分子生物学研究法(下)

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(1)DNA芯片可以通过杂交来检测样品中的核酸,也可以 利用双链DNA与蛋白质的相互作用来检测蛋白质。
(2)蛋白质芯片利用蛋白质间的相互作用如抗原-抗体反 应或受体-配体之间的特异作用来进行检测。
(3)其它生物芯片有样品制备芯片、核酸扩增芯片、毛 细管电泳芯片等,即在芯片上分别进行样品的分离、扩增、 生化反应等过程。
第六章
分子生物学研究方法(下)
本章主要内容
基因表达研究技术 蛋白质组学及研究技术
1 基因改造技术
(1)体外改造
1)缺失:DNA→限制酶酶切→外切酶Bal 31酶切
→连接酶。 2)点突变:DNA→变性→与突变的引物杂交→聚
合反应,连接反应。
➢ 定点突变(site-directed mutagenesis) 是指通过
酵母双杂交体系在细胞周期调节、信号传导、 肿瘤基因表达等诸多的研究领域,都有着广泛的应 用。
➢ 转录因子的两个主要结构域
a. DNA结合域(DNA binding domain, BD),它可识别 效应基因上游的一段特定的区段,即上游激活序列 (up-stream activating sequence, UAS),并与之 结合。
PCR等方法向目的DNA片段中引入点突变,使已克隆基因或 DNA片段中的任何一个特定碱基发生取代、插入或缺失等。 定点突变能迅速和高效地改变DNA所表达的目的蛋白的性状, 是基因工程和蛋白质工程的重要研究手段。
基因的体外改造
(2)体内改造
➢ 基因敲除:是一种基因打靶技术。主要是 应用DNA同源重组原理,用设计的同源片段替 代靶基因片段;也可通过插入突变,使靶基因 失活。
b. 转录激活域(Transcriptional activation domain, AD),它通过与转录机器(transcription machinery)中其它成分的结合作用,以启动UAS下 游基因进行转录。
➢ 酵母半乳糖苷酶基因的转录因子-GAL4
研究发现,真核生物的转录因子大多是由两个结构上分开、 功能上独立的结构域组成的。
为猎物蛋白质(prey protein)
(2)酵母双杂交体系的寄主菌株
将酿酒酵母基因组中的GAL4的编码基因剔除掉,发展成 酵母双杂交体系转化系统的寄主菌株。例如SFY526和HF7c 等。
SFY526菌株:
(a) 丧失了表达内源GAL4转录因子的能力。
(b) 具有lacZ报告基因。 (c) trp1和leu2转化标记,在无Trp和Leu的培养基中不生长。
1)同源重组
2)非同源重组
2 DNA与蛋白质相互作用研究
2.1 凝胶阻滞试验(gel retardation assay)
凝胶阻滞试验,又叫作DNA迁移率变动试验(DNA mobility shift assay, EMSA ),是用于体外研究DNA与蛋 白质相互作用的一种特殊的凝胶电泳技术。在凝胶电泳中, 由于电场的作用,裸露的DNA朝正电极移动的距离与其分子量 的对数成反比。若此时DNA分子与某种蛋白质相结合,那么, 由于分子量增大,它在凝胶中的迁移作用便会受到阻滞,在 特定电压和时间内朝正电极移动的距离也就相应缩短了。
当某个DNA片段与细胞提取物混合之后,若它在 凝胶电泳中的移动距离变小了,就说明它可能已与 提取物中的某种特殊蛋白质分子相结合了。
*
*
放射性标记的DNA
*
凝胶电泳
* B* * ** *
B
A
C
细胞蛋白质提取物
* 蛋白质与DNA结合
DNA-蛋白质结合物 电泳迁移缓慢
放射自显影
滞后带表明DNA与蛋 白质结合
➢ 总结:酵母双杂交系统是一项研究蛋白质之间相互作用
