Le principe de toute mutation introduite par PCR repose sur l'observation qu'une stricte complémentarité de l'amorce nucléotidique avec la séquence de l'ADN cible n'est pas absolument nécessaire sur toute la longueur considérée.
Elle est obligatoire du côté 3' pour l'amorçage de la réaction, mais pas du côté 5'.

A partir de ce constat, il est possible d'imaginer deux types de mutation :
1) Le premier consiste à modifier une des extrémités ou les deux extrémités du segment d'ADN à amplifier à l'aide d'une ou de deux amorces mutées.
2) Le second permet d'effectuer des modifications (insertions, délétions, substitutions, fusions de gènes) à l'intérieur de la séquence d'ADN à amplifier. Elle est un peu plus complexe que la précédente car elle exige 2 paires d'amorces. Elle est aussi beaucoup moins limitante que la précédente puisqu'elle permet de (presque) tout imaginer 

La PCR peut aussi être considérée comme une méthode de modification de l'ADN.
La possibilité d'obtenir simplement, rapidement et en grande quantité des ADN mutés fait de la PCR l'une des stratégies de mutagénèse les plus puissantes.
 

L'oligonucléotide d'amorce peut être conçu de façon à introduire une mutation dans le produit issu de la PCR.

Schématiquement, une amorce mutée peut-être divisée en deux parties :

1) l'extrémité 3' qui doit rester complémentaire de la séquence de matrice à amplifier (initiation de la polymérisation)
2) l'extrémité 5' qui peut porter des mutations ponctuelles, des sites de restriction, des séquences de recombinaison etc.

La région en noir (à droite) est strictement complémentaire de l'ADN cible; elle représente la séquence d'initiation de la PCR.
La région en rouge (à gauche) n'est pas obligatoirement complémentaire de la séquence d'ADN cible; elle peut être porteuse d'une mutation ponctuelle, d'un site de restriction, d'une séquence de recombinaison etc.
 

La possibilité de réaliser une réaction de PCR avec des amorces introduisant des mutations par l'intermédiaire de leurs extrémités 5' non strictement complémentaires de l'ADN cible permet d'introduire ces mutations aux extrémités des produits de PCR.

Les portions en rouge représentent les régions apportant une mutation.
Cette mutation se retrouve, in fine, dans le produit d'amplification.

Un exemple concret ?
Nous avons utilisé cette méthode dans le cadre d'une séance de travaux pratiques d'initiation aux techniques biologiques pour des étudiants physiciens/chimistes qui souhaitent éventuellement se positionner aux nombreuses interfaces physique/biologie.
 

D'une manière générale, l'intervention à l'intérieur d'un segment d'ADN par PCR nécessite deux paires d'amorces oligonucléotidiques : une paire qui apporte la mutation et une paire qui permet d'étendre l'ADN ainsi modifié de part et d'autre de la modification.

Dans un premier temps, nous présenterons le principe de la mutagénèse dirigée par PCR : il s'agit de modifier très précisément la séquence en désoxyribonucléotides d'un segment d'ADN.

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Les amorces 1 et 2 sont des amorces mutées (la région 5' qui porte la mutation est symbolisée par un rectangle rouge).
Elles ont, en plus, la particularité d'être complémentaires (le recouvrement des régions 5' mutées est particulièrement important pour la suite).
Les amorces 3 et 4 bornent le segment d'ADN à modifier. Elles déterminent sa longueur du produit final.
(Il est assez classique d'effectuer la mutation sur un segment d'ADN intégré dans un plasmide. Dans ce cas, les amorces 3 et 4 peuvent être construites en fonction du plasmide choisi).

Deux réactions de PCR sont d'abord réalisées en parallèle :
Une PCR avec les amorces 2 et 3 donne un produit d'amplification correctement muté dans la région désirée mais de taille insuffisante.
Une PCR avec les amorces 1 et 4 donne un produit, lui aussi correctement muté, mais toujours de taille insuffisante.

Les deux produits de PCR ainsi obtenus sont alors purifiés (il s'agit surtout d'éliminer les amorces 1 et 2), et réunis dans un même tube.
Remarquons qu'ils possèdent en commun la région mutée (région d'ADN possédant un rectangle rouge).
L'hybridation des deux fragments par cette partie commune est importante pour la dernière étape.

Une dernière PCR utilisant les amorces 3 et 4 est alors réalisée sur ce mélange et donne, en effet, un fragment de taille souhaitée
 

De nombreuses autres "combinaisons" sont imaginables (substitutions, insertions, délétions, fusions de gènes) et pourront être développées ultérieurement ...