绿色荧光蛋白(GFP)基因的克隆、表达和粗提取之欧阳道创编

绿色荧光蛋白(GFP)基因的克隆、表达和粗提取
南方医科大学
2011预防医学（卫生检验检疫）
摘要
目的：研究绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）基因在大肠杆菌中的基因克隆与重组表达，以及对其进行粗提取。

方法：从E.coli DH5ɑ中用碱提取质粒的方法提取质粒pEGFP-N3和质粒pET-28a。

然后用质粒DNA的琼脂糖凝胶电泳对已经提取的产物进行电泳，确定从大肠杆菌中成功提取了质粒。

再用限制性内切酶BamHI和NotI对成功提取的质粒进行酶切，并对酶切后的质粒进行琼脂糖凝胶电泳，用以确定已经提取了GFP基因。

将含有GFP基因的质粒转化到感受态细胞E.coli BL-21中，用LB培养基对转化后的E.coli进行扩大培养。

用IPTG诱导GFP基因表达可以看到浅绿色菌落。

最后对绿色荧光蛋白进行粗提取。

结论：本实
验有助于学生掌握最基本的分子生物学实验技术，为进一步的实验奠定基础。

关键词：绿色荧光蛋白基因克隆重组表达转化粗提取目录
1 前言3
2 实验目的4
3 实验设备4
4 材料及试剂5
5 实验操作步骤5
5.1操作流程5
5.2质粒DNA的分离与纯化6
5.2.1 质粒的培养6
5.2.2 质粒的DNA的碱提取法6
5.2.3 质粒DNA的鉴定与纯化7
5.3酶切及连接8
5.3.1 双酶切8
5.3.2 回收酶切产物（采用DNA回收试剂盒进行回
收）8
5.3.3 连接9
5.4大肠杆菌感受态细胞的制备及转化9
5.4.1 LB（Luria-Bertain）液体和固体培养基的配制（参考附录）9
5.4.2．感受态细胞的制备 (CaCl2法)9
5.4.3 转化涂板10
5.5GFP蛋白的诱导表达10
5.6绿色荧光蛋白的粗提取11
参考文献11
附录12
1LB培养基的配制：12
2.溶液Ⅰ12
3.溶液Ⅱ12
4.溶液Ⅲ（100ML）12
5.DN ASE-FREE RN ASE A13
6.TE缓冲液（P H8.0）13
7.20×TBE13
8.G ENE F INDER-溴酚蓝上样缓冲液13
9．PEGFP-N3质粒全图谱13
10．P ET-28A质粒全图谱14
1 前言
绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）是一类存在于包括水母、水螅和珊瑚等腔肠动物体内的生物发光蛋白。

当受到紫外或蓝光激发时，GFP 发射绿色荧光。

它产生荧光无需底物或辅因子发色团是其蛋白质一级序列固有的。

1962 年，下村修等分离纯化了水母中发光蛋白水母素，并发现一种绿色的荧光蛋白。

1974 年，他们分离得到了这个蛋白，当时称绿色蛋白，以后称绿色荧光蛋白(GFP)[1]
GFP 作为一种新的报告基因，其优点在于①荧光强度高，稳定性高；②GFP 分子量小，易于融合，适用于多种转化方式，对受体无毒害，安全可靠；③不需要反应底物与其他辅助因子，受蓝光激发产生绿色荧光，尤其适用于体内的即时检测；④GFP 不具有种属依赖性，
在多种原核和真核生物细胞中都表达；⑤通过替换一些特殊氨基酸，可以使之产生不同颜色的光，从而适应不同的研究需要。

近年来广泛用于基因的表达与调控、蛋白质的定位、转移以及相互作用、信号传递、转染与转化，以及细胞的分离与纯化等研究领域[ 2～3]。

采用GFP 作为标记基因，可直接收集转化细胞供实验，缩短了筛选时间、减少对细胞活性的影响并可作为活体标记，为研究发育的基因调控和分子机制提供了一种简洁有效的手段[ 4、5 ]。

采用基因工程手段生产GFP标记的方法，可建立一种简便、快速的免疫诊断技术[6]。

质粒转化进入大肠杆菌（Escherichia coli）感受态细胞是分子克隆的关键步骤[7]，是基因克隆以及DNA 文库构建等研究中一项重要的常规操作。

目前，感受态细胞的制备主要采用CaCl2法，该方法操作简单、容易掌握、重复性好、转化率高，可广泛应用于一般的实验室。

其原理是Ca2+ 破坏细胞膜上的脂质阵列，并与膜上多聚羟基丁酸化合物、多聚无机磷酸形成复合物以利于外源DNA的渗入[8]。

大肠杆菌是第一个用于重组蛋白生产的宿主菌，它不仅具有遗传背景清楚、培养操作简单、转化和转导效
率高、生长繁殖快、成本低廉、可以快速大规模地生产目的蛋白等优点[9]。

