Designing PCR and sequencing primers are essential activities for molecular biologists around the world. This chapter assumes acquaintance with the principles and practice of PCR, as outlined in, for example, refs. 1–4.

Polymerase chain reaction (PCR) is a basic molecular biology technique with a multiplicity of uses, including deoxyribonucleic acid cloning and sequencing, functional analysis of genes, diagnosis of diseases, genotyping and discovery of genetic variants. Reliable primer design is crucial for successful PCR, and for over a decade, the open-source Primer3 software has been widely used for primer design, often in high-throughput genomics applications. It has also been incorporated into numerous publicly available software packages and web services. During this period, we have greatly expanded Primer3’s functionality. In this article, we describe Primer3’s current capabilities, emphasizing recent improvements. The most notable enhancements incorporate more accurate thermodynamic models in the primer design process, both to improve melting temperature prediction and to reduce the likelihood that primers will form hairpins or dimers. Additional enhancements include more precise control of primer placement—a change motivated partly by opportunities to use whole-genome sequences to improve primer specificity. We also added features to increase ease of use, including the ability to save and re-use parameter settings and the ability to require that individual primers not be used in more than one primer pair. We have made the core code more modular and provided cleaner programming interfaces to further ease integration with other software. These improvements position Primer3 for continued use with genome-scale data in the decade ahead.

Choosing appropriate primers is probably the single most important factor affecting the polymerase chain reaction (PCR). Specific amplification of the intended target requires that primers do not have matches to other targets in certain orientations and within certain distances that allow undesired amplification. The process of designing specific primers typically involves two stages. First, the primers flanking regions of interest are generated either manually or using software tools; then they are searched against an appropriate nucleotide sequence database using tools such as BLAST to examine the potential targets. However, the latter is not an easy process as one needs to examine many details between primers and targets, such as the number and the positions of matched bases, the primer orientations and distance between forward and reverse primers. The complexity of such analysis usually makes this a time-consuming and very difficult task for users, especially when the primers have a large number of hits. Furthermore, although the BLAST program has been widely used for primer target detection, it is in fact not an ideal tool for this purpose as BLAST is a local alignment algorithm and does not necessarily return complete match information over the entire primer range.We present a new software tool called Primer-BLAST to alleviate the difficulty in designing target-specific primers. This tool combines BLAST with a global alignment algorithm to ensure a full primer-target alignment and is sensitive enough to detect targets that have a significant number of mismatches to primers. Primer-BLAST allows users to design new target-specific primers in one step as well as to check the specificity of pre-existing primers. Primer-BLAST also supports placing primers based on exon/intron locations and excluding single nucleotide polymorphism (SNP) sites in primers.We describe a robust and fully implemented general purpose primer design tool that designs target-specific PCR primers. Primer-BLAST offers flexible options to adjust the specificity threshold and other primer properties. This tool is publicly available at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast.

Somatic mutations in cancer genomes are caused by multiple mutational processes, each of which generates a characteristic mutational signature

Single-nucleotide polymorphisms (SNPs) are the most frequent type of variation in the human genome, and they provide powerful tools for a variety of medical genetic studies. In a large-scale survey for SNPs, 2.3 megabases of human genomic DNA was examined by a combination of gel-based sequencing and high-density variation-detection DNA chips. A total of 3241 candidate SNPs were identified. A genetic map was constructed showing the location of 2227 of these SNPs. Prototype genotyping chips were developed that allow simultaneous genotyping of 500 SNPs. The results provide a characterization of human diversity at the nucleotide level and demonstrate the feasibility of large-scale identification of human SNPs.

The male-specific region of the Y chromosome, the MSY, differentiates the sexes and comprises 95% of the chromosome's length. Here, we report that the MSY is a mosaic of heterochromatic sequences and three classes of euchromatic sequences: X-transposed, X-degenerate and ampliconic. These classes contain all 156 known transcription units, which include 78 protein-coding genes that collectively encode 27 distinct proteins. The X-transposed sequences exhibit 99% identity to the X chromosome. The X-degenerate sequences are remnants of ancient autosomes from which the modern X and Y chromosomes evolved. The ampliconic class includes large regions (about 30% of the MSY euchromatin) where sequence pairs show greater than 99.9% identity, which is maintained by frequent gene conversion (non-reciprocal transfer). The most prominent features here are eight massive palindromes, at least six of which contain testis genes.

A physical map has been constructed of the human genome containing 15,086 sequence-tagged sites (STSs), with an average spacing of 199 kilobases. The project involved assembly of a radiation hybrid map of the human genome containing 6193 loci and incorporated a genetic linkage map of the human genome containing 5264 loci. This information was combined with the results of STS-content screening of 10,850 loci against a yeast artificial chromosome library to produce an integrated map, anchored by the radiation hybrid and genetic maps. The map provides radiation hybrid coverage of 99 percent and physical coverage of 94 percent of the human genome. The map also represents an early step in an international project to generate a transcript map of the human genome, with more than 3235 expressed sequences localized. The STSs in the map provide a scaffold for initiating large-scale sequencing of the human genome.

The human genome is thought to harbor 50,000 to 100,000 genes, of which about half have been sampled to date in the form of expressed sequence tags. An international consortium was organized to develop and map gene-based sequence tagged site markers on a set of two radiation hybrid panels and a yeast artificial chromosome library. More than 16,000 human genes have been mapped relative to a framework map that contains about 1000 polymorphic genetic markers. The gene map unifies the existing genetic and physical maps with the nucleotide and protein sequence databases in a fashion that should speed the discovery of genes underlying inherited human disease. The integrated resource is available through a site on the World Wide Web at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SCIENCE96/ .

A map of 30,181 human gene–based markers was assembled and integrated with the current genetic map by radiation hybrid mapping. The new gene map contains nearly twice as many genes as the previous release, includes most genes that encode proteins of known function, and is twofold to threefold more accurate than the previous version. A redesigned, more informative and functional World Wide Web site ( www.ncbi.nlm.nih.gov/genemap ) provides the mapping information and associated data and annotations. This resource constitutes an important infrastructure and tool for the study of complex genetic traits, the positional cloning of disease genes, the cross-referencing of mammalian genomes, and validated human transcribed sequences for large-scale studies of gene expression.