常用分子生物学技术的原理及应用学案

1、常用分子生物学技术的原理及应用学案第 一 节分子杂交与印迹技术Molecular Hybridization & Blotting Technology核酸分子杂交 (nucleic acid hybridization ) 一、分子杂交与印迹技术的原理复性RNADNA核酸分子杂交的原理 带有某种标记的核酸单链作为探针，在一定条件下， 按碱基互补配对原则与互补的核酸单链退火形成双链杂交体， 鉴定靶序列的存在、分子大小或进行靶序列的相对定量分析。 核酸分子杂交的杂交动力学 核酸分子杂交 核心序列形成 自发过程 （一）印迹技术（二）探针技术 探针 (probe) 探针的来源 基因组DNA探针 cD

2、NA探针 RNA探针 寡核苷酸探针二、印迹技术的类别及应用（一）DNA印迹技术 (Southern blotting) （二）RNA印迹技术 (Northern blotting) （三）蛋白质的印迹分析 (Western blotting) 其他斑点印迹 (dot blotting) 原位杂交 (in situ hybridization)DNA点阵 (DNA array) DNA芯片技术 (DNA chip) 核酸杂交技术（一）Southern Blot 原理用途：检测样品中的DNA及其含量，了解基因的状态, 如是否有点突变、扩增重排等。 Southern Blot 操作步骤：DNA 琼脂

3、糖电泳 印迹转移 预杂交 杂交（变性探针） 洗膜 放射自显影或显色斑点印迹杂交(Dot blot)斑点印迹 优点简单、迅速；核酸粗提、多样品检测 缺点不确定分子量、特异性不高，假阳性 原位杂交 （In Situ hybridization） 标记的核酸探针与组织切片或细胞中的待测核酸中的互补序列杂交。 1969, Pardue -爪蟾核糖体基因探针 1970, Orth 兔乳头状瘤病毒cDNA探针 Western Blot 原理 操作过程SDS电泳 转膜（PVDF或硝酸纤维素膜）封闭 一抗 洗涤 酶标二抗反应洗涤 显色或化学发光显影 Hours 0 4 8 16Western blot ana

4、lysis of the cleavage of Caspase-3/Bcl-2. Cells were treated with 20M of gossypol for 4, 8 and 16 h. After treatment, cells were harvested and lysed in lysis buffer. 50ug of protein was loaded in each lane and the expression of actin was detected as a loading control.注意的问题蛋白质电泳常用SDS非变性PAGETris-Trici

5、ne胶中电泳聚丙烯酰胺具有神经毒性，操作时要戴手套三种印迹技术的比较分子杂交实验目 录放射自显影照片目 录 DNA芯片: （Bio-chip、DNA arrays、Oligonucleotide microchip) 特点：高度并行性，多样性，微型化和自动化。 DNA芯片Assay Formats NormalSle 1. Extract genomic DNA from tissue 4. Hybridize to Chip 5. Wash and Image 2. LabelGenomicExpression1. Extract mRNA from tissue2. Produce cDN

6、A by RT & Label4. Hybridize to Chip5. Wash and Image 3. Mix with labeled reference DNA3. Mix with labeled reference cDNATumorSampleDNA micrarray robot enclosed in a temperature and humidity controlled environment. Research UseFrom Sequence to function 计算Ratio 值 (= Cy3/Cy5) 在 0.5-2.0 之外的定义为在两样本中有明显差异

7、表达。进而获取初步功能信息。 Clustering 芯片杂交结果示意图DNA点阵目 录DNA芯片技术的主要应用 分析基因组、发现新基因 基因表达的研究 DNA序列分析 基因诊断 基因药物设计第 二 节 聚 合 酶 链 反 应Polymerase Chain Reaction PCR技术发展简史(1)PCR的最早设想 (2)PCR的实现 1985年美国PE-Cetus公司人类遗传研究室的Mullis 等发明了具有划时代意义的聚合酶链反应。(3) PCR的改进与完善 耐热的DNA聚合酶Taq DNA聚合酶于1988年saiki从嗜热水生菌thermus aquatics YT-1株中直接分离出来。

8、该菌株于1969年从美国黄石国家森林公园火山温泉中分离到。基因全长2,499bp，编码分子量为94 kd、长度为832个氨基酸的蛋白质。聚合酶链式反应(PCR)原理PCR是Kary Mullis于1985年发明的一种模拟天然DNA复制过程,即利用DNA 聚合酶（如Taq DNA聚合酶）等在体外条件下，催化一对引物间的特异DNA片段合成的基因体外扩增技术。5Primer 15Primer 2Cycle 2Cycle 155 55 5 5Template DNA55 555 5 55一、基本工作原理目 录Cycle 355 555 5 555 5 55 555 52530 次循环后，模板DNA的含

9、量可以扩大100万倍以上。目 录模板DNA 特异性引物耐热DNA聚合酶 dNTPs Mg2+ 二、PCR体系基本组成成分三、PCR的基本反应步骤变性95C延伸72C退火Tm-5C PCR thermal cyclers 平台期与平台效应（plateau effect） PCR经过一定数量的循环后，随着产物的对数累积趋于饱和，DNA片段不再呈指数积累，而是进入线性增长期或静止期，此过程称为平台效应。 PCR通用操作程序 向一微量离心管中依次加入：双蒸水 补至终体积（终体积20100l）10PCR缓冲液 1/10体积2mmol/L dNTP 1/10体积引物 各1050pmolDNA模板 1021

