生物化学及分子生物学人卫第八版DNA重组及重组DNA技术

1、目录目录 nDNA重组重组（DNA recombination）是指不）是指不 同同DNA分子断裂和连接而产生分子断裂和连接而产生DNA片段片段 的交换并重新组合形成新的交换并重新组合形成新DNA分子的过程。分子的过程。 n重组重组DNA技术技术（recombinant DNA technology）是指在体外将两个或两个以）是指在体外将两个或两个以 上上DNA分子重新组合并在适当细胞中增殖分子重新组合并在适当细胞中增殖 形成新形成新DNA分子的过程。分子的过程。 目录目录 第一节第一节 自然界自然界DNA重组和基因转移重组和基因转移 DNA Recombination and Gene Tr

2、ansfer in Nature 目录目录 DNA重组重组 同源重组同源重组 (homologous recombination) 位点特异的重组位点特异的重组(site-specific recombination) 转座重组转座重组(transposition recombination) 接合作用接合作用 (conjugation) 转化作用转化作用 (transformation) 转导作用转导作用 (transduction) 目录目录 发生在同源序列间的重组称为发生在同源序列间的重组称为同源重组同源重组 (homologous recombination)，又称又称基本重组基本重组

3、 （general recombination）。是最基本的。是最基本的 DNA重组方式，通过链的断裂和再连接，在重组方式，通过链的断裂和再连接，在 两个两个DNA分子同源序列间进行单链或双链片分子同源序列间进行单链或双链片 段的交换。段的交换。 以以E.coli的同源重组为例，了解同源重组机制的同源重组为例，了解同源重组机制 的的Holliday模型模型 一、同源重组是最基本的一、同源重组是最基本的DNA重组方式重组方式 目录目录 nHolliday模型的模型的4个关键步骤：个关键步骤： 两个同源染色体两个同源染色体DNA排列整齐；排列整齐； 片段重组体片段重组体(patch recombi

4、nant) 拼接重组体拼接重组体(splice recombinant) 一个一个DNA的一条链断裂、并与另一个的一条链断裂、并与另一个DNA 对应的链连接，形成对应的链连接，形成Holliday中间体；中间体； 通过分支移动产生异源双链通过分支移动产生异源双链DNA； Holliday中间体切开并修复，形成两个双链中间体切开并修复，形成两个双链 重组体重组体DNA，分别为：，分别为： 目录目录 片段重组体片段重组体 （见模型图左边产物）：（见模型图左边产物）： 切开的链与原来断裂的是同一条链，重组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，其两侧来自同一亲体含有一段异源双链区

5、，其两侧来自同一亲 本本DNA。 拼接重组体拼接重组体（见模型图右边产物）：（见模型图右边产物）： 切开的链并非原来断裂的链，重组体异源双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链区的两侧来自不同亲本DNA。 目录目录 n参与细菌参与细菌DNA同源重组的酶有数十种，其中最同源重组的酶有数十种，其中最 关键的是关键的是RecA蛋白蛋白、RecBCD复合物复合物和和RuvC蛋蛋 白白。 nRecBCD复合物复合物具有三种酶活性，即依赖于具有三种酶活性，即依赖于ATP 的核酸外切酶活性、可被的核酸外切酶活性、可被ATP增强的核酸内切增强的核酸内切 酶活性以及需要酶活性以及需要A

6、TP的解螺旋酶活性。的解螺旋酶活性。 nRecA蛋白蛋白可结合单链可结合单链DNA（ssDNA），形成），形成 RecA-ssDNA复合物。复合物。 nRuvC有内切酶活性，能专一性识别有内切酶活性，能专一性识别Holliday连连 接点，并有选择地切开同源重组体的中间体。接点，并有选择地切开同源重组体的中间体。 内切酶内切酶 (recBCD) DNA侵扰侵扰 (recA) 分支迁移分支迁移 (recA) 内切酶内切酶 (recBCD) DNA 连接酶连接酶 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 3 3 5 3 5 3

7、3 5 5 3 5 3 5 3 Holliday中间体中间体 5 3 5 3 5 3 5 3 Holliday中间体中间体 5 3 5 3 5 3 5 3 5 5 3 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 内切酶内切酶 (ruvC) 内切酶内切酶 (ruvC) DNA 连接酶连接酶 DNA 连接酶连接酶 片段重组体片段重组体 拼接重组体拼接重组体 目录目录 二、位点特异重组是发生在特异位点二、位点特异重组是发生在特异位点 间的间的DNA整合整合 位点特异重组位点特异重组(site-sp

