基因工程的操作过程.ppt
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1、生物工程专业核心课程,基 因 工 程,基因工程,5,2,3,4,1,6,7,8,9,基因工程的基本概念,基因工程的基本原理,基因工程所需的基本条件,基因工程的操作过程,目的基因的克隆与基因文库的构建,大肠杆菌基因工程,酵母基因工程,哺乳动物基因工程,高等植物基因工程,4 基因工程的操作过程,C 转化子的筛选和鉴定(检),B 重组DNA分子的转化和扩增(转、增),A DNA的体外重组(切、接),4 基因工程的操作过程,切,接,转,增,检,A DNA的体外重组(切与接),4 基因工程的操作过程,同种内切酶生产的粘性末端的连接,同尾酶生产的粘性末端的连接,不同粘性末端的连接,粘性末端的更换,人工粘性
2、末端的连接,重组率,同种内切酶生产的粘性末端的连接,5,5,EcoRI,退火,G,CTTAA,AATTC,G,G,CTTAA,AATTC,G,T4-DNA ligase,5,5,5,5,同尾酶生产的粘性末端的连接,BamHI,5,G,CCTAG,GATCC,G,5,5,5,GATCA,T,5,退火,G,CCTAG,GATCC,G,5,GATCA,T,T4-DNA ligase,5,5,BclI,G,CCTAG,GATCC,G,5,GATCA,T,5,5,不同粘性末端的连接,BamHI,5,G,CCTAG,GATCC,G,5,5,5,G,ACGTC,3,T4-DNA ligase,5,5,Pst
3、I,3,T4-DNA pol,切平,5,5,G,C,Klenow,补平,5,GGATC,CCTAG,GATCC,5,CTAGG,5,5,人工粘性末端的连接 5突出末端,5,G,CCTAG,GATCC,G,5,5,5,5 AATTC,G,T4-DNA ligase,5,5,Klenow,补平,Klenow,补平,5,GGATC,CCTAG,GATCC,5,CTAGG,5,GAATT,CTTAA 5,5,5 AATTC,TTAAG,TdT,TdT,dGTP,dCTP,GAATTGGGGGG,CTTAA,AATTC,GGGGGGTTAAG,GGATCCCCCCC,CCTAG,GATCC,CCCCCC
4、CTAGG,GGATCCCCCCCAATTC,CCTAGGGGGGGTTAAG,5,5,GGATCCCCCCCAATTC,CCTAGGGGGGGTTAAG,退火,BamH I,BamH I,EcoR I,BamH I,人工粘性末端的连接 3突出末端,CTGCA 3,G,G,3 ACGTC,5,GCATG 3,C,5,C,3 GTACG,T4-DNA ligase,TdT,TdT,dCTP,dGTP,GCATGCCCCCC 3,C,退火,Pst I,Pst I,C,3 CCCCCCGTACG,CTGCAGGGGGG 3,G,G,3 GGGGGGACGTC,5,5,CTGCAGGGGGG C,G
5、CCCCCCGTACG,5,5,CTGCAGGGGGG C,G CCCCCCGTACG,5,5,CTGCAGGGGGGCATGC,GACGTCCCCCCGTACG,5,5,CTGCAGGGGGGCATGC,GACGTCCCCCCGTACG,Klenow,Pst I,Sph I,人工粘性末端的连接 平头末端,C 3,G,G,5,G 3,C,5,C,3 G,T4-DNA ligase,TdT,TdT,dTTP,dATP,GTTTTTTTTTT 3,C,退火,C,3 TTTTTTTTTTG,CAAAAAAAAAA 3,G,G,3 AAAAAAAAAAC,5,5,CAAAAAAAAAAC,GTTTTT
