第五章分子生物学研究方法朱玉贤版课件

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1、第一节 基因操作的主要技术原理 1 核酸的凝胶电泳核酸的凝胶电泳(Agarose&Polyacrylamide)将某种分子放到特定的电场中，它就会以将某种分子放到特定的电场中，它就会以一定的速度向适当的电极移动。某物质在电场一定的速度向适当的电极移动。某物质在电场作用下的迁移速度叫作作用下的迁移速度叫作电泳的速率电泳的速率，它与电场，它与电场强度成正比，与该分子所携带的净电荷数成正强度成正比，与该分子所携带的净电荷数成正比，而与分子的磨擦系数成反比（分子大小、比，而与分子的磨擦系数成反比（分子大小、极性、介质的粘度系数等）。极性、介质的粘度系数等）。在生理条件下，核酸分子中的磷酸基团是在生理条

2、件下，核酸分子中的磷酸基团是离子化的，所以，离子化的，所以，DNA和和RNA实际上呈实际上呈多聚多聚阴离子阴离子状态（状态（Polyanions）。将）。将DNA、RNA放放到电场中，它就会由负极到电场中，它就会由负极正极移动。正极移动。在凝胶电泳中，一般加入溴化乙锭在凝胶电泳中，一般加入溴化乙锭（EB）-ethidium bromide染色，此时，核染色，此时，核酸分子在紫外光下发出荧光，肉眼能看到酸分子在紫外光下发出荧光，肉眼能看到约约50ng DNA所形成的条带。所形成的条带。DNA的脉冲电场电泳技术的脉冲电场电泳技术:PFGE-Pulse-field gel electrophores

3、is2 核酸的分子杂交技术核酸的分子杂交技术 在大多数核酸杂交反应中，经过凝胶在大多数核酸杂交反应中，经过凝胶电泳电泳 分离的分离的DNA或或RNA分子，都是在杂交分子，都是在杂交之前，通过毛细管作用或电导作用按其在之前，通过毛细管作用或电导作用按其在凝胶中的位置原封不动地凝胶中的位置原封不动地“吸印吸印”转移到转移到滤膜上的。滤膜上的。常用的滤膜有常用的滤膜有尼龙滤膜尼龙滤膜、硝酸纤维素硝酸纤维素滤膜滤膜，叠氮苯氧甲基纤维素滤纸（，叠氮苯氧甲基纤维素滤纸（DBM）和二乙氨基乙基纤维素滤膜（和二乙氨基乙基纤维素滤膜（DEAE）核酸分子杂交实验包括如下两个步骤：核酸分子杂交实验包括如下两个步骤：

4、1.将核酸样品转移到固体支持物滤膜上，将核酸样品转移到固体支持物滤膜上，这个过程特称为核酸印迹这个过程特称为核酸印迹(nucleic acid blotting)转移，主要有电泳凝胶核酸印迹法、转移，主要有电泳凝胶核酸印迹法、斑点和狭线印迹法斑点和狭线印迹法(dot and slot blotting)、菌落和噬菌斑印迹法菌落和噬菌斑印迹法(colony and plaque blotting)；2.将具有核酸印迹的滤膜同带有放射性标将具有核酸印迹的滤膜同带有放射性标记或其它标记的记或其它标记的DNA或或RNA探针进行杂交。探针进行杂交。所以有时也称这类核酸杂交为印迹杂交。所以有时也称这类核酸

5、杂交为印迹杂交。3 细菌的转化细菌的转化 所谓细菌转化，是指一种细菌菌株由于捕获所谓细菌转化，是指一种细菌菌株由于捕获了来自另一种细菌菌株的了来自另一种细菌菌株的DNA，而导致性状特征，而导致性状特征发生遗传改变的生命过程。这种提供转化发生遗传改变的生命过程。这种提供转化DNA的的菌株叫做菌株叫做供体菌株供体菌株，而接受转化，而接受转化DNA的寄主菌株的寄主菌株则称做则称做受体菌株受体菌株。大肠杆菌大肠杆菌是最广泛使用的实验是最广泛使用的实验菌株。在加入转化菌株。在加入转化DNA之前，必须预先用之前，必须预先用CaCl2处理大肠杆菌细胞，使之呈感受态（处理大肠杆菌细胞，使之呈感受态（Compe

6、tent Cells）。）。Mg2+对维持外源对维持外源DNA的稳定性起重要作的稳定性起重要作用，质粒用，质粒DNA中的抗生素是筛选标记。中的抗生素是筛选标记。4 DNA序列分析序列分析a.Sanger的双脱氧链终止法的双脱氧链终止法 Cambridge的的F.Sanger在在1977年发明用双脱年发明用双脱氧链终止法测定单链氧链终止法测定单链DNA的序列，其基本原理如的序列，其基本原理如下：下：DNA聚合酶能够用单链聚合酶能够用单链DNA作为模板，合成准确作为模板，合成准确的的DNA互补链；互补链；DNA聚合酶常用聚合酶常用Klenow大片段，大片段，无无53外切酶活性。外切酶活性。该酶能够

