第三章 基因工程载体

• 酵母着丝点 (CEN)
在 YAC 中起到保证一 个细胞内只有一个人工 染色体的作用。
pYAC4 ：酵母第四条 染色体的着丝粒。
正常酵母人工染色体含
有：
*四膜虫端粒（tel） 定位于染色体末端一段 序列，用于保护线状的 DNA 不被胞内的核酸酶
降解，形成稳定的结构。
二、 YAC 载体的选择标记
一、大肠杆菌的λ-噬菌体DNA
（一） λ-噬菌体的生物学特性
1、由外壳包装蛋白和λ-DNA组成
2、 λ-DNA的物理图谱
48.5kb
（1）线状双链DNA，两端各有一个12bp的互补单 链（粘性末端，cohesive-end site），称λcos site ， 粘性末端粘连接变成环状DNA。
λcos位点是噬菌体包装必需序列。
（三）人工染色体克隆载体的应用 1、构建基因组文库 2、基因治疗 3、基因功能鉴定
载体的种类和特征
受体细胞 质粒 结构 环状 插入片断 〈 8kb 举例
E. coli
pUC18/19 , T载体，pGEM等
EMBL系列，λ gt 系列 Pel oBAC系列
λ 噬菌体
BAC (Bacterial Artificial Chromosome) YAC (Yeast Artificial chromosome )
•有外源基因插入时，sup4基因遭破坏，则形成
红色菌落，十分容易挑选出有DNA插入片段的红 色菌落，建成YAC文库。
三、克隆策略
• YAC克隆DNA片段的过程是：
目的基因在限制性内切酶酶解后变成大片段
DNA ，克隆进酵母载体 DNA ，转染酵母
缩主细胞，扩增后，根据标记性状筛选出 重组的人工染色体。
（2）有选择性标记 Ampr、Tetr、Kanr等。
（3）多克隆位点：外源基因插入的单一限制酶位点。
（4）分子量小，可容纳较大的外源基因片段。
（5）拷贝数多，方便外源基因在细胞内大量扩增。 （6）具有对受体细胞的可转移性。 （7）具有较好的安全性，不能任意转移。
载体的种类
基因工程中常用的载体有5类：
E. coli
E. coli
线状
环状
9 - 24kb
≈300 kb
酵母细胞
线性染色体
100 - 1000 kb
作业：
1 简述质粒载体必须具备的基本条件 2 蓝白斑筛选重组子原理 3 YAC基本序列元件及其作用 4 BAC优点
胞某些抵御外界环境因素不利影响的能力，如抗生
素抗性、对重金属离子的抗性、分泌细菌毒素等。
分子量在1-500kb之间广泛存在于细菌。
三、质粒载体的构建
1、 质粒构建基本策略
1.加入合适的选择标记基因，如两个以上，易于选 择转化体
2.增加或减少合适的酶切位点，便于重组 3.缩短长度，提高导入效率，增加装载量 4.改变复制子，变严紧为松弛，变少拷贝为多拷贝 5.根据基因工程的特殊要求加装特殊的基因元件
•新一代BAC载体为7.4kb
的环状质粒：
• F 因 子 的 parA，parB， parC 基 因 以 保 证 低 拷 贝 的BAC质粒在大肠杆菌分 裂时均匀分配到子代细胞
• oriS 基因：来源于大肠
杆菌 F 因子（致育因子） 的严谨型控制的复制子
BAC优点：
