导图社区 医学 分子生物学
分子生物学研究包括PCR技术分子、杂交与印迹技术、DNA测序技术、基因组编辑、生物芯片biochips、基因重组与基因工程以及基因诊断与基因治疗。
编辑于2021-12-24 15:08:20分子生物学
PCR技术
常规PCR技术
PCR技术的基本原理
类似于DNA的体内复制过程,即以待扩增的DNA分子为模板、以一对分别与模板DNA两条链互补的寡聚脱氧核苷酸为引物、以四种dNTP为底物、由DNA聚合酶按照半保留复制的机制沿着模板链延伸而合成新的DNA,不断重复这一过程,即可使目的DNA得到扩增。
基本步骤
变性➡️退火➡️延伸,三个步骤一循环,2~4分钟/循环,产物作为下一次循环的模版,如此循环30次,新生DNA片段理论上约可达2的n次方个拷贝
变性denature
加热至约95摄氏度,模版DNA双链解离成单链,以便它与引物结合
退火annealing (复性)
模板DNA经加热变性成单链后,将温度降⾄引物的Tm值左右或以下(55℃左右),引物与模板DNA单链互补配对,形成杂交链
延伸extension
DNA模板-引物结合物在TaqDNA聚合酶的作⽤下(72℃),以dNTP为反应原料,靶序列为模板,按照碱基互补配对,合成⼀条新的与模板DNA 链互补的链
PCR引物设计
PCR反应中有⼀ 对引物, 即5’端引物和3’端引物.设计引物时以⼀ 条 DNA单链为基准,5′端引物与待扩增⽚段5′端上游的⼀ 段DNA序列相同; 3′端引物与待扩增⽚段3′端的⼀ 段DNA序列互补
反向互补
PCR反应中,决定产物特异性最关键的因素是引物(引物与模板DNA特异性正确结合)
基本原则
①引物⻓度: 15-30bp, 常⽤为20bp左右。
②引物碱基:G+C含量以40-60%为宜 。ATGC随机分布,避免5个以上的嘌呤或嘧啶核苷酸的成串排列
③引物内部不应出现互补序列
④两个引物之间不应存在互补序列,尤其是避免3 ′ 端的互补重叠
⑤两个引物的Tm值相差⼩于5℃, 扩增产物的Tm值 与引物Tm值相差⼩于10℃
Tm值=4(G+C) +2(A+T)
⑥引物3’端末端的性质⾮常重要, 3’末端最佳碱基是 G和C
⑦引物的5’端可以修饰。如添加限制性酶切位点, 引 ⼊突变位点, 加⼊其它短序列 (起始密码⼦ 、终⽌ 密码⼦等
设计软件
NCBI 网站
反应特点
控制:PCR反应体系,反应温度和循环次数
反应温度
变性温度和时间: 95℃, 30s 退⽕温度和时间: 低于引物Tm值5 ℃左右,一般在45~55℃ 延伸温度和时间: 72℃, 1min/kb (10kb内)
循环次数
⼀般为25~30次,它决定PCR扩增产量 模板初始浓度低,可增加循环数增加扩增量 循环数超过30个以后,DNA聚合酶活性逐渐达到饱和, 产物的量不再随循环数的增加⽽增加 (“平台期”)
特异性强
决定PCR反应的特异性的因素包括:引物与模板DNA特异正确的结合 (关键)、碱基配对原则、Taq DNA聚合酶合成反应的忠实性、靶基因的特异性与保守性
灵敏度高
PCR产物的⽣成量以指数增加, 能将⽪克 (pg= 10- 12)的待测模板扩增到微克( g= 10-6)⽔ 平 。能从100万个细胞中检出⼀ 个靶细胞; 在细菌学中最⼩检出率为3个细菌
对标本的纯度要求低
可直接从临床标本 (⾎液 、体腔液 、洗嗽液 、⽑发 、细胞 、活组织) 等粗制的DNA扩增 检测
简便快速
PCR扩增产物的分析
1.琼脂糖凝胶电泳2. 酶切分析 3. 分⼦杂交4. 核酸序列分析
常见的PCR衍生技术
逆转录PCR(RT- PCR)
以RNA为模板,采⽤Oligo dT或随机引物利⽤逆转录酶反转录成cDNA.再以cDNA为模板进⾏PCR扩增⽬的基因
逆转录的体系
巢式PCR
巢式PCR可以提⾼PCR的灵敏度和特异性 尤其适于模板含量较低的样本
使用两套引物的PCR技术
多重PCR
主要⽤于多种病原微⽣物的同时检测
可以同时扩增多个基因的PCR技术
甲基化特异性PCR
主要⽤于检测基因组DNA中CpG岛的甲基化状态
原位PCR
(in situ PCR) : 在组织细胞⾥进 ⾏ PCR反应, 它结合了具有细胞定位能⼒的 原位杂交和⾼度特异敏感的PCR技术的优点 。 在组织细胞原位检测单拷⻉或低拷⻉的特定DNA或RNA序列。
可以直接对组织内的核酸进行扩增检测的PCR技术
定量PCR(qPCR)