7、用该酶能够用2，3-双脱氧核苷三磷酸双脱氧核苷三磷酸作底物并作底物并将将其聚合到新生寡核苷酸链的其聚合到新生寡核苷酸链的3-末端末端，从而，从而终止其终止其延伸反应延伸反应。在。在DNA测序反应中，加入模板测序反应中，加入模板DNA，引物（特异性引物，如引物（特异性引物，如T7，T3，M13等），等），DNA聚合酶，聚合酶，dATP，dTTP，dGTP，dCTP和一种和一种ddNTP。双脱氧链末端终止法测序基本原理示意图 b DNA序列分析自序列分析自动化动化(分析反应分析反应读读片过程片过程)用用四甲基若丹明四甲基若丹明(Tetramethylrhodamine)作为作为荧光剂荧光剂标记标记

8、DNA引物，带引物，带有这种引物的有这种引物的DNA片段能在激光诱导片段能在激光诱导下发出荧光。下发出荧光。按照按照标准的双脱氧终止标准的双脱氧终止法法或化学终止法或化学终止法进进行测序反应行测序反应，跑，跑DNA凝胶后凝胶后,用计用计算机检测。算机检测。DNA测序的全过程测序的全过程(实际实际)5 基因的定点诱变（基因的定点诱变（site-directed mutagenesis）使已克隆基因或使已克隆基因或DNA片段中的任何一个片段中的任何一个特定碱基发生取代、插入或缺失变化的过特定碱基发生取代、插入或缺失变化的过程叫作程叫作基因的定点诱变基因的定点诱变，是基因工程和蛋，是基因工程和蛋白质

9、工程的重要手段。白质工程的重要手段。如：如：盒式诱变盒式诱变(cassette mutagenesis)，包括，包括盒盒式取代诱变式取代诱变和和混合寡核苷酸诱变混合寡核苷酸诱变两种方式。两种方式。6 利用利用DNA与蛋白质的相互作用进行核酸研究与蛋白质的相互作用进行核酸研究.a.凝胶滞缓凝胶滞缓实验实验(Gel retardation assay)，又称又称DNA迁迁移率变化试移率变化试验验(DNA mobility shift assay-EMSA)。b DNase I 印迹试验（印迹试验（DNase I foot printing）主要步骤：主要步骤：用用32P标记标记DNA双链末端，并用

10、双链末端，并用RE切去一端；切去一端；加入细胞特定周期蛋白质提取物，温育；加入细胞特定周期蛋白质提取物，温育；加入适量加入适量DNaseI或硫酸二甲酯或硫酸二甲酯-六氢吡啶，六氢吡啶，使使DNA链发生断裂。链发生断裂。这一反应中，这一反应中，DNaseI或硫酸二甲酯的用量非常关或硫酸二甲酯的用量非常关键，键，要保证每一条要保证每一条DNA链只发生一次磷酸二酯断链只发生一次磷酸二酯断裂！裂！沉淀沉淀DNA（包括与（包括与DNA相结合的蛋白质）；相结合的蛋白质）；进行进行DNA凝胶分析。凝胶分析。如果某个蛋白质已经与如果某个蛋白质已经与DNA的特定区段相结合，的特定区段相结合，那么，它就会保证该区

11、段那么，它就会保证该区段DNA免受消化或降解作免受消化或降解作用。在电泳凝胶的放射自显影图片上，相应于蛋用。在电泳凝胶的放射自显影图片上，相应于蛋白质结合的部位不产生放射性标记的条带白质结合的部位不产生放射性标记的条带,而是出而是出现了一个空白的区域现了一个空白的区域,形象地称为足迹。形象地称为足迹。7.PCR技术技术（基因的体外扩增法）（基因的体外扩增法）(1).概念概念 PCR（聚合酶链式反应）技术：（聚合酶链式反应）技术：是一种是一种在在体外体外快速扩增特定基因或快速扩增特定基因或DNA序列的方法。序列的方法。也是也是体外体外酶促合成酶促合成特异特异DNA片段的方法。片段的方法。经过经过

12、n轮轮PCR扩增扩增循环循环,理论上理论上可以得到可以得到2n个新生的个新生的DNA分子。分子。特别注意：特别注意：(2).一个一个PCR体系的基本组成体系的基本组成 超纯水超纯水 缓冲液缓冲液 Mg2+dNTPs DNA模板模板 引物引物 TaqDNA聚合酶聚合酶(3).PCR(聚合酶链式反应聚合酶链式反应)基本原理基本原理(4).PCR的主要步骤的主要步骤.高温变性高温变性 在高温（在高温（93-95）下，待扩增的双链）下，待扩增的双链DNA模模板受热变性成为两条单链板受热变性成为两条单链DNA模板。模板。.低温退火低温退火 在低温（在低温（3760）情况下，两条人工合成的）情况下，两条人

