实验同源重组

关于实验同源重组第1页，课件共49页，创作于2023年2月

内容一、什么是Red/ET同源重组二、技术的特点 三、作用机制 四、功能元件 五、操作流程及关键因素 六、在基因工程中的主要应用 七、新技术的发展八、在其他细菌中的应用 第2页，课件共49页，创作于2023年2月

遗传重组基因组的可变性和稳定性之间必须维持一个恰到好处的平衡，这样才能使生物体得以生存并能世代相传，繁衍不息。染色体的遗传差异主要由两种机制产生，一种是突变，一种是遗传重组。第3页，课件共49页，创作于2023年2月◘重组可分为四类（DNA序列、蛋白质因子）◘狭义遗传重组：涉及到DNA分子内断裂-复合的基因交流◘遗传重组与重组DNA技术异常广义遗传重组：任何造成基因型变化的基因交流过程第4页，课件共49页，创作于2023年2月一、什么是Red/ET同源重组1.概念Red/ET重组是新近出现的一种利用来自E.coli中λ

噬菌体的重组酶Redα/Redβ

或者是来自Rac噬菌体的重组酶RecE/RecT进行基因同源重组的DNA工程技术。2.原理首先重组酶沿5’→3’方向消化双链DNA，露出粘性末端（15-50bp）。随后重组酶介导单链退火修复（single-strandannealing），即载体和插入片段的黏性末端（15-50bp）互补形成稳定的带缺刻的环状重组质粒，转化大肠杆菌后能自动被修复为闭合的环状质粒

第5页，课件共49页，创作于2023年2月3.特点：

Red同源重组技术具有同源序列短(15～50bp)、重组效率高、操作简单、快速的特点。4.应用

这种技术可在DNA靶标分子的任意位点进行基因敲除、敲入、点突变等操作,无需使用限制性内切酶和连接酶。此外,这种新型重组技术可直接将目的基因克隆到载体上,目的基因既可来源于细菌人工染色体也可是基因组DNA。Red同源重组技术使难度较大的基因工程实验顺利进行,大大推动功能基因组研究的发展。第6页，课件共49页，创作于2023年2月第7页，课件共49页，创作于2023年2月gbalphageETRacphageRacrecE/recT

操纵子=λ

red

操纵子,操纵子中的重组酶（Redα/Redβ

或者RecE/RecT）协同配合完成重组作用；recE=redα

：5’→3’dsDNA核酸外切酶；

recT=redβ

：ssDNA结合和退火蛋白；

redγ：防止E.coli中的核酸酶RecBCD对外源线性DNA片段的消化。λ噬菌体的pL操纵子示意图

第8页，课件共49页，创作于2023年2月Reda(RecE)Red同源重组原理示意图Single-strandannealingStrandinvasion3’5’DigestionBinding3’5’Redb(RecT)Repair/ReplicationSelection第9页，课件共49页，创作于2023年2月RecE/RecT和Redα/Redβ两重组系统的差异“线状DNA＋线状DNA”重组，选用RecE/RecT重组酶系统；“线状DNA＋环状DNA”重组，选用Redα/Redβ重组酶系统；

根据需要选择含不同抗生素抗性基因（Ampr、Hygr、Tetr）和不同的诱导型启动子（pBAD、pTet）的重组酶系统表达质粒。质粒:pSC101-BAD-gbaA(amp)pSC101-BAD-gbaA(tet)pSC101-BAD-gbaA(hyg)pSC101-Tet-gbaA(tet)pSC101-BAD-ETgA(tet)pSC101-Tet-ETgA

(amp)第10页，课件共49页，创作于2023年2月RecE/RecT和Redα/Redβ两重组系统对不同类型底物重组效率的差异第11页，课件共49页，创作于2023年2月Red同源重组技术相关文献第12页，课件共49页，创作于2023年2月NatureGenetics(1998)NatureBiotechnology(2000)第13页，课件共49页，创作于2023年2月1.不依赖RecA蛋白，在重组酶系统（Redα/Redβ或RecE/RecT）的相互配合下，含短同源臂（15~50bp）的供体DNA分子能直接重组到受体DNA分子上，实现替换、插入、删除、突变等；2.不受靶标DNA分子大小的限制；3.不受内切酶切位点的限制；4.精确性：不依赖RecA蛋白，减少了引入非预期的突变、缺失、替换等的几率；

