基因工程课件6. 基因克隆载体-大容量
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《基因克隆载体》PPT课件
显性质粒
Ｒ质粒：含有氨苄青霉素Ap、氯霉素Cm、
卡那霉素Km、四环素Tc、链霉素Sm等药物的 抗性基因，可作为选择标记。
Col质粒 Ｆ质粒 降解质粒 Ｔi质粒
隐蔽质粒 蓝藻内源质粒
二、 质粒克隆载体构建的基本策略
１、能进行有效复制——复制起始位点（最好是多拷贝） ２、克隆位点——组装MCS连杆 ３、选择标记基因——抗性基因，Lac Z’基因 ４、分子尽可能小（转化率高），＞15kb，转化率↓↓ ５、组装各种“元件”，如启动子、终止子等
酵母染色体URA3基因→HindⅢ酶切
pBR322质粒
YEp24 （图3-11）
特征 （1）保留了pBR322的Ａｐｒ和Ｔｃｒ——筛选大肠杆菌克隆子 （2）含URA3标记——筛选酵母菌克隆子 （3）URA3基因——补偿酵母菌ura3突变
优点 （1）是一种穿梭质粒，可在酵母菌和大肠杆菌中复制 （2）转化率高，1μgDNA可获得约104～105个克隆子 （3）稳定高拷贝复制
3．2 病毒（噬菌体）克隆载体
病毒基本结构：
DNA（或RNA）+ 外壳蛋白 感染细菌的病毒，称为噬菌体。
分类（根据病毒与宿主的关系）： 温和性病毒：
溶原性增殖→构建病毒载体
烈性病毒：
溶菌性增殖→改造后
一、λ噬菌体克隆载体
（一） λ噬菌体性质
λDNA + 外壳蛋白 1、λDNA (48.5kb) 噬菌体中：线性 宿主细胞：环状(cos位点)
λDNA头部可包装约36.4～51kb(自身的75%～105%)， 且约有20kb λDNA可缺失（生长非必需） 3、在λDNA上有多种限制性内切酶位点
（三）构建的基本策略与技术路线
策略: 切去部分非必需区，删掉多余的限制性内切酶位 点，插入选择性标记基因，建立体外包装系统。
Ｒ质粒：含有氨苄青霉素Ap、氯霉素Cm、
卡那霉素Km、四环素Tc、链霉素Sm等药物的 抗性基因，可作为选择标记。
Col质粒 Ｆ质粒 降解质粒 Ｔi质粒
隐蔽质粒 蓝藻内源质粒
二、 质粒克隆载体构建的基本策略
１、能进行有效复制——复制起始位点（最好是多拷贝） ２、克隆位点——组装MCS连杆 ３、选择标记基因——抗性基因，Lac Z’基因 ４、分子尽可能小（转化率高），＞15kb，转化率↓↓ ５、组装各种“元件”，如启动子、终止子等
酵母染色体URA3基因→HindⅢ酶切
pBR322质粒
YEp24 （图3-11）
特征 （1）保留了pBR322的Ａｐｒ和Ｔｃｒ——筛选大肠杆菌克隆子 （2）含URA3标记——筛选酵母菌克隆子 （3）URA3基因——补偿酵母菌ura3突变
优点 （1）是一种穿梭质粒，可在酵母菌和大肠杆菌中复制 （2）转化率高，1μgDNA可获得约104～105个克隆子 （3）稳定高拷贝复制
3．2 病毒（噬菌体）克隆载体
病毒基本结构：
DNA（或RNA）+ 外壳蛋白 感染细菌的病毒，称为噬菌体。
分类（根据病毒与宿主的关系）： 温和性病毒：
溶原性增殖→构建病毒载体
烈性病毒：
溶菌性增殖→改造后
一、λ噬菌体克隆载体
（一） λ噬菌体性质
λDNA + 外壳蛋白 1、λDNA (48.5kb) 噬菌体中：线性 宿主细胞：环状(cos位点)
λDNA头部可包装约36.4～51kb(自身的75%～105%)， 且约有20kb λDNA可缺失（生长非必需） 3、在λDNA上有多种限制性内切酶位点
（三）构建的基本策略与技术路线
策略: 切去部分非必需区，删掉多余的限制性内切酶位 点，插入选择性标记基因，建立体外包装系统。
基因的克隆与表达PPT课件
2．真核表达系统：使外源基因在真核细 胞中表达的体系。
.
