分子生物学研究方法

1、分子生物学研究方法,分子生物学研究之所以从20世纪中叶开始得到高速发展，其中最主要的原因就是现代分子生物学研究方法、特别是基因操作和基因工程技术的进步,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,基因的人工合成,基因操作,基因的定点突变,PCR扩增等,核心技术,基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，使之进入原先没有这类分子的寄主细胞内并进行持续稳定的繁殖和表达。 外源核酸分子在另一种不同的寄主细胞中的繁衍与性状表达的过程. 基因工程技术区别于其它技术的根本特征：具有跨越天然物种屏障、把来自任何生物的基因置于毫无亲缘关系的新的

2、寄主生物细胞之中的能力。 本章将在回顾重组DNA技术史上主要事件的基础上，讨论DNA操作技术、基因克隆的常用载体系统以及基因的分离与鉴定等三个环节,三大成就,1. 40年代确定了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，解决了遗传的物质基础问题,Bacterial Strain,Injection,Results,Living S cells,Living R cells,Heat killed S cells,Heat killed S cells mixed with living R cells,Living S cells in blood sample from dea

3、d mouse,capsule,1928 Frederick Griffith &1944 Oswald Avery Transformation of Streptococcus pneumoniae,1952年Hershey和Chase证实噬菌体DNA侵染细菌实验,2. 50年代揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半 保留复制机制,解决了基因的自我复制和世代交替问题,X-ray source,Crystallized DNA,Rosalind Franklin,Maurice Wilkins,Photographic film,1953- Franklin & Wilkins,Descrip

4、tion of the 3-D structure of DNA,Francis Crick & James Watson,Conservative Model,Semiconservative Model,Frank Stahl,Matt Meselson,Parent cell,First replication,Second replication,1958 -Matthew Meselson & Franklin Stahl proved that DNA replication in bacteria follows the semiconservative pathway,3. 5

5、0年代末至60年代，相继提出了中心法则和操纵子学说,成功地破译了遗传密码，充分认识了遗传信息的流动和表达,Jacob and Monod,但是，如果没有分离和富集单一DNA分子的技术，科学家就无法对这类物质进行直接的生化分析,两大技术保证,1.DNA的体外切割和连接,1962年Arber 发现限制性核酸内切酶，1967Gellert发现了 DNA 连接酶DNA ligase covalently links two DNA strands,Herbert Boyer, Stanley Cohen 1972年获得第一个重组DNA分子,Herbert Boyer,重组DNA实验中常见的主要工具酶,

6、到目前为止，科学家已经几乎能随心所欲地把任何DNA分子切割成一系列不连续的片段，再利用凝胶电泳技术将这些片段按照分子量大小逐一分开，以供下一步研究,1972 - Paul Berg,Produced first recombinant DNA using EcoRI,EcoRI recognition sites,phage DNA,EcoRI cuts DNA into fragments,Sticky end,SV40 DNA,The two fragments stick together by base pairing,DNA ligase,Recombinant DNA,仅仅能在体外

7、利用限制性核酸内切酶和DNA连接酶进行DNA的切割和重组远不能满足基因研究的需要。 DNA片段在体外不具备自我复制能力，要想得到足够量和足够纯度的DNA，必须将它们连接到具备自主复制能力的DNA分子上（载体上），并转入寄主细胞中进行繁殖。 这就是基因克隆，或分子克隆,分子克隆的载体-具备自主复制能力的DNA分子（vector），如病毒、噬菌体和质粒等小分子量复制子都可以作为基因导入的载体,从此，大肠杆菌就成了分子克隆中最常用的转化受体,1970年Mandel和Higa发现，大肠杆菌细胞经适量氯化钙处理后，能有效地吸收噬菌体DNA,1972年，Cohen等人又报道，经氯化钙处理的大肠杆菌细胞同样

8、能够摄取质粒DNA,1973 - Boyer, Cohen & Chang,Transform E. coli with recombinant plasmid,Stanley Cohen & Annie Chan,Herbert Boyer,Kanamycin resistance gene,Plasmid pSC101,Tetracycline resistance gene,E. coli transformed with recombinant plasmid,Transformed cells plated onto medium with kanamycin and tetracy

9、cline,Only cells with recombinant plasmid survive to produce colonies,表明,1）像pSC101这样的质粒DNA分子可以作为基因克隆的载体，从而把外源DNA导入寄主细胞,2）像非洲爪蟾这样的高等生物的基因也可以被成功地转移到原核细胞中并实现其功能表达,3）质粒DNA-大肠杆菌细胞作为一种成功的基因克隆体系，有可能在重组DNA或基因工程研究中发挥重要作用,2.DNA的核苷酸序列分析技术,DNA核苷酸序列分析法是在核酸的酶学和生物化学的基础上创立并发站起来的一门重要的DNA技术学，这门技术，对于从分子水平上研究基因的结构与功能的关

10、系，以及克隆DNA片断的操作方面，都有着十分广泛的使用价值,General process of gene engineering,1. 从生物有机体基因组中，分离出带有目的基因的DNA片段,2. 将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子,3. 将重组DNA分子转移到适当的受体细胞（亦称寄主细胞）并与之一起增殖,4. 从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞，并筛选出已经得到扩增的目的基因,5. 将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，研究核酸序列与蛋白质功能之间的关系,5.2 DN

