生物化学及分子生物学(人卫第九版)-23 DNA重组和重组DNA技术

作者 王丽颖 单位 吉林大学白求恩医学部 第23章 DNA重组和重组DNA技术 是指不同DNA分子经过断裂和连接形成新DNA分子的过程 DNA重组 DNArecombination 两个基本概念 基本概念 是指在体外将两个或两个以上DNA分子重新组合并在适当细胞中增殖形成新DNA分子的过程 重组DNA技术 TechnologyofDNArecombination 第一节自然界的DNA重组和基因转移 第二节重组DNA技术 第三节重组DNA技术在医学中的应用 重点难点 自然界DNA重组的基本方式重组DNA技术的基本流程载体的基本特点及分类 重组DNA技术中最常用工具酶及其特点目的基因的获取方式T A克隆及蓝白筛选的基本含义 自然界DNA重组不同方式的基本工作原理重组DNA技术在医学中的应用 自然界的DNA重组和基因转移 第一节 Holliday同源重组依赖DNA分子间序列的相同或相似性输入标题 一 Holliday模型是最经典的同源重组模式 四个关键步骤 两个同源染色体DNA排列整齐 一个DNA的一条链断裂 并与另一个DNA对应的链连接 形成Holliday中间体 inter mediate 通过分支移动 branchmigration 产生异源双链 heteroduplex DNA Holliday中间体切开并修复 形成两个双链重组体DNA 一 同源重组 一 同源重组是最基本的DNA重组方式 同源重组 homologousrecombination 又称基本重组 generalrecombination 是指发生在两个DNA分子同源序列之间的互换过程 一 同源重组 同源重组的Holliday模型 Holliday中间体切开方式不同 所得到的重组产物也不同 片段重组体 右 patchrecombinant 切开的链与原来断裂的是同一条链 重组体含有一段异源双链区 其两侧来自同一亲本DNA 拼接重组体 左 splicerecombinant 切开的链并非原来断裂的链 重组体异源双链区的两侧来自不同亲本DNA 一 同源重组 二 RecBCD模式是大肠埃希菌的Holliday同源重组 RecBCD复合物三种酶活性 核酸外切酶 核酸内切酶 解旋酶活性RecA蛋白可结合单链DNA ssDNA RuvC蛋白 核酸内切酶活性 能专一性识别Holliday连接点 例如 鼠伤寒沙门菌H抗原编码基因中H片段重组就是一种位点特异性重组 二 位点特异性重组 二 位点特异性重组是发生在特异位点间的DNA整合 位点特异性重组 由整合酶催化完成 H片段 P P hin hix hix H2 rH1 Hin倒转酶 H2鞭毛蛋白 H1阻遏蛋白 倒转酶 是一种重组酶 负责H片段的倒转 图23 2 沙门菌H片段倒位决定鞭毛相转变 H片段 P P hin hix hix H2 rH1 Hin倒转酶 H2鞭毛蛋白 H1阻遏蛋白 hix H2 rH1 q 重组位点靠近 P P hin hix hix H2 rH1 H片段倒转 位点之间H片段发生倒转 H1 H1 H1鞭毛蛋白 Hin倒转酶 P 一 插入序列是最简单的转座元件 三 转座重组 三 转座重组可使基因位移 转座重组 是指基因 或DNA序列 从一个位置移动到另一位置 这些可移动的DNA序列包括 插入序列 insertionsequence IS 转座子 transposon Tn 结构特征 两端是反向重复序列 invertedrepeat IR 中间是一个转座酶 transposase 编码基因 三 转座重组 二 转座子可以在染色体间转座 转座子 transposon Tn 与IS类似点 侧翼是反向重复序列 并有转座酶基因与IS不同点 含有抗生素抗性等基因在很多Tn中 其侧翼序列本身就是IS 四 原核细胞的基因转移或重组 四 原核细胞可通过接合 转化和转导进行基因转移或重组 接合作用 conjugation 是质粒DNA通过细胞间相互接触发生转移的现象 转化作用 transformation 是受体细胞自主摄取外源DNA并与之整合的现象 转导作用 transduction 是病毒将供体DNA带入受体并与之染色体发生整合的现象 以上三种方式是原核细胞基因转移或重组的方式 真核细胞自然情况下极少采用这些方式 五 CRISPR Cas系统 五 细菌可通过CRISPR Cas系统从病毒获得DNA片段作为获得性免疫机制 CRISPR Cas系统 是噬菌体或质粒DNA与宿主菌基因组DNA之间发生整合的一种方式 并以此成为细菌防御病毒再次感染的获得性免疫机制 1 CRISPR序列的结构特征 五 CRISPR Cas系统 2 