RACE技術的原理和操作

近年來隨著生物技術的不斷發展，出現了許多克隆新基因的方法和手段，如圖譜克隆技術、轉座子標簽技術、mRNA差異顯示技術二基因組減法技術以及cDNA文庫篩選技術等。但上述方法人多具有實驗周期長、技術步驟煩瑣且工作量大等特點。cDNA末端快速擴增技術（rapid amplification of cDNA ends，RACE）是一種基于PCR從低豐度的轉錄本中快速擴增cDNA的5'和3'末端的有效方法，以其簡單、快速、廉價等優勢而受到越來越多的重視.

經典的RACE技術是由Frohman等（1988）發明的一項技術，主要通過RT-PCR技術由已知部分cDNA序列來得到完整的cDNA5'和3'端，包括單邊PCR和錨定PCR。該技術提出以來經過不斷發展和完善，克服了早期技術步驟多、時間長、特異性差的缺點（Frohman等，1995：Schaefer，l995： Chen，1998： Bespalova等，1998： Matz等11999）。對傳統RACE技術的改進主要是引物設計及RT-PCR技術的改進：改進之一是利用鎖定引物（（lock docking primer）合成*鏈cDNA，即在oligo（dT）引物的3' 端引入兩個簡并的核苷酸【5'-Oligo（dT）16-30MN-3'，M=A/G/C；N=A/G/C/T】，使引物定位在poly（A）尾的起始點，從而消除了在合成*條cDNA鏈時oligo（dT）與poly（A）尾的任何部位的結合所帶來的影響；改進之二是在5' 端加尾時，采用poly（C），而不是poly（A）；改進之三是采用RNase H-莫洛尼氏鼠白血。病毒（MMLV）反轉錄酶或選擇嗜熱DNA聚合酶可能在高溫（60℃ -70℃）有效地逆轉錄mRNA，從而消除了5'端由于高CC含量導致的mRNA 二級結構對逆轉錄的影響；改進之四是采用熱啟動PCR （hot start PCR）技術和降落PCR（touch down PCR）提高PCR反應的特異性。

隨著RACE技術日益完善，目前己有商業化RACE技術產品推出，如CLONTECH的Maratho^TM技術和SMART^TMRACE技術。邢桂春等（2001）先后使用上述兩種試劑盒進行RACE反應，結果發現使用Marathon^TM所得到的片斷總是比采用SMART^TM RACE試劑盒到所得到的片斷短。其原因在于Marathon^TM技術反轉錄反應往往不能真正達到mRNA的5' 末端。所以認為，進行RACE反應應當優選SMART^TM RACE試劑盒。以下就國內目前應用zui廣的SMART^TM RACE試劑盒為例，簡要概述RACE技術的原理和操作過程。

SMART^TM 3'-RACE的原理

利用mRNA的3'末端的poly（A）尾巴作為一個引物結合位點，以連有SMART寡核營酸序列通用接頭引物的Oligo（dT）30MN作為鎖定引物反轉錄合成標準*鏈cDNA.然后用一個基因特異引物GSP1（gene specific primer，GSP）作為上游引物，用一個含有部分接頭序列的通用引物UPM（universal primer，UPM）作為下游引物，以cDNA*鏈為模板，進行PCR循環，把目的基因3' 末端的DNA片段擴增出來。（見Figure 1）

Figure 1.

SMART^TM 5'-RACE的原理

先利用mRNA的3'末端的poly（A）尾巴作為一個引物結合位點，以Oligo（dT）30MN作為鎖定引物在反轉錄酶MMLV作用下，反轉錄合成標準*鏈cDNA.利用該反轉錄酶具有的末端轉移酶活性，在反轉錄達到*鏈的5'末端時自動加上3-5個（dC）殘基，退火后（dC）殘基與含有SMART寡核苷酸序列Oliogo（dG）通用接頭引物配對后，轉換為以SMART序列為模板繼續延伸而連上通用接頭（見Figure 2 ）。然后用一個含有部分接頭序列的通用引物UPM（universal primer，UPM）作為上游引物，用一個基因特異引物2（GSP 2 genespecific primer，GSP）作為下游引物，以SMART*鏈cDNA為模板，進行PCR循環，把目的基因5'末端的cDNA片段擴增出來。zui終，從2個有相互重疊序列的3'/ 5'-RACE產物中獲得全長cDNA，或者通過分析RACE產物的3'和5'端序列，合成相應引物擴增出全長cDNA。

Figure 2.

實驗中發現，做RACE反應實驗實際操作中仍存在不少困難。因此，對RACE反應條件進行反復摸索是十分必要的。這是因為：

*，在5'-RACE包含了有3個連續的酶反應步驟（反轉錄、同聚物加尾和PCR擴增），每一步都可能導致失敗；

第二，擴增DNA末端的特異性完全依賴錨定引物及擴增DNA模板樣品的不均一性，因而特異性一般很低，常呈現不清晰的成片條帶或截短的產物背景。因此，使用RACE技術擴增得到的特異末端片段，所獲得的重組克隆zui好能夠全部測序，以排除RACE實驗結果中擴增產物假陽性和假陰性，zui終有可能獲得新基因的全序列。

隨著RACE的不斷改進和完善，優化條件下PCR擴增效率和忠實性的提高及PCR產物克隆技術的迅速發展，RACE必將在基因克隆及基因表達研究中發揮越來越大的作用。

RACE的另一種代表方法-Self-Ligation法

1. 反轉錄（RT）反應。

2. Hybrid RNA的分解。

3. 單鏈cDNA的自身連接。

4. PCR擴增5'未知區域。

5. 目的DNA片段的切膠回收。

6. DNA序列測定。

原理見Figure 3。