第二节 基因工程的酶学基础

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DNA连接酶 DNA聚合酶和反转录酶 DNA修饰酶 外切核酸酶 单链内切核酸酶 RNA酶
第一节 限制性核酸内切酶
任何一种生物体都存在防御外界物质进入的机制 限制/修饰系统
(R-M, Restriction-modification system)
第一节 限制性核酸内切酶
一、寄主的限制与修饰现象
人们发现侵染大肠杆菌的噬菌体都存在着一些功能性障
PvuII等产生的平头末端
5‘…G--C--T--C--A--G--C--T--G--G--A--G … 3’ 3‘…C--G--A--G--T--C--G--A--C--C--T--C … 5’
PvuII 37 ℃ 5‘…G--C--T--C--A--G--OH P--C--T--G--G--A--G … 3’ 3‘…C--G--A--G--T--C--P OH--G--A--C--C--T--C … 5’
双功能(具甲基化) 异源三聚体 ATP Mg2+ SAM 距识别序列1kb处 随机性切割
单一功能 同源二聚体 Mg2+ 4-6bp回文序列 识别序列内或附近 特异切割
双功能(具甲基化) 异源二聚体 ATP Mg2+ 距识别序列下游 24-26bp处 随机性切割
注: SAM为S-腺苷甲硫氨酸
第一节 限制性核酸内切酶
第二节 DNA连接酶
一、概念与机理
DNA连接酶只能连接缺口(nick),不能连接裂口 (gap)。而且被连接的DNA链必须是双螺旋DNA分子的 一部分。注意:缺口(或称切口)和裂口的区别!!!!!
第二节 DNA连接酶
DNA连接酶对不同DNA分子的连接作用
第二节 DNA连接酶
DNA连接酶应用图解 (一)分子间的连接
第二节 基因工程的酶学基础
基因工程的操作,是在分子水平上的操作,是依赖一 些酶(如限制性核酸内切酶,连接酶,DNA聚合酶等)作为 工具对基因进行人工切割,拼接和扩增等操作。所以把这 些酶称之为“工具酶”。
第二章 基因工程的酶学基础
第一节
第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
限制性核酸内切酶
EcoR I 5’-GAATTC-3’ 3’-CTTAAG-5’ Pst I 5’-CTGCAG-3’ 3’-GACGTC-5’ 产生粘性末端 EcoR V 5’-GATATC-3’ 3’-CTATAG-5’
产生平齐末端
HindⅢ切割位点
DNA
HindⅢ
AA G C T T T T C G AA
限制性核酸内切酶的应用: 重组DNA前的切割 构建新质粒 构建物理图谱 DNA分子杂交 用限制性内切酶消化受体DNA 制备DNA探针 亚克隆以用作序列分析 基因定位,DNA同源性研究
第二节 DNA连接酶
剪刀—限制性内切酶 针线、胶水—连接酶
第二节 DNA连接酶
DNA连接酶
第二节 DNA连接酶
一、概念与机理 DNA连接酶是1967年在三个实验室同时发现的。它是一 种能够将DNA链上彼此相邻的3’-羟基( OH )和5’-磷酸基 团(-P),在NAD+或ATP供能的作用下,形成磷酸二酯键。 大肠杆菌和其他细菌的DNA连接酶以NAD+作为能量来源, 动物细胞和噬菌体的连接酶则以ATP作为能量来源。
使之甲基化。 EcoB核酸酶不能识别已甲基化的序
列。
第一节 限制性核酸内切酶
第一节 限制性核酸内切酶
一、寄主的限制与修饰现象
第一节 限制性核酸内切酶
一、寄主的限制与修饰现象
第一节 限制性核酸内切酶
一、寄主的限制与修饰现象
基因工程中,应采用缺少限制作用的菌株作为受体。
第一节 限制性核酸内切酶
未甲基化修饰的双链DNA上的特殊靶序列(多数是回 文序列),与DNA的来源无关。
A B C C’ B’ A’ 或 A B N B’ A’
A’ B’ C’ C B A
A’ B’ N’ B A
第一节 限制性核酸内切酶
(2)切割位点 识别位点处。 切开双链DNA。形成粘性末端(sticky end)或平齐末 端(blunt end)。如:
第一节 限制性核酸内切酶