的实验技术。其系统组成及原理如下:GAL4蛋白是酵母的转 录激活因子,具有DNA结合结构域(DNA binding domain, BD;位于氨基端1~147氨基酸)和转录激活结构域 (transcriptional activating domain,AD;位于羧基端 768~881氨基酸)。为了研究已知蛋白X与未知蛋白Y之间是 否能够相互作用,则将GAL4的BD编码区cDNA与蛋白X的cDNA 按正确的ORF阅读框连接在一起,构建一重组质粒;同理, 将GAL4的AD的cDNA与蛋白Y的cDNA连接在一起,构建另一重 组质粒。将两种质粒共转化工程酵母菌(其编码GAL4的基因 已缺损),则二者分别表达融合蛋白“BD-X”(“诱饵”, bait)和“AD-Y”)(“猎物”或靶蛋白,prey or target protein)。若蛋白X和Y二者之间在酵母细胞核内能够发生相 互作用,则相当于将原来已拆开的BD和AD又连在了一起, GAL4的活性被恢复,识别并结合于特异的DNA调控元件上,
➢ siRNA(small interfering RNAs)是一种由 Dicer酶切dsRNA而来的短片断双链RNA分子(21-23bp), 参与RAN干扰过程。
➢ Dicer:是一种RNaseIII,能特异识别和逐步切割 外源双链RNA,将RNA降解为21-23bp的双链RNAs (siRNAs)。
若蛋白质提取物中不存在与DNA结合的特异蛋白 质,经DNaseI消化之后便会产生出距放射性标记末端 1个、2个、3个核苷酸等一系列长度仅相差一个核苷 酸的连续的DNA片段梯度群体。若有一种蛋白质已经 结合到DNA分子的某一特定区段上,那么,它将保护 这一区段的DNA免受DNaseI的消化作用,因而也就不 能产生出相应长度的切割条带。在电泳凝胶的放射自 显影图片上,相应于蛋白质结合的部位是没有放射标 记条带的空白区域,人们形象地称之为“足迹”。
➢ 酵母双杂交体系的构建过程
(1)构建两种E.coli-Yeast穿梭质粒载体
1)第一种质粒载体pGBT9,这种质粒载体又叫做诱饵质粒
载体或DNA-BD质粒载体(具trp基因) 。
把已知的 靶蛋白质编码 基因克隆到 pGBT9的多克隆 位点上。
通常将此种与BD融合的蛋白质叫做诱饵蛋白质(Bait protein)
1)如果已知蛋白质同一种由文库编码的蛋白质发生了相互作 用,则构成了一种有功能的GAL4转录因子。
2)这种有功能活性的GAL4转录因子能识别GAL4效应基因上游
的激活序列(GAL4 UAS),从而启动下游报告基因(lacZ或 his3)的表达。 3)若报告基因是lacZ, 则可通过显色反应筛选阳性克隆。
➢ RISC(RNA-induced silencing complex, 诱导沉 默复合物):由siRNA、解旋酶、ATP、核酸内切酶、 核酸外切酶等多种成分组成。
进而激活其下游报告基因(如lacZ)的表达。若X与Y不发生
相互作用,则报告基因不表达。即,通过检测报告基因是否 表达,就可分析蛋白X与Y二者之间是否发生了相互作用。
4 基因芯片
➢ 生物芯片的概念及其种类和作用
生物芯片(biochip)是指通过微电子、微加工技术在芯 片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、DNA、 蛋白质及其它生物组分的快速、敏感、高效的处理。生物芯 片可以分为DNA芯片、蛋白质芯片和其它芯片三类。其中前两 者属于检测芯片。
1
(a) 32p *
1
(b) *
(c)
5
10
加入蛋白质X
4
8
10
加入DNaseI 凝胶电泳放
射自显影
10
足迹
5
1
AB
DNaseI 足迹实验
3 酵母双杂交系统(yeast-two hybrid system)
酵母双杂交体系也叫interaction trap(相互
作用陷井),是上世纪90年代初期发展起来的一种 敏感的检测蛋白质-蛋白质相互作用的方法,也是体 内鉴定基因的方法。可有效地用来分离能与一种已 知的靶蛋白(target protein)相互作用的另一种蛋 白质及其编码基因,而且还可以用来确定蛋白质相 互作用的特异性结构域及其氨基酸序列。
HF7c菌株: (a) 丧失了表达内源GAL4转录因子的能力。
(b) 具有His3和LacZ报告基因。 (c) trp1和leu2转化标记,在无Trp和Leu的培养基中不生长。
(3)共转化
从大肠杆菌细胞中分别提取杂种质粒I和杂种质粒Ⅱ,并 共转化酵母菌株(例如)HF7c。
涂布在选择培养基(缺少His、Leu和Trp三种氨基酸)上,以 便筛选那些表达相互作用的杂种蛋白质的菌落。
