基因工程載體和工具酶

1、關于基因工程的載體和工具酶第1頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四引 言 基因克隆的本質是使目的基因在特定的條件下得到擴增和表達，而目的基因本身無法進行復制和表達、不易進入受體細胞、不能穩(wěn)定維持，所以就必須借助于“載體”及其“寄主細胞”來實現(xiàn)。作為基因克隆的載體必須具備以下特性：載體必須是復制子。具有合適的篩選標記，便于重組子的篩選。具備多克隆位點（MCS），便于外源基因插入。自身分子量較小，拷貝數(shù)高。在宿主細胞內穩(wěn)定性高。第2頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四Characteristics of vectors for gene cloningMCS

2、MarkerForeign gene第3頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四一、 質粒載體（plasimid vectors）（一）質粒載體的生物學特性（二）質粒載體的制備 （三）質粒載體的改造第4頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）質粒的生物學特性（1）質粒是獨立于染色體以外的能自主復制的裸露的雙鏈環(huán)狀(少數(shù)為線形和RNA） DNA分子。廣泛從在于細菌細胞中，比病毒更簡單。在霉菌、藍藻、酵母和一些動植物細胞中也發(fā)現(xiàn)了質粒，目前對細菌的質粒研究得比較深入，特別是大腸桿菌的質粒。大腸桿菌的質粒主要有F質粒（F因子）、R質粒（抗藥性因子）和Col質粒（

3、大腸桿菌素因子）三種。第5頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）質粒的生物學特性（2）質粒的大小差異很大，最小的只有1kb,只能編碼中等大小的2-3種蛋白質分子，最大的達到200kb。（3）質粒的生存在寄主細胞中“友好”地“借居”，離開了寄主它本身無法復制；同時質粒往往有宿主專一性，如大腸桿菌的復制起點不一定能在其它生物細胞中繁殖。第6頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）質粒的生物學特性（4）質粒的復制類型一種質粒在宿主細胞中存在的數(shù)目稱為該質粒的拷貝數(shù)。據(jù)拷貝數(shù)將質粒分為兩種復制型：“嚴緊型”質粒（stigent plasmid）,拷貝數(shù)為1

4、-3；“松弛型”質粒（relaxed plasmid）,拷貝數(shù)為10-60。不過即使是同一質粒，其拷貝數(shù)在不同的寄主細胞間和不同的生長環(huán)境也可能有很大的變化。（5）質粒的不親和性 兩種親緣關系密切的不同質粒不能在同一宿主細胞中穩(wěn)定共存。載體質粒與受體的質粒應是不同的不親和群。第7頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）質粒的生物學特性 質粒的轉移 接合型質粒分子量大嚴緊型復制非接合型質粒分子量小松弛型復制是否含有接合轉移基因非轉移性質粒，不含tra基因；可以為轉移性質粒所帶動轉移。轉移性質粒，含有tra基因；能通過結合作用從一個細胞轉移到另一個細胞。在一般情況下，質粒的接

5、合轉移能力與分子大小及復制型間有一定的相關性?，F(xiàn)歸納如下：第8頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）質粒的生物學特性（7）質粒的存在形式有超螺旋、開環(huán)雙螺旋和線狀雙螺旋三種，雙螺旋共價閉合環(huán)（SC構型）開環(huán)雙螺旋（OC構型）線狀雙螺旋（L構型）第9頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（二）質粒DNA的制備 有多種分離質粒的方法，如堿裂解法、煮沸裂解法、層析柱過濾法等。 目前一般使用堿變性法制備質粒DNA。這個方法主要包括培養(yǎng)收集細菌菌體，裂解細胞，將質粒DNA與染色體DNA分開及除去蛋白質和RNA。第10頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57

6、分，星期四堿變性法質粒提取的原理： 根據(jù)共價閉合環(huán)狀質粒DNA與線性染色體DNA片斷之間，在拓撲學上的差異而發(fā)展出來的。 在pH值12.012.5范圍內時，線性的DNA會被變性而共價閉合環(huán)狀質粒DNA卻不會被變性。 通過冷卻或恢復中性pH值使之復性，線性染色體形成網狀結構，而cccDNA可以準確迅速復性，通過離心去除線性染色體，獲得含有cccDNA的上清液，最后用乙醇沉淀，獲得質粒DNA。第11頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四堿變性法提取質粒的步驟：1、取1.5毫升含質粒的大腸桿菌過夜培養(yǎng)物，加在微量離心管中，離心收集細胞沉淀；2、加入100微升冰冷的溶液I，（50mM

