第二章 分子克隆工具酶

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第二章 分子克隆工具酶
分子克隆工具酶
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”。
工具酶是对野生菌株(或真核生物如酵母)进行改造、优
化、而产生的生物工程产品。
工具酶
核酸内切酶 核酸外切酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 DNA及RNA修饰酶 单链核酸内切酶
酶 限制性核酸内切酶 DNA连接酶 大肠杆菌DNA聚合 酶Ⅰ 或Klenow酶
SUMMARY 主要用途 识别DNA特定序列,切割DNA分子 连接两个DNA分子或片段 1 制作DNA探针;2 合成cDNA第二链; 3 填补双链DNA 3`凹端;4 DNA测序。
Taq DNA 聚合酶
多核苷酸激酶
聚合酶链式反应(PCR)
Bgl II EcoR I
Hind II Hind III Kpn I Not I
A ↓GATCT G ↓AATTC
GTPy ↓PuAC A ↓AGCTT GGTAC ↓C GC ↓GGCCGC
Sal I Sau3A I
Sfi I Sma I Xba I Xho I
G ↓TCGAC ↓GATC
GGCCNNNN ↓NGGCC CCC ↓GGG T ↓CTAGA C ↓TCGAG
限制性内切核酸酶(restriction endonuclease):
指一类能识别双链DNA分子中特定核苷酸序
列,并在识别序列内或附近特异切割双链DNA 的核酸内切酶。
限制酶天然存在于细菌体内,与相伴存在的 甲基化酶共同构成细菌的限制-修饰系统 (Restriction-Modification System)。
J:\生物视频\细胞生物学视频\连接酶\连接酶.swf
OH
P
5` 3`
3` 5`
DNA ligase
5` 3` 3` 5`
DNA ligase 连接缺刻(nick)
DNA连接酶
连接的部位:磷酸二酯键(梯子的扶手), 不是氢键(梯子的踏板)。
2.2 种类及作用机理
T4 DNA连接酶(ATP提供能量)和 大肠杆菌DNA连接酶(NAD+提供能量) 两种。
双酶切
A有公用Buffer的。(直接用公用Buffer 切)
B两种酶反应温度不同的。(先切其中 一个然后高温失活,再用另外一个酶切) C无公用Buffer的:先用低盐Buffer切几 个小时,再补加盐分到高盐加入另外一 个酶继续切
限制性核酸内切酶的反应条件
3.星活性
在极端非标准条件下,限制酶能切割与识别序列相似的序列, 这个改变的特殊性称星星活性,如EcoRⅠ星活性用EcoRⅠ*表
1μg DNA /1U HPaⅠ 50μl
37℃
1h
限制性核酸内切酶的反应条件
2) 反应系统因素
缓冲液(无菌、无污染) buffer (pH=8.0) :
50mmol/L Tris-HCl 10mmol/L MgCl2 1mmol/L DTT或巯基乙醇 100μg BSA/ml (DDT:二硫苏糖醇 BSA:牛血清蛋白) NaCL(0, 500, 1000mM)
(a)分子间连接
(1) · · · · · G 5´ AATTC· G· · · · · · CTTAA 5´ (2) · · · · · G 5´AATTC· G· · · · · · CTTAA 5´
(1) (2) · · · · ·G AATTC· · · · · · G 5´AATTC· G· · · · · · CTTAA G· · · · · · CTTAA
1.3.3 Ⅱ型限制性内切酶
功能:识别并特异切割DNA分子。
即通常所指的DNA限制性核酸内切酶;
反应特点:仅需Mg2+作为催化反应的辅助因 子,能识别双链DNA的特殊序列,并可特 异切割DNA,产生特异性的片段;
应用:种类繁多,分子克隆中最常用的内切 酶。
限制性内切酶
限制 酶
限制性内切酶
被限制酶切开 的DNA两条单链 的切口,带有几个 伸出的核苷酸,它 们之间正好互补配 对,这样的切口叫 做黏性末端。
金属离子如:Ⅱ型酶需Mg2+,若以Mn2+代替Mg2+(如
HindⅢ,ECORI)则特异性改变。 离子浓度不合适会抑制酶活。 牛血清蛋白(BSA) BSA 是酶稳定剂,可避免热、表面张力、化 学品导致的酶变性。过量BSA会引起电泳拖尾
限制性核酸内切酶的反应体系