32
二．原核生物基因结构和表达特点
.
33
1. 原核生物染色体DNA是裸露的环形 DNA，其转录和翻译是偶联的连续 进行。
2. 原核生物形成多顺反子mRNA： mRNA在合成过程中和多个核糖体 结合，翻译形成多条肽链。
.
34
3、一般不含内含子（intron），没有转 录及翻译后加工系统
• PCR过程中，普通的Taq酶可在产 物的3’端多加一个A
.
17
五、基因克隆的工作流程
（一）目的基因的获得
1、直接分离3、构建cDNA4、PCR5、人工合成
6、差异显示
.
18
1、直接物的基因组DNA切割成一定大 小的片段，并与合适的载体重组后 导入宿主细胞，进行克隆。这些存 在于所有重组
11
三、受体细胞
1、定义：外源DNA导入的细胞，是 重组体扩增的场所。
2、要求：易于接纳外源DNA
无特异的内源性核酸内切酶
载体复制、扩增不受阻
与载体有互补性
.
12
四、体外重组的策略
1、粘末端连接 1）全同源粘末端连接 • 最方便简单 • 高背景-载体自身环化 • 双向插入
.
13
2）定向克隆：使外源基因定向插入到载体 中的克隆策略
基因的克隆与表达
.
1
➢基因克隆(gene cloning) ➢基因表达(gene expression)
-原核基因表达 -真核基因表达
.
2
基因克 隆 Gene Cloning
.
3
➢概述 ➢克隆载体 ➢受体细胞 ➢体外重组的策略 ➢基因克隆工作流程
.
32
二．原核生物基因结构和表达特点
.
33
1. 原核生物染色体DNA是裸露的环形 DNA，其转录和翻译是偶联的连续 进行。
2. 原核生物形成多顺反子mRNA： mRNA在合成过程中和多个核糖体 结合，翻译形成多条肽链。
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34
3、一般不含内含子（intron），没有转 录及翻译后加工系统
• PCR过程中，普通的Taq酶可在产 物的3’端多加一个A
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五、基因克隆的工作流程
（一）目的基因的获得
1、直接分离3、构建cDNA4、PCR5、人工合成
6、差异显示
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1、直接物的基因组DNA切割成一定大 小的片段，并与合适的载体重组后 导入宿主细胞，进行克隆。这些存 在于所有重组
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三、受体细胞
1、定义：外源DNA导入的细胞，是 重组体扩增的场所。
2、要求：易于接纳外源DNA
无特异的内源性核酸内切酶
载体复制、扩增不受阻
与载体有互补性
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12
四、体外重组的策略
1、粘末端连接 1）全同源粘末端连接 • 最方便简单 • 高背景-载体自身环化 • 双向插入
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13
2）定向克隆：使外源基因定向插入到载体 中的克隆策略
基因的克隆与表达
.
1
➢基因克隆(gene cloning) ➢基因表达(gene expression)
-原核基因表达 -真核基因表达
.
