分子生物学许晓东NXPowerLite

1、5 分子生物学研究方法（上）DNA、RNA及蛋白质操作技术从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。 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。 基因工程技术是核酸操作技术的一部分，只不过它强调了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。 事实上，这种跨越物种屏障

2、、把来自其它生物的基因置于新的寄主生物细胞之中的能力，是基因工程技术区别于其它技术的根本特征。5.1 重组DNA技术回顾 三大成就 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； 50年代提示了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； 50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。 重组DNA技术历史上的主要事件 年份事 件 1869F Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离DNA。1944O.T. Avery证实DNA是遗传物质。1

3、952A.D. Hershey和M.Chase再次证实和噬菌体的遗传物质是DNA。1953J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA分子结构的双螺旋模型。M.Wilkins用X-射线衍射法证实了这一结构。1957A.Kornberg从大肠杆菌中发现了DNA聚合酶I。1958M. Meselson和F. W. Stahl提出了DNA的半保留复制模型。1959-1960S. Ochoa发现RNA聚合酶和信使RNA，并证明mRNA决定了蛋白质分子中的氨基酸序列。1961Nirenberg破译了第一个遗传密码；F. Jacob和J. Monod提出了调节基因表达的操纵子模型。1964 C.

4、 Yanofsky和S. Brenner等人证明，多肽链上的氨基酸序列与该基因中的核苷酸序列存在着共线性关系。1965 S. W. Holley完成了酵母丙氨酸tRNA的全序列测定；科学家证明细菌的抗药性通常由质粒DNA所决定。1966 M.W.Nirenberg，S.Ochoa、H.G.Khorana、F.H.C.Crick等人破译了全部遗传密码。1970H.O.Smith，K.W.Wilcox和T.J.Kelley分离了第一种限制性核酸内切酶。H.M.Temin和D.Baltimore从RNA肿瘤病毒中发现反转录酶。1972-1973H.Boyer，P.Berg等人发展了DNA重组技术，于

5、72年获得第一个重组DNA分子，73年完成第一例细菌基因克隆。1975-1977F.Sanger与A.Maxam、W.Gilbert等人发明了DNA序列测定技术。1977年完成了全长5387bp的噬菌体174基因组测定。1978 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。1980美国联邦最高法院裁定微生物基因工程可以专利化。1981R. D. Palmiter和R. L. Brinster获得转基因小鼠；A. C. Spradling和G. M. Rubin得到转基因果蝇。1982美、英批准使用第一例基因工程药物-胰岛素；Sanger等人完成了噬菌体48,502bp全序列测定

6、。1983 获得第一例转基因植物。1984 斯坦福大学获得关于重组DNA的专利。1986 GMO(genetically modified organism)首次在环境中释放。1988 J. D. Watson出任人类基因组计划首席科学家。1989DuPont公司获得转肿瘤基因小鼠-Oncomouse。1992 欧共体35个实验室联合完成酵母第三染色体全序列测定。1994第一批基因工程西红柿在美国上市。1996完成了酵母基因组(1.25107bp)全序列测定。1997英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。2000完成第一个高等植物拟南芥的全序列测定。2001完成第一个人类基因组全序列测定。2004

7、中国科学家完成家蚕基因组全序列测定。2005中、美、日科学家联合完成水稻基因组全序列测定。质粒是真核细胞细胞核外或原核生物拟核区外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器（主要指线粒体和叶绿体）中和细菌细胞拟核区以外的环状脱氧核糖核酸(DNA)分子。现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体DNA以外的DNA分子。在基因工程中质粒常被用做基因的载体(Vector)。严紧型质粒，当细胞染色体复制一次时，质粒也复制一次，每个细胞内只有12个质粒。松弛型质粒，当染色体复制停止后仍然能继续复制，每一个细胞 内一般有10-200份拷贝，如果用一定的药物处理（如氯霉素）抑制寄主蛋白质的合

8、成还 会使质粒拷贝数增至几千份。 功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。质粒一个质粒实例限制性内切酶限制性核酸内切酶能够识别DNA上的特定碱基序列并从这个位点切开DNA分子。 1972年Boyer实验室第一个发现了核酸内切酶EcoRI的识别序列。命名：Escherichia coli RY13 中第一个内切酶 EcoRIEcoRIEcoRVBsaISfiI同裂酶ApaIGGGCC/CPspOMIG/GGCCC同工同裂酶EcoRIG/AATTCFunIIG/AATTC同尾酶NcoIC/CATGGBspHIT/CATGA双酶切单酶切去磷酸化防止自连N