而且其表达外源基因产物的水平远高于其它基因表达系统，表达的目的蛋白量甚至能超过细菌中蛋白量的30%，因此大肠杆菌是目前应用最广泛的蛋白质表达系统[10]。

大肠杆菌表达系统是目前最常用的外源蛋白表达系统,大肠杆菌由于遗传背景清楚、易操作,以及有大量可供选择的克隆或表达载体,使之成为人们克隆表达外源基因的主要菌株[11]。

随着科研的进展，构建出了多种具有不同特点的表达载体和工程菌株，以满足表达不同性质、要求的目的基因的需要。

在原核细胞中表达蛋白质的载体常用启动子有T7启动子、Trp启动子-色氨酸启动子、Tac启动子、T7噬菌体中基因10 的启动子及Lac启动子等。

Lac 启动子受分解代谢系统活化蛋白和cAMP的正调控和阻遏物的负调控，当加入乳糖或某些类似物IPTG可与阻遏蛋白形成复合物，使阻遏蛋白构型改变，阻遏蛋白不再能与操纵基因结合，从而使结构基因表达。

根据原核生物基因表达特点选择载体进行目的基因克隆，然后转入相应的菌种中表达目的蛋白质[12]。

研究绿色荧光蛋白在大肠杆菌体内的基因克隆和表
达。

通过质粒重组形成所需要的重组质粒pET-28a-GFP，将重组质粒导入大肠杆菌体内，通过酶切及用IPTG诱导检测是否在大肠杆菌体内诱导表达成功。

根据电泳结果及荧光现象得出结论，重组质粒在大肠杆菌体内成功诱导表达。

2 实验目的
学会绿色荧光蛋白基因表达载体的构建及在大肠杆菌中的表达整个过程中的每一步，掌握其方法。

本实验是通过基因工程手段对目的基因EGFP进行克隆，并进行EGFP表达载体的构建，并在大肠杆菌中诱导表达，获得GFP蛋白。

①学会最常用的小量制备质粒DNA的碱裂解方法
②学会常用的DNA琼脂糖凝胶电泳技术
③学会用限制性内切酶切割DNA
④学会用琼脂糖凝胶中回收DNA片段
⑤学会DNA片段的体外连接技术
⑥学会用CaCl2法制备大肠杆菌感受态细胞
⑦学会用质粒DNA转化感受态受体菌的基本操作技术
⑧学会用酶切法筛选重组质粒转化成功的克隆菌
⑨了解外源基因在原核细胞中表达的特点和IPTG 诱导表达的方法
⑩学习SDS-PAGE 胶的基本灌制方法和用SDS-PAGE 检测表达蛋白
3 实验设备
恒温培养箱，超净台，恒温摇床，制冰机，台式离心机，核酸电泳仪，小型混合器，冰箱，蓝盾可见光透射仪，移液器、电泳槽、振荡器、制冰机、凝胶成像仪，水浴锅，高压灭菌锅、振荡培养箱，手持式紫外灯。

4 材料及试剂
BamH I ；NotI(10U/μL)；T4 ligase ；LB 培养基；溶液Ⅰ；溶液Ⅱ；溶液Ⅲ；TE 缓冲液；20×TBE ；GeneFinder-溴酚蓝上样缓冲液。

5 实验操作步骤
5.1 操作流程
质粒提取质粒提取
酶切回收酶切回收
连接
图一流程图
5.2 质粒DNA 的分离与纯化
5.2.1 质粒的培养
1）在含有pEGFP －N3质粒的DH5α平板上菌落上挑取菌种，置于含有5mL LB 培养基的试管中。

