第十四章基因工程与蛋白质工程

1、生物化学（第三版）生物化学（第三版）主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清参编参编 刘文彬刘文彬 李永红李永红 姚舜姚舜生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清重组DNA技术，又称为基因克隆或分子克隆技术， 克隆(clone)-无性繁殖 分子克隆 DNA的无性繁殖技术 重组DNA技术包括了一系列的分子生物学操作步骤。 重组DNA技术的重大突破带动了现代生物技术的兴起，并很快产生了许多生命科学的高技术产业。一、重组DNA技术是基因工

2、程的核心技术生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清基因工程(genetic engineering)所谓基因工程(genetic engineering)就是把外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制，转录，翻译表达的操作叫基因工程。基因工程可使另一种生物获得新的遗传性状或表达所需要的产物。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 重组DNA操作一般步骤：（1）获得目的基因；（2）与克隆载体连接，形成新的重组DNA分子；（3）用重组DNA分子转化受体细胞，并能在受体细胞中复制和遗传；（4）对转化子筛选和鉴定；（5）对获得外源基因的细胞或生物体

3、通过培养，获得所需的遗传性状或表达出所需要的产物。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清获得需要的目的基因常用的方法：（1）直接从生物体中提取总DNA，构建基因组DNA文库(genomic DNA library)，从中调用目的基因；（2）以mRNA为模板，反转录合成互补的DNA片段，建立cDNA文库；（3）利用聚合酶链式反应（PCR）特异性地扩增所需要的目的基因片段，等等。 （4）化学合成二、获得需要的目的基因（外源基因）生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清n 细胞内总DNA的提取分离与基因组文库的构建l 细胞内总DNA的提取分离程序苯酚沉淀蛋白质生物化学生物化

4、学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清l 紫外分光光度计测定DNA溶液的纯度和浓度。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清l 基因组DNA文库的构建将总DNA经过酶解，经蔗糖梯度离心或琼脂糖凝胶电泳分离不同长短的DNA片段。包含的基因组片段分别克隆在质粒或噬菌体载体上，转染细菌或体外包装到噬菌体颗粒上便构成了该生物的基因组文库。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清cDNAcDNA文库的构建文库的构建mRNA 反转录cDNA(互补DNA）第二条DNA链生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清n 反转录人工合成互补DNA, cDNA 构建基因文库获取目的基

5、因存在的问题费时费事内含子序列 反转录人工合成互补DNA方法的优势获取的DNA片段往往是具有特定功能的目的基因生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清n 聚合酶链式反应（PCR）l PCR技术就是在体外中通过酶促反应有选择地大量扩增（包括分离）一段目的基因的技术。l 加入4种物质： （1）作为模板的DNA序列；（2）与被分离的目的基因两条链 各自5端序列相互补的DNA引物（20个左右碱基的短DNA单链）；（3）TaqDNA聚合酶；（4）dNTP（dATP, dTTP, dGTP和dCTP）。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清n 聚合酶链式反应（PCR）l变性、退火

6、、延伸三步曲变性：双链DNA解链成为单链DNA退火：部分引物与模板的单链DNA的特定互补部位相配对和结合延伸：以目的基因为模板，合成互补的新DNA链生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清n 聚合酶链式反应（PCR）l每一轮聚合酶链式反应可使目的基因片段增加一倍30轮循环可获得 230（1.07109)个基因片段生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清l PCR技术的发明 PCR的发明是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DNA双螺旋 行驶的汽车一小段DNA引物 1988年发明了P

7、CR技术 1993年获得诺贝尔奖生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 基因重组和克隆操作最重要的工具是： 1.限制性内切酶 2.载体 和 3.宿主菌 微量的目的基因必须经过基因克隆获得大量的拷贝后，才能实现进一步的重组、转化和表达等操作。三、构建重组质粒DNA和基因克隆n 限制性内切酶 限制性内切酶是从细菌中分离提纯的核酸内切酶，可以识别并切开核酸序列特定位点分子手术刀 Arber、Smith和Nathans因为在发现限制性内切酶方面开创性工作而共同获得了1978年的诺贝尔奖。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海

8、清识别特定的核苷酸序列46个碱基对形成粘性末端或平端生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清n 限制性内切酶 已经发现和鉴定了200多种EcoRI特异识别GAATTC及其互补碱基组成的双链片段 粘性末端 T4连接酶生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 The formation of a recombinant DNA molecule生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清载体载体载体是运送目的基因片段进入宿主细胞的工具，（1）能够自我复制，并带动插入的外源基因一起复制（2）具有合适的限制性酶切位点（

9、3）具有合适的筛选标记（4）细胞内拷贝数要多（5）载体的分子量要小 （6）细胞内稳定性高目前最常用的载体包括细菌质粒、l噬菌体、cosmid质粒等。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 质粒是细菌细胞中自然存在于染色体外可以自主复制的一段环状DNA分子。进入到宿主细胞中的一个质粒可以大量增加其拷贝数。质粒生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 基因克隆获得大量目的基因后，就要使其在合适的宿主细胞中表达，产生需要的基因表达产物或使宿主生物具备所需的性状，同时目的基

10、因还能在宿主细胞中稳定遗传。这一过程就是遗传转化。 若需要让克隆的基因表达和产生大量编码蛋白，可对转化的大肠杆菌进行培养使目的基因大量表达和积累。对表达产物分离纯化便可获得想要的产品。 通过DNA体外重组技术构建的重组质粒还可以直接用以转化蓝藻等原核生物或其他一些原生生物。四、转化受体细胞和转化子的筛选生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清宿主菌或受体细胞 感受态细胞（competent cell）生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 受体细胞和重组基因的导入（转化或转染） 将目的基因克隆到大肠杆菌细胞中的操作步骤：1获得目的基因和质粒载体；2形成重组质粒；3制备