8、ecific recombination) 是由整合酶催化，在两个是由整合酶催化，在两个DNA序列的特异序列的特异 位点间发生的整合。位点间发生的整合。 目录目录 噬菌体的整合酶识别噬菌体和宿主染噬菌体的整合酶识别噬菌体和宿主染 色体的特异靶位点发生选择性整合；反转色体的特异靶位点发生选择性整合；反转 录病毒整合酶可特异地识别、整合反转录录病毒整合酶可特异地识别、整合反转录 病毒病毒cDNA的的长末端重复序列长末端重复序列(long terminal repeat, LTR)。 。 （一）（一）噬菌体噬菌体DNA的整合的整合 目录目录 （二）细菌的特异位点重组（二）细菌的特异位点重组 沙门氏菌

9、沙门氏菌H片段倒位决定鞭毛相转变。片段倒位决定鞭毛相转变。 目录目录 hix为反向重复序列，它们之间的为反向重复序列，它们之间的H片段片段 可在可在Hin控制下进行特异位点重组控制下进行特异位点重组(倒位倒位)。 H片段上有两个启动子片段上有两个启动子P，其一驱动，其一驱动hin基基 因表达，另一正向时驱动因表达，另一正向时驱动H2和和rH1基因基因 表达，反向表达，反向(倒位倒位)时时H2和和rH1不表达。不表达。 rH1为为H1的阻遏蛋白基因。的阻遏蛋白基因。 目录目录 H2鞭毛素鞭毛素 阻遏蛋白阻遏蛋白 Hin重组酶重组酶 转位片段转位片段 hinH2IH1 H1鞭毛素鞭毛素 hinH2

10、I DNA 启动序列启动序列 H1 启动序列启动序列 沙门氏菌沙门氏菌H H片段倒位决定鞭毛相转变片段倒位决定鞭毛相转变 目录目录 （三）免疫球蛋白基因的重排（三）免疫球蛋白基因的重排 免疫球蛋白免疫球蛋白(Ig)，由两条轻链，由两条轻链(L链链)和两条重和两条重 链链(H链链)组成，分别由三个独立的基因族编码，组成，分别由三个独立的基因族编码， 其中两个编码轻链其中两个编码轻链( 和和 )，一个编码重链。，一个编码重链。 轻链的基因片段：轻链的基因片段： 重链的基因片段：重链的基因片段： L V J C L V D J C 目录目录 重链重链(IgH)基因的基因的V-D-J重排和轻链重排和轻

11、链(IgL)基基 因的因的V-J重排均发生在特异位点上。在重排均发生在特异位点上。在V片片 段的下游，段的下游，J片段的上游以及片段的上游以及D片段的两侧片段的两侧 均存在保守的重组信号序列均存在保守的重组信号序列(recombination signal sequence, RSS)。此重排的重组酶基。此重排的重组酶基 因因rag (recombination activating gene)共有共有 两个，分别产生蛋白质两个，分别产生蛋白质RAG1和和RAG2。 CACAGTG(12/23)ACAAAAACC GTGTCCAC TGTTTTTGG 重组信号序列重组信号序列基因片段基因片段

12、目录目录 免疫球蛋白基因重排过程免疫球蛋白基因重排过程 目录目录 三、转座重组三、转座重组可使基因移位可使基因移位 由插入序列和转座子介导的基因移位或重由插入序列和转座子介导的基因移位或重 排称为排称为转座转座(transposition)。 大多数基因在基因组内的位置是固定的，大多数基因在基因组内的位置是固定的， 但有些基因可以从一个位置移动到另一位但有些基因可以从一个位置移动到另一位 置。这些可移动的置。这些可移动的DNA序列包括插入序序列包括插入序 列和转座子。列和转座子。 目录目录 插入序列插入序列(insertion sequences, IS)组成：组成： IRTransposas

13、e GeneIR （一）插入序列转座（一）插入序列转座 二个分离的反向重复二个分离的反向重复(inverted repeats, IR)序列序列 特有的正向重复序列特有的正向重复序列 一个转座酶（一个转座酶（transposase)编码基因编码基因 目录目录 插入序列发生转座的形式：插入序列发生转座的形式： 保守性转座保守性转座(conservative transposition) 复制性转座复制性转座(duplicative transposition) 目录目录 插入序列的复制性转座插入序列的复制性转座 目录目录 转座子转座子(transposons) 可从一个染色体可从一个染色体 位点

14、转移到另一位点的分散重复序列。位点转移到另一位点的分散重复序列。 IRIRTransposase Gene有用基有用基 因因 （二）转座子转座（二）转座子转座 转座子组成：转座子组成： 反向重复序列反向重复序列 转座酶编码基因转座酶编码基因 抗生素抗性等有用的基因抗生素抗性等有用的基因 目录目录 细菌的可流动性元件细菌的可流动性元件 A插入序列：转座酶编码基因两侧连接反向末端重复序列插入序列：转座酶编码基因两侧连接反向末端重复序列(箭头所示箭头所示) B转座子转座子Tn3：含有转座酶、：含有转座酶、-内酰胺酶及阻遏蛋白编码基因内酰胺酶及阻遏蛋白编码基因 C转座子转座子Tn10：含四环素抗性基因

