基因的克隆与表达
?基因克隆 (gene cloning)
?基因表达 (gene expression)
-原核基因表达
-真核基因表达
基 因 克 隆
Gene Cloning
?概述
?克隆载体
?受体细胞
?体外重组的策略
?基因克隆工作流程
一、概述
? 确定了遗传信息的携带者，即基因的盆
子载体是 DNA而不是蛋白质
? 揭示了 DNA分子的双螺旋结构模型和半
保留复制机理
? 提出了中心法则和操纵子学说，破译了
遗传密码
1973年 Cohen完成第一个基因工程实验
经 体外重组 获得杂合 DNA
杂合子转化入大肠杆菌
?所需元件：
限制性内切酶
连接酶
载体
受体细胞
基因克隆（分子克隆 molecular
cloning） ----通过体外重组技术,将一
段目的 DNA经切割、连接插入适当 载
体,并导入 受体细胞,扩增形成大量
子代分子的过程。
基因克隆的核心 -----体外重组
(Recombination), 人工将一段目的
DNA插入一个载体的过程。
基因克隆的技术路线
目的基因 载体
体外重组
重组子（杂合 DNA）
转化
受体细胞
筛选阳性克隆
大量扩增，获得子代 DNA
二、克隆载体
?复制基因 (replicator)
?选择性记号
?克隆位点
三、受体细胞
1、定义：外源 DNA导入的细胞，是重
组体扩增的场所。
2、要求：易于接纳外源 DNA
无特异的内源性核酸内切酶
载体复制、扩增不受阻
与载体有互补性
四、体外重组的策略
1、粘末端连接
1）全同源粘末端连接
? 最方便简单
? 高背景 -载体自身环化
? 双向插入
2）定向克隆：使外源基因定向插入到载体
中的克隆策略
? 粘 -粘连接：最有效、最快捷
? 粘 -平连接：适用于外源基因仅与载体有
一个相同酶切位点，可将另一末端补平
2、平末端连接：
? 酶切点为平末端或任何两个末端补平
的 DNA
? 效率低，酶用量大
3、人工接头连接
人工接头：人工合成含有酶切位点的寡
核苷酸片段
4,T-A克隆
? T-vector两条链的 5’端含有一个游
离的 T
? PCR过程中，普通的 Taq酶可在产物
的 3’端多加一个 A
五、基因克隆的工作流程
（一）目的基因的获得
1、直接分离
3、构建 cDNA文库
4,PCR
5、人工合成
6、差异显示
1、直接分离 DNA— 适用于克隆原核生物的
基因组文库
2、构建基因组文库，筛选目的基因
? 基因组文库 (gene library)：将某
种生物的基因组 DNA切割成一定大小
的片段，并与合适的载体重组后导
入宿主细胞，进行克隆。这些存在
于所有重组体内的基因组 DNA片段的
集合，即基因组文库，它包含了该
生物的所有基因。
?构建流程
抽提基因组 DNA
鸟枪法制备 DNA片段
DNA片段与载体重组
转化宿主菌
筛选目的基因（核酸探针法、
免疫结合法）
?特点及应用：
包含所有遗传信息
构建难度大（单拷贝基因、长片段基因）
筛选难度大
用于研究基因在基因组中的情况
3、构建 cDNA文库，筛选目的基因
? cDNA文库 (complementary DNA
library)以组织细胞中的 mRNA为模板，
反转录合成双链 cDNA,各 cDNA分子
分别插入载体形成重组子，再导入宿
主细胞克隆扩增。这些在重组体内的
cDNA的集合即 cDNA文库。
?cDNA文库仅包含正在表达的基因
?不同物种、不同组织的 cDNA文库不相同
?基因总量少，易筛选
4,PCR扩增目的基因片段
? 适用于克隆序列清楚的基因
? 以基因组 DNA为模板，直接进行 PCR扩
增较难
? 多采用以 mRNA为模板的 RT-PCR法
