克隆基因的表达
外源基因原核系统克隆表达的基本流程
外源基因原核系统克隆表达的基本流程
外源基因原核系统克隆表达的基本流程如下：
1. 设计引物：根据外源基因的序列，设计引物，其中至少包括一个启动子和一个终止子。
2. 基因克隆：使用PCR或其他克隆技术，将外源基因与载体DNA连接起来，形成重组质粒。
3. 转化：将重组质粒转化到适当的宿主细胞中，如大肠杆菌。
4. 筛选：通过选择性培养基或其他筛选方法，筛选出带有重组质粒的转化菌落。
5. 培养：将筛选出的转化菌落进行扩增培养，在适当的培养条件下培养细菌。
6. 表达：在培养过程中，外源基因会被宿主细胞转录和翻译，产生目标蛋白质。
7. 提取：收集细菌培养物，利用细胞破裂或其他细胞提取方法，提取目标蛋白质。
8. 纯化：通过各种纯化技术，如柱层析、电泳等，纯化目标蛋白质。
9. 鉴定：利用各种方法，如SDS-PAGE、Western blot等，对
目标蛋白质进行鉴定和定量分析。
10. 应用：利用纯化的目标蛋白质进行后续的研究或应用，如
功能鉴定、结构分析、抗原制备等。
这是一个基本的流程，根据不同的实验目的和具体情况，可能还会涉及到一些其他的步骤和操作。
基因克隆和表达技术及其应用研究
基因克隆和表达技术及其应用研究在现代生物技术领域，基因克隆和表达技术被广泛应用于生物医药、农业生产、环境保护等多个领域，是一项重要的研究方向。
本文将介绍基因克隆和表达技术的原理、工具和应用，旨在深入探讨该技术在现代生物科技领域中的应用价值。
一、基因克隆的原理与工具基因克隆是指将目标DNA片段放入载体中，通过复制和传递，获得大量相同的DNA分子的过程。
基因克隆需要用到一系列工具和分子生物学技术。
其基本的步骤包括：DNA提取、限制酶切割、连接和转化等。
DNA提取是指从细胞中获取目标DNA，一般从细胞核中提取DNA样品。
限制酶切割是一种利用特定的限制酶将DNA切割成不同长度的碎片的技术。
连接是指将目标DNA片段与载体DNA进行配对，在适当的连接条件下会形成一个大的DNA分子，也称作重组DNA。
最后的转化是将重组DNA重新引入一个宿主细胞，使其进行繁殖。
这些步骤组成了一个典型的基因克隆工作流程。
在基因克隆中，一些关键工具也是必不可少的。
例如，限制酶和DNA连接酶是进行酶切和连接的酶类；载体是将目标DNA载入的载体分子。
当然，在实验设计过程中，也需要考虑到多种子序列的选择，以获得最优的结果。
二、基因表达技术基因表达技术是指将克隆好的基因转录和翻译为蛋白质的过程。
基因表达技术所涉及的核心部分主要为转染和转录。
转染是指将载体转化到目标细胞中的过程。
转染可以分为多次批量的直接转染和、转染载体的两种方式。
对于细胞质和细胞核分离的情况，病毒载体或质粒载体也可以被用来介导转录。
质粒载体在转录的时候需要被移入到细胞的核中，由此促进了 DNA 受体和 RNA聚合酶之间的相互作用。
另一种重要的基因表达技术是转录，也称作转录调节。
转录调节可以分为两类：正调节和负调节。
正调节是指通过上调特定基因的表达、促进特定转录的过程；负调节是指通过下调特定基因的表达、抑制特定转录的过程。
转录调节受到多种因素的影响，例如转录因子和超融合酶等分子的运作。
克隆基因的表达
(2)-35区与-10区之间的距离
这两个保守区间的距离越是接近于17bp，启 动子的活性就越强。
2.翻译起始序列对表达效率的影响 （1）SD序列
SD序列与16SrRNA分子之间的碱基互补程 度，可明显影响mRNA的翻译速度，当序列 为5‘-GGAGG-3’，可与16SrRNA3’端完 全互补，翻译效率最高；而当该序列发生 单碱基突变时，翻译效率会下降30倍。
特定的时间顺序发生，称之为基因表达的 时间特异性。
• 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性。
（二）空间特异性 • 在个体生长全过程，某种基因产物在个体
按不同组织空间顺序出现，称之为基因表 达的空间特异性
• 基因表达伴随时间顺序所表现出得这种分 布差异，实际上是由细胞在器官的分布决 定的，所以空间特异性又称细胞或组织特 异性
七、原核表达体系
表达体系的建立包括表达载体的构建、受体细胞的 建立及表达产物的分离、纯化等技术 步骤： 获得目的基因－准备表达载体－将目的基因插入表 达载体中（测序验证）－转化表达宿主菌－诱导 靶蛋白的表达－表达蛋白的分析－扩增、纯化、 进一步检测
