目的基因导入受体细胞2.ppt

第六章目的基因导入受体细胞 第三节重组子的筛选 在重组DNA分子的转化 转染或转导过程中 一般仅有少数受体细胞成为克隆子 必须采用合适的方法从大量的细胞背景中筛选出期待的克隆子 概念克隆子转化子重组子 将摄取外源DNA分子并能使该分子在其中稳定维持的受体细胞统称为克隆子 把采用各种转化方法或转导方法获得的克隆子叫做转化子 导入外源DNA分子后能稳定存在的受体细胞称为转化子 现在这两者有通用的趋向 含有重组DNA分子的克隆子被称为重组子 如果重组子中含有外源目的基因则又称为阳性克隆子或期望重组子 经过各种方法将外源DNA分子导入受体细胞后 获得所需阳性克隆子的过程称为克隆子的筛选 一 遗传表型直接筛选法 一 根据载体选择标记初步筛选转化子在构建基因工程载体系统时 通常在载体DNA分子中组装了一种或两种选择标记基因 在受体细胞内进行表达 呈现出特殊的表型或遗传学特性 作为筛选转化子的依据 一般的做法是 将转化处理后的受体细胞接种在含适量选择药物的培养基上 在最适生长温度条件下培养一定时间 根据菌落生长情况挑选出转化子 常用的选择标记基因主要是 抗性基因 表达产物可以发光或使反应底物显色的基因 相应的选择条件是 可以被抗性基因产物分解的抗生素 可以使基因产物发光的光线 或者是可以使基因产物显色的试剂 选择培养基是 根据宿主细胞类型配置的培养基 对于细菌受体细胞而言 通常用LB培养基 在LB培养基中加入适量的某种选择物 即为选择培养基 选择物 是由载体DNA分子上携带的选择标记基因所决定 一 根据载体选择标记初步筛选转化子 1 抗药性筛选 2 插入失活筛选法 3 插入表达筛选法 4 显色互补筛选法 5 利用报告基因筛选植物转化细胞 6 利用遗传选择标记筛选哺乳动物转基因细胞 1 抗药性筛选 正向选择方式 注意 利用含一种选择药物的选择培养基无法区分重组子和非重组子 只能区分转化子和非转化子 非转化子呈Aps Tcs转化子呈Apr Tcr s 2 插入失活筛选法 双抗药性筛选 双 3 插入表达筛选法 利用外源目的基因插入特定载体后能激活筛选标记基因的表达 由此进行转化子的筛选 有些载体在设计时 在筛选标记基因前面连接上一段负调控序列 当插入失活该负调控序列时 其下游的筛选标记基因才能表达 例如pTR262质粒载体 它由pBR322衍生而来 其Tcr基因的上游含有一段 噬菌体DNA的CI阻遏蛋白编码基因及其调控序列 CI基因表达的阻遏蛋白可以抑制Tcr基因的表达 当外源DNA片段插入CI基因的Hind 或Bgl 位点上时 CI基因失活 Tcr基因因阻碍解除而得以表达 故阳性重组子为Tcr表型 质粒本身因为Tcr基因受阻碍为Tcs表型 当转化细菌涂布在Tc平板上时 只有含有外源DNA插入片段的阳性重组子的转化菌才能生长成菌落 4 显色互补筛选法 lacZ基因上缺失操纵基因区段的突变体与带有完整的近操纵基因区段的 半乳糖苷酶阴性突变体之间实现互补 这种互补现象称为 互补 具有完整乳糖操纵子的菌体能转译 半乳糖苷酶 Z IPTG和X gal时 产生兰色沉淀物 使菌落成为蓝色 如果在载体DNA上组入 半乳糖苷酶基因 lacZ 部分缺失的片段 lacZ 则重组DNA分子转化lacZ 互补型菌落 会在含有X gal和IPTG的培养基中得到的转化子是蓝色菌落 lacZ 是 半乳糖苷酶基因部分缺失的DNA片段 含lacZ 的重组载体转化lacZ 互补型菌株 可转译 半乳糖苷酶 在含有X gal 5 溴 4 氯 3 吲哚 D 半乳糖苷 和IPTG 异丙基 硫代半乳糖苷 的培养基上使转化子成为蓝色菌落 而lacZ 互补型菌株本身为白色菌落 当lacZ 区插入外源基因后 再转化lacZ 