6、TTTTTG,S1,C,3,5,5,CAAAAAAAAAAC,GTTTTTTTTTTG,加热,粘性末端的更换,BamHI,5,5,T4-DNA ligase,Klenow,补平,GATCC,5,G,5,G,CCTAG,5,5,5,GGATC,CCTAG,5,GATCC,CTAGG,5,5,GGATCGGAATTCCGATCC,CCTAGCCTTAAGGCTAGG,5,5,EcoR I,GGAATTCC,CCTTAAGG,EcoR I linker,重组率,重组率的定义,重组率=含有外源DNA的重组分子数/载体分子总数 在常规实验条件下,重组率一般为25-75%重组率是衡量连接反应效率的重要指标
7、,较高的重组率可以 大大简化DNA重组的后续操作。,重组率,提高重组率的方法,提高外源DNA片段与载体的分子比:5:1-10:1,载体DNA分子在连接前先除去磷酸基团:,5,5,EcoRI,5,G,CTTAA p,AATTC,G,5 p,5,5,AATTC,G,5 HO,退火,5,G-A-A-T-T-C,C-T-T-A-A G,5,G A-A-T-T-C,C-T-T-A-A-G,OH,HO,OH,HO,碱性磷酸单酯酶,碱性磷酸单酯酶,重组率,提高重组率的方法,加装同聚尾末端:,CTGCA 3,G,G,3 ACGTC,5,GCATG 3,C,5,C,3 GTACG,T4-DNA ligase,T
8、dT,TdT,dCTP,dGTP,GCATGCCCCCC 3,C,退火,C,3 CCCCCCGTACG,CTGCAGGGGGG 3,G,G,3 GGGGGGACGTC,5,5,CTGCAGGGGGG C,G CCCCCCGTACG,5,5,CTGCAGGGGGGCATGC,GACGTCCCCCCGTACG,Klenow,B 重组DNA分子的转化和扩增(转与增),4 基因工程的操作过程,转化的原理与技术,转化率,转化细胞的扩增,转化的原理与技术,Ca2+诱导的完整细菌细胞的转化,Ca2+诱导的完整细胞的转化适用于革兰氏阴性细菌(如大肠杆菌等),1970年建立此技术,其原理是Ca2+与细菌外膜磷脂
9、在低温下形成液晶结构,后者经热脉冲发生收缩作用,使细胞膜出现空隙,细菌细胞此时的状态叫做感受态,转化的原理与技术,Ca2+诱导的完整细菌细胞的转化,大肠杆菌感受态细胞的制备:,100 ml 菌体培养至OD600=0.5,离心收集菌体,用10 ml 冰冷的10 mM CaCl2溶液悬浮菌体,离心,用1 ml 冰冷的75 mM CaCl2溶液悬浮菌体,冰浴放置12-24小时,备用,收集菌体,转化的原理与技术,Ca2+诱导的完整细菌细胞的转化,大肠杆菌感受态细胞的质粒转化:,取100 ml 感受态细胞,加入相当于50 ng 载体的重组,冰浴放置半小时,在42保温 2 分钟(热脉冲),快速将转化细胞转
10、移至冰浴中放置1-2分钟,DNA连接液,混匀,加入1 ml 新鲜培养基,于37培养 1 小时(扩增),涂在合适的固体培养基平板上进行筛选,转化的原理与技术,细菌原生质体的转化,革兰氏阳性细菌(如枯草杆菌、链霉菌等)接纳外源DNA的主要屏障是细胞壁,因而这类细菌通常采用原生质体(细胞去壁后的形态)转化的方法转移质粒或重组DNA分子,酵母菌、霉菌、植物细胞也可用原生质体法进行转化,转化的原理与技术,细菌原生质体的转化,不同细菌的原生质体制备方法不尽相同,以链霉菌为例:细菌需生长在高渗培养基中(如34%的蔗糖溶液,并加入甘氨酸以增加细菌细胞壁对溶菌酶的敏感性。在制备过程中,菌体应始终悬浮在10.3%
11、的蔗糖等渗溶液中。与原生质体接触的所有器皿应保持无水无去污剂,细菌原生质体的制备:,转化的原理与技术,细菌原生质体的转化,取0.2-1ml的原生质体悬浮液(108-109个原生质体),加入10-20 ml DNA重组连接液,同时加入含有PEG1000和Ca2+的等渗溶液,混匀,细菌原生质体的转化:,细菌原生质体的再生:,原生质体再生的主要目的是使细菌重新长出细胞壁。再生在特殊的固体培养基上进行,内含脯氨酸和微量元素,转化的原理与技术,l噬菌体DNA的转染,感受态细胞的培养:将大肠杆菌在含有麦芽糖(不含葡萄糖)和MgCl2的培养基 中培养至OD600=0.5吸附:加入经体外包装好的重组噬菌体悬浮