（一）获得目的基因
1.对外源目的基因的要求
原核生物缺乏真核生物转录后的加工系统； 同时也缺乏真核生物翻译后的加工系统， 所以目的基因不应具有5’端非编码区以及内 含子结构，只编码成熟的蛋白质或多肽
当需要宿主大量生长时，抑制载体质粒的复制。
当宿主大量生长后，再诱导载体质粒的复制，增 加拷贝数。
6.提高表达产物的稳定性
防止被宿主的酶降解 （1）设计成融合蛋白
基因克隆与表达及功能鉴定研究
基因克隆与表达及功能鉴定研究在现代生命科学领域中，基因克隆与表达以及功能鉴定是非常重要的研究方向之一，它涉及到许多生物医学、农业、工业和环境等领域的研究和实际应用。
本文将从基因克隆与表达的基本原理、方法、技术和应用，以及功能鉴定的原理、方法、技术和应用等方面进行探讨。
一、基因克隆与表达基因克隆是指通过分子生物学技术，将含有某个或某些特定基因的DNA序列从一个大的DNA分子（如染色体）中分离出来，然后插入到特定的载体DNA中，形成重组DNA分子的过程。
基因表达是指基因信息的转录和翻译过程，将基因的DNA序列转录成RNA分子，然后翻译成蛋白质分子的过程。
基因表达是生物体形成和发展的基础，也是生命活动的重要表现形式。
1. 基因克隆原理基因克隆的主要原理是利用限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶以及质粒或噬菌体等DNA载体的特性，将特定DNA序列插入到载体DNA中，形成重组DNA分子。
限制酶是一种能够识别、切割DNA分子特定序列的酶，其识别序列具有一定的特异性。
DNA连接酶是一种能够连接两个DNA分子的酶，常用的有T4 DNA连接酶和快速连接酶等。
DNA聚合酶是一种能够在DNA模板上合成互补链的酶，其作用是在重组DNA分子中完成互补链的合成。
2. 基因克隆方法基因克隆的主要方法有限制性片段长度多态性（RFLP）分析、聚合酶链式反应（PCR）克隆、原核表达克隆和真核表达克隆等。
RFLP分析是一种利用限制酶对DNA序列进行切割，并根据不同的RFLP位点进行区分的方法，其主要应用于基因型鉴定和进化研究等领域。
PCR克隆是一种利用PCR技术扩增目标基因或DNA片段，并将扩增产物克隆到载体DNA中的方法，其主要应用于基因检测、DNA测序和分子克隆等领域。
原核表达克隆是一种利用质粒或噬菌体等原核生物作为DNA载体，将外源基因转入细菌或古细菌等原核生物细胞中，通过蛋白质表达实现基因功能研究的方法。
真核表达克隆是一种利用真核生物（如哺乳动物、鸟类、昆虫、线虫等）作为DNA载体，将外源基因转入具有表达能力的真核细胞中，通过蛋白质表达实现基因功能研究的方法。
克隆基因的表达
第五章克隆基因的表达基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。
典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。
基因的表达主要涉及到两个过程：转录和翻译。
思考:基因表达与克隆基因表达的异同? 从表达的对象、过程、场所等方面考虑。
第一节影响外源基因表达的因素利用基因工程技术高水平表达各种外源蛋白质，无论在理论研究还是实际应用上都是十分重要的。
因此，如何使外源基因在宿主细胞中高效表达，成为基因工程中的关键问题。
应该指出，现在基因工程所涉及的受体细胞多种多样，从细菌到高等动植物细胞，乃至动、植物个体；而所涉及到的基因也是成千上万，各不相同，这种差别使得对特定基因的表达研究就有其特定的个性。
影响外源基因高效表达的各种因素：1. 外源基因的表达效率①启动子的强弱。
有效的转录起始是外源基因能否在宿主细胞中高效表达的关键步骤之一，也可以说，转录起始的速率是基因表达的主要限速步骤。
因此，选择强的可调控启动子及相关的调控序列，是组建一个高效表达载体首先要考虑的问题。
最理想的可调控启动子应该是：在发酵的早期阶段表达载体的启动子被紧紧地阻遏，这样可以避免出现表达载体不稳定，细胞生长缓慢或由于产物表达而引起细胞死亡等问题。
当细胞数目达到一定的密度，通过多种诱导(如温度、药物等)使阻遏物失活，RNA聚合酶快速起始转录。
②核糖体结合位点的有效性。
