2基因工程的主要技术原理

GeneticEngineering第二章基因工程的主要技术原理第二章基因工程的主要技术原理由于提取DNA的目的、种类、所用的生物、组织材料、实验条件等不同，DNA的提纯有很多方法。其中最常用的是碱抽提法。第一节DNA的提取与纯化大肠杆菌基因组DNA一、质粒DNA的提取plasmidDNAThegenomicDNAofE.coli:asinglecirculardouble-strandedDNA,withthecontourlengthabout850timeslongerthanthecell.GenomicDNA闭合环状的质粒DNA，在变性后不会分离，复性快；（1）原理1.碱抽提法提取质粒DNADNA双链变性DNA单链复性强碱中性闭合环状的质粒DNA，在变性后不会分离，复性快；（1）原理1.碱抽提法提取质粒DNADNA双链变性DNA单链复性强碱中性染色体线性DNA和或有缺口的质粒DNA变性后双链分离，难以复性而形成缠绕的结构，与蛋白质—SDS复合物结合在一起，在离心的时候沉淀下去。变性（2）所用的试剂作用①溶菌酶能水解菌体细胞壁的主要化学成分肽聚糖中的-1，4糖苷键。在碱性条件（pH8）下有活性。②葡萄糖增加溶液的粘度，维持渗透压，防止DNA受机械力（震荡）的作用而降解。（2）所用的试剂作用①溶菌酶能水解菌体细胞壁的主要化学成分肽聚糖中的-1，4糖苷键。在碱性条件（pH8）下有活性。②葡萄糖增加溶液的粘度，维持渗透压，防止DNA受机械力（震荡）的作用而降解。③EDTAMg2+、Ca2+的螯合剂，可抑制DNA酶的活性，防止DNA被酶降解。④NaOH-SDSNaOH：强碱，提供pH12的碱性条件，使DNA双链变性。SDS:溶解细胞膜蛋白和细胞内蛋白，并结合成“蛋白—SDS”复合物，使蛋白质（包括DNA酶）变性沉淀。冰醋酸把醋酸钠溶液的pH调到4.8。用来中和NaOH变性液，使DNA复性。高浓度的NaAc有利于变性的大分子（蛋白质、DNA、RNA等）沉淀。用于沉淀DNA。⑥乙醇DNA分子以水合状态“溶于”水里，乙醇能夺去DNA分子的水环境。⑤NaAc-HAc缓冲液⑦RNaseA降解RNA渣滓。以免提取后的DNA中含有小分子的RNA。⑧TE缓冲液DNA保存液。由Tris-HCl和EDTA配制。Tris-HCl不含金属离子（不同于磷酸缓冲液或硼酸缓冲业），有利于以后操作；EDTA抑制DNA酶，防止DNA被酶降解。蛋白变性剂，进一步抽提DNA溶液中的蛋白质，使蛋白质沉淀。但苯酚会残留在DNA溶液中。（现多用各种商品化的层析柱纯化DNA)。⑨酚-氯仿选用以上试剂有商业试剂盒；也可以自己配制。（3）碱抽提法提取质粒DNA的步骤SolutionI的配制：使用“溶液Ⅰ”溶解细菌细胞壁。第一步：溶菌50mM葡萄糖，25mMTris-HCl(pH8.0)，10mMEDTA，4-5mg/ml溶菌酶，RNaseA溶液II破坏细胞膜，蛋白质和DNA变性。第二步：破膜，蛋白质和DNA变性SolutionII的配制：第三步：中和溶液III使DNA复性、并促使蛋白质-SDS复合物和染色体DNA、RNA沉淀。SolutionIII的配制：0.2NNaOH，1.0%SDS3M醋酸钠（用冰醋酸调pH至4.8）上清液中含有闭合质粒DNA。第四步：离心除去沉淀0.6倍体积的异丙醇或2倍体积的乙醇。第五步：纯化DNA上清液过柱或酚-氯仿抽提。第六步：沉淀DNA最重要的是：2.影响质粒DNA产量的因素菌株的遗传背景，质粒自身的拷贝数。一般要使用endA基因发生突变的大肠杆菌菌株。如DH5、JM109、XL1-Blue等。（1）受体菌株endA基因编码核酸内切酶Ⅰ，在Mg2+的存在下可将双链DNA消化成7bp的寡核苷酸片断。这是直接决定DNA产量的重要因素之一。（3）质粒大小分子量大的质粒，拷贝数少。（2）质粒拷贝数质粒本身的性质所决定。若干常用质粒的理论产量质粒名分子大小bp拷贝数质粒产量g/mlpGEMpUCpBR322ColE1pACYCpSC101270027004400450040009000300-700500-7002515≈10≈61.8-4.12.9-4.10.320.15≈0.09≈0.12若干常用质粒的理论产量质粒名分子大小bp拷贝数质粒产量g/mlpGEMpUCpBR322ColE1pACYCpSC101270027004400450040009000300-700500-7002515≈10≈61.8-4.12.9-4.10.320.15≈0.09≈0.12二、基因组或其他DNA的提取一般过程及原理：1.细菌基因组DNA的制备（1）细胞裂解10%SDS和蛋白酶K。37oC温育。不用NaOH!（3）沉淀DNA0.6倍体积的异丙醇。（2）DNA纯化CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)除去多糖，酚-氯仿-异戊醇除去蛋白。一般过程及原理：动物组织剪成小块，置液氮中冻结后研磨成细粉末。组织培养的细胞用胰酶消化松散后直接使用。（1）组织粉碎2.哺乳动物细胞基因组DNA的抽提0.5%SDS和0.1mg/ml蛋白酶K。50oC温育。（2）细胞裂解（3）纯化DNA用苯酚和酚-氯仿抽提除去蛋白质污染。SDS是离子型去垢剂（detergent），可以使细胞膜崩解。CH3—(CH2)11—O—S—ONaOO（5）除去RNA污染用RNase。用2倍体积的无水乙醇。（4）沉淀DNA（可以加入1/10体积的3M醋酸氨辅助沉淀）一般过程及原理：（1）组织粉碎用液氮冷冻后研磨成细粉末。3.从植物组织中制备DNA（2）细胞裂解用2%CTAB/2-ME(十六烷基三甲基溴化铵/2巯基乙醇）。或1%SDS和蛋白酶K。65oC温育。用0.6倍体积的异丙醇（-20oC）。（3）纯化DNA用苯酚和酚-氯仿抽提除去蛋白质污染。（4）沉淀DNA（5）除去RNA污染用RNaseA。（可以加入1/10体积的3M醋酸氨辅助沉淀）。