11、A操作技术,5.2.1 核酸的凝胶电泳,自从琼脂糖（agarose）和聚丙烯酰胺（polyacrylamide）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，受到科学界的高度重视,5.2.1.1 基本原理,一种分子被放置到电场中，它就会以一定的速度移向适当的电极。我们把这种电泳分子在电场作用下的迁移速度，叫做电泳的迁移率，它与电场强度和电泳分子本身所携带的净电荷数成正比。就是说

12、，电场强度越大，电泳分子所携带的净电荷数量越多，其迁移的速度越快，反之则较慢。由于在电泳中往往使用无反应活性的稳定的支持介质，如琼脂糖凝胶和聚丙烯酰胺凝胶等，故电泳的迁移率与分子的摩擦系数成反比。 已知摩擦系数是分子大小、极性及介质粘度的函数，因此，根据分子大小的不同、构型或形状的差异以及所带的净电荷的多寡，便可以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开来,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

13、重复性质，相同数量的双链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,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,琼脂糖凝胶分辨DNA片段的范围为0.250kb之间,聚丙烯酰胺凝胶电泳,聚丙烯酰胺凝胶，其分辨范围为1个碱基对到1000个碱基对之间,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,在

14、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,称样,溶解,加热,制板,倒胶,电泳操作基本程序,取样,点样,电泳,检测,结果,5.2.2 核酸的分子杂交,将带有互补的特定核苷酸序列的单链DNA或RNA混合在一起，其相应的同源区段就会退火形成双链结构。如果退火的核酸来自不同的生物有机体，所形成的双链分子就被称为杂种核酸分子,不同温度下DN

15、A的构型变化一,DNA/DNA的杂交作用，可以用来检测特定生物有机体之间是否存在着亲缘关系，而形成DNA/RNA间杂种分子的能力可被用来揭示核酸片段中某一特定基因的位置,不同温度下DNA的构型变化二,在大多数核酸杂交反应中，经过凝胶电泳分离的DNA或RNA分子，都必须通过毛细管或电导作用被转移到滤膜上，而且是按其在凝胶中的位置原封不动地“吸印”上去的，因此，核酸杂交也被称为“DNA印迹杂交,Southern Blotting E.M. Southern于1975年首先设计出来的,材料：尼龙滤膜 硝酸纤维素滤膜 二乙氨基乙基纤维素滤膜（DEAE,步骤,第一，将分离的核酸样品转移到固体支持物滤膜上

16、核酸印迹转移,电泳凝胶核酸印迹法,斑点和狭线印迹法,菌落和噬菌斑印迹法,第二，是将具有核酸印迹的滤膜与带有放射性或其它标记的DNA或RNA探针进行杂交,杂交模式图,Southern Blotting的过程 1.碱变性的琼脂糖凝胶电泳分离的DNA 2.通过电泳液的移动转移胶中的DNA 3.固定胶中的DNA 4.预杂交和杂交（放射性和荧光检测） 5.结果检测,在理想条件下，应用放射性同位素标记的特异性探针和放射自显影技术，即便每带电泳条带仅含有2ng的DNA也能被清晰地检测出来。由于放射性同位素对人体的危害，近年来又发展了荧光法检测杂交信号的技术，虽然灵敏度略低于同位素法，却使核酸杂交实验变得更为

17、安全,常用的荧光染料,C5、C3等,2.Northern blotting（诺赛恩RNA印迹技术） 是将RNA分子从电泳凝胶转移到硝酸纤维素滤膜或其他化学修饰的活性滤纸上，进行核酸杂交的一种实验方法,Northern Hybridization,Isolate mRNA (Different Lengths,Probe with labeled DNA,3.Western blotting（韦斯顿蛋白质杂交技术） 将蛋白质从电泳凝胶中转移到硝酸纤维素滤膜上，然后同放射性同位素125I标记的特定蛋白质之抗体进行反应,Step 1. Antibody Recognition of target p

18、rotein/antigen,Step 2. Secondary Antibody recognition of primary Ab,Step 3. Color Development,检测重组体克隆的菌落杂交技术,原位杂交,In situ hybridization,Localization of DNA,Localization of RNA,1.将快速生长中的大肠杆菌置于经低温（0）预处理的低渗氯化钙溶液中，便会造成细胞膨胀（形成原生质球,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DNA而导致性状特征发生遗传改变的生命过程。提供转化DNA的菌株叫作供体菌株，接受转化D

19、NA的细菌菌株则被称为受体菌株。 处于能够接受外源DNA状态的细胞称为感受态细胞,5.2.3 细菌转化,步骤,2.与转化混合物中的外源DNA形成粘附在细胞表面的复合物。 3.立即将该体系转移到42下做短暂的热刺激，复合物便会被细胞所吸收。 4.在全培养基中生长一段时间使转化基因实现表达、细胞活性恢复 5. 涂布于选择性培养基中分离转化子,5.2.4基因扩增,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，故又称为基因的体外扩增法,DNA 聚合酶,具有在核苷酸底物的存在下，以一条DNA链为模板催化新链的合成 需要具有 3 -OH 的引物 具有 5 到3 方向聚合的能

