分子生物学常用技术及其应用课件.ppt
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- 分子生物学 常用 技术 及其 应用 课件
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1、第十二章分子生物学常用技术分子生物学常用技术及其应用及其应用序言序言 21 21世纪是世纪是生命科学生命科学的世纪!的世纪! 生物技术生物技术是当今发展最快、最活跃、是当今发展最快、最活跃、 对社会对社会与经济的发展有巨大推动力的高科技领域。其与经济的发展有巨大推动力的高科技领域。其中中基因工程基因工程和和发酵工程发酵工程是生物技术的核心。是生物技术的核心。 世界各国政府高度重视世界各国政府高度重视生物技术生物技术 我国政府将其列为信息通讯、航天、新能源、我国政府将其列为信息通讯、航天、新能源、 新材料等高科技领域的新材料等高科技领域的第二位第二位。可见其战略地位。可见其战略地位。 生物技术生
2、物技术正在改变人们的生活和观念正在改变人们的生活和观念 随着随着基因组计划基因组计划的接近完成及的接近完成及后基因组计划后基因组计划的的开展,借助计算机处理复杂信息的强大能力,开展,借助计算机处理复杂信息的强大能力,2121世世纪的纪的生物技术生物技术将会有更大发展,有些领域甚至可能将会有更大发展,有些领域甚至可能有重大突破。有重大突破。第一节第一节 自然界的基因转移和重组自然界的基因转移和重组一、接合一、接合二、转化二、转化三、转导三、转导四、转座四、转座质粒质粒DNA从一个细胞转移至另一细胞从一个细胞转移至另一细胞 通过自动获取或人为地供给外源通过自动获取或人为地供给外源DNA,使细胞获得
3、新的遗传表型,使细胞获得新的遗传表型 病毒把某一细胞的病毒把某一细胞的DNA带至另一细胞,带至另一细胞,使后者获得新的遗传表型使后者获得新的遗传表型DNA片段从染色体的某处移位到另一处。片段从染色体的某处移位到另一处。 重组的类型:重组的类型:1. 位点特异性重组位点特异性重组(site-specific recombination)2. 同源重组同源重组(homologous recombination)四、基因四、基因重组重组(recombinant)不同不同DNA分子间发生的共价连接分子间发生的共价连接 同源区同源区AaBbBAabBAbaBaAbBb 机制机制1. 同源重组同源重组(h
4、omologous recombination)aA功能功能1. 在在减数分裂减数分裂过程中,同源染色体之间过程中,同源染色体之间进行交换,形成生物个(群)体的进行交换,形成生物个(群)体的多样性多样性。2. 是是DNA损伤修复损伤修复的重要机制之一。的重要机制之一。2. 2. 位点特异性的基因重组位点特异性的基因重组 由整合酶催化,由整合酶催化,重组仅在特定的基重组仅在特定的基因片段和位点上进行。因片段和位点上进行。 是是免疫球蛋白免疫球蛋白多样性的分子机制多样性的分子机制。第二节基因工程的工具工具酶和载体一、一、 常用的工具酶常用的工具酶 ( (一一) )限制性内切酶限制性内切酶( (re
5、striction endonuclease) - -切切基因工程的基因工程的手术刀手术刀功能:功能: 识别识别双链双链DNADNA中特异序列,该序列的特征为中特异序列,该序列的特征为4-64-6个核苷酸的个核苷酸的回文结构回文结构,并在识别序列内或附,并在识别序列内或附近近特异切割特异切割DNADNA,产生,产生粘性末端粘性末端或或平末端平末端。 根据需要在特定的位点精确切割根据需要在特定的位点精确切割双链双链DNADNA分子分子 没有没有限制性内切酶限制性内切酶的发现和应用,就的发现和应用,就很难有今天分子生物学与基因工程的快很难有今天分子生物学与基因工程的快速发展。速发展。 作用模式图:
