基因工程在食品工业中的应用课件.ppt

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1、第二章 基因工程原理及其在食品工业中的应用,2021/7/23,1,第二章 基因工程原理及其在食品工业中的应用 2021/7/2,第一节 基因工程基础,（一）基因工程的定义 1.基因（gene） DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质最小功能单位。 2.基因组（geneome） 一个生物体的全部基因序列。,一、基因工程的定义、基本操作程序,2021/7/23,2,第一节 基因工程基础 （一）基因工程的定义一、基因工程的定义,3.基因表达（gene expression） 遗传信息转录和翻译的过程。 （1）转录。在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程。 （2）翻

2、译。在RNA的控制下，根据核苷酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链过程。 （3）逆转录。以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA的过程。,2021/7/23,3,3.基因表达（gene expression）202,4.重组DNA技术（recombinant DNA technique） 利用限制性内切核酸酶、连接酶等酶类将不同的DNA进行体外切割、连接构成新的DNA分子的技术。 5.基因工程（gene engineering） 运用限制性内切核酸酶、连接酶等酶类将不同DNA进行体外切割、连接构成重组DNA，再将重组DNA经生物介导或

3、直接导入等转移方法引入受体细胞进行克隆、表达，从而改变生物遗传性以创造生物新种质，或通过大量扩增为人类提供有用产品等的技术。 6.食品基因工程 利用基因工程的技术和手段，在分子水平上定向重组遗传物质，以改良食品的品质和性状，提高食品的营养价值、贮藏价格性状以及感官性状的技术。,2021/7/23,4,4.重组DNA技术（recombinant DNA,2021/7/23,5,2021/7/235,（二）基因工程的基本操作程序 1.运用合适的方法从生物体中分离或通过化学合成制备目的基因。 2.采用合适的方法将目的基因与合适的载体进行体外连接，构建重组DNA。 3.利用合适的方法将重组DNA导入受

4、体生物细胞以获得转化体。 4.采用合适的方法筛选出重组转化体阳性克隆。 5.运用合适的方法对重组转化体阳性克隆进一步分析以及操作，使目的基因在受体生物细胞中高效表达。,2021/7/23,6,（二）基因工程的基本操作程序2021/7/236,（三）基因工程的三大理论和三大技术基础 1.三大理论基础 （1）1940年代Avery等人的肺炎球菌的转化试验证明了生物的遗传物质是DNA。 （2）1950年代Watson和Crick发现了DNA分子的双螺旋结构及DNA半保留复制机理。 （3）1960年代Crick关于遗传中心法则的确立，即生物体中遗传信息是按DNARNA蛋白质方向进行传递。 2.三大技术

5、基础 （1）如何从生物体庞大的双链DNA分子中将所需要的基因片段切割下来（限制性内切核酸酶）。 （2）如何将获得的基因片段进行连接（DNA连接酶）。 （3）如何将切割下来的基因片段进行繁殖扩增（基因载体）。,2021/7/23,7,（三）基因工程的三大理论和三大技术基础2021/7/237,二、基因工程的工具酶,工具酶：基因工程的操作，是依赖于一些重要的酶（例如，限制酶、聚合酶、连接酶等）作为工具来对基因进行切割和拼接等操作，这些酶被称为工具酶。,2021/7/23,8,二、基因工程的工具酶 工具酶：基因工程的操作，是依赖,（一）限制性内切核酸酶与DNA甲基化酶 1.限制作用与修饰作用 限制作

6、用（restriction）：指一定类型的细菌可以通过其限制性内切核酸酶的作用，切割降解入侵的外源DNA，使得外源DNA的入侵受到限制的现象。 修饰作用（modification）：指在DNA甲基化酶作用下，生物体自身DNA分子在特定碱基的特定位置上发生甲基化而得到修饰，从而免遭自身限制性内切核酸酶降解的现象。,2021/7/23,9,（一）限制性内切核酸酶与DNA甲基化酶 2021/7/239,2.限制性内切核酸酶与DNA甲基化酶 限制性内切核酸酶（restriction endonuclease）：简称限制酶，指一类能够识别和切割双链DNA分子内核苷酸序列的内切核酸酶。 DNA甲基化酶（D

7、NA methylase）：简称甲基化酶，指一类能够识别DNA特定序列，并在其特定碱基的特定位置上引入甲基而发生修饰作用的酶。,2021/7/23,10,2.限制性内切核酸酶与DNA甲基化酶2021/7/2,3.限制性内切核酸酶的类型 （1）型。由三种不同亚基组成；辅助因子为ATP、Mg2+及S-腺苷甲硫氨酸；切割位点距其识别位点至少1 000bp；切割作用随机。型限制酶不宜作为基因工程的工具酶。 （2）型。由两个相同亚基组成；辅助因子仅为Mg2+；识别位点常具旋转对称性；切割位点与其识别位点重叠或在其附近；切割作用特异性强。型限制酶是基因工程理想的工具酶。 （3）型。由两种不同亚基组成；辅助

