如何阅读基因载体图谱.doc

如何阅读基因载体图谱 基因载体是基因工程的核心，也是基因治疗中强有力的生物工具，我们先来认识和阅读载体图谱吧。一、载体分类及载体组成元件载体分类1、按属性分类：病毒载体和非病毒载体病毒载体是一种常见的分子生物学工具，可将遗传物质带入细胞，原理是利用病毒具有传送其基因组进入目的细胞，进行感染的分子机制。可发生于完整活体或是细胞培养中。可应用于基础研究、基因疗法或疫苗。用于基因治疗和疫苗的病毒载体应具备以下基本条件：（1）携带外源基因并能包装成病毒颗粒；（2）介导外源基因的转移和表达；（3）对人体不致病；（4）在环境中不会引起增殖和传播。 非病毒载体一般是指质粒DNA。2、按进入受体细胞的类型分类：原核载体、真核载体、穿梭载体（含原核和真核2个复制子，能在原核和真核细胞中复制，并可以在真核细胞中有效表达）。3、按功能分类：克隆载体、表达载体克隆载体：具有克隆载体的基本元件（Ori，Ampr，MCS等），可以携带DNA片段或外源基因进入受体细胞并克隆和大量扩增DNA片段（外源基因）的载体。 表达载体：克隆载体中加入一些与表达调控（具有转录/翻译所必需的DNA顺序）有关的元件即成为表达载体。载体组成元件1、复制起始位点Ori：即控制复制起始的位点。Ori的箭头指复制方向，其他元件标注的箭头多指转录方向（正向）。2、抗生素抗性基因：可以便于加以检测，如Amp+ ，Kan+（1）Ampr：水解-内酰胺环，解除氨苄的毒性。（2）tetr ：可以阻止四环素进入细胞。（3）camr：生成氯霉素羟乙酰基衍生物，使之失去毒性。（4）neor（kanr）：氨基糖苷磷酸转移酶，使G418（卡那霉素衍生物）失活。（5）hygr：使潮霉素失活。3、多克隆位点：MCS克隆携带外源基因片段，它具有多个限制酶的单一切点，便于外源基因的插入。如果在这些位点外有外源基因的插入，会导致某种标志基因的失活，便于筛选。决定能不能放目的基因以及如何放置目的基因。还要再看外源DNA插入片段大小。质粒一般只能容纳小于10kb的外源DNA片段。一般来说，外源DNA片段越长，越难插入，越不稳定，转化效率越低。4、P/E：启动子/增强子5、Terms：终止信号6、加poly（A）信号：可以起到稳定mRNA作用 示例阅读载体：pENTER载体1）human ORF + pENTER载体 2） CMV启动子，T7启动子 3） ORF的C端融合了Flag和His tag4) 多克隆位点，常用AsisI 和 MluI(人源基因上不常见的) 4） SV40 poly（A）加尾信号5） SV40启动子启动的puro标记 6） 2个腺病毒ITR序列和2个与腺病毒Ad5同源的序列，可用于将ORF序列同源重组到腺病毒载体，直接用于腺病毒的生产。慢病毒载体1）EF1a启动目的基因（可添加小标签FLAG或HIS等小标签） 2）CMV启动GFP，非融合抗性筛选标记Puro（便于做细胞株的稳筛）3）WPRE（来自土拨鼠肝炎病毒的转录后调节元件），放置在目的基因的上游，能加强转基因的表达4) cPPT（来自HIV-1整合酶基因），增加慢病毒在宿主基因组的拷贝数，提高病毒滴度5）第三代慢病毒载体，载体中还包含HIV-1基因组中的顺式调节元件( 包装 信号和LTR 长末端重复序列，其中3LTR增强子功能缺失，5LTR中U3区替代为CMV，更加安全的病毒载体) 腺相关病毒载体AAV表达载体包括了中两个ITR + CMV（可替换其他组织特异性启动子，见改造载体部分）+ globin intron 内含子序列 + 目的基因 + poly A序列二、选择和准备载体选择载体主要依据构建的目的，同时还要考虑载体中应有合适的限制酶切位点等。如果构建的目的是要表达一个特定的基因，则要选择合适的表达载体。选用哪种载体，还是要结合目的基因及载体特点以实验目的为准绳。载体选择主要考虑下述3点：1、构建DNA重组体的目的，克隆扩增/表达表达，选择合适的克隆载体/表达载体。