6、作用模式图:1. 1. 产生产生55突出突出粘性末端粘性末端( (sticky end) )EcoR I*GAATTC*CTTAAG*55335533*G*C T T A A 55333355OHP A A T T C* G*55333355P OH 作用模式图:作用模式图:2. 2. 产生产生33突出突出粘性末端粘性末端Pst I*CTGCAG*GACGTC*5533553355333355OHP*C T G C A*G55333355OHPA C G T C* * * * * * * * * * * *G* * * * * * * * * * * * 作用模式图:作用模式图:3. 3. 产
7、生产生平末端平末端( (blunt end) )Alu I*AGCT*TCGA*5533553355333355OHP*AG*TC55333355 OHPCT*GA*限制性内切酶限制性内切酶用途:用途: 1.1.基因重组过程中切割基因重组过程中切割DNADNA以获取目的基以获取目的基 因片段,切割载体形成切口,使目的因片段,切割载体形成切口,使目的基因能插入载体中。基因能插入载体中。2.2.限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性(Restriction Fragment Length Polymorphysms, RFLP) )分析:遗传病的诊断,法医分析:遗传病的诊断,法医 DNA指纹分析
8、等。指纹分析等。3.3.构建构建DNADNA的物理图谱,基因定位,的物理图谱,基因定位,DNADNA的的 同源性分析等等。同源性分析等等。(二)DNA连接酶(DNA ligase) 基因工程的缝纫针 将两条双链DNA片段连接起来,实现 DNA的体外重组体外重组。功能:功能: 催化两条双链双链DNA分子的互补粘性末互补粘性末端端或平末端平末端的5磷酸磷酸基团与3羟基羟基形成磷磷酸酯键酸酯键。 也可将双链也可将双链DNA分子内部分子内部的单个切的单个切口口(无核苷酸空缺无核苷酸空缺)连接起来。还可作用连接起来。还可作用于于RNA,但效率很低。,但效率很低。 如需连接如需连接单链单链DNA或或RNA
9、,则需用,则需用RNA连接酶连接酶。DNA连接酶催化连接酶催化平末端平末端连接要比连接要比粘性末粘性末端端 效率低得多。效率低得多。DNA连接酶 EcoR I*GAATTC*CTTAAG*5353*G*C T T A A 5335OHPA A T T C* G*5335 P OHDNA连接酶连接酶作用模式图:作用模式图:1. 连接粘性末端粘性末端 作用模式图:作用模式图: 2. 连接平末端平末端Alu I*AGCT*TCGA*5353OHP5335 *TC *AG5335 OHPCT*GA*DNA连接酶连接酶(三三) 反转录酶反转录酶(Reverse Transcriptase) 功能:功能:
10、 以以RNA为模板,以带为模板,以带3-OH末端的末端的DNA片段为片段为引物引物, 沿沿5至至3方向合成方向合成DNA链链。3AAAAAAUCUGUCCUA5dNTPMg2+反转录酶反转录酶3AAAAAAUCUGUCCUA55TTTTTTTOH 3AGACAGGAT31. RNA指导的指导的DNA聚合酶活性聚合酶活性:5TTTTTTT 2. DNA指导的指导的DNA聚合酶活性聚合酶活性;核糖核;核糖核酸酶酸酶H活性;活性;DNA解旋酶活性等。解旋酶活性等。用途:用途:1. 反转录酶的最主要作用是以反转录酶的最主要作用是以mRNA为模板合成为模板合成互补互补DNA(complementary
11、DNA,cDNA)。2. 以单链以单链DNA或或RNA为模板制备为模板制备探针探针。功能:功能:( (四四) ) 核酸酶核酸酶S1S1 功能:功能: 水解水解双链双链DNA、RNA或或DNA-RNA杂交体中的杂交体中的单链部分单链部分。核酸酶核酸酶S1S1核酸酶核酸酶S1S1+ +核酸酶核酸酶S1S1(四)核酸酶S1 用途:用途:1. 除去除去双链双链DNA的的粘性末端粘性末端以产生以产生 平末端平末端;2. 除去除去cDNA合成时形成的合成时形成的发夹结构发夹结构;3. 分析分析RNA的茎环结构以及的茎环结构以及DNA- RNA分子的杂交情况等。分子的杂交情况等。 功能:功能: 催化催化脱氧