13、工合成的寡核苷酸引物与互补的单链寡核苷酸引物与互补的单链DNA模板结合，形成部模板结合，形成部分双链。分双链。.适温延伸适温延伸 在在TaqDNA聚合酶的最适温度（聚合酶的最适温度（72）下，以）下，以引物引物3-OH端为合成的起点，以脱氧核苷三磷酸端为合成的起点，以脱氧核苷三磷酸（dNTPs）为原料，按为原料，按53方向延伸方向延伸,合成单链合成单链DNA模板的互补链。模板的互补链。(5).PCR的主要步骤小结的主要步骤小结 每一双链每一双链DNA模板，经过一轮模板，经过一轮变性变性（解链）（解链）、退火退火、延伸延伸 3个步骤的热循环个步骤的热循环后就成了两个双链后就成了两个双链DNA分子

14、。如此反复分子。如此反复进行，每一次循环所得到的双链进行，每一次循环所得到的双链DNA（PCR产物）产物）均能成为下一次循环的均能成为下一次循环的模模板板，PCR产物得以产物得以2n的指数形式迅速扩的指数形式迅速扩增，经过增，经过2530个循环后，理论上可使个循环后，理论上可使DNA模板扩增到模板扩增到109倍以上，实际上一般倍以上，实际上一般可达可达106107倍。倍。生物技术工程生物技术工程 基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程工程重组DNA技术发展史上的重大事件 1869 F Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离首次从莱茵河鲑鱼精子中分离DNA。

15、1944 O.T.Avery证实证实DNA是遗传物质。是遗传物质。1952 A.D.Hershey和和M.Chase再次证实噬菌体的遗传物质再次证实噬菌体的遗传物质是是DNA。1953 J.D.Watson和和F.H.C.Crick提出提出DNA分子结构的双螺分子结构的双螺旋模型。旋模型。M.Wilkins用用X-射线衍射法证实了这一结构。射线衍射法证实了这一结构。1957 A.Kornberg从大肠杆菌中发现了从大肠杆菌中发现了DNA聚合酶聚合酶I。1958 M.Meselson和和F.W.Stahl提出了提出了DNA的半保留复制的半保留复制模型。模型。1959-1960 S.Ochoa发现

16、发现RNA聚合酶和信使聚合酶和信使RNA，并证，并证明明mRNA决定了蛋白质分子中的氨基酸序列。决定了蛋白质分子中的氨基酸序列。50年代末至年代末至60年代，相继提出了年代，相继提出了中心法则中心法则和操纵子学说和操纵子学说,成功地破译了遗传密码，充分认识了遗传信息的流动和表成功地破译了遗传密码，充分认识了遗传信息的流动和表达。达。1972-19731972-1973 H.BoyerH.Boyer，P.BergP.Berg等人发展了等人发展了DNADNA重组技术，重组技术，于于19721972年获得第一个重组年获得第一个重组DNADNA分子，分子，19731973年年CohenCohen第一例

17、成第一例成功的克隆实验：完成第一例细菌基因克隆。功的克隆实验：完成第一例细菌基因克隆。1975-19771975-1977 F.SangerF.Sanger与与A.MaxamA.Maxam、W.GilbertW.Gilbert等人发明了等人发明了DNADNA序列测定技术。序列测定技术。19771977年完成了全长年完成了全长5387bp5387bp的噬菌体的噬菌体174174基因组测定。基因组测定。19781978 首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激素和人胰岛素。脑激素和人胰岛素。GenentechGenentech公司公司 人胰岛素人胰岛

18、素 世界世界上第一种基因工程蛋白药物上第一种基因工程蛋白药物 19801980美国联邦最高法院裁定微生物基因工程可以专利化。美国联邦最高法院裁定微生物基因工程可以专利化。19811981R.D.PalmiterR.D.Palmiter和和R.L.BrinsterR.L.Brinster获得获得转基因小鼠转基因小鼠；A.C.SpradlingA.C.Spradling和和G.M.RubinG.M.Rubin得到得到转基因果蝇转基因果蝇。1982美、英批准使用第一例基因工程药物美、英批准使用第一例基因工程药物重组人胰岛素；重组人胰岛素；Sanger等人完成了入噬菌体等人完成了入噬菌体48,502b

19、p全序列测定。全序列测定。1983 获得第一例转基因植物。获得第一例转基因植物。1984 斯坦福大学获得关于重组斯坦福大学获得关于重组DNA的专利。的专利。19851985 出现第一批转基因家畜（兔、猪和羊），出现第一批转基因家畜（兔、猪和羊），中国转基因鱼中国转基因鱼 1988 J.D.Watson出任出任“人类基因组计划人类基因组计划”首首席科学家。席科学家。1989DuPont公司获得转肿瘤基因小鼠公司获得转肿瘤基因小鼠-“Oncomouse”。1992 欧共体欧共体35个实验室联合完成酵母第三染个实验室联合完成酵母第三染色体全序列测定色体全序列测定(315kb)19931993-199