15、及两个相同的插入序列：含四环素抗性基因及两个相同的插入序列IS10L 目录目录 由转座子介导的转座由转座子介导的转座 目录目录 四、原核细胞可通过接合、转化和转导四、原核细胞可通过接合、转化和转导 进行基因转移或重组进行基因转移或重组 （一）接合作用（一）接合作用 当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互 接触时，质粒接触时，质粒DNA从一个细胞（细菌）转从一个细胞（细菌）转 移至另一细胞（细菌）的移至另一细胞（细菌）的DNA转移称为转移称为接接 合作用合作用(conjugation)。 目录目录 可接合质粒如可接合质粒如 F 因子因子(F factor) 细菌染色体外

16、的小型环状双链细菌染色体外的小型环状双链DNA分子。分子。 质粒质粒 目录目录 （二）转化作用（二）转化作用 通过自动获取或人为地供给外通过自动获取或人为地供给外 源源DNA，使细胞或培养的受体细胞，使细胞或培养的受体细胞 获得新的遗传表型，称为获得新的遗传表型，称为转化作用转化作用 (transformation)。 目录目录 例：例：溶菌时，裂解的溶菌时，裂解的DNA片段被另一细菌摄取。片段被另一细菌摄取。 目录目录 （三）转导作用（三）转导作用 当病毒从被感染的（供体）细胞释放当病毒从被感染的（供体）细胞释放 出来、再次感染另一（供体）细胞时，发出来、再次感染另一（供体）细胞时，发 生在

17、供体细胞与受体细胞之间的生在供体细胞与受体细胞之间的DNA转移转移 及基因重组即为及基因重组即为转导作用转导作用(transduction)。 目录目录 噬菌体的生活史噬菌体的生活史 溶菌生长途径溶菌生长途径 (lysis pathway) 溶源菌生长途径溶源菌生长途径 (lysogenic pathway) 目录目录 第二节第二节 重组重组DNA技术技术 Recombinant DNA Technology 目录目录 重组重组DNA技术的发展史技术的发展史 1865年年 G.J.Mendel的豌豆杂交试验。的豌豆杂交试验。 1944年年 O.T.Avery的肺炎球菌转化实验。的肺炎球菌转化实

18、验。 1973年年 美国斯坦福大学的科学家构建第一个重组美国斯坦福大学的科学家构建第一个重组DNA分子。分子。 1977年年 美国南旧金山由博耶和斯旺森建立世界上第一家遗传美国南旧金山由博耶和斯旺森建立世界上第一家遗传 工程公司，专门应用重组工程公司，专门应用重组DNA技术制造医学上重要的技术制造医学上重要的 药物。药物。 1980年年 开始建造第一家应用重组开始建造第一家应用重组DNA技术生产胰岛素的工厂。技术生产胰岛素的工厂。 1997年年 英国罗林研究所成功的克隆了多莉。英国罗林研究所成功的克隆了多莉。 目录目录 重组重组DNA技术相关概念技术相关概念 克隆克隆(clone):来自同一始

19、祖的相同副本或拷来自同一始祖的相同副本或拷 贝的集合。贝的集合。 获取同一拷贝的过程称为克隆化获取同一拷贝的过程称为克隆化(cloning)， 即无性繁殖。即无性繁殖。 DNA克隆克隆 目录目录 技术水平：技术水平：分子克隆分子克隆(molecular clone) （即（即DNA 克隆）克隆） 细胞克隆细胞克隆 个体克隆（动物或植物）个体克隆（动物或植物） 目录目录 其主要过程包括：在体外将目的其主要过程包括：在体外将目的DNA片段片段 与能自主复制的遗传元件（又叫载体）连接，与能自主复制的遗传元件（又叫载体）连接， 形成重组形成重组DNA分子，进而在受体细胞中复制、分子，进而在受体细胞中复

20、制、 扩增，从而获得单一扩增，从而获得单一DNA分子的大量拷贝。分子的大量拷贝。 重组重组DNA技术，又称分子克隆（技术，又称分子克隆（molecular cloning）或）或DNA克隆（克隆（DNA cloning）或基因工）或基因工 程（程（genetic engineering）技术）技术 目录目录 目的：目的： 分离获得某一感兴趣的基因或分离获得某一感兴趣的基因或DNA 获得感兴趣基因的表达产物（蛋白质）获得感兴趣基因的表达产物（蛋白质） 目录目录 一、重组一、重组DNA技术中常用的工具酶技术中常用的工具酶 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶 DNA聚合酶聚合酶 逆转录酶逆转录酶 T4