5.简便快捷：省去了中间质粒的构建，减少实验步骤、缩短实验周期。二、Red/ET同源重组技术的特点第14页，课件共49页，创作于2023年2月三、Red/ET重组的作用机制Red/ET重组链入侵模型1.链入侵模式第15页，课件共49页，创作于2023年2月Red/ET同源重组链退火模型2.链退火模型第16页，课件共49页，创作于2023年2月四、Red/ET重组中的功能元件1.Redα、Redβ和RedγRedα：以三聚体的形式形成“漏斗型”活性的蛋白，5’-3’外切酶活性。Redα结构（A）和与DNA相互作用的模式（B）（图片来自Subramanianetal.2003）

Redβ：与ssDNA结合形成丝状体，催化与互补ssDNA之间的退火。

Redγ：抑制RecBCD外切酶和SbcCD外切酶对外源DNA的降解。第17页，课件共49页，创作于2023年2月2.RecE和RecTRecE：C端39kDa的部分才是5’-3’外切酶活性必需，对5’端为羟基的底物也有活性。RecT：与ssDNA结合形成丝状体，催化与互补ssDNA之间的退火。3.RecA

４个亚基形成有活性的RecA蛋白，细菌中广泛存在且高度保守，有同源重组酶、DNA损伤修复、DNA依赖ATPase活性等功能。可诱导SOS反应、挽救DNA复制叉等，提高电击后细胞的活力，增加电转化效率。第18页，课件共49页，创作于2023年2月五、Red/ET重组操作流程引物设计合成线性供体dsDNA底物的制备线性载体的制备重组反应重组产物转化至感受态细胞重组子筛选重组子检测第19页，课件共49页，创作于2023年2月1.设计合成引物

设计引物时要遵循一般引物设计的基本原则，但是上下游引物要加上15-20bp的载体同源序列。载体同源序列如何添加主要分以下两种情况：（1）载体酶切后是5’端突出或平末端，则引物上的同源序列包括5’端突出序列的同源序列。（2）载体酶切后是3’端突出，则引物上的同源序列不包括3’端突出序列的同源序列。第20页，课件共49页，创作于2023年2月引物设计方法第21页，课件共49页，创作于2023年2月同源臂长度对Red/ET重组效率的影响（数据来自Zhangetal.1998）

同源臂的长度在15～50bp时，重组效率就能满足实验要求，重组效率随着同源臂长度的增加而增加。第22页，课件共49页，创作于2023年2月2.线性供体dsDNA底物的制备

选用保真度高的DNA聚合酶（如Phusion、Pyrobest等，减少PCR反应中的突变；扩增GC含量较高的DNA片段时，选用Triplemaster、HotStarTaq等），用合成的引物PCR扩增获得dsDNA底物；纯化PCR产物：（1）减少模板背景对筛选工作带来的难度；（2）降低其剩余引物与靶标DNA片段的结合，提高重组效率；（3）去处PCR产物中的盐离子，提高转化效率。降低模板对筛选工作带来的难度；

（1）纯化回收PCR产物；（2）内切酶消化处理模板；（3）使用R6K复制子。第23页，课件共49页，创作于2023年2月线性化载体可以通过酶切或PCR扩增两种方法获得。1）酶切

选取合适的位点，单酶切或双酶切皆可,质粒的线性化不彻底，将导致阴性克隆的产生，为了提高阳性率，建议通过双酶切进行质粒线性化。2）PCR扩增

选取合适的位点，设计正向和反向引物，引物长度一般在18-20bp左右，建议用高保真的聚合酶扩增。为了避免模板质粒DNA对后续试验的影响，建议用DpnI内切酶消化PCR产物，降低背景，提高阳性率。不管采取哪种方法，最终线性化载体的浓度需>50ng/ul，高浓度的载体有利于提高效率。

3.线性载体的制备第24页，课件共49页，创作于2023年2月4.同源重组反应试剂加量10xBuffer1ulRecombinationEnzyme1ul线性化载体（>50ng/ul）