20、4第一批基因工程西红柿在美国上第一批基因工程西红柿在美国上市。市。1996完成了酵母基因组完成了酵母基因组(1.25107bp)全序列全序列测定。测定。1997英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。1999.9 1999.9 中国获准加入人类基因组计划中国获准加入人类基因组计划.负责负责测定人类基因组全部序列的测定人类基因组全部序列的1%1%2000.6.262000.6.26 科学家公布人类基因组工作草图科学家公布人类基因组工作草图 2001.2.11 2001.2.11 公布人类基因组基本信息公布人类基因组基本信息基因工程中常见的名词基因工程中常见的名词:遗传

21、工程遗传工程-genetic engineering，基因操作基因操作-gone manipulation，基因克隆基因克隆-gone cloning重组重组DNA技术技术-recombinant DNA technology分子克隆分子克隆-molecular cloning。一、基因工程概述一、基因工程概述 1.1.概念概念 基因工程：基因工程：是指将外源基因经过剪切加工，是指将外源基因经过剪切加工，再插入到一个具有自我复制能力的载体再插入到一个具有自我复制能力的载体DNA中，中，就得到重组就得到重组DNA，再将重组，再将重组DNA转移到一个寄转移到一个寄主细胞中，外源基因就可以随着寄主细

22、胞的分主细胞中，外源基因就可以随着寄主细胞的分裂进行繁殖，寄主细胞也借此获得外源基因所裂进行繁殖，寄主细胞也借此获得外源基因所携带的新特性。携带的新特性。第二节第二节 基因工程基因工程2.基因工程的基本程序及技术特点：基因工程的基本程序及技术特点：基本程序：基本程序：分分 切切 接接 转转 筛筛基因工程的基本程序基因工程的基本程序 技术特点：技术特点：1.可在体外根据需要进行人工的、可在体外根据需要进行人工的、有目的的基因有目的的基因重组重组、表达表达、测序测序、诱变、诱变、修复；修复；2.方法简便、快速、准确、特异，方法简便、快速、准确、特异，能保证研究与开发的需要。能保证研究与开发的需要。

23、3.基因工程的主要技术基因工程的主要技术 DNA、RNA的分离纯化的分离纯化 凝胶电泳技术凝胶电泳技术 PCR技术技术 DNA合成技术合成技术 DNA重组重组 微生物的培养、保存微生物的培养、保存 酶切酶切 鉴定鉴定 DNA测序测序 分子杂交分子杂交 4.1概念概念4.基因克隆基因克隆克隆的概念克隆的概念在多细胞的高等生物个体水平上，在多细胞的高等生物个体水平上，是指由具有是指由具有相同基因型的同一物种的两个或数个个体组成的相同基因型的同一物种的两个或数个个体组成的群体。群体。在细胞水平上，在细胞水平上，是指由同一个祖细胞分裂而来是指由同一个祖细胞分裂而来的一群遗传上同一的子细胞群体。的一群遗

24、传上同一的子细胞群体。在分子生物学上，在分子生物学上，是指将外源是指将外源DNA插入具有复插入具有复制能力的载体制能力的载体DNA中，使之永久保存和复制的过中，使之永久保存和复制的过程。程。亚克隆的概念亚克隆的概念 是对已经获得的目的是对已经获得的目的DNA片段进行片段进行重新克隆，其目的在于对目的重新克隆，其目的在于对目的DNA进行进行进一步分析，或者进行重组改造等。进一步分析，或者进行重组改造等。基因克隆基因克隆 是指应用酶学的方法，在体外将是指应用酶学的方法，在体外将目目的基因的基因与与载体载体DNA结合成一具有自我复结合成一具有自我复制能力的制能力的DNA分子（分子（重组体重组体），继

25、而通），继而通过转化或转染宿主细胞、筛选出含有目过转化或转染宿主细胞、筛选出含有目的基因的转化子细胞，再进行扩增、提的基因的转化子细胞，再进行扩增、提取获得大量相同的取获得大量相同的DNA分子拷贝分子拷贝。4.2基因克隆示意图基因克隆示意图 载体DNA(限制性内切酶切开)目的基因宿主细胞重组体已转化的宿主细胞阳性克隆株繁殖表达二二.基因工程的要素及实施基因工程的要素及实施（一）、工具酶（一）、工具酶限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶识别并在特定位点切割识别并在特定位点切割DNADNA连接酶连接酶通过生成通过生成3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键,把两个或多个把两个或多个DNA片段连接成一个片段连接成一

26、个DNA分子分子DNA聚合酶聚合酶探针标记、探针标记、从从3-OH端补平双链中端补平双链中的缺口的缺口反转录酶反转录酶以以RNA链为模板，进行链为模板，进行cDNA合成合成多核苷酸激酶多核苷酸激酶5磷酸化、探针标记磷酸化、探针标记末端转移酶末端转移酶在双链核酸的末端在双链核酸的末端3加上多聚单核加上多聚单核苷酸苷酸碱性磷酸酶碱性磷酸酶切除切除5末端磷酸基末端磷酸基1.常用的工具酶的功能：常用的工具酶的功能：酶类名称酶类名称功能功能 阿尔伯阿尔伯(Arber)(Arber)、史密斯、史密斯(Smith)(Smith)和内森斯和内森斯(Nathans)(Nathans)，获，获19781978年度

