目的基因与载体连接学习教案

1、目的目的(md)基因与载体连接基因与载体连接第一页，共29页。内容提要内容提要基因重组克隆与亚克隆基因重组克隆与亚克隆基因重组对载体的要求基因重组对载体的要求(yoqi)与载体类型与载体类型连接前的处理连接前的处理黏性末端连接黏性末端连接平端连接平端连接人工接头连接人工接头连接同聚寡核苷酸末端连接同聚寡核苷酸末端连接第1页/共29页第二页，共29页。第一节 基因重组(zhn z)克隆与亚克隆外源基因的获取载体的选择与构建外源基因与载体的切割与修饰外源基因与载体的连接（DNA体外重组）重组DNA导入受体细胞重组体的筛选目的基因的表达第2页/共29页第三页，共29页。 体外重组就是指目的基因与载体

2、DNA的连接(linji)。 基因重组是靠DNA连接(linji)酶将适当切割的DNA即目的基因与载体共价连接(linji)。 DNA连接(linji)酶能催化相邻或两侧的DNA上裂口核苷酸裸露的3-羟基和5-磷酸之间形成共价结合的磷酸二酯键，使断开的DNA裂口连接(linji)起来。在分子克隆中中，最有用的连接(linji)酶是来自于T4噬菌体的DNA连接(linji)酶T4连接(linji)酶，该酶需要ATP作为辅助因子。 注意：在连接(linji)之前，应结合研究目的基因的特性，来设计最终构建的重组体分子。第3页/共29页第四页，共29页。一、体外连接重组一、体外连接重组DNADNA的特

3、点的特点1 1、DNADNA体外连接减少了体外连接减少了DNADNA分子进入宿主细胞后遭受降分子进入宿主细胞后遭受降解的危险，增加了转化效率；解的危险，增加了转化效率；2 2、由于限制性内切酶产生的黏端在体外连接，使原来、由于限制性内切酶产生的黏端在体外连接，使原来(yunli)(yunli)酶的识别序列在整个酶的识别序列在整个DNADNA维持完整性，有利维持完整性，有利于在重组子转化扩增以后再对外源基因的分离；于在重组子转化扩增以后再对外源基因的分离；3 3、连接时可以控制连接反应条件，有利于形成环状分、连接时可以控制连接反应条件，有利于形成环状分子或者几个子或者几个DNADNA片段头尾相连

4、接的直线多联体。片段头尾相连接的直线多联体。 第4页/共29页第五页，共29页。 基因重组克隆实质上就是DNA体外重组以及后续的转化过程。 亚克隆是指把DNA片段从某一类型载体无性繁殖到另一类型载体的过程。例如：重组-噬菌体 质粒 亚克隆通常是将较大(jio d)的克隆片段经酶切后，再将所有的小DNA片段与另一个载体连接转化的程序。 注意：进行连接反应时，要考虑载体DNA与DNA片段的比率。例如：以自质粒载体形成环状分子，1：1。 以噬菌体或cos质粒为载体，形成多联体分子，二者的比例相应的就高些。第5页/共29页第六页，共29页。第二节第二节 基因重组对载体的要求与载体类型基因重组对载体的要

5、求与载体类型 根据重组连接的目的，可将载体分为克隆根据重组连接的目的，可将载体分为克隆载体和表达载体。载体和表达载体。一、克隆载体一、克隆载体 如果所进行的重组连接暂时不考虑表达量如果所进行的重组连接暂时不考虑表达量的问题，只是为目的基因的获得或使该基因克的问题，只是为目的基因的获得或使该基因克隆、亚克隆或扩增、构建隆、亚克隆或扩增、构建DNADNA文库，可以选择文库，可以选择一般的克隆型载体。一般的克隆型载体。例如：例如：M13M13单链噬菌体载体单链噬菌体载体双链复制型和双链复制型和单链型。双链复制型可作为克隆载体，克隆外单链型。双链复制型可作为克隆载体，克隆外源基因后，可以其单链形式源基

6、因后，可以其单链形式(xngsh)(xngsh)作为模作为模板，复制后进行序列分析。板，复制后进行序列分析。第6页/共29页第七页，共29页。 基因重组的目的，就是使外源基因能够大量的在宿主中扩增，因此常用的克隆载体是质粒。质粒能高拷贝复制，带有多个单一的酶切位点和抗药性标记。 质粒载体中没有强的启动子，因为只能作为克隆载体。二、表达在载体 表达性载体能够使目的基因在宿主细胞内进行高效表达，载体具有强启动子和正确的终止子，能高效、高拷贝地转录(zhun l)目的基因，并产生稳定的mRNA和翻译蛋白质。例如：要想获得大量的目的基因的表达产物表达型载体 在为了获得目的基因克隆的基础上，想使目的基因