互补型菌株 由于不能翻译 半乳糖苷酶 转化子即使在含有X gal和IPTG的培养基上也只能长成白色菌落 这样可以区分含外源基因和不含外源基因的转化子 此方法主要用于原核生物 互补的检测 以显色剂x gal作为选择物时 DNA对照组不应出现任何菌落 感受态细胞对照组长出的菌落应全是蓝色的 感受态细胞有效性对照组长出的菌落中应有白色的 其中一项不符 就有可能挑出假的转化子菌落 5 利用报告基因筛选植物转化细胞 报告基因 系指其编码产物能够被快速地测定 常用来判断外源基因是否已经成功地导入寄主细胞 器官或组织 并检测其表达活性的一类特殊用途的基因 在植物转基因研究中 在有选择压力的情况下 可利用报告基因在受体细胞内的表达 从大量非转化克隆中选择出转化细胞 同时 报告基因可以和某些目的基因构成嵌合基因 从报告基因的表达了解目的基因的表达情况及推测基因调控序列 常用的报告基因有抗生素抗性基因以及编码某些酶类或其他持殊产物的基因等 特征作为报告基因 在遗传选择和筛选检测方面必须具有以下几个条件 1 已被克隆和全序列已测定 2 表达产物在受体细胞中本不存在 即无背景 在被转染的细胞中无相似的内源性表达产物 3 其表达产物能进行定量测定 新霉素磷酸转移酶基因 npt 抗新霉素 卡那霉素 庆大霉素和G418等抗生素 成为筛选动植物转化子的选择标记基因 潮霉素磷酸转移酶基因 hpt 赋予转化子能抗潮霉素 作为选择标记基因主要用于筛选动植物转化子 潮霉素是致癌物质 操作时应慎重 氯霉素乙酰转移酶基因 cat 也被用于筛选动植物转化子的标记基因 葡萄糖酸酶基因 gus gus的基因产物 葡萄糖酸酶 GUS 能够催化4 甲基伞形花酮 D 葡萄糖苷酸 产生荧光物质4 甲基伞形花酮 以此筛选含gus基因的转化子 由于植物细胞GUS本底非常低 因此广泛地应用于筛选植物转化子 尤其是gus基因的3 端与其他结构基因连接产生的嵌合基因仍能正常表达 产生的融合蛋白中仍有GUS活性 可用于外源基因在转化生物体中的定位分析 萤火虫荧光素酶基因 luc luc表达产物萤火虫荧光素酶 LUC 在Mg2 的作用下 可以与荧光素和ATP底物发生反应 形成与酶结合的腺苷酸荧光素酰化复合物 经过氧化脱羧作用后 该复合物转变成为处于激活状态的氧化荧光素 可以用荧光测定仪快速灵敏地检测出产生的荧光 是目前研究动植物转基因很好用的一种报告基因 Luc基因检测十分迅速 灵敏度高 成本低 不存在放射性同位素检测对人体健康和环境生态所造成的危害 也没有内源荧光产生的背景干扰 因此 Luc是一种理想的报告基因 抗除草剂bar基因 bar基因编码磷化乙酰转移酶 PAT 使转化子对含有磷化麦黄酮 PPT 成分的除草剂具有抗性 冠瘿碱合成酶基因 主要包括胭脂碱合成酶基因和章鱼碱合成基因两类 存在于土壤农杆菌Ti质粒的T DNA区段 冠瘿碱合成酶基因在植物细胞中的表达产物可以催化一些特殊反应 通过电泳分离及菲醌荧光染料染色 方便地观察 据此作为报告基因用于转植物基因细胞的筛选 冠瘿碱合成酶基因在植物基因工程早期应用较多 现已逐渐被其他更为理想的报告基因所取代 6 利用遗传选择标记筛选哺乳动物转基因细胞 在植物转基因研究中采用的氯霉素乙酰转移酶 Cat 基因和新霉素磷酸转移酶 Npt 基因也可用于哺乳动物转基因细胞的筛选 常用的标记基因还有 胸腺核苷激酶基因 tk 二氢叶酸还原酶基因 dhfr 次黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶基因 hgprt 细菌的黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶基因 ecogpt 等 