2
基因克 隆 Gene Cloning
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3
➢概述 ➢克隆载体 ➢受体细胞 ➢体外重组的策略 ➢基因克隆工作流程
基因工程chapt6
SDS法小量制备 植物基因组DNA的原理
在含有去污剂，如SDS或CTAB的溶液中，植物细胞会被裂解释放出细胞核中的基因组DNA，通过氯仿/异戊醇的抽提和离心去除掉裂解液中的细胞碎片、蛋白质以及其它杂质，这时的基因组DNA分配在水相中。 然后用乙醇(或异丙醇)将水相的DNA分子沉淀出来，最后溶于TE缓冲液或纯水中备用。
第六章 基因工程的基本技术
第一节 DNA的提取和检测 第二节 DNA切割、连接与细胞转化 第三节 DNA聚合酶链式反应 第四节 Southern杂交技术 第五节 DNA的序列分析 第六节 植物转基因技术
第三节 DNA聚合酶链式反应
The polymerase chain reaction (PCR) is an enzymatic synthesis approach to DNA. It allows the rapid manufacture of large quantities of specific DNA sequences without the need for cloning in E. coli, growth of the bacteria and isolation of the DNA. The reaction can take place on just one single molecule of target DNA and has found application in many areas of science, from DNA cloning and sequencing to Forensic science and biosystematics. PCR技术是一种模拟DNA体内复制过程的体外DNA复制过程，在一个离心管的缓冲液体系中，加入DNA模板，dNTPs,
在含有去污剂，如SDS或CTAB的溶液中，植物细胞会被裂解释放出细胞核中的基因组DNA，通过氯仿/异戊醇的抽提和离心去除掉裂解液中的细胞碎片、蛋白质以及其它杂质，这时的基因组DNA分配在水相中。 然后用乙醇(或异丙醇)将水相的DNA分子沉淀出来，最后溶于TE缓冲液或纯水中备用。
第六章 基因工程的基本技术
第一节 DNA的提取和检测 第二节 DNA切割、连接与细胞转化 第三节 DNA聚合酶链式反应 第四节 Southern杂交技术 第五节 DNA的序列分析 第六节 植物转基因技术
第三节 DNA聚合酶链式反应
The polymerase chain reaction (PCR) is an enzymatic synthesis approach to DNA. It allows the rapid manufacture of large quantities of specific DNA sequences without the need for cloning in E. coli, growth of the bacteria and isolation of the DNA. The reaction can take place on just one single molecule of target DNA and has found application in many areas of science, from DNA cloning and sequencing to Forensic science and biosystematics. PCR技术是一种模拟DNA体内复制过程的体外DNA复制过程，在一个离心管的缓冲液体系中，加入DNA模板，dNTPs,
高中生物基因工程课件
毒性和提高免疫原性。
基因工程疫苗的应用
03
预防传染病，如乙型肝炎疫苗、人乳头瘤病毒疫苗等，降低人
群发病率。
基因工程抗体
基因工程抗体的种类
包括单克隆抗体、双特异性抗体、人源化抗体等。
基因工程抗体的制备
通过基因工程技术克隆和表达抗体的重链和轻链可变区基因，与适 当的恒定区基因融合，在哺乳动物细胞中表达。
公众参与与透明度
加强公众参与和透明度，促进利益相关方的对话 和协商，共同制定符合各方利益的决策。
3
国际合作与协调
加强国际合作与协调，共同制定国际性的伦理准 则和法律法规，促进全球范围内的公平和平等。