7、的表达产物容易检测表达型载体第7页/共29页第八页，共29页。（一）、根据目的基因产生的蛋白质序列，表达载体可分为融合型表达载体和非融合型表达载体。（第十章）（二）、强启动子组建的高表达载体一般有三类：1、含噬菌体的PL启动子的质粒： 噬菌体的PL启动子是一个很强且易于调控的启动子。例如(lr)：质粒pPLa2311就是在质粒pBR322中加入PL启动子的质粒载体。2、含lac启动子的质粒：lac启动子是大肠杆菌乳糖操纵子内半乳糖酶基因（lacZ基因）前的一个强启动子。例如(lr)：质粒载体Pop203-13和pB-galBC。第8页/共29页第九页，共29页。3、含trp启动子的质粒：trp

8、是大肠杆菌色氨酸操纵子中的强启动子。例如：pNCV质粒载体，曾经成功用于人流感病毒血凝素和口蹄疫病毒VP3抗原的表达。 为了进一步提高启动子的强度，使目的记忆高效表达，将上述(shngsh)的lac启动子和trp启动子串联起来，提高了转录速度。例如pTAC12质粒载体。 病毒载体大都含有较强的启动子，能保证插入的外源基因有效转录和表达，且转染的效率要高于转化，因而也长作为目的基因的表达载体。第9页/共29页第十页，共29页。第三节第三节 连接前的处理连接前的处理 为了提高连接效率，需要在连接前将为了提高连接效率，需要在连接前将载体载体DNADNA和目的基因分别进行处理。和目的基因分别进行处理。

9、 一般采用内切酶法将载体一般采用内切酶法将载体DNADNA分子切分子切割成可与外源基因连接的线性分子。载体割成可与外源基因连接的线性分子。载体DNADNA通常通常(tngchng)(tngchng)有许多酶切位点，但有许多酶切位点，但并不是所有的酶切位点可用于重组切割。并不是所有的酶切位点可用于重组切割。一、理想的酶切位点应符合下列几个条件一、理想的酶切位点应符合下列几个条件1 1、位于载体上特定的酶切位点要尽可能、位于载体上特定的酶切位点要尽可能的少，最好是单一酶切位点，这样才能保的少，最好是单一酶切位点，这样才能保证目的基因和载体证目的基因和载体DNADNA以最该的概率正确以最该的概率正确

10、组合；组合； 例如：例如：pBR322pBR322上的上的BamBam（tetrtetr）和）和PstPst（amprampr），通过插入失活和），通过插入失活和“影印影印法法”筛选重组体。筛选重组体。第10页/共29页第十一页，共29页。2、在酶切位点之前要有一个较强的启动子，使插入的目的基因可在该启动子的指导下高效表达。例如：高效表达质粒pMH621的gal位点前有一个OMP多肽(du ti)基因启动子OMPF，外源基因插入后可表达出外源基因与OMP多肽(du ti)融合的蛋白。OMP多肽(du ti)是细菌外膜蛋白的主要成分，因而可使外源基因在细菌外抹上表达，有利于产物的收获和提取。3、

11、选择的载体必须在连接重组后对基因转录和翻译过程中的编码区读框不变。第11页/共29页第十二页，共29页。 在基因重组前，除载体DNA要处理外，目的基因也要进行切割和修饰，才能进行有效连接，而且必须考虑目的基因插入载体后与载体启动子之间的距离，务必要使目的基因在转录时处于正确的阅读框架之中，以便表达(biod)出原有的多肽序列。 载体DNA和目的基因DNA的连接，按DNA片段末端性质的不同，目前可用下述的几种方法进行连接：黏性末端连接法平端连接法同聚物加尾连接法人工接头连接法第12页/共29页第十三页，共29页。第四节第四节 黏性末端黏性末端(m dun)(m dun)连接连接一、黏性末端一、黏

12、性末端(m dun)（黏端）连接有三种方式：（黏端）连接有三种方式：单酶切位点的黏端连接单酶切位点的黏端连接(linji)双酶切片段的定向克隆双酶切片段的定向克隆不同限制酶切位点的黏端连接不同限制酶切位点的黏端连接第13页/共29页第十四页，共29页。二、单酶切位点的黏端连接二、单酶切位点的黏端连接 由同一限制性核酸内切酶切割的不同由同一限制性核酸内切酶切割的不同DNADNA片段具片段具有完全相同的末端。有完全相同的末端。1 1、切割后的、切割后的DNADNA片段要满足一下两点要求：片段要满足一下两点要求： 酶切割后产生单链突出的黏性末端酶切割后产生单链突出的黏性末端 酶切位点附近的酶切位点附