SD 序列是指原核细胞mRNA 5`端非翻译区同16S rRNA 3` 端的互补序列。
按统计学的原则，一般SD 序列至少含AGGAGG 序列中的4 个碱基。
SD 序列的存在对原核细胞mRNA 翻译起始至关重要。
③SD 序列和起始密码子AUG 的间距。
AUG 是最首选的起始密码子，GUG、UUG、AUU 和AUA有时也用作起始密码子，但非最佳选择。
另外，SD 序列与起始密码子之间的距离以9±3 为适宜。
基因的克隆与表达课件
----TAC -----TTG GAC CTT AAG GAT CCA---
DNA序列
AAT CGG AAG AAT TCA GAC CTA GGT TTA GCC TTC TTA AGT CTG GCT CCA
基因的克隆与表达课件
位相载体----含有3种读码框的系列载体
基因的克隆与表达课件
优点： • 表达效率高 • 产物稳定 • 易鉴定：融合蛋白分子量大，电泳可
➢基因克隆(gene cloning) ➢基因表达(gene expression)
-原核基因表达 -真核基因表达
基因的克隆与表达课件
基因克 隆 Gene Cloning
基因的克隆与表达课件
➢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
基因的克隆与表达课件
一、概述
• 确定了遗传信息的携带者，即基因的盆 子载体是DNA而不是蛋白质
基因的克隆与表达课件
（二）体外重组 连接体系的建立： • 温度：粘末端连接：12-18℃
平末端连接：室温（低于30℃) • DNA量：载体分子数/目的基因分子数
=1：1-3 • 酶量：平端连接时需加大酶量
基因的克隆与表达课件
（三）转化—Cacl2法、电击法
（四）重组子的筛选及鉴定
1、筛选：平板法（抗生素、蓝白斑）
基因的克隆与表达课件
二．原核生物基因结构和表达特点
基因的克隆与表达课件
• 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。
• 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。
基因的克隆与表达课件
3、一般不含内含子（intron），没有转 录及翻译后加工系统
基因工程中的基因克隆与基因表达实验总结
基因工程中的基因克隆与基因表达实验总结基因工程作为一门新兴的交叉学科，已经广泛应用于生物医学、农业、环境保护等领域。
其中，基因克隆和基因表达实验是基因工程的核心技术，对于研究基因功能和开发新药已经起到了重要作用。
本文将对基因工程中的基因克隆和基因表达实验进行总结，并探讨其在科学研究和应用中的前景。
一、基因克隆实验基因克隆是通过重组DNA技术，将感兴趣的基因从一个生物体中复制并插入到另一个生物体中的过程。
它是研究基因功能、生物制药和转基因等领域的基础。
基因克隆实验主要包括以下几个步骤：1. DNA提取与限制性内切酶切割：通过提取DNA样品，使用限制性内切酶切割将目标基因和载体DNA切割成相应片段。
2. 基因插入：将目标基因与载体DNA片段进行连接，常用的方法是使用DNA连接酶将两者黏合。
3. 转化与筛选：将连接后的DNA转入到宿主细胞中，使其成为转基因细胞。
通过选择性培养基进行筛选，可以获得拥有目标基因的转基因细胞。
通过基因克隆实验，我们可以获得不同生物体的目标基因，并进行后续的研究和应用。
例如，通过将某种植物的耐旱基因克隆到其他作物中，可以提高作物的抗旱能力，增加农作物产量。
二、基因表达实验基因表达实验是将目标基因在宿主细胞中进行转录和翻译，产生具有特定功能的蛋白质的过程。
基因表达实验是研究基因功能和制备重组蛋白等领域的重要手段。
基因表达实验主要包括以下几个步骤：1. 选择合适的表达系统：根据需要表达的蛋白质的性质和规模，选择合适的表达系统。
常用的表达系统包括细菌、酵母、哺乳动物细胞等。
2. 构建表达载体：将目标基因插入到表达载体中，通常使用限制性内切酶和DNA连接酶进行连接，并通过测序确保插入正确。
3. 细胞转染：将构建好的表达载体导入到宿主细胞中。
不同表达系统有不同的转染方法，如细菌的化学转型、酵母的电转染等。
4. 表达和纯化：经过一定时间的培养，宿主细胞会表达目标基因，合成目标蛋白质。
可以通过蛋白质纯化技术，如亲和层析、凝胶电泳等手段获得纯度较高的目标蛋白质。