20、力 通常具有 3到 5 外切酶活性,PCR技术的原理并不复杂,一DNA 体外扩增技术,1.PCR反应体系 1) 基本原理 PCR技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性-退火-延伸三个基本反应步骤构成,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

21、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 Sequence,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 extensio

22、n as complementary nucleotides are incorporated,Target Sequence,Target Sequence,Primer 1,Primer 2,5,3,5,5,3,5,3,3,Taq DNA Polymerase,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

23、 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. ofNo. Amplicon CyclesCopies of Target 12 24 38 416 532 664 201,048,576 301,073,741,824,1 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

24、 Amplicon,2.降低反应温度（约50），致冷1分钟，使寡核苷酸引物与两条单链模板DNA发生退火作用并结合在靶DNA区段两端的互补序列位置上,3.将反应混合物的温度上升到72左右保温1-数分钟，在DNA聚合酶的作用下，从引物的3-端加入脱氧核苷三磷酸，并沿着模板分子按53方向延伸，合成新生DNA互补链,1.首先是将含有待扩增DNA样品的反应混合物放置在高温（91）环境下加热1分钟，使双链DNA变性，形成单链模板DNA,4.重复以上操作,PCR的过程,一次循环2,二次循环4,三次循环8,两条引物结合位点之间的DNA区段的拷贝数，理论上的最高值应是2n,PCR仪,5.2.5 核苷酸序列分析,

25、1968年 华裔科学家吴瑞设计出引物延伸测序策略,Sanger在它的基础之上发展了快数测定DNA的末端终止法,K Mullis完善了PCR扩增DNA方法,5.2.5.1. Sanger双脱氧链终止法(dideoxy-termination sequencing) 原理：双脱氧（2，3）-核苷酸可以象2-脱氧核苷酸那样直接掺入新合成的DNA链中，但因3 端不具OH基，DNA链合成至此中断。由于双脱氧核苷酸在每个DNA分子中掺入的位置不同，故可根据不同长度的DNA片段测定出核苷酸序列,不能和下一个核苷酸通过磷酸二酯键连接起来,添加 DNA polymerase 所有4 dNTPs 其中一种标记的d

26、dNTP,ddTTP ddCTP ddGTP ddATP,在四个不同的反应管中各只包含一种ddNTP,每一管中的复制的序列都停留在ddNTPs 处,5,反应终止后，四个反应管中的反应混合液分别进行聚丙烯酰胺凝胶电泳分离. 这四个反应管中延伸的寡核苷酸仅相差一个碱基. 电泳结构通过显色指示,3 C C T T T A G C T 5,过程：制备ss-DNA与引物退火分为4个反应系统每个系统中加入dNTP（其中dATP常带同位素标记）和一种双脱氧核苷酸DNA聚合酶定序反应反应产物变性后电泳凝胶干燥放射自显影。 该法亦适合mRNA的序列分析。 GC富集区常出现“隐影”或“停止”现象，如在反应中加入d

27、ITP（脱氧三磷酸次黄嘌呤）或脱氧三磷酸-7-脱氧鸟苷可解决GC富集区的测序,2. DNA定序的一般程序 酶法测序(Sanger) 化学测序法(Maxam-Gilbert) 待测DNA片段 待测DNA片段 次克隆 5-末端标记 筛选重组子 链分离 限制酶切 模板增殖与纯化 纯化标记的ss-DNA 与引物退火 定序反应 定序反应 聚丙烯酰胺凝胶电泳 真空干燥 放射自显影 阅读序列和计算机录入 核苷酸序列的分析与比较,二. DNA序列测定的自动化 1. DNA测序步骤与自动化 1）模板制备 可自动化 2）定序反应 可自动化 3）凝胶电泳 自动化有一定困难：制胶，点样，电泳，凝胶干燥，放射自显影。

28、4）核苷酸序列阅读与计算机输入 可自动化 2.自动测序仪 Conney等人于1987年设计了不同荧光染料标记引物，然后做链终止测序，用激光扫描阅读序列。 红色引物+T反应系统（引物+DNA+dNTP+ddTTP） 黄色引物+G反应系统（引物+DNA+dNTP+ddGTP） 绿色引物+A反应系统（引物+DNA+dNTP+ddATP） 兰色引物+C反应系统（引物+DNA+dNTP+ddCTP,优点：i. 四个反应系统可合并点样，大大节省制胶和点样时间； ii. 可同时读出多个样品核苷酸序列，不需干燥凝胶和放射自显影； iii.可连续电泳，可读出较多的核苷酸序列。 缺点：无法保留原始记录, 四个反应

