第二节重组 DNA技术一、重组 DNA技术相关概念
（一） DNA克隆克隆（ clone）：
来自同一始祖的相同副本或拷贝的集合。
克隆化（ cloning）：
获取同一拷贝的过程，即无性繁殖。
分子克隆（ DNA克隆）
细胞克隆个体克隆（动物或植物）
DNA克隆：
应用酶学的方法，在体外将各种来源的
DNA与载体 DNA结合成具有自我复制能力的
DNA分子，继而通过转化或转染宿主细胞，
筛选出含有目的基因的转化子细胞，再进行扩增、提取获得大量同一 DNA分子。又称基因克隆或重组 DNA。
基因工程：
实现基因克隆所采用的方法及相关的工作，又称为 重组 DNA技术 (recom-
binant DNA technology)。
（二）工具酶限制性核酸内切酶
DNA聚合酶 I
逆转录酶
DNA连接酶碱性磷酸酶末端转移酶
Taq DNA聚合酶限制性核酸内切酶
（ restriction endonuclease）
识别 DNA的特异序列，并在识别位点或其周围切割双链 DNA的一类内切酶。
是细菌内存在的保护性酶。分为 I、
II,III三类。 II类酶识别序列特点为 回文结构 。
·· ·· GGATCC ·· ··
·· ·· CCTAGG ·· ··
5'
5'3'
3'
限制性核酸内切酶作用后产生两种末端：
钝性末端 (blunt end) 粘性末端 (sticky end)
H in d I I I B a m H I
G
C C T A G
G A T C C
G+
G T C
C A G
G A C
C T G+
G T C G A C
C A G C T G
G G A T C C
C C T A G G
5′-端突出粘性末端
3′-端突出限制性核酸内切酶识别序列长度为 4~8个 bp。
不同酶切产生的相同粘性末端称 配伍末端
（ compatible end），可用连接酶连接。
A A T T C
G
5 '
3 '
A C G T C
G5 '
3 '
（三）目的基因应用重组 DNA技术所要分离、获得的基因。
1,cDNA(complementary DNA):是指经反转录合成的，与 RNA互补的单链 DNA。以单链
cDNA为模板，经聚合反应可合成双链 cDNA。
2,基因组 DNA（ genomic DNA）：是指代表一个细胞或生物体整套遗传信息（染色体及线粒体）的所有 DNA序列。
（四）基因载体（ vector）
能携带目的基因，实现无性繁殖所采用的可独立复制的完整 DNA分子。又称 克隆载体 。
其中为表达出蛋白质设计的载体又称 表达载体 。
常用的载体：
质粒、噬菌体 DNA、病毒 DNA
载体的选择标准：
能自主复制；
具有两个以上的遗传标记物，便于重组体的筛选和鉴定；
有克隆位点（外源 DNA插入点），
常具有多个单一酶切位点，称为多克隆位点；
分子量小，以容纳较大的外源 DNA。
1,质粒 （ plasmid）
是存在于细菌染色体外的小型环状双链 DNA
分子。大小约为数 千碱基对。常有 1 ~ 3个抗药性 基因，以利于筛 选。
2.噬菌体（ phage） DNA
λ 噬菌体 DNA改造系统
λ gt 系列（插入型，适用 cDNA克隆）
EMBL系列（置换型，适用基因组克隆）
M13噬菌体 DNA改造系统 （含 lac Z基因）
M13mp系列
pUC系列
3,其他柯斯质粒（ cosmid）
酵母人工染色体载体
（ yeast artificial chromosome,YAC）
细菌人工染色体
（ bacterial artificial chromosome,BAC）
动物病毒 DNA改造的载体
（如腺病毒、腺病毒相关病毒、逆转录病毒）
二、重组 DNA技术基本原理
（一）目的基因的获取
1,化学合成法用于已知序列，或可推导出序列的基因
2,基因组 DNA
基因组 DNA文库（ genomic DNA library）
3,cDNA
cDNA文库（ cDNA library）
4,聚合酶链反应（ polymerase chain
reaction,PCR）