21、DNA连接酶连接酶 碱性磷酸酶碱性磷酸酶 末端转移酶末端转移酶 Taq DNA聚合酶聚合酶 重组重组DNA技术中常用的工具酶技术中常用的工具酶 工工 具具 酶酶功功 能能 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶识别特异序列，切割识别特异序列，切割DNA DNA连接酶连接酶催化催化DNA中相邻的中相邻的5 磷酸基和磷酸基和3 羟基末端之间形成磷酸羟基末端之间形成磷酸 二酯键，使二酯键，使DNA切口封合或使两个切口封合或使两个DNA分子或片段连接分子或片段连接 DNA聚合酶聚合酶合成双链合成双链cDNA分子或片段连接；分子或片段连接；缺口平移制作高比缺口平移制作高比 活探针；活探针； DNA序列分析；序

22、列分析；填补填补3 末端末端 Klenow片段片段又名又名DNA聚合酶聚合酶I大片段，具有完整大片段，具有完整DNA聚合酶聚合酶I的的53 聚合、聚合、35 外切活性，而无外切活性，而无53 外切活性。常用于外切活性。常用于 cDNA第二链合成，双链第二链合成，双链DNA 3 末端标记等末端标记等 反转录酶反转录酶合成合成cDNA；替代替代DNA聚合酶聚合酶I进行填补，标记或进行填补，标记或 DNA序列分析序列分析 多聚核苷酸激酶多聚核苷酸激酶催化多聚核苷酸催化多聚核苷酸5 羟基末端磷酸化，或标记探针羟基末端磷酸化，或标记探针 末端转移酶末端转移酶在在3 羟基末端进行同质多聚物加尾羟基末端进行

23、同质多聚物加尾 碱性磷酸酶碱性磷酸酶切除末端磷酸基切除末端磷酸基 目录目录 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶(restriction endonuclease) 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶(restriction endonuclease, RE)是一类核酸内切酶，能识别双链是一类核酸内切酶，能识别双链DNA分子分子 内部的特异序列内部的特异序列, 并裂解磷酸二酯键。并裂解磷酸二酯键。 GGATCC CCTAGG G CCTAG GATCC G Bam H 定义：定义： 目录目录 与甲基化酶共同构成细菌的限制修饰与甲基化酶共同构成细菌的限制修饰 系统，限制外源系统，限制外源DNA，保护自

24、身，保护自身DNA。 、（基因工程技术中常用（基因工程技术中常用型）型） 分类：分类： 作用：作用： 目录目录 第一个字母取自产生该酶的细菌属名，用大写；第一个字母取自产生该酶的细菌属名，用大写； 第二、第三个字母是该细菌的种名，用小写；第二、第三个字母是该细菌的种名，用小写； 第四个字母代表株；第四个字母代表株； 用罗马数字表示发现的先后次序。用罗马数字表示发现的先后次序。 命名：命名： Hin d 属属 系系 株株 序序 Haemophilus influenzae d株株 流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌d株的第三种酶株的第三种酶 目录目录 类酶识别序列特点类酶识别序列特点 回文结构回文结构(p

25、alindrome) 切口切口 ：平端切口平端切口、粘端切口粘端切口 目录目录 Bam H GTC CAG G CCTAG GATCC G GGATCC CCTAGG Hind GTCGAC CAGCTG GAC CTG 平端切口平端切口 黏端切口黏端切口 目录目录 有些限制性内切酶虽然识别序列不完全有些限制性内切酶虽然识别序列不完全 相同，但切割相同，但切割DNA后，产生相同的粘性末端，后，产生相同的粘性末端， 称为同尾酶。这两个相同的粘性末端称为配称为同尾酶。这两个相同的粘性末端称为配 伍末端伍末端(compatible end)。 GGATCC CCTAGG AGATCT TCTAGA

26、G CCTAG GATCC G A TCTAG GATCT A 同尾酶同尾酶 目录目录 来源不同的限制酶，但能识别和切割来源不同的限制酶，但能识别和切割 同一位点，这些酶称同一位点，这些酶称同裂酶或同功异源酶同裂酶或同功异源酶。 GGATCC CCTAGG G CCTAG GATCC G Bam H GGATCC CCTAGG G CCTAG GATCC G Bst 同裂酶：同裂酶： 名称名称 识别序列及切割位点识别序列及切割位点名称识别序列及切割点名称识别序列及切割点 切割后产生切割后产生突出末端突出末端: BamH 5GGATCC.3GATCC.3 Bgl 5AGATCT.3GATCT.3

27、 EcoR EcoR 5GAATTC.3AATTC.3 Hind Hind 5AAGCTT.3AGCTT.3 Hpa Hpa 5CCGG.3CGG.3 Mbo Mbo 5GATC.3GATC.3 Nde Nde 5GATATG.3TATG.3 切割后产生切割后产生3突出末端突出末端: Apa 5GGGCCC.3C.3 Hae 5PuGCGCPy.3Py.3 Kpn 5GGTACC.3C.3 Pst 5CTGCAG.3G.3 Sph 5GCATGC.3C.3 切割后产生平末端切割后产生平末端: Alu 5AGCT.3CT.3 EcoR 5GATATC.3ATC.3 Hae Hae 5GGCC.3

