第四章基因克隆的载体、噬菌体载体

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插入式载体可携带的外源DN A片段较替换式为小。
根据体外互补作用研究发现,λ噬菌体的头部和尾 部的装配是分开进行的。头部基因发生了突变的噬 菌体只能形成尾部,而尾部基因发生了突变的噬菌 体则只能形成头部。
将这两种不同突变型的噬菌体的提取物混合起来,便能够在体外装配成有生物 活性的噬菌体颗粒。这就是噬菌体体外包装所依据的基本原理。
2.2λ噬菌体载体
溶菌阶段
(复制和释放)
λ phage
48.5 kb in length Linear or circular genome
溶源阶段
(整合到寄主染色体上)
The phage cos ends(cohesive-end site )
5‘-CGGGGCGGCGACCTCG-3’ 3’-GCCCCGCCGCTGGAGC-5’
可以定向的克隆DNA片段,克隆在M13 RFDNA分子上的双链DNA 片段,到了子代噬菌体便成了单链的形式。所以如果要同时分离DN A分子中的双链,则需要两种独立的克隆。根据M13的生物学特性知 道,M13子代噬菌体中总是只含有(+)链,所以M13载体克隆的外 源DNA片段在子代噬菌体中究竟是含有DNA分子中的哪条链,则完全 取决于外源DNA克隆时的取向。这样一来,为分别分离外源DNA分子 的两条链带来一定的麻烦,解决这一问题的一个行之有效的方法就是 定向克隆技术。
能转染E.coli的F+或F-细
胞。
3.噬菌体颗粒的大 小是受其DNA的大 小制约的,这一点 正好与λ噬菌体相 反。所以M13噬菌 体并不存在包装限 制的问题。
M13 life cycle
M13载体
具有多克隆位点(MCS),方便克隆。许多M13载体的多克隆位点与质 粒载体pUC序列的多克隆位点是相同的,在克隆位点选择上更为方便。
替换型噬菌体λ是使用最广泛的载体。
Charon 4A Lac
EcoR I EMBL3/4
Lac
EcoR I
EcoR I BanH I Sal I
Sal I BamH I EcoR I
Charon 40 Lac
MCS
MCS
替换型载体克隆外源DNA的步骤
1. 应用适当的核酸内切酶 消化λ载体,除去可取 代的DNA片段;
λ噬菌体的包装限制为野生噬菌体DNA(约48.5 kb)的75%-105%。
由于λ噬菌体包装时,当DNA 的长度短于野生型的78%或超过 105%时,噬菌体的活性就急剧 下降。因此只包装它的野生型 DNA(48.5KB)的75% ~ 105%左右的DNA,要求λ载体 DNA和外源DNA长度之和在 39~53kb之间。
2.1.3 噬菌体的溶源生命周期
溶源生长周期: 是指在感染过程中没有产生出子代 噬菌体颗粒,噬菌体的DNA是整合到寄主细胞染 色体DNA上,成为它的一个组成部分。 现知道只有双链DNA的噬菌体才具有溶源周期
温和噬菌体:既能进入溶菌生命周期又能进入溶源生命周期 溶源性细菌:具有一种完整的噬菌体基因组的细菌 溶 源 化:用温和噬菌体感染细菌培养物使之形成溶源性细菌的过程 整 合: 噬菌体的DNA是被包容在寄主细胞染色体DNA中 原噬菌体:在溶源细菌内存在的整合的或非整合的噬菌体 超感染免疫性:溶源性细菌不能够被头一次感染并使之溶源化的同种
(左右臂连接) (三段自身连接)
(插入片段)
根据噬菌斑的透明度或颜色来进行重组子的筛选
2.3 单链DNA噬菌体载体(M13)
M13噬菌体载体
M13是一种含单键(+)DNA(ssDNA)的丝状 大肠杆菌噬菌体,其基因组大小为6.4kb。这类载体 主要用来获得大量的单链DNA片段,这种单链D NA片段在遗传学研究中主要用来测定DNA序列 (sanger双脱氧法)、基因的定点突变研究、异源 双链DNA的分析等。
Lytic phase
(Replicate and release)
Lysogenic phase
(integrate into host genome)
λ噬菌体的基因组结构