7、葡萄糖， 25mM Tris-HCl PH=8.0, 10mM EDTA）渦旋震蕩懸浮菌液。3、加入200微升新配制的溶液II，（0.2M NaOH，1.0%SDS）緩緩混勻置室溫5分鐘。4、加入150毫升冰冷的溶液III，（醋酸鉀29.4克，冰乙酸11.5毫升，加蒸餾水至100毫升）顛倒離心管10次后，冰浴5分鐘。5、離心的上清液用苯酚抽提數(shù)次，用乙醇沉淀收集質粒DNA。第12頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（三）質粒載體的改造去掉不必要的DNA區(qū)段。減少限制酶的識別位點，一種酶只保留一個。（單一的限制性酶切位點）。加入易于撿出的選擇性標記基因。對質粒進行安全性改造，

8、要求質粒不能隨便 轉移。改造或增加基因表達的調控序列。第13頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四1、質粒pBR322 pBR3224363結構：（1）氨芐青霉素抗性基因（ampr或Apr） 3種限制酶單一識別位點 。（2）四環(huán)素抗性基因（tetr或Tcr）內部有7種，啟動區(qū)內有2種限制酶單一識別位點 。（3）DNA復制起點（ori）第14頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四pBR322質粒的優(yōu)點：（1）具有較小的分子量。 4363bp，2.6106Da，（2）具有兩種抗菌素抗性基因可供作轉化子的選擇記號。 （3）具較高的拷貝數(shù)，而且經過氯霉素擴增之后,每

9、個細胞中可累積10003000個拷貝。（4）對多種常見的限制性內切核酸酶只含有一個能切割的位點。 pBR3224363第15頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四外源DNApBR3224363PstI酶切PstI酶切黏性末端黏性末端連接酶重組子(ampstetr) 空載體(amprtetr) 插入子(ampstets) 野生型的E.coli (ampstets) 導入涂布在含Tc的平板上重組子轉化子(ampstetr) 空載體轉化子(amprtetr)影印在含Ap的平板上空載體轉化子(amprtetr)因插入外源DNA而導致基因失活的現(xiàn)象稱之為插入失活效應對比兩個平板上的菌落

10、，凡在Tc平板上生長而在Ap平板上不能生長的菌落則是重組質粒轉化子克隆，挑選陽性克隆，分離出重組質粒。第16頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四第17頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四2、pUC質粒載體1987年，J.Messing和J.Vieria采用MCS技術在pBR322基礎上構建的結構：（1）來自于pBR322的Ori（2）氨芐青霉素的抗性基因(ampr)。 但核苷酸序列發(fā)生了變化（3） LacZ基因 編碼半乳糖酶的肽鏈即氨基末端。（4）MCS區(qū)段是一段用于插入外源DNA片段的特定區(qū)域，由一系列的緊密相連的限制性內切酶位點組成，而且每個限制性內

11、切酶位點在整個載體中是唯一的。第18頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四2、pUC質粒載體與pBR322相比， pUC質粒載體優(yōu)點：（1）具有更小的分子量和更高的拷貝數(shù) 如pUC8為2 750bp，pUCl8為2 686bp，控制質粒復制rop基因的缺失，平均每個細胞即可達500700個拷貝（2）適用于組織化學法檢測重組體通過-互補作用，利用菌落顏色篩選重組子。（3）具有多克隆位點區(qū)段（MCS）可以定向克隆防止載體自我連接。第19頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四-互補 (alpha-complementation) 大腸桿菌-半乳糖苷酶 可以和其底物

12、X-Gal 相互作用并且釋放出一種藍色物質，當該酶的-片段和-片段分開時就失去了這種顯色的功能。通常將編碼該酶-片段的LacZ 基因插入到載體的多克隆位點的側翼序列中，而在一些人工構建的大腸桿菌株系中卻只能編碼產生該酶的片段。這樣一來，含有功能性完整的LacZ 基因的載體導入到這類寄主細胞中時，載體編碼的 -片段就能和寄主編碼的片段發(fā)生互補并具有了對底物X-gal的作用功能（發(fā)生顯色反應），這種現(xiàn)象被成為是 alpha-complementation.X-Gal：5-溴-4-氯-3-吲哚-D-半乳糖苷 第20頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 釋放出的藍色物質可以將整個菌

