복잡한 전체 genome 중에 연구하고자 하는 유전자가 희귀유전자를 분석하고 연구하는데 가장 큰 문제점이였다. PCR은 특정 DNA sequence의 copy 수를 기하급수적으로 증폭시킴으로써 증폭된 DNA를 여러 가지 실험에 이용할 수 있고, 실험 결과를 토대로 분자생물학, 의학, 이학, 농학, 수의학, 식품과학, 환경과학 연구에 응용할 수 있음
RT-PCR((Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction)이란 P.Seeburg(1986)에 의해 RNA를 찾고 분석하는데 도입된 방법으로 mRNA(messenger RNA)로부터 reverse transcription 과정을 통해 얻어진 cDNA(complementary DNA)를 PCR로 증폭하는 방법이다. 이러한 방법은 RNA 검사의 sensitivity를 높이고 소량의 RNA로부터 염기서열을 분석할 수 있게 하였다. 이 방법은 Northern blot hybridization과 같은 방법을 통해 가능하던 RNA 분석보다 실험방법이 더욱 간단할 뿐 아니라 유전자의 염기서열 결정이 가능하기 때문에 주로 mRNA의 염기서열 및 전사량을 연구할 때 크게 도움을 준다. 염기서열이 알려진 유전자의 경우 RT-PCR을 통해서 전체 길이의 cDNA를 간단하게 합성하여 cloning 할 수 있다.
RT-PCR의 세가지 과정:
RNA 분리 과정(이 과정은 Northern Blot을 하기 전에 시행해야 하는 동일한 과정이다)
cDNA 합성 과정(reverse transcription)
PCR amplification (이 과정은 Genomic DNA로부터 특정 유전자 부위를 증폭시키는 과정과 같다)으로 진행된다.
mRNA로부터 reverse transcriptase를 이용하여 cDNA를 제조하는 방법에는 어떤 oligonucleotide를 primer로 사용하는가에 따라 세가지 방법
Antisense primer(3’쪽 유전자에 특이성을 지닌 primer)를 이용하여 특정부위 cDNA 제조
Random hexamer를 이용하여 전체 mRNA에 상보적인 cDNA 제조
Oligo dT primer를 이용하여 전체 mRNA에 상보적인 cDNA 제조가 있다.
cDNA를 cloning하기 위해서는 cDNA library를 screening하는 방법이 현재 가장 일반적이라 할 수있지만, 이 방법으로 처음 screening을 하여 찾아낸 clone은 대개 전체 cDNA의 일부이며 계속 반복하여 screening을 하여야만 완전한 cDNA를 얻어낼 수 있다. 그러나 이런 과정은 대단히 시간과 노력이 소모되는 작업이며 유전자 자체가 cDNA library에 적은 양으로 존재하는 경우는 더더욱 힘든 일이 될 것이다. 또한 initiation codon부터 termination codon까지 open reading frame(ORF)을 완전히 결정한 경우에도 cDNA의 5’과 3′-끝의 non-coding region 일부는 library screening에서 얻기가 어렵다. 이러한 문제를 해결하고자, 1988년 Frohmann 등은 다음과 같은 방법을 소개하고, 이를 RACE(rapid amplification of cDNA ends)라 이름하였다. 즉, cDNA의 일부 염기서열을 알고 있으면, 이 부분에서 gene specific primer를 합성하고 PCR reaction을 통해 5′ 혹은 3′-end 까지의 DNA를 증폭하는 것이다. 3′-RACE에서는 mRNA의 3′-end에 존재하는 poly(A) tail을 이용할 수 있으므로, down stream primer로 oligo-(dT) primer를 쓴다. 그러나, 5′-RACE의 경우는 gene specific primer로 합성한 1st single strand cDNA의 끝에 TdT(terminal deoxynucleotidyl transferase)를 사용하여 poly(A) 혹은 poly(C) tail을 인위적으로 만들어 주어야만 한다.
PCR은 원하는 DNA를 대량으로 증폭시키는 방법이고, in situ hybidization (ISH)은 세포나 조직에 존재하는 극미량의 DNA 및 RNA를 찾아낼 수 있음은 물론 원하는 유전자들의 위치까지 확인할 수 있는 방법이다. ISPCR은 이 두 가지 방법의 장점을 혼합하여 응용한 방법으로서 PCR의 sensitivity와 ISH의 specificity를 고루 갖추고 있다. ISPCR의 실험원리는 일반적인 PCR 방법과 같으나, slide glass 등의 사용에 적합한 ISPCR용 기구가 필요하며 사용하는 기구에 따라 반응시키는 방법들이 다양하게 제시되어 있다.