10、05拷贝Taq DNA聚合酶 0.22.5U混匀后，离心数秒。 加矿物油50100l于反应液表面以防蒸发,于PCR仪上设置程序，置反应管于PCR仪上，进行热循环。 琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物。（一）目的基因的克隆（二）基因的体外突变（三）DNA和RNA的微量分析（四）DNA序列测定（五）基因突变分析四、PCR的主要用途三、几种重要的PCR衍生技术（一）反转录PCR技术（二）原位PCR技术（三）实时PCR技术 原位PCR(In-situ PCR) 原位PCR是指直接用细胞涂片或石蜡片包埋组织切片在单个细胞中进行PCR扩增，然后用特异探针进行原位杂交检测含该特异序列的细胞的一种方法。 实时PCR技

11、术原理目 录第 三 节 核 酸 序 列 分 析Nucleic Acid Sequence Analysis核酸序列分析的基本原理化学裂解法 (Maxam-Gillbert法)DNA链的末端合成终止法 (sanger法)一、化学裂解法(Maxam-Gillbert法)基本原理基于某些化学试剂可以使DNA链在1个或2个碱基处发生专一性断裂的特性，精确地控制反应强度，使一个断裂点仅存在于少数分子中，不同分子在不同位点断裂，从而获得一系列大小不同的DNA片段，将这些片段经电泳分离。分析前，用同位素标记DNA的5末端，经放射自显影即可在X胶片上读出DNA链的序列。二、DNA链末端合成终止法目 录三、DN

12、A自动测序采用荧光替代放射性核素标记是实现DNA序列分析自动化的基础。用不同荧光分子标记四种双脱氧核苷酸，然后进行Sanger测序反应，反应产物经电泳分离后，检测器采集荧光信号，并依此确定DNA碱基的排列顺序。 DNA自动测序结果举例目 录基 因 文 库Gene Library第 四 节基因组DNA文库 (genomic DNA library)cDNA文库 (cDNA library) 基因文库 (gene library)是指一个包含了某一生物体全部DNA序列的克隆群体。目 录疾病相关基因的克隆与鉴定Cloning and Identification of Disease Relativ

13、e Genes第 五 节克隆疾病相关基因的策略（一）功能性克隆(functional cloning)（二）定位克隆(positional cloning)（三）非定位候选基因克隆策略(position- independent candidate gene approaches)（四）定位候选基因克隆策略(positional candidate gene approaches )定义 从对一种致病基因的功能的了解出发，克隆该致病基因。（一）功能性克隆应用 生化机制已明确、基因表达产物较易得到部分纯化的遗传性疾病。克隆方式 利用特异性抗体筛选表达型cDNA文库； 根据已知的部分氨基酸序列合成

14、寡核苷酸作探针，筛选cDNA文库。 功能互补试验 (functional complementation assay)利用酵母系统从功能学角度鉴定致病基因。 （二）定位克隆定义从一种致病基因的染色体定位出发逐步缩小范围，最后克隆该基因。（三）非定位候选基因克隆策略 由于基因组作图的完成和分子病理学的发展，人们可以不依靠染色体定位，直接根据病理学变化和对各种基因产物功能的了解，预测出候选致病基因。（四）定位候选基因克隆策略当致病基因的染色体定位确认后，人们可以利用因特网上的基因网站所提供基因序列数据，鉴定出候选致病基因。第 六 节遗传修饰动物模型的建立及应用The Establishment a

15、nd Application of Heredity-Modified Animal Model 转基因技术采用基因转移技术使目的基因整合入受精卵细胞或胚胎干细胞，然后将细胞导入动物子宫，使之发育成个体。 转基因被导入的目的基因转基因动物(transgenic animal)目的基因的受体动物一、转基因技术目 录核转移技术 即动物整体克隆技术，将动物体细胞核全部导入另一个体的去胞核的受精卵内，使之发育成个体，即克隆(clone)。二、核转移技术基因剔除技术也称基因靶向(gene targeting)灭活，有目的去除动物体内某种基因的技术。三、基因剔除技术四、基因转移和基因剔除技术在医学中的应用

16、建立动物模型 单基因决定疾病模型 基因剔除获得性突变(gain-of-function mutation) 多基因决定疾病模型第 七 节 生 物 芯 片 技 术Biological Chip TechnologyDNA芯片(DNA chip) cDNA芯片(cDNA chip)一、基因芯片基因芯片(gene chip)目 录是将高度密集排列的蛋白分子作为探针点阵固定在固相支持物上，当与待测蛋白样品反应时，可捕获样品中的靶蛋白，再经检测系统对靶蛋白进行定性和定量分析的一种技术。二、蛋白质芯片蛋白质芯片(protein chip)第 八 节蛋白质相互作用研究技术 Research Technology of Interaction of Protein蛋白质之间相互作用以及通过相互作用而形成的蛋白复合物是细胞各种基本功能的主要完成者。几乎所有的重要生命活动，包括DNA的复制与转录、蛋白质的合成与分泌、信号转导和代谢等等，都离不开蛋白质之间的相