胸腺核苷激酶基因 tk 二氢叶酸还原酶基因 dhfr 及次黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶基因 hgprt 等的表达产物直接或间接参与核苷酸合成代谢 这些基因缺失的缺陷型细胞因核苷酸合成代谢失调而死亡 只有在添加某些核苷酸的培养基中才能生长 如果用这样的缺陷型细胞作为受体细胞 导入含有上述基因的外源DNA 补充原来缺失的基因 使核苷酸合成代谢恢复正常 可以在不添加核苷酸的培养基中正常生长 根据这一性质可以在不添加核苷酸的培养基中筛选出转化子 三 核酸分子杂交检测法 p239 基本原理 复性 RNA DNA 根据待测核酸的来源以及将其分子结合到固相支持物上的方法的不同 Southern印迹杂交Northern印迹杂交斑点和狭线印迹杂交菌落 或噬菌体 原位杂交 核酸分子杂交检测法分类 又称DNA印迹杂交 SouthernDNA印迹杂交 1 Southern印迹杂交 经琼脂糖凝胶电泳分离的DNA片段 转移到滤膜上 与标记的DNA或RNA探针杂交 放射自显影显杂交带 基本原理 1 提取总DNA 2 酶解 3 电泳 4 转印 5 变性解链 6 杂交 7 洗脱 8 放射自显影 9 比较分析 毛细管虹吸印迹法电转移印迹法真空转移法 核酸转移 印迹 方法 毛细管虹吸印迹法 利用核酸分子在电场中的电泳作用将凝胶中的DNA转移到固相支持物上 湿式电转移干式电转移 电转移法 湿式电转移法 真空转移法 真空转移装置 硝酸纤维素膜 简称NC膜 优点 吸附能力强 杂交信号本底低缺点 DNA分子结合不牢固 膜易碎裂 依赖高盐溶液 常用的固相支持物 尼龙膜 Nylon 优点 结合单链 双链DNA的能力比NC膜强 韧性高 可重复杂交缺点 杂交信号本底高 常用的固相支持物 凝胶 滤膜 转移RNA至膜上 转膜 杂交 显影 2 Northern印迹杂交 两种印迹技术的比较 P248 1 2 3 4 3 斑点印迹杂交和狭线印迹杂交 两种方法的基本原理和操作步骤相同 即通过特殊的加样装置将变性的DNA或RNA核酸样品 直接转移到适当的杂交滤膜上 然后与核酸探针分子进行杂交以检测核酸样品中是否存在特异性DNA或RNA 斑点杂交法 狭缝式点样器 1 斑点印迹为圆形2 狭缝印迹为线状3 鉴别DNA RNA4 简单 快速 同一张膜可检测多个样品5 特异性不高 不能鉴别核酸分子量 斑点及狭缝印迹杂交的特点 4 菌落 或噬菌斑 原位杂交 基本原理 直接把菌落和噬菌斑转移到滤膜上 溶菌 变性 DNA暴露并于滤膜原位结合 与探针杂交 三种筛选方法的比较 杂交探针 指具有一定序列的核苷酸片段 它能与互补的核酸序列复性杂交 并且通过适当标记进行检测 5 核酸杂交探针 自学 同源或部分同源探针 总cDNA探针 特异性cDNA探针 人工合成的寡核苷酸探针 1 核酸杂交探针的种类 理想的探针标记物应满足的条件 1 不会影响探针的主要理化性质 2 检测灵敏度高 特异性强 本底低 重复性好 3 操作简便 省时 经济实用 4 化学稳定性高 易于长期保存 5 安全 无环境污染 常用于分子杂交的探针标记物分放射性及非放射性 2 探针标记物 放射性标记物是指以放射性同位素对核苷酸等进行标记后的产物 常见的放射性同位素有32P 3H 35S 14C 125I等 其中以32P 3H 35S最为常用 标记物放射性的检测主要使用盖革计数器和液体闪烁计数器等射线探测仪来完成 放射性标记物 非放射性标记物的最大优势是无放射性污染 分辨力高 稳定性好 可以较长时间保存使用 但与放射性探针相比 多数非放射性探针的敏感性及特异性较差 目前已广泛应用的非放射性标记物有 生物素 biotin 标记的核苷酸 地高辛 