5、人工合成较短的 DNA
6、差异显示法 (differential display,
DD)— 筛选差异表达的基因
（二）体外重组
连接体系的建立：
?温度：粘末端连接,12-18℃
平末端连接：室温（低于 30℃)
?DNA量：载体分子数 /目的基因分子数
=1,1-3
?酶量：平端连接时需加大酶量
（三）转化 — Cacl2法、电击法
（四）重组子的筛选及鉴定
1、筛选：平板法（抗生素、蓝白斑）
原位杂交
2、鉴定：
? 长度鉴定：酶切,PCR
? 方向鉴定：联合酶切
? 测序
基因的表达
Gene Expression
一, 表达系统：
基因工程中用来获得有功能的异源蛋白
质的体系, 包括克隆载体, 表达载体及
受体细胞 。
据受体细胞的不同可分为：
1,原核表达系统,
将外源基因引入原核细胞, 并使其在原
核细胞中以发酵形式快速高效地表达,
合成基因产物的体系 。
2,真核表达系统,使外源基因在真核细
胞中表达的体系。
二, 原核生物基因结构和表达特点
1,原核生物染色体 DNA是裸露的环
形 DNA，其转录和翻译是偶联的
连续进行。
2,原核生物形成 多顺反子 mRNA：
mRNA在合成过程中和多个核糖体
结合，翻译形成多条肽链。
3、一般不含内含子（ intron），没有转
录及翻译后加工系统
4,原核生物中功能相关的基因串联在
一起, 形成 操纵子 。
操纵子（ operon）,是一组功能上相
关，受同一调控区控制的基因组成的
一个遗传单位
? 原核生物基因表达的基本单位 （ 即一
个转录单位 ） 。
? 共同协调作用, 完成某一多肽的表达
调控 。
? 包括：调控区 (调节基因, 启动基因,
操作基因 ),结构基因
5、原核生物中参与转录的基因结
构：
? 启动子
? 终止子
启动子 (promoter,P)是指能被 RNA聚合
酶识别、结合并启动基因转录的一段
DNA序列。
? 一般长 40-60bp，富含 A-T碱基对
? 具有保守序列：
-10区（ pribnow box）,TATAAT
-35区：
? RNA聚合酶识别并结合启动子, 但并不开始转录
? 各种启动子启动转录能力不同 。
? 启动子强弱取决于 -35区和 -10区的碱基组成及其间
隔序列
终止子（ terminator,T）,位于基因 3’
端,给予 RNA聚合酶转录终止信号的 DNA序
列
6,与转译有关的原核细胞结构,——
核糖体结合位点
转译起始密码子 AUG 或 GUG
SD顺序 （ shine-dalgarno）,
? AUG上游 3-11 bp
? 长约 3-9bp
? mRNA与 16s核糖体亚基间的识别与
结合序列
三, 外源基因在原核表达系统中表达
的必要条件,
1,删除内含子和 5’非编码区
2,外源基因置于强启动子和 SD顺序控制
下
3,维持正确开放阅读框架 （ ORF）
4,mRNA稳定且可有效转译，形成的蛋
白质不被降解
四, 影响外源基因在原核细胞中表
达效率的因素,
1、启动子：建立表达载体时，选择强
启动子。
常见原核强启动子,
? Plac：受 Lac阻遏蛋白负调, 受 IPTG的
诱导
? Ptrp：取自大肠杆菌色氨酸操纵子 。
? Ptac,Lac启动子和 Trp启动子的杂合启
动子 。
? PL和 PR启动子,噬菌体早期左 /右向启
动子，受 λ噬菌体 CI基因负调控。温度
诱导。
2,基因剂量：
3,核糖体结合位点：
? SD顺序与 16srRNA3’末端互补程度 。
? AUG— SD间距离 。
? AUG后的核苷酸
五．原核表达载体,适用于在原核细胞
中表达外源基因的载体。