9、coIBspHIPciIBsaI一个克隆实验实例NcoI载体质粒上的多克隆位点限制性核酸内切酶切割DNADNA连接酶生成3- 5磷酸二酯键DNA聚合酶探针标记、补平3末端反转录酶cDNA合成多聚核苷酸激酶5磷酸化、探针标记末端转移酶3末端多聚尾吧碱性磷酸酶3切除末端磷酸基DNA外切酶3末端切除单核苷酸噬菌体DNA外切酶5末端切除单核苷酸重组DNADNA实验中常见的主要工具酶转化外源DNA的进入而使细胞遗传性改变称为转化。早在1943年，Avery等就发现有毒肺炎双球菌的DNA与无毒肺炎双球菌共培养后产生有毒性的肺炎双球菌后代的转化现象。由于天然状态下DNA进入细胞的效率很低，在分子生物学和基因

10、工程工作中可采取一些方法处理细胞，经处理后的细胞就容易接受外界DNA，称为感受态细胞，再与外源DNA接触，就能提高转化效率。例如大肠杆菌经冰冷CaCl2的处理，就成为感受态细菌，当加入重组质粒并突然由4转入42作短时间处理，质粒DNA就能进入细菌；用高电压脉冲短暂作用于细菌也能显著提高转化效率，这称为电穿孔（electroporation）转化法。将连接有所需要的DNA的载体导入宿主细胞的常用方法有四种：转化，用质粒作载体所常用的方法。转染，用噬菌体DNA作载体所用的方法，这里所用的噬菌体DNA并没有包上它的外壳。转染是转化的一种特殊形式。 转导，用噬菌体作载体所用的方法，这里所用的噬菌体DN

11、A被包上了它的外壳，不过这外壳并不是在噬菌体感染过程中包上，而是在离体情况下包上的，所以称为离体包装。注射，如果宿主是比较大的动植物细胞则可以用注射方法把重组DNA分子导入。 核酸凝胶电泳技术 细菌转化与目标DNA分子的增殖 聚合酶链反应技术 实时定量PCR 基因组DNA文库构建5.2 DNA基本操作技术5.2.1 5.2.1 核酸凝胶电泳技术核酸凝胶电泳技术在生理条件下，核酸分子之糖-磷酸骨架中的磷酸基团，呈离子化状态，DNA和RNA多核苷酸链称为多聚阴离子，把它们放置在电场当中，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，相同数量的双链DNA几乎具有等量的净电荷，因此它们能以

12、同样的速度向正电极方向迁移。在一定的电场强度下，DNA分子的迁移速度，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。准备胶板配制琼脂糖凝胶倒胶上样溴化乙锭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。DNA的迁移速度与构型有关聚丙烯酰胺凝胶电泳DNA双脱氧法测序原理普通的琼脂糖凝胶电泳，很难分离大于50kb的DNA分子，而要进行超大分子研究，要用到脉冲电场凝胶电泳脉冲电场凝胶电泳原理脉冲电场凝胶电泳效果5.2.2 5.2.2 细菌转化与目标细菌转化与目标DNADNA分子的增殖分子的增殖准备转化态细胞42热冲击

13、电转化加入外源DNA细胞复苏平板筛选CaCl210%甘油蓝白斑筛选+ 抗生素 + IPTG + X-gal 要灵活运用，根据不同情况设计筛选策略！电转化仪利用噬菌体颗粒能够有效将DNA注入到宿主细胞这一特点，科学家又发明了DNA分子的体外包装法延伸：其他基因导入方法蓝白斑筛选5.2.3 5.2.3 聚合酶链反应技术聚合酶链反应技术模板引物DNA聚合酶dNTPMg2+Polymerase Chain Reaction，PCR 变性退火延伸PCR引物设计：引物的长度一般为15-30 bp。引物在模板内最好具有单一性，特别是3端。引物序列的GC 含量最好在40一60，且上下游引物序列GC含量的差异不

14、要太大。避免形成稳定的引物二聚体和发夹结构 。 引物二聚体引物不专一聚合酶（Taq酶）Taq酶是从水生栖热菌 Thermus Aquaticus （ Taq ）中分离出的具有热稳定性的DNA 聚合酶。与一般酶不同,用Taq酶扩增DNA时常使3端凸出一个A，可用于TA Cloning. RT-PCR (反转录PCR)5.2.4 5.2.4 实时定量实时定量PCRPCRTaqMan荧光探针荧光探针SYBR Green荧光染料荧光染料5.2.5 5.2.5 基因组基因组DNADNA文库的构建文库的构建 从生物组织细胞提取出全部DNA将其切成预期大小的片段，分别与载体连接，转入受体细菌或细胞，形成克隆