8、因子为ATP和Mg2+，也受S-腺苷甲硫氨酸激活，但并非必需；切割位点一般在距其识别位点3端2426bp处。型限制酶在基因工程中也不常用。,2021/7/23,11,3.限制性内切核酸酶的类型2021/7/2311,限制性内切核酸酶没有种属特异性，即限制性内切核酸酶识别、切割特定序列的能力同底物DNA的来源无关，它可识别、切割各种来源的DNA。 DNA甲基化酶具有种属特异性，生物体的DNA甲基化酶只修饰保护自己的DNA，而不修饰保护非己的DNA。生物体的限制性内切核酸酶不能降解自身被修饰保护的DNA，而只能降解外源的DNA。,2021/7/23,12,限制性内切核酸酶没有种属特异性，即限制性内

9、切核酸酶识,表4-1 限制性内切核酸酶的类型及主要特性,2021/7/23,13,表4-1 限制性内切核酸酶的类型及主要特性 主要特性型 ,4.型限制性内切核酸酶的切割方式 在识别序列双链DNA两条链的对称轴上同时切断磷酸二酯键，形成双链平齐末端。 在识别序列双链DNA两条链的对称轴两侧同时从3端切断磷酸二酯键，形成3-羟基端25个核苷酸突出单链黏性末端。 在识别序列双链DNA两条链的对称轴两侧同时从5端切断磷酸二酯键，形成5-磷酸端25个核苷酸突出单链黏性末端。,2021/7/23,14,4.型限制性内切核酸酶的切割方式2021/7/23,2021/7/23,15,2021/7/2315,5

10、.影响限制性核酸内切酶活性的主要因素 （1）底物DNA制备物的纯度 蛋白质、十二烷基硫酸钠（SDS）、乙二胺四乙酸（EDTA）、酚、氯仿、乙醇及高浓度的盐离子等污染物都会抑制限制酶的活性。 （2）底物DNA的甲基化程度 dam甲基化酶：特异地催化DNA分子中5GATC3序列中的腺嘌呤N7位置的甲基化。 dcm甲基化酶：催化DNA分子中5CCAGG3或5CCTGG3序列中的胞嘧啶C5位置的甲基化。,2021/7/23,16,5.影响限制性核酸内切酶活性的主要因素2021/7/,（3）底物DNA的结构构型 环状双螺旋DNA较线性DNA稳定。在用限制酶酶解同样分子质量的DNA时，环状双螺旋DNA所需

11、酶量为线性DNA所需酶量的1020倍。 （4）酶反应缓冲液的组成 酶反应体系中常含MgCl2、NaCl或KCl、三羟甲基氨基甲烷（Tris）-HCl、-巯基乙醇、二硫苏糖醇（DTT）、牛血清白蛋白（BSA）等。Tris-HCl的作用在于使反应液的pH值稳定于酶活性所要求的最佳范围内，而后三者均有稳定酶的作用。,2021/7/23,17,（3）底物DNA的结构构型2021/7/2317,（5）酶反应的最适温度 大多数限制酶反应的最适温度为37，少数限制酶反应的最适温度高于或低于此温度。反应温度高于或低于其最适温度，酶的活力均会下降。应根据各限制酶反应的最适温度作相应调整。,2021/7/23,1

12、8,（5）酶反应的最适温度2021/7/2318,6.限制酶的主要用途 （1）在特异位点上切割DNA，产生特异的限制酶切割的DNA片段。 （2）建立DNA分子的限制酶图谱。 限制酶图谱（restriction map）:指一系列限制酶的特异识别序列在DNA链上的出现频率和它们之间的相对位置。 （3）构建基因文库。 基因工程中，将某种生物的全部基因组的遗传信息，贮存在可以长期保存的稳定的重组体中，以备需要时能够随时应用它分离所需要的目的基因，这种保存基因组遗传信息的材料，称为基因文库（gene library） （4）用限制酶切出相同的黏性末端，以便重组DNA。,2021/7/23,19,6.限

13、制酶的主要用途2021/7/2319,2021/7/23,20,2021/7/2320,2021/7/23,21,2021/7/2321,（二）DNA聚合酶 依赖于DNA的DNA聚合酶 大肠杆菌DNA聚合酶（全酶）；大肠杆菌DNA聚合酶大片段（Klenow片段）、耐热的DNA聚合酶（Taq DNA聚合酶）等。 依赖于RNA的DNA聚合酶（即逆转录酶） 优先以RNA为模板，也可以DNA为模板。逆转录酶能以RNA为模板催化合成双链DNA。 末端脱氧核苷酸转移酶（简称末端转移酶） 不以DNA或RNA为模板，而只是将核苷酸加到已有DNA分子的末端。,2021/7/23,22,（二）DNA聚合酶 202

