外源基因的表达检测及遗传特性

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1、第三篇 外源基因的表达、检测及遗传 特性第一章 转化外源基因在植物细胞中的表达调 控第二章 外源基因整合的鉴定第三章 外源基因表达的检测第四章 转基因植物的遗传特性第一章 转化外源基因在植物细胞中的表达 调控第一节 转化外源基因的瞬时表达和稳定表达第二节 DNA序列对转化外源基因表达的调控第三节 DNA甲基化对转化外源基因表达的调 控第四节 提高转化外源基因表达的策略第一节 转化外源基因的瞬时表达和稳定 表达一、转化外源基因的瞬时表达在合适的条件下，转化的外源基因通 常在数小时后就能检测到其表达的产物， 并在1-2天内达到最高值，随后又逐渐降低 ，至十多天后完全消失。这种短时间内的 外源基因表

2、达称之为瞬时表达。1.外源基因瞬时表达的机制（1）瞬时表达是未整合的外源基因的表达（2）瞬时表达是一种正常的表达方式基因扩增是指细胞内某些特定基因 的拷贝数专一性地大量增加的现象。扩 增的基因片断游离在细胞核内。2.外源基因瞬时表达的影响因 素（1）质粒DNA的基因结构；（2）细胞内源核酸酶的影响；（3）受体细胞生理状态及其内源Gus酶抑制剂的影响；3.外源基因瞬时表达的应用（1）在基因转化研究中的应用农杆菌转化能力的检测； 优化基因转化条件，选择导入DNA的方法，确 定农杆菌共培养的时间等。（2）植物基因表达调控的研究启动子、增强子、内含子、终止子的功能研究 ；外界因素对基因表达调控的影响；

3、 植物激素的调控机理。二、转化外源基因的稳定表 达所谓稳定表达是指外源基因整合到和基因 组DNA分子上，并能稳定地遗传的外源基因的 表达。需符合以下条件：（1）表达时间长，无迅速衰退现象；（2）DNA已整合到植物基因组中；（3）能够传递给后代，并符合分离规律。第二节 DNA序列对转化外源基因表达的 调控一、植物基因工程中常用的启动子按作用方式及功能不同可将启动子分为三类 ： 组成型启动子2. 组织特异性启动子3. 诱导型启动子1. 组成型启动子在该类型启动子控制下，结构基因的表 达大体恒定在一定水平上，在不同组织部为 表达水平也没有明显差异，为此称之为非特 异性表达组成型启动子。其特点是：表达

4、具 持续性；表达量相对稳定；不表现时空特异 性；不受外界因素诱导；在结构上存在六聚 体花纹序列（TGACTG），往往以重复形式 出现并被6-8个核苷酸隔开。（1）CaMV35S启动子该启动子来自花椰菜花叶病毒（CaMV），其 转录产物的沉降系数为35S，故名。最近发现35S启动子可以划分为两个区域：从 -90 +8为A区域，主要负责在胚根、胚乳的根及 根组织内表达；从-343 -90为B区域，主要负责 在胚的子叶及成熟植株的叶组织及维管组织内表达 ，在B区域内的增强子序列可以提高表达水平。（2）Nos和Oct启动子来自与根癌农杆菌Ti质粒的胭脂碱 合成酶基因和章鱼碱合成酶基因，具有 与植物基因

5、相似的序列。2. 组织特异性启动子也称为器官特异性启动子，在这类启动子的调 控下，基因的表达往往只发生在某些特定的器官或 组织部位，并往往表现出发育调节的特性。这种特 异性通常以特定的组织细胞结构和化学物理信号为 存在的基础。典型的组织特异性启动子有：马铃薯 块茎蛋白基因启动子；小麦胚乳特异表达的ADP- 葡萄糖焦磷酸化酶基因启动子；番茄果实成熟特异 性表达的多聚半乳糖醛酸酶基因启动子；花粉特异 表达基因（lat52）启动子和木质部特异表达的苯 丙氨酸脂肪酶基因（pal）启动子等。3. 诱导型启动子所谓诱导型启动子就是在某些特定 的物理或化学信号的刺激下，可以大幅 度地提高基因转录水平的启动子