Buffer(10x) DNA (质粒、载体、总DNA…. 酶 ddH2O BSA(1%)
1.4 限制性核酸内切酶活性及其影响因素
1.1 引言--核酸酶和限制性核酸内切酶的定义
核酸酶(Nuclease): 通过切割相邻两个核苷酸残基之间磷酸二酯键,导致 核酸分子多核苷酸链水解断裂的蛋白酶。 1)按作用对象可分为: Deoxyribonuclease (DNAase) & Ribonuclease (RNAase) 2)按水解断裂核酸分子不同方式可分为: Endonuclease & Exonuclease
噬菌体T4DNA连接酶
噬菌体T4DNA连接酶分子也是一条多肽链,分子 量为60KD,其活性很容易被0.2mol/L的KCl和精胺 所抑制。此酶的催化过程需要ATP辅助。T4DNA连接 酶可连接DNA-DNA,DNA-RNA,RNA-RNA和双链DNA粘 性末端或平头末端。另外,NH4C1可以提高在大肠 杆菌DNA连接酶的的催化速率,而对T4DNA连接酶则 无效。无论是T4DNA连接酶,还是大肠杆菌DNA连接 酶都不能催化两条游离的DNA链相连接。
(3)
如:
同尾酶
有些限制酶识别序列不同,但是产生相同的粘性末 端,这些酶称为同尾酶(isocaudamer)
BamH I :
G↓GATCC
Bgl II:
BclⅠ:
A↓GATC
5’-T ↓ G ATCA-3
1.4 限制性核酸内切酶活性 及其影响因素
(1) (2) 活性大小:酶对DNA水解程度不同。 酶的活性单位:
酶量不超过总体积的 1/10
3L 0.1- 1g 2u
3 L 30 L
思考题
用限制酶BglⅡ消化2ug λDNA ,该 DNA浓度为 125ug/mL,BglⅡ为 4 units/uL.并提供了限制酶BglⅡ的10倍的 缓冲盐体系。请设计一最佳方案来完成 该实验
限制性内切酶的选择
原则:选常见的、活性高的酶, 如果双酶切最好选有公用 Buffer的酶 推荐酶:Promega公司, Takara公司,Tyoyobo公司
PstⅠ切割后产生3ˊ粘性末端:
有一些酶沿对称轴切断DNA,产生平 端或钝端(Blunt end), 如SmaⅠ:
Recognition Sequences and Cutting sites of selected Restriction Endonucleases
Enzyme Recognition sequence BamH I G↓GATCC Enzyme Recognition seuqence Pst I CTGCA ↓G
功能:限制、修饰
特点:需Mg2+、ATP和S-腺苷蛋氨酸为辅 助因子;识别位点和切割位点不一致, 没有固定切割位点(随机性);
应用:不常用。
功能:限制、修饰
1.3.2 Ⅲ型限制性内切 酶
特点:需Mg2+、ATP和S-腺苷蛋氨酸为辅助因 子;特异切割,切割位点在识别位点 外,距识别位点3`端24-26bp处。 应用:数量很少,分子克隆中无实际作用。
大肠杆菌的DNA连接酶
大肠杆菌的DNA连接酶是一条分子量为75KD的多 肽链。对胰蛋白酶敏感,可被其水解。水解后形成 的小片段仍具有部份活性,可以催化酶与NAD(而不 是ATP)反应形成酶-AMP中间物,但不能继续将AMP 转移到DNA上促进磷酸二酯键的形成。
大肠杆菌的DNA连接酶
DNA连接酶在大肠杆菌细胞中约有300个分子, 和DNA聚合酶Ⅰ的分子数相近,这也是比较合理的 现象。因为DNA连接酶的主要功能就是在DNA聚合酶 Ⅰ催化聚合,填满双链DNA上的单链间隙后,封闭DNA 双链上的缺口。这在DNA复制、修复和重组中起着 重要的作用,连接酶有缺陷的突变株不能进行 DNA 复制、修复和重组。
(2)同裂酶(isoschizomer)
识别相同序列的限制酶称同裂酶,但它们的切割 位点可能不同 。
① 同序同切酶
这些酶识别序列和切割位臵都相同
HindⅡ 与 HincⅡ 识别切割位点为 GTY↓RAC , HpaⅡ 与 HapⅡ 识别切割位点为 C↓CGG
MobⅠ 与 Sau3AⅠ 识别切割位点为 ↓GATC 。
DNA连接酶
2.1 定义及功能 2.2 种类及作用机理 2.3 使用时的注意事项
2.1 定义及功能
DNA连接酶(DNA ligase):可使一段DNA的 3` 羟基末端和5`磷酸末端形成3`,5`- 磷酸二酯 键,把两个DNA片段连在一起,封闭DNA双链上形 成的切口的酶。 DNA连接酶是1967年在三个实验室同时发现 的。 J:\生物视频\细胞生物学视频\连接酶\DNA连接酶.
