第七章 目的基因的克隆与遗传转化

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转座子DNA探针
插入突变体
鉴定性状 遗传分析
筛选突变DNA 文库,PCR, RACE
基因部分DNA探针
完整目的基因
筛选野生型DNA 文库,PCR, RACE
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(5)差异显示法 在生物个体发育不同阶段,或不同的组 织与细胞中或不同环境下,基因表达差异。即不同基因有 序的时空表达方式,叫做基因的差异表达。差异显示 PCR(differential display-PCR,DD-PCR)是指通过对来源 特定组织类型的总mRNA进行PCR扩增、电泳,并找出待测组 织和对照之间的特异扩增条带。
(三〕受体材料的选择
受体是指用于接受外源DNA的转化材料。良好的植物基因转
化受体系统应满足如下条件: 1、高效稳定的再生能力; 2、受体材料要有较高的遗传稳定性; 3、外植体来源方便,如胚和其它器官等;
4、对筛选剂敏感;
5、转化率高
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常用的受体材料有以下几大类型:
1.愈伤组织再生系统
在植物体的创伤部分,愈伤组织可帮助伤口愈合;在嫁接 中,可促使砧木与接穗愈合,并由新生的维管组织使砧木和接 穗沟通;在扦插中,从伤口愈伤组织可分化出不定根或不定芽, 进而形成完整植株。在植物器官、组织、细胞离体培养时,条 件适宜也可以长出愈伤组织。在一定条件下可进一步诱导器官 再生或胚状体而形成植株。外植体材料经过脱分化培养诱导形 成愈伤组织,转化(带有目的基因质粒的农杆菌侵染),分化 培养获得再生植株。下胚轴 优点:外植体来源广,繁殖快,易接受外源基因, 转化效率高。 缺点:遗传稳定性差、嵌合体
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(六)转化体的安全性评价和育种利用
根据有关转基因产品的管理规定、在可控制的条件下进行安全 性评价和大田育种利用研究。 通过转基因方法往往难以直接获得理想的品种(系)原因:外 源基因失活、纯合致死、花粉致死、其它性状变化等。 因此获得转化体后,应结合杂交、回交、自交等常规转育手段,
最终选育综合性状优良的转基因品种。
目的基因体外重组到适当的已改造的质粒中 包括保存用中间载体(大肠杆菌寄主):pBR322、pUC、 繁殖载体(大肠杆菌寄主): JM109, TOP10 植物转化载体(农杆菌寄主): pBI121, pCAM1001
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选择标记基因
如何选择和筛选转化体同样是一个重要问题。科学 家一直试图把转化体带上一个标记,从而便于选择和 筛选。至今己建立了许多标记基因,并已插入各种转 化载体中,作为一种标记基因。 选择性标记基因是指在遗传转化中能够使转化细 胞(或个体)从众多的非转化细胞中筛选出来的标记基 因.它们通常可以使转基因细胞产生对某种选择剂具有 抗性的产物,从而使转基因细胞在添加这种选择的培养 基上正常生长,而非转基因细胞由于缺乏抗性则表现出 对此选择剂的敏感性,不能生长。带有抗菌素抗性基因 的受体菌能在含有抗菌素的培养基(选择培养基)中 11 生长。
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转基因作物的生物安全性
直至今天,转基因作物的安全性在全球范围内引起了 激烈的争论。 反对者认为转基因作物具有极大的潜在危险,可能会 对人类健康和人类生存环境造成威胁。
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国际上有几个典型的事件。
Pusztai事件: 英国Rowett研究所有位Pusztai博士,他用转雪花莲凝集素基因的土豆喂大鼠, 1998年秋天在英国电视台发表讲话,声称大鼠食用了这种土豆后,体重和器 官重量减轻,免疫系统受到了破坏。 后果:绿色和平组织、地球之友等反生物技术组织把这种土豆说成“杀手”, 并策划了破坏转基因作物试验地等行动,焚烧了印度的两块试验田,甚至美 国加州大学戴维斯分校的非转基因试验材料也遭破坏,以致研究生毕业论文 都无法如期完成。 英国皇家学会组织了同行评审,并于1999年5月发表评论,指出Pusztai的试 验有六方面的错误:不能确定转基因和非转基因马铃薯的化学成分有差异; 对食用转基因土豆的大鼠,未补充蛋白质以防止饥饿;供试动物数量少,饲 喂几种不同的食物,且都不是大鼠的标准食物,缺少统计学意义;试验设计 差;统计方法不当;试验结果无一致性等。
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特异性PCR检测外源基因整合到受体
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(2) 转录水平的鉴定
常用的方法 Northern杂交(标记的RNA为探针对总RNA杂交) RT-PCR 检测