也称实时定量PCR (quantitative real-time PCR),是指在PCR反应体系中加⼊荧光基团, 利⽤荧光信号变化来实时监测PCR进程 , 并对未知模板进⾏定量分析的⽅法
常见技术
非探针类
荧光染料SYBR Green:在PCR反应体系中,加⼊过量SYBR荧光染料, SYBR荧光染料特异性地掺⼊DNA双链后,发射荧光信号。⽽不掺⼊链中的SYBR染料分⼦不会发射荧光信号,从⽽保证荧光信号的增加与PCR产物的增加完全同步
探针类
荧光探针
Tapman 荧光探针(水解类)
PCR扩增时,在加⼊⼀对引物的同时加⼊⼀ 个特异性的荧光探针,该探针为⼀ 寡核苷酸,两端分别标记⼀个荧光报告 基团和⼀ 个荧光淬灭基团。探针完整时,报告基团发射的荧 光信号被淬灭基团吸收,即荧光共振能量转移 (FRET)
作用原理
1. 每产⽣⼀ 条DNA链,就切断⼀ 条Taqman探针 2. 每切断⼀ 条Taqman探针,就产⽣⼀ 个单位荧光信号 3. 荧光信号累积与PCR产物完全同步化,荧光信号强度与PCR产物数量成正⽐
分子信标探针
分⼦信标探针是⼀ 种呈发夹结构的茎环双标记寡核苷酸探针
PCR扩增: ⼀对引物; 分⼦信标探针
分⼦信标未与靶分⼦结合时,分⼦信标碱基配对,使得荧光 基团与淬灭基团距离很近(<10nm),荧光共振能量转移,荧光猝灭
当分⼦信标与序列互补的靶分⼦结合时(退火),环与靶序列杂交⽽形成⽐茎⼲部分更⻓更稳定的碱基对,荧光基团与猝灭基团距离较远,可以检测到荧光
FRET探针(双杂交探针)
探针由两条和模板互补,且相邻的特异探针组成 (距离1-5bp)上游探针的3’端标记供体荧光基团,相邻下游探针的5’端标记受体荧光基团
当变性时,两探针游离,两基团距离远,不能检测到受 体基团的荧光。 退⽕时检测信号,⾮累积信号
当复性时,两探针同时结合模板上,供体基团和受体基团紧密相邻,激发供体产⽣的荧光能量被受体基团吸收,可以检测到受体基团的荧光
可⽤于SNP分析和Tm曲线分析
原理
循环阈值 (cycle threshold, Ct):扩增产物的荧光信号到达设定的荧光阈值时所经历的循环数
PCR反应的前15个循环的荧光信号作为 荧光本底信号, 荧光阈值设置为3- 15个循环的荧光信号的标准偏差的10倍
循环值越大,Ct 值越大
Ct值与起始模板量的关系: Ct = -k × lgX0 + b
初始模板量(X0) 越多,Ct值越⼩ 。 利⽤已知起始拷⻉数的标准 品可作出标准曲线。因此,只要获得未知样品的Ct值,即可从标准曲线上计算出该样品的起始拷⻉数
绝对定量:制作标准曲线(样品浓度已知,样品属于同一批次) 1.待测样品与不同浓度的标准品同时扩增检测; 2.根据标准品制作标准曲线, 以标准品拷⻉数 的对数值为横坐标,以Ct值为纵坐标; 3.根据待测样品的Ct值计算真实拷⻉数
相对定量
双标准曲线
1.选取⼀个标准品 (靶基因拷⻉数未知) 2.构建靶基因和内参基因两条标准曲线
1. 将标准品进⾏10倍稀释,扩增标准品和待测样 品中的靶基因和内参基因; 2. 制作标准曲线; 3. 计算相对表达量:
用管家基因(表达量恒定)做内参基因,使起始基因细胞数一致,对不同样品的操作或取样误差进行校正
2-ΔΔCt
待测样本和对照样品的靶基因和内参基 因进⾏检测,分析得出相应的Ct. 靶基因的相对表达量=2-ΔΔCt
ΔΔCt=(Ct待测样品靶基因-Ct待测样品内参基因)-(Ct对照样品靶基因-Ct对照样品内参基因)
PCR技术的应用
分子杂交与印迹技术
分子杂交技术
概念
分子杂交Molecular hybridization:核酸分子杂交,指变性后复性的过程中,来源不同但互补配对的核酸单链( 包括DNA和DNA, DNA和 RNA, RNA和RNA)相互结合形成杂合双链的现象
依据分子杂交特性建立的一种对目的核酸 分子进行定性和定量分析的技术
通常是将一种核酸单链用同位素或非同位素标记(探针),再与目的核酸单链进行分子杂交,通过对探针的检测来实现对目的核酸分子的检测和分析
分类
液相杂交
参加反应的核酸和探针都游离在溶液中,操作繁琐,应用极少
固相杂交
将参加反应的核酸分子首先固定在支持物上(包括硝酸纤维素滤膜、尼龙膜、乳胶颗粒、磁珠等),然后再进行杂交反应。其中以硝酸纤维素滤膜和尼龙膜最为常用,特称为滤膜杂交或膜上印迹杂交
原位杂交
斑点杂交
印迹杂交
基因芯片技术
