ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）は、DNAまたはRNAの小さなセグメントをコピーまたは「増幅」するための効率的で費用効率の高い方法です。
PCR法を用いると、わずか数時間でDNAのある領域が数百万倍にまで増幅され、解析に必要な十分な量のDNAが複製されます。この革新的ながらも簡便な方法によって、臨床医は血液や組織のような最小量の検体を用いて疾患を診断したり、モニタリングしたりすることができます。
PCRを介した検体調製は、in vitro、すなわち検査室内の体外で行われますが、DNA複製の自然な過程に基づいています。最も単純な形態では、DNA検体やDNAポリメラーゼ、ヌクレオチド、プライマーおよび他の試薬（人工の化合物）が検体チューブに添加された時に反応が生じます。試薬はDNAコードの複製に必要な反応を促進します。
PCRは、検体中の疾患を検出することに加え、ヒトの体内に存在するウイルスの量、すなわちウイルス負荷のモニタリングを可能にします。C型肝炎やヒト免疫不全ウイルス（HIV）感染症などの疾患では、ウイルス負荷は、疾患の重症度や薬や治療の効果を示す良い指標となります。この情報を武器として、医師は治療開始時期や患者の治療応答を判定し、個々の患者に合わせた治療を行う場合があります。
各PCRサイクルには3つの明確な段階があり、各サイクルにおいて標的DNAは約2倍の量に増幅されます。これは指数関数的な反応であり、30～40回のPCRサイクルで元のDNAまたは「標的」DNAのコピーが10億以上複製されることになります。
PCRを開始する前には、DNAを検体から抽出する必要があります。DNA抽出プロセスは複数の段階で構成されています。手作業または人間が介入せずに自動で検体調製を行う機器などを用いて行うことができます。検体調製後、以下の3段階から成るPCRの工程が開始されます。
PCRの最初の段階は「変性」と呼ばれ、検体DNAを含んだチューブを90°C以上まで加熱します。こうすることで、二本鎖DNAは2本の一本鎖へ分離します。温度の上昇により、DNAコードを形成するヌクレオチド間の比較的弱い結合が切断されます。
PCRは検体中のすべてのDNAを複製するわけではありません。PCRプライマーにより、標的とする非常に特異的な遺伝コードの配列のみを複製します。例えばクラミジアはクラミジアに特異的なヌクレオチドの固有のパターンを有していますので、PCRでは、クラミジアに存在し、他の細菌種には存在しない特異的なDNA配列のみを複製します。
このような複製を行うためのPCR反応の第2段階は、PCRのプライマーすなわち合成オリゴヌクレオチド（合成DNAの短い一本鎖）が、標的DNA領域のいずれかの側の鎖の複製される開始点の配列に結合すなわち「アニーリング」する反応です。アニーリングは、チューブを40～60°Cまで冷却すると起こります。実際には、変性された一本鎖DNA鎖の相補鎖それぞれにアニーリングする2本のプライマーを使用しますので、PCRの第2段階では、プライマーが結合した一本鎖DNAの1セット（2本）が産生されます。この段階で複製の準備が整い、引き続いてPCR反応の第3段階に進めます。
PCR反応の第3段階は「伸長」と呼ばれ、温度を約72°Cまで上昇させます。プライマーのアニーリングした配列を開始点として、溶液中のヌクレオチドがDNAポリメラーゼによってプライマーに付加され、各一本鎖テンプレートにDNA相補鎖が新しく合成されます。伸長が完了すると、元のDNAと同一の2コピーが複製されています。
PCRを介してDNA2コピーを複製した後、このサイクルを再度開始しますが、これには新たに複製したDNAを使用します。各複製によって新たに2コピーが複製されるため、このPCR手順を約30～40回繰り返した場合、元のDNA断片が10億コピー以上複製されることになります。PCRの工程は自動化されているため、わずか数時間で完了することが可能です。医療現場では、PCRは臨床検体から標的DNAコピーを十分な量に複製し、解析を可能にしています。これらの診断およびモニタリング検査の結果は、臨床医や他の医療従事者へ治療を導く情報を提供しています。