digoxigenin 标记的核苷酸荧光素 fluorescein 标记的核苷酸 非放射性标记物 3 探针标记方法 探针的标记有体内标记及体外标记两种方法 体内标记法是以标记化合物作为代谢底物 通过活体生物或活细胞的体内代谢完成核酸分子标记 例如在培养基中加入3H 胸苷 就可以标记到生长在该培养基中的活细胞DNA分子上 体内标记法受多种因素的限制 且标记活性不高 一般很少使用 体外标记 包括化学法和酶法两种 化学标记法是利用标记物的活性基团与核酸分子中的某种基因 如磷酸基团 发生化学反应而直接将标记物连接到探针分子上 具有简单快速 标记均匀的特点 尤其适于制备非放射性标记物的探针 酶标记法则是先将标记物标记在核苷酸上 然后通过酶促聚合反应使带标记的核苷酸掺入到核酸序列中 获得核酸探针 酶法应用广泛 适于制备所有放射性标记探针及部分非放射性标记探针 常用的酶法有DNA缺口平移标记法 DNA随机引物标记法 DNA末端标记法及PCR标记法等 切口平移标记法 nickthanslationlabeling 该法标记模板链 随机引物标记法 randomprimedDNAlabeling Klenow片段催化 该法标记模板互补链 随机引物是含有各种可能排列的寡核苷酸片段的混合物 随机引物 46使用随机引物标记的探针一般长400 600个核苷酸 具多种序列 但都与模板互补 与切口平移法不同的是 该方法标记的是模板互补链 而非模板本身 末端标记法 DNAterminallabeling 该法标记的是线性DNA或RNA的5 端或3 端 属非均一性标记 1 3 凸出末端的加尾标记法 末端脱氧核苷酸转移酶将带有标记的dGTP或dCTP加到DNA3 OH端2 双链DNA3 隐蔽末端的填充标记 若反应体系存在全部与模板序列互补的dNTP 以凸出序列为模板 Klenow酶或T4DNA连接酶催化补平3 末端 若一种dNTP带标记则成为探针 3 5 末端标记 T4多聚核苷酸激酶将ATP的标记的 磷酸基团转移到游离的5 OH上 PCR标记法 PCRlabeling 标记的一种dNTP 光敏标记法 化学衍生结合标记法 生物素和地高辛等非放射性标记物可以与事先经过化学修饰得到的核酸衍生物更加牢固地结合 进行非放射性探针的制备 常用的化学修饰反应包括磺化 转氨 溴化等反应类型 交叉相连标记法 利用一些高分子化合物 如细胞色素c 组蛋白H1及大肠杆菌单链结合蛋白质等能与核酸结合的特性 制备相应的探针 四 DNA序列测定法 录像 DNA序列测定 即核酸一级结构的测定 简称DNA测序 对克隆DNA片段进行序列测定及分析 可以直观地鉴定出重组DNA分子中是否含有目的基因 可以获得目的基因的编码序列和基因调控序列 这对目的基因的表达及其功能研究具有重要意义 DNA序列分析 目前用于测序的技术主要有 Sanger等 1975 发明的双脱氧链末端终止法Maxam和Gilbert 1977 发明的化学降解法 这二种方法在原理上差异很大 但都是根据核苷酸在某一固定的点开始 随机在某一个特定的碱基处终止 产生A T C G四组不同长度的一系列核苷酸 然后在尿素变性的PAGE胶上电泳进行检测 从而获得DNA序列 目前Sanger测序法得到了广泛的应用 1DNA的化学降解测序法 DNA的化学降解测序法也叫Maxam Gilbert测序法基本原理是 将待测DNA分子进行末端放射性标记 然后置于4组独立的化学反应体系中分别进行部分降解 其中每一组反应特异性地针对某一碱基或某一类碱基 通过化学降解一段时间后 在每一组反应体系中 生成各种不同长度的 一端为放射性标记固定的寡聚核苷酸分子 经聚丙烯酰胺凝胶电泳和放射自显影检测后可以读出待测DNA分子的碱基序列 2 