14、1/7/2322,DNA聚合酶作用的条件 （1）要有底物4种脱氧核苷酸三磷酸（dNTP）为前体催化合成DNA，接受模板指导，产物的性质与模板编码相同。 （2）不能起始合成新的DNA链，要有引物3-羟基的存在。 （3）催化dNTP加到生长中的DNA链的3-羟基末端。 （4）催化DNA合成的方向是53 。,2021/7/23,23,DNA聚合酶作用的条件2021/7/2323,1.大肠杆菌DNA聚合酶（全酶） 一种从大肠杆菌中分离出的一条分子质量为109KDa的多肽链（球蛋白）。 具有三种活性：53DNA聚合酶活性，以单链DNA为模板，以带3自由羟基的DNA片段为引物；53外切核酸酶活性，从5端既

15、降解双链DNA，也降解RNA-DNA杂交体中的RNA链（RNA酶H活性）；35外切核酸酶活性，底物为带3自由羟基的双链DNA或单链DNA。 主要用于：以切刻平移法标记DNA；对DNA分子的3突出尾进行末端标记。,2021/7/23,24,1.大肠杆菌DNA聚合酶（全酶）2021/7/23,2021/7/23,25,2021/7/2325,2.大肠杆菌DNA聚合酶大片段（Klenow片段） 一条分子质量为76KDa的多肽链，一般由大肠杆菌DNA聚合酶I全酶经枯草杆菌蛋白酶水解获得，也可通过克隆技术获得。 具有两种活性：53DNA聚合酶活性，以单链DNA为模板，以带3自由羟基的DNA片段为引物。3

16、5外切核酸酶活性，底物为带3自由羟基的双链DNA或单链DNA。,2021/7/23,26,2.大肠杆菌DNA聚合酶大片段（Klenow片段）,2021/7/23,27,2021/7/2327,3.Taq DNA聚合酶 最初来源于水生栖热菌（Thermus aquaticus），现可由基因工程途径来生产。分子质量为65KDa，是一种非常耐热的依赖于DNA的DNA聚合酶。 具有一种活性：53DNA聚合酶活性，以单链DNA为模板，以带3自由羟基的DNA片段为引物。 主要用于：对DNA进行测序。通过聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）对DNA分子的特定序列进行体

17、外扩增。,2021/7/23,28,3.Taq DNA聚合酶2021/7/2328,4.逆转录酶（依赖于RNA的DNA聚合酶） 常用的逆转录酶有两种：一种来自禽成髓细胞瘤病毒（AMV），由两条多肽链组成，分子质量为170KDa。一种来自鼠白血病病毒（MLV）逆转录酶基因的大肠杆菌，由单链多肽组成，分子质量为84KDa。 具有两种活性：53DNA聚合酶活性，以RNA或者DNA为模板，以带3自由羟基的RNA或DNA片段为引物。RNA酶H活性，即53 外切核糖核酸酶活性，特异地降解RNA-DNA杂交体中的RNA。 逆转录酶无35外切核酸酶活性，即无校对功能，其催化的聚合反应容易出错。,2021/7/

18、23,29,4.逆转录酶（依赖于RNA的DNA聚合酶）2021/7,2021/7/23,30,2021/7/2330,5.末端脱氧核苷酸转移酶（末端转移酶） 来源于小牛胸腺，分子质量为60KDa，是一种不需要模板的特殊的DNA聚合酶。 具有一种活性：即末端转移酶活性，在二价阳离子存在下，其催化dNTP加于DNA分子的3-羟基端。 主要用于：给载体DNA或cDNA加上互补的同聚尾。以32P标记的一种dNTP或一种rNTP来标记DNA片段的3端。,2021/7/23,31,5.末端脱氧核苷酸转移酶（末端转移酶）2021/7/,（三）连接酶、磷酸酶 1.T4噬菌体DNA连接酶 来源于T4噬菌体感染的

19、大肠杆菌，分子质量为68KDa。 具有一种活性：即催化DNA的5磷酸基与3羟基之间形成磷酸二酯键。该酶的核酸底物为黏性末端DNA、平齐末端DNA等。 主要用于：连接带匹配黏性末端的DNA分子。使平齐末端的双链DNA分子互相连接或与合成接头相连接。,2021/7/23,32,（三）连接酶、磷酸酶2021/7/2332,2.碱性磷酸酶 来源于大肠杆菌及牛小肠。包括细菌碱性磷酸酶（bacterial alkaline phosphatase，BAP）和牛小肠碱性磷酸酶（calf intestinal alkaline phosphatase，CIP）。 具磷酸酶活性，催化去除5磷酸的反应。底物为单链

