基因工程原理与技术

范桂枝,詹亚光 ,曾凡锁, 齐凤慧,尹静

目录

  • 1 基因工程绪论
    • 1.1 知识要点
    • 1.2 基因工程定义
    • 1.3 基因工程的诞生
    • 1.4 基因工程的技术路线
    • 1.5 基因工程的研究内容
    • 1.6 基因工程的安全性
    • 1.7 基因工程的应用
    • 1.8 学习和研究基因工程的意义
    • 1.9 思考题
    • 1.10 本章节参考资料
    • 1.11 调查问卷
  • 2 工具酶
    • 2.1 知识要点
    • 2.2 工具酶定义
    • 2.3 限制性内切酶
      • 2.3.1 限制性内切酶的定义
      • 2.3.2 限制性内切酶的种类
      • 2.3.3 限制性内切酶的命名
      • 2.3.4 限制性内切酶的切割频率
      • 2.3.5 限制性内切酶切割效率
        • 2.3.5.1 星号活性
      • 2.3.6 限制性内切酶切割方式
    • 2.4 连接酶
      • 2.4.1 连接酶的种类和连接条件
      • 2.4.2 连接机理
      • 2.4.3 连接效率
    • 2.5 聚合酶
    • 2.6 其他工具酶
    • 2.7 章节测试
  • 3 载体
    • 3.1 知识要点
    • 3.2 载体的功能和种类
    • 3.3 质粒载体
      • 3.3.1 质粒的基本生物学特征
      • 3.3.2 质粒载体的构建
      • 3.3.3 质粒载体的种类
    • 3.4 噬菌体载体
      • 3.4.1 M13噬菌体载体
      • 3.4.2 λ噬菌体载体
      • 3.4.3 噬菌体—质粒杂合载体
    • 3.5 人工染色体载体
    • 3.6 拓展知识-纳米载体
    • 3.7 章节测试
  • 4 受体细胞recipient cells
    • 4.1 知识要点
    • 4.2 受体细胞的定义
    • 4.3 受体细胞的条件
    • 4.4 受体细胞的种类
    • 4.5 章节测试
  • 5 目的基因的获取target genes
    • 5.1 知识要点Key points
    • 5.2 目的基因的定义Definition of target gene
    • 5.3 目的基因的获取途径Access to target genes
    • 5.4 直接分离方法Direct separation method
    • 5.5 PCR方法获取目的基因
    • 5.6 化学合成DNA  chemosynthesis
    • 5.7 基因文库gene library
    • 5.8 改造目的基因Modification of target gene
    • 5.9 案例分析
    • 5.10 章节测试
  • 6 DNA重组的Recombinant DNA
    • 6.1 知识要点key points
    • 6.2 重组子的构Construction of recombinons
    • 6.3 重组DNA分子的转化和扩增
    • 6.4 重组子的筛选与鉴定
    • 6.5 知识拓展
    • 6.6 章节测试
  • 7 转基因生物
    • 7.1 大肠杆菌基因工程
      • 7.1.1 表达载体
      • 7.1.2 受体系统
      • 7.1.3 表达策略
      • 7.1.4 案例
      • 7.1.5 章节测试
    • 7.2 植物基因工程
      • 7.2.1 转基因植物现状
      • 7.2.2 载体
      • 7.2.3 受体系统
      • 7.2.4 转化方法
      • 7.2.5 基因沉默
      • 7.2.6 案例
      • 7.2.7 章节测试
      • 7.2.8 农杆菌英文课件和资料
    • 7.3 动物基因工程
      • 7.3.1 转化方法
      • 7.3.2 转基因动物的鉴定
      • 7.3.3 提高外源基因在动物中的表达效率的策略
    • 7.4 酵母基因工程
      • 7.4.1 新建课程目录
  • 8 课后阅读
    • 8.1 英文参考书
    • 8.2 转基因食品安全-天使还是魔鬼
    • 8.3 荧光素酶报告基因
    • 8.4 大豆 发芽和转基因有关系吗?
    • 8.5 苦参碱-基因工程改良
    • 8.6 Prime Editing的植物基因组编辑新系统
    • 8.7 液体黄金将借油菜合成
    • 8.8 青蒿素生物合成相关背景
    • 8.9 模式植物拟南芥
    • 8.10 如何利用生物技术培育功能性水稻
    • 8.11 一种高效的油菜转基因和极早期快速和快捷的筛选方法!
    • 8.12 新基因工具有望揭开海洋微生物之谜
    • 8.13 研发中的新冠病毒疫苗包括哪些类型
    • 8.14 基因是如何被调节的
    • 8.15 转化机理综述2019年
    • 8.16 新型报告基因
    • 8.17 2021年太空基因编辑
  • 9 基因工程实验
    • 9.1 实验课简介
    • 9.2 模块一、木本植物的遗传转化
      • 9.2.1 模块一内容的虚拟仿真部分
      • 9.2.2 实验目的及原理
      • 9.2.3 实验内容
        • 9.2.3.1 实验一  菌种活化
          • 9.2.3.1.1 操作方法与思考题
        • 9.2.3.2 实验二  三亲交配法将中间载体质粒导入根癌农杆菌
          • 9.2.3.2.1 三亲杂交原理
          • 9.2.3.2.2 操作方法与思考题
        • 9.2.3.3 实验三 抗生素的敏感性实验
          • 9.2.3.3.1 抑菌原理
          • 9.2.3.3.2 操作方法与思考题
        • 9.2.3.4 实验四  农杆菌介导法的植物遗传转化
          • 9.2.3.4.1 农杆菌介导的转化原理
          • 9.2.3.4.2 操作方法与思考题
        • 9.2.3.5 实验五 基因编辑及原生质体的瞬时转化
          • 9.2.3.5.1 基因编辑原理
          • 9.2.3.5.2 操作方法与思考题
    • 9.3 模块二、转基因植物的检测与鉴定
      • 9.3.1 模块二内容的虚拟仿真实验部分
      • 9.3.2 模块二实验综合内容
      • 9.3.3 实验目的及原理
      • 9.3.4 实验内容
        • 9.3.4.1 实验五 转基因白桦基因组DNA提取
          • 9.3.4.1.1 操作方法与思考题
        • 9.3.4.2 实验六  转基因白桦的多重PCR检测
          • 9.3.4.2.1 操作方法与思考题
        • 9.3.4.3 实验七  外源基因DNA甲基化转基因沉默的关系分析
          • 9.3.4.3.1 操作方法与思考题
        • 9.3.4.4 实验八  外源基因整合的Southern杂交鉴定
          • 9.3.4.4.1 杂交原理与操作
          • 9.3.4.4.2 操作方法与思考题
        • 9.3.4.5 实验九 转基因白桦的RT-PCR检测
          • 9.3.4.5.1 操作方法与思考题
        • 9.3.4.6 实验十 转基因植物中报告基因表达检测-- GUS活性检测
          • 9.3.4.6.1 操作方法与思考题
其他工具酶