谢谢
THANKS
生物固氮
通过基因工程技术将固氮基因转入植物，提高植 物的固氮能力，减少化肥使用。
生物农药
通过基因工程技术生产具有杀虫、杀菌作用的生 物农药，减少化学农药的使用。
基因编辑技术
利用基因编辑技术如CRISPR-Cas9等对作物进行 精确的基因改造，提高作物的抗逆性和产量。
05 基因工程与环境保护
CHAPTER
生物的遗传性状。
基因工程原理
基因工程基于分子生物学和遗传学 原理，通过改变生物体的基因组， 实现对生物性状的遗传改良。
基因工程操作步骤
基因工程的操作步骤包括基因克隆 、载体构建、受体细胞转化、基因 表达和产物分离纯化等。
基因工程的历史与发展
基因工程的起源
基因工程的未来发展
基因工程起源于20世纪70年代，当时 科学家发现了限制性内切酶和DNA连 接酶，为基因操作提供了工具。
基因工程在土壤修复中的应用
土壤修复是指通过各种手段改善土壤质量，降低土壤污染 对环境和人体健康的影响。基因工程技术可以帮助我们培 育出具有特定功能的植物，用于土壤修复。
第三章 基因克隆的载体
没有获得载体的寄主细胞 在Amp或Tet中都死亡。
获得载体的寄主细胞 在Amp或Tet其中之一中死亡。
外源基因BamH I Amp中存活 但在Tet中死亡
外源基因Pst I Tet中存活 但在Amp中死亡
② 分子小，克隆能力大 载体越小越好。 >10kb的DNA在纯化过程中容易断裂。
③ 高拷贝数
2. 质粒载体相关知识介绍
（4）pBluescript SK
pBluescript SK is similar to the pGEM vectors except that it also carries an origin of replication for a filamentous phage, f1. f1 uses a single stranded DNA molecule as a genome and pBluescript KS
表达型质粒载体
装有强化外源基因表达的转录、翻译、纯 化的元件，主要用来使外源基因表达出 蛋白质产物。
注意启动子的性质，终止子、起始 密码、终止密码的阅读正确。 如果在大肠杆菌里表达，必须把所克隆 的真核生物的基因臵于大肠杆菌的转 录—翻译信号控制之下。
① 表达载体的结构
1）普通载体元件 复制起始点ORI、 选择标记、 多克隆位点MCS
1.质粒的生物学特性
（4）质粒的复制类型 一种质粒在宿主细胞中存
在的数目称为该质粒的拷贝数。据拷贝数将质粒分为 两种复制型：“严紧型”质粒（stigent plasmid）, 拷贝数为1-3；“松弛型”质粒（relaxed plasmid）, 拷贝数为10-60。不过，即使是同一质粒，其拷贝数在 不同的寄主细胞间也可能有很大的变化。
基因克隆简介ppt课件
5’3’-
5’3’-
GAATTC CTTAAG
G AATTC CTTAA G
-3’ -5’
-3’ -5’
14
（4）粘性末端的意义 ①连接便利
i）不同的DNA双链： 只要粘性末端碱基互补就可以连接。 这比连接两个平齐末端容易的多。
ii）同一个DNA分子内连接： 通过两个相同的粘性末端可以连接成环 形分子。
pBR322质粒
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 （tetr）；
第三部分则来源于ColE1的派生质粒pMB1的DNA
复制起点（ori）。
27
PstI
ScaI
Ampr
HindIII BamHI
④ lacZ的a肽互补 1）a-肽（ lacZ’ ）：
b-半乳糖苷酶N端的一段氨基酸片断 （11-41氨基酸），该段基因序列连接到 pUC载体上。
受体菌基因组的b-半乳糖苷酶基因的 缺失a肽（氨基端有缺失），不能形成 活性酶，不能分解Xgal
37
⑤ 载体lacZ’与a互补
pUC质粒载体上的lacZ’ 编码a肽与这个 缺失突变的b-半乳糖苷酶“互补”，又 能分解Xgal。产生蓝色物质。
15
16
2. DNA 连接酶 3.1 DNA连接酶（ligase)的发现
从细菌DNA环化现象推测，必定存在一种能 把两条DNA双链连接到一起的酶。
DNA复制一定有断口。 17
3.2 DNA ligase的特点
1. 两种DNA连接酶
（1）大肠杆菌连接酶 只能连接粘性末端。
（2）T4噬菌体的连接酶 不但能连接粘性末端， 还能连接齐平末端。
基因工程课件6. 基因克隆载体-大容量
因)1.1kb片段 将上述两个片段分别接入pBR322质粒的EcoR I 和