反向杂交
基本原理
分子杂交技术与印迹技术的关系
口分子杂交与印迹技术实质上是两个完全不同的技术 ,但在实际研究工作中,由于两者密切相关、往往 联合使用 "在研究核酸分子的时候,两者往往联合使用, DNA印迹(DNA印迹杂交)、RNA印迹(RNA印 迹杂交) "蛋白质的印迹技术就不和分子杂交技术联用而是和免疫酶法检测联用,因此只能称为蛋白质印迹或Western印迹或免疫印迹技术
印迹技术
概念
印迹或转印(blot或blotting)将核酸或蛋白质等生物大分子通过一定方式转移并固定至尼龙膜等支持载体上的一 种方法
如果被印迹的物质是DNA或RNA, 一般使用核酸分子杂交技术进行后续检测
如果被印迹的物质是蛋白质,一般通过与 标记的特异性抗体发生抗原-抗体结合反应而间接显色来进行后续检测,故也称为免疫印迹技术(immuno-blotting)
常用的印迹支持介质
-尼龙膜(核酸) -硝酸纤维素膜(核酸或蛋白质) -PVDF膜(蛋白质)
印迹方法
♦毛细管虹吸印迹法:利用浓盐转移缓冲液的推动作用,将 凝胶中的DNA转移到固相支持物上
♦电转印法:通过电泳作用将凝胶中的DNA转移到滤膜上
♦真空转移法:其原理与毛细管虹吸印迹法相同
印迹分类
Southern印迹(靶序列:DNA) Northern印迹(RNA) Western印迹(蛋白质)
操作:电泳-印迹-杂交-放射自显影或化学显色
探针的种类及其制备
探针(probe):—种用同位素或非同位素标记的核酸单链,通常是人工合成的寡核苷酸片段
作用:要检测样品中的特定DNA序列或基因片段, 首先必须获得相应的探针(即与之互补的DNA或RNA片段,并携带 示踪标记),通过对探针的检测来间接获取待检核酸样品的相关信息
种类
放射性探针
放射性核素:32P,3H,35S
优点:特异性强,假阳性率低,灵敏度高
缺点:放射性污染,半衰期短,随用标记
非放射性探针
探针的标记
1.化学法:利用化学反应将标记物的活性基团直接连 接到探针分子上的基团(如磷酸基团) 最常用的是125|标记和生物素标记,多用于寡核昔酸探针
2.酶法标记:将标记物预先标记到核昔酸(NTP或dNTP)分子上,然后利用酶促反应将标记的核昔酸分子掺人到探针分子中。此类标记常见有缺口平移法、随机引物法、末端标记法、PCR标记法
缺口平移法:利用大肠杆菌DNA聚合酶I的多种酶活性,将标记的dNTP掺入到新生成的DNA链中,最 终合成均匀标记的DNA探针
随机引物标记法:随机引物是人工合成的长度为6个核昔酸残基寡聚核苷酸片段的混合物
末端标记法
常用的分子杂交与印迹
Southern印迹主要用于检测基因组DNA
Southern印迹:指DNA与DNA探针的杂交。 将电泳分离的待测DNA片段转印并结合到一定的固相支持物上,然后用标记的DNA探针检测待测DNA的一种方法
实验步骤:制备样品(提取基因组DNA)➡️限制性核酸内切酶切消化➡️电泳分离(琼脂糖凝胶电泳)➡️碱变性(断裂成较短片段,变性为单链)➡️转印➡️探针的标记与制备➡️预杂交,封闭膜上非特异性结合位点➡️杂交➡️洗膜➡️显影和数据分析
应用
证实淋巴细胞Ig基因从母细胞分化成熟经过多次基因重排
发现成熟B淋巴细胞中免疫球蛋白基因重排现象
进行克隆基因的酶切图谱分析
特定基因的定性和定量
DNA多态性RFLP等分析
RFLP限制性片段长度多态性,一种分子标记
Northern印迹主要用于检测RNA
靶核酸:RNA
RNA电泳:事先不需做限制性内切酶处理,直接电泳。在变性琼脂糖凝胶中电泳(变性剂乙二醛或甲醛,维持单链线性状态)
转膜:电泳后不需要再进行变性,用毛细管虹吸法等方法转移
样品制备➡️琼脂糖凝胶电泳➡️转印➡️探针的标记和制备➡️杂交➡️显影和数据分析
Western印迹/免疫印迹,主要用于检测蛋白质
采用变性聚丙烯酰胺凝胶电泳进行蛋白质分离
利用免疫学的抗原-抗体反应来检测被转印的蛋白质
被检测物是蛋白质,“探针”是抗体,“显色”用标记的二抗
样品制备➡️聚丙烯酰胺凝胶电泳➡️转印➡️脱脂牛奶封闭➡️一抗➡️洗膜➡️二抗➡️洗膜➡️显影(化学发光)
DNA测序技术
双脱氧法(Sanger法)
基本原理
以单链或双链DNA为模板,采用DNA引物引导新生DNA的合成,因此该方法又称为引物合成法(或酶促引物合成法)
DNA聚合酶既能以dNTP为底物,也能以ddNTP为底物