基因克隆与表达
基因克隆与表达基因克隆与表达是生物学领域中重要的技术手段和研究方法。
通过基因克隆和表达，科学家能够研究特定基因的功能、调控机制以及其在生物体内的作用，这对于深入了解生物体的生理过程和疾病发生机制具有重要意义。
本文将介绍基因克隆与表达的原理、方法以及应用。
一、基因克隆基因克隆是将特定基因从一个生物体中分离并复制到另一个载体中的过程。
这个过程主要涉及DNA的分离、复制和连接。
常用的基因克隆技术包括PCR、限制性内切酶切割、琼脂糖凝胶电泳和基因插入等。
1. PCR聚合酶链反应（PCR）是一种强大的基因扩增技术。
它通过不断地重复某一特定区域的DNA序列，使其得以大规模复制。
PCR可以在短时间内合成大量目标DNA片段，为基因克隆提供了充足的材料。
2. 限制性内切酶切割限制性内切酶可以识别并切割特定的DNA序列。
通过选择合适的限制性内切酶，可以实现将目标基因从源DNA中切割下来，为下一步的基因克隆做好准备。
3. 琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳是一种常用的DNA分离技术。
通过将DNA样品加入琼脂糖凝胶槽中，并施加电场，DNA片段会根据其大小在凝胶中迁移。
凝胶电泳可以帮助科学家分离和纯化目标基因。
4. 基因插入基因插入是将目标基因连接到载体上的过程。
载体可以是质粒、病毒或者人工染色体等。
通过连接酶的作用，目标基因与载体可以稳定地结合在一起。
二、基因表达基因表达指特定基因通过转录和翻译过程转化为蛋白质的过程。
从基因克隆到基因表达，可以分为以下几个步骤：转染或转化、筛选和检测。
1. 转染或转化转染是指将外源DNA导入到动物细胞中的过程，而转化是将外源DNA导入到细菌细胞中的过程。
转染和转化可以通过多种方法实现，如化学法、电穿孔法和基因枪法等。
2. 筛选筛选是为了确定是否成功将目标基因表达在宿主细胞中而进行的步骤。
常见的筛选方法包括荧光筛选和克隆筛选。
荧光筛选利用荧光蛋白标记目标基因，观察细胞是否出现荧光信号。
克隆筛选则利用选择性培养基，筛选出含有目标基因的克隆。
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第7章 克隆基因的原核表达
lac、tac 表达系统存在的问题
IPTG （异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷）用于诱导 lac、tac 启动子的转 录，但由于 IPTG 本身具有一定的毒性。从安全角度，对表达和制备用 于医疗目的的重组蛋白并不适合。一些国家规定在生产人用重组蛋白质 的生产工艺中不能使用 IPTG
调控模式与 lacUV5 相似，但 mRNA 转录水平更高于 trp 和 lacUV5 启动子（P tac = 3 P trp = 11 P lac），因此在要求有较高基因表达水平的 情况下，选用 tac 启动子比用 lacUV5 启动子更优越。
第7章 克隆基因的原核表达
lac、tac 启动子的宿主菌
第7章 克隆基因的原核表达
1 外源基因在原核细胞中的表达
1.1原核生物基因表达的特点 1.2 外源基因在大肠杆菌中高效表达的几个必 须的结构 1.3几种类型的原核表达载体 1.4提高基因表达效率的途径
第7章 克隆基因的原核表达
1.1 原核生物基因表达的特点
① 只有一种RNA聚合酶(真核细胞有三种)：催化所有RNA的合成。 ② 基因的表达是以操纵子为单位的。 ③ 原核生物无核膜，所以转录与翻译是偶联的，也是连续进行的 。 ④ 原核基因一般不含有内含子(intron)，在原核细胞中缺乏真核 细胞的转录后加工系统。 ⑤ 原核生物基因的控制主要在转录水平，这种控制要比对基因产 物的直接控制要慢。 ⑥ mRNA的核糖体结合位点上，含有一个起始密码子及同16S核糖 体RNA 3’末端碱基互补的序列，即SD序列，而真核基因则缺 乏此序列。
第7章 克隆基因的原核表达
*
第7章 克隆基因的原核表达
basic process of DNA recombination in vitro 体外DNA重组的基本步骤
1.目的基因的获取：从复杂的生物基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步