Hind III位点
YEp24载体
YEp24载体
穿梭质粒：人工构建的具有两种不同复制起点
和选择标记，可以在两种不同类群宿主中存活和 复制的质粒载体。 穿梭质粒有利于对质粒的分子生物学操作和大量 制备。
YEp24载体常用于酵母菌高水平表达外源目的基因。
Thank You
曾被应用于人类基因组计划
酵母人工染色体载体的不足
1. 存在嵌合现象
插入序列可能来自多个片段
2. 稳定性差
继代培养中容易丢失
3. 转化效率低
细菌人工染色体载体BAC
在大肠杆菌F因子的基础上发展而来，
1. 可稳定遗传，缺失、重组、嵌合现象少 2. 转化率高，对宿主毒副作用小 3. 操作容易 4. BAC结构为环状
细菌人工染色体载体BAC
细菌人工台筛选最优序列，即所有这些排列起来能
覆盖整个基因组，而且之间要有一定的重叠度， 以保证序列搭建无误 将这些分别测序后组装起来 需要预先构建基因组的物理图谱
几种载体容量的比较
普通质粒：一般不超过10kb λ 噬菌体：15kb左右，极限值为23kb 柯斯质粒：31～45kb 酵母人工染色体：一般为500kb，甚至1M BAC：100～350kb
酵母人工染色体载体
构建方法：
端粒、复制起点、着丝粒 筛选标记基因 与质粒结合
酵母人工染色体载体
pYAC4 载体
BamH I、EcoR I双酶切 EcoR I连接外源基因 线性
酵母人工含内含子和调控区
2. 构建染色体的物理图谱
基因克隆载体
生物与食品工程学院
酵母基因克隆载体
Hind III位点
YEp24载体
YEp24载体
穿梭质粒：人工构建的具有两种不同复制起点
和选择标记，可以在两种不同类群宿主中存活和 复制的质粒载体。 穿梭质粒有利于对质粒的分子生物学操作和大量 制备。
YEp24载体常用于酵母菌高水平表达外源目的基因。
Thank You
曾被应用于人类基因组计划
酵母人工染色体载体的不足
1. 存在嵌合现象
插入序列可能来自多个片段
2. 稳定性差
继代培养中容易丢失
3. 转化效率低
细菌人工染色体载体BAC
在大肠杆菌F因子的基础上发展而来，
1. 可稳定遗传，缺失、重组、嵌合现象少 2. 转化率高，对宿主毒副作用小 3. 操作容易 4. BAC结构为环状
细菌人工染色体载体BAC
细菌人工台筛选最优序列，即所有这些排列起来能
覆盖整个基因组，而且之间要有一定的重叠度， 以保证序列搭建无误 将这些分别测序后组装起来 需要预先构建基因组的物理图谱
几种载体容量的比较
普通质粒：一般不超过10kb λ 噬菌体：15kb左右，极限值为23kb 柯斯质粒：31～45kb 酵母人工染色体：一般为500kb，甚至1M BAC：100～350kb
酵母人工染色体载体
构建方法：
端粒、复制起点、着丝粒 筛选标记基因 与质粒结合
酵母人工染色体载体
pYAC4 载体
BamH I、EcoR I双酶切 EcoR I连接外源基因 线性
酵母人工含内含子和调控区
2. 构建染色体的物理图谱
基因克隆载体
生物与食品工程学院
酵母基因克隆载体
基因工程技术ppt课件
是指目的基因在受体细胞内表达，研究功能。
3
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
应用：
• 克隆感兴趣基因进行序列分析，研究其组织结构。 • 转入原核表达载体，进行大规模蛋白质合成,生产多肽
产品。 • 转入真核表达载体，导入细胞，研究其功能，表达调
载体：
• 载体(Vector)是目的基因的运载工具，其作用是将目 的基因带入受体细胞中，并使目的基因扩增和表达。
• 种类： 按来源分： 质粒载体(plasmid vector)、噬菌体载体(phage vector)、 柯氏质粒载体(cosmid vector)、病毒载体(virus vector ). 按作用分： 克隆载体(cloning vector )、表达载体(expression vector)、 穿梭载体(shuttle vector)
四环素选择标记上，4种位于Amp抗性基因上。外源基因的插入将破坏 抗性基因的完整性，导致抗性基因插入失活，这种特性可用于区分重组 和非重组分子。 • 松弛性质粒，在大肠杆菌细胞内有较高的拷贝数，当细菌蛋白质合成停 止时，它仍能继续复制。
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病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