mRNA cDNA PCR
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(3)翻译水平的鉴定
为检测外源基因转录形成的mRNA能否翻译,还必须进行翻译或 者蛋白质水平检测。
主要方法:Western杂交
随机引物+3’ 锚定poly(t)引物


叶mRNA
反转录
PCR PAGE
根mRNA
反转录
PCR
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(6) 电子克隆 in silico cloning 借助于电子计算机,利用公布的核酸序列资料, 进行序列的拼接和组装最终获得完整基因序列的技 术,类似于cDNA文库的筛选但更加方便和快速。
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(二)目的基因重组质粒的构建
第七章 目的基因的克隆与遗传转化
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(一)目的基因的克隆 根据获得基因的途径主要可以分为两大类: 根据基因表达的产物—蛋白质进行基因克隆; 从基因组DNA或mRNA序列克隆基因。
1.根据基因表达的产物—蛋白进行基因克隆 主要步骤如下: 分离蛋白质 明确氨基酸序列 推导核苷酸序列 人工合成
利用这种方法人类首次人工合成了胰岛素基因。 虽然在早期采用这种方式已经成功地克隆了许多基因。 局限性:兼并密码子?
Tumor induced by A. tumefaciens
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Ti Plasmid
T-DNA region
已知农杆菌附着到 植物细胞后,只留
auxin
Left border Right border
在细胞间隙中。TDNA首先在细菌中被 加工、剪切、复制, 然后转入植物细胞。
vir genes
ori
外源基因导入植物细胞,整合在核染色体组中并随核染色体复 制和表达。 农杆菌Ti质粒(tumor-inducing plasmid)或 Ri质粒 (root-indcing plasmid)介导法是迄今为止植物基因工程中应 用最多、机理最清楚、最理想的载体转移方法。
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• 农杆菌: 包含Ti质粒 Tumor inducing plasmid (bacterial plasmid) • T-DNA (TransferredDNA), 可以转移进入植 物基因Hale Waihona Puke Baidu.
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斑蝶事件:
1999年5月,康奈尔大学的一个研究组在《Nature》杂志 上发表文章,声称转基因抗虫玉米的花粉飘到一种名叫“马利 筋”的杂草上,用马利筋叶片饲喂美国大斑蝶,导致44%的幼 虫死亡。 这一实验结果在科学上没有说服力:玉米的花粉非常重, 扩散不远,在玉米地以外5米,马利筋叶片/CM2上只找到一个 玉米花粉;2000年开始在美国三个州和加拿大进行的田间试验 都证明,抗虫玉米花粉对斑蝶并不构成威胁,实验室试验中用 10倍于田间的花粉量来喂大斑蝶的幼虫,也没有发现对其生 长发育有影响。 斑蝶减少的真正原因,一是农药的过度使用,二是墨西哥 生态环境的破坏。 30
中国Bt抗虫棉破坏环境事件: 2002年6月3日,南京环科所与绿色和平组织在北京召开会 议,6月4日《China daily》上发表了题为“GM (genetically modified) Cotton Damage Enviroment”的文 章。
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2.外源基因直接导入法
最主要的是基因枪轰击法
(微弹轰击技术micro-projectile bombardment)
将外源DNA包裹在微小的钨粉或金粉颗粒的表面,借助高压动力射入受体 细胞或组织,最后整合到植物基因组并得以表达。 步骤简单易行:适合于大多数细胞或组织,克服了受体材料的限制,不 必制备原生质体,具有相当广泛的应用范围,已经成为植物细胞转化最 有效方法之一。 到目前为止,利用基因枪法已经在烟草、豆类和多数禾本科农作物、果 树花卉和林木等植物上获得转基因植株。 单子叶植物
Gus基因(β-葡糖苷酸酶基因)
在植物细胞中所产生的葡糖苷酸酶在检测上具有以下特点: 在一定条件下与X-G1ucuionic acid (5-bromo-4-chioro-3-indoylβ-D-glucuronic acid)底物发生作用,产生蓝色沉淀,可以直接 观察到植物组织中形成的蓝色斑点。
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化受体系统; 二是直接利用花粉和卵细胞受精过程进行基因转化,如花粉管
导入法,花粉粒浸泡法,子房微针注射法等。
