分子生物学实验Experimentsofmolecularbiology说课材料

分子生物学实验Experimentsofmolecularbiology说课材料 分子生物学实验Experiments ofmolecular biology 一、教学目的?分子生物学实验课程主要从提取和分析遗传物质和基因为基础，从DNA的分离、纯化、克隆到目的基因的鉴定、表达等过程设计了一系列基础实验，形成一个涵盖现代分子生物学基础实验内容的实验课程教学体系，包括现代分子生物学基本技术方法，帮助学生巩固有关分子生物学的相关理论知识，并较系统地学习和掌握分子生物学的基本实验方法、技术和操作技能。 二、教学要求?通过学习使学生对所有实验内容有一个整体的了解；?熟悉分子生物学实验技术（包括DNA技术、RNA技术、蛋白质技术、杂交技术等）的基本原理方法，掌握DNA提取纯化,定量,DNA克隆,电泳等基本实验技术，重点掌握质粒DNA纯化技术,酶切技术,DNA片段回收,重组连接技术,电泳技术,转化技术,基本PCR技术以及蛋白质的诱导表达技术等；?要求学生分子生物学实验实验室操作安全与污染物处理；?学习仪器设备的使用分子生物学实验室要求1.穿实验服进入实验室；2.保持实验室安静；3.保持实验室清洁干净和实验台面整洁；4.实验前要预习实验教材；5.不准穿拖鞋进入实验室；6.不准在实验室吃东西、喝水；7.要求刷卡进入实验室；实验一核酸的提取（质粒DNA的提取和纯化）【目的要求】1学习载体的基本结构2了解碱裂解法质粒提取过程中各步骤的设计思想；3掌握碱裂解法提取质粒的原理方法和各项基本技术；【实验原理】?碱裂解法提取质粒是根据共价闭合环状质粒DNA和线性染色体DNA在拓扑学上的差异来分离质粒DNA。 在pH值介于12.0-12.5这个狭窄的范围内，线性的DNA双螺旋结构解开而被变性，尽管在这样的条件下，共价闭环质粒DNA的氢键会被断裂，但两条互补链彼此相互盘绕，仍会紧密地结合在一起。 当加入pH4.8乙酸钾高盐缓冲液恢复pH至中性时，共价闭合环状的质粒DNA的两条互补链仍保持在一起，因此复性迅速而准确，而线性的染色体DNA的两条互补链彼此已完全分开，复性就不会那么迅速而准确，它们缠绕形成网状结构，通过离心，染色体DNA与不稳定的大分子RNA，蛋白质-SDS复合物等一起沉淀下来而被除去。 【实验步骤】1.Pick singlecolony andinoculate5ml ofLB brothcontaining200g/l Ampicillinor1mg/5ml witha loosenedcap anda pieceof tapeto holdit inplace.Shake at250RPM37o Covernight.2.Centrifuge1.5mL cellsin1.5mL Eppendorftube attop speedfor1minute.Discard supernatant.3.Resuspend cellpellet in100ul ofGTE buffer(50mM Glucose,25mM Tris-Cl,10mM EDTA,pH8).Vortex gentlyif necessary.4.Add100ul ofNaOH and SDS lysissolution(0.2M NaOH,1%SDS)respectively.Invert tube6-8times.5.IMMEDIATELY add150ul of5M potassiumacetate solution(pH4.8).This solutionneutralizes NaOHin theprevious lysisstep whileprecipitating thegenomic DNA andSDSin aninsoluble whiteprecipitate.Spin attop speed1min.6.Transfer supernatantto newtube,being carefulnot topick upany whiteflakes.Precipitate thenucleic acidswith0.5mL ofisopropanol on ice for10minutes andcentrifuge attop speedfor1minute.7.Aspirate offall theisopropanol supernatant.Dissolve thepellet in0.4ml ofTE buffer(10mM Tris-Cl,1mM EDTA,pH7.5).Add10ul ofRNAse Asolution(20mg/ml stockstored at-20C),vortex and incubate at37C for20to30minutes todigest remainingRNA.8.Extract proteinsfrom the plasmid DNAusing phenol/chloroform/isoamyl alcohol(PCIA)by addingabout0.4ml.Vortex vigorouslyfor30seconds.Centrifuge atfull speedfor5minutes atroom temperature.Note organicPCIA layerwill beat thebottom ofthe tube.9.Remove upper aqueous layercontaining theplasmid DNAcarefully avoidingthe whiteprecipitated proteinlayer abovethe