28、CC.3 Pvu Pvu 5CAGCTG.3CTG.3 Sma Sma 5CCCGGG.3GGG.3 限制性内切核酸酶限制性内切核酸酶 目录目录 二、重组二、重组DNADNA技术中常用的载体技术中常用的载体 定义定义 为携带目的基因，实现其无性繁殖为携带目的基因，实现其无性繁殖 或表达有意义的蛋白质所采用的一些或表达有意义的蛋白质所采用的一些 DNA分子。分子。 载体按功能分为载体按功能分为 克隆载体克隆载体(cloning vector) 表达载体表达载体(expression vector) 目录目录 克隆载体克隆载体(cloning vector) 为使插入的外源为使插入的外源DNA序列

29、被扩增而特意序列被扩增而特意 设计的载体称为设计的载体称为克隆载体克隆载体。 表达载体表达载体(expression vector) 为使插入的外源为使插入的外源DNA序列可转录翻译成序列可转录翻译成 多肽链而特意设计的载体称为多肽链而特意设计的载体称为表达载体表达载体。 目录目录 （一）克隆载体（一）克隆载体 至少有一个复制起点使载体在宿主细胞中进行至少有一个复制起点使载体在宿主细胞中进行自主复制自主复制， 并能使克隆的外源并能使克隆的外源DNA片段得到同步扩增；片段得到同步扩增； 至少有至少有一个选择标志一个选择标志（selection marker）：选择标志是）：选择标志是 区分含与不

30、含载体的细胞所必需的，包括抗生素抗性基区分含与不含载体的细胞所必需的，包括抗生素抗性基 因、因、-半乳糖苷酶基因（半乳糖苷酶基因（lacZ）、营养缺陷耐受基因等。）、营养缺陷耐受基因等。 有适宜的有适宜的RE的单一切点的单一切点：载体中一般都构建有一段特异：载体中一般都构建有一段特异 性核苷酸序列，在这段序列中包含了多个性核苷酸序列，在这段序列中包含了多个RE的单一切点，的单一切点， 可供外源基因插入时选择，叫多克隆位点（可供外源基因插入时选择，叫多克隆位点（multiple cloning sites，MCS）。）。 1. 1. 克隆载体应具备的基本特点克隆载体应具备的基本特点 目录目录 （

31、1 1）质粒）质粒 (plasmid) 特点特点: : 能在宿主细胞内独立自主复制；带有某些遗能在宿主细胞内独立自主复制；带有某些遗 传信息传信息, , 会赋予宿主细胞一些遗传性状。会赋予宿主细胞一些遗传性状。 2. 常用的克隆载体常用的克隆载体 pUC18质粒载体图谱质粒载体图谱 目录目录 噬菌体噬菌体DNA改造系统改造系统 gt系列（插入型，适用系列（插入型，适用cDNA克隆）克隆） EMBL系列（置换型，适用基因组克隆）系列（置换型，适用基因组克隆） （2 2）噬菌体）噬菌体(phage) M13噬菌体噬菌体DNA改造系统（含改造系统（含lacZ基因）基因） M13mp系列系列 pUC系

32、列系列 目录目录 柯斯质粒柯斯质粒（cosmid）载体（又称黏粒载体）载体（又称黏粒载体） 酵母人工染色体酵母人工染色体 (yeast artificial chromosome, YAC) 细菌人工染色体细菌人工染色体 (bacterial artificial chromosome, BAC) 动物病毒动物病毒DNA改造的载体改造的载体 （如腺病毒，腺病毒相关病毒，逆转录病毒）（如腺病毒，腺病毒相关病毒，逆转录病毒） （3）其他克隆载体）其他克隆载体 目录目录 （二）表达载体（二）表达载体 表达载体是指用来在宿主细胞中表达外源基因表达载体是指用来在宿主细胞中表达外源基因 的载体。的载体。

33、根据宿主细胞分为：根据宿主细胞分为： 原核表达载体原核表达载体 真核表达载体真核表达载体 目录目录 1. 1. 原核表达载体原核表达载体 原核表达载体的基本组成原核表达载体的基本组成 R R：调节序列；：调节序列；P P：启动子；：启动子；SDSD：SDSD序列；序列；TTTT：转录终止序列：转录终止序列 目录目录 2. 2. 真核表达载体真核表达载体 真核表达载体的基本组成真核表达载体的基本组成 OriPro：原核复制起始序列；P：启动子；MCS：多克隆位点； TT：转录终止序列；orieuk：真核复制起始序列。 目录目录 第三节第三节 重组重组DNA技术基本原理技术基本原理 和操作步骤和操