骤，分离出带有目的基因的DNA片断。
2.重组体的制备：将目的基因的DNA片断连接到能自我复制并带有选择性标
*
第7章 克隆基因的原核表达
大肠杆菌表达外源基因的优势
• 全基因组测序，共有4405个开放型阅读框架 • 基因克隆表达系统成熟完善
• 繁殖迅速、培养简单、操作方便、遗传稳定
• 被美国FDA批准为安全的基因工程受体生物
大肠杆菌是最常用 的原核表达宿主菌。
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第7章 克隆基因的原核表达
大肠杆菌表达外源基因的劣势
第7章 克隆基因的原核表达
1.2外源基因在大肠杆菌中高效表达的几个必须的结构
1. 启动子 2. 转录终止子 3. 核糖体结合位点 4. 密码子 5. 质粒拷贝数
转录水平
翻译水平
第7章 克隆基因的原核表达
1.2.1 原核表达载体常用的启动子
启动子 P lac P trp P tac P traA P lL P recA -35 区序列 TTTACA TTGACA TTGACA TAGACA TTGACA TT GATA -10 区序列 TATAAT T TAA C T TATAAT TAAT G T GATACT TATAAT
• 缺乏对真核生物蛋白质的复性功能
• 缺乏对真核生物蛋白质的修饰加工系统
• 内源性蛋白酶降解空间构象不正确的异源蛋白
• 细胞周质内含有种类繁多的内毒素
第7章 克隆基因的原核表达
理想的大肠杆菌表达载体
• （1）稳定的遗传复制、传代能力，在无选择压力下能存 在于大肠杆菌细胞内。 • （2）具有显性的转化筛选标记。 • （3）启动子的转录是可以调控的，抑制时本底转录水平 较低。 • （4）启动子的转录的mRNA能够在适当的位置终止，转录 过程不影响表达载体的复制。 • （5）具备适用于外源基因插入的酶切位点。 复制起始位点、筛选标志、启动子、转录终止子、核糖体 结合位点和多克隆位点是构成表达载体的最基本元件。
操纵子 转录
↓
多顺反子mRNA 翻译
↓
多肽
第7章 克隆基因的原核表达
真核生物中基因的表达
基因 转录
↓
前体mRNA
转录后加工
↓ ↓ ↓
成熟mRNA（单顺反子） 转运，翻译
蛋白质前体 翻译后加工
成熟蛋白质
第7章 克隆基因的原核表达
表达体系的发展
表达体
第二代 酵母表达体系 第四代 基因直接导入
载体
穿梭质粒 DNA本身
第7章 克隆基因的原核表达
外源基因在原核细胞中表达的必要条件
①通过表达载体将外源基因导入宿主菌，并指导宿主菌的 酶系统合成外源蛋白； ② 外源基因不能带有内含子，因而必须用cDNA或全化学合 成基因，而不能用基因组DNA； ③ 必须利用原核细胞的强启动子和SD序列等调控元件控制 外源基因的表达； ④ 外源基因与表达载体连接后，必须形成正确的开放阅读 框(open reading frame，ORF)； ⑤ 利用宿主菌的调控系统，调节外源基因的表达，防止外 源基因的表达产物对宿主菌的毒害。
宿主
细菌 酵母 生殖细胞、 体细胞、个体
第一代 原核生物表达体系 质粒、噬菌体
第三代 哺乳类细胞表达体系 病毒、脂质体 培养细胞
第7章 克隆基因的原核表达
contents
• 1 外源基因在原核生物(大肠杆菌、枯草芽孢 杆菌、农杆菌等)中的表达 • 2 外源基因在真核生物（酵母、植物、动物） 中的表达
记（如：抗菌素抗性标记）的载体分子上 （DNA重组过程，需要各种工具酶 的参与）
3.重组体的转化：将重组体（载体）转入适当的受体细胞中。 4.克隆鉴定：筛选转化成功的细胞克隆（含有目的基因）。
5.目的基因表达：使导入寄主细胞的目的基因表达出我们所需要的基因产物
2
第7章 克隆基因的原核表达
原核生物中基因的表达
P tac = 3 P trp = 11 P lac
• 启动子强弱取决于-35区和-10区的碱基组成及其间隔序列
第7章 克隆基因的原核表达
（1） Tac表达系统
Tac 启动子是由 trp 的 –35 序列和 lacUV5 （抗葡萄糖代谢阻遏的突变 型大肠杆菌）的 –10 序列拼接而成的杂合启动子。 启动子 P lac P trp P tac -35 区序列 TTTACA TTGACA TTGACA -10 区序列 TATAAT T TAA C T TATAAT