碱基切割反应体系 进行碱基特异性化学切割反应的试剂是硫酸二甲酯 肼 联氨 以及哌啶 六氢吡啶 硫酸二甲酯 肼 联氨 碱基进行化学修饰 哌啶 从修饰碱基处断裂核苷酸链 在不同的酸 碱 高盐和低盐条件下 三种化学试剂按不同的组合能特异地切割核苷酸序列中的特定碱基 降解待测模板DNA分子 硫酸二甲酯 DMS G pH2甲酸哌啶 G A 肼 NH2NH2 C T 肼 NH2NH2 高盐 C 1 待测模板的制备 3 待测模板DNA分子的序列分析 2 化学降解待测模板DNA分子 测序步骤 3 DNA 序列的读取是逆电泳方向进行的 DNA 化学降解测序法不仅适于单链DNA 也适于双链DNA的测序 主要用于研究DNA的一级和二级结构 DNA甲基化位点测定和DNA 蛋白质相互作用等方面 结果准确可靠 是DNA测序的基本方法之一 它的缺点是一轮反应所能测定模板DNA长度只有250bp左右 若测定大片段DNA分子时 操作较为繁琐费时 另外 化学降解测序法不能在载体上直接进行 标记后的模板DNA分子难以纯化 2DNA的双脱氧链终止测序法 双脱氧链终止测序法是由Sanger等在加减法的基础上建立的一种简单快速的DNA序列分析法 故也称为Sanger测序法 有时又称为引物合成法 或酶促引物合成法 因为该法是以待测DNA分子为模板 在DNA聚合酶 的作用下 利用适当的DNA合成引物进行DNA互补链的合成来完成测序工作的 基本原理 DNA聚合酶能够利用单链DNA作模板 合成出对应的DNA互补链 但在反应过程中 如果2 3 双脱氧核糖核苷三磷酸底物 ddNTP 掺入到寡核苷酸链的3 端 DNA链的延伸反应即被终止 ddNTP 链终止核苷酸 1 基本原理 在4个特定反应体系中分别加入一种ddNTP反应底物 ddCTP ddATP ddGTP ddTTP 以及DNA模板 合成引物 DNA聚合酶I 一定浓度的dNTP dCTP dATP dGTP dTTP 其中有一种是带32P放射性标记的 DNA链的合成随机终止于某一特定ddNTPs 最后通过聚丙烯酰胺凝胶电泳和放射自显影技术读出待测DNA模板的碱基序列 双脱氧链终止测序法的精确度较高 绝大多数以单纯测定DNA序列为目的的实验室均采用此法 此法读取的碱基序列是待测DNA模板的互补链 而非模板链本身 ddNTP 2 双脱氧核糖核苷三磷酸的作用机制 2 3 双脱氧核糖核苷三磷酸 ddNTP 的分子结构式与2 脱氧核糖核苷三磷酸 dNTP 极为相似 惟一的区别是 ddNTP在脱氧核糖的3 位置上缺少一个羟基 在DNA链的合成过程中 ddNTP可以利用其5 磷酸基团与DNA链上的游离羟基基团形成磷酸二酯键而使链得以延伸 但是由于ddNTP缺少3 0H基团 不能与下一个底物分子的5 磷酸基团进行反应 因此新生的寡核酸链一旦加入ddNTP DNA链的合成就会终止 3 待测模板DNA分子的制备 限制性核酸内切酶消化切割形成DNA小片段 随机地克隆到一种合适的载体分子上 经转化筛选后得到含有同一来源DNA片段的重组子克隆后代 以此大量制备重组DNA分子 直接用于DNA测序需要 采用DNA分子克隆的方法制备模板DNA 因为新生DNA链的合成反应是从引物3 端定向进行的 无须将待测DNA片段从载体上切下 事实上 载体的存在不但不会影响测序的结果 反而有利于测序的进行 因为在实际操作中 引物往往是与载体克隆位点的两侧序列互补 这样可以测定完整的DNA序列 M13载体能克隆单链DNA分子 制备的产物可直接用作引物合成反应中的单链模板 同时 由于待测DNA片段均被克隆在M13载体的同一个特定区段内 所有的待测DNA片段 都可以使用同一种引物 即M13载体克隆位点两侧的通用引物 universalprimer 