1.2限制性核酸内切酶的命名
Hale Waihona Puke Baidu
Escherichia
Coli
Ry13
EcoR I
属名 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
和第三个字母。
1.3 限制性核酸内切酶的分类
1.3.1 Ⅰ 型限制性内切酶 1.3.2 Ⅱ 型限制性内切酶 1.3.3 Ⅲ 型限制性内切酶
1.3.1 Ⅰ型限制性内切酶
示。
影响因素:甘油浓度高(>5%),酶过量(>100U/ml), 离子强度低(<25mM), pH 值过高(>8.0), 45%聚乙二 醇(PEG),有机溶剂,8%二甲基亚枫,二价阳离子, 12%乙醇。
DNA末段的长度对限制酶切割 的影响
需要在识别序列两端存在一定长 度的非识别序列增加切割效率
位点偏爱(Site preference)
分布:主要在微生物中。 作用特点:特异性,即识别特定核苷酸序列,切割特定切点。 结果:产生黏性未端(碱基互补配对)。 举例:大肠杆菌的一种限制酶EcoRI能识别GAATTC序列, 并在G和A之间切开
(1) 基本特性
识别长度为4-8个核苷酸的特异序列;最常见的 为6个碱基. 许多识别序列具回文结构,如Hind Ⅲ 的识别序 列: 5` AAGCTT 3` 3` TTCGAA 5 切割产生的末端有粘端 (cohesive/sticky end) 如BamH I (G↓GATCC) 和平端 (blunt end) 如 Sma I (CCC ↓GGG)
多核苷酸5`-OH磷酸化,制末端标记探针
末端转移酶
S1核酸酶 DNA酶Ⅰ RNA酶A 逆转录酶 磷酸酶
使3`-末端加同聚物尾
降解单链DNA或RNA 在双链DNA上产生随机切口 降解RNA 补平反应,合成cDNA或制探针 切除核酸末端磷酸基
1 限制性内切酶
1.1 引言--核酸酶和限制性核酸内切酶的定义 1.2 限制性核酸内切酶的命名 1.3 限制性核酸内切酶的分类
② 同序异切酶 KpnⅠ 和 Acc65Ⅰ 识别的序列是 相同的,但它们的切割位点不同,分别为 GGTAC↓C 和 G↓GTACC 。 ③“同功多位”许多识别简并序列的限制酶包含 了另一种限制酶的功能。如 EcoRⅠ 识别和切割位点 为 G↓AATTC , ApoⅠ 识别和切割位点为 R↓AATTY ,后者可识别前者的序列。 ④ 其它有些限制酶识别的序列有交叉,如在 pUC 系列质粒的多克隆位点中有一个 SalⅠ 位点(识别 切割位点为 G↓TCGAC),该位点也可被 AccⅠ(识 别切割位点为 GT↓MKAC)和 HincⅡ(识别切割位点 为 GTY↓RAC)切割。
某些限制酶对同一介质中的有些位点表现出 偏爱性切割,即对不同位臵的同一个识别序 列表现出不同的切割效率的现象称作位点偏 爱。
1.5 限制酶的用途
1. 在特异位点上切割DNA,产生特异 的限制片断 2. 建立限制酶(物理)图谱绘制 3. 构建基因文库 4. 用限制酶切出相同的粘性末端, 以便重组
2
在指明pH与37℃,在0.05mL反应混合
物中,1小时消化1μg的λDNA的酶量为1
单位。
(3)限制性核酸内切酶的反应条件
1)底物 DNA
DNA纯度:
RNA 与 E 结合影响有效酶浓度; DNA浓度: [DNA]过大,抑制酶活,影响酶分子扩散 如:4μg DNA /1U HPaⅠ 50μl 37℃ 15h
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