15、。这样每一个细胞接受了含有一个基因组DNA片段与载体连接的重组DNA分子，而且可以繁殖扩增，许多细胞一起组成一个含有基因组各DNA片段克隆的集合体，就称为基因组DNA文库。如果这个文库足够大，能包含该生物基因组DNA全部的序列，就是该生物完整的基因组文库。用噬菌体建立DNADNA文库示意图其他载体：bacterial artificial chromosome (BAC) p1 artificial chromosome (PAC)yeast artificial chromosome (PAC)5.3 RNA基本操作技术 总RNA的提取 mRNA的纯化 cDNA的合成 cDNA文库的构建 基

16、因文库的筛选5.3.1 5.3.1 总总RNARNA的提取的提取 RNA易遭降解，实验要求较严格。总RNA提取的方法有多种，主要有LiCl法、CTAB法、异硫氰酸胍法（TriZol）。 异硫氰酸胍法（TriZol）原理： TRIZOL试剂中的主要成分为异硫氰酸胍和苯酚，其中异硫氰酸胍可裂解细胞，促使核蛋白体的解离，使RNA与蛋白质分离，并将RNA释放到溶液中。当加入氯仿时，它可抽提酸性的苯酚，而酸性苯酚可促使RNA进入水相，离心后可形成水相层和有机层，这样RNA与仍留在有机相中的蛋白质和DNA分离开。水相层（无色）主要为RNA，有机层（黄色）主要为DNA和蛋白质。5.3.2 mRNA5.3.2

17、 mRNA的纯化的纯化5.3.3 cDNA5.3.3 cDNA的合成的合成cDNA (complementary DNA) 5.3.4 cDNA5.3.4 cDNA文库的构建文库的构建 cDNA 文库是指某生物某发育时期所转录的全部 mRNA 经反转录形成的 cDNA 片段与 某 种 载 体 连 接 而 形 成 的 克 隆 的 集 合 。 经 典 c D N A 文 库 构 建 的 基 本 原 理 是 用 Oligo(dT) 作逆转录引物，或者用随机引物，给所合成的 cDNA 加上适当的连接接头，连接到适当的载体中获得文库。 步骤：在获得高质量的 mRNA 后，反转录合成cDNA，合成接头的加

18、入、将双链 DNA 克隆到载体中去、分析 cDNA 插入片断，扩增 cDNA 文库、对建立的 cDNA 文库进行鉴定。这里强调的是对载体的选择，常规用的是 噬菌体，这是因为 DNA 两端具有由12个核苷酸的粘性末端，可用来构建柯斯质粒，这种质粒能容纳大片段的外源 DNA。5.3.4 5.3.4 基因文库的筛选基因文库的筛选 基因文库的筛选是指通过某种特殊方法从基因文库中鉴定出含有所需重组DNA分子的特定克隆的过程。筛选方法有很多种，常用的有： 核酸杂交法 PCR筛选法 免疫筛选法核酸杂交法PCR筛选后稀释PCR筛选后稀释PCR筛选后稀释PCR筛选法免疫筛选法5.4 SNP的理论与应用人类基因组

19、由30亿个核苷酸组成，它们携带着人类的遗传信息并决定人体的生理特性。人类基因组序列的0.1%-0.2%在人种、人群和个体之间存在DNA 序列的差异，即单核苷酸多态性（SNP, single nucleotide polymorphism）。许多的这些单核苷酸多态性可引起不同的遗传性状，即遗传的多态性（polymorphism），如ABO血型位点标记，白细 胞HLA位点标记和个体药物代谢差异等。了解这些DNA序列的差异和单核苷酸多态性以及这些差异所表现的意义将对疾病的预测、诊断、预后和预防带来革命性 的变化。 5.5 基因克隆技术 在多细胞的高等生物个体水平上，人们用克隆（clone）表示由具有

20、相同基因型的同一物种的两个或数个个体组成的群体。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，克隆一词是指由同一个祖细胞（progenitor cell）分裂而来的一群遗传上同一的子细胞群体。 在分子生物学上，人们把将外源DNA插入具有复制能力的载体DNA中，使之得以永久保存和复制这种过程称为克隆。5.5.1 RACE5.5.1 RACE技术技术 RACE（rapid amplification of cDNA ends, cDNA末端快速扩增）是一种获得转录本5或3未知序列的方法。它根据已知序列设计基因片段内部特异引物， 用cDNA进