在DNA的合成反应中加入4种正常的脱氧核苷三磷酸(dNTP)和1种少量的ddNTP,那么DNA链的延伸将随机终止于N的位置上,得到一系列的长短不一的核苷酸链
基本过程
设置四个反应管➡️各管同时加入模板、引物(末端用放射性核素标记)、DNA聚合酶、4种dNTP➡️各管分别加入一种ddNTP (1/10dNTP)➡️聚丙烯酰胺凝胶电泳➡️放射自显影
化学降解法
以化学修饰为基础的DNA序列分析法
基本原理
用化学试剂修饰DNA分子中的不同碱基,造成碱基的特异性切割,由此产生一组具有不同长度的DNA链的反应混合物,经凝胶电泳分离和放射自显影(DNA片段带放射性标记),便可根据显示的带谱直接读出待测DNA片段的核苷酸顺序
基本过程
第一步:在待测DNA片段的末端进行放射性标记
第二步:4个反应管中分别以肼、硫酸二甲酯(DMS)和甲酸对特定的碱基进行化学修饰
第三步:以六氢吡啶取代被修饰的碱基并将DNA链断裂;
第四步:凝胶电泳和放射自显影
全自动测序技术
基因组编辑
概念
即基因编辑、基因组工程,是一种在基因组水平上对某个基因或某些基因的序列进行有目的的定向改造的遗传操作技术
原理
利用人工构建或天然的核酸酶,在预定的基因组位置用核酸内切酶切开DNA链,切断的DNA在被细胞内的DNA损伤修复系统修复过程中会产生序列的变化,从而达到定向改造基因组的目的
特异性DNA双链断裂激活细胞天然的修复机制,包括:非同源末端连接,同源重组修复
非同源末端连接(NHEJ)是一种低保真度的修复过程,断裂的DNA修复重连的过程中会发生碱基随机的插入或丢失,造成移码突变使基因失活,实现目的基因敲除。 如果一个外源性供体基因序列存在,NHEJ机制会将其连入双链断裂DSB位点,从而实现定点的基因插入
同源重组修复(HR)一种相对高保真度的修复过程,在一个带有同源臂的重组供体存在的情况下,供体中的外源目的基因会通过同源重组过程完整的整合到靶位点,不会出现随机的碱基插入或丢失。 如果一个基因两侧同时产生DSB,在一个同源供体存在的情况下,可以进行原基因的替换。 实现基因定点突变、突变基因或缺陷基因修正、定点插入外源基因等
种类
第一代:兆核酸酶
一类识别为点序列较长(12-40bp)脱氧核酸内切酶。特异性高
分为两类: 内含子核酸内切酶 内含肽核酸内切酶
第二代:ZFN(锌指核酸酶), 1996年
人工改造的核酸内切酶,利用不同的锌指模体结构单元组合识别特异DNA序列,利用核酸内切酶Fok I切断非特异性靶DNA。
ZFN= DNA结合结构域+核酸内切酶
DNA结合结构域:锌指模体结构单元(ZFP),3-6个串联 核酸内切酶:非特异性核酸内切酶Fok I,需二聚化
非特异性核酸内切酶Fok I,需形成二聚体时,切割双链DNA
优缺点
ZFN可用于多个物种基因位点修饰
缺点: DNA识别虽然具有较强的特异性识别能力,但识别的序列长度有限 脱靶效应-ZFN剪切不完全依赖同源二聚体的形成,异源二聚体会造成脱靶效应 持续表达具有很大的细胞毒性。基因治疗体内使用时可能引发免疫反应。故,目前体外操作再回输体内
第三代:TALEN(转录活化因子样效应核酸酶),2011年
TALEN (Transcription activator-like effector nuclease)人工改造的限制性核酸内切酶
1)DNA结合结构域:由一系列TALE蛋白串联组成(一般20个左右),每个TALE蛋白识别并结合一个对应的碱基。 2)核酸内切酶:非特异性核酸内切酶Fok I,需二聚体
基本流程
选择靶位点 TALE识别模块串联构建 TALEN真核表达质粒构建 TALEN真核表达质粒转入(卵)细胞,表达TALEN重组蛋白,实现基因敲除
优缺点
优点:TALEN特异性识别DNA序列可设计性更强,不受上下游序列影响,具有比ZFN更广阔的应用潜力;目前已在人、大鼠、小鼠、猪、羊、斑马鱼、拟南芥和酵母等多类物种中得到成功
缺点:脱靶效应;TALEN与基因组进行特异性结合与染色体位置及临近序列有关
第四代:CRISPR/Cas9(成簇的规律性间隔的短回文重复序列),2013年
CRISPR: Clustered Regularly Inter-Spaced Palindromic Repeatsm,成簇规律间隔短回文重复序列 包括:前导序列-重复序列-间隔序列,识别作用
Cas:CRISPR associated, Cas蛋白具有核酸酶活性,表达核酸内切酶,切割作用
