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1、分子生物学基本操作技术,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。 基因操作主要包括DNA分子的切割与连接、核酸分子杂交、凝胶电泳、细胞转化、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。,核酸凝胶电泳技术,自从琼脂糖和聚丙烯酰胺凝胶被引入核酸研究以来，按分子量大小分离DNA的凝胶电泳技术，已经发展成为一种分析鉴定重组DNA分子及蛋白质与核酸相互作用的重要实验手段，也是现在通用的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以及限制酶切作图等的技术基础，受到
2、科学界的高度重视。 基本原理：生物大分子在一定pH条件下，通常会带电荷。将其放置到电场中，就会以一定的速度移向适当的电极。分子在电场作用下的迁移速度，与电场强度和电泳分子所携带的净电荷数成正比，与分子的摩擦系数成反比。摩擦系数是分子大小、极性及介质粘度的函数。根据分子大小、构型或形状的差异和带净电荷数，可通过电泳将蛋白质或核酸分子混合物中的各种成分彼此分离。,在生理条件下，核酸分子之糖-磷酸骨架中的磷酸基团，是呈离子化状态的，所以，DNA和RNA多核苷酸链又被称为多聚阴离子（polyanions），把这些核酸分子放置在电场当中，它们就会向正电极的方向迁移。由于糖-磷酸骨架在结构上的重复性质，相
3、同数量的双链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。在一定的电场强度下，DNA分子的这种迁移速度，亦即电泳的迁移率，取决于核酸分子本身的大小和构型。这就是应用凝胶电泳技术分离DNA片段的基本原理。,大分子量的DNA 移动的慢,小分子量的DNA 移动的快,电泳缓冲液,阳极,阴极,DNA加样孔,琼脂糖凝胶电泳,琼脂糖凝胶电泳是一种简便、快速、最常用的分离纯化和鉴定核酸的方法 琼脂糖是从海藻中提取的一种线状高聚物 根据琼溶解温度，把琼脂糖分为一般琼脂糖和低熔点琼脂糖 低熔点琼脂糖熔点为6265，溶解后在37下维持液体状态约数小时，主要用于DNA片段的回收，质粒与外源性DN
4、A的快速连接等,1）凝胶浓度选择,琼脂糖凝胶浓度与DNA分离范围,凝胶的分辨能力同凝胶的类型和浓度有关，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。反之，浓度降低，孔隙就增大，其分辨能力也就随之减弱。,2）电泳缓冲液,常用三种缓冲液 Tris-硼酸（TBE） Tris-乙酸（TAE） Tris-磷酸（TPE） TBE与TPE：缓冲容量高，DNA分离效果好，但TPE在DNA片段回收时含磷酸盐浓度高，容易使DNA沉淀 TAE：缓冲容量低，但价格较便宜。缓冲液中的 EDTA 可螯合二价阳离子，从而抑制DNA酶的活性，防止PCR扩增产物降解,10,4）上样缓冲液,指示剂
5、一般与蔗糖、甘油或聚蔗糖400组成上样缓冲液 作用： 增加样品密度，使其比重增加，以确保DNA均匀沉入加样孔内 在电泳中形成肉眼可见的指示带，可预测核酸电泳的速度和位置 使样品呈色，使加样操作更方便,溴化乙锭染料的化学结构及其对DNA分子的插入作用。由于插入了溴化乙锭分子，在紫外光照射下，琼脂糖凝胶电泳中DNA的条带便呈现出橘黄色荧光，易于鉴定。,5）核酸电泳的染色剂,在凝胶电泳中，加入适量溴化乙锭（ethidium bromide，简称EtBr）染料对核酸分子进行染色，然后将电泳标本放置在紫外光下观察，可十分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
6、量DNA，也可以被清晰地检测出来。,在紫外线的照射下结合溴化乙锭的DNA分子发出荧光,琼脂糖凝胶电泳,琼脂糖凝胶分辨DNA片段的范围为0.250kb之间,称样,溶解,加热,制板,倒胶,6）核酸电泳操作基本程序,取样,点样,电泳,检测,核酸电泳操作基本程序,结果,一、PCR技术原理 二、PCR技术主要类型 三、PCR技术主要应用,聚合酶链式反应,Polymerase Chain Reaction,聚合酶链式反应，即PCR技术，是一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法。它可以快速将极微量的目的基因或某一特定的DNA片段扩增数十万乃至千百万倍。,一、PCR技术原理,PCR技术简史,DNA的复制
7、 聚合酶链反应的发明,PCR技术简史,DNA的复制 聚合酶链反应的发明,PCR的发明人，一般公认是穆里斯（K. Mullis），他获得了1993年的诺贝尔化学奖。穆里斯在许多作品中，包括1990年在科学美国人上的一篇文章，及1998年的自传心灵裸舞（Dancing Naked in the Mind Field），都曾提到PCR这个构想的起源。,“顿悟”,那是在1983年春天的一个周五晚上，他开车带着女友前往乡间的小屋度周末。在蜿蜒的乡间公路上开着车，一段DNA反复复制的景像，在他的脑海里冒了出来。穆里斯原以为这样简单的想法，应该有人提出过，但搜索文献后却发现没有。,PCR技术的发明,PCR的
8、发明是DNA操作技术的革命 美国Mullis教授 开汽车时的联想,逶迤崎岖的山路 行驶的汽车 1988年发明了PCR技术 1993年获诺贝尔奖,Kary B. Mullis,1989年美国Science杂志列PCR 为十余项重大科学发明之首,比喻1989年为PCR爆炸年，Mullis荣获1993年度诺贝尔化学奖。,PCR 发明不到 10 年，却已获得广泛应用。目前，每年都有上千篇文章 发表。1991 年，期刊“PCR 方法与应用”（PCR Methods and Application）在美国创刊，使有关学者有了自己的论坛和参考的专业期刊。PCR 技术作为一种方法学革命，必将大大推动分子生物学
