《分子生物学研究法上》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子生物学研究法上（102页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、分 子 生 物 学 (Molecular Biology),陈爱群 主讲,第五章 分子生物学研究法（上）-DNA、RNA及蛋白质操作技术,引 言,从20世纪中叶开始，分子生物学研究得到高速发展，主要原因之一是研究方法，特别是基因操作和基因工程技术的进步。基因操作也称重组DNA技术，主要包括DNA分子的切割与连接、细胞转化、凝胶电泳、核酸分子杂交、核酸序列分析以及基因人工合成、定点突变和PCR扩增等，是分子生物学研究的核心技术。基因工程是指在体外将核酸分子插入各种载体分子中，构成遗传物质的新组合，并使之进入新的寄主细胞内，进行持续稳定的繁殖和表达。,本章的主要内容,第一节 重组DNA技术回顾 第
2、二节 DNA的基本操作技术 第三节 RNA的基本操作技术 第四节 基因克隆技术 第五节 基因芯片技术 第六节 蛋白质组学及其研究技术,第一节 重组DNA技术回顾,(Review of Recombinant DNA Technique),重组DNA技术（Recombinant DNA Technique）,又称为基因克隆（Gene Cloning）或分子克隆（Molecular Cloning）技术。是按照人们意愿，在体外对DNA分子进行重组，再将重组分子导入受体细胞，使其在细胞中扩增和繁殖，以获得该DNA的大量拷贝。,重组DNA技术包括了一系列的基因操作步骤。,二、重组DNA技术的基本步骤,
3、目的DNA的获得与载体的制备； 目的DNA与载体的连接； 重组DNA导入受体细胞； 重组DNA的筛选和鉴定； 目的DNA的表达及表达产物的检测与分离纯化。,三、重组DNA技术的四大要素,目的DNA载体（Vector）工具酶宿主细胞,（一）目的基因（外源基因）的获取,获得需要的目的基因常用的方法：,1、分离的基因DNA片段或基因；,2、mRNA逆转录合成的cDNA；,3、化学合成人工目的基因；,4、PCR体外扩增的DNA片段。,（二）载体,载体(Vector)：是指能运载外源性DNA进入宿主细胞，并能进行自我复制的DNA。,克隆载体(cloning vector)：为使插入的外源DNA序列被大量
4、扩增而设计的载体。 表达载体(expression vector)：为使插入的外源DNA序列可转录翻译成多肽链而设计的载体。允许外源DNA的插入、储存和表达。 整合载体(integrated vector): 为把一个基因插入到染色体中而特意设计的载体。,1、载体分类-按功能分类：,（2）按进入受体细胞类型分类：,穿梭载体（Shuttle vector）：是能够在两类不同宿主中复制、增殖和选择的载体。如有些载体既能在原核细胞中复制又能在真核细胞中复制，或能在 E. coli 中复制又能在革兰氏阳性细菌中复制。,原核载体,真核载体,（3）按载体来源分类：,噬菌体载体（入噬菌体）,质粒载体,柯斯质
5、粒（Cosmid）,细菌人工染色体（Bacterial Artificial Chromosome，BAC）,P1源的细菌人工染色体（P1-derived Artificial Chromosome，PAC）,酵母人工染色体（ Yeast Artificial Chromosome YAC）,病毒载体,哺乳动物人工染色体（Mammal Artificial Chromosome ，MAC）,人类人工染色体（Human Artificial Chromosome ，HAC）,植物人工染色体（Plant Artificial Chromosome ，PAC）,常见载体的种类和特征,2、载体应当具备
