基因克隆技术的发展.doc

基因克隆技术的发展摘 要 基因克隆技术是生命科学技术领域里非常重要的部分，为了纵览基因克隆的理论和技术的发展创新历程，对各种技术体系，正向遗传学途径、反向遗传学途径进行了综述。随着后基因组时代的到来，基因克隆技术将发挥更加重要的作用。关键词 功能性克隆 同源序列技术 表达克隆技术 转座子标签 基因芯片 电子克隆几种模式生物基因组测序和人类基因组计划的相继完成，使人们对基因的研究很快进入后基因组时代。基因组学时代的主要任务是图谱制作性和序列测定，后基因组学时代则是进行基因组功能注释，这也是功能基因组学的主要研究目标1-2。如何利用基因这一重要的资源，关于基因专利权的建立和完善的基因争夺大战的硝烟也正在弥漫全球。克隆化基因不仅可以用来兴旺生命科学工业(制药业等)，改良农作物、畜禽品种等，还可以对遗传性疾病进行基因治疗，探索疾病的分子机制和生物发育调控规律。克隆基因的途径有两种，正向遗传学和反向遗传学途径。前者是依据目标基因所表现的功能为基础，通过鉴定其产物或某种表型突变而进行的；后者则着眼于基因本身，通过特定的序列或在基因组中的位置进行。基因的克隆一般采用下列技术：同源序列技术、差异表达基因分离技术、表达序列标签技术、转座子标签技术、基因芯片技术和电子克隆技术等。1. 功能性克隆通过基因产物的克隆技术在传统遗传学占主导地位的时代，人们以基因产物为导向来分离克隆基因。由于基因产物的结构、功能已知，可通过分析部分多肽或末端氨基酸序列，反推其核苷酸序列，设计探针或引物从基因组DNA文库或cDNA文库中筛选克隆，也可以制备产物抗体，从表达载体构建的cDNA文库中筛选相应克隆，进而分离目的基因。若研究者可得到足够多的纯化目的蛋白以用于制备特异性抗体时，可以采用经典的免疫筛选表达文库的方法，筛选阳性克隆获取其目的基因3。除了免疫筛选方法外，也可根据目的蛋白的生物学功能，利用同位素标记的配体来筛选受体表达的阳性克隆。当所分离的目的蛋白较难大量获得，但纯度较高时，可利用其中的一段氨基酸序列，反推出其基因序列，据此合成寡核苷酸用于cDNA文库的筛选；或根据所获得的基因序列，指导5端的引物合成，根据mRNA 3端polyA序列指导合成polyT的3端引物，用PCR技术从制备细胞的mRNA或直接从胞浆内溶物中合成相应的cDNA，将该cDNA克隆到表达载体上进行产物表达。2. 同源性序列克隆技术随着基因研究的不断深入，人们发现几乎所有的基因与其他的基因都有一定的联系：生物的种、属之间编码基因序列的同源性高于非编码区的序列。基于此原理，在其他种属同源基因被克隆的前提下，构建cDNA文库或基因组文库，然后用已知分子高保守序列设计简并引物，并用简并引物对含有目的基因的DNA文库进行PCR扩增，再对PCR扩增产物进行扩增、克隆和功能鉴定。对于同源性很高的基因，可以直接用作探针进行非严谨性杂交筛选另一物种的DNA文库。同源性序列克隆技术自提出以来，受到了国内外学者的广泛重视，发展很迅速，但有些问题是值得重视和思考的：由于密码子的简并性和不同同源序列间同源程度的差异，简并引物的特异性要设计得当，必要时需要设计几套引物组合。由于某些同源序列并不专属于某一基因家族，因而扩增产物不一定是某一基因家族成员。基因家族成员往往成簇存在，克隆的基因片段是否为目的基因尚需进一步判断。因此对PCR扩增产物和克隆产物，有必要进行基因与性状共分离分析，插入失活或遗传转化等功能鉴定工作，以便最终筛选到目的基因。3. 表型克隆技术细胞在增殖、分化、外界环境变化等某些异常状态下(如癌变、异常增生)，常有某些新基因特异性表达或表达异常地增高，而另一些基因可能表达降低或缺失，因而分离差异表达基因将是认识生物体的生长发育等生命活动过程的入手点，以此为基础，才能深入理解基因的结构、功能、表达与调控。差异表达基因的分离方法也伴随分子生物学技术的发展由单一化发展为多元化，而且呈各种方法互相结合的趋势。分离差异表达基因的3种基本方法为：差式筛选4、扣除杂交5-7、差异展示反转录8。差式筛选法是分别从有特异表达基因的目标样和无特异表达基因的参照样中提取mRNA，反转录为cDNA，并构建Ts的cDNA文库，分别将从TS和RS中提取mRNA制成cDNA探针，分别用TS和RS的eDNA探针与TScDNA文库的菌落或噬菌斑作原位杂交，选出只与Ts杂交，而不与RS杂交的克隆即为TS特异表达的克隆。此法常要经过多轮菌斑杂交，不仅费力费钱，重复性差，而且灵敏度很低。扣除杂交则是用TS提取的mRNA反转录成cDNA探针与Rs的过量mRNA或cDNA杂交，经两轮充分杂交后，移去杂交分子和过量的RS的mRNA或cDNA，将不形成杂交体的TS的eDNA纯化富集，扩增，建立相应cDNA文库即为差异表达基因cDNA文库。