2.6其它工具酶

2.6.1末端脱氧核苷酸转移酶(terminal transferase

Bol1um早在1958年首次从小牛胸腺中纯化并称为小牛胸腺DNA聚合酶,后来因其催化聚合时不需模板的特点改名为末端转移酶。该酶最大的特点是在不需要模板的前提下,催化5′脱氧核苷三磷酸进行5′→3′方向的局和作用,逐个地将脱氧核苷酸分子加到线性DNA分子的3′-OH末端。该酶的催化活性是非特异性的,即对4dNTP中的任何一种都有效,因此,当反应体系中只有一种dNTP存在时,就形成仅由一种核苷酸组成的3′尾巴,也称同聚物尾巴。如果加入的dNTP是经过标记的,则在3′端形成标记的同聚物尾巴。

用途:给外源DNA或载体DNA分子加上互补的同聚物尾巴,以创造粘性末端,便于重组;用于DNA片段3′端的放射性同位素标记。

2.6.2 T4多核苷酸酸激酶(T4 polynucleotide kinase

T4多核苷酸酸激酶来源T4噬菌体感染的大肠杆菌培养物,是T4噬菌体pseT基因编码的一种蛋白质。其基本功能是催化ATP分子中的γ-磷酸基团转移给DNARNA分子的5′-OH端,即将5′-OH末端变为5′-P末端。

用途:寡核苷酸5′端的磷酸化,以便进行连接反应;DNARNA的末端标记,用作寡核苷酸探针和DNA测序。

2.6.3碱性磷酸酶(alkaline phosphatase

碱性磷酸酶根据其来源分为:细菌碱性磷酸酶(BAP)、小牛肠碱性磷酸酶(CIP)、虾碱性磷酸酶(SAP),且所有的酶都是ZnII)金属酶。虽然不同类型的碱性磷酸酶有不同的理化性质,但其共同的特性是能催化核酸分子脱掉5′端的磷酸基团,从而使DNARNA片段的5′-P末端转换成5′-OH末端,即脱磷作用。