29、产物点在一条道上,相互间会发生干扰, 导致读序时分辨率下降,DNA序列分析自动化包括两个方面的内容， 一是指“分析反应”的自动化， 另一方面则是指“读片过程”的自动化,5.2.5.3.杂交测序,自从70年代末期DNA测序技术问世以来，人们已经做了大量重要的改进，但从根本原理上创新的则只有杂交测序法（sequencing by hybridization，SBH）一种。它利用一组已知序列的寡核苷酸短序列作探针，同某一特定的较长的靶DNA分子进行杂交，从而测定其核苷酸的序列,DNA杂交测序实质上包括两个主要的步骤 首先是将待测定的靶DNA分子同一组已知其核苷酸顺序的寡核苷酸探针进行杂交，然后与那些

30、能够同靶DNA形成完全的双链杂合分子的寡核苷酸探针做比较分析，并据此推算出靶DNA的核苷酸序列,如果将一种核苷酸顺序为5-AGCCTAGCTGAA-3的12-mer的靶DNA，与一组完全随机的8-mer寡核苷酸探针混合杂交，在总数为48=65 536种的8-mer探针群体中，仅有5种会与靶DNA形成完全互补的双链体分子。根据这5种发生了完全杂交作用的8-mer寡核苷酸探针之间的重叠序列的线性关系，便可推算出这段12-mer的靶DNA分子的核苷酸顺序,当然，这只是一种理想化状态，实际上此种杂交模式要复杂得多，因为那些没有同靶DNA片段完全互补的寡核苷酸探针，也仍然会与之形成不稳定的双链分子,上图

31、是两条长度均为17-mer的靶DNA片段I和II的杂交测序结果，两者仅在第8位碱基有不同，分别为C和T。靶DNA片段I可与18共8段彼此相互重叠的8-mer寡核苷酸形成完全的双链分子，但不能与第9段8-mer寡核苷酸形成完全的双链分子。根据相邻的两段8-mer寡核苷酸之间各自具有7个碱基的重叠情况，可以构建出互补的DNA序列。靶DNA片段II的杂交结果表明，横跨其第8位碱基T的6段8-mer寡核苷酸的双链体，由于含有内部的碱基错配，因此其杂交效率明显下降；但与第1和第8两段8-mer寡聚体形成的具有末端G-T错配的双链分子，其稳定性下降并不显著。与第9段8-mer寡核苷酸能杂交形成完全的双链体

32、分子，证实与片段I相比，它在第8位发生了由C碱基到T碱基的变化,基因芯片测序,基因芯片测序流程,5.2.6.1. 凝胶阻滞试验 凝胶阻滞试验（gel retardation assay），又叫作DNA迁移率变动试验（DNA mobility shift assay），是用于体外研究DNA与蛋白质相互作用的一种特殊的凝胶电泳技术。在凝胶电泳中，由于电场的作用，裸露的DNA朝正电极移动的距离与其分子量的对数成反比。如果此时DNA分子与某种蛋白质相结合，那么，由于分子量增大，它在凝胶中的迁移作用便会受到阻滞，在特定电压和时间内朝正电极移动的距离也就相应缩短了。所以，当某个DNA片段与细胞提取物混合之

33、后，若它在凝胶电泳中的移动距离变小了，就说明它可能已与提取物中的某种特殊蛋白质分子相结合了,5.2.6 DNA与蛋白质相互作用研究,凝胶阻滞实验的基本原理图 放射性标记的DNA由于与一种细胞蛋白质B结合，于是在凝胶电泳中移动速度变慢，在放射自显影中呈现滞后的条带,放射自显影,凝胶电泳,放射性标记的DNA,细胞蛋白质提取物,蛋白质与DNA结合,B,DNA-蛋白质结合物电泳迁移缓慢,滞后带表明DNA与蛋白质结合,5.2.6.2. DNaseI足迹试验 在DNaseI足迹试验（DNA foot-printing assay）过程中，首先将待检测的双链DNA分子用32P作末端标记，并用限制性内切酶去掉

34、其中的一个末端，得到只有一条链的单个末端标记的双链DNA分子，与细胞蛋白质提取物混合。待二者结合之后，再加入少量的DNaseI（它可沿着靶DNA作随机单链切割）消化DNA分子，并控制酶的用量使之达到平均每条DNA链只发生一次磷酸二酯键断裂。如果蛋白质提取物中不存在与DNA结合的特异蛋白质，经DNaseI消化之后便会产生出距放射性标记末端1个、2个、3个核苷酸等等一系列前后长度均仅相差一个核苷酸的连续的DNA片段梯度群体。 如果有一种蛋白质已经结合到DNA分子的某一特定区段上，那么，它就将保护这一区段的DNA免受DNaseI的消化作用，因而也就不可能产生出相应长度的切割条带。在电泳凝胶的放射自显

35、影图片上，相应于蛋白质结合的部位是没有放射标记条带的，出现了一个空白的区域，人们形象地称之为“足迹,32p,1 5 10,1 4 8 10,加入蛋白质X,加入DNaseI凝胶电泳放射自显影,1,5,10,A B,足迹,a,c,b,DNaseI 足迹实验,5.3 基因克隆的主要载体系统,1. 至少有一个复制起点，因而至少可在一种生物体中自主复制。 2.至少应有一个克隆位点，以供外源DNA插入。 3.至少应有一个遗传标记基因，以指示载体或重组DNA分子是否进入宿主细胞 4.安全性,大肠杆菌载体 pBR322结构图,载体特点,基因工程载体是一类可供外源DNA插入并携带重组DNA分子进入适当宿主细胞自