27、诺贝尔生理学和医学奖年度诺贝尔生理学和医学奖.2.一把特殊的剪刀一把特殊的剪刀限制性内切酶的发现限制性内切酶的发现3.限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶(restriction enzyme)的分类、作用及的分类、作用及命名命名 作用作用：识别：识别双链双链DNA内部内部特异位点特异位点并裂解磷酸并裂解磷酸二酯键二酯键 分类分类：型、型、型型、型型 命名命名（举例举例）EcoR(E：属名；：属名；co：种名；：种名；R：株；：株；：发现次序：发现次序)3.限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶(restriction enzyme)的识别的识别和切割和切割 识别和切割位点：识别和切割位点：回文结构回文

28、结构 46 bp 出现两种末端：出现两种末端：*粘性末端粘性末端 （粘端）粘端）*平头末端平头末端 （平端）平端）产生了平产生了平头末端头末端产生了粘产生了粘性末端性末端粘性末端与平头末端粘性末端与平头末端EcoRGAATTCCTTAAG5533553355G GCTTAACTTAAAATTCAATTCG G333355粘性末端粘性末端SmaCCCGGGGGGCCC5533335555CCCCCCGGGGGGGGGGGGCCCCCC333355平头末端平头末端4.修饰与限制作用修饰与限制作用 活性：活性：5 3聚合酶活性：聚合酶活性：核酸外切酶活性：核酸外切酶活性：5 3外切酶活性外切酶活性3

29、 5外切酶活性外切酶活性 DNA pol 经经枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶裂解可得大、小两裂解可得大、小两个片段个片段 大片段大片段 （Klenow片段）具有片段）具有5 3聚合活性聚合活性和和 3 5外切活性，是外切活性，是常用的工具酶。常用的工具酶。5.DNA聚合酶(pol)6.DNA连接酶连接酶7碱性磷酸酶的脱磷酸作用碱性磷酸酶的脱磷酸作用 8.同工异源酶：同工异源酶：来源不同，但能识别和切来源不同，但能识别和切割同一位点。割同一位点。9.同尾酶：同尾酶：识别序列不同，但产生相同的识别序列不同，但产生相同的粘性末端。粘性末端。10末端脱氧核苷酸转移酶末端脱氧核苷酸转移酶(TDT)（二）、

30、载体（二）、载体 （vector）1.本质：本质：DNA，能在宿主细胞中进行自，能在宿主细胞中进行自我复制和表达我复制和表达 2.克隆载体的种类：克隆载体的种类：原核载体原核载体：质粒：质粒(pBR322,pUC）噬菌体（噬菌体（，M13）等）等 真核载体真核载体：动物病毒载体：动物病毒载体pLXSN等等3.载体的基本要求：载体的基本要求：.复制单位复制单位;.克隆位点克隆位点(多个单克隆位点多个单克隆位点);.筛选标记筛选标记;.分子量尽可能小分子量尽可能小;.外源外源DNA插入后不影响载体本身的复制能力插入后不影响载体本身的复制能力.没有一个天然的没有一个天然的DNA完全符合载体条件完全符

31、合载体条件,故故使用时需进行改造使用时需进行改造.4.常用的克隆载体常用的克隆载体：质质粒粒质粒质粒(plasmid)存在于细菌染色体外的小型存在于细菌染色体外的小型环状双链环状双链DNA分子。分子。*大小大小 210kb；*优点：易于操作、保存；优点：易于操作、保存；*缺点：转化效率较低；缺点：转化效率较低；*转化方法：转化方法：化学法化学法 电转移法电转移法 *应用：应用：a.小基因组的克隆小基因组的克隆 b.单一序列的克隆单一序列的克隆(目的基因的目的基因的 克隆克隆)（1）质粒载体的一般特点：）质粒载体的一般特点：（2）理想的质粒载体具有如下特点：）理想的质粒载体具有如下特点：*拷贝数

32、多拷贝数多;*两三个遗传标志，如抗药性基因：两三个遗传标志，如抗药性基因：抗抗氨苄青霉素基因氨苄青霉素基因(ampr)、抗四环素基因抗四环素基因(terr)；-半乳糖苷酶基因半乳糖苷酶基因(lac Z)筛选筛选标志标志*多个限制酶的单一切点，即多个限制酶的单一切点，即多克隆位多克隆位点点(multiple cloning sites,MCS)pBR系列系列 来源于来源于Psc101、colE1和和RSF2124三个天然三个天然质粒改造重组而成。质粒改造重组而成。pBR322是应用最多的大肠是应用最多的大肠杆菌质粒载体，用氯霉素扩增法可使质粒杆菌质粒载体，用氯霉素扩增法可使质粒DNA占占细胞细胞