34、作步骤 目录目录 基本原理基本原理 目的基因的获取目的基因的获取 DNA导入受体细胞导入受体细胞外源基因与载体的连接外源基因与载体的连接 克隆载体的选择和构建克隆载体的选择和构建 重组体的筛选重组体的筛选 克隆基因的表达克隆基因的表达 以以 质质 粒粒 为为 载载 体体 的的 DNA 克克 隆隆 过过 程程 目录目录 （一）目的基因的分离获取（一）目的基因的分离获取分分 1. 1.化学合成法化学合成法 要求：已知目的基因的核苷酸序列或其产要求：已知目的基因的核苷酸序列或其产 物的氨基酸序列物的氨基酸序列 。 2. 2.从基因组从基因组DNADNA文库和文库和cDNAcDNA文库中获取目文库中获

35、取目 的的DNA (DNA (见第见第2020章章) ) 3. 3.PCRPCR法法 ( (见第见第2020章章) ) 4. 4.其他方法其他方法 ( (见第见第2020章章) ) 目录目录 化学合成法获取目的基因化学合成法获取目的基因 由已知氨基酸序列推测可能的由已知氨基酸序列推测可能的DNA序列。序列。 组织或细胞染色体组织或细胞染色体DNA 基因片断基因片断 克隆载体克隆载体 重组重组DNA分子分子 含重组分子的转化菌含重组分子的转化菌 限制性内切酶限制性内切酶 受体菌受体菌 基因组基因组DNA文库文库 存在于转化细胞内存在于转化细胞内 由克隆载体所携带的所由克隆载体所携带的所 有基因组

36、有基因组DNA的集合的集合 从基因组从基因组DNA文文 库获取目的基因库获取目的基因 限制酶切位点限制酶切位点 限制酶消化限制酶消化 除去中间片段除去中间片段 cos L R cos cos L 左臂左臂 R cos 右臂右臂 真核生物染真核生物染 色体色体DNA 限制酶部分消化限制酶部分消化 外源外源DNA与载体与载体DNA混合混合 连接反应连接反应 体外包装体外包装 用重组噬菌体用重组噬菌体 感染大肠杆菌感染大肠杆菌 20 Kb DNA 片段片段 cos LR cos20 Kb 外源外源 DNA 片段片段 基因文库基因文库 用随机切割的真核生物染色体用随机切割的真核生物染色体DNA片段构建

37、基因文库片段构建基因文库 mRNA cDNA 双链双链cDNA 重组重组DNA分子分子 cDNA文库文库 反转录酶反转录酶 载体载体 受体菌受体菌 复制复制 从从cDNA文库获取目的基因文库获取目的基因 逆转录酶逆转录酶 A A A A T T T T AAAA SISI核酸酶核酸酶 DNA聚合酶聚合酶 碱水解碱水解 T T T T 目录目录 （二）载体的选择与构建（二）载体的选择与构建选选 目的不同，操作基因的性质不同，载目的不同，操作基因的性质不同，载 体的选择和改建方法也不同。体的选择和改建方法也不同。 目的：目的： 获得某一目的基因或获得某一目的基因或DNA片段片段 获得目的获得目的D

38、NA片段所编码的蛋白质片段所编码的蛋白质 目录目录 载体载体插入插入DNA片段片段宿主细胞宿主细胞 质粒质粒510kb细菌，酵母细菌，酵母 噬菌体载体噬菌体载体20kb细菌细菌 黏粒黏粒50 kb细菌细菌 BAC400kb细菌细菌 YAC3 Mb酵母酵母 不同载体的克隆容量及适宜宿主细胞不同载体的克隆容量及适宜宿主细胞 目录目录 （三）目的（三）目的DNA与载体连接与载体连接接接 方式：（方式：（1）单一相同黏端连接单一相同黏端连接 （2 2）不同黏端连接不同黏端连接 （3）通过其他措施产生黏端进行连接通过其他措施产生黏端进行连接 1. 黏端连接黏端连接 Bam H切割反应切割反应 GGATC

39、C CCTAGG T4 DNA连接酶连接酶 15C GATCC G G CCTAG 目的基因用目的基因用 Bam H切割切割 G CCTAG G CCTAG G CCTAG G CCTAG GATCC G GATCC G GATCC G GATCC G 载体载体DNA用用Bam H切割切割 G CCTAG G CCTAG G CCTAG G CCTAG GATCC G GATCC G GATCC G GATCC G 重组体重组体 G CCTAG G CCTAG GATCC G GATCC G G CCTAG G CCTAG GATCC G GATCC G 载体自连载体自连 目的基因自连目的基因