13、落染成藍色，非常容易辨別，如果 LacZ插入外源基因被破壞，菌落則是無色的 。組織化學法檢測重組體X-Gal-半乳糖苷酶IPTG誘導物異丙基-D-硫代半乳糖苷 半乳糖 5-溴-4-氯-靛藍第21頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四二、 噬菌體載體（phage vectors）（一）噬菌體載體（二） M13噬菌體載體（三）柯斯質粒載體第22頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四1. 噬菌體的生物學特性溶菌周期指噬菌體將DNA注入寄主細胞后很快環(huán)化，然后進行自我復制、蛋白衣殼合成和新噬菌體顆粒的組裝，最后使寄主細胞破裂而釋放出大量的子代噬菌體。溶源周期中，注入

14、寄主細胞的噬菌體DNA是整合到寄主細胞染色體上并可以隨著寄主細胞的分裂而進行復制。整合了一套完整的噬菌體基因組的細菌被稱為溶源性細菌。在溶源性細菌內存在的整合或非整合的噬菌體DNA被稱為原噬菌體。噬菌體溫和噬菌體，具有溶源生長周期和溶菌生長周期烈性噬菌體,只具有溶菌生長周期第23頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四1. 噬菌體的生物學特性第24頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四2. 噬菌體的生物學特性第25頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四2. 噬菌體的生物學特性 組成：蛋白質外殼和線狀雙鏈DNA分子組成。 DNA長度為48502

15、bp，在分子兩端各有12個堿基的單鏈互補粘性末端。當其注入到寄主細胞中后，可以迅速通過這兩個粘性末端的互補作用形成雙鏈的環(huán)形DNA分子。上述通過粘性末端互補形成的雙鏈區(qū)被稱為cos位點（cohesive end site）.GGGCGGCGACCT第26頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四2. 噬菌體的生物學特性是一個溫和噬菌體一般以溶源生長進行增殖，脅迫條件下也會進入溶菌生長周期。復制溶源周期隨溶源細菌染色體一起復制溶菌周期的早期是“”復制，晚期進行滾環(huán)復制基因組成DNA至少包括61個基因，大多基因按功能相似性成簇排列，其中一部分為噬菌體生命活動的必須基因，另一部分約13

16、為非必須區(qū)段。第27頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四噬菌體載體類型置換型 （Replacement vectors）這種載體具有兩個對應的酶切克隆位點，在兩個位點之間的DNA區(qū)段是噬菌體的非必需序列，可以被外源插入的DNA取代。如Charon 4 載體克隆能力大，2025kb插入型 （Insertion vectors ）這種載體僅僅有一個可供外源DNA插入的克隆位點。如：gt10 、 gt11 克隆能力小，不到10kb噬菌體載體的類型第28頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 Insertion vectors第29頁，共80頁，2022年，5月2

17、0日，5點57分，星期四Replacement vectors 置換型載體第30頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（二）M13噬菌體 1、絲狀噬菌體M13噬菌體的生物學特性是單鏈閉合環(huán)狀噬菌體只能感染雄性細菌，外形成絲狀，基因組DNA長約6.4kb，含9個編碼10種蛋白質的重疊基因，基因-可分為10個區(qū)和基因、之間有507 bp基因間隔區(qū)（IS區(qū)），該區(qū)可以接受外源DNA的插入而不會影響到噬菌體的活力。這是該噬菌體能用于單鏈DNA載體的重要前提。復制與增殖（圖）第31頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四M13噬菌體的復制與增殖“”DNACPCP脫落，“

18、”DNA復制RFDNA“”型復制積累200300份滾環(huán)復制SSB外溢時被包裝M13噬菌體基因基因第32頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四2. M13噬菌體載體的構建這類載體的突出優(yōu)點在于其既可以提供單鏈DNA，也可以提供雙鏈的DNA。其最大的不足在于插入大的DNA片段后表現(xiàn)不穩(wěn)定，在噬菌體增殖過程中容易發(fā)生缺失。所以一般克隆的片段在1kb之內，克隆300-400bp的片段十分穩(wěn)定。 在IS區(qū)內插入LacZ基因 在標記基因區(qū)內組裝MCS區(qū)段所以能通過互補在X-Gal/ IPTG平板上識別重組體。這類載體包括了 M13mp8、9 和 M13mp18 、 19等。第33頁，共8

