生物工程专业核心课程

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,生物工程专业核心课程,基,因,工,程,华东理工大学 张惠展,基因工程,5,2,3,4,1,6,7,8,9,基因工程的基本概念,基因工程的基本原理,基因工程所需的基本条件,基因工程的操作过程,目的基因的克隆与基因文库的构建,大肠杆菌基因工程,酵母基因工程,哺乳动物基因工程,高等植物基因工程,5,目的基因的克隆与基因文库的构建,C PCR,法,B cDNA,法,A,鸟枪法,D,化学合成,法,E,基因文库的构建,5,目的基因的克隆与基因文库的构建,基因工程或,DNA,重组技术三大用途的前提条件是从生物体基因组中分离克隆目的基因，目的基因获得之后，或确定其表达调控机制和生物学功能，或建立高效表达系统，构建具有经济价值的基因工程菌（细胞），或将目的基因在体外进行必要的结构功能修饰，然后输回细胞内改良生物体的遗传性状，包括人体基因治疗。,一般来说，目的基因的克隆战略分为两大类：一类是构建感兴趣的生物个体的基因文库，即将某生物体的全基因组分段克隆，然后建立合适的筛选模型从基因组文库中挑出含有目的基因的重组克隆；另一类是利用,PCR,扩增技术甚至化学合成法体外直接合成目的基因，然后将之克隆表达。,A,鸟枪法,5,目的基因的克隆与基因文库的构建,鸟枪法克隆目的基因的基本战略,鸟枪法操作的改进,鸟枪法克隆目的基因的局限性,鸟枪法克隆目的基因的基本战略,随机克隆供体细胞的全基因组,DNA,片段，然后通过快速有效的筛选程序从众多克隆中分离出含有目的基因的,目的重组子,，进而获得目的基因。鸟枪法适用于原核细菌目的基因的克隆分离,鸟枪法克隆目的基因的基本战略,染色体,DNA,的切断,超声波处理：,片段长度均一，大小可控，平头末端,全酶切：,片段长度不均一，粘性末端便于连接，但有可能使目的基因断开，,大小不可控,部分酶切：,片段长度可控，含有粘性末端，目的基因完整,与载体连接,如果转化子采用菌落原位杂交法或限制性酶切图谱法筛选，则选择多拷贝克隆载,体；如果转化子采用基因产物功能检测法筛选，则选择表达型载体,如果转化子采用菌落原位杂交法或限制性酶切图谱法筛选，则选择大肠杆菌作为,转化受体细胞,受体细胞；如果转化子采用基因产物功能检测法筛选，则选择能使目的基因表达,的受体细胞,筛选含有目的基因的目的重组子,菌落原位杂交法、基因产物功能检测法（筛选模型的建立）,鸟枪法操作的改进,使用这一改进方法的前提条件是：目的基因的酶切图谱已知。如果已知目的基因两端的酶切口，可用该酶处理染色体,DNA,，,然后与载体拼接，这样可以保证目的基因的完整性，从而提高重组子中,目的重组子,的出现频率,使用特征性限制性内切酶切开染色体,DNA,鸟枪法操作的改进,例如，已知某目的基因位于,1.8,kb,的,SalI,片段中，将染色体,DNA,用,SalI,切开，琼脂糖凝胶电泳分离，用刀片切下相当于,1.6 - 2.0,kb,大小区域内的凝胶块，从此凝胶块中回收,DNA,片段，然后与载体进行拼接,在连接前将,DNA,片段进行分级分离,2.0,kb,1.6,kb,1.8,kb,鸟枪法操作的改进,冻融法,滤纸法,吸附法,低融点凝胶法,溶解法,凝胶,DNA,片段,回收技术,鸟枪法克隆目的基因的局限性,工作量较大，需要了解目的基因的背景知识,不能获得的最小长度的目的基因,不能除去真核生物目的基因的内含子结构,B cDNA,法,5,目的基因的克隆与基因文库的构建,cDNA,法克隆目的基因的基本战略,cDNA,法分离目的基因的基本程序,cDNA,法法克隆目的基因的局限性,cDNA,法克隆目的基因的基本战略,mDNA,c,DNA,第一链的合成,5,ppp,5,G,G,AAAAAAAAAAAAAA,OH,3,5,ppp,5,G,G,AAAAAAAAAAAAAA,OH,3,TTTTTTTTTTTTTT,p,5,5,ppp,5,G,G,AAAAAAAAAAAAAA,OH,3,TTTTTTTTTTTTTT,p,5,cDNA,第一链,引物,退火,逆转录酶,dNTPs,c,DNA,第二链的合成,煮沸,NaOH,自身引导法：,获得的双链,cDNA,5端会有几对碱基缺失,AAAAAAAAAAAAAA,5,ppp,5,G,G,AAAAAAAAAAAAAA,OH,3,TTTTTTTTTTTTTT,p,5,TTTTTTTTTTTTTT,p,5,TTTTTTTTTTTTTT,p,5,AAAAAAAAAAAAAA,OH,3,TTTTTTTTTTTTTT,OH,3,Klenow,dNTPs,S1,c,DNA,第二链的合成,DNApol