40、自连 单一相同黏端连接单一相同黏端连接 不同黏端连接（定向克隆）不同黏端连接（定向克隆） G CTTAA A TCTAG AATTC G GATCT A GAATTC CTTAAG AGATCT TCTAGA Eco R切割位点切割位点Bg l切割位点切割位点 AATTC G A TCTAG AATTC G GATCT A AATTC G A TCTAG EcoR+ Bg l 双酶切双酶切 Eco R+ Bg l 双酶切双酶切 G CTTAA A TCTAG AATTC G GATCT A T4 DNA连接酶连接酶 15C 重组体重组体 目录目录 由平端加上新的酶切位点，再用限制由平端加上新的

41、酶切位点，再用限制 酶切除产生粘性末端，而进行粘端连接酶切除产生粘性末端，而进行粘端连接。 人工接头人工接头(linker)连接连接 通过其他措施产生黏端进行连接通过其他措施产生黏端进行连接 目录目录 人工接头及其应用人工接头及其应用 CCGAATTCG GGCTTAAGC 5- 3- Eco R Eco R Eco R Eco R 目录目录 在末端转移酶在末端转移酶(terminal transferase) 的作的作 用下，在用下，在DNA片段末端加上同聚物序列、制片段末端加上同聚物序列、制 造出粘性末端，再进行粘端连接。造出粘性末端，再进行粘端连接。 同聚物加尾连接同聚物加尾连接 目录目

42、录 5 3 3 5 载体载体DNA 5 3 3 5 目的基因目的基因 限制酶或机械剪切限制酶或机械剪切限制酶限制酶 5 3 3 5 5 3 T(T)nT T(T)nT 3 5 5 3 3 5 3 A(A)nA A(A)nA 3 5 -核酸外切酶核酸外切酶-核酸外切酶核酸外切酶 末端转移酶末端转移酶 + dATP 末端转移酶末端转移酶 + dTTP T(T)nT A(A)nA A(A)nA T(T)nT T4 DNA连接酶连接酶 15C 重组体重组体 5 目录目录 PCR法 针对目的针对目的DNADNA的的5 5 - -和和3 3 - -端，设计一对特异引物，端，设计一对特异引物， 在每条引物的

43、在每条引物的5 5 - -端分别加上不同的端分别加上不同的RERE位点，然位点，然 后以目的后以目的DNADNA为模板，经为模板，经PCR PCR 扩增便可得到带扩增便可得到带 有引物序列的目的有引物序列的目的DNADNA，再用相应，再用相应RERE切割切割PCRPCR 产物，产生黏端，随后便可与带有相同黏端的产物，产生黏端，随后便可与带有相同黏端的 线性化载体进行有效连接。线性化载体进行有效连接。 目录目录 2. 平端连接平端连接 限制性内切酶切割产生的平端限制性内切酶切割产生的平端 粘端补齐或切平形成的平端粘端补齐或切平形成的平端 适用于：适用于： 目的基因目的基因 载体载体 限制性内切酶

44、限制性内切酶 限制性内切酶限制性内切酶 T4 DNA连接酶连接酶 15C 重组体重组体 载体自连载体自连 目的基因目的基因 自连自连 目录目录 3. 3. 粘粘- -平末端连接平末端连接 n黏黏- -平末端连接是指目的平末端连接是指目的DNADNA和载体之间通过和载体之间通过 一端为黏端、另一端为平端的方式进行连接。一端为黏端、另一端为平端的方式进行连接。 n属于定向克隆属于定向克隆 目录目录 受体菌条件：受体菌条件： 安全宿主菌安全宿主菌 限制酶和重组酶缺陷限制酶和重组酶缺陷 处于感受态处于感受态(competent) 导入方式：导入方式： 转化转化 (transformation) 转染转

45、染 (transfection) 感染感染 (infection) （四）重组（四）重组DNA转入受体细胞转入受体细胞转转 目录目录 1. 借助载体上的遗传标志进行筛选借助载体上的遗传标志进行筛选 (1) 利用抗生素抗性标志筛选利用抗生素抗性标志筛选 (2) 利用基因的插入失活利用基因的插入失活/插入表达插入表达 特性筛选特性筛选 (3) 利用标志补救筛选利用标志补救筛选 (4)利用噬菌体的包装特性进行筛选利用噬菌体的包装特性进行筛选 （五）重组体的筛选与鉴定（五）重组体的筛选与鉴定筛筛 目录目录 2. 序列特异性筛选序列特异性筛选 (1) RERE酶切法酶切法 (2) PCR法法 (3) 核

46、酸杂交法核酸杂交法 (4) DNA测序法测序法 3. 亲和筛选法亲和筛选法 插入失活筛选带有重组载体的克隆插入失活筛选带有重组载体的克隆 互补筛选（蓝互补筛选（蓝- -白筛选）白筛选） 菌落或噬斑原位杂交筛选重组体菌落或噬斑原位杂交筛选重组体 目录目录 重组重组DNADNA技术操作过程可形象归纳为：技术操作过程可形象归纳为： 小结小结 分分 分离获取目的基因分离获取目的基因 选选 载体的选择与构建载体的选择与构建 接接 目的目的DNADNA与载体连接与载体连接 转转 重组重组DNADNA转入受体细胞转入受体细胞 筛筛 重组体的筛选与鉴定重组体的筛选与鉴定 目录目录 重组重组DNA技术操作的主要

