primer는 원치 않는 증폭산물을 발생시키는 경향이 있습니다.
- 증폭 효율 (efficiency) : Primer가 이론상 최적값인 cycle 당 2배로 타겟을 잘 증폭하는지 그 능력에 따라 결정됩니다.
[참조 - Primer 디자인을 위한 가이드라인]
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가이드라인
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길이
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약 24~25 mer가 적당하며, melting 온도 (Tm) 조정이 필요한 경우 21~28 mer 사이로 조절한다.
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GC content
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GC content (전체 primer 염기 수 중 G와 C 염기의 비중) 는 40~60% 로 한다.
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3’ end
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Primer의 길이가 짧을 경우, 3’ 말단은 4개의 G 또는 C 염기로 구성한다 (염기가 ‘clamping’ 효과를 제공함).
특히, cDNA나 gDNA를 증폭하는 universal primer의 경우, 이러한 염기 배치가 유용할 수 있다.
단, gene-specific primer는 이러한 염기의 추가로 비특이적인 priming 현상이 증가할 수 있다.
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Tm
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가능하다면 디자인된 primer의 melting 온도는 68~70℃로 맞춘다. 그렇지 않은 경우, ‘touchdown PCR’, ‘2 step-PCR’ 등을 통해 primer의 반응 특이성을 증가시킬 수 있다.
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서열 특이성
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Primer는 반드시 타겟 유전자에 특이적이어야 하며, 디자인전에BLAST 등을 통해 유사서열이 있는지 확인한다.
PCR 증폭 수율은 PCR primer의 3’ hexamer에 의존적인 경우가 있고, primer 간에 강력하게 결합한다면 증폭효율이 낮아진다.
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피해야 하는 조건
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반복서열
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Primer 서열 내에서 두 개 염기가 반복되는 패턴은 최대 4개까지만 가능 (e.g. ATATATAT)
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반응 (runs)
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하나의 염기 (3개 이상) 를 길게 배열하지 말 것.
Primer slippage로 mispriming 을 유발할 수 있다.
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3’ 말단의 상보성
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Forward primer와 reverse primer는 서로 결합하지 않아야 하고, 따라서 상보적인 G, C 구간이 (연속 4개 이상) 없어야 한다.
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3’ 말단의 자기 상보성
(self-complementary)
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자기 상보성 (self-complementary; e.g. forward primer 서열 내에)은 hairpin 구조를 형성할 수 있다. Stem 부분에 네 개의 G/C 염기와 loop 구조 내의 3개 염기만으로도 hairpin 구조가 형성될 수 있다.
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Q2. Primer의 melting temperature (Tm)은 어떻게 결정하나요?
Primer의 melting temperature (Tm)값으로 DNA-DNA hybrid의 안정성을 체크할 수 있습니다. Primer 디자인은 PCR 반응의 성패를 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나로, 대략적인 annealing 온도 (Ta)를 결정하는데 중요한 역할을 합니다.
Annealing 온도가 너무 낮으면 비특이적인 증폭산물이 형성될 수 있습니다.
Primer가 20 bp보다 짧은 경우, Wallace 법에 따라 Tm값을 계산합니다.
Tm = 2℃ (A+T) + 4℃ (G+C)
20 bp 보다 긴 primer의 Tm값은 Primer3 등과 같은 무료 소프트웨어를 사용해 확인하는 것을 권장합니다.
Q3. PCR을 위한 primer의 사용 농도는 어떻게 되나요?
각 primer의 최종 농도는 0.1~0.5 μM이 되어야 하며, 일반적으로 primer의 stock solution 농도는 10~20 μM입니다.
- 10 kb 이하의 PCR 산물을 증폭하기 위해서는 2 μM의 primer 사용을 권장합니다.
- ~17 kb 정도의 긴 타겟을 증폭하는 경우, primer 농도를 1 μM 까지 높일 수 있습니다.
- 증폭수율이 높은 (high-yield) PCR 효소를 사용할 경우, 0.4 μM의 primer 사용을 권장합니다.
Primer를 과량 사용하면 mispriming 가능성이 높아져 비특이적인 증폭산물이 발생할 수 있고, primer 농도가 너무 낮으면 증폭효율이 감소할 수 있습니다.
Q4. PCR을 위한 primer는 어떤 정제방법을 적용해야 하나요?
일반적인 방법으로 desalting 한 primer 라면 대부분의 PCR 실험에 적합하게 사용할 수 있습니다.
Q5. Inosine이 포함된 primer를 이용하는 경우의 주의해야 할 점은 무엇인가요?
Inosine이 포함된 primer는
TaKaRa Taq™ 또는
TaKaRa Taq™ Hot Start Version 와 사용할 수 있습니다.
Inosine이 포함된 primer는 3’ -> 5’ exonuclease 활성이 있는 PCR 효소와 함께 사용할 수 없습니다.
Takara Taq 계열의 PCR 효소와 함께 degenerate PCR을 진행한다면, inosine이 포함된 primer 대신 해당 위치에 A, T, G, C 가 포함된 degenerate primer mixture를 함께 사용하는 것을 권장합니다.