进行DNA链的合成延伸 避免了因合成和分离各种不同引物而导致的许多麻烦 因此 M13载体双脱氧链终止法目前已经成为一种普遍采用的快速DNA序列分析法 1985年Chen和Seeburg为了提高DNA测序速度建立 该法是将待测定的DNA片段克隆到质粒载体上 直接用闭合环形的双链质粒DNA按双脱氧链终止法测定模板DNA序列 由于通常使用的质粒是PUC载体系列 所以又称之为Sanger双脱氧链终止 pUC体系DNA序列分析法 这种方法的最大优点是 它无须将DNA克隆到M13载体分子上 而是直接用碱变性的双链闭合环形的重组质粒DNA作为模板进行序列分析 因此比M13法更为简单快速 实用价值高 针对双链DNA模板进行的双脱氧链终止测序法 4 测序反应物的合理应用 双脱氧链终止测序法的操作关键 是ddNTP与dNTP的用量比例 两者较为理想的分子比在1 3至1 4之间 大肠杆菌DNA聚合酶Klenow片段 测序酶 经过改造的T7噬菌体聚合酶 TaqDNA聚合酶DNA序列分析中通常采用 35S dATP代替 32P dNTP 以便获得更高的分辨率 3大片段DNA的测序策略 DNA测序通常包括克隆 测序反应和读序三个步骤 前述两种DNA测序方法中 一次测序能直接读出的DNA序列长度受到聚丙烯酰胺凝胶分离效果的限制 一般情况下 最大限度不超过350个碱基序列 因此 对于较大的DNA片段而言 必须将其分成较小的片段分别测序 才能获得完整的碱基序列 选择恰当的测序策略将直接关系到大片段DNA或基因组DNA序列分析的工作效率 随机克隆策略 又叫鸟枪法克隆策略 先将克隆DNA片段用超声波打断或DNA酶 切断 随机亚克隆到M13载体上 分别进行DNA序列测定 然后利用计算机进行数据分析 排出完整的DNA序列 鸟枪法的缺点随机亚克隆易造成序列重复测定 也易丢失某些序列 测序及测序后的数据处理和分析工作量大 并需要计算机帮助进行排序才能得到完整的序列 引物步移策略 将待测DNA片段克隆在质粒载体上 利用引物步移延伸 从DNA片段的一端开始逐步进行序列测定 直到另一端为止 引物步移法克服了鸟枪法的盲目性 并省去亚克隆制备的繁琐步骤 也减轻了随后数据分析的工作量 但由于测定下一段序列前要预先知道上游序列的碱基序列 才能合成适当的引物进行测序 因此该策略难以自动化操作 此外 引物合成费时费力 再加上目前常用的质粒载体不易纯化等也都影响了该法的实施 最近的研究表明 随机引物可作为引物步移法中的测序引物 例如采用线性连接的3条6碱基的随机引物即可很好地引导测序反应 这些结果为引物步移法的自动化带来可能 定向缺失克隆策略 利用核酸外切酶 Bal31或T4DNA聚合酶等酶解方法 从克隆DNA片段一侧进行不同时间的定向缺失 逐步缩短DNA片段大小 分别回收并环化DNA缺失片段 使DNA片段被保护一侧的引物结合位点与缺失不同长度的一侧连接重组 转化筛选后得到一系列由待测DNA片段定向缺失后形成的嵌套重组子 然后利用引物结合位点逐一测定这些嵌套重组子中的待测DNA模板 最后根据重叠序列将不同片段的序列拼接为完整的DNA片段序列 利用Exo 能特异性起始切割5 凸出端或平末端的双链DNA 而不能有效切割3 凸出端的双链DNA的特性 构建待测DNA的定向嵌套缺失 4 DNA测序技术的发展 第一 非放射性标记检测物的使用第二 DNA测序自动化 1是测序过程中某些具体步骤的机械化和自动化 2是高度集成的自动化测序仪的发明及应用第三 计算机在DNA测序中的应用 大规模测序计划在很大程度上依赖于计算机程序对原始数据进行分类 整理和排序 尤其是在随机测序策略中 采用计算机辅助分析 大大加快了DNA测序的发展进程 第四 现有技术的其他改进 主要包括 