12、脱氧核糖核苷酸转移到核糖核苷酸转移到单链单链或或双链双链DNA分子的分子的3-OH末端上。末端上。1. 底物是底物是单链单链DNA或有或有3突出末端突出末端的的 双链双链 DNA。OH53Mg2+dNTP53(A、G、C、T)nnppi53OHMg2+dNTPnppi53(A、G、C、T)n 2.底物是底物是平端平端或或3 凹端凹端的双链的双链DNA。53Co2+dNTP53(A、G、C、T)nnppi53Co2+dNTPnppi53OHOH(A、G、C、T)n 用途:用途: 1. 主要作用是在载体或目的基因主要作用是在载体或目的基因 3末末端加上同源端加上同源多聚尾巴多聚尾巴,形成,形成人工
13、粘性人工粘性末端末端,便于,便于DNA重组。重组。2. DNA 3末端的末端的同位素标记同位素标记。(六) 核糖核酸酶H 水解水解DNA-RNA杂交分子中的杂交分子中的RNA链。链。RNADNA核糖核酸酶核糖核酸酶HDNA用途:用途:功能:功能: 用用核糖核酸酶核糖核酸酶H部分部分水解水解mRNA-cDNA杂交分子中的杂交分子中的mRNA,使未,使未被水解的被水解的mRNA作为作为引物引物合成合成cDNA的第二链。的第二链。二、载体二、载体(vector) *目的基因目的基因进入进入原核或真核细胞并高效原核或真核细胞并高效复制复制 和和表达蛋白质表达蛋白质,需要装入,需要装入载体载体才能实现。
14、才能实现。* 作为基因工程载体所需具备的作为基因工程载体所需具备的基本条件基本条件:1. 能能自我复制自我复制,并具一定的拷贝数。,并具一定的拷贝数。2. 带有带有抗性基因抗性基因,便于筛选和鉴定。,便于筛选和鉴定。4. 带有带有强启动子强启动子,驱动目的基因在宿主,驱动目的基因在宿主 细胞内高效表达。细胞内高效表达。3. 在适当的位置有在适当的位置有单酶切位点单酶切位点,便于重,便于重 组操作。组操作。 1. 细菌质粒细菌质粒:最常用的用于目的基因克隆克隆或 表达表达的载体。2. 噬菌体噬菌体: 主要用于构建构建基因组DNA或 cDNA文库文库。3. M13噬菌体噬菌体:专用于Sanger双
15、脱氧DNA 测序测序4. 粘粒粘粒:用于克隆大片段克隆大片段DNA。5. 酵母质粒酵母质粒:用于在酵母酵母中表达目的蛋白。6. 病毒病毒:包括人或哺乳动物病毒、昆虫病毒及植物病毒。用于在真核细胞真核细胞中表达目的蛋白。基因工程载体的基因工程载体的种类种类和和用途:用途:(一) 质粒(plasmid) 细菌培养质粒扩增并表达蛋白质大肠杆菌染色质质粒定义定义:细菌染色质以外的双链环状DNA,能自我复制和表达其携带的遗传信息。 AmprORITetrpBR322质粒质粒:一种克隆质粒ORI:复制起始点,保证高拷贝自我复制。结构:结构:Ampr, Tetr:两个抗性基因用于筛选阳性克隆。Pst I,
16、BamH I:两个单酶切位点用于插入目的基因 AmprLacZMCSpfxBlue: 克隆质粒MCS:Multiple Clonning Site提供多个单酶切位点用于克隆操作LacZ: 蓝白斑筛选阳性克隆 P(LacZ)MCSAmprLacZpRS426:原核细胞表达质粒P(LacZ): LacZ启动子用于在原核细胞驱动目的基因的表达。 pcDNA3:真核细胞表达质粒Pcmv:CMV增强子/启动子 驱动目的基因在真核真核细胞细胞内表达BGH pA:加尾信号 目的基因转录后加上polyA尾尾,使其更稳定稳定。(二) 噬菌体(phage) 1. 噬菌体(phage)2. 粘粒(cosmid)3.
17、 M13噬菌体1. 噬菌体 A WB DEF Z J att xis N cl cro O P Q SR 结构区 重组区重组区调控区裂解区cos位点位点 cos 位点位点ARAREcoRI目的基因EcoRIEcoRI插入型置换型筛选标记:筛选标记: 蓝白斑蓝白斑(LacZ)、噬菌斑噬菌斑等等。(1) 重组噬菌体重组噬菌体的分子量必须在的分子量必须在野生型噬野生型噬 菌体菌体 分子量大小的分子量大小的75%至至105%之间。之间。用途:用途:b.用于构建基因组或用于构建基因组或cDNA文库。文库。c.用于抗体库或随机肽库的构建。用于抗体库或随机肽库的构建。a.用作一般的克隆载体。用作一般的克隆载
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