基因组 DNA文库存在于转化细菌内，
由克隆载体所携带的所有基因组 DNA的集合。
简称 G－文库。
组 织 或 细 胞 染 色 体 D N A
限 制 性 内 切 酶基 因 片 段克 隆 载 体重 组 D N A 分 子受 体 菌含 重 组 分 子 的 转 化 菌
cDNA文库用细胞总 mRNA
制备全套双链 cDNA后，
建立的基因文库。简称
c－文库。
m R N A
逆 转 录 酶
c D N A
复 制双 链 c D N A
载 体重 组 D N A 分 子受 体 菌含 重 组 分 子 的 转 化 菌
PCR是根据 DNA复制的原理，在体外利用酶促反应获得特异序列的基因组 DNA或 cDNA
的专门技术。
PCR的反应体系：模板 DNA、特异性引物、
DNA聚合酶,dNTP及含有 Mg2＋ 的缓冲液。
PCR的基本反应步骤：
1,变性,将反应系统加热至 95℃,使模板 DNA完全变性成为单链；
2,退火,将温度下降至 50℃ 左右，使引物与模板 DNA退火结合；
3,延伸,将温度升至 72℃,DNA聚合酶以 dNTP为底物催化 DNA的合成反应。
上述三个步骤为一个循环，经 25～ 30次循环后，可将模板 DNA扩增达百万倍。
（二）克隆载体的选择
（三）外源基因与载体的连接
1,粘性末端连接
G G A T C C
C C T A G G
G G A T C C
C C T A G G
G
C C T A G
G A T C C
G
G
C C T A G
G A T C C
G
D N A 连 接 酶
G
C C T A G
G A T C C
G
2,平端连接限制性内切酶作用产生的平端粘端经特殊酶处理变为平端
3,同聚物加尾连接由末端转移酶作用，在 DNA片段末端加上同聚物序列，制造出粘性末端再连接。
4,人工接头由平端加上带有新的酶切位点的寡核苷酸，再用限制酶切产生粘性末端，进行连接。
（四）重组 DNA导入受体菌受体菌条件,安全宿主菌限制酶和重组酶缺陷处于感受态导入方式,转化转染（ transfaction）
感染（ infection）
（五）重组体的筛选重组 DNA导入受体菌后，经过培养使其大量繁殖，再设法将含有目的基因的菌落区分鉴定出来，这一过程即为筛选（ screening）或选择
（ selection）。
1,直接选择法：
针对载体携带某种或某些标志基因和目的基因而设计的筛选方法。其特点是直接测定基因或基因表型。
抗药性标记选择（插入失活法）：
将目的基因插入带 ampr和 tetr基因载体的 tetr基因中，则 tetr基因失活。在分别含有氨苄青霉素和含四环素的两个培养基中培养，进行筛选。
标志补救（ marker rescue）
若目的基因能够在宿主菌表达，且表达产物与宿主菌的营养缺陷互补，就可利用对营养素的依赖表型来筛选。
分子杂交法：
利用 32P标记的探针与转移至硝酸纤维素膜上的转化子 DNA或克隆的 DNA片段进行分子杂交，直接选择并鉴定目的基因。
原位杂交
Southern印迹
2,非直接选择法：
免疫学方法：利用特异抗体与目的基因表达产物相互作用进行筛选。包括：
免疫化学方法酶免检测法
（六）克隆基因的表达表达体系的建立：
表达载体的构建受体细胞的建立表达产物的分离、纯化
1,原核表达体系
E.coli的标准,选择标志强启动子翻译调控序列多接头克隆位点
E.coli的不足,缺乏转录后加工机制缺乏翻译后加工机制表达产物形成不溶性包涵体很难表达大量可溶性蛋白
2,真核表达体系如酵母、昆虫及哺乳类动物细胞优点,可表达克隆的 cDNA及真核基因组 DNA
可适当修饰表达的蛋白质表达产物分区积累缺点,操作技术难、费时、不经济转染,将表达载体导入真核细胞的过程三、重组 DNA技术与医学的关系
疾病基因的发现
发展生物制药
DNA诊断
基因治疗
遗传疾病的预防复习思考题：
1,概念：
（ 1）克隆 （ 2）转化
（ 3）转位 （ 4）基因工程
（ 5）转座 （ 6）限制性核酸内切酶
（ 7）载体 （ 8） G文库
（ 9）质粒 （ 10） c文库
2,简述基因工程的基本过程。
