《基因克隆》课件.ppt
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1、现代分子生物学大实验,第一模块,基因克隆技术,凝胶回收或纯化目的基因,序列测定,质粒提取,连接产物的转化,目的基因插入载体,植物体,植物总RNA(DNA),凝胶电泳,RT-PCR合成目的基因,基因克隆实验流程,PCR合成目的基因,实验内容,实验一 聚合酶链式反应(PCR)及 琼脂糖凝胶电泳检测DNA实验二 特异扩增片段的回收纯化、连接、转化及质粒DNA的提取,实验一聚合酶链式反应技术(PCR)Polymerase Chain Reaction琼脂糖凝胶电泳检测DNA,实验目的,学习和掌握PCR扩增的原理和操作方法了解扩增过程中各因素对扩增结果的影响深刻理解PCR基因扩增技术在DNA操作中的重要
2、性对含有目的基因的质粒进行PCR验证。琼脂糖凝胶分离DNA的原理琼脂糖凝胶电泳检测DNA的方法和技术,多聚酶链式反应(polymerase chain reaction)简称PCR技术,是80年代中期发展起来的一种体外扩增特异DNA片段的技术。此法操作简便,可在短时间内在试管中获得数百万个特异的目的DNA序列的拷贝。PCR技术实际上是在模板DNA(template),引物(primer)和种脱氧核苷酸(dNTP)存在的条件下依赖于DNA聚合酶(Taq)的酶促合反应,PCR技术的特异性取决于引物和模板DNA结合的特异性。反应分三步:变性(denaturation);退火(annealing);延
3、伸(extension),PCR 简介,PCR 的应用,PCR操作简便、省时、灵敏度高、对原始材料的质和量要求低。因此,广泛应用于许多领域。基因克隆及定量、扩增特异性片段用于探针、体外获得突变体、提供大量DNA用于测序等;遗传病的产前诊断;致病病原体的检测;癌基因的检测和诊断;DNA指纹、个体识别、亲子关系鉴别及法医物证;动、植物检疫;在转基因动植物中检查植入基因的存在。,实验原理,在高温(93-95)下,DNA双链受热变性成为两条单链DNA模板;而后在低温(3765)情况下,两条人工合成的寡核苷酸引物与互补的单链DNA模板结合,形成部分双链;在Taq酶的最适温度(72)下,以引物3端为合成的
4、起点,以单核苷酸(dNTP)为原料,沿模板以53方向延伸,合成DNA新链。每一双链的DNA模板,经过一次变性(解链)、退火、延伸三个步骤的热循环后就成了两条双链DNA分子。如此反复进行,每一次循环所产生的DNA均能成为下一次循环的模板,每一次循环都使两条人工合成的引物间的DNA特异区拷贝数扩增一倍,PCR产物得以2n的指数形式迅速扩增,经过2530个循环后,理论上可使基因扩增109倍以上,实际上一般可达106107倍。,实验仪器及试剂,PCR仪、掌型离心机、微量移液器、冰盒、Tip头、离心管模板,Primer,10XPCR buffer,dNTP Mixture,Taq 酶,H2O,操作步骤,
5、取PCR管,标明管号按体积配置PCR反应体系(冰上操作)轻弹管壁,混匀,掌型离心机甩至管底,立即反应,反应体系,PCR反应程序,94 3min 94 30sec 59 30sec 72 30sec 72 7min 10,30 cycles,引 物,扩增模板DNA,首先要设计两条寡核苷酸引物,实际上就是两段与待扩增靶DNA序列互补的寡核苷酸片段,两引物间距离决定扩增片段的长度,两引物的5端决定扩增产物的两个5末端位置。由于引物是决定PCR扩增片段长度、位置和结果的关键,因此,引物设计也就更为重要。,长度一般最低不少于16个核苷酸,而最高不超过30个核苷酸,最佳长度为2024个核苷酸。有时可在5端