19、0頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（三）柯斯質粒載體（cosmid vectors）柯斯質粒載體的特點 柯斯質粒是一類人工構建的含有DNA的cos序列和質粒復制子的特殊類型的質粒載體，cosmid是cos site carrying plasmid的縮寫?？滤官|粒的大小為4-6kb，由3部分組成： A.多克隆位點區(qū) B. 含有cos位點的DNA區(qū) C. 復制起始位點和抗性標記區(qū)pHC79OriMarkerMCScosDNA第34頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（三） 柯斯質粒載體（cosmid vectors）柯斯質粒載體的特性1、具有噬菌體的特性 柯斯質

20、粒連接上適宜長度的外源DNA后可以在體外包裝成噬菌體顆粒，并能高效轉導寄主細胞。進入寄主細胞的DNA也能環(huán)化和復制，但是不會形成新的噬菌體顆粒，也不能發(fā)生溶菌現(xiàn)象。2、具有質粒載體的特性 能象質粒一樣在寄主細胞內復制，且?guī)в锌剐赃x擇標記基因，有些還帶有插入失活型的多克隆位點，為重組體的篩選提供了方便。3、高容量的克隆能力 cos質粒本身很小，只有復制起點、選擇標記和cos位點等構成，所以其克隆上限可達45kb左右。不過由于包裝的限制，其克隆片段至少要達到30kb。第35頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（三） 柯斯質粒載體（cosmid vectors）柯斯質粒載體的應用

21、噬菌體的位點特異切割體系末端酶（terminase）體系，識別兩個相距38-54kb cos位點，并進行切割，后被包裝。 下面的操作中缺點是：cosmid自我重組、外源DNA片段串聯(lián) 后重組。OriMarkerMCScosDNA第36頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四質粒噬菌體柯斯質粒單鏈噬菌體克隆DNA大片段*+-構建基因組文庫-+-構建DNA文庫+-常規(guī)的亞克隆化+-構建新型的DNA結構+-序列分析+-+單鏈探針+*-+外源基因在大腸桿菌中的表達+-四種常用載體的比較* 外源DNA如超過10kb，則重組質粒的轉化率和DNA得率都非常低* 已有個別材料可用于此目的第37

22、頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四第二節(jié) 基因操作的工具酶一、 限制性核酸內切酶及其應用二、 DNA連接酶及其應用三、 DNA聚合酶及其應用四、 修飾性工具酶第38頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）限制性核酸內切酶的發(fā)現(xiàn)（二）限制性核酸內切酶的分類（三）限制性核酸內切酶的命名（四） II型限制性核酸內切酶的基本特性（五）限制性核酸內切酶的消化反應一、 限制性核酸內切酶及其應用第39頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四由寄主控制的限制和修飾現(xiàn)象-20世紀60年代，Linn和Arber 發(fā)現(xiàn)(B)(K)大腸桿菌B大腸桿菌K114

23、10 410 4E.O.P 成斑率efficiency of plating外源DNA自身DNA（一）核酸限制性核酸內切酶的發(fā)現(xiàn)：切酶。第40頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 E.coliB含有EcoB核酸酶和EcoB甲基化酶 當(k)噬菌體侵染E.coliB時，由于其DNA中有EcoB核酸酶特異識別的堿基序列，被降解掉。而E.coliB的DNA中雖然也存在這種特異序列，但可在EcoB甲基化酶的作用下，催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）將甲基轉移給限制酶識別序列的特定堿基，使之甲基化。 EcoB核酸酶不能識別已甲基化的序列。第41頁，共80頁，2022年，5月20日，5點5