增加每块胶上的泳道数 采用新型凝胶和电泳技术 改进光学检测系统 提高测序聚合酶的催化效能等 其目的是大大加快测序速度 提高测序反应的灵敏度及准确性 降低测序反应对模板质量的要求 简化模板制备程序等 DNA测序方法分为两类 一类是基于凝胶电泳技术的测序法 包括目前普遍采用的手工DNA测序技术 自动化DNA测序技术 毛细管凝胶电泳激光荧光法 阵列毛细管电泳激光荧光法和超薄层凝胶板电泳激光荧光法等 另一类是不依赖于电泳分离的直接测序法 包括质谱法 原子探针法 杂交法和流动式单分子荧光检测法等 1 以凝胶电泳为基础的测序方法 DNA全自动序列分析系统 ALFsystem DNA自动测序 采用荧光替代放射性核素标记是实现DNA序列分析自动化的基础 用不同荧光分子标记四种双脱氧核苷酸 然后进行Sanger测序反应 反应产物经电泳 平板电泳或毛细管电泳 分离后 通过四种激光激发不同大小DNA片段上的荧光分子使之发射出四种不同波长荧光 检测器采集荧光信号 并依此确定DNA碱基的排列顺序 超薄层板凝胶电泳 ultra thingelelectrophoresis UGE 激光荧光法 在电泳方式方面有2处改进 1是超高压电场的使用 它可以大幅度提高电泳速度 2是超薄凝胶的使用 由于降低了凝胶厚度 不仅提高了电泳速度 还可以提高电泳条带的分辨率 使一次性阅读由原来的500个碱基上升至1000个碱基 总的效果是测序速度提高到8000bp h以上 在电泳结果检测方式方面 以激光荧光检测法取代了传统的放射自显影检测法 既杜绝了放射性核素带来的危害 也便于自动化操作 PCR测序技术 第一 利用PCR技术直接从大的DNA片段或基因组DNA中扩增获得足够量的待测DNA模板 从而省去亚克隆等繁琐步骤 目前 不对称PCR 单链PCR 固相PCR以及循环PCR等新的PCR技术都已应用到DNA测序中 第二 通过PCR技术进行重叠群排序 将由重叠群末端序列确定的引物逐一配对 以待测大片段DNA为模板进行PCR 如能扩增出阳性条带 便说明这两个重叠群相邻 重叠群顺序一经确定 便可利用PCR扩增重叠群间的DNA片段 第三 利用PCR技术进行DNA链终止测序反应 这一过程被称为循环测序 循环测序是在模板DNA分子过少时 用耐高温的Taq酶代替DNA聚合酶进行酶法测序 在测序反应中 一方面模板DNA分子得以扩增 另一方面ddNTP的插入造成以特定ddNTP结尾的长短不同的DNA片段 通过电泳分离便可获得待测DNA分子的碱基序列 循环测序的优点有 大大减少了模板DNA的用量 重复的变性 复性 链延伸循环可使双链DNA的酶法测序高效进行 初始阶段加入试剂后不必在中途补充 可实现自动化 毛细管及阵列毛细管电泳激光荧光法 与普通凝胶电泳相比 毛细管凝胶电泳具备很多优势 第一 高效 快速 毛细管内径一般在25 100pm 比表面积大 散热快 可使用较高的电场强度 大大提高了分析速度和分辨率 第二 所需样品量少 灵敏度高 采用电动进样或压力进样 样品量仅为1 50ul 普通紫外检测器可检测10 13 10 15mol 激光诱导荧光检测可达10 18 10 21mol 第三 在线检测 利用检测窗口直接进行柱检测 不受凝胶长度的影响 第四 操作自动化 重复实验误差低 因此 利用毛细管凝胶电泳进行DNA测序 分辨率极高 其关键在于选择合适的毛细管长度 电场强度 凝胶聚合物浓度及温度因素等 以达到将一个碱基大小差异的DNA片段顺利分离开来的目的 2 非电泳分离的测序技术 杂交法 SBH SBH的基本原理是 用特定长度的具有所有可能碱基序列的寡核苷酸群体 与未知序列的特点数目的DNA片段杂交 根据某些寡核苷酸探针形成的完全双链推知目的DNA的碱基序列 利用共价结合在寡核苷酸3 