现代分子生物学ppt课件-第五章.ppt
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1、5 分子生物学研究法(上)分子生物学研究法(上)DNA、RNA及蛋白质操作技术及蛋白质操作技术 从20世纪中叶开始,分子生物学研究得到高速发展,除了基础理论的重大突破,主要原因之一是研究方法,特别是基因操作和基因工程技术的进步。 基因操作主要包括DNA分子的切割与连接、核酸分子杂交、凝胶电泳、细胞转化、核酸序列分析以及基因人工合成、定点突变和PCR扩增等,是分子生物学研究的核心与基本技术。 基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子,构成遗传物质的新组合,使之进入原先没有这类分子的寄主细胞内并进行持续稳定的繁殖和表达。 基因工程技术是核酸操作技术的一部分,只不过它强调了外源核酸分
2、子在另一种不同的寄主细胞中的繁衍与性状表达。 事实上,这种跨越物种屏障、把来自其它生物的基因置于新的寄主生物细胞之中的能力,是基因工程技术区别于其它技术的根本特征。5. 1 重组DNA技术回顾三大成就:第一,在20世纪40年代确定了遗传信息的携带者、即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质解决了遗传的物质基础问题;第二,50年代提出了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制解决了基因的自我复制和世代交替问题;第三,50年代末至60年代,相继提出了“中心法则”和操纵子学说,成功地破译了遗传密码阐明了遗传信息的流动与表达机制。表表5-1 重组重组DNA技术史上的主要事件技术史上的主要事件年年 份份事
3、事 件件1869F Miescher首次从莱茵河鲑鱼精子中分离首次从莱茵河鲑鱼精子中分离DNA。1957A.Kornberg从大肠杆菌中发现了从大肠杆菌中发现了DNA聚合酶聚合酶I。1959-1960Ochoa发现发现RNA聚合酶和信使聚合酶和信使RNA,并证明,并证明mRNA决决定了蛋白质分子中的氨基酸序列。定了蛋白质分子中的氨基酸序列。1961Nirenberg破译了第一个遗传密码;破译了第一个遗传密码;Jacob和和Monod提提出了调节基因表达的操纵子模型。出了调节基因表达的操纵子模型。1964Yanofsky和和Brenner等人证明,多肽链上的氨基酸序等人证明,多肽链上的氨基酸序列
4、与该基因中的核苷酸序列存在着共线性关系。列与该基因中的核苷酸序列存在着共线性关系。1965Holley完成了酵母丙氨酸完成了酵母丙氨酸tRNA的全序列测定;科学的全序列测定;科学家证明细菌的抗药性通常由家证明细菌的抗药性通常由“质粒质粒”DNA所决定。所决定。1966Nirenberg,Ochoa,Khorana,Crick等人破译了全部遗传密码。等人破译了全部遗传密码。1967第一次发现第一次发现DNA连接酶连接酶1970Smith,Wilcox和和Kelley分离了第一种限制性核酸内切酶,分离了第一种限制性核酸内切酶,Temin和和Baltimore从从RNA肿瘤病毒中发现反转录酶。肿瘤病
5、毒中发现反转录酶。1972-1973Boyer,Berg等人发展了等人发展了DNA重组技术,于重组技术,于72年获得第一个重组年获得第一个重组DNA分子,分子,73年完成第一例细菌基因克隆。年完成第一例细菌基因克隆。1975-1977Sanger与与Maxam和和Gilbert等人发明了等人发明了DNA序列测定技术,序列测定技术,1977年年完成了全长完成了全长5387bp的噬菌体的噬菌体x174基因组测定。基因组测定。1978首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激素和人胰岛素。首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激素和人胰岛素。1980美国联邦最高法院裁定微生物基因工程可以被