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病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
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病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程TA 源自隆AA19
3
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
应用：
• 克隆感兴趣基因进行序列分析，研究其组织结构。 • 转入原核表达载体，进行大规模蛋白质合成,生产多肽
产品。 • 转入真核表达载体，导入细胞，研究其功能，表达调
载体：
• 载体(Vector)是目的基因的运载工具，其作用是将目 的基因带入受体细胞中，并使目的基因扩增和表达。
• 种类： 按来源分： 质粒载体(plasmid vector)、噬菌体载体(phage vector)、 柯氏质粒载体(cosmid vector)、病毒载体(virus vector ). 按作用分： 克隆载体(cloning vector )、表达载体(expression vector)、 穿梭载体(shuttle vector)
四环素选择标记上，4种位于Amp抗性基因上。外源基因的插入将破坏 抗性基因的完整性，导致抗性基因插入失活，这种特性可用于区分重组 和非重组分子。 • 松弛性质粒，在大肠杆菌细胞内有较高的拷贝数，当细菌蛋白质合成停 止时，它仍能继续复制。
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病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
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病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
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病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程TA 源自隆AA19
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酵母人工染可以包理图谱
曾被应用于人类基因组计划
酵母人工染色体载体的不足
1. 存在嵌合现象
插入序列可能来自多个片段
2. 稳定性差
继代培养中容易丢失
3. 转化效率低
细菌人工染色体载体BAC
YEp24载体常用于酵母菌高水平表达外源目的基因。
穿梭质粒有利于对质粒的分子生物学操作和大量
酵母人工染色体载体
构建方法：
端粒、复制起点、着丝粒 筛选标记基因 与质粒结合
酵母人工染色体载体
pYAC4 载体
BamH I、EcoR I双酶切
EcoR I连接外源基因
线性
在大肠杆菌F因子的基础上发展而来，
1. 可稳定遗传，缺失、重组、嵌合现象少
2. 转化率高，对宿主毒副作用小
3. 操作容易
4. BAC结构为环状
细菌人工染色体载体BAC
细菌人工染用平台筛选最优序列，即所有这些排列起来能 覆盖整个基因组，而且之间要有一定的重叠度， 以保证序列搭建无误 将这些分别测序后组装起来 需要预先构建基因组的物理图谱
基因克隆载体
生物与食品工程学院
酵母基因克隆载体
酵母：
1. 结构简单的真核生物 2. 培养廉价 3. 可以对外源基因表达蛋白进行加工和修
饰
二硫键的正确形成、羰基化
酵母2μm质粒
每个细胞含20~80个拷贝
能在酵母细胞内自我复制
含有复制起始点 ori
YEp24载体
构成：
几种载体容量的比较
普通质粒：一般不超过10kb
λ 噬菌体：15kb左右，极限值为23kb
柯斯质粒：31～45kb
酵母人工染色体：一般为500kb，甚至1M BAC：100～350kb
Thank You
2μm质粒复制起始点的2.2kb片段 酵母染色体基因组URA3 基因(尿嘧啶营养缺陷基 因)1.1kb片段 将上述两个片段分别接入pBR322质粒的EcoR I 和 Hind III位点
YEp24载体
YEp24载体
穿梭质粒：人工构建的具有两种不同复制起点
和选择标记，可以在两种不同类群宿主中存活和 复制的质粒载体。 制备。