四、 Ⅱ限制性核酸内切酶的基本特性 (二)切割方式 Ⅱ限制性核酸内切酶切割双链DNA,水解磷酸二酯键 中3‘位酯键产生两个末端,末端结构是5’-P和3’-OH,产生 3种不同的切口。
第一节 限制性核酸内切酶
1. 5’突出的末端
第一节 限制性核酸内切酶
EcoRI等产生的5‘粘性末端 5‘…G--C--T--G--A--A--T--T--C--G--A--G … 3’ 3‘…C--G--A--C--T--T--A--A--G--C--T--C … 5’ EcoRI 37 ℃ 5‘…G--C--T--G--OH P--A--A--T--T--C--G--A--G … 3’ 3‘…C--G--A--C--T--T--A--A—P OH--G--C--T--C … 5’ 退火 4--7 ℃
5‘…G--C--T--G--A--A--T--T--C--G--A--G … 3’ 3‘…C--G--A--C--T--T--A--A--G--C--T--C … 5’
第一节 限制性核酸内切酶
2. 3’突出的末端
第一节 限制性核酸内切酶
PstI等产生的3‘粘性末端 5‘…C--T--G--C--A--G… 3’ 3‘…G--A--C--G--T--C … 5’ PstI 37 ℃ 5‘…C--T--G--C--A--OH P--G … 3’ 3‘…G-- P OH --A--C--G--T--C … 5’ 退火 4--7 ℃
第一节 限制性核酸内切酶
三、限制性内切酶的命名
Escherichia
Coli
Ry13
EcoR I
属名 第三个字母。 种名 株系 编号 若种名头2个字母相同则其中一个可用种名的第一和
第一节 限制性核酸内切酶
四、 Ⅱ限制性核酸内切酶的基本特性 (一)识别序列 识别顺序的碱基数一般为4-6 bp,少数识别更长,多 数识别位点具有旋转对称性(回文结构),少数的识别位 点在切割位点之外,具旋转对称性
DNA A A TTCGA B AGCTT A C D
核酸内切酶HindⅢ对双链DNA分子的切割作用
第一节 限制性核酸内切酶
3. III类限制性内切酶 在完全肯定的位点切割DNA(识别位点下游24-26bp), 但反应需要ATP、 Mg2+和SAM(S-腺苷蛋氨酸)。
EcoP1: AGACC
EcoP15: CAGCAG
Recognize site 1-1.5kb
cut
(3)作用机理 需ATP、Mg2+和SAM(S-腺苷蛋氨酸)。
第一节 限制性核酸内切酶
2. II类限制性内切酶 首先由H.O. Smith和K.W. Wilcox在1970年从流感嗜血 菌中分离出来。 分离的第一个酶是Hind Ⅱ
(1)识别位点序列
二、限制性内切酶的类型
限制性核酸内切酶(限制性酶):在细胞内能够识别双链DNA 分子中的特定核苷酸序列,并对DNA分子进行切割的一种酶。 据限制性核酸内切酶的识别切割特性、催化条件及是否具有修 饰酶活性,可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型。
基因工程中使用 主要特性 Ⅰ型 Ⅱ型 Ⅲ型
限制修饰 蛋白结构 辅助因子 识别序列 切割位点
第一节 限制性核酸内切酶
三、限制性内切酶的命名 1973年H.O Smith和D. Nathans提议的命名系统,命名 原则如下: 1.用属名的第一个字母和种名的头两个字母组成3个字 母的略语表示寄主菌的物种名。 大肠杆菌(Escherichia coli)用Eco表示; 流感嗜血菌(Haemophilus influenzae)用Hin表示。 2. 用一个右下标的大写字母表示菌株或型。如EcoK, EcoR(现在都写成平行,如EcoRI)。 3. 如果一种特殊的寄主菌内有几种不同的限制与修复 系统,用罗马字母表示。如EcoR I,EcoR V。 4. 限制酶前面要带上R(Restriction), 修饰酶前面要带上M(Modification)(现已省略)。
第一节 限制性核酸内切酶
第一节 限制性核酸内切酶
四、 Ⅱ限制性核酸内切酶的基本特性
(二)切割方式 同裂酶(isoschizomers):指来源不同但识别相同靶序列的核酸
内切酶。同裂酶进行同样的切割,产生不同或相同的末端。