dNTPs,RNaesH,置换合成法：,获得的双链,cDNA,5端也会有几对碱基缺失,5,ppp,5,G,G,AAAAAAAAAAAAAA,OH,3,TTTTTTTTTTTTTT,p,5,AAAAAAAAAAAAAA,p,5,5,S1,AAAA,TTT,OH,3,TTTTTTTTTTTTTT,p,5,5,TTTTTTTTTTTTTT,OH,3,AAAAAAAAAAAAAA,5,5,TTTTTTTTTTTTTT,3,3,T4-DNA ligase,c,DNA,第二链的合成,dCTP,TdT,引导合成法：,获得的双链,cDNA,能保留完整的5端序列,5,ppp,5,G,G,AAAAA,OH,3,TTTTT,p,5,3,HO,5,ppp,5,G,G,AAAAA,CCCCCCC,OH,3,3,HO,CCCCCCC,TTTTT,p,5,3,HO,CCCCCCC,TTTTT,p,5,3,HO,CCCCCCC,TTTTT,p,5,5,p,GGGGGGG,3,HO,CCCCCCC,TTTTT,p,5,5,p,GGGGGGG,AAAAA,OH,3,NaOH,退火,Klenow,dNTPs,cDNA,法克隆目的基因的基本战略,双链,c,DNA,的克隆,双链平头的,cDNA,通常可以使用下列三种方法克隆入载体中：,平头末端直接与载体连接，,但插入的片段无法回收,平头两端分别接同聚物尾，,最好是,AT,同聚物尾，这样重组,分子可通过加热局部变性和,S1,核酸酶处理回收插入片段,加装人工接头引入酶切口，,以便插入片段回收,cDNA,法分离目的基因的基本程序,完备分离程序,提取细胞总,mRNA,，,合成总,cDNA,，,将之全部克隆，然后借助于合适的筛选手段找到,目的重组子,筛选时，若使用的是多拷贝载体，则采用菌落原位杂交法筛选；若使用的是表达型载体，则采用菌落免疫杂交法筛选,完备分离程序适用于,mRNA,分子数少的目的基因的克隆，如人胰岛素基因、干扰素基因、凝血因子,VIII,基因等,cDNA,法分离目的基因的基本程序,特异分离程序,提取细胞总,mRNA,，,琼脂糖凝胶电泳分离，回收目标,mRNA,，,由此合成双链,cDNA,，,然后进行克隆,特异分离程序较适用于,mRNA,丰度极高的目的基因克隆如血红蛋白基因等,cDNA,法分离目的基因的基本程序,差异分离程序,利用两组细胞,mRNA,种类的差异，分离克隆差异,mRNA,所对应的,cDNA,，,因而这种程序较适用于分离克隆新基因,例如：,正常的大鼠,FR3T3,成纤维细胞中，有些新基因是不能自发表达的，需在多瘤病毒感染之后方可转录。任务是要分离克隆这些新基因，进而研究其生物学功能,差异分离程序,多瘤病毒感染的,FR3T3,细胞,正常的,FR3T3,细胞,总,mRNA,总,mRNA,cDNA,双链,cDNA,单链,cDNA,提取,mRNA,合成,cDNA,合成第二链,克隆,提取,mRNA,共价交联,上柱,原位杂交,病毒诱导表达的基因,cDNA,克隆,cDNA,法克隆目的基因的局限性,并非所有的,mRNA,分子都具有,polyA,结构,细菌或原核生物的,mRNA,半衰期很短,mRNA,在细胞中含量少，对酶和碱极为敏感，,分离纯化困难,仅限于克隆蛋白质编码基因,C PCR,法,5,目的基因的克隆与基因文库的构建,PCR,（,Polymerase Chain Reaction,）,法，又称为,聚合酶,链反应,或,PCR,扩增技术,，是一种高效快速的体外,DNA,聚合程序,使用,PCR,法克隆目的基因的前提条件是：已知待扩增目的,基因或,DNA,片段两侧的序列，根据该序列化学合成聚合反应必,需的双引物,PCR,法定向扩增目的基因的基本原理,5,5,目的基因,5,变性,加热,5,5,引物,退火,5,5,底物,聚合,5,5,5,5,加热,变性,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,退火 引物,底物,聚合,加热,变性,引物,退火,底物,聚合,1,2,3,由,Taq DNA,聚合酶扩增的,PCR,产物中，其,3,末端总是会带有一个非模板依赖型的突出碱基，而且这个碱基几乎总是,A,，,因为,Taq DNA,聚合酶对,dATP,具有优先聚合活性。