BAC载体容载能力一般为100-350kb ,虽然容量没 YAC 大，但BAC 具更多优点： 1) 以大肠杆菌为寄主,转化率高,构建BAC 文库比 YAC 文库更容易； 2) BAC 载体以环型超螺旋状态存在,从大肠杆菌中 提取质粒较方便,而从酵母中分离DNA 较难； 3) BAC 复制子源于F 因子,可稳定遗传,嵌合及重组 现象少； 4) 可通过菌落原位杂交筛选目的基因，方便快捷； 5) BAC 载体在多克隆位点两侧具T7 和Sp6 聚合酶 启动子，可用于转录获得RNA 探针或直接用于插入片段 的末端测序
四、经典的大肠杆菌质粒载体 1. pBR322：
p:质粒； BR：质粒两位主要 构建者姓氏的第一个 字母； 322：实验编号
人工构建载体
pSF2124 pSC101
三个亲本质粒：
pMB1:出发质粒(ColE1) pMB1 r pSF2124: Amp pSC101: Tetr
3个会导致Ampr基因失活
一、YAC的基本序列元件
酵母染色体DNA自主复制序列（ARS） 酵母染色体的着丝粒序列（CEN） 酵母染色体的端粒序列（TEL）
YAC
载体主要是用来构建大片段 DNA 文库，特别用 来构建高等真核生物的基因组文库，并不用作常规的 基因克隆。
• 酵母自主复制序列（ARS) 一段特殊的序列，含有酵母菌中 DNA 进行双向复制所必需的信号。
（2）功能相近的基因在基因组中聚集在一起
目前已经被确定的基因至少61种，一半为必需基因
（二）λ噬菌体载体的构建
1.选用λ噬菌体作为构建克隆载体材料的依据 • 是一种温和噬菌体。 • 能承载比较大的外源DNA片段 • λDNA分子上有多种限制酶的识别位点
2.构建λ噬菌体克隆载体的技术路线 • 用限制酶切去λDNA上的非必需区 • 在λDNA上非必需区内插入选择标记基因 • 建立λDNA分子体外包装系统
•λ-DNA载体适合克隆和扩增外源DNA片段，常用于
构建基因文库
缺点：
(1)需要包装比较麻烦，包装率又不稳定，购买包装蛋白 的费用又高； (2)没有质粒的用途广泛。
第三节、人工染色体克隆载体
利用染色体的复制元件来驱动外源DNA片段复 制的载体。 基本元件： 含有质粒克隆载体所必需的第一受体（大肠杆菌） 的质粒复制起始点； 第二受体（如酵母菌）染色体DNA着丝点、端 粒和复制起始点的序列. 合适的选择标记基因。 酵母人工染色体（YAC） 细菌人工染色体（BAC）
（2）适用于组织化学法检测重组体
通过-互补作用，利用菌落颜色筛选重组子。而pBR322质粒的重组 子要进行两步的选择。
（3）具有多克隆位点区段（MCS）
适合不同粘性末端的DNA片段插入，不必连接接头
组织化学法检测重组体
-半乳糖苷酶
X-Gal
IPTG诱导物
异丙基-β-D-硫代半乳糖苷
半乳糖
＋
5-溴-4-氯-靛蓝
（一）酵母人工染色体（YAC）
把酵母染色体与基因复制和表达有关的主要组件都组装 在质粒上，令质粒行使酵母chr的转录功能和复制功能。
含有的元件： 酵母自主复制序列(ARS) 着丝粒序列(cen)
装载量为350400kb
质粒选择标记
质粒复制起点
酵母系统的选择标记
四膜虫端粒（tel）
酵母人工染色体（YAC）
二.λ噬菌体载体的主要类型
（1）插入式载体
只具有一个可供外源DNA插入的限制酶位点的λ 噬菌体。 常用：λ gt10、λNM1149等载体.