3,简述目的基因的主要来源或途径。
（一） DNA克隆克隆（ clone）：
来自同一始祖的相同副本或拷贝的集合。
克隆化（ cloning）：
获取同一拷贝的过程，即无性繁殖。
分子克隆（ DNA克隆）
细胞克隆个体克隆（动物或植物）
DNA克隆：
应用酶学的方法，在体外将各种来源的
DNA与载体 DNA结合成具有自我复制能力的
DNA分子，继而通过转化或转染宿主细胞，
筛选出含有目的基因的转化子细胞，再进行扩增、提取获得大量同一 DNA分子。又称基因克隆或重组 DNA。
基因工程：
实现基因克隆所采用的方法及相关的工作，又称为 重组 DNA技术 (recom-
binant DNA technology)。
（二）工具酶限制性核酸内切酶
DNA聚合酶 I
逆转录酶
DNA连接酶碱性磷酸酶末端转移酶
Taq DNA聚合酶限制性核酸内切酶
（ restriction endonuclease）
识别 DNA的特异序列，并在识别位点或其周围切割双链 DNA的一类内切酶。
是细菌内存在的保护性酶。分为 I、
II,III三类。 II类酶识别序列特点为 回文结构 。
·· ·· GGATCC ·· ··
·· ·· CCTAGG ·· ··
5'
5'3'
3'
限制性核酸内切酶作用后产生两种末端：
钝性末端 (blunt end) 粘性末端 (sticky end)
H in d I I I B a m H I
G
C C T A G
G A T C C
G+
G T C
C A G
G A C
C T G+
G T C G A C
C A G C T G
G G A T C C
C C T A G G
5′-端突出粘性末端
3′-端突出限制性核酸内切酶识别序列长度为 4~8个 bp。
不同酶切产生的相同粘性末端称 配伍末端
（ compatible end），可用连接酶连接。
A A T T C
G
5 '
3 '
A C G T C
G5 '
3 '
（三）目的基因应用重组 DNA技术所要分离、获得的基因。
1,cDNA(complementary DNA):是指经反转录合成的，与 RNA互补的单链 DNA。以单链
cDNA为模板，经聚合反应可合成双链 cDNA。
2,基因组 DNA（ genomic DNA）：是指代表一个细胞或生物体整套遗传信息（染色体及线粒体）的所有 DNA序列。
（四）基因载体（ vector）
能携带目的基因，实现无性繁殖所采用的可独立复制的完整 DNA分子。又称 克隆载体 。
其中为表达出蛋白质设计的载体又称 表达载体 。
常用的载体：
质粒、噬菌体 DNA、病毒 DNA
载体的选择标准：
能自主复制；
具有两个以上的遗传标记物，便于重组体的筛选和鉴定；
有克隆位点（外源 DNA插入点），
常具有多个单一酶切位点，称为多克隆位点；
分子量小，以容纳较大的外源 DNA。
1,质粒 （ plasmid）
是存在于细菌染色体外的小型环状双链 DNA
分子。大小约为数 千碱基对。常有 1 ~ 3个抗药性 基因，以利于筛 选。
2.噬菌体（ phage） DNA
λ 噬菌体 DNA改造系统
λ gt 系列（插入型，适用 cDNA克隆）
EMBL系列（置换型，适用基因组克隆）
M13噬菌体 DNA改造系统 （含 lac Z基因）
M13mp系列
pUC系列
3,其他柯斯质粒（ cosmid）
酵母人工染色体载体
（ yeast artificial chromosome,YAC）
细菌人工染色体
（ bacterial artificial chromosome,BAC）
动物病毒 DNA改造的载体
（如腺病毒、腺病毒相关病毒、逆转录病毒）
二、重组 DNA技术基本原理
（一）目的基因的获取
1,化学合成法用于已知序列，或可推导出序列的基因
2,基因组 DNA
基因组 DNA文库（ genomic DNA library）
3,cDNA
cDNA文库（ cDNA library）
4,聚合酶链反应（ polymerase chain
reaction,PCR）
基因组 DNA文库存在于转化细菌内，