20、或双链DNA及RNA、dNTP。 主要用于：在用32P标记5末端前，去除DNA或RNA分子的5磷酸。去除DNA片段5磷酸，以防自身环化。,2021/7/23,33,2.碱性磷酸酶2021/7/2333,三、基因工程的载体,载体（vector）：携带外源基因进入受体细胞的运载工具。基因工程载体的特性: （1）能在宿主细胞内进行独立和稳定的DNA自我复制。在插入外源基因后，仍然保持着稳定的复制状态和遗传特性。 （2）易于从宿主细胞中分离，并进行纯化。 （3）DNA序列中有适当的限制性内切酶位点，最好是单一酶切位点，并位于DNA复制的非必需区内，可以在这些位点上插入外源DNA，但不影响载体自身DNA

21、的复制。 （4）具有能够观察到的表型特征，在插入外源DNA后，这些特征可以作为重组DNA选择的标志。,2021/7/23,34,三、基因工程的载体 载体（vector）：携带外源基,载体的报告基因（标记基因）：基因工程中利用载体上引入的一些具有特殊标志意义的基因，可用来证明载体已经进入宿主细胞，并可用来将含有目的基因的宿主细胞从其他细胞中识别区分甚至挑选出来，这种具有标志意义的基因称为报告基因（reporter gene）或标记基因。 最常用的报告基因有抗药性基因（例如，抗氨苄青霉素、抗四环素、抗氯霉素等抗生素抗性基因）， 此外，还有氯霉素乙酰转移酶基因（CAT基因）、 -半乳糖苷酶基因（la

22、cZ）、-球蛋白基因和人生长激素基因等。,2021/7/23,35,载体的报告基因（标记基因）：基因工程中利用载体上引入,按照介导的作用目的，可将基因工程载体主要分为克隆载体和表达载体。 克隆载体：有一个松弛性复制系统，能使外源DNA在受体生物细胞中扩增复制。（例如，细菌质粒载体、噬菌体载体、柯氏质粒载体） 表达载体：有一个受体生物细胞所要求的包括启动子序列在内的调控系统，能使外源基因在受体生物细胞中进行功能表达。（例如，Ti质粒、SV40猴状病毒） 按照导入的受体生物，一般可将基因工程载体分为大肠杆菌（原核细胞）载体、酵母载体、植物载体、动物载体等。,2021/7/23,36,按照介导的作用

23、目的，可将基因工程载体主要分为克隆载体,（一）大肠杆菌载体 1.质粒载体 质粒:指细菌等生物细胞内一类独立于染色体外而能自我复制的遗传物质。 质粒拷贝数（plasmid copy number）：一种质粒在一个细胞中存在的数目。,2021/7/23,37,（一）大肠杆菌载体 2021/7/2337,（1）质粒的生物学特性 一般为双链的共价闭合环状DNA（ccc DNA），质粒分子的长度一般为1200 kb。不同质粒的分子质量差异显著，小质粒的分子质量约为103KDa，仅能编码23种中等大小的蛋白质；而大质粒的分子质量可达105KDa。,2021/7/23,38,（1）质粒的生物学特性2021/

24、7/2338,（2）质粒的分类 根据复制控制类型：一般可将大肠杆菌质粒分为严紧型复制控制质粒和松弛型复制控制质粒。 严紧型复制控制质粒:复制与宿主染色体的复制同步，并与宿主蛋白质的合成有关，而与DNA聚合酶的活性无关。如果宿主蛋白质的合成终止，质粒与宿主染色体的复制也停止。每个宿主细胞中只能达到1至数个拷贝。 松弛型复制控制质粒:复制与宿主染色体的复制不同步，其与DNA聚合酶的活性有关，而与蛋白质的合成无关。当宿主蛋白质的合成终止时，质粒仍可复制。每个宿主细胞中的质粒拷贝数可达10200个。,2021/7/23,39,（2）质粒的分类 2021/7/2339,（3）质粒克隆载体的条件 分子结构

25、中具有多个单一限制酶切位点，具有易被检测的选择标记基因，且切点位于选择标记基因上。 能插入、运载一定大小的外源基因。 在携带外源基因前后在宿主细胞内均能自主复制。 在与外源基因构建重组质粒后具有转化功能。 分子质量小，易于操作，一般为松弛型复制控制。 容易控制，安全可靠。 现已通过DNA重组技术构建了许多质粒克隆载体供基因工程应用，例如，pBR322、pUC系列等。,2021/7/23,40,（3）质粒克隆载体的条件2021/7/2340,2021/7/23,41,2021/7/2341,（4）质粒pBR322 组成 氨苄青霉素抗性基因（ampr） 四环素抗性基因（tetr） DNA复制起始点