47、步骤技术操作的主要步骤 载体载体 质粒质粒噬菌体噬菌体病毒病毒 目的基因（外源基因）目的基因（外源基因） 基因组基因组DNA cDNA 人工合成人工合成 PCR产物产物 限制酶消化限制酶消化 开环载体开环载体DNA目的基目的基 因因 连接酶连接酶 重组体重组体 转化转化体外包装，转染体外包装，转染 带重组体的宿主带重组体的宿主 筛选筛选 表型筛选表型筛选酶切电泳鉴定酶切电泳鉴定菌落原位杂交菌落原位杂交 目录目录 表达体系的建立：表达体系的建立： 表达载体的构建表达载体的构建 受体细胞的建立受体细胞的建立 表达产物的分离纯化表达产物的分离纯化 （六）克隆基因的表达（六）克隆基因的表达 目录目录

48、标准：标准：选择标志选择标志 强启动子强启动子 翻译调控序列翻译调控序列多接头克隆位点多接头克隆位点 E.coli表达体系的不足表达体系的不足： 不宜表达真核基因组不宜表达真核基因组DNA； 不能加工表达的真核蛋白质；不能加工表达的真核蛋白质； 表达的蛋白质常形成不溶性包涵体表达的蛋白质常形成不溶性包涵体(inclusion body) ； 很难表达大量可溶性蛋白。很难表达大量可溶性蛋白。 1. 原核表达体系原核表达体系 (E.coli表达体系最为常用表达体系最为常用) 目录目录 优点：优点：可表达克隆的可表达克隆的cDNA及真核基因组及真核基因组DNA 可适当修饰表达的蛋白质可适当修饰表达的

49、蛋白质 表达产物分区域积累表达产物分区域积累 缺点：缺点：操作技术难、费时、经济操作技术难、费时、经济 转染转染 将表达载体导入真核细胞的过程将表达载体导入真核细胞的过程 方法：方法：磷酸钙转染磷酸钙转染 DEAE葡聚糖介导转染葡聚糖介导转染 电穿孔电穿孔 脂质体转染脂质体转染 显微注射显微注射 2.2.真核表达体系（酵母、昆虫、乳类动物细胞）真核表达体系（酵母、昆虫、乳类动物细胞） 目录目录 第三节第三节 重组重组DNA技术在医学中的应用技术在医学中的应用 Application of Recombinant DNA Technology in Medicine 目录目录 一、重组一、重组D

50、NADNA技术广泛应用于生物制药技术广泛应用于生物制药 利用基因工程生产有药用价值的蛋白质、多利用基因工程生产有药用价值的蛋白质、多 肽产品已成为当今世界一项重大产业，并将肽产品已成为当今世界一项重大产业，并将 有望成为有望成为21世纪的支柱产业。世纪的支柱产业。 美国美国Eli Lilly公司于公司于1982年首先利用重组年首先利用重组 DNA技术合成人胰岛素并投放市场，标志着技术合成人胰岛素并投放市场，标志着 生物工程药物时代的开始。迄今为止，已有生物工程药物时代的开始。迄今为止，已有 50多种基因工程药物上市，近千种处于研发多种基因工程药物上市，近千种处于研发 状态，形成一个巨大的高新技

51、术产业，产生状态，形成一个巨大的高新技术产业，产生 了不可估量的社会效益和经济效益。了不可估量的社会效益和经济效益。 重组重组DNA医药产品医药产品 产产 品品功功 能能 组织胞浆素原激活剂组织胞浆素原激活剂抗凝抗凝 血液因子血液因子VIII促进凝血促进凝血 颗粒细胞颗粒细胞-巨噬细胞集落剌激因子巨噬细胞集落剌激因子剌激白细胞生成剌激白细胞生成 促红细胞生成素促红细胞生成素剌激白细胞生成剌激白细胞生成 生长因子生长因子(bFGF, EGF)刺激细胞生长与分化刺激细胞生长与分化 生长素生长素治疗侏儒症治疗侏儒症 胰岛素胰岛素治疗糖尿病治疗糖尿病 干扰素干扰素( 1b, 2a, 2b, )抗病毒感染及某些肿瘤抗病毒感染及某些肿瘤 白细胞介素白细胞介素激活、剌激各类白细胞激活、剌激各类白细胞 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶抗组织损伤抗组织损伤 单克隆抗体单克隆抗体 利用其结合特异性进行诊断试验、肿利用其结合特异性进行诊断试验、肿 瘤导向治疗瘤导向治疗 乙肝疫苗乙肝疫苗(CHO, 酵母酵母)预防乙肝预防乙肝