常用系统: CRISPR/Cas9
CRISPR: 前导序列-重复序列-间隔序列 Cas9基因(CRISPR associated gene 9)
CRISPR/Cas9系统靶向要求 最主要的要求:PAM (protospacer-adjacent motif)为NGG
crRNA中的间隔序列与靶DNA识别
Cas9与PAM旁靶DNA序列结合,并形成R-loop
Cas9: HNH核酸酶活性 :切割与crRNA结合的靶DNA单链 RuvC:切割另外一条单链
CRISPR/Cas9系统由Cas9核酸内切酶与sgRNA构成。转录的sgRNA折叠成特定的三维结构后与Cas9蛋白形成复合体,指导Cas9核酸内切酶识别特定靶位点,在PAM序列上游切割DNA造成双链DNA断裂,并启动DNA损伤修复机制
sgRNA: single guide RNA 包括crRNA 和tracrRNA
常用系统 CRISPR/Cpf1
第二代基因编辑技术
Cpf1:CRISPR-asscociated endonuclease in Prevotella and Francisella 1 只需一个RNA分子 Cpf1分子量小,编辑成功率高 PAM与crRNA识别位点远,使可编辑位置选择性大 产生粘性末端
应用
基因组编辑:突变、插入、缺失等
调控基因表达:CRISPRi基因沉默(dead Cas9) CRISPR-Cas13基因编辑/沉默(Cas13具有RNA酶活性)等
生物芯片 biochips
以微电子系统技术和生物技术为依托,在固相基质表面构建微型生物化学分析系统,将生命科学研究中的许多不连续过程(如样品制备、生化反应、检测等步骤)在一块普通邮票大小的芯片上集成化、连续化、微型化,以实现对蛋白质、核酸等生物大分子的准确、快速、高通量检测
分类
基因芯片技术
核算微阵列
蛋白质芯片技术
蛋白质(抗原/抗体)微阵列
细胞芯片
组织芯片
基因芯片
gene chip:又称DNA芯片、DNA微阵列或寡核苷酸微芯片,是基于核酸分子杂交原理建立的一种对DNA进行高通量、大规模、并行分析的技术
基本原理
将大量寡核苷酸分子固定于支持物上,然后与标记的待测样品进行杂交,通过检测杂交信号的强弱对待测样品中的核酸进行定性和定量分析
种类
DNA水平
SNP芯片,array CGH芯片,DNA甲基化芯片
RNA水平
mRNA芯片,micro RNA芯片
检测基因突变、基因SNP,DNA甲基化 检测基因表达水平等
基本流程
将寡核苷酸探针制备于固相支持物上的策略有两种:一是在固相支持物上直接合成一系列寡核苷酸探针,二是先合成寡核苷酸探针后,再按一定的设计方式在固相支持物上点样
主要特点
技术操作简单,自动化程度高,序列数量大,检测效率高,应用范围广,成本相对低
应用
基因测序及基因图绘制 检测基因突变 (肿瘤基因检测) 基因表达分析(发育和组织发生) 在药物研究中的应用(培养细胞药物刺激前后表达差异) 在微生物菌种鉴定和致病机制研究中的应用 在农林业生产中的应用 在军事、司法领域的应用(法医鉴定如DNA指纹图谱)
蛋白质芯片
(protein chip):或称蛋白质微阵列,与基因芯片原理相似,但芯片上固定的是蛋白质(如抗原或抗体等)
应用
蛋白质表达谱分析 蛋白质-蛋白质相互作用分析 DNA-蛋白质或RNA-蛋白质相互作用 筛选药物作用的蛋白质靶点
基因重组与基因工程
自然界的DNA重组与基因转移
基因重组
基因重组:DNA分子内或分子之间碱基序列的交换、重排和转移的现象,是已有遗传物质的重新组合。包括同源重组、位点特异性重组和转座重组
基因转移(gene transfer):基因或遗传信息从一个细胞转移到另一个细胞的现象。原核生物中有转化、接合和转导
同源重组
发生在DNA同源序列之间的重组,是最基本的DNA重组方式。通过链的断裂和再连接,在两个DNA分子同源序列间进行单链或双链片段的交换。
广泛存在
真核生物非姐妹染色单体的交换,姊妹染色单体的交换 细菌的转化、转导、接合 噬菌体的重组
同源程度越高、同源区域越大,重组的频率越高
位点特异性重组
(site-specific recombination) :由特异性重组酶催化,在DNA分子间或内部的特异性位点间发生的重组。
不依赖于DNA序列的同源性,依赖于能与某些酶相结合的DNA序列
