6第三章基因克隆载体1
基因的克隆方法ppt课件

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提取基因组DNA
PCR引物设计
PCR扩增
基因序列分析
此法适合扩增原 核生物基因。
真核生物基因组含有内含子32 !
2)从mRNA中扩增: RT-PCR
(1)提取基因组 total RNA (2)反转录合成总cDNA作模板 (3)根据目的基因序列设计引物 (4)PCR扩增及序列分析
工作量大。 无法定量研究。 扩出的条带往往是3`端比较短的UTR区的一
段序列,提供的信息较少。
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优点:
简便、灵敏、高效、省时,能快速显示 mRNA的组成。
所需的mRNA量少。 各样本mRNA的差异可同时进加标签的基因克隆 方法野生株构建基因组 基因苗构建基因组文 库基因苗
阳性克隆
获得阳性克隆 目的基因
基因序列分析,24 确定为基因
转座子标签法
转座子又称转座因子或者跳跃因子,实 际上也是DNA片段,它可以在生物的染色 体组中移动,从染色体的一个位点跳到另 一个位点,或从一条染色体跳到另一条染 色体上,引起基因功能的改变。
mRNA
5` RP
A T C G
AAAAAAAA
A C
TTTTTTTTTT
G
3`
15
mRNA
5` RP
A T C G
AAAAAAAA
A C
TTTTTTTTTT
G
3`
AATTTTTTTT ACTTTTTTTT AGTTTTTTTT TATTTTTTTT
TCTTTTTTTT TGTTTTTTTT CATTTTTTTT CCTTTTTTTT CGTTTTTTTT GATTTTTTTT
第三章 克隆载体的特征及类型

质粒
质粒DNA的分离纯化
氯化铯密度梯度离心法: 用含有EDTA的缓冲液悬浮菌体 加溶菌酶裂解细菌细胞壁 加CsCl和溴乙锭 超速离心过夜 在紫外灯下吸取cccDNA 稀释沉淀cccDNA RNAs ocDNA L-DNA proteins
质粒
重要的大肠杆菌质粒载体
pGEM-3Z: 多拷贝 装有多克隆位点(MCS) 正选择颜色标记 lacZ’ 装有两个噬菌体的强启动子 用于外源基因的高效表达
ori Apr
pGEM-3E 2743 bp lacZ’
PT7
MCS
PSP6
注意:T7和SP6启动子特异性地由噬菌体DNA编码的RNA聚合 酶所识别,因此相应的受体菌必须表达噬菌体RNA聚合酶,如: E.coli BL21(DE3)等
质粒
质粒的基本特征
质粒的自主复制性:拷贝数的控制机制 – 质粒DNA复制启动控制 控制复制引物与模板的结合
RNA II
3’ 5’
复制方向
5’ 3’
ori
RNA I
rop
(+) Rop
E.coli ColE1 plasmid
RNAII是复制的正向调节分子,RNAI是复制的负调节物
质粒
质粒的基本特征
在重组的 pGEM3Z载体中 加入相应的RNA 聚合酶,可以 发生外源基因 转录。
质粒
质粒DNA的分离纯化
实验室一般使用下列三种方法制备质粒DNA: 氯化铯密度梯度离心法
质粒DNA纯度高、周期长、设备要求高、溴乙锭污染
沸水浴法
质粒DNA纯度底、快速、操作简便
碱溶法 质粒DNA纯度、操作周期介于氯化铯法和碱溶法之间
拷贝数控制系统的干扰,致使两种质粒的最终拷贝数不同,
第三章基因工程载体

大肠杆菌的β-半乳糖苷酶基因lacZ系统
i
PO
lacZ
调控蛋白P
β-半乳糖苷酶 分解半乳糖
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β-半乳糖苷酶基因lacZ突变体M15
a-互补显色反应(蓝白斑筛选)
i
PO
lacZ -
调控蛋白P
诱导剂IPTG α-肽段
β-半乳糖苷酶-
分解半乳糖
分解X-gal
产物呈现蓝色
18
互补显色反应
19
(四)带有尽可能多的单一限制性酶切位点 单一的限制性酶切位点可供外源DNA定点插入; 较多不同的单一限制酿酶切位点,可有选择地供
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单链切割 连接
线性DNA (L型)
开环DNA
(oc型)
单链切割 连接
共价闭合环形DNA (SC型)
环形双链的质粒DNA分子具有三种不同构型
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(三)质粒DNA的理化性质 质数DNA具有一般核酸分子的理化特性。
能溶于水,不溶于乙醇等有机溶剂, 在一定pH下可解离而带电荷 能吸收紫外线,可嵌入某些染料,如溴化乙锭。 比较能抗切割和抗变性。
9
(6)传递性:有些质粒在细菌间能够传递,具有传递性的 质粒带有一套与传递有关的基因。
(7)消除性:存在于宿主细胞中的质粒,可用某些办法将 其去除。
(8)复制类型:严紧型质粒的复制受到宿主细胞蛋白质合 成的严格控制,松弛型质粒的复制不受宿主细胞蛋白质 合成的严格控制。
(9)表现型:不同的质粒有不同的表型。如对抗生素的抗 性等。
个细菌细胞中所含有的质粒DNA分子的数目。
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根据宿主细胞所含的拷贝数多少,可将质粒分成:
严紧型
低拷贝数的质粒,每个宿主细胞中仅含有 1-3份的拷贝,称这类质粒为“严紧型”复 制控制的质粒(stringent plasmid);
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。
第三章基因工程载体