26、（ori） 优点 分子质量小。 具有两种抗菌素抗性基因可供作转化子的选择标记。 较高的拷贝数。,2021/7/23,42,（4）质粒pBR3222021/7/2342,2021/7/23,43,2021/7/2343,（5）pUC质粒载体 组成 来自pBR322的复制起始点（ori） 大肠杆菌-半乳糖苷酶基因（lacZ）的启动子及其编码-肽链的DNA序列，此结构称为lacZ基因。 氨苄青霉素抗性基因（ampr），但其核苷酸序列有变化，不含原来内切限制酶的单位识别位点。 位于lacZ基因中的靠近5端的一段多克隆位点（MCS）区，但它并不破坏该基因的功能。 优点 更小的分子质量和更高的拷贝数。 适

27、用于组织化学方法检测重组体。 有多克隆区位点。,2021/7/23,44,（5）pUC质粒载体2021/7/2344,2021/7/23,45,2021/7/2345,2.噬菌体载体 （1）噬菌体的生物学特性 不同种类的噬菌体（颗粒）在外形上差别很大。大多数噬菌体颗粒由呈20面体的头部及尾部构成，例如，噬菌体；还有一些噬菌体颗粒为线状体形，例如，M13。在结构上，噬菌体颗粒比质粒复杂。 噬菌体颗粒的外壳是蛋白质，内部是核酸。该核酸最常见的构型是线状双链DNA，此外，还有环状双链DNA、线状单链DNA、环状单链DNA等。,2021/7/23,46,2.噬菌体载体2021/7/2346,2021/

28、7/23,47,2021/7/2347,（2）噬菌体载体 噬菌体颗粒由头与尾两部分组成。头部装载了其整个基因组DNA。 DNA为一长度约48.5 kb的线状双链DNA分子，可以分为三个区段：左臂、中央区和右臂。在左臂和右臂的5处各有12个碱基长的互补单链（从而构成黏性末端）。当噬菌体感染宿主细胞时，DNA被注入宿主细胞后会迅速通过黏性末端的互补作用形成环状双链DNA分子。,2021/7/23,48,（2）噬菌体载体2021/7/2348,噬菌体载体的优点：可携带较长的外源DNA片段。重组后的DNA分子可在体外被包装成噬菌体颗粒。重组的噬菌体容易筛选和贮存。 噬菌体的必要基因：DNA至少包括61

29、个基因。其中大约半数基因参与噬菌体生命周期活动，位于其左臂和右臂，这类基因称作噬菌体的必要基因。 噬菌体的非必要基因：另一部分基因在被外源基因取代后并不影响噬菌体的生命周期活动，位于其中央区，这类基因称作噬菌体的非必要基因。 cos位点（cohesive-end site）：由黏性末端结合形成的双链区段。,2021/7/23,49,噬菌体载体的优点：可携带较长的外源DNA片段。,噬菌体载体的分类：根据插入方式，一般可将噬菌体载体分为插入型载体和置换型载体。 插入型载体（insertion vector）：指在基因组的非必要基因区内有一种或不止一种限制酶的单一酶切位点可供外源DNA插入，而不缺失

30、其本身任何片段的噬菌体载体。由插入型载体得到的重组DNA分子都比原载体长。 插入型载体可容纳的外源DNA片段相对较小，一般在10 kb以内。广泛应用于cDNA以及小片段DNA的克隆。,2021/7/23,50,噬菌体载体的分类：根据插入方式，一般可将噬菌体载,置换型（取代型）载体（replacement vector）：指在基因组的非必要基因区内两个或两个以上的限制酶切位点间的DNA区段可被插入的外源DNA片段所置换的噬菌体载体。 置换型载体容纳外源DNA片段大小的范围一般在922 kb之间。 有些噬菌体载体兼有插入和置换两种外源DNA片段的插入方式，这具体取决于载体与外源DNA末端匹配的限制

31、酶切位点的种类和数目等。,2021/7/23,51,置换型（取代型）载体（replacement vec,2021/7/23,52,2021/7/2352,3.柯斯质粒载体（Cosmid vector） 也称黏粒载体，指一类由人工构建的含有抗性基因、单一克隆位点、DNA的cos位点和质粒复制子的特殊类型的质粒载体。分子质量较小，一般为46kb。 （1）柯斯质粒载体的组成 1个质粒复制起始区域复制子（基因组中能独立进行复制的单位）； 至少1个抗药性选择标记基因； 至少1个限制酶的单一识别切割位点； 1个噬菌体黏性末端片段cos位点。,2021/7/23,53,3.柯斯质粒载体（Cosmid ve