或5 端的衍生物与玻璃板或凝胶结合 形成固定的寡核苷酸小区 不同碱基组合的寡核苷酸小区排列在一起形成探针点阵 构成DNA测序芯片或称为基因芯片 寡核苷酸矩阵芯片 芯片中寡核苷酸小区的数目取决于寡核苷酸片段的长度 以八聚体单链DNA探针为例 包含所有可能的4种碱基的全部排列序列共计48 65536种 因此在芯片上寡核苷酸小区数目为65536个 每一个寡核苷酸小区则代表了一个已知序列的探针 每一个探针序列与其所处位置的对应关系是已知的 测序时 只须将待测DNA样品变性解链 在单链DNA片段末端上共价标记一个荧光分子 然后与基因芯片进行复性杂交 经适当清洗后 与探针完全杂交的单链DNA的荧光分子在特定波长的激光束照射下 发射出一定波长的荧光 然后再由荧光扫描仪将基因芯片上的所有方格点阵进行荧光扫描检测 并将荧光发射与否的正负信号传输到电脑 最后根据发射荧光的探针序列排出待测DNA样品的全序列 原子探针显微镜法 扫描隧道显微镜 STM 和原子显微镜 AFM 等新技术的发展 使快速 高分辨 直接观测DNA分子构象成为可能 STM采用了相当于原子直径的导电探针扫描样品表面 通过连续测量移动的探头与分子表面之间形成的隧道电流 确定样品的三维图像 AFM则是通过测量探针和DNA样品表面的作用力来确定分子表面形状 并不要求样品导电 目前 应用STM已成功地观测到DNA双螺旋结构和单个碱基对以及单链分子中的单个核苷酸 因此可以直接从DNA单链上读取碱基序列 根据扫描速度 DNA测序能力可达1000bp min以上 流动式单分子荧光检测法 美国LosAlamos国家实验室建立的一种快速DNA测序新技术 可对单个分子进行检测 基本原理是 对模板DNA片段上的4种碱基分别标记上不同的荧光基团 然后置于液体系统中 用水流载带DNA片段流动 利用外切酶快速逐个地切断DNA中标记的单个碱基 通过激光荧光检测碱基类型 便可得到模板DNA序列 据报道 此法测序速度可达100 1000bp s 而常规的自动测序仪最快的阅读速度仅为0 1bp s 存在的主要问题是如何快速酶切单个荧光标记的核苷酸分子以及如何用4种不同的荧光基团标记不同的4种碱基等 基本过程与菌落分子杂交法相似 但该法使用抗体探针 而非DNA探针来鉴定目的基因表达产物 免疫学检测法具有专一性强 灵敏度高的特点 只要有一个拷贝的目的基因在克隆子细胞内表达合成蛋白质 就可以检测出来 前提条件是克隆基因可在宿主细胞内表达 并且有目的蛋白的抗体 根据实验手段的不同 免疫学检测法可以分为抗体测定法和免疫沉淀测定法等类型 四 免疫化学检测法 自学 1 放射性抗体测定法 2 非放射性抗体测定法 1 抗体测定法 基本依据一种免疫血清中含有多种类型的免疫球蛋白IgG分子 这些IgG分子分别与同一抗原分子上不同的抗原决定簇特异性结合 抗体分子或其某部分可牢固地吸附在固体支持物 如聚乙烯塑料制品 的表面上 因此不会被洗脱掉 通过体外碘化作用 IgG抗体会迅速地被放射性125I标记上 1 放射性抗体测定法 放射性抗体测定法的操作过程 目前所采用的免疫学检测方法中 更多的是先将待检测的菌落或噬菌斑按原位印迹到硝酸纤维素膜等固相支持物上 然后裂解细胞 使目的蛋白抗原结合到硝酸纤维素膜上 进一步与相应的抗体 即第一抗体 反应 形成抗原 抗体复合物 对抗原 抗体复合物的检测 既可采用125I标记的第二抗体直接检测 也可采用125I标记的A蛋白进行间接分析 直接检测法中 针对不同的第一抗体 应分别标记相应的第二抗体进行检测 间接分析法中 只须标记一种A蛋白分子便可检测多种不同的第一抗体 A蛋白是金黄色葡萄球菌细胞壁的一种组分 它可以牢固地结合到IgG分子的Fc段 形成多分子复合物 因此用