3个会导致Ampr基因失活
9个导致Tetr基因失活
氨苄青霉素和四环素抗性 24个单一克隆位点。
pBR322的优点
① 双抗生素抗性选择标记
抗生素抗性基因的插入失活效应是检测重 组体质粒的有效方法,分两次先后选择: 没有获得载体的寄主细胞 在Amp或Tet中都死亡。 获得重组载体的寄主细胞 在Aplasmid ):在整个细胞
周期中随时可以复制,每个细胞中有许多拷贝, 一般10-60 拷贝,如Col E1质粒。
氯霉素扩增:在抑制蛋白合成并阻断细菌染色体
复制的氯霉素存在时,松弛型质粒可继续扩增, 其拷贝数可达2000-3000个,称氯霉素扩增效应
严紧型复制质粒 (stringent plasmid ):
plasmid 接合型质粒(自我转移的 质粒):质粒可从一个细胞自发转移到另一个细胞。
Non
Conjugative plasmid 非接合型质粒
(不能自我转移的质粒):由于失去控制细菌配 对和自我转移的基因,质粒不能从一个细胞自发 的转移到另一个细胞。
结合型质粒:相对分子质量大、拷贝数小、 严紧型复制 非结合型质粒:相对分子质量小、拷贝数多、松弛型复制
① colicin E1基因的结构 cea imm 免疫基因 kil 溶菌基因
结构基因
② 杀死不含有ColE1细菌的原因 cea + kil基因产物 ③ 不被其他细菌的colicin E1所杀死的原因 imm基因
克隆位点
EcoR I
EcoR I位于E1内部,插入外源DNA导致E1 失活,使受体菌不能合成E(ColE1-),但 仍表现出对E1免疫型(ImmE1+)。
外源DNA
Colicin E1
基因工程复习资料

基因工程复习资料第一章核酸的制备1.主要步骤:分、切、接、转、筛、表2.基因工程的概念:基因工程又称基因拼接技术和DNA重组技术,是以分子遗传学为理论基础,以分子生物学和微生物学的现代方法为手段,将不同来源的基因按预先设计的蓝图,在体外构建杂种DNA分子,然后导入活细胞,以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。
第二章基因工程工具酶1.生物催化剂:核酶、抗体酶、模拟酶。
2.限制性内切核酸酶:定义:限制性内切核酸酶是一类能识别双链DNA中特殊核苷酸序列(识别序列),并在识别序列上使每条链的一个磷酸二酯键断开的内脱氧核糖核酸酶。
命名:限制性内切核酸酶一般是以第一次提取到这类酶的生物的属名的第一个字母和种名的第一、第二个字母命名的,有的在后面还加菌株(型)代号中的一个字母。
如果从同一种生物中先后提取到多种限制性内切核酸酶,则依次用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。
并且名称的前三个字母须用斜体,第一个字母用大写。
3.DNA连接酶:定义:DNA连接酶也称DNA黏合酶,在分子生物学中扮演一个既特殊又关键的角色,那就是连接DNA链3‘-OH末端和,另一DNA链的5’-P末端,使二者生成磷酸二酯键,从而把两段相邻的DNA链连成完整的链的一种酶。
种类:大肠杆菌DNA连接酶、T4DNA连接酶、TscDNA连接酶、真核生物细胞发现的连接酶,如酶Ⅰ、酶Ⅱ、酶Ⅲ等多种类型。
4.DNA片段的连接方法:①具互补黏性末端DNA片段之间的连接:可用E?coli DNA连接酶,也可用T4 DNA连接酶。
②具平末端DNA片段之间的连接:只能用T4 DNA连接酶,并且必须增加酶的用量。
③DNA片段末端修饰后进行连接:DNA片段末端同聚物加尾后进行连接,可按互补粘性末端片段之间的连接方法进行连接;粘性末端修饰成平末端后进行连接;DNA片段5′端脱磷酸化后进行连接;DNA片段加连杆或衔接头后连接。
5.DNA聚合酶:①定义:DNA聚合酶是指以DNA单链为模板,以4种脱氧核苷酸为底物,催化合成一条与模板链序列互补的DNA新链的酶。
基因工程-3.1载体