32、ctor）202,（2）柯斯质粒载体的特点 具有质粒载体的特性：它带有质粒的复制子，能像质粒DNA一样在宿主细胞内复制，也能在氯霉素的作用下进行扩增。带有抗生素抗性基因，有些还带有基因插入失活的克隆位点，为重组体的筛选提供了简便的标记。 具有噬菌体载体的特性：它在与适宜长度的外源DNA片段重组后，可在体外包装成噬菌体颗粒，并能高效地转入对噬菌体敏感的大肠杆菌宿主细胞。进入宿主细胞后，也能像噬菌体一样进行环化。 具有高容量的克隆能力：质粒载体的克隆容量一般为10 kb，噬菌体载体的克隆容量理论极限值是23 kb，一般为15 kb左右，而柯斯质粒载体的克隆极限可达45 kb 左右。,2021/7/

33、23,54,（2）柯斯质粒载体的特点2021/7/2354,2021/7/23,55,2021/7/2355,（一）基本原理 在模板DNA、引物和4种脱氧核糖核苷酸存在的条件下，利用DNA聚合酶催化合成反应，体外扩增特异DNA片段。 在进行PCR扩增时，通常需要设计合成一对与目的DNA片段两侧翼序列分别互补的寡核苷酸引物。其中一引物与目的区段上游一条模板链的序列相互补，而另一引物与目的区段下游另一条模板链的序列相互补。,四、多聚酶链式反应（PCR）技术,2021/7/23,56,（一）基本原理四、多聚酶链式反应（PCR）技术2021/7/,将热变性后分开的两条模板链与摩尔数大大过量的两个引物共

34、同温育复性产生的模板引物杂交体作为作用底物，利用耐热的Taq DNA聚合酶催化延伸合成反应。在第一轮扩增完毕后，将反应混合物再加热使新构成的双链DNA变性，然后再度温育使模板链与引物复性，进入第二轮特异性合成。由于耐热的Taq DNA聚合酶在热变性步骤中不失活，可直接进入第二轮特异性合成而不需要另外补加DNA聚合酶等。,2021/7/23,57,将热变性后分开的两条模板链与摩尔数大大过量的两个引物,PCR的每个循环包括3步 （1）变性（denaturation）。通过加热至一定温度使双链DNA两链间的氢键断裂，DNA双链离解形成两条DNA单链。 （2）复性（退火，annealling）。当反应

35、体系温度突然降低时，由于模板DNA分子的结构比引物DNA分子复杂得多，而且在反应体系中引物的量大大多于模板，因此引物和与其互补的模板配对形成局部杂交双链，而变性后离解形成的两条模板DNA单链之间互补配对的机会则较少。 （3）延伸（extension）。在4种脱氧核糖核苷三磷酸底物、Mg2+等存在的条件下，Taq DNA聚合酶以模板引物杂交体分别为模板和引物催化DNA链沿53方向合成延伸。每个循环的扩增产物作为下一循环的模板。,2021/7/23,58,PCR的每个循环包括3步2021/7/2358,2021/7/23,59,2021/7/2359,2.PCR的操作体系和反应条件 （1）模板。待

36、测的核苷酸（DNA或RNA）分子；双链DNA可直接用于反应，而RNA则需要用反转录酶反转录成为cDNA，然后用作聚合酶反应的模板。 （2）DNA聚合酶。最初采用DNA聚合酶的Klenow片段或T4 DNA聚合酶催化。由于每轮反应需要三个温度点，因此采用耐热TaqDNA聚合酶。 （3）一对引物。根据已知DNA序列，由人工合成的与所要求扩增的DNA两端临近序列互补的寡核苷酸片段，即左右端引物。 （4）四种三磷酸脱氧核苷（即dNTP），是合成DNA所需的原料。 （5）适当的缓冲液体系。 （6）反应条件。94变性30s；55复性30s；7072延伸3060s。一共进行30轮左右的循环。,2021/7/

37、23,60,2.PCR的操作体系和反应条件2021/7/2360,第二节 基因工程研究,外源基因：插入到载体内的非自身的DNA片段。 目的基因：又称为靶基因，是根据基因工程的目的和设计所需要的某些DNA分子片段，它含有一种或几种遗传信息的全套密码。 已知基因部分核苷酸序列或全部核苷酸序列，基因的制备方法主要分为两大类：一类是基因化学合成法，一类是基因生物制备法。一般又可将基因生物制备法分为基因组文库法、cDNA文库法和PCR法等。,一、目的基因的制备,2021/7/23,61,第二节 基因工程研究 外源基因：插入到载体内的非自身,（一）基因化学合成法 DNA的化学合成方法主要有磷酸二酯法、磷酸

38、三酯法、亚磷酸三酯法、亚磷酸酰胺法及固相亚磷酸酰胺法。磷酸二酯法是最初发明的化学合成基因的方法，而固相亚磷酸酰胺法是目前绝大部分DNA自动合成仪所使用的方法。 基因的化学合成法主要用于PCR扩增引物、核酸测序引物、核酸杂交探针和合成接头等寡核苷酸片段的合成。（二）基因组文库法 是一种直接从基因组中分离目的基因的方法。,2021/7/23,62,（一）基因化学合成法 2021/7/2362,2021/7/23,63,2021/7/2363,2021/7/23,64,2021/7/2364,2021/7/23,65,2021/7/2365,（三）cDNA文库法 指汇集以某种生物体成熟mRNA为模板