（2）置换型载体（取代型载体）
具有成对的限制酶位点，在这两个位点之间的λ DNA区段 可以被外源插入的DNA片段所取代。 常用：EMBL3、 EMBL4
三、λ-DNA作为载体的优点 • 可在体外包装成噬菌体颗粒，高效转染大肠杆菌 λ-DNA载体的装载能力为25 kb，远远大于质粒 的装载量重组。 λ-DNA分子的筛选较为方便。
质粒（plasmid）
单链DNA噬菌体M13 噬菌体的衍生物 柯斯质粒（cosmid） 动物病毒（virus）
第一节
一、质粒（plasmid）
质粒载体
独立于染色体以外的能自主复制的双链闭合环状 DNA分子（Covalently Closed Circular DNA, ccc
DNA）。并不是细胞生长所必需的，但可以赋予细
9个导致Tetr基因失活
氨苄青霉素和四环素抗性 24个单一克隆位点。
① 分子小，克隆能力大
长度4363bp，易于纯化，可以携带6-8Kb的外源 DNA片段。
②高拷贝数
氯霉素扩增之后，每个细胞可达1000~3000copies
③ 安全
失去了转移蛋白基因mob（mobilization）。不能通 过接合转移。
④具有较多的单一酶切位点（24种）
4、pUC质粒载体
1987年，J.Messing和 J.Vieria采用MCS技术在 pBR322基础上构建的 结构： （1）来自于pBR322的Ori （2）氨苄青霉素的抗性基因 (ampr)。 但核苷酸序列发生了变
化
（3） LacZ′基因 （4）MCS区段
编码β—半乳糖酶的α—肽链
酵母人工染色体的使用
四、 酵母人工染色体（YAC）缺点
• 首先，在YAC载体的插入片段会出现缺失和基因重 排的现象。 • 其次，容易形成嵌合体。 嵌合就是在单个YAC中的插入片段由2个或多个的 独立基因组片段连接组成。嵌合克隆约占总克隆的 5%～50% 。 • 第三，YAC染色体与宿主细胞的染色体大小相近， 就很难从中分离出来，影响了YAC载体的广泛应用。
主要采用营养缺陷型基因 TRP 1：色氨酸生物合成基因缺陷型 URA 3：尿嘧啶生物合成基因缺陷型
LEU 2：亮氨酸合成基因缺陷型
SUP 4：赭石突变抑制基因
克隆位点：位于sup4基因内
• SuP4是一个赭石突变（UAA）抑制基因。
• 宿主酵母菌的胸腺嘧啶合成基因带有一个赭石突 变 ade2。 •在赭石突变宿主中，没有外源基因插入时，sup4 基因抑制赭石突变，则形成正常白色菌落；
（MCS）区段位于lacZ’基因中的靠近5’-端的一段多克隆位点。 但它并不破坏该基因的功能 。
与pBR322相比， pUC质粒载体优点：
（1）具有更小的分子量和更高的拷贝数
如pUC8为2 750bp，pUCl8为2 686bp，控制质粒复制rop 基因的缺失，平均每个细胞即可达500～700个拷贝
释放出的蓝色物质可以 将整个菌落染成蓝色， 非常容易辨别，如果 LacZ’ 插入外源基因被破 坏，菌落则是白色的 。
第二节 噬菌体载体
Bacteriophage(phage) 是比细菌还小得多的微生物， 噬菌体侵犯细菌，可以认为它 是细菌里的“寄生虫”。 组成：蛋白质、核酸. 结构：蛋白质外壳、尾巴 尾巴上的微丝可以把噬菌 体的DNA注入细菌内。
（二）细菌人工染色体（BAC）
1992年Shizuya利用F因子的复制起点和氯 霉素抗性标记基因，在F质粒（pMBO131） 基础上构建了第一代BAC人工染色体。能够 克隆和保持大于100kb的DNA。
用于：克隆大型基因簇结构 构建动植物基因文库
F因子的特点
• 又称致育因子，是一个100kb的质粒，能整合到宿主染色 体中。并能高频率的转移遗传标记。 • F因子在大肠杆菌中的复制受到严格控制而保持低拷贝， 一般为每细胞1～2个拷贝，其parB基因能够排斥细胞中 的外源性F质粒，限制了细胞内质粒分子间的重排，降低 了BAC中外源基因的重组和嵌合度
第三章 基因工程载体
vectors
1. 载源自文库 （Vectors）
定义：在基因工程操作中，把能携带外
源DNA进入受体细胞的DNA分子叫载体。
多克隆位点(multiple cloning site)
MCS
复制起始点
ori
pUC
Ampr
遗传标记
2. 基因工程对载体的要求
（1）在宿主细胞内能独立复制，ori。