36、主复制的DNA分子,5.3.1 质粒DNA及其分离纯化,细菌质粒是存在于细胞质中的一类独立于染色体并能自主复制的遗传成份。绝大多数的质粒都是由环形双链DNA组成的复制子，也有线性质粒 的报道,质粒DNA分子可以持续稳定地处于染色体外的游离状态，也可能在一定的条件下被可逆性整合到寄主染色体上，随着染色体的复制而复制，并通过细胞分裂传递到后代,应用质粒作为基因克隆的载体分子，最重要的前提是要获得大量纯化的质粒DNA分子,Ecoli的质粒种类 1) colE1因子（大肠杆菌素因子）多数不能进行接合转移DNA，属高拷贝松弛型。 2) R因子（抗药性因子） 可接合转移DNA，属低拷贝 严紧型， 质粒较大

37、，操作不便 3) F因子（性因子,关键步骤：寄主细胞的裂解作用是分离质粒DNA实验操作,通常加入溶菌酶或十二烷基硫酸钠（SDS）来促使大肠杆菌细胞裂解。如果寄主细胞没有完全裂解，就会显著降低质粒DNA的回收率。假如细胞裂解反应相当温和，同时实验操作又十分谨慎仔细，那么绝大部分的染色体DNA分子都将以高分子量的形式释放出来，可以用高速离心的方法使之与细胞碎片一起被沉淀除去，得到高纯度的质粒DNA,质粒载体DNA的分离 关键：如何使质粒DNA与宿主染色体DNA分开 原理：质粒DNA比染色体DNA 小得多，在DNA抽提过程中，染色体DNA断裂成小片段(线状)，质粒DNA仍保持超螺旋构型,变性法： 变

38、性条件可采用加热煮沸法或碱变性法 上述方法亦可用于ss环状病毒DNA RF型的分离, 质粒DNA的氯霉素扩增使用并不广泛（菌株和载体,5.3.1.1. 氯化铯密度梯度离心法,实验表明，在细胞裂解及DNA分离的过程中，大分子量的细菌染色体DNA容易发生断裂形成相应的线性片段，而质粒DNA则由于其分子量较小、结构紧密，因此仍能保持完整的状态。这种差别对质粒DNA的纯化是十分有用的,5.3.1.2. 碱变性法,通过氯化铯-EtBr密度梯度离心法虽然可以得到高纯度、高质量的质粒DNA，但它操作复杂，需要价格昂贵的氯化铯和超速离心机设备，而且溴化乙锭又是一种致癌物质，如果操作不慎，不仅会造成环境污染，还

39、会危及实验工作人员的身心健康。 实验观察发现，在pH值介于12.012.5的条件下加热DNA溶液，使染色体DNA变为单链，而质粒DNA仍保持环状结构，当变性条件发生迅速变化时，前者仍不能复性，而后者又可回复到天然构型。 随机断裂产生的线性染色体DNA分子，彼此已经分离的互补链之间的复性作用就不会那么迅速而准确，往往聚集形成网状结构，与变性的蛋白质及RNA一道被离心沉淀下来。 用酒精沉淀法可以收集仍然滞留在上清液中的质粒DNA,5.3.2 重要的大肠杆菌质粒载体,5.3.2.1. pSC101质粒载体,pSC101是一种严紧型复制控制的低拷贝数的大肠杆菌质粒载体，平均每个寄主细胞仅有12个拷贝。

40、其分子大小为9.09kb，编码有一个四环素抗性基因（tetr）。 pSC101质粒不仅具有可插入外源DNA的多个限制性核酸内切酶的单克隆位点，而且还具有四环素抗性的强选择记号，因此，它被选为第一个真核基因的克隆载体。当然，这个质粒载体也有其明显的缺点，它是一种严紧型复制控制的低拷贝质粒，从带有该质粒的寄主细胞中提取pSC101 DNA，其产量就要比其它质粒载体低得多,5.3.2.2.ColE1质粒载体,ColE1质粒属于松弛型复制控制的多拷贝质粒。在正常生长条件下，当培养基中用于蛋白质合成的氨基酸被耗尽，或是在对数生长末期的细胞培养物中加入氯霉素以抑制蛋白质的合成，寄主染色体DNA的复制便被抑

41、制，细胞的生长也随之停止。此时，松弛型复制控制的质粒DNA仍然可以继续进行复制达数小时之久，使每个寄主细胞中所累积的ColE1质粒拷贝数增加到10003000个之多，质粒DNA大约可占细胞总DNA的50%左右。由此可见，由于质粒拷贝数高，插入的外源DNA片段的产量也就得到相应的提高,5.3.2.3. pBR322质粒载体,为改进转化子筛选技术，有必要用人工的方法构建一种既带有多种抗药性的强选择记号、又具有低分子量、高拷贝、以及外源DNA插入不影响复制功能的多种限制性核酸内切酶单切割位点等优点的新的质粒载体,pBR322质粒是由三个不同来源的部分组成的： 第一部分来源于pSF2124质粒转座子T