摇晃过夜。

2）有pET-28a 质粒的平板上挑取单菌落于另外一个试管中，同样摇荡培养过夜。

5.2.2 质粒的DNA的碱提取法
1）取1.5ml DH5α培养液倒入1.5mL eppendorf 管（微量离心管）中, 13000rpm离心1min。

2）重复1。

3）弃上清,将管倒置于卫生纸上数分钟,使液体流尽。

4）菌体沉淀重悬浮于100μL溶液Ⅰ中(需剧烈振荡),室温下放置10min。

5）加入新配制的溶液Ⅱ200μl, 盖紧管口，快速温和颠倒eppendorf 管5次,以混匀内容物(千万不要振荡),冰浴5min。

6）加入150μL预冷的溶液Ⅲ,盖紧管口，并倒置离心管，温和振荡3次,使沉淀混匀,冰浴中15分钟,13000rpm离心5min。

7）上清液移入干净eppendorf 管中,加入等体积的氯仿/异戊醇(24：1),振荡混匀, 13000rpm离心2min。

8）将水相移入干净eppendorf 管中,加入等体积的氯仿/异戊醇(24：1)振荡混匀, 13000rpm离心2min。

9）将水相移入干净eppendorf 管中,加入2 倍体积的无
水乙醇,振荡混匀后，置于室温下2min，然后13000rpm 离心5min。

10）弃上清,将管口敞开倒置于卫生纸上使所有液体流出,加入1mL 70％乙醇洗沉淀一次, 振荡混匀后，13000rpm离心5min。

11）吸除上清液,将管倒置于卫生纸上使液体流尽,室温干燥。

12）将沉淀溶于30μL TE缓冲液(pH8.0，含20μg/mL RNaseA)中，保存在-20℃冰箱中。

13）按照同样的流程和方法将pET-28a的质粒也提出来，保存在-20℃冰箱中。

5.2.3 质粒DNA的鉴定与纯化
1)1%琼脂糖凝胶的配制
①加20ml 1×TBE缓冲液于三角瓶中，
②精确称取0.2g琼脂糖加到三角瓶中，于微波炉中加热至完全熔化，
③冷却至60℃左右，
2)琼脂糖凝胶电泳
①轻缓倒入封好两端和加上梳子的电泳胶板中，静置冷却30分钟以上，
②将胶板除去封胶带，放入电泳缓冲液（TBE）中，使电泳缓冲液刚好没过凝胶约1mm，轻轻拔除梳子，
③取5μl质粒DNA及2μl GeneFinder混匀上样
④50-100v约电泳0.5-1小时
⑤蓝盾可见光透射仪观察结果。

3)回收产物
①用干净的刀片将需要的DNA条带从凝胶上切下来，称取重量。

②以0.1g凝胶对应300μL的体积加入PN。

③50℃水浴放置10min，期间不断温和上下翻动离心管至胶完全融解。

④将上一步得到的溶液加入到一个吸附柱中，吸附柱再放入收集管，13000rpm离心60s，弃掉废液。

⑤加入800μL漂洗液PW，13000rpm离心60s，弃掉废液。

⑥加入500μL漂洗液PW，13000rpm离心60s，弃掉
废液。

⑦将离心吸附柱放回收集管，13000rpm离心2min。

⑧取出吸附柱，放入一个干净的离心管中，在吸附膜的中间位置加入适量洗脱缓冲液EB 30μL，洗脱缓冲液先在65℃水浴预热，室温放置2min，13000rpm离心1min，然后将离心的溶液重新加回离心吸附柱中，13000rpm离心1min。

⑨置于－20℃保存。

5.3 酶切及连接
5.3.1 双酶切
按如下双酶切体系（30μL）混合:
表1 双酶切体系的配制
反应物（μL）pEGFP-N3 pET-28a
BamH I 2 2
Not I 2 2
10×buffer K 3 3
0.1%BSA缓冲液 3 3
灭菌双蒸水至 30ul体系
1)离心10s，混匀。

2)37℃水浴酶切3-4h。

3)配制1.0%（M/V）普通琼脂糖凝胶30ml。

4)适当放置冷却，45℃左右倒于电泳胶板上，插好梳
子。

5)待凝胶凝固好以后，拨下梳子。

6)酶切样品中加入5µl溴酚蓝-GeneFinder混合液混
匀，上样。

7)1×TBE Buffer，80V(3-4V/cm)下电泳30min。

8)荧光激发器观察质粒DNA条带的酶切情况，并照
像。

5.3.2 回收酶切产物（采用DNA回收试剂盒进行回收）
1)配30mL 1％进口琼脂糖凝胶，尽量长一些（用粗梳
子），对酶切产物进行电泳分离；
2)将酶切产物全部加入加样孔中
3)跑胶，观察结果，并且拍照。

4)用干净的刀片将需要的DNA条带从凝胶上切下来，
称取重量。

5)以0.1g凝胶对应300μL的体积加入PN。

6)50℃水浴放置10min，期间不断温和上下翻动离心
管至胶完全融解。

7)将上一步得到的溶液加入到一个吸附柱中，吸附柱
再放入收集管，13000rpm离心60s，弃掉废液。

8)加入800μL漂洗液PW，13000rpm离心60s，弃掉
废液。

9)加入500μL漂洗液PW，13000rpm离心60s，弃掉
废液。

10)将离心吸附柱放回收集管，13000rpm离心2min。

11)取出吸附柱，放入一个干净的离心管中，在吸附膜
的中间位置加入适量洗脱缓冲液EB 30μL，洗脱缓冲液先在65℃水浴预热，室温放置2min，13000rpm 离心1min，然后将离心的溶液重新加回离心吸附柱中，13000rpm离心1min。