由于该突出碱基的存在，克隆时即可以采取,TdT,末端加同聚尾的方法与载体拼接，也可以使用专门的,T,载体,克隆,PCR,克隆目的基因的基本程序,5,5,A,A,T,T,5,5,PCR,扩增产物,T,载体,T7,lacZ,MCS,ori,Ap,r,D,化学合成法,5,目的基因的克隆与基因文库的构建,化学合成法的基本战略,化学合成的单元操作,DNA,化学合成的用途,化学合成法的基本战略,全基因合成,化学合成目的基因的前提条件是基因的,DNA,序列已知，有三种战略：,小片段粘接法：,混合退火,根据目的基因全序列，分别合成,12-15,碱基长的单链,DNA,小片段,T4-DNA,连接酶连接,克隆入合适的载体,化学合成法的基本战略,全基因合成,补钉延长法：,混合退火,根据目的基因,两条互补链,全序列，分别合成,12-15,碱基长的单链,DNA,小片段以及,20-30,碱基长的单链,DNA,中片段,T4-DNA,连接酶连接,克隆入合适的载体,Klenow,酶聚合,化学合成法的基本战略,全基因合成,大片段酶促法：,混合退火,根据目的基因,的,全序列，分别合成,40-50,碱基长的单链,DNA,片段,T4-DNA,连接酶连接,克隆入合适的载体,Klenow,酶聚合,化学合成法的基本战略,全基因合成,上述三种方法各有利弊：化学合成,DNA,的,单片段愈短，收率就愈高，但由于化学合成的份额较大，成本较高；在大片段酶促法合成目的基因时，虽然化学合成的份额相对较小，成本较低，但大片段化学合成的收率极低，例如，每聚合一个单体的产物收率为,95%,则合成,50,个碱基长的,DNA,单链大片段的总收率只有,7.7%,化学合成法的基本战略,探针等寡聚核苷酸合成,在某些情况下，往往只知道目的基因编码产物的部分氨基酸,序列，而基因序列未知，此时需要从已知的氨基酸序列推测为其,编码的,DNA,序列，然后合成探针，筛选由鸟枪法或,cDNA,法得到,的重组子，最终获得含有目的基因的,目的重组子,由于大多数氨基酸拥有,简并密码子,，故在探针序列的设计时,必须考虑下列问题：,生物体对简并密码子的,偏爱性,，,合成系列探针,探针应具有足够的长度，通常在,17-20,个核苷酸之间,探针内部不应出现可能的互补区域,化学合成法的基本战略,探针等寡聚核苷酸合成,某段连续的氨基酸序列,Cys Met Asp Glu Met Lys Arg Asn Ile,所有可能的,DNA,序列,TGT,ATG,GAC,GAA,ATG,AAA,AGA,AAC,ATA,C T,G,ATG,G,G,T,T,C,CGA,CGG,CGT,CGC,设计的简并探针序列,TG,T,ATG,GA,C,GA,I,ATG,A,TG,T,ATG,GA,T,GA,I,ATG,A,TG,C,ATG,GA,C,GA,I,ATG,A,TG,C,ATG,GA,T,GA,I,ATG,A,A,G,此外还可以参考各种生物体的,EST,数据库进行倾向性简并序列设计,expressed sequence tag,化学合成的单元操作,化学合成,DNA,的实质是按照序列要求将脱氧核苷酸单体一个个接上去，每接一个单体就是一个循环反应，包括：,基团保护,、,分离,、,缩合,、,分离,、,去保护,五大操作单元。,从反应机理上来讲，,DNA,化学合成有,磷酸二酯法,、,磷酸三酯法,、,亚磷酸液三酯法,；具体操作过程又有,液相合成,和,固相合成,两种形式。