非整合型质粒
所有的质粒都至少含有一段可作为复制起点 的DNA序列, 因此能够在细胞内独立于宿主细胞本身的复 制周期而实现扩增[图2-3(a)]。
小一些的质粒可以利用宿主细胞本身的DNA 复制酶来对自身进行拷贝,而一些较大的 质粒本身携带有能够编码自身质粒复制所 需的专一性酶的基因。
整合型质粒或游离型质粒(episome)
前噬菌体被从宿主细胞切除后,大量新λ 噬菌体DNA 分子通过滚环复制模式被复制出来。形成一个包含 一系列线形基因组的连环体,由COS位点连接在一起。 该内切核酸酶是λ DNA中基因A的表达产物,能够切开 双链DNA分子并形成单链的黏末端,并与其他一些蛋 白相耦联,在将每个λ 基因组包裹入一个噬菌体头 部的过程中发挥作用。
1. 基因组小于10kb:
对一个载体来说恰好处于令人满意的范围。 2. M13基因组的复制型: 非常像质粒,实验时也能够像质粒一样被处理。 3. M13基因组容易从大肠杆菌培养中获得,也能够 通过转染而重新引入。
4. 最重要的是,以M13为载体克隆基因,能够得 到单链形式的DNA。 单链形式的克隆基因在一些技术中能够发挥作 用,尤其是DNA测序和体外突变。
分类:基于质粒的主要特征 本质是质粒的基因
质粒分为以下5种:
(1)致育(fertility)质粒或称F质粒 仅携带转移基因,能促进质粒间有性接合转移; 不再具备其他的特征。 如:大肠杆菌中的F质粒
(2)耐药性(resistance)质粒或称“R”质粒 携带有能够赋予宿主细菌对一种或多种抗菌药的耐 药性的基因,如抗氯霉素、氨苄青霉素或水银。 R质粒通过正常的繁殖而传播, 对细菌感染的治疗产 生深远的影响,如RP4,通常在假单胞菌中被发现, 但也能够在其他细菌中出现
第三章 基因克隆载体