50-100ng插入片段（>50ng/ul）150-200ngddH2O补足至10ul（1）配置反应体系

将目的DNA片段和线性化载体以一定的摩尔比加到管子中进行重组反应（摩尔比可计算方法见附录），10ul体系(见下表)注意：1.目的片段与载体的摩尔比在2:1-5:1之间，摩尔比低于2:1效率会降低；2.反应时间在15-30分钟，时间太短不利于重组反应（2）短暂离心混匀，37℃孵育15分钟。（3）反应结束后，取5-10ul反应液立即进行转化，剩余反应液可在4℃或-20℃保存待用。

第25页，课件共49页，创作于2023年2月5.重组产物转化至感受态细胞冰上融化一管100μl的DH5α感受态细胞。加入5-10μl反应液到感受态细胞中，轻轻混匀，冰上孵育30分钟。42℃水浴中热激45-90秒后，冰浴3分钟。注意：所使用的感受态细胞效率≥1×108cfu/μg.加入890μlSOC液体培养基，37℃复苏45-60分钟。第26页，课件共49页，创作于2023年2月6.重组子筛选

复苏培养物8000rpm离心1分钟收集菌体，根据需要将一定量的菌体均匀的涂布在含抗生素平板上,37℃倒置培养12-16h后观察菌落生长情况。使用抗生素的最低抑菌浓度，有利于获得更多的重组子：在10μg/mL的卡那霉素平板上重组子的数目是60μg/mL的卡那霉素平板上重组子的数目的6倍。

抗生素使用浓度与Red/ET重组效率的关系

第27页，课件共49页，创作于2023年2月常用抗生素的工作浓度第28页，课件共49页，创作于2023年2月7.重组子的检测

检测方法：酶切分析、PCR检测、平板双划线、测序等；

一般采用菌落PCR进行阳性克隆鉴定。为避免假阳性结果，鉴定引物选择一条为载体特异性引物，另一条引物为目的片段特异性引物。高拷贝质粒修饰存在“质粒多聚体”现象；“质粒多聚体”问题解决办法：采用“线性DNA+线性DNA”重组方式；利用RecE/RecT重组酶系统；减低质粒拷贝数。第29页，课件共49页，创作于2023年2月卡那霉素抗性基因（Kan）替换pUC19中的氨苄抗性基因（Amp）“质粒多聚体”现象解决办法：采用“线性DNA+线性DNA”重组方式；利用RecE/RecT重组酶系统；减低质粒拷贝数。第30页，课件共49页，创作于2023年2月六、Red/ET重组技术的主要应用1.重组质粒的构建2.染色体的修饰3.亚克隆（Subcloning）4.直接克隆（Directcloning）第31页，课件共49页，创作于2023年2月1.重组质粒的构建(1)传统基因克隆技术的缺点

传统克隆技术依赖限制性酶切位点和内切酶的消化，当缺少合适的酶切位点或者某个酶切位点在目的片段中大量存在时，利用内切酶消化难以得到相应的产物。方法看似简单，但实验周期长。大片段难以与载体正确连接。无法同时连接多个（2个以上）的DNA片段。限制性内切酶连接酶第32页，课件共49页，创作于2023年2月步骤1：酶切目的片段步骤2：酶切载体步骤3:目的片段与载体连接同源重组克隆步骤传统克隆步骤步骤4:重组子转化到感受态细胞第33页，课件共49页，创作于2023年2月同源重组克隆传统克隆克隆片段长度50bp-10kb50bp-2kb一次克隆片段数1-5个1个感受态效率要求1×108cfu/ug以上1×107cfu/ug以上所用的酶重组酶T4连接酶片段的插入位点任何位点特定位点片段酶切不需要需要载体线性化方法酶切或PCR酶切同源重组克隆与传统克隆比较第34页，课件共49页，创作于2023年2月插入选择标记插入无选择标记的DNA片段2.染色体的修饰第35页，课件共49页，创作于2023年2月E.coli染色体上插入抗性基因第36页，课件共49页，创作于2023年2月

传统基因工程技术（A）和Red/ET重组技术（B）修饰E.coli染色体实验步骤比较第37页，课件共49页，创作于2023年2月（B）不同复制子能承载外源DNA片段的大小3.亚克隆（Subcloning）4.直接克隆（Directcloning）（A）亚克隆和直接克隆示意图第38页，课件共49页，创作于2023年2月Red/ETsubcloning亚克隆pGB-15A载体抗性基因簇第39页，课件共49页，创作于202