13、近的DNADNA序列序列(xli)(xli)不影响连接不影响连接第14页/共29页第十五页，共29页。哺乳动物DNA片段细菌质粒载体DNACCGGCCGGGGCCGGCC限制酶Hpa消化CGGCGGCC+CCGGGGCCCGGCCGGC混合、退火T4DNA连接酶重组质粒图：同一限制性酶切图：同一限制性酶切DNADNA黏性末端连接黏性末端连接第15页/共29页第十六页，共29页。2 2、同一限制性内切酶酶切后的片段、同一限制性内切酶酶切后的片段(pin dun)(pin dun)，连接，连接过程中可能产生以下几种结果：过程中可能产生以下几种结果：基因基因(jyn)之间的连接之间的连接载体载体(z

14、it)DNA(zit)DNA之间的连接之间的连接载体载体DNADNA头尾之间的连接头尾之间的连接载体载体DNA与目的基因之间的连接与目的基因之间的连接自身环化 自身环化是最常见的干扰重组的因素，实际操作中必须控制自身环化现象的发生。图图第16页/共29页第十七页，共29页。3 3、优缺点、优缺点 同限制酶切位点连接的方法是最简单也是最方便的同限制酶切位点连接的方法是最简单也是最方便的克隆途径。但该方法又有外源克隆途径。但该方法又有外源DNADNA与载体与载体DNADNA自身都容易自身都容易环化、可双向插入、多拷贝插入、高背景和假阳性等缺环化、可双向插入、多拷贝插入、高背景和假阳性等缺点。点。4

15、 4、相应的措施、相应的措施（1 1）、克服高背景：载体与外源）、克服高背景：载体与外源DNADNA自身的环化不利于自身的环化不利于重组连接，大大降低了阳性克隆率，又使非重组载体造重组连接，大大降低了阳性克隆率，又使非重组载体造成高背景。成高背景。 通过调整反应通过调整反应(fnyng)(fnyng)时外源时外源DNADNA和载体和载体DNADNA的浓度的浓度来限制载体来限制载体DNADNA自身环化，或者通过遗传学技术来鉴别重自身环化，或者通过遗传学技术来鉴别重组体与非重组体。组体与非重组体。第17页/共29页第十八页，共29页。（2 2）、保证定向插入：由于是单一位点，目的基因可以以）、保证

16、定向插入：由于是单一位点，目的基因可以以不同方向插入载体。对于克隆扩增问题不大，因为克隆上不同方向插入载体。对于克隆扩增问题不大，因为克隆上去的基因再重组时又要切下来；对于表达载体目的基因必去的基因再重组时又要切下来；对于表达载体目的基因必须按须按5533方向克隆在启动子下游，目的基因的转录是方向克隆在启动子下游，目的基因的转录是从起始密码子向终止密码子方向定向转录的，一旦启动子从起始密码子向终止密码子方向定向转录的，一旦启动子与目的基因编码方向相反就不会正确转录目的基因的与目的基因编码方向相反就不会正确转录目的基因的mRNAmRNA。（3 3）、克服载体自身的环化：连接）、克服载体自身的环化

17、：连接(linji)(linji)过程中，载过程中，载体自身除了环化外，还能形成串联寡聚物。体自身除了环化外，还能形成串联寡聚物。 用高浓度的用高浓度的DNADNA（目的基因：载体为（目的基因：载体为3 3：1 1）和牛小肠碱）和牛小肠碱性磷酸酶（性磷酸酶（CIPCIP）处理载体，去除）处理载体，去除55P P使之不能自身环化，使之不能自身环化，缺口在宿主内可得到修复。图缺口在宿主内可得到修复。图第18页/共29页第十九页，共29页。三、双酶切片三、双酶切片(qi pin)(qi pin)段的定向克隆段的定向克隆 以两种不同的限制性内切酶切割目的基因，使之产生两个以两种不同的限制性内切酶切割目

18、的基因，使之产生两个不同黏端，对载体也同样的处理，形成载体不同黏端，对载体也同样的处理，形成载体DNADNA和外源和外源DNADNA两端两端为非同源的黏端，来防止为非同源的黏端，来防止DNADNA自身环化，且只能在自身环化，且只能在DNADNA连接酶的连接酶的作用下，载体作用下，载体DNADNA和外源和外源DNADNA片段以两端互补来实现片段以两端互补来实现DNADNA定向插定向插入。（图）入。（图） 定向克隆：指使外源定向克隆：指使外源DNADNA片段定向插入到载体分子的克隆方片段定向插入到载体分子的克隆方案。案。1 1、双酶切片、双酶切片(qi pin)(qi pin)段的定向重组方式的优