2)第二种质粒载体pGAD424,又叫做文库质粒载体或AD
质粒载体,它具有亮氨酸基因(leu),是用来构建cDNA表
达文库的专用载体 。
把所有cDNA都 克隆到pGAD424载 体上,构成cDNA表 达文库。
形成第二种杂种蛋白质(Y)。这种与AD融合的蛋白质叫做基 因文库编码蛋白质,其中可与诱饵蛋白质发生相互作用的特称
➢ 基因芯片
DNA芯片技术是指在固相支持物上原位合成(in situ synthesis)寡核苷酸探针,或者直接将大量的DNA探针以 显微打印的方式有序的固化于支持物表面,然后与标记的 样品杂交,通过对杂交信号的检测分析即可得出样品的遗 传信息(基因序列及表达的信息)。由于常用计算机硅芯 片作为固相支持物,所以称为DNA芯片。DNA芯片又称为基 因芯片(gene chips)、DNA微阵列(DNA microarray)、 cDNA芯片(cDNA chips)、寡核苷酸阵列 (oligonucleotide array)等。
凝胶阻滞实验的基本原理图 放射性标记的DNA由于与一种细胞蛋白质结合,于是在凝胶 电泳中移动速度变慢,在放射自显影中呈现滞后的条带
2.2 DNaseI足迹试验(DNA foot-printing assay)
将待检测的双链DNA分子用32P作末端标记,并用限制性内 切酶去掉其中的一个末端,得到只有一条链单个末端标记的 双链DNA分子,与细胞蛋白质提取物混合。待二者结合之后, 再加入少量的DNaseI(它可沿着靶DNA作随机单链切割)消化 DNA分子,并控制酶的用量使之达到平均每条DNA单链只发生 一次磷酸二酯键断裂。
➢ 检测原理和步骤举例
(1)制作芯片:将核苷酸序列探针,固定于芯片 上,芯片上可固定成千上万个探针。
(2)从被测对象的细胞中提取DNA,用酶切成较 小的片段,并对DNA作荧光标记,并熔解成单链。
(3)将样品滴加到芯片上并与芯片上的探针杂交, 凡是与探针互补的酶切片段会固定于特定位置上, 不能互补的片段会被洗脱掉。
(4)对芯片上的荧光作扫描和分析。
DNA微阵列技术示意图
微阵列杂交图
5 RNAi(RNA interference)技术
(1)相关概念
➢ RNAi (RNA interference,RNAi): 是正常生物 体内抑制特定基因表达的一种现象。当向细胞中 导入与内源性mRNA编码区同源的dsRNA时,该mRNA 发生降解而导致基因表达沉默。 RNAi具有特异性 和高效性。此现象发生在转录后水平,又称为转 录后基因表达沉默。 RNAi是真核生物中存在的一种抗病毒入侵、 抑制转座子活动、调控基因表达的监控机制,具 有重大生物学意义。
在酵母GAL4的N端1-147位氨基酸区有一个DNA结合域(DNABD);在GAL4的C端768-881位氨基酸区有一个转录激活域(AD)。 一般情况下,BD能与GAL4效应基因启动子上游的特定DNA区段
(UAS)相结合,AD则推动了转录起始。
按照所用转录因子的异同,可将酵母双杂交体系分 为LexA和GAL4两个类型,在此以GAL4类型为例。
Hale Waihona Puke Baidu
(a)
X
DNA BD
GAL1 UAS
启动子
LacZ (or HIS3) 报告基因
AD
Y
(b)
GAL1 UAS
启动子
LacZ (or HIS3) 报告基因
AD
(c)
X
Y
DNA BD
转录
GAL1 UAS
启动子
LacZ (or HIS3) 报告基因
酵母双杂交基本原理示意图
AD: GAL4 Activation Domain; DNA-BP: DNA Binding Protein; USA:Upstream activating sequence.
若将BD和AD这两个结构域的编码区分别克隆到两个载体 中,再把它们转入同一寄主细胞中进行表达,由此产生的GAL4 DNA-BD和GAL4 AD多肽,由于彼此之间不直接发生相互作用, 所以不能激活其相关的效应基因进行转录。
若将上述分开的两种结构域在体内重新组装成具有功能 活性的转录因子,则能激活下游报告基因进行表达。
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