33、DNA总量的总量的50%，这对制备大量质粒，这对制备大量质粒DNA极为有利。极为有利。（3）质粒载体举例）质粒载体举例 四环素抗性基因氨苄青霉素 抗性基因O r i Pst Sal Pvu Ava Bam HHind Eco RpBR322(amp(ampr r)(ter(terr r)pUC系列系列 pUC系列质粒（系列质粒（pUC 8、9、12、13、18、19）具有）具有pBR和和M13的许多特性，一般的许多特性，一般2.7kb.含含有有Ampr基因和基因和LacZ基因的一部分基因的一部分。EcoSacKpnSmaBamXbaSalPstSphHinRI I I I HI I I I I

34、 dIIIpUC18pUC19HinSphPst SalXbaBamSmaKpnSacEcodIII I I I I HI I I I RIApOriLacZ(2.68kb)r（4）质粒电泳）质粒电泳OCSC5.常用的克隆载体常用的克隆载体噬菌体载体噬菌体载体（1）噬菌体噬菌体(phage)的特点：的特点：.一种能感染大肠杆菌的病毒，野生型含一种能感染大肠杆菌的病毒，野生型含有双链线状有双链线状DNA分子（分子（DNA），长度，长度48.5kb,分子两端各有一个分子两端各有一个12bp组成的粘性末端组成的粘性末端,感染大感染大肠杆菌后肠杆菌后,线状线状DNA通过粘性末端互补连接成环通过粘性末端

35、互补连接成环,连接处称连接处称COS位点。位点。.本身有复制体系本身有复制体系;.感染大肠杆菌后要进行环化感染大肠杆菌后要进行环化DNA感染大肠杆菌后的环化过程感染大肠杆菌后的环化过程 .DNA在体外可包装成病毒颗粒在体外可包装成病毒颗粒,感染效率感染效率高高;.载体容量大载体容量大,可装入大片段外源可装入大片段外源DNA(20kb);.可人工加入多克隆位点可人工加入多克隆位点;.筛选容易筛选容易噬菌斑筛选噬菌斑筛选;.主要用于主要用于DNA文库的构建文库的构建.（2）M13噬菌体噬菌体 特点：一种丝状单链噬菌体，闭环正链特点：一种丝状单链噬菌体，闭环正链ssDNA，全长，全长6.5kb,感染

36、大肠杆菌后感染大肠杆菌后,ssDNA 转转变为变为dsDNA,可用作克隆载体。可用作克隆载体。最大优点：产生单链最大优点：产生单链DNA,可制备单链可制备单链DNA探针。探针。柯斯质粒柯斯质粒(cosmid)粘性质粒粘性质粒基本结构特征基本结构特征:是一种人工改造的载体是一种人工改造的载体,双链环状双链环状DNA组成组成:DNA的的 cos区区+质粒质粒+控制包装作控制包装作用的序列用的序列克隆容量克隆容量：31 45kb 常用的克隆载体常用的克隆载体柯斯质粒柯斯质粒4.cosmid较小较小,约约4 6kb.5.cosmid重组体可象噬菌体一样进行外壳装配重组体可象噬菌体一样进行外壳装配,形形

37、成噬菌体颗粒成噬菌体颗粒,感染大肠杆菌效率比质粒高得多感染大肠杆菌效率比质粒高得多,进入宿主细胞后进入宿主细胞后,只能象质粒一样扩增只能象质粒一样扩增,并依赖抗并依赖抗药性被筛选药性被筛选.1.具有具有-DNA的的COS位点位点;2.具有质粒的复制起点和抗药性标记具有质粒的复制起点和抗药性标记(Ampr);3.具有多种单一的酶切位点具有多种单一的酶切位点.柯斯质粒柯斯质粒(cosmid)的特点的特点:cos:cohesive-end site柯斯质粒柯斯质粒结构图：结构图：柯斯质粒柯斯质粒的优缺点的优缺点:1.克隆效率高克隆效率高;2.可利用质粒可利用质粒DNA的方式扩增的方式扩增;3.可克隆

38、较大可克隆较大DNA片段片段;主要用于真核基因的克隆主要用于真核基因的克隆,基基因组文库构建因组文库构建 4.缺点缺点:产生串联现象。产生串联现象。YAC载体载体 酵母人工染色体，可容纳外源基因片段长达酵母人工染色体，可容纳外源基因片段长达200kb-1000kb，含有酵母第，含有酵母第4号染色体的着丝粒号染色体的着丝粒和自主复制序列和自主复制序列CEN4、ARS1，作为端粒的，作为端粒的Tel序列，选择性标志序列，选择性标志URA3、TRP1和和SUP4，能在，能在酵母中稳定的复制，常用于大的染色体基因组酵母中稳定的复制，常用于大的染色体基因组DNA文库构建。文库构建。其他克隆载体：其他克隆