19、点：段的定向重组方式的优点：（1 1）、外源）、外源DNADNA只能以一个方向定向插入到重组质粒，以便目只能以一个方向定向插入到重组质粒，以便目的基因的正确转录和表达；的基因的正确转录和表达；（2 2）、质粒载体与外援）、质粒载体与外援DNADNA结合处的限制酶切位点仍然保留，结合处的限制酶切位点仍然保留，有利于目的基因的分离和提取；有利于目的基因的分离和提取；第19页/共29页第二十页，共29页。（3）、由于不会发生环化，转化率较高，转化后的细菌克隆大多数携带有插入目的基因的重组质粒。2、定向克隆的连接方式（1）、外源DNA和载体(zit)DNA经过两个内切酶酶切后为非同源互补的黏端连接（黏

20、-黏连接）；（2）、外源DNA和载体(zit)DNA经过两个内切酶酶切后一侧为互补的黏端，一侧为平端或由非互补的黏端不平后产生的平端连接（黏-平连接）； 其中黏-黏连接效率非常高，是重组方案中最有效而简捷的途径。第20页/共29页第二十一页，共29页。四、不同限制酶切位点的黏端连接四、不同限制酶切位点的黏端连接 由两种不同的限制性内切酶切割的由两种不同的限制性内切酶切割的DNADNA片段，具有相片段，具有相同类型的黏性末端，彼此称为匹配末端（配伍末端），同类型的黏性末端，彼此称为匹配末端（配伍末端），末端的连接方式与单酶切位点的黏端连接方式类似。末端的连接方式与单酶切位点的黏端连接方式类似。

21、同尾限制酶：来源各异，识别的靶序列不同，切割同尾限制酶：来源各异，识别的靶序列不同，切割后产生相同的黏性末端，能够通过其黏性末端之间的互后产生相同的黏性末端，能够通过其黏性末端之间的互补作用补作用(zuyng)(zuyng)彼此可以被彼此可以被DNADNA连接酶重组。连接酶重组。（图）（图） 同裂限制酶：来源不同，识别的相同的序列，但切同裂限制酶：来源不同，识别的相同的序列，但切割位点不同。割位点不同。 经过同裂限制酶切割后的经过同裂限制酶切割后的DNADNA与载体连接前，还必须与载体连接前，还必须进行处理。进行处理。第21页/共29页第二十二页，共29页。第五节第五节 平端连接平端连接 一些

22、限制性内切酶如一些限制性内切酶如HaeHae和和HpaHpa切切割产生的割产生的DNADNA片段没有黏性末端，而是平末片段没有黏性末端，而是平末端。具有端。具有(jyu)(jyu)平端的酶切载体只能与平平端的酶切载体只能与平端的外源基因连接。端的外源基因连接。 平端连接比黏性末端连接要困难得多，平端连接比黏性末端连接要困难得多，连接效率只有黏端连接效率的连接效率只有黏端连接效率的1%1%，因此在，因此在平端平端DNADNA的连接中，需要加大的连接中，需要加大DNADNA和连接酶和连接酶的浓度。在该条件下，常出现多联体连接。的浓度。在该条件下，常出现多联体连接。第22页/共29页第二十三页，共2

23、9页。二、人为处理黏端成为平端的两种方法：二、人为处理黏端成为平端的两种方法：1 1、添补法：利用、添补法：利用DNADNA聚合酶聚合酶的大片段（的大片段（KlenowKlenow片段）将片段）将55突出黏性末端补齐，补齐后去磷酸化处理后，用突出黏性末端补齐，补齐后去磷酸化处理后，用T4DNAT4DNA连接连接酶连接。（图）酶连接。（图）2 2、削除法：利用、削除法：利用DNADNA聚合酶的聚合酶的3-53-5外切酶酶活性，对含外切酶酶活性，对含33突出的黏性末端补平，或利用突出的黏性末端补平，或利用S1S1和和Bal31Bal31等核酸酶将目等核酸酶将目的基因黏端的单链突出部分削平的基因黏端

24、的单链突出部分削平(xupng)(xupng)后连接。后连接。33端端突出端只能切平是因为突出端只能切平是因为DNApolDNApol合成需要引物（加在合成需要引物（加在33OHOH末端）且只能按末端）且只能按5533方向。（图）方向。（图）第23页/共29页第二十四页，共29页。第六节 人工接头连接 人工接头（衔接物或适配子）：指人工合成的具有一个或是(hu sh)个特定限制性内切酶识别和切割序列的双股平端DNA短序列。其分子长度约为8-12bp，具有一定碱基序列，在其序列内具有一个或多个限制性内切酶识别位点。利用人工合成的接头可以很方便地将具有平端的DNA片段结合到可怜载体上。 一般用连接酶将人工接头连接到外源片段的两端，利用内切酶切割成黏性末端，最后利用连接酶连接。此方法适用于没有所需限制酶切位点的外源片段。第24页/共29页第二十五页，共29页。1、人工接头连接平端的DNA片段（图）2、人工接头连接黏端的DNA片段 注意：人工接头的选择要以外源片段上的限制酶识别位点为主，要