但此法回收cDNA量有限，重复性差，灵敏度低。DDRTPCR则是分别用Ts和RS的总mRNA作模板，利用12个可能的锚定引物T11MN锚定mRNA的olyA末端，借助逆转录酶合成cDNA第一链，得mRNAcDNA，再用相同的3锚定引物和5端随机引物分别扩增TS、RS的mRNAcDNA，扩增产物用序列胶电泳分析差异表达情况，将差异带DNA回收，可进一步鉴定分析，最终获得差异表达基因。它与前二者相比，速度快，易操作，可以鉴定低丰度差异表达的mRNA。分析2种以上样品基因的差异表达等优点，但仍存在假阳性率高、重复性差、扩增片段短等问题。下面就这些方法的具体过程作详细介绍。3.1 代表性差示分析法(RDA) 代表性差示分析法(RDA)可用于分离与生理条件改变相关的基因及不同发育阶段差异表达的基因，具体过程如下：制备扩增子。提取TS和RS的mRNA并反转录制备双链cDNA即test。er eDNA和driver cDNA。然后用限制性内切酶切，将酶切片段装上接头，末端补平后，加入接头引物进行PCR扩增。扣除杂交。去除接头后仅对tester片段加上新的接头，用过量的driver cDNA与之杂交退火，将形成三种产物：testertester、testerdriver、driverdriver。特异性片段的扩增。末端补平后，加入新接头引物进行PCR。3种产物中仅自身退火形成的testertester两端均能和新引物配对而呈指数扩增，testerdriver仅一端可和新引物配对而呈线性扩增，Driverdriver无引物配对不扩增。然后用绿豆核酸酶去除单链DNA分子，再进行PCR富集特异表达cDNA片段。对特异片段进行克隆，通过FISH等技术进一步分离特异表达基因。3.2 抑制性差减杂交PCR法(SSH)SSH的基本流程如下：第1次杂交。提取TS和RS的mRNA反转录为tester eDNA和driver eDNA，用Rsa I或Hae m酶切成平头末端cDNA，分成均等2份，分别加不同的接头，再分别与过量的driver cDNA杂交，将形成4种产物：a，单链tester cDNA、b，自身退火的testertester双链、c，异源退火testerdriver双链、d，drivercDNA。第2次杂交。合并2份杂交产物，加入新的变性driver cDNA退火、杂交，这次除了a、b、c、d 4种产物外还形成产物e，e是tester自身退火形成，但两端带不同接头。特异性片段的扩增。末端补平后，先后加接头的内、外侧引物扩增，a和d无扩增。b由于两端接头互补形成发夹结构也无扩增，c仅一端有引物结合呈线性扩增，仅e两端可配不同引物而呈指数扩增。特异性片段e克隆，并进一步分离差异表达基因。该法通过2次杂交和2次PCR，使假阳性率可降到69，且灵敏度高。用SSH可一次同时分离几十至几百个差异基因，效率大增。3.3 交互差减差异RNA显示(RSDD) RSDD的主要过程如下：交互差减。分别提取具有差异表达的2种组织细胞A、B的mRNA，反转录为cDNA，并构建cDNA文库。将这2个文库进行交互差减得到A减B和B减A的2个差减cDNA文库，由于构建文库所用的噬菌体载体上带有质粒载体的结构，载体进入宿主后，其上质粒载体被切下，得质粒cDNA文库。差异显示。用3锚定引物和5随机引物对2个差减文库提取的DNA分别进行PCR扩增，将扩增产物用5序列胶电泳，显示并分离差异条带，回收差异DNA，再次扩增后，获得富集的差异表达片段。表达分析。采用反向Northern分析和Northern分析鉴定经再次扩增的差异DNA片段的真伪。反向Northern分析是将差异显示得到的扩增后DNA片段转膜，分别与来自A、B细胞系的总mRNA经反转录制备的32 P标记的cDNA第一条链探针进行杂交，只与亲本来源细胞系杂交，而不与另一细胞系杂交的即为真正差异表达的基因。对差异片段克隆、测序，并进一步分离获得差异表达的基因。RSSD可以有效快速地鉴定由于细胞生理变化而在基因组中差异表达的基因，它结合了DDRTPCR和扣除杂交的优点，减少或消除了共有序列，使序列胶上条带清晰度增加，并使低丰度序列得到富集，降低了假阳性率，且RSDD仅用较少的引物进行逆转录PCR就可分析全部差异表达基因，但RSSD并不能完全杜绝假阳性。Kang等用RSDD法克隆并证实了促进肿瘤发展的基因(PEGene)和抑制肿瘤发展的基因(PS Gene)。4. 图位克隆技术随着各种生物分子标记连锁图的相继建立和越来越多的基因被定位，在90年代初图位克隆技术也应运而生。其原理是根据功能基因在基因组中存在相对较稳定的基因座，在利用分子标记技术对目的基因进行精确定位的基础上，用与目的基因紧密连锁的分子标记筛选DAN文库(如YAC、BAC或Cos。