39、载体：插入型载体插入型载体含单一的限制性酶切位点，含单一的限制性酶切位点，可接受可接受10kb以下的外源片段，以下的外源片段，可用于可用于cDNA文库文库构建；构建；取代型载体取代型载体含某一限制性酶的两个切点，含某一限制性酶的两个切点，可接受可接受20kb左右的外源片段，左右的外源片段，可用于基因组可用于基因组DNA文库构建。文库构建。经人工改造生成的基因克隆经人工改造生成的基因克隆载体类型载体类型目的基因目的基因(target DNA)的制备的制备 目的基因（外源基因）目的基因（外源基因）制备基因组制备基因组DNA-基因文库基因文库(genomic library)存在于转化细菌存在于转化

40、细菌中、克隆载体携带的所有基因组中、克隆载体携带的所有基因组DNA的集合的集合 制备制备cDNA -cDNA文库文库(cDNA library)制备用于表达的基因片段：制备用于表达的基因片段：PCR技术、化技术、化学合成学合成文库构建文库构建 基因组文库基因组文库cDNA文库文库 区别区别：材料：材料 基因结构不同基因结构不同 文库内容文库内容 载体载体 使用范围使用范围构建基因文库的克隆载体构建基因文库的克隆载体粘粒粘粒(Cosmid)细菌人工染色体细菌人工染色体(BAC)酵母人工染色体酵母人工染色体(YAC)P1噬菌体人工染色体噬菌体人工染色体(PAC)基因文库的构建的步骤基因文库的构建的

41、步骤:载体载体DNA的分离的分离真核生物真核生物DNA的分离的分离部分酶解部分酶解片段回收片段回收(9-23 kb)载体与插入片段的连接载体与插入片段的连接包装包装文库的效价测定文库的效价测定文库的扩增文库的扩增文库的保存文库的保存重组克隆鉴定重组克隆鉴定高丰度高丰度中丰度中丰度低丰度低丰度 cDNA文库的构建文库的构建cDNA文库能否构建成功的关键是文库能否构建成功的关键是:高质量的高质量的mRNA的获得的获得一个好的一个好的cDNA文库的特征文库的特征:包含有足够大量的独立克隆，代表最初的包含有足够大量的独立克隆，代表最初的mRNA样品中的所有转录本样品中的所有转录本 克隆中包含接近全长的

42、克隆中包含接近全长的mRNA cDNA library constructionAAAAA53 mRNA(all mRNAs in cell)anneal oligo(dT)primers of 12-18 bases in lengthAAAAATTTTT535add reverse transcriptase and dNTPsAAAAATTTTT5335 cDNAadd RNaseH(specific for the RNA strand of an RNA-DNA hybrid)and carry out a partial digestionAATTTTT5short RNA fra

43、gments serve as primers for second strand synthesis using DNA polymerase I 33AAAAATTTTT53short RNA fragments serve as primers for second strand synthesis using DNA polymerase I AAATTTTT53DNA polymerase I removes the remaining RNA with its 5 to 3 exonuclease activity and continues synthesisDNA ligase

44、 seals the gaps AAATTTTT53AAAAATTTTT53double-stranded cDNAAAAAATTTTT53NNNNNNNNGNNNNNNNNCTTAAEcoRI linkers are ligated to both endsusing DNA ligaseAAAAANNNNNNNNGTTTTTNNNNNNNNCTTAA double-stranded cDNA copies of mRNA with EcoRI cohesive ends are now ready to ligate into a bacteriophage lambda vector c

45、ut with EcoRI53AATTCNNNNNNNN GNNNNNNNNCIP:牛小肠碱性磷酸酶牛小肠碱性磷酸酶粘性末端连接法（粘性末端连接法（连接效率高连接效率高）和去和去磷酸连接法磷酸连接法载体与目的基因的连接方法载体与目的基因的连接方法人工接头法：人工接头法：同聚物接尾法同聚物接尾法目的基因载体DNA+dGTP+dCTPPolyGPolyC3333自然界的基因转移和重组自然界的基因转移和重组 基因重组基因重组(genetic recombination)整整段段DNA在细胞内或细胞间在细胞内或细胞间,甚至不同物种甚至不同物种间进行间进行交换交换,并能在新的位置上并能在新的位置上复制、

46、转复制、转录和翻译。录和翻译。自然界的基因转移和重组是无目的自然界的基因转移和重组是无目的 基因工程是有目的基因重组基因工程是有目的基因重组 结合作用结合作用 质粒质粒DNA从一个细胞（细菌）转移至另一从一个细胞（细菌）转移至另一个细胞（细菌）个细胞（细菌）转化作用转化作用 (transformation)通过自动获取或人为地供给外源通过自动获取或人为地供给外源DNA，使，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型的细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型的过程。过程。转导作用转导作用 transduction 病毒、噬菌体介导病毒、噬菌体介导 溶菌途径溶菌途径(烈性噬菌体烈性噬菌体)；溶原途径溶原途