6、专利化。美国联邦最高法院裁定微生物基因工程可以被专利化。1981Palmiter和和Brinster获得转基因小鼠,获得转基因小鼠,Spradling和和Rubin得到转基因得到转基因果蝇。果蝇。1982美、英批准使用第一例基因工程药物美、英批准使用第一例基因工程药物胰岛素,胰岛素,Sanger等人完成等人完成了入噬菌体了入噬菌体48,502bp全序列测定。全序列测定。1983获得第一例转基因植物。获得第一例转基因植物。1984斯坦福大学获得关于重组斯坦福大学获得关于重组DNA的专利。的专利。1986GMO首次在环境中释放。首次在环境中释放。1988Watson出任出任“人类基因组计划人类基因
7、组计划”首席科学家。首席科学家。1989DuPont公司获得转肿瘤基因小鼠公司获得转肿瘤基因小鼠“Oncomouse”。1992欧共体欧共体35个实验室联合完成酵母第三染色体全序列测个实验室联合完成酵母第三染色体全序列测定定(315kb)。1994第一批基因工程西红柿在美国上市。第一批基因工程西红柿在美国上市。1996完成了酵母基因组完成了酵母基因组(1.25107bp)全序列测定。全序列测定。1997英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。2000完 成 第 一 个 高 等 植 物 拟 南 芥 的 全 序 列 测 定完 成 第 一 个 高 等 植 物 拟 南 芥
8、的 全 序 列 测 定((1.15108bp)。2001完成第一个人类基因组全序列测定完成第一个人类基因组全序列测定(2.7109bp)。 限制性核酸内切酶能够识别DNA上的特定碱基序列并从这个位点切开DNA分子。 第一个核酸内切酶Eco RI是Boyer实验室在1972年发现的,它能特异性识别GAATTC序列,将双链DNA分子在这个位点切开并产生具有粘性末端或平端的小片段。 (1)限制性核酸内切酶)限制性核酸内切酶图图5-1 几种主要几种主要DNA内切酶所识别的序列及内切酶所识别的序列及其酶切末端其酶切末端。 图图5-2 DNA连接酶能把不同的连接酶能把不同的DNA片段连接成一个整体。片段连
9、接成一个整体。a. DNA的粘性末端的粘性末端; b. DNA的平末端的平末端; c. 化学合成的具有化学合成的具有EcoRI粘性末端的粘性末端的DNA片段。片段。(2)DNA连接酶连接酶 仅仅能在体外利用限制性核酸内切酶和DNA连接酶进行DNA的切割和重组,还不能满足基因工程的要求,只有将它们连接到具备自主复制能力的DNA分子上,才能在寄主细胞中进行繁殖。 具备自主复制能力的DNA分子就是分子克隆的载体(vector)。病毒、噬菌体和质粒等小分子量复制子都可以作为基因导入的载体。(3)分子克隆的载体)分子克隆的载体 图图5-3 重组重组DNA操作过程示意图操作过程示意图目的基因的表达目的基因
10、的表达5. 2 DNA基本操作技术基本操作技术5. 2. 1 核酸凝胶电泳技术核酸凝胶电泳技术 自从琼脂糖(agarose)和聚丙烯酰胺(polyacrylamide)凝胶被引入核酸研究以来,按分子量大小分离DNA的凝胶电泳技术,已经发展成为一种分析鉴定重组DNA分子及蛋白质与核酸相互作用的重要实验手段。 一种分子被放置到电场中,它就会以一定的速度移向适当的电极。我们把这种电泳分子在电场作用下的迁移速度,叫做电泳的迁移率,它与电场强度和电泳分子本身所携带的净电荷数成正比,与片段大小成反比。 生理条件下,核酸分子中的磷酸基团呈离子化状态,所以,DNA和RNA又被称为多聚阴离子(polyanion
11、s),在电场中向正电极的方向迁移。 由于糖-磷酸骨架在结构上的重复性质,相同数量的双链DNA几乎具有等量的净电荷,因此它们能以同样的速度向正电极方向迁移。琼脂糖凝胶分辨DNA片段的范围为0.250kb之间。聚丙烯酰胺凝胶的分辨范围为1到1000个碱基对之间。凝胶浓度的高低影响凝胶介质孔隙的大小,浓度越高,孔隙越小,其分辨能力就越强。表5-2 琼脂糖及聚丙烯酰胺凝胶分辨DNA片段的能力 凝胶类型及浓度 分离DNA的大小范围(bp) 0.3%琼脂糖 50 0001 000 0.7%琼脂糖 20 0001 000 1.4%琼脂糖 6 000300 4.0%聚丙烯酰胺 1 000100 10.0%聚丙