PCIAlayer,transferring to a clean1.5ml eppendorftube.10.Repeat9step again.11.Add1ml ofabsolute ethanolto precipitatetheplasmidDNAand50ml of3M Sodiunacetate solutionon icefor10minutes.Centrifuge atfull speedfor5minutes atroom temperature.12.Discard ethanolsolution andresuspend DNApellet in50ul ofTE buffer.13.Dissolve5uL in995ul ofwater,and spec(blank spectrophotometerto water).The absorbanceat260nm multipliedby tenis theconcentration ofthe DNAin unitsof mg/ml fora1cm pathlengthcuvette(i.e.50mg/ml/OD260nm).14.Store itat-20C.核酸的分离与纯化不论是基因工程还是蛋白质工程，核酸分子是这些技术应用所涉及的主要对象，所以核酸的分离与提取是生化与分子生物学研究中非常重要的基本技术。 核酸样品的质量将直接关系到实验的成败。 核酸的种类?真核生物的染色体DNA为双链线性分子；真核细胞器DNA为双链环状分子；?原核生物的基因组DNA、质粒DNA为双链环状分子；?RNA分子在大多数生物体内均是单链线性分子；不同类型的RNA分子可具有不同的结构特点，如真核mRNA分子多数在3端带有ploy(A)结构;tRNA的三叶草结构。 ?病毒的DNA、RNA，其存在形式多种多样，有双链环状、单链环状、双链线状和单链线状等。 一、核酸分离提取的原则1.分离纯化核酸总的原则2.应保证核酸一级结构的完整性；3.排除其它分子的污染，保证较高纯度。 3.为了保征分离核酸的完整性和纯度，在实验过程中，应注意以下事宜尽量简化操作步骤，缩短提取过程，以减少各种有害因素对核酸的破坏；减少化学因素对核酸的降解，为避免过酸、过碱对核酸链中磷酸二酯键的破坏，操作多在pH44-10条件下进行；减少物理因素对核酸的破坏，物理破坏因素主要是机械剪切力，其次是高温。 防止核酸的生物降解，细胞内或外界的各种核酸酶（DNA酶、RNA酶）酶解核酸链中的磷酸二酯键，直接破坏核酸的一级结构。 其中DNA酶，需要金属二价离子Mg2+，Ca2+的激活，使用金属二价离子螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)、柠檬酸盐，基本上可以抑制DNA酶的活性。 而RNA酶，不但分布广泛、极易污染样品，而且耐高温、耐酸、耐碱，不易失活，所以生物降解是RNA提取过程中的主要危害因素。 ?提取高质量基因组DNA的主要用途PCR扩增的模板用于构建基因组文库用于Southern blot杂交分析 二、真核细胞染色体DNA的制备真核细胞染色体DNA的制备过程1.真核细胞的破碎 （1）物理方式:超声波法、匀浆法、液氮破碎法、Al2O3粉研磨法等。 这些物理操作均可导致DNA链的断裂。 （2）为了获得大分子量的DNA，一般采用蛋白酶K和去污剂温和处理法。 2.去除蛋白质常用酚、氯仿抽提。 反复的抽提操作对DNA链的机械剪切机会较多，所以有人使用高浓度甲酰胺解聚核蛋白联合透析的方法，可以获得200kb以上的DNA片段，适用于粘粒(cosmid)构建基因组文库。 根据不同的实验要求，可选择不同的实验方法制备真核细胞染色体DNA。 3.DNA沉淀一般采用2倍体积乙醇沉淀或用异丙醇（0.6）4.DNA溶解一般采用TE 三、RNA的分离与纯化-真核细胞RNA的制备从细胞中分离RNA的纯度与完整性对于许多分子生物学实验至关重要。 如Northern blot及cDNA合成及体外翻译等实验的成败，在很大程度上决定于RNA的质量。 RNA主要由以下几类分子组成rRNA(占RNA总量的8085)、tRNA和核内小分子RNA(占10-15)、mRNA(占15)。 rRNA在总RNA分子中含量最丰富，由28S、18S、5S及4S几类组成，它们之间同源性大，分子量变化不大，所以可根据它们的密度和分子大小，通过密度梯度离心，凝胶电泳或离子交换层析进行分离。 mRNA分子种类繁多，分子量大小不均一，在细胞中含量少，绝大多数mRNA分子(除血红蛋白及有些组蛋白mRNA以外)，均在3端存在20-250个多聚腺核苷酸poly(A)。 利用此特征，可很方便地从总RNA中，用寡聚(dT)亲和层析柱分离mRNA。 mRNA分子群体编码细胞内所有的多肽和蛋白质，而mRNA是分子生物学的主要研究对象之一。 鉴定所提取总RNA分子的质量，可以通过琼脂糖电泳后观察是否有明显得28S、18S条带来判断。 Fig.1Total RNA isolated fromTrichoderma reeseiinduced bydifferent inducers图1.木霉总RNA的分离1.微晶纤维素2.天然稻草粉RNA分离的关键因素是尽量减少RNA酶的污染！如何创造一个无RNase的环境？?极力避免外源RNase的污染主要操作者的手、实验的器皿和试剂?尽力抑制内源性RNase的活力主要样品中的组织细胞。 (1)操作者的手直接触摸之处，毫无疑问会留下RNase，说话带出的唾液也富含RNase。 故整个操作过程中，应戴口罩和手套。 (2)空气中飞尘携带的细菌、霉菌等微生物，也是污染外源RNase的一条途径，所以操作过程应在比较洁净的环境中进行。 怎样去除外源性RNase的污染？ (3)玻璃器经过常规洗净后，应用0.1焦碳酸二乙酯(diethyl pyrocarbonate，DEPC)浸泡处理(37，2小时)，再用双蒸灭菌水漂洗几次。 高压消毒去除DEPC，然后200烘烤4小时以上或180烘烤过夜。 (4)塑料器材最好使用灭菌的一次性塑料用品，Eppendorf管、微量加样吸头最好是新的，使用前进行高压蒸汽消毒。 (5)所有溶液应加DEPC至0.1，室温处理过夜，或室温下磁力搅拌20分钟，然后高压蒸汽灭菌处理（或加热至701小时或60过夜，以去除所有残留的DEPC）。 (6)所用的化学试剂应为新包装，称量时使用干烤处理的称量勺。 所有操作均应在冰浴中进行，低温条件可减低RNA酶的活性。 要尽可能早地去除细胞内蛋白，加入RNase抑制剂，力争在提取的起始阶段对RNase活力进行有效地抑制。 如何抑制内源性RNase的活性？RNase抑制物 （1）低特异性RNase抑制物不同类型的低特异性RNase抑制物均可不同程度地抑制Raise的活性，其中包括?DEPC?皂土(bentonite):Al2O34SiO2H2O?复合硅酸盐(Macaloid)?肝素?氧钒基核苷复合物?多胺 （2）去除蛋白质的物质?蛋白质变性剂酚、氯仿；尿素?蛋白酶K?去污剂SDS、十二烷酰肌氨酸钠(sarkosyl)、脱氧胆酸钠(DOC)是阴离子去污剂?解偶剂(胍类)盐酸胍、异硫氰酸胍是一类强力的蛋白质变性剂，可溶解蛋白质，并使蛋白质二级结构消失，细胞结构降解，核蛋白迅速与核酸分离，所以又称解偶剂。 （3）RNase的特异抑制剂RNase阻抑蛋白(RNasin)这是一类从大鼠肝或人胎盘中提取出来的酸性糖蛋白质。 RNasin能与RNase非共价结合从而抑制它们的活力，RNasin是RNA酶的一种非竞争性抑制剂。 抑制效果较好，被广泛用于体外翻译体系、mRNA反转录合成cDNA及体外转录实验。 ?You willneed:?Guanidine isothiocyanate(Sigma)1M sodiumcitrate,pH7(DEPC-treated,autoclaved)Sarcosyl(Na-lauryl sarcosine,Sigma)b-mercaptoethanol(Sigma)2M sodiumacetate,pH4(DEPC-treated,autoclaved)3M sodiumacetate,100mM magnesiumacetate,pH5.2Absolute ethanolPropan-2-ol(isopropanol)70%ethanol(made withDEPC-treated,autoclaved water)0.5%SDS(made withsterile,DEPC-treated water)Solution D-4M guanidineisothiocyanate,25mM sodiumcitrate,pH7,0.5%sarcosyl,100mM b-mercaptoethanol.?Solution Dcan bemade andstored at4C withoutb-mercaptoethanol forseveral months.b-mercaptoethanol shouldbe addedto100mM immediatelyprior touse.b-mercaptoethanol isused toprevent thereformation ofthe intra-molecular disulphidebridges,one ofthe reasonsfor theextreme stabilityof ribonucleases.?1)Tissue ishomogenized asrapidly aspossible,at4C,in solutionD(500ul per50mg tissue)with aneppendorf pestlehomogenizer untila smooth,lysed,homogenous suspensionis obtained.?2)Add50ul2M sodiumacetate,pH4.0and mix vigorously.?3)Add500ul phenoland mixvigorously.?4)Add100ul chloroform,mixvigorouslyandincubateonicefor15minutes.?5)Centrifuge mixtureat10,000g for10minutes ina microfugeat4C.?6)Remove upper,aqueous phasetoaclean,sterile,DEPC-treated eppendorftube.After centrifugation,RNAispresent inthe aqueous phase while,due toprotonation atthe acidicpH used,genomic DNAis partitionedinto thephenol phase.?7)Extract theupperaqueouslayer withan equalvolume phenol/chloroform andcentrifuge asbefore.Repeat theextractions untilno interfacematerial isseen.?8)Precipitate theaqueousphaseby the addition ofan equalvolume(500ul)of propan-2-ol.Incubate at-20C for20minutes.?9)Pelle