基因工程中常用的是BAP和磁盘,比较而言CIP更常用,因其在60~70条件下保温10min就可以使其完全失活,而终止反应;而BAP是耐热酶,必须用酚-氯仿反复提取才能除去,终止反应,并且CIP的活性高出BAP10~20倍。

用途:DNA分子片段5′端去磷酸化,防止自身连接;T4多核苷酸激酶连用,用于DNA分子的末端标记。

2.6.4单链核酸内切酶

S1核酸酶是从米曲霉(Aspergillus oryzae)中分离的高度单链特异的内切酶,在最适的酶催反应条件下,降解单链DNA的速率要比双链DNA的快75 000倍。这种酶的活性表现需要低水平的Zn2+离子的存在,最适pH值范围为4.04.3S1核酸酶的主要功能是催化RNA或单链DNA分子降解成为5′单核苷酸,同时它也能作用于双链核酸分子的单链区,并从此处切断核酸分子。S1核酸酶的主要用途:打开双链cDNA合成中产生的发夹环;去除DNA片段中突出的单链尾以产生平端;分析DNA-RNA杂交体的结构。

Bal31核酸酶是由海生菌(Alteromonas espeliana)提取的。该酶具有高度特异的单链脱氧核糖核酸内切酶活性,也可在缺口或超螺旋卷曲瞬间出现的单链区域降解双链环状DNA或在3′5′端,渐进地降解双链线性DNABal 31核酸酶具有核糖核酸酶活性,能降解rRNAtRNA。该酶反应需要Ca2+Mg2+为辅助因子。Ca2+的特异螯合剂EDTA可终止该酶的水解反应。Bal 31核酸酶的主要用途:用于不同长度的删除突变克隆实验及基因结构、机能分析;绘制DNA限性内切图谱;研究超螺旋DNA的二级结构和致畸剂引起的双链DNA螺旋结构变化

2.6.5核酸外切酶(exonuclease 

核酸外切酶是一类能从多核苷酸链的一端开始按序催化水解35-磷酸二酯键,降解核苷酸的酶。其水解的最终产物是单个的核苷酸(DNAdNMPRNANMP)。按作用的特性差异可以将其分为单链的核酸外切酶和双链的核酸外切酶。

单链的核酸外切酶包括大肠杆菌核酸外切酶exo)和核酸外切酶exo)。核酸外切酶exo)能够从5′-末端或3′-末端呈单链状态的DNA分子上降解DNA,产生出寡核苷酸短片段,而且是唯一不需要Mg2+离子的活性,是一种耐受性很强的核酸酶。核酸外切酶exo)可以用来测定基因组DNA中一些特殊的间隔序列和编码序列的位置。它只切割末端有单链突出的DNA分子,实际操作时需要配合解旋酶操作。

双链的核酸外切酶包括大肠杆菌核酸外切酶exo)、λ噬菌体核酸外切酶λexo)以及T7噬菌体基因6核酸外切酶等。大肠杆菌核酸外切酶exo )具有多种催化功能,可以降解双链DNA分子中的许多类型的磷酸二酯键。其中主要的催化活性是催化双链DNA3′→5′的方向从3′-OH末端释放5′-单核苷酸。大肠杆菌核酸外切酶exo)通过其3′→5′外切酶活性使双链DNA分子产生出单链区,经过这种修饰的DNA再配合使用Klenow酶,同时加进带放射性同位素的核苷酸,便可以制备特异性的放射性探针。

λ噬菌体核酸外切酶(λexo)最初是从感染了λ噬菌体的大肠杆菌细胞中纯化出来的。这种酶催化双链DNA分子从5′-P末端进行逐步的水解释放出5′-单核苷酸。但不能降解5′-OH末端。

2.6.6甲基化酶(methylase

甲基化酶同限制性内切酶具有完全相同的识别序列。甲基化酶识别序列中的某个碱基发生甲基化,保护DNA不被相应的限制酶所切割。如:Dam 甲基化酶可在 GATC 序列中的腺嘌呤 N6 位置上引入甲基;Dcm 甲基化酶识别 CCAGG CCTGG 序列,在第二个胞嘧啶 C C5 位置上引入甲基。