前者操作繁琐，基本上已淘汰；后者反应中间物的分离程序简便，,DNA,合成仪就是根据,固相亚磷酸液三酯法,原理设计的,化学合成的单元操作,O,H,G,H,H,H,H,O,CH,2,O,DMT,P,O,Me,N,CH,Me,Me,CH,Me,Me,H,DMT：,二甲氧基三苯甲基,激活,缩合,氧化,脱取代基,玻璃珠,连接臂,DNA,化学合成的用途,合成天然基因,修饰改造基因,设计新型基因,制备探针、引物、接头,如生长激素释放抑制素基因、脑啡肽基因、胰岛素基因、干扰素,如组织型纤溶酶原激活剂基因、尿激酶原基因等,基因等,E,基因文库的构建,5,目的基因的克隆与基因文库的构建,基因文库的基本概念,基因文库的构建程序,基因组文库重组克隆的排序,基因文库的基本概念,基因库与基因文库,基因库（,gene pool）,特定生物体全基因组的集合（天然存在）,基因文库（,gene library or gene bank）,从特定生物个体中分离的全部基因，这些基因以克隆的形式,基因组文库,（含有全部基因）,存在（人工构建）。根据构建方法的不同，基因文库分为：,cDNA,文库,（含有全部蛋白质编码的结构基因）,基因文库的基本概念,基因文库构建的基本战略,用鸟枪法构建基因组文库，,材料来自染色体,DNA,用,cDNA,法构建,cDNA,文库，,材料来自,mRNA,在高度分化的生物体中，不同组织和细胞在不同时段的,mRNA,种类不同（即基因的表达谱不同），因此同种生物体的,cDNA,文库,一般还有组织细胞的界定，如肝组织,cDNA,文库或胚胎组织,cDNA,文库等。很显然，,cDNA,文库的信息量远小于基因组文库,基因文库的基本概念,基因文库的完备性,基因文库的,完备性,是指：在构建的基因文库中任一基因存在的概,率，它与基因文库最低所含克隆数,N,之间的关系可用下式表示：,N = ln ( 1 P ) / ln ( 1 f ),其中：,P =,任一基因被克隆（或存在于基因文库中）的概率,f =,克隆片段的平均大小 / 生物基因组的大小,例如，,人的单倍体,DNA,总长为,2.9,x 10,9,bp,，,基因文库中,克隆片段,的平均大小为,15,kb，,则构建一个完备性为,0.9,的,基因文库至少需要,45,万个克隆；而当完备性提高到,0.9999,时，基因文库至少需要,180,万个克隆,基因文库的基本概念,基因文库的质量标准,除了尽可能高的,完备性外，,一个理想的基因文库应具备下列条件：,重组克隆的总数不宜过大,以减轻筛选工作的压力,载体的装载量最好大于基因的长度,避免基因被分隔克隆,克隆与克隆之间必须存在足够长度的重叠区域,以利克隆排序,克隆片段易于从载体分子上完整卸下,重组克隆能稳定保存、扩增、筛选,基因文库的构建程序,基因组,DNA,的制备,为了最大限度地保证基因在克隆过程中的完整性，,用于基因组,文库构建的,DNA,在分离纯化操作中应尽量避免过度的断裂。制备的,DNA,分子量越大，经切割处理后样品中含有不规则末端的,DNA,片段,的比率就越低，重组率和完备性也就越高,A,A,A,A,用常规方法制备的染色体,DNA,的长度一般在100,kb,左右,如果先将细胞固定在低融点凝,胶中，然后置入含有,SDS、,蛋,白酶,K、RNase,的缓冲液中浸泡，可获得1000,kb,大小的,DNA,片段,基因文库的构建程序,基因组,DNA,的切割,用于基因组,文库构建的,DNA,片段的切割一般采用,超声波处理,和,限制性内切酶,部分酶切,两种方法，其目的是：,第一，保证,DNA,片段之间存在部分重叠区,第二，保证,DNA,片段大小均一,超声波处理,后的,DNA,片段呈平头末端，需加装人工接头,部分酶切法,一般选用四对碱基识别序列的限制性内切酶,，,如：,Sau3AI,或,MboI,等，这样,DNA,酶解片段的大小可控,连接前，上述处理的,DNA,片段必须根据载体的装载量进行分级,分离，以杜绝不相干的,DNA,片段随机连为一体！,基因文库的构建程序,载体和受体的选择,出于压缩重组克隆的数量，用于,基因组,文库,构建的,载体通常选,装载量较大的,l,-DNA,或考斯质粒；对于大型基因组（如动植物和,人类）需使用,YAC,或,BAC,载体,l,-DNA,由于绝大多数真核生物的,mRNA,小于,10,kb，,因此用于,cDNA,文库,构,建的载体,通常选质粒,上述几种,载体的最大装载量如下：,质粒,考斯质粒,15,kb,25,kb,45,kb,BAC,300,kb,YAC,400,kb,用于基因,文库构,建的受体则根据载体使用大肠杆菌或酵母菌,基因文库的构建程序,从基因文库中筛选目的基因,大型基因组,文库,一般由数十万甚至上百万个重组克隆组成。