2、载体的类型：（1）克隆载体的克隆能力据克隆片段大小（大选大，小选小）。尤其对于病毒载体来说，载体包装容量的大小是评估能否成功包装病毒的首要因素。腺病毒可以插入长约8kb的外源基因。目前，我们包装过长度为7.5kb外源基因的腺病毒。慢病毒的包装容量约为6kb（包含载体带有的其他抗性基因或报告基因），但是2kb以上的外源基因包装慢病毒难度就增加了，增大1kb会下降1个单位数量级的滴度，故2kb以上的基因包装慢病毒需要进行评估。此外，毒性蛋白、凋亡蛋白和膜蛋白（作为受体、转运蛋白行使功能）等由于其本身的功能，包装可能会有一定难度。AAV的总包装容量是4.7 kb（包含载体中两个ITR约0.3kb +具体启动子 + 内含子约0.6kb + 具体荧光标签 + polyA约0.2kb），所以插入目的基因一般约2kb 左右。由于AAV包装容量有限，目的基因大于2kb，可考虑去除内含子，因为内含子只是有助于插入的目的基因稳定表达。（2）确定表达蛋白的目的，然后再来选择优势的表达质粒。一般分为原核表达和真核表达质粒，前者主要用于体外纯化蛋白，如带His-tag的PET系列，带GST-Tag的PGEX系列，选用不同的表达载体，就得建立相应的纯化系统，包括缓冲液的配置、珠子/柱子的选择等等，还得考虑目的蛋白的可溶性，一般大tag的融合蛋白可溶性要好一些，如GST的。这种原核纯化的蛋白一般用来制备单一的、需要量大的蛋白。真核表达载体一般是细胞、体内表达等需要时所用，只需要将它放到细胞或体内细胞即可，唯一考虑的是它的启动子的选择，常用都是cmv启动子的，表达效率较高，也有多种启动子经过改造的表达载体，一般用来表达需要调控表达时间及表达量的蛋白。3、载体MCS中的酶切位点数与组成方向因载体不同而异，适应目的基因与载体易于连接，不产生阅读框架错位。选分子量小的质粒，即小载体（1-1.5kb）不易损坏，在细菌里面拷贝数也多（也有大载体）；一般使用松弛型质粒在细菌里扩增不受约束，一般10个以上的拷贝，而严谨型质粒<10个；必需具备一个以上的酶切位点，有选择的余地；必需有易检测的标记，多是抗生素的抗性基因。 选择载体还需注意：无标签载体，起始/终止密码子都要添加！标签在N端的载体，终止密码子要添加！标签在C端的载体，起始密码子要添加！（详细解读如下）对于无起始密码子和终止密码子的基因，插入无标签的载体要加入起始密码子和终止密码子。载体N端有标签，上游引物要对读码框；下游引物要加终止密码子(为了保证基因的表达,少翻译载体序列) 。链接：对读码框是为了防止移码，是不是移码要看载体图谱，看酶切位点。从ATG开始，要保证三个碱基编码的氨基酸不能影响插入目的基因的正常编码，若影响了插入目的基因的正常编码就要在设计引物的时候在酶切位点前或者后插入一个或者两个碱基，总之是不能影响插入目的基因的正常编码蛋白。有的酶切位点含有起始密码子，如果标签在C端像Nco I就有一个ATG，这时候需要加碱基在酶切位点后面。载体C端有标签，上游引物要加起始密码子，且考虑是否加Kozak序列（真核表达系统）；下游引物要对读码框，并且要去掉基因本身的终止密码子（保证C端标签表达）。链接：Kozak序列是位于真核生物mRNA 5端帽子结构后面的一段核酸序列，通常是GCCGCCRCC（常见的序列是GCCACC），位于起始密码子（ATG）之前。它可以与翻译起始因子结合而介导含有5帽子结构的mRNA翻译起始。在真核生物中，该序列相对比较保守。对应于原核生物的SD序列（原核基因在mRNA5端起始密码子AUG上游一段对mRNA的翻译起作用的序列）。添加Kozak序列的好处：核糖体需要Kozak序列进行稳定结合有助于提高真核基因的转录和翻译的效率。三、改造载体1、改造启动子：一般在过表达载体中CMV属于广谱型的强启动子，具体可根据实验需求，选用不同启动子，尤其是对于AAV载体构