47、径(温和噬菌体温和噬菌体)裂解溶原将重组将重组DNA导入宿主细胞导入宿主细胞 基因工程菌基因工程菌 HB101,JM109 转化转化(transformation)制备制备感受态细胞感受态细胞 冷的氯化钙处理，细胞处于最适冷的氯化钙处理，细胞处于最适摄取和容忍外来摄取和容忍外来DNA的生理状态的生理状态 感染感染(infaction)转导转导(transduction)：由噬菌体和细胞病毒介导的遗：由噬菌体和细胞病毒介导的遗传信息转移过程传信息转移过程 转染转染(transfection)：真核细胞主动摄取或被动：真核细胞主动摄取或被动导入外源导入外源DNA片段而获得新的表型的过程。片段而获得

48、新的表型的过程。目的基因的筛选和鉴定方法目的基因的筛选和鉴定方法(screening/selection)免疫学方法免疫学方法 分子杂交分子杂交 探针探针 原位杂交原位杂交 PCR 限制性酶切图谱限制性酶切图谱 遗传学方法遗传学方法 插入灭活法插入灭活法(insertion inactivation):抗药性标志选择抗药性标志选择（蓝白斑筛选）（蓝白斑筛选）转化子筛选指示系统转化子筛选指示系统蓝白斑筛蓝白斑筛选选 在培养基中加入诱导物在培养基中加入诱导物IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）和底物（异丙基硫代半乳糖苷）和底物x-gal，IPTG诱导诱导LacZ表达产生表达产生-半半乳糖苷酶，乳糖苷酶，

49、-半乳糖苷酶使半乳糖苷酶使x-gal水水解，产生兰色化合物，形成兰色菌解，产生兰色化合物，形成兰色菌落；落；当插入外源片段，使当插入外源片段，使LacZ基因基因失活，形成无色菌斑。失活，形成无色菌斑。IPTG:异丙基巯异丙基巯基半乳糖苷基半乳糖苷 X-gal(5-溴溴-4-氯氯-3-吲哚吲哚-D-半乳糖苷半乳糖苷)利用利用互补原理筛选重组体互补原理筛选重组体DNA分子分子利用菌落颜色筛选重组子AprAprApr转 化筛 选 重 组 子 白 色 菌 落2)DNA重 组无 DNA插 入有 DNA插 入外 源 DNA重 组 DNA提 取 DNA 电 泳AprAprApr1)限 制 酶 切 bp153

50、4 994 695 515 377 237 A B C M 重组重组DNA的酶切鉴定图谱的酶切鉴定图谱(A:原载体原载体;B:酶切产物酶切产物;C:重组重组DNA;M:分分子量标准子量标准通过灭活质粒所携带的抗生素抗性基因来筛通过灭活质粒所携带的抗生素抗性基因来筛选重组选重组DNA分子分子检测重组克隆的菌落杂交技术检测重组克隆的菌落杂交技术重组重组DNA技术的基本过程小结技术的基本过程小结 目的基因的制备目的基因的制备 载体的选择和制备载体的选择和制备 DNA分子的体外连接分子的体外连接 将外源将外源DNA导入宿主细胞导入宿主细胞 目的基因的筛选和鉴定目的基因的筛选和鉴定基因工程的基本操作步骤

51、及其基因工程的基本操作步骤及其应用意义应用意义 基因工程的基本操作步骤：基因工程的基本操作步骤：获取外源目的基因；获取外源目的基因；寻找基因载体寻找基因载体(通常为质粒、噬菌通常为质粒、噬菌体等体等)使用限制性内切酶，使目的基使用限制性内切酶，使目的基因与载体产生相同粘性末端，两个因与载体产生相同粘性末端，两个末端互补连接，形成重组末端互补连接，形成重组DNA；通过转化通过转化(或感染或感染)将重组将重组DNA引入引入寄主细胞；寄主细胞；从大量的寄主细胞中筛选出带有重从大量的寄主细胞中筛选出带有重组组DNA的细胞进行培养。的细胞进行培养。意义：意义：利用基因工程技术，可以大量生产在一些正常利用

52、基因工程技术，可以大量生产在一些正常细胞中产量很低的多肽物质，用于医药等工业细胞中产量很低的多肽物质，用于医药等工业生产中；生产中；定向改造生物基因结构，生产抗病强、品质优定向改造生物基因结构，生产抗病强、品质优的各种农副产品，以提高经济价值；的各种农副产品，以提高经济价值；用于生命科学的基础研究；用于生命科学的基础研究；值得注意的是，基因工程技术若使用不当、管值得注意的是，基因工程技术若使用不当、管理不善，也会给人类带来灾难。理不善，也会给人类带来灾难。作业作业:1、用、用Sanger双脱氧链终止法进行双脱氧链终止法进行DNA自自动序列分析动序列分析(即即DNA测序分析测序分析)的原理。的原理。2、PCR技术原理。技术原理。3、转化子的蓝白筛选原理。、转化子的蓝白筛选原理。