三、DNA的定量和纯度测定1.紫外光谱法DNA（或RNA）在260nm波长处有特异的紫外吸收峰。用微量比色杯（10l）在紫外分光光度计直接测定。原理：蛋白质在280nm处有吸收峰22溴化乙锭（EB）能插入DNA分子中，紫外光照射下能发红色荧光。2.琼脂糖凝胶电泳估计原理：与已知浓度的DNA电泳带荧光强度对比，就可以估计出DNA含量。一般使用琼脂糖凝胶电泳，与已知分子量的DNA标准混合液对比得知。DNA分子量Marker有许多公司的商品，使用非常方便。如DNA的HindⅢ酶切物等。四、DNA分子量的估计MarkerMarkerDNAladder28kb2500bp2300bp1300bp900bp750bp200bp5000bp20kb1000bp900bp800bp700bp600bp500bp400bp300bp200bp100bpDNAMarkerDNAladder28kb2500bp2300bp1300bp900bp750bp200bp5000bp20kb1000bp900bp800bp700bp600bp500bp400bp300bp200bp100bpDNAMarkerCTranscriptlevelsofriceKNOXgenesOSH1andOSH3revealedbyRT-PCRinleavesfromwild-type(WT),phenotypicYAB3RNAi(Y1andY2),andWOX3overexpressionplants(W1andW2).ShootapexmRNAwasusedasapositivecontrol(S).1.带电荷的分子在电场中会以一定的速率向与其电荷性质相反的电极移动，速度称为电泳迁移率。2.电泳迁移率同电场的强度和分子本身所带的净电荷数目成正比。3.电泳迁移率同分子与介质的摩擦系数成反比。一、电泳的基本原理第二节DNA的凝胶电泳4.如果电场强度一定（电压和电极距离）、电泳介质相同（电泳液和凝胶）：分子在电场中迁移的速度主要取决于分子本身的大小和形状。形状相似的分子的迁移速度主要与分子量相关:分子量越大，移动越慢。摩擦系数主要与分子的大小、形状以及介质的粘度有关。5.RelaxedsupercoiledIncreasingdegreeofsupercoiling相同分子量的DNA:闭合环状卷曲超螺旋迁移最快，线性分子次之，伸展开环状最慢。AgarosegelelectrophoresisGelelectrophoresisisnotonlyusedasananalyticalmethod,itisroutinelyusedpreparativelyforthepurificationofspecificDNAfragments.Thegeliscomposedof:Agarose:forDNAfragmentsranginginsizefromafewhundredbasepairstoabout20kb(Fig.2.1).Polyacrylamide:forsmallerDNAfragments.Fig.2.1ElectrophoresisofDNAinagarosegels.DNAbandshavebeenvisualizedbysoakingthegelinasolutionofethidiumbromide(seeFig.2.2),whichcomplexeswithDNAbyintercalatingbetweenstackedbase-pairs,andphotographingtheorangefluorescence.Fig.2.2Ethidiumbromide.Agarosegelisacomplexnetworkofpolymericmoleculeswhoseaverageporesizedependsonthebuffercompositionandthetypeandconcentrationofagaroseused.Inanyevent,gelelectrophoresisisfrequentlyperformedwithmarkerDNAfragmentsofknownsize,whichallowaccuratesizedeterminationofanunknownDNAmoleculebyinterpolation(插入).InadditiontoresolvingDNAfragmentsofdifferentlengths,gelelectrophoresiscanbeusedtoseparatedifferentmolecularconfigurationsofaDNAmolecule.Gelelectrophoresiscanalsobeusedforinvestigatingprotein–nucleicacidinteractions,basedontheobservationthatbindingofaproteintoDNAfragmentsusuallyleadstoamobilityreduction.二、琼脂糖凝胶电泳1.琼脂糖2.琼脂糖凝胶琼脂糖在水里（或电泳液）中加热到沸点后溶解，冷却后又凝固成均匀的的胶体“胨”。是一种线性多糖聚合物，从红色海藻产物琼脂中提取而来。琼脂糖的浓度决定凝胶的空隙（密度）。浓度高空隙小琼脂糖的浓度（%）分离DNA的片断大小（bp）0.30.71.450000—100020000—10006000—300空隙小，分辨率高：小分子较易通过，而大分子难通过；空隙大，分辨率低：大小分子几乎以同等速率通过。3.琼脂糖凝胶的分辨力空隙大小决定其分辨分子大小的能力。1、概述：聚丙烯酰胺凝胶是由丙烯酰胺（简称Acr）单体和少量交联剂甲叉双丙烯酰胺（简称Bis）通过化学催化剂（过硫酸铵），四甲基乙二胺（TEMED）作为加速剂或光催化聚合作用形成的三维空间的高聚物。聚合后的聚丙烯酰胺凝胶形