6、添加不与模板互补的序列,如限制性酶切位点或增强因子等,以完成基因克隆和其它特殊需要,但要在酶切位点的5端加上额外的34个核苷酸,以确保附加的酶切位点有效。两个引物之间不应发生互补,特别是在引物3端,即使无法避免,其3端互补碱基也不应大于2个碱基,否则易生成“引物二聚体”(Primer dimer)。引物内部应避免内部形成明显的次级结构,尤其是发夹结构(hairpin structures)。(G+C)%含量引物的组成应均匀,尽量避免含有相同的碱基多聚体。两个引物中(G+C)%含量应尽量相似。,引物的设计,一般在0.11M之间。浓度过高易形成引物二聚体且产生非特异性产物。一般来说用低浓度引物经济
7、、特异,但浓度过低,不足以完成30个循环的扩增反应,则会降低PCR的产率。,引物在PCR反应中的浓度,引物退火,一般可根据引物的(G+C)%含量进行推测,一般实验中退火温度Ta(annealing temperature)比扩增引物的融解温度Tm(melting temperature)低3-5,可按公式进行粗略计算:Ta=Tm-3=3(G+C)+2(A+T)-3/5 其中A,T,G,C分别表示相应碱基的个数。在典型的引物浓度时(如0.2mol/L),退火反应数秒即可完成。决定PCR特异性与产量;温度高特异性强,但过高则引物不能与模板牢固结合,DNA扩增效率下降;温度低产量高,但过低可造成引物
8、与模板错配,非特异性产物增加。退火时间一般为2040秒,时间过短会导致复性不充分,后面延伸步骤时温度升高,会导致引物从模板脱落,PCR反应失败。,引物延伸,延伸温度取决于DNA聚合酶的最适温度,一般为7075。在72时酶催化核苷酸的标准速率可达35100个核苷酸/秒。每分钟可延伸1kb的长度,其速度取决于缓冲溶液的组成、pH值、盐浓度与DNA模板的性质。所以根据扩增片段长度的不同来设计引物延伸的时间。对于1kb以上的DNA片段,可根据片段长度将延伸时间控制在17min。,模板,种类:单、双链DNA或RNA都可以作为PCR的样品。若起始材料是RNA,须先通过逆转录得到第一条cDNA。用质粒作模板
9、时,线性化的比环状的效果好,但在实际操作中,往往不需要将质粒线性化,而直接用做模板。当使用高分子量的DNA(如基因组DNA)做模板时,如果用适当的酶先进行消化再作为模板,扩增效果会更好。用量:虽然PCR可以仅用极微量的样品,甚至是来自单一细胞的DNA,但为了保证反应的特异性,还应用ng级的DNA。,模板变性温度,决定PCR反应中双链DNA解链的温度,达不到变性温度就不会产生单链DNA模板,PCR也就不会启动。变性温度低则变性不完全,DNA双链会很快复性,因而减少产量。一般取9095。样品一旦到达此温度宜迅速冷却到退火温度。DNA变性只需要几秒种,不需要时间过久;反之,在高温时间应尽量缩短,以保
10、持DNA聚合酶的活力,加入Taq DNA聚合酶后最高变性温度不宜超过95。,Taq DNA聚合酶,Taq DNA聚合酶最早是从嗜热水生菌中提纯出来的。Polymerase具有5-3DNA聚合活性和5-3外切核酸酶活性,无3-5外切酶活性。由于DNA模板的不同和引物不同,以及其它条件的差异,聚合酶的用量亦有差异,酶量过多会导致非特异产物的增加。延伸速度1-2kb/分钟,产物3端带A,可直接用于T/A载体克隆。1单位(U)Taq DNA Polymerase活力定义为在74、30分钟内,以活性化的大马哈鱼精子DNA作为模板/引物,将10nmol脱氧核苷酸掺入到酸不溶物质所需的酶量。,寡核苷酸(dN
11、TP),在PCR反体系中,dNTP终浓度高于50mM会抑制Taq酶的活性PCR常用的dNTP浓度为50200M,不能低于1015M。使用低浓度dNTP可以减少在非靶位置启动和延伸时核苷酸错误掺入,高浓度dNTPs易产生错误掺入,而浓度太低,势必降低反应物的产量。四种dNTP的浓度应相同,其中任何一种浓度偏高或偏低,都会诱导聚合酶的错误掺入,降低合成速度,过早终止反应。,用于PCR的标准缓冲液为1050mM的Tris HCl缓冲液(pH8.3)和1.5mM MgCl2。在72时,反应体系的pH值将下降1个单位,接近于7.2。二价阳离子的存在至关重要,影响PCR的特异性和产量。实验表明,Mg2+优