广泛存在: λ噬菌体DNA的位点特异性整合 鼠伤寒沙门菌鞭毛抗原转换时发生的倒位 免疫球蛋白基因的重排
分类
λ噬菌体DNA的位点特异性整合
λ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
鼠伤寒沙门菌鞭毛抗原转换时发生的倒位
Hix含有反向重复序列,它们之间的H片段可在Hin控制下进行特异位点重组(倒位)
H片段上有两个启动子P,其一驱动hin基因表达,另一正向时驱动H2和rH1基因表达,反向(倒位)时H2和rH1不表达。rH1为H1的阻遏蛋白基因
免疫球蛋白基因的重排
免疫球蛋白(Ig),由两条轻链(L链)和两条重链(H链)组成,分别由三个独立的基因族编码,其中两个编码轻链(和),一个编码重链
重链(IgH)基因的V-D-J重排和轻链(IgL)基因的V-J重排均发生在特异位点上。在V片段的下游,J片段的上游以及D片段的两侧均存在保守的重组信号序列
转座重组
转座重组 transposition recombination :DNA分子上的一段序列从一个位置移动到另一位置的现象。这些可移动的DNA序列称为转座子。
分类
方式
自然界的基因转移-接合
接合作用conjugation:细菌的遗传物质在细菌细胞间通过细胞-细胞间直接接触或细胞间桥样连接的转移过程。较大片段的DNA转移
接合型质粒(Plasmid) 质粒:细菌染色体外的能够自主复制的小型环状双链DNA分子
可接合质粒如 F 因子(F factor) 即致育因子,含细菌性鞭毛蛋白编码基因,控制细菌表面性鞭毛的形成
转化作用(transformation) 接受细胞获得供体细胞游离的DNA片段,并引起自身遗传改变的过程。分为自然转化和人工转化。
重组DNA技术
相关概念
克隆:通过无性繁殖所产生的与亲代完全相同的子代群体,即来自同一始祖的相同副本或拷贝的集合
重组DNA技术:通过体外操作将不同来源的两个或两个以上DNA分子重新组合,形成新功能DNA分子的方法。又称为DNA克隆、分子克隆、基因克隆
基因工程:在体外应用人工方法进行的DNA重组,可产生人类需要的基因产物或者改造、创造新的生物类型。
狭义定义,即重组DNA技术 广义定义,即重组DNA技术的产业化设计与应用,包括: 上游技术:重组DNA技术 下游技术:重组菌或细胞的大规模培养和外源基因表达产物的分离纯化与鉴定等过程。
工具酶
(tool enzyme)是应用于基因工程各种酶的总称
基因工程涉及到DNA的合成、切割、连接和修饰。这些工作都由不同的工具酶来完成。
分类
限制性核酸内切酶,T4DNA连接酶,DNA聚合酶,碱性磷酸酶等
限制性核酸内切酶
restriction endonuclease识别双链DNA的特异序列,并在识别位点或其周围切割双链DNA的一类核酸内切酶
功能
限制性核酸内切酶主要存在于细菌中,与甲基化酶共同构成细菌的限制修饰系统,限制外源DNA,保护自身DNA
分类
I型:具有修饰和识别切割的作用,识别专一性,切割无专一性
II型:具有识别切割的作用,切割所识别的序列,并且切割位点固定可知。 通常说的限制酶指的就是II型 必须阳离子:Mg2+
III型:具有修饰和识别切割的作用,识别专一性,切割无专一性,且在识别位点外切割
命名
(Smith-Nathane命名法) 第一个字母取自产生该酶的细菌属名(大写斜体); 第二、第三个字母是该细菌的种名(小写斜体); 第四个字母代表特定菌株; 用罗马数字表示发现的先后次序
作用特点
1) II型酶识别DNA序列呈回文结构,4-8bp
2)切割DNA均产生含5’-磷酸和3’-羟基的末端
3)错位切割产生具有5’或3’突出的粘性末端;沿对称轴切割产生平头末端
4)来源不同的限制酶,但能识别和切割同一位点,这些酶称为异源同工酶(或同切点酶)
5)有的限制酶尽管识别序列不同,但切割DNA后,产生相同的粘性末端,称为同尾酶
DNA连接酶
DNA ligase) 功能:催化DNA中相邻的5’-磷酸基团和3’-羟基末端之间形成3’,5’,-磷酸二酯键,使具有相同粘性末端或平头末端的DNA片段连接起来。主要是T4 DNA连接酶。
连接目的基因与载体
DNA聚合酶
酶活性: 5’ →3’聚合酶活性 5’ →3’外切酶活性 3’ →5’外切酶活性
在重组DNA技术中的主要功能: DNA序列分析(双脱氧法) 制备标记探针(缺口平移法) 合成双链cDNA分子中的第二股链 填补3’末端