ISPCR은 세포내의 target sequence를 증폭시키는 것으로부터 반응이 시작되며 세포막을 통해 여러 물질(예: PCR 용액에 들어 있는 salt 등)들이 쉽게 이동할 수 있도록 세포막을 HCl, proteinase K 또는 Triton X-100 등으로 처리해 주는 과정을 거쳐야 한다. 이 과정에 이상이 생기면 세포가 손상되거나 파괴되는 수가 있으므로 PCR이 끝난 후에 세포 안에서 증폭된 PCR 산물이 세포 밖으로 빠져나오는 원인이 되기도 한다. 그러므로 적당한 세제의 적절한 선택과 사용이 무엇보다 중요하며 PCR 산물이 세포 밖으로 유출되는 것을 막기 위해서는 single primer pair with complementary tail, biotinylated dNTPs, multiple overlapping primer pair 등을 이용한 방법이 소개되어 있다.현재까지 ISPCR 방법의 효율은 그다지 높지 못한 것으로 알려져 있으며 specificity를 증가시키기 위해서는 DNA probe를 이용한 in situ hybridization을 시행하거나 Southern blot hybridization을 시행하는 것이 좋은 방법이 된다. 효율이 별로 높지 못한 방법임에도 불구하고 ISPCR에 대한 관심이 최근 크게 증가하고 있는 것은 여러 가지 질병들의 조기 발견에 큰 도움을 받을 수 있을 것으로 기대되기 때문이며, 지금도 여러 회사에서 ISPCR에 유용한 기구들을 제작, 판매하고 있으나 더 좋은 기구의 개발이 이루어져 효율을 더욱 높일 수 있다면 ISPCR이 더욱 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
일반적으로 고등동물에서는 약 100,000가지 정도의 서로 다른 유전자가 발현되고 있으며 각각의 세포 한 개에서는 이중 약 15%만이 발현되고 있다. 발생, 분화, homeostasis, 세포주기 조절, 노화, 발암과정 및 세포의 퇴화 등의 과정에서 표현되어 나타나는 유전자들은 전체 유전자들 중에서 일부가 선택되어 나타나는 것이라고 할 수가 있다. 특정 세포에서 발현되는 특정 유전자들을 찾아내기 위하여 주로 사용되는 방법은 subtractive hybridization 또는 differential hybridization 방법이었으나 최근 PCR을 이용하여 유전자를 찾아내는 방법(DDRT-PCR)이 개발되었다.
DDRT-PCR이란 서로 다른 세포로부터 RNA를 분리한 후 특정하게 발현되는 mRNA를 찾아내기 위하여 T 염기 10개와 비특정염기 2개가 연결된 oligonucleotide를 primer로 이용하여 cDNA를 합성한 후 이 primer와 비특정 염기서열을 지닌 oligonucleotide를 primer로 이용하여 PCR 하였을 때 나타나는 여러가지 PCR 산물을 비교함으로써 서로 다른 세포로부터 증폭된 PCR 산물에 차이가 있는지 없는지를 확인하는 방법이다. 서로 다르게 증폭된 PCR 산물을 선택하여 이와 같이 증폭된 DNA가 특정 세포에서 특징적으로 발현되는 유전자인지를 보는 것으로 subtractive hybridization보다 방법이 훨씬 간단한 것이 장점이지만, 실험의 sensitivity와 specificity가 낮은 것이 단점이다. 최근 이 방법에 대한 연구가 많이 진행되면서 새로운 더 좋은 방법들이 계속 발표되고 있으므로 최신 논문을 참고로 적절한 조건을 찾아내어 실험을 시행하면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
특징:
– 서로 다르게 증폭된 PCR 산물을 선택하여 이와 같이 증폭된 DNA가 특정 세포에서 특징적으로 발현되는 유전자인지를 보는 것으로 subtractive hybridization보다 방법이 훨씬 간단한 것이 장점
– 실험의 sensitivity와 specificity가 낮은 것이 단점
Taq1 polymerase는 37℃에서도 그 활성이 좋기 때문에 간혹 가다가 첫 번째 denaturation 과정이 완전히 진행되기도 전에 primer가 DNA molecule에 붙어서 extension이 일어나는 경우가 있다. 이렇게 낮은 온도에서 annealing이 일어날 경우 primer가 mismatch할 확률이 높고, 따라서 결과적으로 정확도가 떨어지는 band를 얻게 된다. 이것을 막는 방법이 Hot-start PCR를 이용하는 것이다. Hot start PCR에서는 primer가 정확하게 원하는 DNA site에만 붙을 수 있도록 충분한 온도가 된 후에 PCR이 일어나도록 필요한 물질(ex. polymerase, MgCl2, dNTP)을 넣어준다. (물론 그 전에는 안 넣어준다는 말이다.) 이렇게 하면 위에서 말한 것과 같은 mismatch를 피할 수 있어, 상대적으로 clear한 band를 얻을 수 있다.