12)置于－20℃保存。

5.3.3 连接
按照连接体系进行，16℃连接过夜。

表2 连接体系
反应物体积/μL
回收纯化的pET-28a质粒5
gfp基因片段12
T4连接酶 1
缓冲液（10×） 2
5.4大肠杆菌感受态细胞的制备及转化
5.4.1 LB（Luria-Bertain）液体和固体培养基的配制（参考附录）
氨苄青霉素和卡那霉素等抗生素不抗热，如果培养基温度过高，容易导致抗生素失效，应使培养基降温至60℃左右后，再加入抗生素。

但也不应使培养基的温度过低，否则容易出现气泡。

75mm直径的培养皿约需15ml培养基。

5.4.2．感受态细胞的制备 (CaCl2法)
1)挑一大肠杆菌单菌落放入3ml LB液体培养基（含
Kan+），37℃培养过夜。

2)活化大肠杆菌：取3ml新鲜的LB液体培养基加入
50-150μl的过夜菌，培养2-3个小时。

3)将昨夜摇出来的DH5α或BL21培养液转入离心管中,
冰上放置10min,然后于4℃下4000rpm离心5min。

4)弃去上清,用预冷的0.1mol/L 的CaCl2溶液600μL轻
轻悬浮细胞,冰上放置20min, 4℃下4000rpm离心5min。

5)弃去上清,加入300μL预冷的0.1mol/L的CaCl2溶液,
轻轻悬浮细胞,冰上放置5min,即成感受态细胞悬液，可-80℃长期保存。

5.4.3 转化涂板
1)取2个无菌离心管，分别加入100μL BL21感受态细
胞悬液，第1管加5μl无菌水，第2管加入质粒DNA溶液5μl,轻轻摇匀,冰上放置30min。

2)42℃水浴中热激90s,热激后迅速置于冰上冷却
5min。

3)分别向管中加入100μL LB液体培养基,混匀后在
37℃振荡培养30min 。

4) 从管1中取50μL 涂布于含抗生素和不含抗生素的平
板上,从管2中取50μL 和100μL 涂布于含抗生素的平板上。

正面向上放置约10分钟,待菌液完全被培养基吸收后倒置培养皿,37℃培养20小时。

图2 转化
涂板模式图
5.5 GFP 蛋白的诱导表达
1)
取阳性克隆质粒DNA 转化BL21； 2)
在含有Kan ＋的固体培养基上，37℃培养20h ； 3)
挑取单菌落，37℃振荡培养过夜； 4) 取4支无菌带盖试管，加入新鲜LB 液体培养基（含
有Kan ＋）5ml ，按1：20稀释比例加入过夜菌，37℃培养至生长期,约2-3小时。

5) 加入IPTG （1：1000）至终浓度1mmol/L ，分别诱
导0h ，1h ，2h ，4h 。

6) 分别取1.5ml ，10000rpm 离心5min ，去除上清，收
管1 管1 管2 管2
50μL 50μL 50μL 100μL
集沉淀，再重复一次收集沉淀。

7)分别取IPTG诱导培养液20μl涂布在含Kan＋的固
体培养基上，37℃培养20小时。

8)观察蛋白表达：用紫外线照射菌体沉淀及培养平
板，可以看到绿色荧光。

分别对均匀涂布的平板以及表达蛋白的样品管照相，保存照片。

5.6 绿色荧光蛋白的粗提取
1)挑取上述鉴定正确的单菌落接入5 mL 液体LB 培养
基( 含50 μg/mL 卡那霉素) , 37 ℃振荡培养过夜,
2)将过夜培养菌以1: 500 体积比接种入新的LB 液体
培养基扩大培养, 37 ℃培养1 h 后, 加入0.1 mmol/L IPTG 诱导表达3 h。

3)将上述诱导表达菌液4 ℃、5 000×g 离心10 min 收
集菌体,
4)用提取缓冲液(2 mmol/L Tris, pH 8.0, 0.5 mmol/L
PMSF,0.2 mmol/L NaN3)洗涤菌体一遍,
5)将菌体超声破碎( 50 %功率, 超声20 s, 共20 次,两次
超声间隔40 s) 后, 10 000 ×g离心20 min。