逆转录酶 reverse transcriptase
逆转录酶以RNA为模板合成DNA,合成时需要4种dNTP及引物,具有5’→3’聚合酶活性,无3’→5’外切酶活性
常用:禽类成骨细胞性白血病病毒(AMV)逆转录酶、Moloney小鼠白血病病毒(MMLV)逆转录酶
用于合成cDNA(构建cDNA文库)
碱性磷酸酶:防止自身活化
载体
载体(vector):是一种在细胞中能够自主复制的、由DNA分子构成的一种遗传成分(复制子),它能携带外源DNA片段(“乘客”)进入指定的宿主细胞,并在其中复制、转录或表达
载体一般通过改造天然的细菌质粒、噬菌体或病毒等构建而成
主要功能:运送外源基因转入宿主细胞、为外源基因提供复制能力或整合能力、为外源基因表达提供必要的条件。
特点
(作为载体应具备的条件) 能在宿主细胞中复制(含有至少一个复制起始点); 具有一个以上的筛选标记,便于重组体的筛选和鉴定; 具有多种限制酶的单一切割位点(多克隆位点),便于外源DNA插入
分子量小,以容纳较大的外源DNA;较高的拷贝数,以利于载体的制备,提高克隆成功率; 容易进入宿主细胞,也容易从宿主细胞中分离纯化出来; 对于表达载体还应具有与宿主细胞相适应的基因表达元件(启动子、增强子等)
分类
按功能目的分类
克隆载体:可携带外源DNA序列进入宿主细胞内并能进行复制扩增的载体。主要用于克隆和扩增DNA片段或扩增构建文库。
表达载体:使插入的外源DNA序列进入宿主细胞,并表达为功能产物的载体。表达载体具有克隆和表达两种功能。可分为原核表达载体和真核表达载体
宿主细胞:原核载体,真核载体,穿梭载体
载体特性:质粒,噬菌体,黏性质粒,病毒载体,酵母人工染色体
噬菌体:优点(感染率高,克隆容量大) λ噬菌体容纳5-20kb的外源DNA,用作构建cDNA文库和基因组文库。 M13噬菌体:是环状单链DNA分子
cosmid 载体 黏性质粒(黏粒):带有黏性末端位点(cos)的质粒。是由质粒和λ噬菌体的cos黏性末端构建而成,主要用于文库构建。
重组DNA技术的操作过程
目的基因的类型 DNA:染色体或线粒体或叶绿体上的DNA; cDNA(complementary DNA):mRNA逆转录成互补的单链DNA,再以此为模板,经聚合反应形成双链cDNA
获取目的基因的方式
化学合成法
已知的或可推导出的核苷酸序列
合成片段长度有限,150-200bp。可分段合成再拼接
从基因文库中筛选目的基因
基因文库:通过克隆方法保存在适当宿主中的一群混合DNA分子,所有这些分子中插入片段的总和可代表某种生物的全部基因组序列或全部mRNA序列
基因组文库:某种生物体所有基因组序列的随机片段重组DNA克隆的群体
cDNA文库:某生物某一发育时期所转录的mRNA 全部经逆转录形成的cDNA 片段,与某种载体连接而形成的克隆的集合
PCR扩增目的基因
其他方法,比如直接分离法等
载体与目的基因的连接(接)
限制性核酸内切酶切割载体和目的基因 DN A连接酶连接
黏性末端连接
单一相同黏端连接:缺点有自身环化、双向插入、多拷贝插入等
不同黏端连接:产生不同黏性末端,可定向插入
PCR产生黏端:引物5端有限制酶的酶切位点
同聚物加尾:末端转移酶,目的基因和载体加入互补的碱基(PolyA PolyT)
人工接头:将接头连到平末端,酶切产生黏性末端
平末端链接:效率低、自身环化、多拷贝插入等缺点
黏-平末端连接:效率低
重组DNA导入宿主细胞(转)
宿主细胞应该具备的条件:安全性高,易于导入重组DNA,重组DNA分子能稳定维持,便于筛选
原核细胞
转化:通过物理化学等方法使外源DNA进入受体原核细胞,并在细菌体内扩增和表达的过程
CaCl2法:低渗CaCl2溶液处理,细胞壁通透性增加,42度热休克时外源DNA进入。 电穿孔法:电击杯,高压脉冲电场下,细胞出现瞬间可逆性穿孔。 体外包装感染法:噬菌体或黏粒,包装成完整的噬菌体颗粒。
感受态细胞:用特殊方法处理后、具备接受外源DNA能力的细菌
真核细胞
转染:将质粒、噬菌体或以他们为载体构建的DNA重组体导入真核细胞的过程
瞬时转染:不整合到宿主基因组中,一个宿主细胞中可存在多个拷贝,产生高水平表达,只持续几天,不能传代。多用于启动子和其他调控元件分析
稳定转染:外源DNA既可以整合到宿主基因组中,稳定传代,也可以作为一种游离体存在。
转染方法
物理介导法