12、液,30保温10分钟转染裂解:加入20倍体积的新鲜培养基,30培养2小时,直至培养液 中菌体裂解,培养液澄清度增加,然后涂板筛选,转化的原理与技术,电穿孔转化,将待转化的质粒或DNA重组连接液加在电穿孔转化仪的样品池中,两极施加高压电场。在强大电场的作用下,细菌细胞壁和细胞膜产生缝隙,质粒或DNA重组分子便可进入细胞内 电穿孔转化法操作简单,而且几乎对所有含细胞壁结构的受体细胞均有效,但转化效率差别很大 同样的原理,电穿孔法也可用于质粒消除实验,转化率,转化率的定义,转化率是衡量转化效率的重要指标,其定义为:每微克载体DNA在最佳转化条件下进入受体细胞的分子数。由于在一般的转化实验规模下,每个
13、受体细胞最多只能接受一个载体分子,因此转化率的定义也可以表征为:每微克载体DNA转化后,受体细胞接纳DNA的个数,即克隆数(在筛选时,未接纳载体或重组子的受体细胞不长),转化率,转化率的定义,例如,pUC18对大肠杆菌的转化率为108,即每微克pUC18中只有108个分子能进入受体细胞。一微克pUC18共有3.4X1011个分子(6.02X1017/2686X660),也就是说,每3400个pUC18分子才有一个分子进入受体细胞 另一方面,在实际操作过程中,转化一微克pUC18共需2ml感受态细胞,大约含有2X1010个大肠杆菌细胞,也就是说,每200个细胞只有一个细胞能接纳pUC18 DNA
14、,转化率,转化率的用途,利用转化率和重组率等参数可以帮助设计DNA重组实验规模,例如,某一DNA重组实验的重组率为20%,转化率为107/mg载体,,经切接处理后的载体转化率比天然的载体低100倍,欲获得104个,重组克隆,需投入多少载体DNA进行重组实验?,若重组率为100%,则转化后产生104个重组克隆需要:,104/107 X 10-2=0.1 mg 载体DNA,考虑到实验系统的重组率为20%,所以实际投入载体应为:,0.1/20%=0.5 mg 载体DNA,载体投入量确定后,外源DNA的投入量即可按101的要求算,出(5 mg),甚至还可以估算需要涂布多少块平板进行筛选,转化率,转化率
15、的影响因素,载体及DNA重组分子方面:,载体本身的性质:,不同的载体转化同一株受体细胞,其转化率不同,载体的空间构象:,质粒的超螺旋构象转化率最高,经酶切连接操作后的载,体由于空间构象难以恢复,其转化率一般要比新制备的,超螺旋质粒低两个数量级,插入片段的大小:,对质粒载体而言,插入片段越大,转化效率越低,转化率,转化率的影响因素,受体细胞方面:,受体细胞必须与载体相匹配,例如:pBR322转化大肠杆菌JM83株,转化率很低;但对大肠杆菌ED8767株的转化率则较高,转化率,转化率的影响因素,转化方法方面:,受体细胞的预处理:影响最大,供受体的比例:,Ca2+诱导转化 0.1 ml 感受态细胞
16、50 ng DNA,转化方法:,Ca2+诱导转化 106-107/mg DNA,原生质体转化 109 个原生质体 50 ng DNA,原生质体转化 105-106/mg DNA,l-DNA转染 107-108/mg DNA,电穿孔转化 106-109/mg DNA,转化细胞的扩增,扩增操作,转化细胞的扩增操作是指转化完成之后细胞的短时间培养。在实验时,扩增操作往往与转化操作偶联在一起,如:Ca2+诱导转化后的37培养一个小时 原生质体转化后的再生过程 l噬菌体转染后的30培养等,均属扩增操作,转化细胞的扩增,扩增操作的目的,增殖转化细胞,使得有足够数量的转化细胞用于筛选程序,扩增和表达载体分子
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