6、。该类 启动子常以诱导信号命名，如光诱导表 达基因启动子；热诱导表达基因启动子 ；创伤诱导表达基因启动子；真菌诱导 表达基因启动子等。二、终止子的转录调控作用不同来源的有着很大影响。使用35S 启动子与NPTII结构基因形成共整合体， 并于不同来源的终止子构建成融合基因 ，转化烟草。发现不同的终止子使NPTII 基因的表达水平可相差60倍。植物基因 的终止密码子多用UGA，而在双子叶植 物中，UAA的使用频率高于UGA。三、5，3端序列对外源基因转录后的调控 作用基因的整体表达过程包括：转录、初级 转录产物的加工、运输、mRNA的翻译以及 蛋白产物的后加工这一系列步骤，每个步骤 上都存在着复杂

7、而精细的调节，只提高外源 基因的转录活性并不能有效地提高细胞中相 应的mRNA 水水平和蛋白含量。分析和改造 转录产物的结构、提高mRNA 的稳定性和翻 译活性是转录后调控研究的重点。1. 5 端帽序列的调控帽子结构不仅能提高翻译起始频率 ，还能保护mRNA 免遭外且核酸酶的破 坏，提高mRNA的稳定性。2. 5 端先导序列的调控从真核基因mRNA 5 端帽子到起始密 码子之间的不翻译核苷酸序列称为先导序列 。先导序列的结构、组成和长度对翻译效率 的影响是存在的，但不是绝对的。TMV基 因组RNA68碱基的先导序列和AMV RNA436碱基的先导序列具有提高外源基因 mRNA 翻译活性的功能。

8、3.poly(A)及其信号序列的调控poly(A)和某些蛋白因子的结合能保 护mRNA 免遭外切核酸酶的降解。3端聚腺苷酸信号附近的一些核苷酸 序列能够促进提高植物基因表达水平， 很可能是通过促进mRNA加工和增加其 稳定性而发挥作用。四、内含子对转化外源基因的表达调控作 用1.内含子有利于基因的变异进化（1）有利于在内含子序列之间发生重组， 从而产生新的基因；（2）内含子切割点的变异导致外显子延伸 。2.内含子具有提高外源基因表达水平的作用由于内含子的有效拼接提高了细胞中成 熟mRNA 的水平，从而有利于基因表达。五、信号肽序列对转化外源 基因翻译产物的调控作 用翻译的完成不是基因表达的结束

9、， 初级翻译产物并不具有生物活性，称之为 前体蛋白。它通常还需要加工、修饰和正 确折叠才能成为有活性的蛋白。前体蛋白 的信号肽与活性蛋白的成熟有关、也与蛋 白质的运输和分泌有关。第三节 甲基化对转化外源基因的表达 调控DNA甲基化现象广泛地存在于动植 物细胞中，有许多重要的生物学功能， 包括DNA复制起始、突变、修饰限制系 统等。通过改变DNA的甲基化状态可以 调控基因的表达。1. DNA甲基化的作用机制（1）甲基化影响DNA与蛋白质的相互识别 与作用；（2）甲基化影响DNA的构象，从而调节 DNA的基因活性。如以5-氮胞嘧啶核苷取代胞苷，诱导 消除甲基化修饰，可使基因激活。2. DNA甲基化

10、在转基因植物中的 作用众多实验表明， DNA甲基化严 重影响外源基因在转基因植物中的表 达水平。第四节 提高转化外源基因表达的 策略一、克服转化外源基因失活的策略 1.筛选单拷贝转基因株系； 2.核基质附着区的使用； 3.诱导型表达启动子的使用； 4.基因DNA序列的改造。 二、启动子、增强子、终止子、内含子、5和3 端调控序列的使用 三、优化先导序列，提高翻译效率第二章 外源基因整合的鉴 定为获得真正的转基因植株，进行基 因转化后要进行以下工作： 第一步：筛选转化细胞； 第二步：对转化植株进行分子生物学鉴 定，Southern、Northern、Western 。 第三步：性状鉴定； 第四步

11、：遗传学分析，获得转基因品种 。第一节 Southern杂交Southern杂交用于检测和分析外源基 因的整合情况。用标记的外源基因（或片断 ）做探针，与植物细胞染色体DNA进行杂 交。具体的检测方法有Southern斑点杂交 和Southern印迹杂交两种。下面以 Southern印迹杂交为例加以介绍。一、植物总DNA提取1.植物总DNA提取提取原理及方法概述2.植物总DNA提取的实验设计3.植物DNA样品纯度及浓度的检测4.植物DNA样品的保存1.植物总DNA提取原理及方法概述（1）CTAB法原理：CTAB（十六烷基三乙基溴化铵）是一种去污 剂，可溶解细胞膜，它能与核酸形成复合物，在高 盐