已经定位的λ噬菌体的基因至少有61个,其中有一半左右参与了噬 菌体生命周期的活动,我们称这类基因为λ噬菌体的必要基因;另一 部分基因,当它们被外源基因取代之后,并不影响噬菌体的生命功能, 我们称这类基因为λ噬菌体的非必要的基因。
λ噬菌体载体的主要类型
1. 插入式载体 一种只具有一个可供外源DNA插入的克隆位点的派生载体。
2. 替换型载体(取代型载体) 具有成对的克隆位点,在这两个位点之间的λDNA区段可以 被 外源插入的DNA片段所取代。
插入式载体
λ噬菌体载体相对于质粒载体来说,克隆片段较大,所以 一般用于cDNA文库或基因组文库的构建。
第二节 噬菌体载体
(Bacteriophage,简称phage)
2.1 噬菌体的一般生物特性
可脱离寄主细胞生存,但不能进行复制。 除了对寄主的依赖性,还具备其它的功能: 1、保护自己的核苷酸分子(DNA、RNA)免遭环
境化学物质的破坏; 2、将其核苷酸分子注入到被感染的细菌细胞; 3、将被感染的细菌细胞转变成制造噬菌体的体系, 从而长生出大量的子代噬菌体颗粒; 4、使感染的细菌细胞释放出子代的噬菌体颗粒
cI基因插入失活:如λ gt10、λNM1149等载体,在cI基 因上有EcoR I及Hind III的酶切位点。外源基因插入后将 导致cI基因的失活。cI基因失活后将导致噬菌体不能溶原 化,产生清晰的噬菌斑。相反,产生混浊的噬菌斑。
Lac Z基因插入失活:如charon16A载体,在非必须区段 引入lac Z基因,在lac Z基因上有EcoR I位点,插入失活 后利用X-gal法筛选(兰白筛选)。
λ phage
Protein coat
DNA
根据执行功能的不同可将基因组分为三个区。左边区域包
括从基因 Nu1 到基因 J 之间的基因,其产物用于噬菌体
DNA 的包装和噬菌体颗粒的形成。中间区域(基因 J 右
边至 gam)编码基因调节、溶源状态的发生和维持以及
遗须右传的边重,区组在域所构(需建基要载因Lo的体nggaa基时rm(m因可le右f。以t边)其去至中掉基许,因多用R基外z)因源对D包裂N含A解噬片生菌段长体替是s复代h非o制。r必tar(mright)
和裂解宿主co菌s 所必须的基因。
12bp
Nonessential region
cos
Exogenous DNA (~20-23 kb)
λ phage
• Viruses that can infect bacteria. •48.5 kb in length •Linear or circular genome (cos ends)
M13mp19 MCS
EcoRI BamHI HindIII PstI BglI BP
B
P
BglI PstI HindIII BamHI EcoRI
BamHI & PstI PB
B
P
B
P
M13克隆 载体分子 结构图
单链DNA噬菌体载体
M13、f1、fd 优越性: 1.单链DNA噬菌体的复制,是以双链环形的DNA为媒介的,
M13噬菌体的特点
1.感染Ecoli后,在宿
主细胞内会形成双链 的复制型DNA ( replication form DNA, RF DNA)。可 以象质粒DNA那样在 体外进行纯化和操作。
2.成熟的噬菌体颗粒仅能
感染E.coli的F+细胞,这
是因为这种噬菌体的感染 位点在性散毛上。但是无 论是RFDNA或ssDNA都
有些噬菌体的DNA碱基不是由标准的A/T/C/G组成 的。
Example:
T4噬菌体DNA没有C碱基,取代的是5-羟甲基胞嘧 啶(HMC);SP01噬菌体DNA中没有T碱基,取 代的是5-羟甲基尿嘧啶(HMU)。
2.1.2 噬菌体的溶菌生命周期
噬菌体的生命周期分为溶菌周期和溶源周期 只具有溶菌生长周期的噬菌体颗粒叫烈性噬菌体。
2.1.1 噬菌体的结构和其核酸类型
结构:无尾部结构的二十面体型、 具尾部结构的二十面体型、 线状体型
核酸类型:最常见的是双链线性DNA、 双链环形DNA、 单链环形DNA、 单链线形DNA、 单链RNA。
不同的噬菌体之间的核酸分子量的差异也是比较大 的。大分子量的噬菌体生命周期比较复杂;对寄主 的依赖性较低。
替换式载体