24、7分，星期四限制修飾的酶學系統(tǒng)(B)(B)酶切位點不被修飾噬菌體DNA被切割酶切位點被修飾基因組DNA不被切割第42頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四最早分離出的限制內切酶1968年，Meselson和Yuan，大腸桿菌B和K菌株，EcoB和EcoK， 是I型的，沒有實用價值。首個II型限制內切酶1970年，H.O.Smith等從Heamophilus influenzae的Rd菌株中Hind II 。使得DNA分子的體外精確切割成為可能。從此，相關研究展開。如NEB公司的提取和克隆。目前已純化出3000種限制性內切酶中，其中有30%是在NEB發(fā)現(xiàn)的 。限制性核酸內切酶（

25、restriction endonuclease ）：是一類能夠識別雙鏈DNA分子中的某種特定核苷酸序列，并由此切割DNA雙鏈結構的核酸內切酶。切開的是3，5磷酸二酯鍵。第43頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（二）限制性核酸內切酶的類型及其主要特性 特性1. 限制修飾活性2. 內切酶的蛋白 質結構3. 限制輔助因子4. 切割位點5. 特異性切割6. 基因克隆中 I 型雙功能的酶3種不同亞基ATP、Mg2+和S-腺苷甲硫氨酸距特異性位點5端至少1000bp不是（隨機）無用 II 型限制酶和修飾酶分開單一成分 Mg2+位于識別位點上 是非常有用 III 型雙功能酶2種亞基A

26、TP、Mg2+和S-腺苷甲硫氨酸特異性位點3端24-26bp處是用處不大第44頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（三）限制性核酸內切酶的命名1、寄主菌屬名的第一個字母和種名的頭兩個字母組成3個斜體 字母的略語表示酶來源的菌種名稱，如大腸桿菌Escherichia coli 表示為Eco , 流感嗜血菌Haemophilus influenzae 表示為 Hin；2、用一個正體字母表示菌株的類型，比如EcoR、Hind；3、如果一種特殊的寄主菌株具有幾個不同的限制修飾體系，則 用羅馬數(shù)字標出，比如Eco R I、 Hind III。第45頁，共80頁，2022年，5月20日

27、，5點57分，星期四（四）II型限制性核酸內切酶的基本特點1、識別位點的特異性 每種酶都有其特定的DNA識別 位點，通常是由48個核苷酸組成的特定序列（靶序列）。2、識別序列的對稱性 靶序列通常具有雙重旋轉對稱 的結構，即雙鏈的核苷酸順序呈回文結構。3、切割位點的規(guī)范性 交錯切或對稱切（可形成粘性末端或平末端的DNA分子）。第46頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四幾種II型限制性核酸內切酶的酶切位點Pst IProvindencia stuartii 164 CTGCAGGACGTCHaemophilus influenzae Rd 第47頁，共80頁，2022年，5月2

28、0日，5點57分，星期四與II型核酸內切酶有關的幾個概念粘性末端 cohesive ends是指DNA分子在限制酶的作用之下形成的具有互補堿基的單鏈延伸末端結構，它們能夠通過互補堿基間的配對而重新環(huán)化起來。平 末 端 Blunt end在識別序列對稱處同時切開DNA分子兩條鏈，產生的平齊末端結構。則不易于重新環(huán)化。 同裂酶 isoschizomers 能識別和切割同樣的核苷酸靶序列的不同來源的內切酶。不同同裂酶對位點的甲基化敏感性有差別。同尾酶 isocaudamers 識別的靶序列不同，但能產生相同粘性末端的一類限制性核酸內切酶。如BamH I 、BclI、BglII和Xho I 是一組同尾

29、酶。注 意： 由同尾酶產生的粘性末端序列很容易重新連接，但是兩種同尾酶消化產生的粘性末端重新連接形成的新片段將不能被該兩種酶的任一種所識別。 第48頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四平齊末端帶5P端的黏性末端帶3OH 和5P端的平末端例如Hpa和Msp是同裂酶，識別順序都是 5C|CGG3 3GGC|C5 如果其中有5-甲基胞嘧啶，Hpa不能夠切割，MspI能切割。 第49頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 經同尾酶消化的DNA末端連接示意圖5 XXXXGGATCCXXXXXX 33 XXXXCCTAGGXXXXXX 5BamH I5 XXXXG G