42、n3的氨苄青霉素抗性基因（ampr）； 第二部分来源于pSC101质粒的四环素抗性基因（tertr）； 第三部分则来源于ColE1的派生质粒pMB1的DNA复制起点（ori,第一个优点：具有较小的分子量，其长度为4,363bp。由于分子量小，不仅易于纯化，而且即使携带上一段6-8kb的外源DNA片段，操作起来仍较为便利。 第二个优点：具有两种抗生素抗性基因以用作转化子的选择记号。质粒DNA编码的抗生素抗性基因的插入失活效应，是检测重组体质粒的一种十分有用的方法。 第三个优点：具较高的拷贝数，若经过氯霉素扩增，每个细胞中可累积10003000个拷贝，为重组体DNA的制备提供了极大的方便,pBR3

43、22质粒载体的优点,5.3.2.4.pUC质粒载体,pUC系列质粒载体包括如下四个部分： (i)来自pBR322质粒的复制起点（ori）； (ii)氨苄青霉素抗性基因（ampr），但它的核苷酸序列已经发生了变化，不再含有原来的限制性核酸内切酶的单识别位点； (iii)大肠杆菌-半乳糖酶基因（lacZ）的启动子及其编码-肽链的DNA序列，此结构特称为lacZ基因； (iv)位于lacZ基因中的靠近5-端的一段多克隆位点（MCS）区段，它并不破坏该基因的功能,第一，更小的分子量和更高的拷贝数。在pBR322基础上构建pUC质粒载体时，仅保留下其中的氨苄青霉素抗性基因及复制起点，使其分子缩小了许多，

44、如pUC8为2 750bp，pUC18为2 686bp。同时，由于rop基因缺失，使pUC8质粒的拷贝数比带有pMB1或ColE1复制起点的质粒载体都要高得多，不经氯霉素扩增，平均每个细胞即可达500700个拷贝。 第二，可用组织化学方法检测重组体。pUC8质粒结构中具有来自大肠杆菌lac操纵子的lacZ基因，所编码的-肽链可参与-互补作用。因此，可用X-gal显色法实现对重组体转化子的鉴定。 第三，具有多克隆位点MCS区段，可以把具两种不同粘性末端（如EcoRI和BamHI）的外源DNA片段直接克隆到pUC8质粒载体上,pUC质粒载体优点,5.3.2.5. pGEM-3Z质粒,pGEM-3Z

45、是一种与pUC系列十分类似的小分子质粒载体，总长度为2,743bp，编码有一个氨苄青霉素抗性基因和一个lacZ基因。 pGEM-3Z具有两个来自噬菌体的启动子，即T7启动子和SP6启动子，它们为RNA聚合酶的附着作用提供了特异性的识别位点。由于这两个启动子分别位于lacZ基因中多克隆位点区的两侧，故若在反应试管中加入纯化的T7或SP6 RNA聚合酶，所克隆的外源基因便会转录出相应的mRNA。质粒载体pGEM-4Z和pGEM-3Z在结构上基本相似，两者之间的差别仅仅在于SP6和T7这两个启动子的位置互换、取向相反而已,5.3.2.6. 穿梭质粒载体,所谓穿梭质粒载体（shuttle plasmi

46、d vector），是指一类由人工构建的具有两种不同复制起点和选择记号，因而可在两种不同的寄主细胞中存活和复制的质粒载体。 早期发展的大肠杆菌-枯草芽孢杆菌穿梭质粒载体，大多是由这两种细菌的质粒载体融合构建的。例如，pHV14是由pBR322和pC194融合而成，pEB10是由pBR322和pUB110融合而成的,大肠杆菌-酿酒酵母穿梭质粒载体，含有两种分别来自大肠杆菌和酿酒酵母的复制起点与选择标记。它使研究工作者可以自如地在这两种不同的寄主细胞之间来回转移基因，并单独或同时在两种寄主细胞中研究目的基因的表达活性及其它调节功能。例如，可将酵母的某种基因亚克隆到穿梭质粒载体上，置于大肠杆菌中进行

47、定点突变处理后，再把突变体基因返回到酵母细胞，以便在天然寄主中观察研究此种突变的功能效应,大肠杆菌-酿酒酵母穿梭载体,5.3.3 噬菌体载体,噬菌体是一类细菌病毒的总称，英文名叫作Bacteriophage，来源于希腊文“phagos”，如同质粒分子一样，噬菌体也可以用于克隆和扩增特定的DNA片段，是一种良好的基因克隆载体。作为细菌寄生物的噬菌体，它可以在脱离寄主细胞的状态下保持自己的生命，但一旦脱离了寄主细胞，就既不能生长也不能复制，因为大多数的噬菌体只能利用寄主核糖体、合成蛋白质的因子、各种氨基酸及能量代谢体系进行生长和增殖,我们将只具有溶菌生长周期的噬菌体叫作烈性噬菌体。而溶源生长周期是