6、的条件,（1）能自主复制。容易获得大量的重组的DNA分子； （2）具有合适的外源DNA插入的位点（克隆位点或限制性内切酶的切点）。便于接纳不同的DNA片段。 （3）具备可供选择的遗传标记。便于进行重组体筛选和鉴定。 （4）载体本身应尽量小。不含或尽量少含多余的DNA部分，这样可以容纳较大的外源DNA。 （5）在宿主细胞内的稳定性高。,多克隆位点,Ori,复制起始点,遗传标记,Amp,MCS,载体,（三）工具酶,重组DNA实验中常见的主要工具酶,我们的基本目的是：把外源基因与载体连接在一起形成重组DNA分子，最少需要以下两类工具酶：,1、准确切割DNA分子的工具（“分子手术刀”）-限制性内切酶,
7、2、DNA片段的连接工具（“分子缝合针”）-DNA连接酶,1、限制性核酸内切酶- “分子手术刀”,限制性核酸内切酶（Restriction Endonuclease, RE）：是一类能识别和切割双链DNA分子中特定碱基顺序的核酸水解酶。,命名原则:,Hind,Haemophilus influenzae d菌株 流感嗜血杆菌d菌株的第3种酶, 第一个字母是细菌属名的第一个字母，要大写； 第2、3个字母是细菌种名的前两个字母，要小写；上述字母都是用斜体。 接着是细菌菌株的第一个字母，用正体字母书写； 如果同一菌株有不同的内切酶时，按发现次序分别 用罗马数字、表示。,识别序列特点 回文结构(pal
8、indrome)即反向重复结构，以DNA分子中某一处为轴，其两侧核苷酸排列呈回文对称的序列。,每种限制性内切酶都有一个它所识别、结合并切割的特异序列，称为限制性位点或切点（48bp）。,识别序列：,Bam H,+,Sam I,+,平末端（Blunt end）： 对称轴切割,粘性末端（Sticky end）： 交错切割,切口：平端切口、粘端切口,如果用一种限制酶，切割两种不同的DNA时，产生相同的末端，混合后“退火”，这两种不同的DNA分子彼此可以连接，形成重组DNA分子。,2、DNA连接酶- “分子缝合针”,DNA连接酶（DNA Ligase）： 催化两条DNA链的3-OH和5-P之间形成磷酸
9、二酯键而把两个DNA分子连接在一起。例如:T4 DNA连接酶。,外源基因与载体的连接方式：,（1）粘性末端连接,方式： 同一限制性内切酶切点的连接不同限制性内切酶切点的连接,（2）平端连接,适用于： 限制性内切酶作用产生的平端 粘端经特殊酶处理变为平端,（3）同聚物加尾连接,由末端转移酶（Terminal transferase）作用，在DNA片段末端加上同聚物序列，制造出粘性末端再连接。,（4）人工接头,平端加上带有新的酶切位点的寡核苷酸，再用限制酶切产生粘性末端，进行连接。,（四）宿主细胞,大肠杆菌 酵母,1、常用种类,2、导入方式,转化（transformation） 转染（transf
10、ection） 转导（transduction）,二、细菌转化与目标DNA分子的增殖,细菌转化（Transformation）:,一种细菌菌株由于捕获了外源DNA而导致性状特征发生遗传改变的生命过程。接受转化DNA的细菌菌株则被称为受体菌株。绝大多数细菌，正常条件下仅能获得极少量的DNA。为了高效转化这些细菌，必须对受体细菌进行一些物理或化学的处理，以增加它们获得DNA的能力。经历这种处理的细胞被称为感受态细胞（Competent Cell）。,常用细菌转化的方法1-CaCl2法,将快速生长中的大肠杆菌置于经(0）预处理的低渗氯化钙(0.1mol/L)溶液中，使细胞膨胀形成原生质球，外源DNA
11、粘附在细胞表面。,42下做短暂热刺激，细胞吸收外源DNA。在全培养基中生长一段时间使转化基因实现表达，涂布于选择性培养基中分离转化子。,常用细菌转化的方法2-电转化法,克隆的筛选和鉴定：,1、抗生素,常用的抗生素有：氨苄青霉素、卡那霉素、氯霉素、四环素、链霉素等。,2、-互补蓝白斑筛选法,实验室常用带有不同抗生素的选择性培养基结合-互补蓝白斑筛选法鉴定转化细胞。,载体上：-半乳糖苷酶基因（LacZ）的调控序列和氨基 端（N端）146个氨基酸编码序列，在编码区中插入了一个多克隆位点（MCS）； - 片段,宿主细胞：编码-半乳糖苷酶C端序列 - 片段,宿主和质粒编码的片段虽都没有酶活性，但它们同时