12、于Mn2+,而Ca2+无任何作用。Mg2+过量易生成非特异性扩增产物,Mg2+不足易使产量降低。首次使用靶序列和引物结合时,都要把Mg2+浓度调到最佳,其浓度变化范围为110mmol/L。,PCR缓冲液,循环参数(反应温度与时间),变性:对于富含G、C的模板应适当提高变性温度。退火:提高退火温度可减少引物与模板之间的非特异结合,提高PCR反应的特异性;降低退火温度则可提高扩增产量。如果待扩增目的DNA片段含量很少,可在PCR前几次循环中适当延长退火时间,这样有利于引物与模板的结合,提高PCR反应的灵敏度。,反应条件的调整,延伸,延伸时间由扩增片段的长度决定,扩增小于500bp的DNA片段的延伸
13、时间为20秒,扩增500l200bp的DNA片段的延伸时间为40秒扩增片段大于1kb,则需增加延伸时间。当扩增片段小于150bp时,则可省略延伸步骤,因为退火温度下,Taq DNA聚合酶的活性已足以完成短序列的合成。,反应条件的调整,循环次数:,PCR的循环次数主要取决于模板DNA的浓度,一般为2535次,此时PCR产物的积累即可达最大值,刚刚进入“平台期”。即使再增加循环数,PCR产物量也不会再有明显的增加。随着循环次数的增加,一方面由于产物浓度过高,以致自身相结合而不与引物结合,或产物链缠结在一起,导致扩增效率的降低;另一方面,随着循环次数的增加,Taq DNA聚合酶活性下降,引物及dNT
14、P浓度下降,易发生错误掺入,非特异性产物增加。因此,在得到足够产物的前提下应尽量减少循环次数。,反应条件的调整,问题:,9700PCR仪的有哪些功能?PCR最关键的是什么?,PCR产物分析,取3l PCR产物+1 l 溴芬兰,采用0.8琼脂糖凝胶电泳分析PCR产物的量、引物扩增的特异性。并可根据标准DNA的量粗略计算PCR产物的总量。剩余17 l PCR产物,每三个同学的PCR产物合并为一个管中 5 l 溴芬兰,进行胶回收。200ml1.6g琼脂糖,实验原理,DNA分子在琼脂糖凝胶中泳动的电荷效应和分子筛效应DNA分子在高于等电点的pH溶液中带负电荷,在电场中向正极移动。在一定的电场强度下,D
15、NA分子的迁移速度取决于DNA分子本身的大小和构型。DNA的检测是通过溴乙锭的作用溴乙锭(EB)是一种荧光染料,这种扁平分子可以嵌入核酸双链的配对碱基之间,它与DNA的结合几乎没有碱基序列的特异性。在高离子强度的饱和溶液中,大约每2.5个碱基插于一个溴乙锭分子。当染料分子插入后,其平面基团(菲啶环)与螺旋的轴线垂直并通过范德华力与上下碱基相互作用,这个基团固定位置及其与碱基的密切接近导致与DNA结合的染料呈现荧光。DNA吸收254nm处的紫外线并传递给染料,而被结合的EB本身吸收302nm和366nm的光辐射,被吸收的能量在可见光谱红橙区的590nm处重新被激发发出荧光,从而得到检测。,关于G
16、elRed,GelRed 是一种具有凝胶染色特性,并被设计为替换高毒性染色剂溴化乙锭(EB)的红色荧光核酸染色剂。因为GelRed 与EB有着相同的光谱特性(如图1),所以可以在不改变任何成像系统的情况下用GelRed 替换EB。如果您目前使用的是SYBR(如SYBR Green 1/SYBR Gold)染色剂,并使用紫外投射器(UV transilluminator)来观察凝胶,那么您可以使用GelRed 替换SYBR染色剂,不需要更换现有的SYBR虑光片。然而,在488 nm 激光或类似可见光下 GelRed 不能被充分地激发,如果需要,我们建议您使用我们的GelGreen(Cat#410
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