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1、,基因重组与基因工程Genetic Recombination and Genetic Engineering,第 一 节 重组DNA技术,DNA Recombination Technique,一、相关概念DNA克隆工具酶目的基因基因载体二、基本原理及操作步骤,本节主要内容,一、重组DNA技术相关概念,克隆(clone)来自同一始祖的相同副本或拷贝的集合。,获取同一拷贝的过程称为克隆化(cloning)，即无性繁殖。,（一）DNA克隆,DNA克隆应用酶学的方法，在体外将各种来源的遗传物质与载体DNA接合成一具有自我复制能力的DNA分子复制子(replicon)，继而通过转化或转染宿主细胞，筛
2、选出含有目的基因的转化子细胞，再进行扩增提取获得大量同一DNA分子，也称基因克隆或重组DNA(recombinant DNA)。,生物技术工程:基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程等。,目的 分离获得某一目的基因或DNA 获得目的基因的表达产物（蛋白质）,基因工程(genetic engineering)实现基因克隆所用的方法及相关的工作，又称重组DNA技术。,（二）工具酶,限制性核酸内切酶 DNA聚合酶 逆转录酶 T4DNA连接酶 碱性磷酸酶 末端转移酶 Taq DNA聚合酶,重组DNA技术中常用的工具酶,限制性核酸内切酶,(restriction endonuclease)识别DNA的特
3、异序列,并在识别位点或其周围切割双链DNA的一类核酸内切酶。,+,Bam H,作用：与甲基化酶共同构成细菌的限制修饰系统，限制外源DNA，保护自身DNA。,分类：、类（基因工程技术中常用的是类）,第一个字母取自产生该酶的细菌属名，用大写；第二、第三个字母是该细菌的种名，用小写；第四个字母代表株；用罗马数字表示发现的先后次序。,命名：,Hin d,属 系 株 序,Haemophilus influenzae d株流感嗜血杆菌d株的第三种酶,类酶识别序列特点：回文结构(palindrome),切口：平端切口、粘端切口,Bam H,+,Hind,+,平端切口,粘端切口,有些限制性内切酶虽然识别序列不
4、完全相同，但切割DNA后，产生相同的粘性末端，称为同尾酶。这两个相同的粘性末端称为配伍未端(compatible end)。,Bam H,Bg l,+,+,DNA聚合酶和DNA连接酶,DNA连接酶催化5和3端形成磷酸二酯键，底物为带缺口的DNA、黏端DNA或平端DNA。,+,Bam H,（三）目的基因,cDNA(complementary DNA)：为具有与某RNA链呈互补的碱基序列的单链DNA 基因组DNA(genomic DNA),（四）基因载体,定义为携带目的基因，实现其无性繁殖或表达有意义的蛋白质所采用的一些DNA分子。,常用载体质粒DNA噬菌体DNA病毒DNA,克隆载体(clonin
5、g vector)为使插入的外源DNA序列被扩增而特意设计的载体称为克隆载体。表达载体(expression vector)为使插入的外源DNA序列可转录翻译成多肽链而特意设计的载体称为表达载体。,载体的选择标准,含有复制起始点，能在宿主中独立复制；分子量小，以容纳较大的外源DNA；不能插入宿主基因组，易于分离和纯化；具有两个以上的遗传标记物，便于重组体的筛选和鉴定；有克隆位点（外源DNA插入点），由限制性内切酶的识别序列组成。,1.质粒(plasmid),特点:能在宿主细胞内独立自主复制；带有某些遗传信息,会赋予宿主细胞一些遗传性状（一般带有抗生素的抗性基因）。,细菌染色体外的小型环状双链D
6、NA分子。,噬菌体DNA改造系统 gt系列（插入型，适用cDNA克隆）EMBL系列（置换型，适用基因组克隆）,2.噬菌体(phage)：适用于大片段DNA的克隆,M13噬菌体DNA改造系统（含lacZ基因）M13mp系列pUC系列,3.柯斯质粒(cosmid),pJB8的物理图谱,酵母人工染色体(yeast artificial chromosome,YAC)动物病毒DNA改造的载体腺病毒载体逆转录病毒载体杆状病毒载体,其他,二、重组DNA技术基本原理,目的基因的获取,重组DNA导入受体菌,外源基因与载体的连接,克隆载体的选择和构建,重组体的筛选,克隆基因的表达,以 质 粒 为 载 体 的DN
7、A 克 隆 过 程,（一）目的基因的获取,1.化学合成法已知目的基因的核苷酸序列或其产物的氨基酸序列。2.基因组DNA文库(genomic DNA library)3.cDNA文库(cDNA library)4.聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR),1.化学合成法,由已知氨基酸序列推测可能的DNA序列,组织或细胞染色体DNA,基因片段,克隆载体,重组DNA分子,含重组分子的转化菌,限制性内切酶,受体菌,存在于转化细菌内由克隆载体所携带的所有基因组DNA的集合,2.基因组DNA文库,DNA序列是已知的，或两端已知，可以利用选择性体外扩增DNA的方法PCR。是