外源DNA可插入宿主基因组的CRISPR座位中 当噬菌体感染宿主菌时靶向性复合物与病毒DNA片段形成Cas1Cas2复合物Cas1Cas2复合物将病毒DNA片段插入宿主菌基因组DNA的CRISPR座位的第一个位点插入的DNA片段两端是重复序列 五 CRISPR Cas系统 3 CRISPR Cas系统是细菌的获得性免疫机制 当噬菌体再次感染宿主菌时CRISPR座位转录产生pre crRNAtracrRNA基因转录产生tracrRNAtracrRNA与pre crRNA在cas9作用下形成引导RNA gRNA cas9复合物gRNA Cas9复合物靶向病毒DNA并将其切割消化 第一节小结 小结 自然界DNA重组方式主要包括 同源重组 Holliday模式是最经典的同源重组模式位点特异性重组转座重组或转座 包括插入序列和转座子的重组接合 通过细胞接触所发生的基因转移转化 通过细胞自主摄取发生的DNA整合转导 病毒感染介导的DNA整合CRISPR Cas9系统 细菌获得病毒DNA用于攻击病毒 重组DNA技术 第二节 序言 又称 分子克隆 molecularcloning DNA克隆 DNAcloning 基因工程 geneticengineering 主要过程 在体外将目的DNA与能自主复制的遗传元件 载体 连接 形成重组DNA分子 重组DNA分子在受体细胞中复制 扩增及克隆化 从而获得单一DNA分子的大量拷贝 重组DNA技术 一 工具酶 一 重组DNA技术中常用的工具酶 常用工具酶主要包括 限制性核酸内切酶 RE DNA连接酶DNA聚合酶逆转录酶碱性磷酸酶其中RE和DNA连接酶是最常用的工具酶 一 工具酶 限制性核酸内切酶 restrictionendonuclease RE 三种类型 I型 II型 III型特点 I型和III型酶为复合功能酶 同时具有限制和DNA修饰两种作用 且不在所识别的位点切割DNA 即特异性不强 II型酶能在DNA双链内部的特异位点识别并切割 故其被广泛用作 分子剪刀 对DNA进行精确切割 一 工具酶 识别位点通常为6或4个碱基序列 个别的RE识别8或8个以上碱基序列大多数RE的识别序列为回文结构 palindrome 有些RE所识别的序列虽然不完全相同 但切割DNA双链后可产生相同的黏端 这样的酶彼此互称同尾酶 isocaudamer 有些RE虽然来源不同 但能识别同一序列 切割位点可相同或不同 这样的两种酶成同裂酶 isoschizomer II型RE的特点 二 载体 二 重组DNA技术中常用的载体 载体 vector 是为携带目的外源DNA片段 实现外源DNA在受体细胞中无性繁殖或表达蛋白质所采用的一些DNA分子 按其功能可分为两类 克隆载体 cloningvector 表达载体 expressionvector 二 载体 一 克隆载体用于扩增克隆化DNA分子 克隆载体 是指用于外源DNA片段的克隆和在受体细胞中扩增的DNA分子 克隆载体的基本特点 至少有一个复制起点使载体能在宿主细胞中自主复制 并能使克隆的外源DNA片段得到同步扩增 至少有一个选择标志 selectionmarker 从而区分含有载体和不含有载体的细胞 如抗生素抗性基因 半乳糖苷酶基因 lacZ 营养缺陷耐受基因等 有适宜的RE单一切点 可供外源基因插入载体 二 载体 质粒克隆载体 是重组DNA技术中最常用的载体 质粒 是细菌染色体外的 能自主复制和稳定遗传的双链环状DNA分子 具备作为克隆载体的基本特点 例如 pUC18质粒载体 二 载体 表达载体 是指用来在宿主细胞中表达外源基因的载体依据其宿主细胞的不同可分为 原核表达载体 prokaryoticexpressionvector 真核表达载体 eukaryoticexpressionvector 二者的区别主要在于为外源基因提供的表达元件 二 表达载体能为外源基因提供表达元件 二 载体 原核表达载体 用于在原核细胞中表达外源基因 除了具有克隆载体的基本特征外 还有供外源基因有效转录和翻译的原核表达调控序列 如启动子 核糖体结合位点即SD序列 Shine Dalgarnosequence 转录终止序列等 二 载体 真核表达载体 除了具备克隆载体的基本特征外 所提供给外源基因的表达元件是来自真核细胞的 质粒真核表达载体的特点 含有必不可少的原核序列 如复制起点 抗性基因 MCS等 真核表达调控元件 如真核启动子 增强子 转录终止序列 polyA加尾信号等 真核细胞复制起始序列 真核细胞药物抗性基因 三 原理及步骤 三 重组DNA技术的基本原理和操作步骤 一个完整的DNA克隆过程五大步骤 目的DNA的分离获取 分 载体的选择与准备 选 目的DNA与载体的连接 