由克隆载体所携带的所有基因组 DNA的集合。
简称 G－文库。
组 织 或 细 胞 染 色 体 D N A
限 制 性 内 切 酶基 因 片 段克 隆 载 体重 组 D N A 分 子受 体 菌含 重 组 分 子 的 转 化 菌
cDNA文库用细胞总 mRNA
制备全套双链 cDNA后，
建立的基因文库。简称
c－文库。
m R N A
逆 转 录 酶
c D N A
复 制双 链 c D N A
载 体重 组 D N A 分 子受 体 菌含 重 组 分 子 的 转 化 菌
PCR是根据 DNA复制的原理，在体外利用酶促反应获得特异序列的基因组 DNA或 cDNA
的专门技术。
PCR的反应体系：模板 DNA、特异性引物、
DNA聚合酶,dNTP及含有 Mg2＋ 的缓冲液。
PCR的基本反应步骤：
1,变性,将反应系统加热至 95℃,使模板 DNA完全变性成为单链；
2,退火,将温度下降至 50℃ 左右，使引物与模板 DNA退火结合；
3,延伸,将温度升至 72℃,DNA聚合酶以 dNTP为底物催化 DNA的合成反应。
上述三个步骤为一个循环，经 25～ 30次循环后，可将模板 DNA扩增达百万倍。
（二）克隆载体的选择
（三）外源基因与载体的连接
1,粘性末端连接
G G A T C C
C C T A G G
G G A T C C
C C T A G G
G
C C T A G
G A T C C
G
G
C C T A G
G A T C C
G
D N A 连 接 酶
G
C C T A G
G A T C C
G
2,平端连接限制性内切酶作用产生的平端粘端经特殊酶处理变为平端
3,同聚物加尾连接由末端转移酶作用，在 DNA片段末端加上同聚物序列，制造出粘性末端再连接。
4,人工接头由平端加上带有新的酶切位点的寡核苷酸，再用限制酶切产生粘性末端，进行连接。
（四）重组 DNA导入受体菌受体菌条件,安全宿主菌限制酶和重组酶缺陷处于感受态导入方式,转化转染（ transfaction）
感染（ infection）
（五）重组体的筛选重组 DNA导入受体菌后，经过培养使其大量繁殖，再设法将含有目的基因的菌落区分鉴定出来，这一过程即为筛选（ screening）或选择
（ selection）。
1,直接选择法：
针对载体携带某种或某些标志基因和目的基因而设计的筛选方法。其特点是直接测定基因或基因表型。
抗药性标记选择（插入失活法）：
将目的基因插入带 ampr和 tetr基因载体的 tetr基因中，则 tetr基因失活。在分别含有氨苄青霉素和含四环素的两个培养基中培养，进行筛选。
标志补救（ marker rescue）
若目的基因能够在宿主菌表达，且表达产物与宿主菌的营养缺陷互补，就可利用对营养素的依赖表型来筛选。
分子杂交法：
利用 32P标记的探针与转移至硝酸纤维素膜上的转化子 DNA或克隆的 DNA片段进行分子杂交，直接选择并鉴定目的基因。
原位杂交
Southern印迹
2,非直接选择法：
免疫学方法：利用特异抗体与目的基因表达产物相互作用进行筛选。包括：
免疫化学方法酶免检测法
（六）克隆基因的表达表达体系的建立：
表达载体的构建受体细胞的建立表达产物的分离、纯化
1,原核表达体系
E.coli的标准,选择标志强启动子翻译调控序列多接头克隆位点
E.coli的不足,缺乏转录后加工机制缺乏翻译后加工机制表达产物形成不溶性包涵体很难表达大量可溶性蛋白
2,真核表达体系如酵母、昆虫及哺乳类动物细胞优点,可表达克隆的 cDNA及真核基因组 DNA
可适当修饰表达的蛋白质表达产物分区积累缺点,操作技术难、费时、不经济转染,将表达载体导入真核细胞的过程三、重组 DNA技术与医学的关系
疾病基因的发现
发展生物制药
DNA诊断
基因治疗
遗传疾病的预防复习思考题：
1,概念：
（ 1）克隆 （ 2）转化
（ 3）转位 （ 4）基因工程
（ 5）转座 （ 6）限制性核酸内切酶
（ 7）载体 （ 8） G文库
（ 9）质粒 （ 10） c文库
2,简述基因工程的基本过程。
3,简述目的基因的主要来源或途径。