mid文库)，构建出目的基因区域的物理图谱，再通过染色体步行(chromosome walking)逐步逼近候选区域或通过染色体登陆(chromosome landing)的方法最终找到包含该目的基因的克隆进而克隆该基因。定位克隆理论上适用于一切基因。但也存在应用上的一些不足：如果要构建完整的基因组文库，建立饱和的分子标记连锁图和完善的遗传转化体系，对基因组较大、标记数量不多而重复序列较多的生物采用此法投资大且效率低，因而图位克隆技术目前仅局限于拟南芥、水稻、番茄等图谱饱和的模式植物上。5. 转座子标签法(transposon tagging)转座子(Transposon)是从染色体的一个位置转移到另一位置的DNA片段，最早在玉米内发现的。随后的研究表明，在生物界内转座子是普遍存在的。并在生物的遗传进化方面有重要作用。转座子标签技术克隆基因的基本原理是：利用转座子插入到基因内部或邻近位点，会引起相火表型突变的特点。以转座子的已知序列为标签，克隆因转座子插入而功能失活的基因，如果某基因的突变是基于转座子插入而造成的，那么以转座子序列为探针就可以从变异株的基因组中筛选出带有此转座子的部分基因，再以突变基因的部分序列作探针，即可以从野生型文库中克隆出完整的基因，在植物内利用转座子的有玉米的AcDs。EnSpm和金鱼草的Tn3等，其中应用最多的是AciDs双因子系统。利用转座子标记技术目前已克隆y-0的植物抗病基因有玉米抗网斑病基因Hml、Hm210。番茄抗叶霉病基因Cf-2、Cf-4a、Cf-5、Cf-9、Cf-9B及Cf-ECP211-15,烟草抗花叶病毒病基因N16，亚麻抗锈病基因L6、M等17-18。该技术是目前分离克隆抗病基因有效工具之一。随着农杆菌介导转座子导入目标植物系统建成后，目前已在拟南芥、番茄、水稻内有广泛的运用。同时，随着拟南芥、水稻等模式植物的基因组测序完成，研究的热点转向功能基因组，转座子标签技术己经成为构建植物突变体库，进行基因功能研究的核心技术。6. 基因芯片技术(gene chips)基因芯片义称DNA芯片、DNA微阵列(DNA inicroarray)，是指将许多特定的寡核苷酸片段或基因片段作为探针，有规律地排列固定于支持物上，然后与待测的标记样品的基因按碱基配对原理进行杂交，再通过激光共聚焦荧光检测系统等对芯片进行扫捕，并配以计算机系统对每一探针上的荧光信号作m比较和检测，从而迅速得到所要的信息。基因芯片具有高通量、高信息量、快速、并行检测、样品用量少、用途广泛等优点，已经被广泛应用到基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因义库作图以及杂交测序等方面。基因芯片根据功能可分为基因表达芯片(gene expression nlicroarrav)和DNA测序芯片(DNA sequencingchip)2类：按基因芯片的用途可分为表达谱芯片、诊断芯片、指纹图谱芯片、测序芯片等；根据所用探针的类型可分为eDNA微阵列芯片和寡核苷酸阵列芯片。基因芯片与传统的膜杂交相比有以下优点：芯片点样密度远远高于膜的点样密度、样品用量少、信息量大。芯片可用双色荧光标记两种探针，这样数据准确度大大提高；而膜通常用核素标记探针，一张膜只能杂交一种探针，数据可比性差：芯片杂交体积小，灵敏度高；膜杂交体积大，灵敏度差。芯片具有表面平攀性好、硬度大、透明等特点，比易卷曲的膜杂交更容易在点样、杂交、图像处理及数据采集等方面自动化。基因芯片具有高通量、高信息量、快速、样品用量少、造价低、用途广泛等优点。7. 电子克隆(electronic cloning)电子克隆，又称计算机杂交(computer hybridization)，是以数学算法为手段，以计算机和互联网为工具，利用现有的基因序列、表达序列标签(EST)、蛋白序列和生物信息数据库，发掘新基因，并通过生物学试验进行编码序列和功能验证而克隆基因的方法。电子克隆的理论基础是利用绝大部分功能基因的编码区比较保守、同源性较高的特点，采用生物信息学的手段，通过同源性分析延伸EST序列，以获得基因潜在的部分乃至全长的cDNA序列。电子克隆充分利用已有的生物信息资源，从ESTs序列人手，通过同源筛选，获得基因部分乃至全长cDNA序列，避免或减轻了构建与筛选cDNA义库等繁重、耗时的实验室T作，将大大加快基因克隆的方法。与传统的实验室克隆基因的繁杂、耗时、费用高、效率不高的方法相比，电子克隆更为简捷、快速、费用大大降低。随着多种模式生物的基因组测序T作的完成，以及各种生物的EST数据库的建立和充实，电子克隆必将在基因克隆的领域占有重要的一席之地，也必将加快新基因的发现与克隆的进程。 基因克隆的技术发展很快，种类也越来越多，但每一种方法都有它的优势和劣势及适用范围和限制因素。