39、逆转录而成的cDNA序列的重组DNA群体。在基因工程中，cDNA文库法是从真核生物细胞中分离目的基因的常用方法。 （四）PCR法 一般经典的PCR法可用于已知核苷酸序列核酸片段的特异扩增；而一些改进的PCR法可用于一些未知核苷酸序列核酸片段的特异扩增。,2021/7/23,66,（三）cDNA文库法2021/7/2366,二、目的基因与载体的重组（重组体的构建）,基因重组（gene recombination）：利用限制性内切酶和其他一些酶类，切割和修饰载体DNA和目的基因，并将两者连接起来。 目的基因和载体的连接分为黏性末端连接、平末端连接、人工接头连接和同聚物加尾连接。,2021/7/23

40、,67,二、目的基因与载体的重组（重组体的构建） 基因重组（,（一）黏性末端连接 1.同一限制酶切位点连接 由同一限制酶切割的不同DNA片段具有相同的末端，当这样的两个DNA片段一起退火时，黏性末端单链间进行碱基配对，然后在T4DNA连接酶催化作用下形成共价结合的重组DNA分子。,2021/7/23,68,（一）黏性末端连接2021/7/2368,2021/7/23,69,2021/7/2369,2.双酶切片段的定向克隆 以两种不同的限制酶切割目的基因，使之产生两个不同黏端，对载体同样以这两个限制酶切割，达到载体DNA和外源DNA片段自身两端为非同源的黏端，此时载体和外源DNA片段都不会发生自

41、身环化，而且只有在DNA连接酶的作用下，载体DNA和外源DNA片段以两端互补实现DNA定向插入。优点： （1）外源DNA只能以一个方向插入到重组质粒，以便目的基因的正确转录和表达。 （2）由于不会自身环化，转化率高，转化后的细菌克隆大多数是携带有目的基因的重组质粒。,2021/7/23,70,2.双酶切片段的定向克隆2021/7/2370,2021/7/23,71,2021/7/2371,3.不同限制酶切位点连接 配伍末端（compatible end）：由两种不同的限制酶切割的DNA片段、具有相同类型的黏性末端。 同尾酶（isocaudamers）:来源不同，能够对DNA切割产生相同的黏性末

42、端，而其识别序列的特异性不同。 同尾切割可以产生完全配伍（互补）的黏性末端，便于两个DNA片段的连接。 同裂酶（isoschizomers）：来源不同，具有相同识别序列，但切点不同。 经过同裂酶切割过的DNA与载体连接前可能还必须进行前处理。,2021/7/23,72,3.不同限制酶切位点连接2021/7/2372,2.平端连接 具有平末端的酶切载体只能与平末端的目的基因连接。在一定的反应条件下，可用T4DNA连接酶将平齐末端的DNA片段有效地连接起来。 3.人工接头连接 人工接头：人工合成的具有特定限制性内切酶识别和切割序列的双股平端DNA短序列，将其接在目的基因片段和载体DNA上，使它们具

43、有新的内切酶位点，应用相应的内切酶切割，就可以分别得到互补的黏性末端。,2021/7/23,73,2.平端连接 2021/7/2373,2021/7/23,74,2021/7/2374,4.同聚物加尾连接 利用同聚物序列之间的退火作用完成连接。末端转移酶在DNA片段的3末端添加同聚尾造成延伸部分。末端转移酶不具有特异性，在4种dNTP中任何一种均可作为前体物，可以产生由单一核苷酸所构成的3同聚物末端。,2021/7/23,75,4.同聚物加尾连接2021/7/2375,2021/7/23,76,2021/7/2376,三、将重组体导入受体细胞（重组转化体的获得）,转化（transformati

44、on）：将重组质粒导入受体细胞，使受体菌遗传性状发生改变的方法。 转染（transfection）:将携带外源基因的病毒感染受体细胞的方法。 根据受体生物，一般可将重组体导入受体细胞的方法主要分为大肠杆菌转化法、酵母转化法、植物细胞转化法和动物细胞转化法。,2021/7/23,77,三、将重组体导入受体细胞（重组转化体的获得） 转化（t,1.氯化钙转化法 首先将对数生长期的大肠杆菌悬浮于冰预冷的低渗氯化钙溶液中处理，使细胞膜通透性增加，然后加入重组DNA，使DNA与钙离子形成复合物，吸附于细胞表面，经42短暂的热处理，促进外源DNA进入宿主细胞。 2.转染 首先将重组的噬菌体DNA或柯斯质粒D