显微注射法:直接注射,整合,转基因动物 电穿孔:高脉冲电压破坏细胞膜电位,DNA通过膜上形成的小孔导入,适合所有细胞,瞬时和稳定转染 基因枪:高速离子将核酸导入细胞,在体细胞和培养细胞 光转染:通过特定波长的光激活位于靶细胞内吞泡中的光敏剂,启动光化学反应,释放细胞内转染基因进入胞浆
化学介导法
磷酸钙-DNA共沉淀:内吞作用,瞬时/稳定 脂质体介导法:阳离子(DNA带负电荷)脂质体,膜融合或内吞作用,细胞毒性 聚乙二醇介导转染法:酵母或真菌细胞
生物介导法
病毒感染法:高效,稳定转染 原生质融合:细菌原生质与真核细胞直接融合
重组体的筛选与鉴定(筛)
遗传学方法
抗药性标志选择 标志补救(如a-互补等) 噬菌斑筛选:包装限制
分子生物学法
菌落快速裂解鉴定 限制性内切酶图谱分析 菌落PCR扩增 分子杂交(Southern blot等) DNA测序
免疫学方法
免疫化学方法 酶学免疫检测分析
与医学的关系
疾病基因的发现与克隆
生物制药
胰岛素,干扰素
基因诊断
基因治疗
遗传疾病的预防
基因诊断与基因治疗
基因诊断
概念
采用分子生物学技术检测DNA或RNA在结构或表达上的变化,从而对疾病作出诊断
实验室诊断技术
基因诊断的样品
DNA
基因组特征性DNA的鉴定 基因拷贝数的测定 基因组DNA多态性位点的检测 基因组调控元件的检测 线粒体基因组拷贝和突变位点的检测 游离循环DNA 的检测等
RNA
RNA病毒 mRNA表达 非编码miRNA和lncRNA 游离循环RNA
特点
特异性高,灵敏度高,速度快,诊断范围广
常用技术
定性检测:基因分型、基因突变分析等
定量检测:基因拷贝数、基因表达产物量等
分子杂交与印迹技术
PCR-ASO-斑点杂交
ASO: allele-specific-oligonucleotide等位基因特异性寡核苷酸
检测基因多态性或点突变:PCR扩增目的DNA;根据正常/突变位点,设计探针:正常探针和突变探针;斑点杂交;结果分析
反向斑点杂交
PCR
病原微生物检测和肿瘤基因检测等
定量PCR
基于分子构象检测的技术
PCR-单链构象多态性 (PCR-SSCP)
将经PCR扩增的DNA片段经过变性处理,形成单链,由于序列不同,单链构象就有差异,在中性聚丙烯酰胺凝胶中电泳的迁移率不同,通过与标准物的对比,即可检测出有无变异
特点
操作简单、灵敏度高;
假阴性、只能定性分析;
目前较少使用
PCR-变性高效液相色谱 (PCR-DHPLC ):
PCR扩增
扩增产物与野生型DNA双链混合,变性,复性,形成同源双链(突变-突变,野生-野生)、异源双链(突变-野生)
经过色谱柱,由于异源双链存在部分碱基错配,与同源双链的解链特征不同,在相同的部分变性条件下,异源双链更易变性,被色谱柱保留的时间短于同源双链。从而在色谱图中表现为双峰或多峰的洗脱曲线
基因芯片技术
基因测序
基因治疗
概念
将核酸作为药物导入患者特定靶细胞,使其在体内发挥作用,以最终达到预防或治疗疾病目的的治疗方法
分类
根据靶细胞种类的分类
生殖细胞基因治疗
体细胞基因治疗
实施方案不同
直接体内基因治疗
间接体内基因治疗
基本策略
基因修复
基因替换(gene replacement):将正常的目的基因导入特定的细胞,通过体内基因同源重组,以导入的正常目的基因原位替换病变细胞内的致病缺陷基因,使细胞内的DNA完全恢复正常状态
基因矫正(gene correction):将致病基因中的异常碱基进行纠正,而正常部分予以保留
基因添加
也称基因增补gene agumentation
指将正常基因导入病变细胞或其它细胞,通过基因的非定点整合使其表达,以补偿缺陷基因的功能,或使原有基因的功能得到增强,但缺陷基因本身并未除去
目前的基因治疗多采用此种方法
基因失活
又称基因沉默、基因干扰
将特定核酸序列导入细胞内,在转录或翻译水平抑制某些基因的异常表达,以达到治疗疾病的目的
较常用的方法是采用反义寡核苷酸、核酶、siRNA,抑制基因的表达
此类基因治疗的靶基因往往是过度表达的癌基因或者是病毒的基因
自杀基因疗法
将病毒或细菌中的“自杀基因”导入人体靶细胞(比如肿瘤细胞),这种基因可产生某种特殊的酶,将靶细胞中无毒的药物前体转变为细胞毒性物质,从而杀伤靶细胞
基因编辑
基因组编辑 genome editing 可实现基因修复、基因添加、基因失活等
挑战与前景
技术与安全问题
伦理及社会问题