21、行PCR扩增得到目的序列。用于扩增5端的方法称为5RACE，用于扩增3端的称为3RACE。 已知cDNA序列可来自序列表达标签、减法cDNA库、差法显示和基因文库筛选。5.5.2 5.5.2 应用应用cDNAcDNA差示法分析克隆基因差示法分析克隆基因 cDNA差示分析法（representational difference analysis, RAD）充分发挥了PCR能以指数形式扩增双链DNA模板，仅以线形形式扩增单链模板的特性，通过降低cDNA群体复杂性和更换cDNA两端接头等方法，特异性扩增目的基因片断。加去磷酸化的接头混合、变性、复性填平粘性末端指数扩增线性扩增无扩增以 为引物的PC

22、R试验材料Tester探针材料Driver加去磷酸化的接头混合、变性、复性填平粘性末端指数扩增线性扩增无扩增以 为引物的PCR试验材料Tester探针材料Driver5.5.3 Gateway5.5.3 Gateway大规模克隆技术大规模克隆技术5.5.4 5.5.4 基因的位图克隆法基因的位图克隆法l 所有具有某种表现型的基因都可通过该法克隆得到。首先，通过构建遗传连锁图，将目的基因定位到某染色体的特定位点，并在其两侧确定紧密连锁的RFLP或RAPD分子标记。l 通过对许多不同的生态型及大量限制性内切酶和杂交探针的分析，找出与目的基因距离最近的RFLP标记，通过染色体步移技术将位于这两个标记

23、之间的基因片段克隆并分离出来。5.6 蛋白质组与蛋白质组学技术 蛋白质组学（Proteomics）一词，源于蛋白质（protein）与基因组学（genomics）两个词的组合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。 蛋白质组本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。 5.6.1 5.6.1 双向电泳技术双向电泳技术 双向电泳（ 2-DE ）由OFarrells于1975年首次建立并成功地分离约1 000个E.coli蛋白

24、，并表明蛋白质谱不是稳定的，而是随环境而变化。 双向电泳原理简明，第一向进行等电聚焦，蛋白质沿pH梯度分离，至各自的等电点；随后，再沿垂直的方向进行分子量的分离。pH3pH10IEFSDS Biochem. J. (2004) 378 (929937)5.6.2 5.6.2 蛋白质印迹法蛋白质印迹法 分子生物学中最常用的蛋白质技术可能是蛋白质印迹法（Western bloting），又称免疫印迹法（immunobloting）。 原理：经过PAGE分离的蛋白质样品，转移到固相载体（例如硝酸纤维素薄膜）上，固相载体以非共价键形式吸附蛋白质，且能保持电泳分离的多肽类型及其生物学活性不变。以固相载体

25、上的蛋白质或多肽作为抗原，与对应的抗体起免疫反应，再与酶或同位素标记的第二抗体起反应，经过底物显色或放射自显影以检测电泳分离的特异性目的基因表达的蛋白成分。该技术也广泛应用于检测蛋白水平的表达。延伸：Southern印迹法（Southern blot）由英国人Edwin Mellor Southern创建。 DNA-DNA杂交。Northern 印迹法（Northern blot）：将RNA固定在硝酸纤维素膜上后,用互补的,具有放射性标记的RNA或DNA探针与其杂交。Western印迹法（Western blot）：将蛋白质转移到膜上后，用特异性抗体进行杂交。5.6.3 5.6.3 蛋白质的质

26、谱分析技术蛋白质的质谱分析技术 质谱由于很高的灵敏度、准确性、易操作性、快速性及很好的普适性而倍受科学家的广泛注意。在质谱测序中，灵敏度及准确性随分子量增大有明显降低，所以肽的序列分析比蛋白容易许多，许多研究也都是以肽作为分析对象进行的。近年来随着电喷雾电离质谱(electrospray ionisation，ESI)及基质辅助激光解吸质谱(matrix assisted laser desorption/ionization，MALDI)等质谱软电离技术的发展与完善，极性肽分子的分析成为可能，检测限下降到fmol级别，可测定分子量范围则高达100000Da，目前基质辅助的激光解吸电离飞行时间质谱法(MALDI TOF MS)已成为测定生物大分子尤其是蛋白质、多肽分子量和一级结构的有效工具，也是当今生命科学领域中重大课题蛋白质组研究所必不可缺的关键技术之一 。 双酶切双酶切普通的琼脂糖凝胶电泳