综合来看，不同的克隆策略，虽主导思路不同，但常常是相互联系相互补充的，有些过程也是共通的，因而实验者必须根据所克隆基因的类型和实际条件选择最佳的方案。随着各种知识的积累，克隆基因的技术也逐步完善，速度效率也不断提高，相信人类终将掌握大规模、快捷、经济基因克隆的技术，并很快将基因的研究安全地应用到实践中去。参考文献1李子银，陈受宜。植物的功能基因组学研究进展J.遗传，2000，22(1)：5760。2解涛，梁卫平，丁达夫。后基因组时代的基因组功能注释J.生物化学与生物物理进展，2000，27(2)：166170。3 Jo Scph SambrookMolecular CloningMCold Spring HarborLaboratory Press，20014Huynh TV，Young R A，Davis R Weta1Constructing and screening eDNA libraries inkgtl in Glover DM edJDNA eloning：a practicalapproachOxford：IRL，19885Hedrick S M，Cohen D I，Nielsen E A，et a1Isolation of eDNAclones encoding T eell2specific menbrane2associated proteinsJNature，1984，308：1491536Duguid J R，Rohwer R G，Seed BIsolation of eDNAs of scrapi-emodulated RNAs by subtractive hybridizationof a eDNA libraryJProc Natl Acad Sei USA，1988，85：5 7385 7427Sive H L，John T SAsimplesubtractive hybridization technique employing photoaetivable biotin and phenol extractionJNucleic Acids Res，1988，16(22)：10 93710 9388Liang P，Paradee A BDifferential display ofeukaryotie messengerRNA by means of the polymerase chain reactionJScience，1992，257：967-9719Stein 0 D，Thies WG，Hofmann MA hish throughout screening for rarely transcribed differentially expressed genesNucleic Acids Res.1997，25(i3)：2 598-2 60210Muhani D S，Meeley H B，Paterson A H，el al. Plant-pathogen mieroe volution：molecular basis for Llle origin Of a fungal disease in maize J. Proc Natl Acad Sci USA，199895：1 686一l 69l11Dixon M S，Johes D A，Keddie J S，el al. The tomato Cf-2 disease resistance locus comprises two functional genes encoding leucine-rich repeat proteinJ. Cell，1996，84：2 45l一2 45912Kruijt M，Kip D J，Joos Len M 11，e l al. The Cf-4 and Cf-9 resistance genes against Cladosporium fulvumare conserved in wihl LomaLo speciesj. Molecular Plant-microbe Interactions，2005，18(9)：1011-102113Dixon M S，Hatzixanthis K，Jones D A，el al. The tomato Cf-5 disease resistanceGene and six homologs show pronounced allelic variation in leucine-rich repeat copy numberJ. Plant Cell，1998，10：19151 92514Jones D A，Thomas C M，Hammondkosack KE，el al. 1solation of L