30、ATCCXXXXXX 3 3 XXXXCCTAG GXXXXXX 55 XXXXAGATCTXXXXXX 33 XXXXTCTAGAXXXXXX 5Bgl II5 XXXXA GATCTXXXXXX 3 3 XXXXTCTAG AXXXXXX 55 XXXXA GATCCXXXXXX 3 3 XXXXTCTAG GXXXXXX 55 XXXXAGATCCXXXXXX 3 3 XXXXTCTAGGXXXXXX 5BamH IBgl II第50頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 一個限制酶單位（U）指：在理想的反應條件（適宜的緩沖液和反應溫度，通常為37）下，1h內中完全降解

31、1 g DNA所需要的酶量。影響酶活性的因素很多，最重要的有：DNA的純度 DNA的甲基化程度酶切反應的溫度（通常為37 ）DNA的分子結構 核酸內切限制酶的緩沖液 在“非最適的”反應條件下,有些核酸內切限制酶識別序列的特異性便會發(fā)生“松動”，從其“正確”識別序列以外的其它位點切割DNA分子，這種現(xiàn)象叫星號活性。用*表示。 （五）限制性核酸內切酶的消化反應第51頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四酶 切 反 應 的 基 本 步 驟電泳紫外分析37 1h加反應液CKMBuffer (10X) 2.0 LddH2O 約16.5 LDNA 0.21.0 gEnzyme 12UVo

32、lume 20.0 L 1.0kb1.0kb0.4kb0.5kb0.6kbCKMTT第52頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)（二） DNA連接酶作用特點（三） DNA連接酶的反應條件（四）DNA連接的策略二、 DNA連接酶及其應用第53頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)環(huán)形DNA分子的發(fā)現(xiàn)使科學家相信一定有一種能連接這種 切口的酶存在。 首個DNA連接酶(ligase)1967年，大腸桿菌DNA連接酶，是大腸桿菌基因編碼 。1970年，發(fā)現(xiàn)了T4DNA連接酶 ， 由大腸桿菌T4噬菌體基因編碼的。第54頁

33、，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（二）DNA連接酶作用的特點A. 連接的兩條鏈必須分別具有自由3OH和5P，而且這兩個基團彼此相鄰；B. 在羥基和磷酸基團間形成磷酸二酯鍵是一種耗能過程。E.coli DNA連接酶 連接具互補堿基黏性末端(最初研究表明），現(xiàn)在研究可連接平末端；需NAD+輔助因子，活性低，不常用。T4DNA連接酶連接具互補堿基黏性末端和平末端，需ATP輔助因子，活性高，常用。第55頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 是兩條鏈因此不能將兩條單鏈連接起來或使單鏈環(huán)化起來。 OH P 是相鄰的因此不能封閉gap，只能封閉nick.gap NO

34、Nick OK第56頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四DNA 連接酶連接的作用機制 E(酶)ATPEAMPppi E(酶)NADEAMPNMN EAMP DNADNAAMPEDNA上的3OH對被活化的磷原子進行親核攻擊，形成磷酸二酯鍵，同時釋放出AMP。 第57頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（三）T4DNA連接酶連接反應的條件影響連接效率的因素有：A. 溫度（通常在4-15 ）B. ATP的濃度(10ML - 1ML )C. 連接酶濃度（一般平末端大約需12U，黏性末端僅需0.1U）D. 反應時間（通常連接過夜）E. 插入片段和載體片段的摩爾比（

35、 1151） 第58頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（四）T4 DNA連接酶對目的DNA片段和載體連接的一般方案1連接反應一般在滅菌的0.5ml離心管中進行。210l體積反應體系中：取載體50-100ng，加入一定比例的外源DNA 分子（一般線性載體DNA分子與外源DNA分子摩爾數(shù)為1151），補足ddH2O 至8l。3輕輕混勻，稍加離心，56水浴5min后，迅速轉入冰浴。4加入含ATP的10Buffer 1l，T4 DNA連接酶合適單位， 用ddH2O 補至10l，稍加離心，在適當溫度（一般14-16）連接8-14hr。第59頁，共80頁，2022年，5月20日，5點

36、57分，星期四粘性末端DNA片段的連接DNA連接酶連接法NickNick第60頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四平末端DNA片段的連接末端同聚物加尾法33553355末端核苷酸轉移酶+dATP+dTTP33553355AAAAATTTTDNA聚合酶和T4DNA連接酶第61頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四平末端DNA片段的連接銜接物連接法 銜接物(linker)，也叫接頭，是有人工化學合成的一段10-12個核苷酸組成，具有有1個或幾個限制性酶切位點的平末端的雙鏈寡核苷酸短片段。GGATCCCCTAGG+BamHI切割GATCCG連接酶經BamHI切割