基因克隆载体(gene cloning vector): 能承 载外源基因,将其带 入受体细胞得以稳定 维持的DNA 分子。
克隆载体的功能
运送外源基因高效转入受体细胞。 为外源基因提供复制能力或整合能力。 为外源基因的扩增或表达提供必要的条件。
克隆载体具备的条件:
载体越小越好。 >10kb的DNA在纯化过程中容易断裂。
② 双抗菌素抗性选择标记
插入失活,分两次先后选择:
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。
插入失活筛选法
pBR322质粒载体的筛选
③ 高拷贝数
氯霉素扩增之后,每个细胞可达 1000~3000copy
OC
SC
L
1.1.2 质粒的分类
1)根据质粒自身传递的性质分为: 接合型质粒 能自我转移
非接合型质粒 不能自我转移
接合型质粒
又叫自我转移型质粒。
除了带有自我复制所必需的遗传信息外还带有
一套控制细菌配对和质粒接合转移的基因。 如:F质粒(性质粒、或F因子): 能使寄主染色体上的基因随其一道转移到原先 不存在该质粒的受体菌中。
简称phage 。
蛋白质外壳内包裹着 DNA(双链、单链、 线性、环状等)。
2 噬菌体载体
2.1 噬菌体的一般特性 2.2 λ噬菌体载体的构建 2.3 λ噬菌体载体的类型
2.1 噬菌体的一般特性
类型:
大多数呈带尾部的20面型,相当一部分为线
状体型。
核酸:
核酸多数为DNA,少量为RNA,如烟草花
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一、载体的一般特性
Prerequisites of Vector:
Fairly small DNA molecules to facilitate isolation and handling. 载体应该很小,便于分离和操作。
从稻草中寻找针,大海捞针。
从一个重组子群体中分离一个基因必须考虑以下三个方面:
A, the individual recombinant molecules have to be physically separated from each other.---连接至载体。
B, the recombinant molecules have to be amplified to provide enough material for further analysis.---转化至宿主细胞扩 增。
插入片段将破坏lacZ´,不能产生有功能的α-肽。
β-galactosidase gene, lacZ´—This sequence contains the polylinker region, and insertion of a DNA fragment into one of the cloning sites results in a nonfunctional α-peptide.
质粒表达的α-肽 + 受体细胞表达的β一半乳糖苷 酶羧基端 = 有功能的β一半乳糖苷酶。
X-gal------蓝色产物靛蓝。
重组子---白色菌落。
This forms the basis for a powerful direct recombinant screening method using the Chromogenic substrate-----X-gal, 生色底物.
Copy number 拷贝数
Stringent control of DNA replication—严谨型复制-----low copy number—the replication of plasmid closely tied to host cell chromosomal DNA replication. 拷贝数低,接合型。
பைடு நூலகம்缺少705bp,拷贝数增加3倍。外源DNA的容纳量也 明显增加。
Insertional inactivation—外源DNA插入Apr或Tcr后 ,将引起ampicillin或tetracycline抗性基因失活。
2、改进的质粒载体 slightly more exotic plasmid vectors
非接合型不能转移,但具有mob基因时可以在 接合型质粒帮助下进行转移。
Nonconjugative—非接合型的------- are not selftransmissible, but may be mobilised by a conjugative-proficient plasmid if their mob region is functional.
Origin of replication, the DNA can be copied and thus maintained in the cell population as the host organism grows and divides. 载体应该具有复制起 始位点。
Selectable marker, enable the vector to be detected. 应该带有选择标记。
pBR322--Francisco Bolivar and his colleagues
containing DNA from three sources:
Ampr基因来自pSF2124 ColE1松驰型复制子(ori)来自pMB1 Tetr基因来自pSC101。
pAT153--------a deletion derivative of pBR322 by removal of two fragments of DNA (705bp , necessary for mobilisation) using the restriction enzyme HaeⅡ。
origin of replication = ori ampicillin resistance gene, Apr lacI gene, lac repressor Plac, lac promoter
MCS—连接时有多种选择。 MCS provide the choice of site available for insertion of DNA during recombinant production.
Particular characteristics:
a wider range of restriction sites for cloning DNA fragments-----multiple cloning site, MCS. 多克隆位点。
specific promoters for the expression of inserted genes
vector
Basic conditions of Gene cloning: Vector---carrier molecule Host ---a living system in which the vector can be
propagated. 载体 宿主细胞---扩增和保存重组DNA分子。
Isolation of a particular sequence would seem to be a bit like looking for the proverbial needle in a haystack-----with the added complication that the needle is made of the same material as the haystack.
whilst non-conjugative plasmids are small, show relaxed DNA replication and are present at high copy numbers. 非接合型质粒小,复制为松弛型, 拷贝数高。基因工程中是使用的质粒一般为非 接合型。
Relaxed plamids—松弛型质粒------replication not dependent on host cell chromosomal DNA replication-----high copy number ,拷贝数高,非 接合型。
In general, conjugative plasmids are large, show stringent control of DNA replication, and are present at low copy numbers, 接合型质粒大,复制为严谨型,拷贝数低。
direct selection for recombinants 。用专一性启动子 表达标记基因,直接对重组体进行选择。
pUC family: pUC系列载体。 polylinker = multiple cloning site, MCS
β-galactosidase gene, lacZ´, α-peptide
Antibiotic abbreviations 抗生素缩写: Ap—ampicillin---氨苄青霉素 Cm—chloramphenicol---氯霉素 Km—kanamycin---卡那霉素 Sm—streptomycin---链霉素 Sn—sulphonamid---磺胺类药物 Tc—tetracycline---四环素 Colicin—大肠杆菌素
Have antibiotic resistance genes,带有抗性基因。
接合型质粒携带与转移有关的tra和mob基因。
Conjugative—接合型的------plasmids carried tra (transfer) and mob (mobilising)regions which mediate their own transfer between bacteria by the process of conjugation.
1、基本的克隆性质粒 Basic cloning plasmids
命名时小写p代表质粒,后面跟有构建者或其单 位的缩写。
In naming plasmids, p is used to designate plamid, and this is usually followed by the initials of the workers who isolated or constructed the plasmid.
同时具有真核细胞复制起始位点,可以在真核细胞中 表达基因。
It is often more sensible to perform the initial cloning in E. coli, isolate the required sequence, and then introduce the purified DNA into the target host for expression.
多克隆位点含多个识别序列,这样一种排列方式提供 了多种可供单独或联合使用的克隆靶位点。
便于克隆由多种限制性内切酶单独或组合切割后产生 的DNA片段。
pUC18和pUC19的差别仅在于多克隆位点的方向相反。
pUC系列质粒的优点是可以用组织化学方法鉴定重组子。
它们来自pBR322,除具有松驰型复制起点和Ampr gene外,还 具有来自大肠杆菌乳糖(Lac)操纵子的DNA片段,含β一半乳 糖苷酶基因(LacZ)的调控序列和氨基端146个氨基酸的编码 信息。