除,了一些具有特殊功能的蛋白质编码基因（如抗药性基因、结合蛋白,编码基因等）可以采用特殊的正选择筛选,程序（如,抗药性筛选法,、,酵母双杂交技术,等）直接筛选外，一般的基因组,文库筛选均需多轮,操作步骤,基因文库的构建程序,从基因文库中筛选目的基因,密集铺板（1-10万）,杂交,挖取,铺板,铺板,目的重组克隆,基因文库的构建程序,基因文库构建的技术性问题,在基因组,文库的构建过程中，,最应引起重视的问题是：,严禁外源,DNA,片段之间的连接！,为了避免上述情况的发生，,可采取下列措施的组合：,将待连接的,DNA,片段根据载体的装载量分级分离,用碱性磷酸单酯酶除去,DNA,片段的末端磷酸基团,用,TdT,酶在,DNA,片段的末端上增补同聚尾末端,基因组文库重组克隆的排序,大型基因文库（包括人的基因文库）的构建在技术上并不十分困难，如果一个,YAC,基因文库的插入片段总和为整个基因组的十倍以上时，一般就能从基因文库中调出任何一段,DNA,序列。然而基因文库的克隆都是随机序列，必须将所有的克隆排列成一个像天然染色体,DNA,上所表现出的信息顺序。这项工作的工作量可能远大于基因组文库的构建，属于基因文库的后期制作,基因组文库重组克隆的排序,将单一的,YAC,克隆插入,DNA,片段,用限制性内切酶分布均匀地水解成若干片段，末端标记同位素,然后再用,Sau3AI,或,MboI,将末端标记的,DNA,片段降解成碎片，聚丙烯酰胺凝胶电泳，每,10,个,YAC,克隆走在同一块板上，形成,10,个克隆的特征性,DNA,指纹图谱,电脑分析指纹图谱，如发现任何两个克隆,DNA,的指纹图谱有部分相同的，则其两个,YAC,片段就有互相重叠的可能性，于是这两个,YAC,克隆的,DNA,片段克隆在染色体上是排列一起的,酶切片段末端标记法,酶切片段末端标记法,H,H,H,H,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,单一克隆指纹图谱,十克隆指纹图谱,载体,DNA,克隆,DNA,基因组文库重组克隆的排序,将若干,YAC,克隆固定在薄膜上，并复制二十份薄膜；合成,20,种不同序列的短探针，其序列是随机的,用,20,种探针随机定位杂交（一对一）,20,份,YAC,克隆薄膜,如果某两个克隆同时对同一种探针呈现杂交阳性反应，则这两个克隆有可能是相互重叠的。若将杂交阳性结果记为,“,1,”,，而阴性结果记为,“,0,”,，可清晰地列成一张表，最终排出上述,YAC,克隆的排列顺序,随机探针联合杂交法,01,02,03,04,05,06,07,08,09,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,A,B,C,D,E,F,G,01,02,03,04,05,06,07,08,09,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,D,A,B,C,E,F,G,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,01,04,12,06,13,14,02,14,07,19,11,15,05,08,16,03,10,09,20,18,D,A,B,C,E,F,G,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,F,C,A,D,G,E,B,基因组文库重组克隆的排序,从基因文库中任取一个克隆作为染色体走读的起点，将之两端序列分别亚克隆,，,亚克隆片段在,0.5 - 2.0,kb,范围内,分别以上述亚克隆,DNA,片段为探针，杂交同一基因文库，杂交阳性克隆中的插入,DNA,片段必定与起点克隆所含的,DNA,片段连锁在一起,然后再以阳性克隆片段的两端序列为探针，进行第二步走读，直至线型染色体,DNA,的端点,染色体走读法（,chromosome walking）,染色体走读法（,chromosome walking）,走读的起点克隆片段,亚克隆旁测序列,探针标记,第一轮杂交,阳性克隆,阳性克隆,第二轮杂交,第二轮杂交,染色体走读法（,chromosome walking）,走读的起点克隆片段,