连 重组DNA转入受体细胞 转 重组体的筛选及鉴定 筛 三 原理及步骤 分离获取目的DNA的方法主要有以下几种 化学合成法从基因组DNA文库和cDNA文库中获取目的DNAPCR法其他 如酵母双杂交系统克隆DNA结合蛋白基因目前最常用的方法是PCR法 一 目的DNA的分离获取是DNA克隆的第一步 三 原理及步骤 DNA克隆的目的主要有二 一是获取目的DNA片段二是获取目的DNA片段所编码的蛋白质针对第一种目的 通常选用克隆载体针对第二种目的 需选择表达载体 另外 选择载体时还要考虑目的DNA的大小 受体细胞的种类和来源等因素例如 质粒载体一般能容纳5 10kb以内黏粒可容纳50kb 二 载体的选择与准备是根据目的DNA片段决定的 三 原理及步骤 依据目的DNA和线性化载体末端的特点连接策略如下 黏端连接 单酶相同黏端的连接不同黏端的连接通过加尾产生黏端的连接平端连接黏 平端连接黏端 黏 平端连接 具有方向性平端连接 没有方向性 三 目的DNA与载体连接形成重组DNA 三 原理及步骤 将重组DNA导入宿主细胞常用方法有如下 转化 是指将外源DNA直接导入细菌 真菌的过程 受体细胞经过处理成为感受态细胞 competentcells 转染 是指将外源DNA直接导入真核细胞 酵母除外 的过程 常用磷酸钙共沉淀法 脂质体融合法感染 是指以病毒颗粒作为外源DNA运载体导入宿主细胞的过程 如噬菌体 腺病毒等 四 重组DNA转入受体细胞使其在体内得以扩增 三 原理及步骤 重组DNA分子导入宿主细胞后 可通过载体携带的选择标记或目的DNA片段的序列特征进行筛选和鉴定 从而获得含重组DNA分子的宿主细胞 筛选和鉴定方法主要有 1 遗传标志筛选法抗生素抗性筛选插入失活 插入表达筛选利用标志补救筛选利用噬菌体的包装特性筛选2 序列特异性筛选 如核酸杂交法 DNA测序法3 亲和筛选法 五 重组体的筛选与鉴定 三 原理及步骤 举例 插入失活筛选 tetR基因失活筛选 三 原理及步骤 利用标志补救筛选 互补筛选 三 原理及步骤 核酸杂交法筛选 属于序列特异性筛选 三 原理及步骤 克隆基因的表达涉及表达体系的选择及应用表达体系可笼统地分为 原核表达体系 E coli是当前应用最多的原核表达体系真核表达体系 如酵母 昆虫 哺乳细胞等 六 克隆基因的表达 三 原理及步骤 原核表达载体的必备条件 运用E coli表达蛋白质的表达载体应符合下述标准 含大肠杆菌适宜的选择标志 具有能调控转录 产生大量mRNA的强启动子 含适当的翻译控制序列 含有合理设计的MCS 1 原核表达体系 如 pET系列表达载体 pET28a质粒 三 原理及步骤 E coli表达体系的缺点诸如 缺乏转录后加工机制 因此 对于真核基因来说 E coli表达体系只能表达经逆转录合成的cDNA编码产物 缺乏适当的翻译后加工机制 因此 真核基因的表达产物在E coli表达体系中往往不能被正确的折叠或糖基化修饰 外源基因表达的蛋白质易形成不溶性包含体 很难用E coli表达体系表达大量的可溶性蛋白质 因此 对于很多真核基因的表达需要采用真核表达体系 三 原理及步骤 2 真核表达体系 真核表达载体通常含有供真核细胞用的选择标记 启动子 转录和翻译终止信号 mRNA的polyA加尾信号或染色体整合位点等 例如 真核质粒载体 pRC CMV质粒 三 原理及步骤 真核表达体系的优势 具有转录后加工机制 转录后mRNA的剪接 加polyA尾等 具有翻译后修饰机制 蛋白质的糖基化修饰 乙酰化修饰等 表达的蛋白质一般不形成包含体 但酵母表达的蛋白质有时也形成包含体 表达的蛋白一般不易被降解当然 操作技术难 费时 费钱是其缺点 第二节小结 小结 重组DNA技术主要涉及 五个基本步骤 分 选 连 转 筛工具酶中最重要的是限制性核酸内切酶 简称RE 载体最基本的特点是自主复制能力 单一酶切位点及筛选标志表达克隆基因时需根据宿主细胞选择正确的载体表达载体是在克隆载体的基础上加上基因表达调控元件目的基因与载体的连接策略中效率最高的是黏性末端连接重组体的筛选最常用的是抗性筛选 最有特色的是蓝白筛选 重组DNA技术在医学中的应用 第三节 一 用于生物制药 重组DNA技术 已广泛应用于生命科学和医学研究 疾病诊断与防治 法医学鉴定 物种的修饰与改造等诸多领域 对医学临床及医学研究的影响日益增大 一 重组DNA技术用于生物制药 例如重组人胰岛素 干扰素等重组HBV HPVVLP疫苗人源化单克隆抗体 如赫赛汀 二 医学研究技术平台 二 重组DNA技术是医学研究的重要技术平台 例如 人类疾病动物模型如 癌症 糖尿病 老化症等遗传修饰猪 从猪到人的器官移植遗传修饰细胞模型如 疾病的替代治疗 靶