48、指在感染过程中没有产生出子代噬菌体颗粒，噬菌体DNA被整合到寄主细胞染色体DNA上，成为它的一个组成部分。具有这种溶源周期的噬菌体，叫作温和噬菌体,以噬菌体DNA分子作载体，克隆含有目的基因的外源DNA片段，如果没有导致重要的噬菌体基因失活，那么当这种重组的噬菌体DNA分子感染了寄主细胞之后，插入的外源DNA片段便会随着噬菌体DNA分子一道增殖。用放射性同位素32P标记的特异性探针作噬菌斑放射自显影杂交，可以十分敏感地检测出含有这种重组体DNA分子的噬菌斑（即阳性斑点）。获得了阳性噬菌斑之后，我们就可按照类似于制备质粒DNA的方法，分离到大量的重组体噬菌体DNA，实现克隆基因的扩增,噬菌体可被

49、分为溶菌周期和溶源周期两种不同的类型,噬菌体整个基因组可分为三个部分 左臂：从A到J长约20kb，其中的基因编码构成头部、尾部、尾丝对组装完整噬菌体所需要的蛋白质。 中段：长约20kb，是DNA整合和切出，溶原生长所需的序列。 右臂：长约10kb，是调控区，控制溶菌和溶原生长最重要的调控基因和序列、以及DNA复制起始均在这区域内。 左右臂包含DNA复制、噬菌体结构蛋白合成、组装成熟噬菌体、溶菌生长所需全部序列；对溶菌生长来说，中段是非必需的,在噬菌体线性双链DNA分子的两端，各有一条由12个核苷酸组成的彼此完全互补的5单链突出序列，即通常所说的粘性末端。注入到感染寄主细胞内的噬菌体的线性DNA

50、分子，会迅速地通过粘性末端之间的互补作用，形成环形双链DNA分子。随后在DNA连接酶的作用下，将相邻的5-P和3-OH基团封闭起来，并进一步超盘绕。这种粘性末端结合形成的双链区段称为cos位点（cohesive-end site，粘性末端位点,5.3.3.1.插入型载体 外源的DNA克隆到插入型载体分子上，就会使噬菌体的某种生物功能丧失效力，即所谓的插入失活效应。根据插入失活效应的特异性，插入型载体又可以进一步被分为免疫功能失活和大肠杆菌-半乳糖苷酶失活两种亚型。 (1) 免疫功能失活插入型载体。这类载体的基因组中有一段免疫区，其中带有一两种限制性核酸内切酶的单切割位点。当外源DNA片段插入到

51、这种位点上时，就会破坏载体所具有的合成功能性阻遏物的能力，阻碍其进入溶源周期。因此，凡带有外源DNA插入的重组体都只能形成清晰的噬菌斑，而没有外源DNA插入的亲本噬菌体就会形成混浊的噬菌斑。这种形态学上的差异，为分离重组体分子提供了方便的标志。 (2) -半乳糖甙酶失活插入型载体。许多种载体的基因组中含有大肠杆菌的lacZ区段，编码-半乳糖苷酶基因lacZ。由这种载体感染大肠杆菌的lac-指示菌，涂布在补加有IPTG和X-gal的培养基平板上，会形成蓝色的噬菌斑，但在克隆过程中，如果外源DNA插入到lacz区段上，阻断了-半乳糖苷酶基因lacZ的编码序列，那么由这种重组体感染的lac-指示菌，

52、由于不能合成-半乳糖苷酶，只能形成无色的噬菌斑,5.3.3.2.替换型载体 替换型载体又叫作取代型载体（substitution vector）是一类在噬菌体基础上改建的、在其中央部分有一个可以被外源插入DNA分子所取代的DNA片段的克隆载体。在构建此类载体时，安排在中央可取代片段两侧的多克隆位点是反向重复序列，因此当外源DNA插入时，一对克隆位点之间的DNA片段便会被置换掉，从而有效地提高了克隆外源DNA片段的能力,cosmid”一词是由英文“cos site-carrying plasmid”缩写而成的，其原意是指带有粘性末端位点的质粒。因此我们说，所谓柯斯质粒其实是一类由人工构建的含有D

53、NA的cos序列和质粒复制子的特殊类型的质粒载体。在柯斯质粒载体pHC79中，除cos位点之外，其两侧还具有与噬菌体包装有关的DNA短序列。质粒DNA部分则是一个完整的复制子，包括一个复制起点和两个抗菌素抗性基因ampr和tetr。很明显，pHC79柯斯质粒兼具了噬菌体载体和pBR322质粒载体两方面的优点，其克隆能力为3145kb，而且能够被包装成为具有感染能力的噬菌体颗粒,5.3.4 柯斯质粒载体,第一，具有噬菌体的特性。柯斯质粒载体在克隆了合适长度的外源DNA，并在体外被包装成噬菌体颗粒之后，可以高效转染对噬菌体敏感的大肠杆菌寄主细胞。进入寄主细胞之后的柯斯质粒DNA分子，能按照噬菌体D