野生型噬菌体染色体的中段对于噬菌体的感染和复制是非必要的, 外源DNA可以取代这一片段,例如Charon 4A、 λEMBL 3/4、 Charon40等载体,这些载体是用Lac 5(乳糖操纵子的大部分系列, 包括完整的Lac Z)替换入噬菌体的中间区段,同时将Lac5作为选择 标记,使用时用EcoRI水解,去掉中间的片段,再与欲克隆片段在体
Circular form
Cleavage (during packaging)
Ligation (after infection)
5’-CG
+ GGGCGGGCGACCTCG-3’ Linear form
3’-GCCCCGCCGCTGGA
GC-5’
通过Cos末端互补单链形成环状 DNA 分子,在 宿主细胞的 DNA 连接酶和旋促酶作用下,形成封 闭的环状 DNA 分子,充当转录的模板。
噬菌体再感染。
溶源周期的主要特征
λ噬菌体的特征: 1、噬菌体的DNA分子注入细菌细胞 2、经过短暂的转录之后,需要合成一种整合酶,于是
转录活性便被一种阻遏物所关闭 3、噬菌体的DNA分子插入到细菌染色体基因组DNA上,
变成原噬菌体 4、细菌继续生长、增值,噬菌体的基因作为细菌染色
体的一部分进行复制。
2. 将上述所得的 λDNA 载体臂同外源Байду номын сангаасNA片 段的连接;
3. 对重组体的λDNA分子 进行包装和增殖,以 得到有感染性的λ重组 噬菌体
2.连接
1.酶切 3.组装
4.侵染
体外包装
λ噬菌体DNA体外重组后,一般必须经过体外包装,
然后以噬菌体感染的方式将重组DNA导入E.coli细胞
内。这是因为以感染方式导入细胞的频率可达106~ 108/μgDNA,而以转染(translation)的方式导入 的频率仅为103~105/ μgDNA。
Blue-white selection
M13载体系列的优点
1.在这类载体的基因组中有一条饰变的β-半乳糖苷 酶基因片段(HindⅢ片段),其中插入了一段具 有密集的多克隆位点的序列;
2.M13载体系列是应用基因工程技术成对地构建的, 可有效地克隆双链DNA分子中的每一条链。
M13mp18 MCS
外进行重组、包装。而后,感染E.coli使之在E.coli内繁殖,并裂解 E.coli,形成空斑。
spi-选择 λ噬菌体的red和gam基因产物可抑制噬菌体在宿主细菌 中正常生长,red-和gam-突变型λ噬菌体则可正常生长。当置换型载 体的可置换片段中放上red和gam基因后,外源DNA片段取代了置换 片段,则同时除去了red、gam基因,就可在宿主菌中生长,否则就 不能正常生长。
LA 32.7
λgt 10
cI EcoR I
RA10.6
LA 19.9
Charon 16A
lac Z EcoR I
RA21.9
λ 替换型载体(取代型载体)
EMBL3、DASH
外源DNA取代噬菌体染色体中对于噬菌体的感 染和复制非必要的片段 (~20 kb)
高感染效率 (109 转化株/ug 载体 DNA, 比质 粒高 100倍)
烈性噬菌体溶菌生长的基本过程:
1、吸附 吸附到位于感染细胞表面的特殊接受器上 2、注入 噬菌体DNA穿过细胞壁注入寄主细胞 3、转变 被感染的细胞成为制造噬菌体颗粒的场所 4、合成 大量合成噬菌体特有的核酸和蛋白质 5、组装 包装了DNA头部和尾部组装成噬菌体的颗粒 6、释放 合成的子代噬菌体颗粒从寄主细胞内释放出来
这种复制形式的DNA简称RFDNA; 2. 不论是RFDNA还是ssDNA都能感染大肠杆菌; 3. 单链DNA噬菌体颗粒的大小,是受其DNA的多少制约的,
噬菌体P1基本特征
不存在噬菌体 DNA分子的整合作 用体系,而是变成 了一种进行独立复 制的环形的质粒 DNA分子。
溶源噬菌体的诱发
依赖于阻遏基因与操纵基因的相互作用。阻遏 物被一种蛋白酶切割,失活,使噬菌体转录。 需要删除酶将噬菌体的DNA从大肠杆菌染色体 上删除下来,使之形成环形的DNA分子,恢复 溶源周期开始时的状态。
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