? 主要元件：强启动子
SD顺序
筛选标志
其它调控基因
? 类型：
融合型表达载体,----融合蛋白
非融合型表达载体,---天然完整蛋白
分泌型表达载体,----产物可跨膜分泌
至胞周间隙
（一）融合型表达载体
P SD
Foreign DNA
融合型表达载体
融合基因
技术关键,克隆基因插入原核序列 3’端
而维持正确阅读框架 。
? 选择合适酶切位点
? 加人工合成的 DNA接头
? 构建位相载体
----ATG ---- AAC CTG GAA TTC CTA GGT ---
----TAC -----TTG GAC CTT AAG GAT CCA---
EcoRI BamHI
AAT CGG AAG AAT TCA GAC CTA GGT
TTA GCC TTC TTA AGT CTG GCT CCA
载体部分序列
DNA序列
位相载体 ----含有 3种读码框的系列载体
优点：
? 表达效率高
? 产物稳定
? 易鉴定：融合蛋白分子量大, 电泳可
鉴定
? 易纯化：利用融合原核多肽的特性
Ptac,IPTG诱导
GST融合蛋白 — 直接纯化
产物切割方便：
pGEX-1?T— 凝血酶
pGEX-2T---凝血酶
pGEX-3T---X因子
位相载体
融合型载体 ----pGEX系列
（二）非融合型表达载体
P SD
Foreign DNA
非融合型表达载体
非融合基因
主要元件：强启动子
SD：
ATG：第一个密码子
非融合型表达载体 ----pPL-Lamda
PL启动子 ---温度
诱导
插入位点 --HpaI
（ 三 ） 分泌型表达载体：
1,主要元件：
启动子和 SD序列
信号肽序列, SD下游, 编码信号肽,
可引导蛋白跨膜
2、优点：分泌表达，避免降解。
分泌型表达载体 ----pINIII-ompA1
分泌型融合表达载体 ----pEZZ18
六．提高表达水平的手段
1,选择合适载体, 提高翻译水平
? 强启动子 ----提高转录水平
? 核糖体结合位点 （ ATG---SD）
? 避免产物降解,分泌 /融合表达
细菌蛋白酶抑制剂
2,选择合适宿主
Lac 启动子 ----LacI菌
PL/PR -------- CI857 溶源菌
3、诱导表达
温度诱导 ------PLPR /
IPTG的化学诱导 ----Plac,Ptac
4、提高表达蛋白的稳定性，防止被宿
主降解
七．表达产物的检测：
1,特异性鉴定：
? 荧光抗体法
? 免疫沉淀法
? 免疫印迹法
? ELISA
2、生物学活性鉴定
八、原核表达系统的缺点
1、没有转录后加工系统，不能识别、
剪除内含子
2、缺乏翻译后加工系统，不能对翻译
的蛋白质进一步修饰加工
真核表达系统的必要性及优势
1,具转录后加工系统
2,具翻译后修饰系统
3,可实现真正的分泌表达
4.基因治疗
真核基因结构及表达调控特点
（一）真核基因组的复杂性
? 真核基因组庞大，具大量非编码序列 -
--mRNA丰度不同
? 结构复杂：染色质、核膜、线粒体 ---
表达调控多样
? 不连续性：内含子、外显子
? 没有操纵子结构
(二）真核表达系统
组成：真核表达载体
受体细胞
基因转移方式
据受体细胞及表达载体的不同分为 3种：
? 酵母表达系统
? 哺乳动物细胞表达系统
? 昆虫细胞表达系统
（三）转化
1、原生质体法：去除厚壁
2、电穿孔法：效率较高
（四）外源基因的表达
1、胞内表达
2、分泌表达：在 MCS前加入信号肽
序列
（五）缺点
不能实现全部的翻译后修饰功能
?基因克隆 (gene cloning)
?基因表达 (gene expression)
-原核基因表达
-真核基因表达