11、感受态细胞，用重组质粒转化大肠杆菌细胞；4培养大肠杆菌，让重组质粒及外源目的基因形成大量拷贝；5筛选含重组质粒的大肠杆菌细胞，进行检查或鉴定。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 pUC118质粒的多克隆位点整合在lacZ基因中，该位点如果没有插入外源目的基因，lacZ基因便可表达出半乳糖苷酶，如果平板培养基中含有IPTGIPTG（乳糖操纵子的诱导物）和X-galX-gal，X-galX-gal（ 半乳糖苷酶的底物）便会被半乳糖苷酶水解成兰色，大肠杆菌形成蓝色克隆。 在多克隆位点插入外源目的基因，破坏了lacZ基因的结构，大肠杆菌形成白色的克隆 利用lacZ基因的插入失活筛选重

12、组质粒生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 pUC18载体还携带了抗生素（antibiotic）基因，可筛选重组质粒。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清n 一般克隆基因的检查和鉴定方法 琼脂糖凝胶电泳分离鉴定大小不等的酶解片段：磷酸基团带负电荷酶解片段向阳极移动电场驱动力和凝胶阻力 不同迁移率分子量标准参照物l 酶切和电泳方法生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清Restriction mapping酶切克隆基因的检查和鉴定方法生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清32P标记的DN

13、A分子探针 杂交 放射自显影法l DNA杂交直接鉴定生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清l 植物遗传转化常用的方法 载体法转化农杆菌介导法（Ti质粒） 基因的直接转移（1）高压电脉冲电激穿孔（2）基因枪法（3）微注射法生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 构建缺失chlL基因的蓝细菌突变株（直接转化重组质粒）生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 纪念发明者Edward Southern（1）提取总DNA（2）酶解（3）电泳（4）转移到滤膜（5）变性解链（6）DNA探针及杂交（7）洗脱（8）放射自显影（9）比较分析五、转化子的分析Southern杂

14、交生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 Southern杂交分析示例 A. DNA体外重组实验 B. 抗生素筛选转化子细胞 C. 培养突变株细胞 D. Southern杂交实验结果显示，外源目的基因已经转入突变株细胞中 1973年，由美国斯坦福大学教授Cohn和美国加州大学教授Boyer带领各自的研究组几乎同时分别完成了DNA体外重组，一举打开了基因工程学大门。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物

15、化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清氨基酸的聚合形成肽链氨基酸的聚合形成肽链生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清肽链的空间结构单元肽链的空间结构单元: : 二硫键的折叠二硫键的折叠生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清肽链的空间结构单元肽链的空间结构单元 : :氢键的折叠氢键的折叠生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清肽链的空间结构单元肽链的空间结构单元 : :离子键的折叠离子键的折叠生物化学

16、生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清肽链的空间结构肽链的空间结构单元单元l每四个氨基每四个氨基酸残基间的酸残基间的l氢键构成多氢键构成多肽链肽链 a a 螺旋螺旋生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清肽链的空间结构肽链的空间结构单元单元l由不同多肽链由不同多肽链上氨基酸残基上氨基酸残基间的氢键构成间的氢键构成多肽链多肽链 b b 折折叠叠生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清肽链的完整空间构象肽链的完整空间构象生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清

17、万海清蛋白质的加工修饰蛋白质的加工修饰 : :磷酸化修饰磷酸化修饰生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清蛋白质的加工修饰蛋白质的加工修饰: :羧基化修饰羧基化修饰几种参与凝血的蛋几种参与凝血的蛋白因子（如白因子（如 VIII VIII 和和IVIV因子）需要在因子）需要在其其谷酰胺侧链上的谷酰胺侧链上的g-g-羧基化修饰羧基化修饰后，后，才能拥有蛋白酶的才能拥有蛋白酶的活性，这一修饰过活性，这一修饰过程依赖与程依赖与维生素维生素K K 的存在的存在。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清蛋白质的加工修饰蛋白质的加工修饰: :甲基化修饰甲基化修饰肌肉中的一些蛋白质以肌

18、肉中的一些蛋白质以及细胞色素及细胞色素C C中的中的LysLys会会受到单甲基和二甲基化受到单甲基和二甲基化修饰；钙调蛋白会受到修饰；钙调蛋白会受到三甲基化修饰；所有三甲基化修饰；所有C C末末端以端以GluGlu结尾的蛋白质，结尾的蛋白质，其其GluGlu会受到甲基化修饰。会受到甲基化修饰。生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清蛋白质的加工蛋白质的加工修饰修饰: :N-N-糖基化糖基化O-O-糖基化糖基化糖基化修饰糖基化修饰生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清蛋白质的加工修饰蛋白质的加工修饰: :其它类型的修饰其它类型的修饰生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊

19、 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清遗传信息传递的中心遗传信息传递的中心法则法则DNADNA（基因）（基因）DNADNA（基因）（基因）mRNAmRNA蛋白质蛋白质生物代谢物质生物代谢物质复制复制转录转录翻译翻译代谢代谢基因组学基因组学转录组学转录组学蛋白组学蛋白组学代谢组学代谢组学逆转录逆转录中心法则中心法则生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海

20、清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清 2. PCR2. PCR介导的定点突介导的定点突变变 生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清生物化学生物化学主编主编 张洪渊张洪渊 万海清万海清1. 1. 胰岛素的结构及其生物合成胰岛素的结构及其生物合成S SS SS SS SC CN NS SS SB B 肽（肽（3030）C C 肽（肽（3131）A