45、NA体外包装成具有感染能力的噬菌体颗粒，然后经由在受体细胞表面的噬菌体接受器位点使这些重组体DNA注入大肠杆菌宿主细胞。,2021/7/23,78,1.氯化钙转化法2021/7/2378,四、重组转化体的筛选和鉴定,（一）利用表型特征进行筛选（遗传检测法） 表型：指机体遗传组成同环境相互作用所产生的外观或其他特征。 1.利用载体提供的表型特征进行筛选 （1）抗药性标记基因插入失活筛选法 （2）半乳糖苷酶显色反应筛选法。 2.利用外源DNA提供的表型特征进行筛选 要求外源DNA是一个完整的基因，而且能够在大肠杆菌或其他受体细胞中实现功能表达。,2021/7/23,79,四、重组转化体的筛选和鉴定

46、 （一）利用表型特征进行筛选（遗传,3.利用噬菌斑的形成进行筛选 以噬菌体载体与外源DNA构建的重组体的筛选主要依赖于重组体的大小及形成噬菌斑的能力。 重组体DNA只有在为野生型噬菌体DNA的75%105%的长度时，才能在培养平板上形成清晰的噬菌斑，而载体DNA自身不会包装成活的噬菌体颗粒。,2021/7/23,80,3.利用噬菌斑的形成进行筛选2021/7/2380,（二）物理筛选鉴定法 1.电泳检测法 根据DNA分子质量的大小，以凝胶电泳检测重组体。 2.R-环检测法 R-环：指RNA通过取代与其序列一致的DNA单链而与另一单链DNA杂交，被取代的DNA单链与RNA-DNA杂交双链所形成的

47、环状结构。 R-环结构一旦形成就十分稳定。应用R-环检测法可鉴定出双链DNA中存在的与特定RNA分子同源的区域（可在电子显微镜下观察）。,2021/7/23,81,（二）物理筛选鉴定法2021/7/2381,（三）利用限制性内切核酸酶酶切进行鉴定 选择适当的限制酶对重组体DNA进行酶切鉴定。（四）利用核酸杂交进行鉴定 采用的核酸杂交法是常用的几种核酸杂交法，例如Southern杂交、Northern杂交等。（五）利用PCR技术进行鉴定 利用PCR技术可以对目的基因等特异核酸进行鉴定。（六）利用免疫学方法进行筛选鉴定 基本原理：以目的基因在受体细胞中的表达产物（多肽）作抗原，以该基因产物的免疫血

48、清作抗体，根据抗原抗体反应，即可筛选鉴定出目的基因克隆及其产物。,2021/7/23,82,（三）利用限制性内切核酸酶酶切进行鉴定2021/7/2382,（七）利用Western杂交进行鉴定 Western杂交：将蛋白质电泳、吸印、免疫测定融为一体的特异蛋白质的检测方法。（八）利用核苷酸序列测定进行鉴定 利用核苷酸序列测定技术可以对目的基因等特异核酸进行鉴定。（九）转译筛选鉴定法 利用无细胞翻译系统检测经处理后的mRNA的生物学功能。,2021/7/23,83,（七）利用Western杂交进行鉴定2021/7/2383,第三节 基因工程在食品工业中的应用,（一）改良微生物菌种 1.面包酵母菌（

49、麦芽糖透性酶和麦芽糖酶） 2.啤酒酵母（淀粉酶、糖化酶） 3.单细胞酵母（ 淀粉酶） 4.其他微生物菌种 例如，氨基酸、有机酸、维生素、增稠剂、乳化剂、表面活性剂、食用色素、食用香精及调味料等也可采用基因工程菌发酵生产而得到。,一、利用基因工程改造食品微生物,2021/7/23,84,第三节 基因工程在食品工业中的应用 （一）改良微生物菌种,（二）改良乳酸菌遗传特性 1.抗药性基因（食品安全） 2.风味物质基因（乳酸、乙醛、丁二酮、3羟基2丁酮、丙酮和丁酮等，黏多糖） 3.产酶基因（产生有机酸的酶系、合成多糖的酶系、降低胆固醇的酶系、分解脂肪的酶系） 4.耐氧相关基因 5.产细菌素基因（nis

50、in、diplocoxin、lactocillin）（三）酶制剂的生产 1.凝乳酶 2.葡萄糖异构酶,2021/7/23,85,（二）改良乳酸菌遗传特性2021/7/2385,（四）利用基因工程改良食品原料的品质 1.改良动物食品性状 2.改造植物食品原料 （1）提高植物性食品氨基酸的含量 （2）增加食品的甜味 3.改造油料作物 4.改良植物性食品的蛋白质品质 5.改善园艺产品的采后品质,2021/7/23,86,（四）利用基因工程改良食品原料的品质2021/7/2386,（五）利用基因工程改进食品生产工艺 1.利用DNA重组技术改进果糖和乙醇生产方法 2.改良啤酒大麦的加工工艺 3.改良小麦