54、NA同样的方式环化。 第二，具有质粒载体的特性。柯斯质粒载体具有质粒复制子，因此能像质粒DNA一样在寄主细胞内进行复制，并且能在氯霉素作用下，获得进一步扩增。此外，柯斯质粒载体通常也都具有抗菌素抗性基因，可供作重组体分子表型选择标记，其中有一些还带上基因插入失活的克隆位点。 第三，具有高容量的克隆能力。柯斯质粒载体的分子仅具有一个复制起点，一两个选择记号和cos位点等三个组成部分，其分子量较小，一般只有57kb左右。因此，可以插入到柯斯质粒载体上并能被包装成噬菌体颗粒的最大外源DNA片段，即柯斯质粒载体的克隆极限可达45kb左右,柯斯质粒载体的特点,pBluescript是专用的商品名称，系指

55、由Stratagene公司发展的一类从pUC载体派生而来的噬菌粒载体，简称为pBS（+/-），如今则更多地叫作pBluescript KS（+/-）或pBluescript SK（+/-）。 SK表示多克隆位点区的一种取向，即lacZ基因是按照SacIKpnI的方向转录；（+/ -）表示单链噬菌体f1复制起点的两种相反的取向。f1（+）起点表示当pBluescript噬菌粒载体和辅助噬菌体共感染寄主细胞时，能够回收到lacZ基因的有意义链DNA；而f1（-）起点则表示当pBluesript噬菌粒载体与辅助噬菌体共感染寄主细胞时，可回收到lacZ基因的无意义链DNA,5.3.5 pBluescr

56、ipt噬菌粒载体,i) 在多克隆位点区（MCS）的两侧，存在一对T3和T7噬菌体的启动子，用以定向指导插入在多克隆位点上的外源基因的转录活动； (ii) 同时具有一个单链噬菌体M13或f1的复制起点和一个来自ColE1质粒的复制起点，保证pBluescript噬菌粒载体在有或无辅助噬菌体共感染的不同情况下，按照不同的复制形式分别合成出单链或双链DNA； (iii) 编码有一个氨苄青霉素抗性基因，作为转化子克隆的选择标记； (iv) 含有一个lacZ基因，可以按照X-gal-IPTG组织化学显色法筛选噬菌粒载体的重组子,5.4 基因的分离与鉴定,克隆： 多细胞的高等生物个体水平上:表示由具有相同

57、基因型的同一物种的两个或数个个体组成的群体，所以说，从同一受精卵分裂而来的单卵双生子（monozygotic twins）便是属于同一克隆。 在细胞水平上:指由同一个祖细胞（progenitor cell）分裂而来的一群遗传上同一的子细胞群体。 基本步骤： (1) 用于基因克隆的DNA材料的选择以及DNA分子的片段化；(2) 外源DNA片段与载体分子的体外连接反应；(3) 将人工重组的DNA分子导入它们能够进行正常复制的寄主细胞；(4) 重组体分子的转化子克隆的选择或筛选,克隆基因的分离,1、应用核酸探针分离克隆目的基因 2、应用mRNA差别显示技术分离克隆目的基因 3、应用cDNA差示分析法

58、克隆基因 4、应用酵母双杂交体系克隆基因 5、基因的图位克隆法 6、DNA微列阵技术进行基因克隆,基因克隆的第一步是要从实验材料中制备包括“目的基因”在内的DNA片段群体，而且这个DNA片段群体必须包容整个基因组的全部序列，DNA片段的大小要适合于基因操作的要求。最简单的办法是利用限制性核酸内切酶消化供体基因组DNA，并直接将消化产物与载体分子相连接。这个被称为鸟枪法（shot-gun approach）的方法最明显的缺点，是所形成的重组体分子带有大小不同的插入片段。由于高等真核生物的基因组庞大，按一般载体承受外源DNA插入能力（大约为10003000bp）计算，能产生几十万个大小不同的DNA

59、片段，形成由几十万个大小不同的重组体分子组成的克隆群体。要想从如此巨大的群体中，选出带有目的基因的克隆，显然是十分费事的。为了克服上述困难，有人建议采用局部双酶消化法，保证DNA产物大小在10-30kb左右，通过蔗糖梯度离心或制备凝胶电泳技术，得到分子量约为20kb的随机群体并将其克隆到合适的载体上,5.4.1 DNA片段的产生与分离,5.4.2 重组体DNA分子的构建,5.4.2.1.外源DNA片段定向插入载体分子 若用两种不同的限制性核酸内切酶同时消化一种特定的DNA分子，将产生具有两种不同粘性末端的DNA片段。因此，如果载体分子和待克隆的DNA分子都是用同一对限制性核酸内切酶切割，那么，

60、载体分子和外源DNA片段将按一种取向退火形成重组DNA分子，从而保证外源DNA片段定向插入载体分子。事实上，载体分子和外源DNA插入片段（或称供体DNA），并不一定总能产生出互补的粘性末端，所以，有时采用平末端连接法或采用附加衔接物的办法来提高平末端之间的连接效率,5.4.2.2.最佳连接反应,为了使连接反应物中的外源DNA片段都能插入载体分子形成重组DNA，必须设法阻止经限制性内切酶切割后的线性载体分子的自身再环化作用，以提高DNA片段的插入效率。目前常用碱性磷酸酯酶处理由内切酶消化产生的线性载体分子，除去该DNA的5-P末端，而留下一个5-OH基团。经碱性磷酸酯酶处理过的线性载体分子，除非