8、一种在体外利用酶促反应大量获得特异序列的基因组DNA或cDNA的专门技术，又称为无细胞的分子克隆。,4.聚合酶链反应（PCR）,模板DNA引物4种dNTPTaq DNA聚合酶含Mg2+的缓冲液。,PCR的反应体系,（1）变性，加热至95，使模板DNA解开成单链；（2）退火，温度降至适宜，使引物与模板互补结合；（3）延伸，温度升至72，DNA聚合酶以4种dNTP为底物，在引物的3-OH上，合成与模板互补的DNA新链。,PCR的基本反应步骤及原理,PCR反应条件,变性95C,延伸72C,退火Tm-5C,Tm指的是把DNA的双螺旋结构降解一半时的温度,PCR反应的基本原理,（三）外源基因与载体的连接
9、,1.粘性末端连接方式：(1)同一限制酶切位点连接(2)不同限制酶切位点连接,（二）克隆载体的选择和构建,Bam H切割反应,T4 DNA连接酶15C,同一限制酶切位点连接,不同限制酶切位点的连接,Eco R切割位点,Bg l切割位点,配伍末端的连接情况和同一限制酶切位点连接相似。,2.平端连接适用于：限制性内切酶切割产生的平端粘端补齐或切平形成的平端,3.同聚物加尾连接在末端转移酶(terminal transferase)的作用下，在DNA片段末端加上同聚物序列、制造出粘性末端，再进行粘端连接。,载体DNA,目的基因,限制酶或机械剪切,限制酶,53,35,5 3,35,5 3 A(A)nA
10、,A(A)nA 35,-核酸外切酶,-核酸外切酶,末端转移酶+dATP,末端转移酶+dTTP,4.人工接头(linker)连接由平端加上带有新的酶切位点的接头，再用限制性酶切产生粘性末端，而进行粘端连接。,人工接头及其应用,CCGAATTCG GGCTTAAGC,5-3-,Eco R,受体菌条件安全宿主菌 限制酶和重组酶缺陷处于感受态(competent),导入方式转化(transformation)转染(transfection)感染(infection),（四）重组DNA导入受体菌,（五）重组体的筛选1.直接选择法(1)抗药性标记选择(2)标志补救(marker rescue)(3)分子杂
11、交法原位杂交Southern印迹 2.免疫学方法如免疫化学方法及酶免检测分析等,(插入失活法)抗药性标记选择,组氨酸缺陷型大肠杆菌,无组氨酸的培养基,酵母咪唑甘油磷酸脱水酶基因,促进组氨酸合成,DNA,重组体,标志补救,互补的检测,重组DNA技术操作过程可形象归纳为,小 结,重组DNA技术操作的主要步骤,表达体系的建立表达载体的构建受体细胞的建立表达产物的分离纯化,（六）克隆基因的表达,1.原核表达体系（E.coli表达体系最为常用）标准：选择标志强启动子 翻译调控序列多接头克隆位点E.coli表达体系的不足 不宜表达真核基因组DNA不能加工表达的真核蛋白质表达的蛋白质常形成不溶性包涵体(in
12、clusion body)很难表达大量可溶性蛋白,优点：可表达克隆的cDNA及真核基因组DNA可适当修饰表达的蛋白质表达产物分区域积累缺点：操作技术难、费时、费钱,转染 将表达载体导入真核细胞的过程,方法：磷酸钙转染DEAE葡聚糖介导转染电穿孔 脂质体转染 显微注射,2.真核表达体系 酵母、昆虫、哺乳类动物细胞,表达载体pFASTBACI 的物理图谱,（一）疾病基因的发现与克隆根据基因定位克隆之并研究其性质，而认识疾病的分子机制。,三、重组技术与医学的关系,（二）生物制药,重组DNA医药产品,基因诊断(genetic diagnosis)是利用分子生物学及分子遗传的技术和原理，在DNA水平分析
13、、鉴定遗传疾病所涉及基因的置换、缺失或插入等突变。,（三）基因诊断,基本过程,区分或鉴定DNA的异常,分离、扩增待测的DNA片断,标准.能正确扩增靶基因；.能准确区分单个碱基的差别；.本底或噪声低，不干扰DNA的鉴定;.便于完全自动化操作，适合大面积、大人群普查。,（四）基因治疗,定义基因治疗(gene therapy)是向有功能缺陷的细胞补充相应功能的基因，以纠正或补偿其基因的缺陷，从而达到治疗的目的。,方式体细胞基因治疗(somatic cell gene therapy)性细胞基因治疗(germ line gene therapy),1.产前诊断2.携带者测试3.症候前诊断4.遗传病易感性,（五）遗传疾病的预防,复习思考题：1.概念：（1）克隆（2）转化（3）转位（4）基因工程（5）转座（6）限制性核酸内切酶（7）载体（8）质粒2.简述基因工程的基本过程。3.简述目的基因的主要来源或途径。,