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(四)转基因方法 概括起来说主要有两类:
第一类是以载体为媒介的遗传转化,也称为间接转移系统法。
第二类是外源目的DNA的直接转化。
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1.载体介导转移系统
最常见的转基因方法。
将外源基因重组进入适合的载体系统,通过载体将携带的
4.胚状体再生系统
是指具有胚胎性质的个体。
优点:个体数目巨大、同质性好,接受外源基因能力强, 嵌合体少,易于培养、再生。
缺点:技术含量高,多数植物不易获得胚状体。
5.生殖细胞受体系统
以生殖细胞如花粉粒、卵细胞等受体细胞进行外源基因转化的 系统。
一是利用组织培养技术进行小孢子和卵细胞的单倍体培养、转
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2.从基因组DNA或mRNA序列克隆基因
(1)同源序列法 (Homology Based Candidate Gene Method) 根据基因家族成员所编码的蛋白质结构中具有保守氨基酸序列的特 点克隆基因家族未知成员。
氨基酸序列比较
设计简并引物
PCR扩增
文库筛选/RACE
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(2)表达序列标签EST是指能够特异性标记某个基因的部分序列,通常包 含了该基因足够的结构信息区,可以与其它基因相区分。主要是通过 cDNA的途径获得。 获得EST的途径: 大规模cDNA文库测序 各种mRNA水平的分析手段
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(五)转化体的筛选和鉴定 1.转化体的筛选 外源目的基因转化频率低 目的基因已被整合到核基因组并表达的转化细胞很少,使用特异 性选择标记基因(selectable marker genes)进行标记,有效 地选择出真正转化细胞。 常用选择标记基因: 抗生素抗性基因 除草剂抗性基因 标记基因在受体细胞表达,使转化细胞具有抵抗相应抗生素 或除草剂的能力而存活下来。非转化细胞则被抑制、杀死。
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2.转化体的鉴定 通过筛选得到的再生植株初步证明标记基因整合进入受体 细胞。至于目的基因是否整合到受体核基因组、是否表达,
还必须对抗性植株进一步检测。
(1)DNA水平的鉴定 检测内容:是否整合、拷贝数。 检测方法:特异性PCR(以外源基因两侧序列设计引物) Southern杂交(外源目的基因序列为探针)
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2.直接分化再生系统
外植体材料细胞不经过脱分化形成愈伤组织阶段,而是直
接分化出不定芽形成再生植株。茎尖
优点:周期短、操作简单,体细胞变异小,遗传稳定; 缺点:材料局限,转化率低。
3.原生质体再生系统
脱去细胞壁的细胞叫原生质体,原生质体恢复细胞壁具有分 化再生能力,是应用最早的再生受体系统之一。 优点:高效、广泛地摄取外源DNA或遗传物质,获得基因型一 致的克隆细胞,所获转基因植株嵌合体少,适用于多种转化 系统; 缺点:不易制备、再生困难和变异程度高。 15
精细定位
0.8 c
cDNA文库筛选
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(4)转座子标签法 转座子是染色体上一段可复制、移动的 DNA片段。当转座子插入到某个功能基因内部时,就会引起该 基因的失活,并诱导产生突变型;当转座子再次转座或切离这 一位点时,失活基因的功能又可得到恢复。目前应用最为广泛 的转座子系统是Ac/Ds玉米转座子系统。
cDNA文库 PCR 反转录酶 mRNA cDNA 差异显示 抑制消减杂交 … GenBank dbEST
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EST
RACE/文 库筛选
(3)根据连锁图谱克隆目的基因 图位克隆技术(Map-based cloning)
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cM Marker bp BAC
染色体步移 亚克隆 染色体步移 候选基因
1 a Gene
报告基因:
报告基因(reporter gene)是一种编码可被检测的蛋白质或 酶的基因,也就是说,是一个其表达产物非常容易被鉴定的基 因。把它的编码序列和基因表达调节序列相融合形成嵌合基因, 或与其它目的基因相融合,在调控序列控制下进行表达,从而 利用它的表达产物来标定目的基因的表达调控,筛选得到转化 体。作为报告基因,在遗传选择和筛选检测方面必须具有以下 几个条件:(1)已被克隆和全序列已测定;(2)表达产物在 受体细胞中本不存在,即无背景,在被转染的细胞中无相似的 内源性表达产物;(3)其表达产物能进行定量测定。
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