同尾酶(isocaudamer):指来源不同、识别靶序列不同但产生 相同的粘性末端的核酸内切酶。利用同尾酶可使切割位点的选择余地 更大(相容性末端)。
(二)分子内的连接
第三节 DNA聚合酶和反转录酶
DNA聚合酶(DNA polymerase)是指能在引物和模板的存在下,将脱氧核 糖单核苷酸连续地加到双链DNA分子引物链的3‘-OH末端,催化核苷酸的聚合 作用。分为:依赖于DNA的DNA聚合酶和依赖于RNA的DNA聚合酶。
DNA聚合酶 大肠杆菌DNA聚合酶 Klenow fragment T4 DNA聚合酶 T7 DNA聚合酶 化学修饰T7DNA聚合酶 遗传修饰T7DNA聚合酶 逆转录酶 Taq DNA聚合酶 3’5’外切酶 活性 低 低 高 高 低 无 无 无 5’3’外切酶 活性 有 无 无 无 无 无 无 有 聚合速率 持续能力 中 中 中 快 快 快 低 快 低 低 低 高 高 高 中 高
4bp
5bp
6bp
11bp 12bp
HpaⅠ C CGG HaeⅢ GG CC AvaⅡ G GWCC EcoRⅡ CCWGG BamHⅠ G GATTC SmaⅠ CCC GGG Bg1Ⅰ GCCNNNN NGGC BstXⅠ CCANNNNN NTGC N=A, T, G, C
5‘…C--T--G--C--A--G… 3’ 3‘…G--A--C--G--T--C … 5’
第一节 限制性核酸内切酶
粘性末端的意义 ①连接便利 i)不同的DNA双链: 只要粘性末端碱基互补就可以连接。 这比连接两个平齐末端容易的多。
第一节 限制性核酸内切酶
第一节 限制性核酸内切酶
ii)同一个DNA分子内连接: 通过两个相同的粘性末端可以连接成环形分子。
1. I型限制性内切酶 首先由M. Meselson和R. Yuan在1968年从大肠杆菌 B 株和 K株分离的。 如 EcoB和 EcoK。 (1)识别位点序列 未甲基化修饰的特异序列。
EcoB: TGA(N)8TGCT EcoK:AAC(N)6GTGC
第一节 限制性核酸内切酶
(2)切割位点 在距离特异性识别位点约1000—1500 bp处随机切开 一条单链。
在基因工程操作中用途不大。
第一节 限制性核酸内切酶
核酸限制性内切酶的类型及主要特性
主要特性 限制修饰 蛋白结构 辅助因子 识别序列 切割位点 Ⅰ型 多功能(具甲基化) 异源三聚体 ATP Mg2+ SAM 距识别序列1kb处 随机性切割 Ⅱ型 单一功能 同源二聚体 Mg2+ 4-6bp回文序列 识别序列内或附近 特异切割 Ⅲ型 双功能(具甲基化) 异源二聚体 ATP Mg2+ 距识别序列下游 24-26bp处 随机性切割
碍。即所谓的寄主控制的限制与修饰现象简称(R/M体
系)。 细菌的R/M体系类似于免疫系统,能辨别自身的 DNA与外来的DNA,并能使后者降解掉。 维护宿主遗传稳定的保护机制。
E.coliB含有EcoB核酸酶和EcoB甲基化酶
当λ(k)噬菌体侵染E.coliB时,由于其DNA中有 EcoB核酸酶特异识别的碱基序列,被降解掉。而 E.coliB的DNA中虽然也存在这种特异序列,但可在 EcoB甲基化酶的作用下,催化S-腺苷甲硫氨酸 (SAM)将甲基转移给限制酶识别序列的特定碱基,
第一节 限制性核酸内切酶
常用的限制酶BamHⅠ、BclⅠ、 BglⅡ、Sau3AⅠ和XhoⅡ就是一组 同尾酶,它们切割DNA之后都形成由GATC 4个核苷酸组成的粘性末端 。
பைடு நூலகம்
同尾酶举例: 如:BamHI BglII MboI, Sau3AI G GATCC A GATCT N GATCN
第一节 限制性核酸内切酶
第一节 限制性核酸内切酶
② 5’末端标记
凸出的5’末端可用DNA多核苷酸激酶进行32P标记。
凸出的3’端可以通过末端转移酶添加几个多聚核苷
酸的尾巴(如AAA或TTT等)造成人工粘性末端。
③ 补平成平齐末端 粘性末端可以用DNA聚合酶补平成平齐末端。
第一节 限制性核酸内切酶
3. 平头末端
第一节 限制性核酸内切酶
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