12、溶液中（0.7mol/L NaCl）是可溶的，当降低溶液 盐浓度到一定程度（ 0.3mol/L NaCl ）时，从溶液 中沉淀，通过离心就可将CTAB与核酸的复合物同蛋 白质、多糖类物质分开。然后将CTAB与核酸的复合 物沉淀溶解于高盐溶液，再加入乙醇使核酸沉淀， CTAB能溶于乙醇。方法：1.取1-50克新鲜植物材料，于液氮中研磨成粉。 2.将冻粉转入预冷的离心管中，立即加入等体积（ w/v） 65 预热的2 x CTAB提取缓冲液，充分混匀， 65 保温10-20分钟，其间不时摇动。 3.加入等体积的氯仿/异戊醇，轻缓颠倒离心管混匀 ， 室温下12000rpm离心10-20分钟。 4.将上

13、清转入另一离心管中，假如1/10体积的10% CTAB，混匀，加入等体积的氯仿/异戊醇，颠倒离 心 管混匀，室温下12000rpm离心10-20分钟。 5.取上相，重复4操作一次。6.将上相转入新的离心管，加入1-1.5倍体积的1x CTAB沉淀缓冲液，混匀，室温下放置30分钟，沉 淀。 7.3500-4000rpm离心5-10分钟，去上清 ，沉淀吹 干。 8.按0.5ml/g材料的比例加入1mol/L乙酸铵溶液， 使沉淀溶解完全，再加入7.5mol/L乙酸铵至终浓 度为2.5mol/L. 9.加入2倍体积的异戊醇，混匀，室温下放置10分 钟。 10. 10000rpm离心5分钟，去上清。 1

14、1.用70%乙醇漂洗沉淀，吹干，沉淀溶于适量TE 。 优点：能很好的去除糖类杂质，对于含糖较高的材 料可优先采用。（2）SDS法原理：利用高浓度的SDS，在较高温度（55-65 ） 条 件下裂解细胞，使染色体离析，蛋白质变性，释放出 核酸，然后采用提高盐浓度及降低温度的方法使蛋白 质及多糖杂质沉淀（最常用的是加入5mol/L 的KAC 于 冰上保温，低温条件下KAC 与蛋白质及多糖结合成 不 溶物），离心除去沉淀后，上清中的DNA反复用酚/ 氯 仿抽提，用乙醇沉淀水相中的DNA。（3）植物总DNA提取时常遇到的 问题1.植物材料中含有较多的多酚类物质，使DNA呈褐 色。 解决办法：提高CTAB

15、提取缓冲液中巯基乙醇的含量 或在SDS提取液中加入6%的PVP（聚乙烯吡咯烷酮 ）。 2.植物细胞壁难以破碎。 解决办法：在SDS提取液中加入蛋白酶K，在液氮冷冻条件下研磨。2.植物DNA样品纯度及浓度的鉴 定用于Southern杂交的植物DNA样品在纯度、长度及浓度上均有较高的要求。纯度 上应无蛋白质、RNA、多糖及抑制限制性内切酶活性的物质；在长度上不应低于 50kb；浓度应在0.5-1 g/ l之间。目前主要采用琼脂糖凝胶电泳及紫外分光光度法进 行检测。（1）琼脂糖凝胶电泳1.所提植物DNA应呈现出一条分子量较大的清晰 条带。如样品呈弥散状，说明DNA已严重降解， 可能原因是：所用的器皿

16、及试剂是否灭菌；材料 收集后是否立即冷冻，研碎过程中或研碎后进入 提取液前是否融化；是否有剧烈振动、吸管口过 窄、产生起泡、反复吹打等操作。2.如在溴酚兰处出现明亮的荧光区，说明RNA过 多，可用RNA酶消化。3.如在样品槽内有荧光出现，说明DNA为完全溶 解或浓度过高，或样品不纯。 4.估算样品的浓度。（）紫外分光光度法测定1.纯度：纯净的DNA溶液其OD260OD280应为1.8， OD260OD230应大于2.0。 如果OD260OD280大 于1.8，表明应中含有较多的RNA；如果OD260 OD280小于1.6，则说明样品中蛋白质较多； OD260OD230小于2.0时，表明溶液中有残存的 小分子及盐类杂质，可增加70%乙醇洗涤沉淀的 次数。 2.浓度： DNA样品浓度（ g/ l ）= OD260稀释倍数 0.05二、杂交探针的制备探针是指经特殊化和物标记的特定的核苷酸 序列。用于检测植物基因组中外源基因整合的探 针应为同源探