基因重组技术课件.pptx
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1、基因重组技术21 概述概述1.1 定义定义 基因重组技术基因重组技术是一种在分子水平上按照人们设是一种在分子水平上按照人们设计的蓝图对基因进行人工操作的技术,具体地说,计的蓝图对基因进行人工操作的技术,具体地说,就是从一种细胞中把目的基因提取出来,在体外把就是从一种细胞中把目的基因提取出来,在体外把它和一种载体分子连接,然后用人工的方法将这种它和一种载体分子连接,然后用人工的方法将这种杂种杂种DNA分子引入到另一种细胞中去,让其大量复分子引入到另一种细胞中去,让其大量复制繁殖或产生大量基因表达产物。制繁殖或产生大量基因表达产物。3别称别称: 基因工程(基因工程(Gene engineering
2、) DNA重组重组 (DNA recombination) 遗传工程遗传工程 (Genetic engineering) 基因操作基因操作 (Gene manipulation) 基因克隆基因克隆 (Gene cloning) 分子克隆分子克隆 (Molecular cloning) 4目的基因的分离;目的基因的分离;重组载体的选择和制备;重组载体的选择和制备;目的基因与载体的重组;目的基因与载体的重组;重组体导入受体细胞;重组体导入受体细胞;重组克隆的筛选与鉴定;重组克隆的筛选与鉴定;目的基因在受体细胞中的表达及表达产物的分离纯化。目的基因在受体细胞中的表达及表达产物的分离纯化。3 基因重组
3、技术基因重组技术1 概述概述1.2 基因重组技术的主要内容和步骤基因重组技术的主要内容和步骤基因重组技术的主要内容基因重组技术的主要内容5分离分离重组重组转化转化表达表达筛选筛选 载体载体基因重组技术的主要步骤基因重组技术的主要步骤6 定义定义 是一类以环状或线性双链是一类以环状或线性双链DNA为底物,能识别为底物,能识别DNA中特定核苷酸序列,并在合适反应条件下使中特定核苷酸序列,并在合适反应条件下使每条链的一个磷酸二酯键断开,产生具每条链的一个磷酸二酯键断开,产生具3-OH和和5-P基团基团DNA片段的内脱氧核苷酸酶片段的内脱氧核苷酸酶(endo-deoxyribonuclease)。 简
4、称简称 限制性内切酶、限制酶、内切酶。限制性内切酶、限制酶、内切酶。3 基因重组技术基因重组技术2 基因重组技术的工具酶基因重组技术的工具酶2.1 限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶(Restriction endonuclease)分子剪刀分子剪刀7 种类种类 目前,已从近目前,已从近300种不同的微生物分种不同的微生物分离出约离出约500种种限制性核酸内切酶。限制性核酸内切酶。类型类型( 三种类型)三种类型) 型酶、型酶、 型酶和型酶和 型酶。型酶。 若无说明,通常的若无说明,通常的限制性核酸内切限制性核酸内切酶就是指酶就是指 型酶型酶。8 三种核酸限制性内切酶的主要特性比较三种核酸限制性内
5、切酶的主要特性比较特特 性性I 型酶型酶II 型酶型酶III 型酶型酶酶分子的结构与功能酶分子的结构与功能三亚基多功能的酶三亚基多功能的酶单一功能的酶单一功能的酶二亚基双功能酶二亚基双功能酶辅助因子辅助因子ATP、Mg2+、S-腺苷腺苷甲硫氨酸(甲硫氨酸(SAM)Mg2+ATP、Mg2+、S-腺腺苷甲硫氨酸苷甲硫氨酸识别序列识别序列特异性,非对称序列特异性,非对称序列特异性,旋转对称特异性,旋转对称特异性,非对称序列特异性,非对称序列切割位点切割位点距特异性位点至少距特异性位点至少1000 bp处随机切割处随机切割在识别序列内部或在识别序列内部或附近特异切割附近特异切割距识别序列下游距识别序列