基 因 克 隆
Gene Cloning
?概述
?克隆载体
?受体细胞
?体外重组的策略
?基因克隆工作流程
一、概述
? 确定了遗传信息的携带者，即基因的盆
子载体是 DNA而不是蛋白质
? 揭示了 DNA分子的双螺旋结构模型和半
保留复制机理
? 提出了中心法则和操纵子学说，破译了
遗传密码
1973年 Cohen完成第一个基因工程实验
经 体外重组 获得杂合 DNA
杂合子转化入大肠杆菌
?所需元件：
限制性内切酶
连接酶
载体
受体细胞
基因克隆（分子克隆 molecular
cloning） ----通过体外重组技术,将一
段目的 DNA经切割、连接插入适当 载
体,并导入 受体细胞,扩增形成大量
子代分子的过程。
基因克隆的核心 -----体外重组
(Recombination), 人工将一段目的
DNA插入一个载体的过程。
基因克隆的技术路线
目的基因 载体
体外重组
重组子（杂合 DNA）
转化
受体细胞
筛选阳性克隆
大量扩增，获得子代 DNA
二、克隆载体
?复制基因 (replicator)
?选择性记号
?克隆位点
三、受体细胞
1、定义：外源 DNA导入的细胞，是重
组体扩增的场所。
2、要求：易于接纳外源 DNA
无特异的内源性核酸内切酶
载体复制、扩增不受阻
与载体有互补性
四、体外重组的策略
1、粘末端连接
1）全同源粘末端连接
? 最方便简单
? 高背景 -载体自身环化
? 双向插入
2）定向克隆：使外源基因定向插入到载体
中的克隆策略
? 粘 -粘连接：最有效、最快捷
? 粘 -平连接：适用于外源基因仅与载体有
一个相同酶切位点，可将另一末端补平
2、平末端连接：
? 酶切点为平末端或任何两个末端补平
的 DNA
? 效率低，酶用量大
3、人工接头连接
人工接头：人工合成含有酶切位点的寡
核苷酸片段
4,T-A克隆
? T-vector两条链的 5’端含有一个游
离的 T
? PCR过程中，普通的 Taq酶可在产物
的 3’端多加一个 A
五、基因克隆的工作流程
（一）目的基因的获得
1、直接分离
3、构建 cDNA文库
4,PCR
5、人工合成
6、差异显示
1、直接分离 DNA— 适用于克隆原核生物的
基因组文库
2、构建基因组文库，筛选目的基因
? 基因组文库 (gene library)：将某
种生物的基因组 DNA切割成一定大小
的片段，并与合适的载体重组后导
入宿主细胞，进行克隆。这些存在
于所有重组体内的基因组 DNA片段的
集合，即基因组文库，它包含了该
生物的所有基因。
?构建流程
抽提基因组 DNA
鸟枪法制备 DNA片段
DNA片段与载体重组
转化宿主菌
筛选目的基因（核酸探针法、
免疫结合法）
?特点及应用：
包含所有遗传信息
构建难度大（单拷贝基因、长片段基因）
筛选难度大
用于研究基因在基因组中的情况
3、构建 cDNA文库，筛选目的基因
? cDNA文库 (complementary DNA
library)以组织细胞中的 mRNA为模板，
反转录合成双链 cDNA,各 cDNA分子
分别插入载体形成重组子，再导入宿
主细胞克隆扩增。这些在重组体内的
cDNA的集合即 cDNA文库。
?cDNA文库仅包含正在表达的基因
?不同物种、不同组织的 cDNA文库不相同
?基因总量少，易筛选
4,PCR扩增目的基因片段
? 适用于克隆序列清楚的基因
? 以基因组 DNA为模板，直接进行 PCR扩
增较难
? 多采用以 mRNA为模板的 RT-PCR法
5、人工合成较短的 DNA
6、差异显示法 (differential display,
DD)— 筛选差异表达的基因