12、存在时，可形成具有酶学活性的蛋白质。这样，LacZ基因在缺少近操纵基因区段的宿主细胞与带有完整近操纵基因区段的质粒之间实现了互补，称为-互补。,（LacZ基因 N端序列）,LacZ基因 N端序列,LacZ酶,细菌转化与目标DNA分子的增殖的操作过程,噬菌体作为克隆载体的克隆过程,第二节 DNA的基本操作技术,（Techniques for DNA Manipulation）,一、核酸的凝胶电泳,二、聚合酶链式反应,三、DNA测序技术,四、实时定量PCR,五、基因组DNA文库的构建,一、核酸的凝胶电泳,核酸凝胶电泳是重组DNA技术的核心技术之一，它可以按分子量大小对DNA或RNA进行分离。因此，
13、可用于分离、鉴定和纯化DNA或RNA片段，也是许多分子生物学研究方法，如DNA分型、DNA核苷酸序列分析、限制性内切酶片段分析、凝胶回收等等一系技术的技术基础。,凝胶电泳的基本原理,将一带电荷的分子放置到电场中，会以一定的速度移向适当的电极（电泳）。这种分子在电场作用下的迁移速度，叫做电泳迁移率。电场强度越大，带点分子净电荷越多，迁移速率越快，分子越慢。在电泳中往往使用无反应活性的稳定的支持介质（琼脂糖or 聚丙烯酰胺凝胶），电泳迁移率与分子的摩擦系数成反比。 摩擦系数是分子大小、极性、介质粘度等的函数。因此，在同一凝胶中、一定电场强度下，可根据分子大小的不同、构型的差异以及所带电荷的多寡，将
14、分子混合物中的各种成分彼此分开。,生理条件下，核酸分子中的磷酸基团呈负离子化状态。同时，由于糖-磷酸骨架在结构上的重复性质，相同大小的双链DNA几乎具有等量的净电荷，因此它们能以同样的速度向正电极方向迁移。,常用的核酸凝胶电泳有琼脂糖(Agarose)凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）。可以在水平或垂直的电泳槽中进行。,琼脂糖是一种线性多糖聚合物，从红色海藻产物琼脂中提取而来的。将琼脂糖粉末加热到熔点后冷却凝固便会形成良好的电泳介质。经化学修饰后，琼脂糖的熔点会降低（低熔点琼脂糖），在较低温度下便会熔化，常用于DNA片段的制备电泳。 聚丙烯酰胺凝胶是一种人工合成凝胶，是以丙烯酰胺为单位，
15、由单体丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺聚合而成。催化聚合的常以过硫酸铵（AP）为催化剂，以四甲基乙二胺（TEMED）为加速剂。,琼脂糖凝胶分辨DNA片段的范围为0.2-50 kb之间。 聚丙烯酰胺凝胶的分辨范围为1-1, 000 bp之间。 凝胶浓度的高低影响凝胶介质孔隙的大小，浓度越高，孔隙越小，其分辨能力就越强。,琼脂糖及聚丙烯酰胺凝胶分辨DNA片段的能力,凝胶的EB染色,溴化乙锭（Ethidium Bromide，EtBr）是一种扁平分子的核酸染料，能插入到DNA或RNA分子的相邻碱基之间，并在特定波长的紫外线照射下发出荧光。由于此种染料不能与琼脂糖或聚丙烯酰胺结合，因此，只有DNA分子能够吸收
16、溴化乙锭并发出荧光。具有潜在的诱变性和致癌性。,溴化乙锭染料对DNA分子的插入作用,在凝胶电泳中或后，加入溴化乙锭（EB）染料对核酸分子进行染色，然后放置在紫外光下观察，可灵敏而快捷地检测出凝胶介质中DNA的谱带部位，即使每条DNA带中仅含有0.05g的微量 DNA，也可以被清晰地检测出来。,凝胶成像仪,脉冲电场凝胶电泳 （Pulsed-Field Gel Electrophoresis，PFGE）,实验表明，超过一定大小的线状双链DNA分子在琼脂糖凝胶中以相同速率迁移。大于该极限长度（50kb）后DNA的迁移速率几乎与分子大小无关，而主要决定于电场强度。PFGE 解决了这一问题。在脉冲电场中，DNA分子的迁移方向随着电场方向的周期性变化而不断改变。由于电场方向、电流大小及作用时间都在交替变化，使得DNA分子需要随时调整其游动方向，以适应凝胶孔隙的无规则变化。,