RAPD (random amplified polymorphic DNA) PCR은 일반적으로 두 생명체가 계통 유전학적으로 얼마나 유사성이 있는가를 판별할 때 사용한다. PCR할 때 primer가 짧을 경우 genome 상에 여러 군데 달라 붙어서 여러 fragment를 만든다. 이렇게 해서 생겨난 여러 fragment를 전기영동을 사용해서 확인하면 생명체마다 각각 독특한 band를 형성하는데 이것을 가지고 생명체간의 유사성을 판별할 수 있다. 만약 두 생명체가 비슷한 종일 경우에는 band의 모양이 비슷할 것이며, 그렇지 않을 경우에는 서로 많은 차이를 나타낼 것이다. 이 RAPD PCR은 방법이 비교적 간단하고 쉬워 genome sequencing을 하기 전에 대략적인 종간의 관계를 나타내기 위해서 많이 사용된다.
방법은 PCR할 때 Tm(melting temperature)을 알기 위해서 하는 PCR 방법이다. PCR 과정에서 매 2 cycle 마다 annealing temperature을 1℃씩 낮춘다. 일반적으로 annealing이 Tm에서 1℃만큼 차이가 난 온도에서 일어날 때 한 cycle에 product의 양이 두배 정도 차이가 난다. Touchdown PCR에서는 2 cycle 마다 온도를 낮췄으므로 1℃에 product의 양이 4배가 차이나는 셈이다. 이것을 이용해서 Tm을 알 수 있다. (즉 온도가 1도 내려갔을 때 product의 양이 4배 증가한 과정에서의 temperature가 Tm이 된다.)
특징적으로 Gene-specific product 를 많이 생성하므로, non-specific amplification을 줄일 수 있는 PCR 방법
일반적으로 PCR로는 많아야 3kb, 좀 더 이상적일려면 1kb 미만의 크기의 DNA를 증폭할 수 있으나 이 방법을 사용하면 5-40kb의 DNA도 증폭할 수 있다. 이 long accurate PCR에서는 polymerase를 두 개 사용하는데, 그중 하나가 minor-proofreading을 할 수 있어서, 긴 DNA를 증폭할 때 error rate를 감소시켜 준다.
Single strand를 얻을 목적으로 이용하는 PCR방법이다. Primer를 두 개 사용하는데 두 primer를 농도가 100:1로 섞어 사용한다. PCR의 초기에 한쪽의 primer는 소비되어 버리고 과잉의 primer에서 single strand DNA가 생성된다
한번 PCR로 증폭한 DNA 단편을 한번 더 내부의 primer를 사용하여 증폭하는 방법이다. 이는 비 특이적 반응을 감소 시키며, PCR을 2회 실시하므로 감도가 상승하는 효과를 얻을 수 있다.
Inverse PCR은 기존에 서열을 알고 있는 DNA의 양 옆에 서열을 알지 못하는 region이 있고, 이것을 알고자 할 때 많이 이용된다.
하나의 목적 유전자를 증폭하는 반응조건을 최적화하기 위하여 여러 번의 실험을 수행해야 하는 번거로움이 있었음. 각 단계의 온도 조건에서 시료 block의 첫 lane과 마지막 lane 사이에 최대 20 ℃의 온도 폭 설정이 가능한 gradient 기능을 이용하여 한번의 실험으로 반응조건을 최적화하는 PCR 방법
효과:
Thermal Cycler와 분광 형광 광도계가 일체화된 장치를 이용하여 PCR 증폭 산물의 생성 과정을 real time으로 모니터링하여 해석하는 방법. 지금까지 단순히 DNA 증폭을 목적으로 하는 PCR에 비해 증폭량을 real time으로 모니터 하면서 PCR 하는 방법입니다. Real time PCR은 지금까지의 PCR에 비해 (1)전기영동이 필요없고, (2)반응 사이클 도중에 증폭산물을 확인할 수 있으며, (3)정량적인 결과를 얻을 수 있는 이점을 가지고 있습니다.
특징:
신속성: 전기영동이 필요 없음
정량성: 증폭이 지수함수적으로 일어나는 영역에서 증폭산물량을 비교할 수 있음(보다 정확한 정량이 가능)
역전사효소를 이용하여 total RNA나 mRNA에서 cDNA를 합성한 후, PCR로 목적 cDNA를 증폭하는 RT(Reverse Transcription)-PCR 방법은, 미량의 RNA 시료에서도 분석이 가능하여 RNA 실험에서 중요하게 대두되고 있음