9、各有关学科的研究，使其达到一个新的高度。,引物,引物,Mullis的构思,DNA聚合酶,DNA聚合酶,特定DNA片段,Taq DNA聚合酶（thermus aquaticus),酶活性(%),温度(),40 50 60 70 80 90 100,100 80 60 40 20,29,72,94,55,PCR循环,PCR的基本原理,类似于DNA的体内复制。首先将待扩增DNA模板加热变性解链，随之将反应混合物冷却至某一温度，这一温度可使引物与它的靶序列发生退火，再将温度升高使退火引物在DNA聚合酶作用下得以延伸。这种热变性-复性-延伸的过程就是一个PCR循环，PCR就是在合适条件下的这种循环的不断
10、重复。,PCR Cycle - Step 1 - Denaturation Template DNA by Heat (95oC),Target Sequence,Target Sequence,PCR原理示意图,模板DNA的变性：模板DNA经加热至93左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应作准备；,PCR Cycle - Step 2 Temperature is lowered (Tm ) and primers anneal to target sequences,Target Sequence,Target Seq
11、uence,Primer 1,Primer 2,5,3,5,5,3,5,3,3,模板DNA与引物的退火(复性)：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合；,PCR Cycle - Step 3 - At 72 o C Taq DNA polymerase catalyses primer extension as complementary nucleotides are incorporated,Target Sequence,Target Sequence,Primer 1,Primer 2,5,3,5,5,3,5,3,3,Taq DNA Po
12、lymerase,引物的延伸：DNA模板-引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA 链。,End of the 1st PCR Cycle Results in two copies of target sequence,Target Sequence,Target Sequence,每完成一个循环需24分钟， 23小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。,Target Amplification,No. of No. Amplicon Cycles Copies of Target 1 2 2 4 3 8
13、 4 16 5 32 6 64 20 1,048,576 30 1,073,741,824,1 cycle = 2 Amplicon,2 cycle = 4 Amplicon,3 cycle = 8 Amplicon,4 cycle = 16 Amplicon,5 cycle = 32 Amplicon,6 cycle = 64 Amplicon,7 cycle = 128 Amplicon,PCR反应,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,PCR仪,PCR反应,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,PCR反应,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,重复13步 2530轮,目的DN
14、A片段 扩增100万倍以上,DNA双螺旋,DNA单链 与引物复性,DNA变性 形成2条单链,子链延伸 DNA加倍,模板DNA,PCR的基本原理,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,引物1,引物2,PCR的基本原理,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,引物1,引物2,Taq酶,Taq酶,PCR的基本原理,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,第1轮结束,第2轮开始,PCR的基本原理,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,Taq,Taq,Taq,Taq,PCR的基本原理,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,第2轮结束,PCR的基本原理,PCR反应条件 PCR过程 PCR的
15、特点,模板DNA,第1轮扩增,第2轮扩增,第3轮扩增,第4轮扩增,第5轮扩增,第6轮扩增,理想拷贝数=2n n 循环次数 实际拷贝数=(1+x)n X 平均效率,约为0.85 n 循环次数,PCR反应,PCR反应条件 PCR过程 PCR的特点,PCR反应五要素（反应成分）,引物（primers） 酶 （Taq DNA polymerase） dNTP （dATP,dGTP,dCTP,dTTP） 模板 （template） Mg2+ （magnesium）,1）引物 理论上，只要知道任何一段模板DNA序列，就能按其设计互补的寡核苷酸链作引物，用PCR就可将模板DNA在体外大量扩增,引物设计的原则
16、,引物长度： 15-30bp，常用为20mer左右 引物的有效长度不能大于 38 mer，否则最适延伸温度会超过TaqDNA聚合酶的最适温度（74），不能保证PCR扩增产物特异性 引物扩增跨度：以500bp为宜 特定条件下可扩增长至10kb片段 引物碱基：G+C含量以40-60%为宜 G+C太少扩增效果不佳，G+C 过多易出现非特异条带 ATGC最好随机分布，避免5个以上的嘌呤或嘧啶核苷酸的成串排列,引物设计的原则,避免引物内部出现二级结构 避免两条引物间互补， 特别是 3端的互补，否则会形成引物二聚体，产生非特异性扩增条带 引物3端的碱基要求严格配对 特别是最末及倒数第二个碱基，以避免因末端碱基不配对而导致PCR失败