6、下游24 26bp处切割处切割在在DNA克隆中的用途克隆中的用途无用无用十分有用十分有用有用有用9识别序列识别序列 定义定义 限制性核酸内切酶在双链限制性核酸内切酶在双链DNA分子上能识别的分子上能识别的特定核苷酸序列。又称为识别位点、靶位点或切割特定核苷酸序列。又称为识别位点、靶位点或切割位点。位点。 长度长度 4、5、6或或7个核苷酸。个核苷酸。 结构特点结构特点 具有双重旋转对称结构,即:回文结构具有双重旋转对称结构,即:回文结构(palindromic sequence)。)。 GAATTC CTTAAG5353Eco RI 10切割方式切割方式已知大多数已知大多数II型限制性核酸内切
7、酶在其识别序列内部型限制性核酸内切酶在其识别序列内部切割双链切割双链DNA,水解磷酸二酯键中的,水解磷酸二酯键中的3位的酯键,位的酯键,产生产生3端为羟基、端为羟基、5端为磷酸基团的片段。端为磷酸基团的片段。切割后形成切割后形成3种不同末端结构的种不同末端结构的DNA片段:片段:在识别序列的对称轴上同时切割,形成在识别序列的对称轴上同时切割,形成平头末端平头末端(blunt end),如),如Hae III;在识别序列的双侧末端切割,若于对称轴的在识别序列的双侧末端切割,若于对称轴的5末端切割,末端切割,可产生可产生5端突出的末端端突出的末端,如,如Eco RI;在识别序列的双侧末端切割,若于
8、对称轴的在识别序列的双侧末端切割,若于对称轴的3末端切割,末端切割,可产生可产生3端突出的末端端突出的末端,如,如Pst I。任何一种任何一种II型酶产生的两个突出末端,都能在适当温度型酶产生的两个突出末端,都能在适当温度下,退火互补,因此这种末端称为下,退火互补,因此这种末端称为黏性末端黏性末端(cohesive end)。)。1112限制性核酸内切酶在基因重组中的用途限制性核酸内切酶在基因重组中的用途1. 分割基因组分割基因组DNA;132. 获得分子重组所必获得分子重组所必需的末端;需的末端;限制性内切酶在基因工程中的用途限制性内切酶在基因工程中的用途AABA+BB14 定义:能催化双链
9、定义:能催化双链DNA分子中相邻的分子中相邻的5-P与与3 -OH之间形成磷酸二酯键的酶。之间形成磷酸二酯键的酶。 活性:封闭缺口活性:封闭缺口(nick),不能封闭裂口,不能封闭裂口(gap)。3 基因重组技术基因重组技术2 基因重组技术的工具酶基因重组技术的工具酶2.2 DNA连接酶(连接酶(DNA ligase)分子浆糊分子浆糊15两种两种DNA连接酶比较连接酶比较DNA连接酶连接酶T4 DNA连接酶连接酶来源来源大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌T4噬菌体噬菌体辅助因子辅助因子NAD+ATP功能功能缺口(缺口(nick)修补修补缺口修补和平头末端连缺口修补和平头末端连接接16T4 DNA
10、连接酶在基因重组中的用途连接酶在基因重组中的用途 补缺口补缺口 平头末端连接平头末端连接 粘性末端连接粘性末端连接17磷酸二酯法合成寡核苷酸磷酸二酯法合成寡核苷酸磷酸三酯法合成寡核苷酸磷酸三酯法合成寡核苷酸固相亚磷酸三酯法合成寡核苷酸固相亚磷酸三酯法合成寡核苷酸3 基因重组技术基因重组技术3 目的基因的分离目的基因的分离1 基因的化学合成基因的化学合成局限性:局限性: 目前,化学合成寡核苷酸片段的能力一般局限于目前,化学合成寡核苷酸片段的能力一般局限于150200bp以内。然而,绝大多数基因的大小都超以内。然而,绝大多数基因的大小都超过了这个范围。因此,需要一种特殊的程序,才能过了这个范围。因