12、烯酰胺 50025 20.0%聚丙烯酰胺 501 在凝胶电泳中,加入溴化乙锭(ethidium bromide,EtBr)染料对核酸分子进行染色,然后放置在紫外光下观察,可灵敏而快捷地检测出凝胶介质中DNA的谱带部位,即使每条DNA带中仅含有0.05 g的微量DNA,也可以被清晰地检测出来。溴化乙锭是一种具扁平分子的核酸染料,能插入到DNA或RNA分子的相邻碱基之间,并在300 nm波长的紫外光照射下发出荧光。图图5-4 溴化乙锭染料的化学结构及其对溴化乙锭染料的化学结构及其对DNA分子的插入作用。分子的插入作用。 由于插入了溴化乙锭分子,在紫外光照射下,琼脂糖凝胶由于插入了溴化乙锭分子,在紫
13、外光照射下,琼脂糖凝胶 电泳中电泳中DNA的条带便呈现出橘黄色荧光,易于鉴定。的条带便呈现出橘黄色荧光,易于鉴定。 5.2.2 细菌转化与目标细菌转化与目标DNA分子的增殖分子的增殖 所谓细菌转化,是指一种细菌菌株由于捕获了来自另一种细菌菌株的DNA而导致性状特征发生遗传改变的生命过程。 提供转化DNA的菌株叫作供体菌株,接受转化DNA的细菌菌株则被称为受体菌株。 转化转化(transformation) 特指以质粒DNA或以它为载体构建的重 组子导入细菌的过程。转染转染 (transfection) 是指噬菌体、病毒或以它作为载体构成的重组子导入细胞的过程。转导转导 (transductio
14、n) 以噬菌体为媒介,将外源DNA导入细菌的过程。 上述概念往往容易混淆。 转化是一个自然存在的过程。细菌处于容易吸收外源DNA状态叫感受态,用理化方法诱导细胞进入感受态的操作叫致敏过程。 重组DNA转化细菌的技术操作关键就是通过化学方法,人工诱导细菌细胞进入一个敏感的感受态,以便外源DNA进入细菌内。 这项技术始于Mandel和Higa 1970年的观察,他们发现细菌经过冰冷的CaCl2溶液处理及短暂热休克后,容易被噬菌体DNA感染,随后Cohn于 1972年进一步证明质粒DNA用同样的方法也可进入细菌。转化原理:转化原理:将快速生长中的大肠杆菌置于经0预处理的低渗氯化钙溶液中,使细胞膨胀,
15、细胞膜通透性发生变化,易与外源DNA相粘附并在细胞表面的复合物。 42下做短暂热刺激,复合物便会被细胞所吸收。在全培养基中生长一段时间使转化基因实现表达,就可涂布于选择性培养基中分离转化子。细菌转化及蓝白斑筛选:图5-5图图5-6 噬菌体可噬菌体可以作为克隆载体以作为克隆载体重 组 DNAAmprTcs提 取DNA 电泳AmprAmprAmprAmprTcrTcrTcAmprTcsTcs转 化 无 菌 落阳 性菌 落筛 选重 组 子2)DNA重 组无 DNA插入有 DNA插入外 源 DNA1)限制 酶 切5. 2. 3 聚合酶链反应技术(聚合酶链反应技术(PCR) 首先将双链DNA分子加热分离
16、成两条单链,DNA聚合酶以单链DNA为模板并利用反应混合物中的四种dNTP合成新生的DNA互补链。 因为DNA聚合酶需要有一小段双链DNA来启动(“引导”)新链的合成,所以,新生DNA链的起点由寡核苷酸引物在模板DNA链两端的退火位点所决定。 由于在PCR反应中所选用的一对引物,是按照与扩增区段两端序列彼此互补的原则设计的,因此每一条新生链的合成都是从引物的退火结合位点开始并朝相反方向延伸的。 整个PCR反应的全过程,即DNA解链(变性)、引物与模板DNA相结合(退火)、DNA合成(链的延伸)三步,可以被不断重复。经多次循环之后,反应混合物中所含有的双链DNA分子数,即两条引物结合位点之间的D
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- 现代 分子生物学 ppt 课件 第五
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