6)取离心后的上清，即为粗提取绿色荧光蛋白。

参考文献
[1] Shimomura O,Johnson FH,Saiga Y. Extraction, purification and properties of aequorin, abioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea [J]. J Cell Como Physiok, 1962, 59: 223-239.
[2] Kain SR,AdamsM, Kondepudi A, et al. Green fluorescent p rotein as a reporter of gene exp ression and p rotein localization. biotechniques, 1995, 19 (4) : 650
[3] Phillip s GJ. Green fluorescent p rotein - a bright idea for the study of bacterial p rotein localization. FEMSmicrobial Lett, 2001, 204 (1) : 9
[4] ChalfieM, Tu, EKivchen G, et al. Green fluorescent p rotein as a marker forgene exp ression. Science, 1994, 263(5148) : 802
[5] ChalfieM. Green fluorescent p rotein. Photochem Photobiol, 1995, 62 (4) : 651
[6] Larrick JW, Balint RF, Youvan DC. Green fluorescent protein: untapped potential in immunotechnology.
Immunotechnology, 1995, 1 (2) : 83
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[8] 杜祯, 马海利, 陈瑞芳.工程菌DH-5α感受态细胞的制备及质粒pGEM的转化研究中国畜牧兽医,2007 年第34卷第5期
[9] Nuc P. Nuc K. Recombinant protein production in Escherichia coli[J].Postepy Biochem,2006,52 (4):448-456.
[10] Dong X,Tang B,Li J,et al.Expression and Purification of Intact and Functional Soybean (Glycine max)Seed Ferritin Complex in Escherichia coli [J].J Microbiol Biotechnol,2008,18 (2):299-307.
[11] 吕素芳，刘峥，郭广君，蔡永萍，邱德文大肠杆菌中表达外源重组蛋白的研究
[12] 魏春红，李毅主编原核细胞中外源基因的表达和初步纯化，现代分子生物学技术，高等教育出版社，2006.7:95-97
附录
1 LB培养基的配制：
组成液体固体
蛋白胨（Trypton）10g10g
酵母提取物（Yeast Extract）5g5g
NaCl10g10g
琼脂（Agar）15g
蒸馏水定容至1000ml定容至1000ml 2. 溶液Ⅰ： 50mM 葡萄糖
25mM Tris-HCl（pH8.0）
10mM EDTA
3. 溶液Ⅱ（现用现配）：0.2N NaOH
1% SDS
（先加水，再加NaOH和SDS）
4. 溶液Ⅲ（100ml）：5M KAc 60ml
冰醋酸 11.5ml
5. DNase-free RNase A：溶解RNase A于TE缓冲液中，浓度为10mg/ml，煮沸10-30min，除去DNase活性，-
20℃贮存。

6.TE缓冲液（pH8.0）[10mM Tris-HCl；1mM EDTA]的配制：
药品名称
1M Tris-HCl（pH8.0）10ml1ml
0.5M EDTA2ml0.2ml
ddH2O定容至1000ml定容至100ml 7. 20×TBE：216g Tris碱，110g硼酸，80ml 0.5M EDTA （pH8.0），定容至1000ml。

8. GeneFinder-溴酚蓝上样缓冲液
6×loading buffer：0.25%溴酚兰，0.25%二甲苯青FF，40%（w/v）蔗糖水溶液。

配制好后可以按50：1的比例稀释GeneFinder。

9．PEGFP-N3质粒全图谱
实验使用的EGFP蛋白取自原核-真核穿梭质粒pEGFP-NB3B的蛋白质编码序列。

此质粒原本被设计于在原核系统中进行扩增，并可在真核哺乳动物细胞中进行表达。

本质粒主要包括位于PCMV真核启动子与SV40 真核多聚腺苷酸尾部之间的EGFP编码序列与位
于EGFP上游的多克隆位点；一个由SV40 早期启动子启动的卡那霉素/新霉素抗性基因，以及上游的细菌启动子可启动在原核系统中的复制与卡那抗性。

在EGFP 编码序列上下游，存在特异的BamH I及Not I限制性内切酶位点，可切下整段EGFP编码序列。

10．pET-28a质粒全图谱
表达EGFP 蛋白使用的pET-28 原核载体包含有在多克隆位点两侧的His-tag polyHis 编码序列；用于表达蛋白的T7 启动子，T7 转录起始物以及T7 终止子；选择性筛选使用的lacI 编码序列及卡那霉素抗性序列，pBR322 启动子，以及为产生单链DNA 产物的f1 启动子。