37、的pBR322GCCTAGBamHI銜接物dsDNAGGATCCCCTAGGGGATCCCCTAGG連接酶重組DNA分子GATCCGGCCTAG第62頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四（一）大腸桿菌DNA聚合酶I（二）Klenow片段酶（三）T4 DNA聚合酶（四）逆轉錄酶（反轉錄酶）三、DNA聚合酶及其應用第63頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 （一） 大腸桿菌DNA聚合酶I （E。Coli DNA pol I） 是Kornberg A. 1956年首先從大腸桿菌E。Coli 細胞中分離出來的。它是一種多功能性的酶，包括 3種不同的酶活力：5-

38、3聚合酶活性 （模板， 帶3OH游離基團的引物、4dNTPs、 Mg2+ ）雙鏈特異性的53核酸外切酶活性35核酸外切酶活性。從游離的雙鏈或單鏈DNA的3端降解。不過對于雙鏈的降解可被5-3的多聚活性所抑制。主要是校正作用。CCGGGCTATCGGACCGGGCTATCGGAPol I + Mg2+ 4dNTPsATAGCCTCCGATAGCCTGGCTATCGGACCGATAGCCTGGCTACCGATAGCCTGGCTATCGGAPol I + Mg2+ 4dNTPsCCGATAGCCTGGCTAPol I + Mg2+ T第64頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 大

39、腸桿菌DNA聚合酶I 的三種用途A. 利用缺口轉移法制備高比活度的DNA探針 利用其5-3的外切酶活性及其聚合酶活性。B. 用于DNA連接前的大缺口填充 利用5-3的聚合酶活性。C. 用于DNA的序列分析 利用5-3的聚合酶活性。第65頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 大腸桿菌聚合酶I的應用示例缺口轉移制備探針Pol I + Mg2+32P dNTPs第66頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 （二） Klenow片段酶Klenow片段是大腸桿菌聚合酶 I 全酶經枯草桿菌蛋白酶處理后產生的大片段酶分子，分子量為76KD 。酶催活性：5 3 的聚合酶活

40、性3 5 的核酸外切酶活性CCGATAGCCTGGCTACCGATAGCCTGGCTAKlenow+Mg2+ 第67頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四Klenow片段的主要用途（利用5 3 的聚合酶活性）修補限制性酶消化DNA形成的3隱蔽末端標記DNA片段的末端 底物用32PdNTPs cDNA克隆中第二鏈cDNA的合成 DNA序列的測定 第68頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 （三） T4DNA聚合酶T4DNA聚合酶是 從T4噬菌體感染了的大腸桿菌中分離出來的，酶催活性：53的聚合酶活性3 5 的核酸外切酶活性。其外切酶活性要比大腸桿菌聚合酶 I

41、 的活性高200倍。比Klenow 片段酶強1001,000倍。 因此，可以綜合利用這兩種活性進行取代合成反應：如果反應體系中僅存在一種dNTP或沒有底物時，這時T4DNA聚合酶就會表現(xiàn)出3 5 外切酶活力，從雙鏈DNA的3開始降解，直到露出底物dNTP相同的堿基。然后就在此位置發(fā)生合成和取代反應。CGTCGCGCAGCGCGTCGCGCAGCGdTTPMg+CGTGCAGCG32P dNTPsMg+第69頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 T4DNA聚合酶的用途1、利用取代合成反應制備探針2、標記具有平末端的或具有3隱蔽末端的DNA片段利用較強的3 5 外切酶活性和 53聚合活性3、用于DNA序列分析第70頁，共80頁，2022年，5月20日，5點57分，星期四 （四） 逆轉錄酶Reverse transcriptase逆轉錄酶 是一種依賴RNA的DNA聚合酶。此酶首先是1970年從鼠白血病毒和勞氏肉瘤病毒中發(fā)現(xiàn)的。這兩個課題組的論文都發(fā)在了同一期的Nature雜志上。最普遍使用的是從鳥類骨髓母細胞瘤病毒（AMV）分離出來的?；钚裕阂环N可以有效地將mRNA反轉錄成DNA的酶，其產物稱為cDNA(co