11、此,需要一种特殊的程序,才能够把合成的寡核苷酸片段构建成完整的基因。够把合成的寡核苷酸片段构建成完整的基因。18寡核苷酸片段组装基因的方式寡核苷酸片段组装基因的方式基因的组装:按设计要求用许多寡核苷酸片段装基因的组装:按设计要求用许多寡核苷酸片段装配成完整基因的过程。配成完整基因的过程。第一种方法是先将寡核苷酸第一种方法是先将寡核苷酸激活,带上必要的激活,带上必要的5-P基团,基团,然后再与相应的互补寡核苷然后再与相应的互补寡核苷酸片段退火,形成带有粘性酸片段退火,形成带有粘性末端的双链寡核苷酸片段。末端的双链寡核苷酸片段。把这些双链寡核苷酸片段混把这些双链寡核苷酸片段混合在一个试管中,加上合
12、在一个试管中,加上T4 DNA连接酶,使它们彼此连连接酶,使它们彼此连接组成一个完整的基因或者接组成一个完整的基因或者是基因的一个片段。是基因的一个片段。19寡核苷酸片段组装基因的方式寡核苷酸片段组装基因的方式第二种方法是尽可能的第二种方法是尽可能的减少合成寡核苷酸片段减少合成寡核苷酸片段的用量。将两条具有互的用量。将两条具有互补补3末端的长的寡核苷末端的长的寡核苷酸片段彼此退火,所产酸片段彼此退火,所产生的单链区域以生的单链区域以3-OH为引物,用为引物,用DNA聚合酶聚合酶处理,便会合成出相应处理,便会合成出相应的互补链。的互补链。20概念:概念:(Gene bank;Gene libra
13、ry)将一个基因组的将一个基因组的DNA用限制酶切割成适当大小用限制酶切割成适当大小的片段,并进行克隆化,从而形成的含有重组的片段,并进行克隆化,从而形成的含有重组DNA分子的群体。分子的群体。3 基因重组技术基因重组技术3 目的基因的分离目的基因的分离2 构建基因文库法构建基因文库法21基因文库的构建过程基因文库的构建过程22几个相关概念几个相关概念DNA双螺旋结构的生物功能主要在于复制和转录。双螺旋结构的生物功能主要在于复制和转录。加热或变性作用可以使加热或变性作用可以使DNA双螺旋的氢键断裂,双双螺旋的氢键断裂,双链解离,形成单链链解离,形成单链DNA,这称为,这称为DNA变性变性(de
14、nature)。)。解除变性条件之后,变性的单链可以重新结合起来,解除变性条件之后,变性的单链可以重新结合起来,形成双链,此过程称为形成双链,此过程称为DNA复性复性(renature),也),也叫叫退火退火(annealing)。变性和复性在一定条件下是)。变性和复性在一定条件下是完全可逆的。完全可逆的。DNA双链解离一半时的温度叫做双链解离一半时的温度叫做解链温度解链温度(melting temperature,Tm)。)。3 基因重组技术基因重组技术3 目的基因的分离目的基因的分离3 PCR制备基因制备基因233 基因重组技术基因重组技术3 目的基因的分离目的基因的分离3 PCR制备基因
15、制备基因原理:原理:聚合酶链式反应(聚合酶链式反应(PCR)是一种特定区段的)是一种特定区段的DNA复复制,必须有制,必须有DNA模板(模板(template)、)、DNA聚合酶聚合酶(DNA polymerase)、)、DNA引物(引物(primer)、四种)、四种dNTP和和Mg2。要扩增模板要扩增模板DNA中的中的AB区间的区间的DNA片段,首先要片段,首先要设计两条寡核苷酸引物,而设计两条寡核苷酸引物,而PCR扩增扩增DNA的特异性的特异性和长度就由人工合成的这两条引物决定。引物和长度就由人工合成的这两条引物决定。引物1和引和引物物2这段这段DNA的序列是已知的,这是的序列是已知的,这
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