（二）体外重组
连接体系的建立：
?温度：粘末端连接,12-18℃
平末端连接：室温（低于 30℃)
?DNA量：载体分子数 /目的基因分子数
=1,1-3
?酶量：平端连接时需加大酶量
（三）转化 — Cacl2法、电击法
（四）重组子的筛选及鉴定
1、筛选：平板法（抗生素、蓝白斑）
原位杂交
2、鉴定：
? 长度鉴定：酶切,PCR
? 方向鉴定：联合酶切
? 测序
基因的表达
Gene Expression
一, 表达系统：
基因工程中用来获得有功能的异源蛋白
质的体系, 包括克隆载体, 表达载体及
受体细胞 。
据受体细胞的不同可分为：
1,原核表达系统,
将外源基因引入原核细胞, 并使其在原
核细胞中以发酵形式快速高效地表达,
合成基因产物的体系 。
2,真核表达系统,使外源基因在真核细
胞中表达的体系。
二, 原核生物基因结构和表达特点
1,原核生物染色体 DNA是裸露的环
形 DNA，其转录和翻译是偶联的
连续进行。
2,原核生物形成 多顺反子 mRNA：
mRNA在合成过程中和多个核糖体
结合，翻译形成多条肽链。
3、一般不含内含子（ intron），没有转
录及翻译后加工系统
4,原核生物中功能相关的基因串联在
一起, 形成 操纵子 。
操纵子（ operon）,是一组功能上相
关，受同一调控区控制的基因组成的
一个遗传单位
? 原核生物基因表达的基本单位 （ 即一
个转录单位 ） 。
? 共同协调作用, 完成某一多肽的表达
调控 。
? 包括：调控区 (调节基因, 启动基因,
操作基因 ),结构基因
5、原核生物中参与转录的基因结
构：
? 启动子
? 终止子
启动子 (promoter,P)是指能被 RNA聚合
酶识别、结合并启动基因转录的一段
DNA序列。
? 一般长 40-60bp，富含 A-T碱基对
? 具有保守序列：
-10区（ pribnow box）,TATAAT
-35区：
? RNA聚合酶识别并结合启动子, 但并不开始转录
? 各种启动子启动转录能力不同 。
? 启动子强弱取决于 -35区和 -10区的碱基组成及其间
隔序列
终止子（ terminator,T）,位于基因 3’
端,给予 RNA聚合酶转录终止信号的 DNA序
列
6,与转译有关的原核细胞结构,——
核糖体结合位点
转译起始密码子 AUG 或 GUG
SD顺序 （ shine-dalgarno）,
? AUG上游 3-11 bp
? 长约 3-9bp
? mRNA与 16s核糖体亚基间的识别与
结合序列
三, 外源基因在原核表达系统中表达
的必要条件,
1,删除内含子和 5’非编码区
2,外源基因置于强启动子和 SD顺序控制
下
3,维持正确开放阅读框架 （ ORF）
4,mRNA稳定且可有效转译，形成的蛋
白质不被降解
四, 影响外源基因在原核细胞中表
达效率的因素,
1、启动子：建立表达载体时，选择强
启动子。
常见原核强启动子,
? Plac：受 Lac阻遏蛋白负调, 受 IPTG的
诱导
? Ptrp：取自大肠杆菌色氨酸操纵子 。
? Ptac,Lac启动子和 Trp启动子的杂合启
动子 。
? PL和 PR启动子,噬菌体早期左 /右向启
动子，受 λ噬菌体 CI基因负调控。温度
诱导。
2,基因剂量：
3,核糖体结合位点：
? SD顺序与 16srRNA3’末端互补程度 。
? AUG— SD间距离 。
? AUG后的核苷酸
五．原核表达载体,适用于在原核细胞
中表达外源基因的载体。
? 主要元件：强启动子
SD顺序
筛选标志
其它调控基因
? 类型：
融合型表达载体,----融合蛋白
非融合型表达载体,---天然完整蛋白
分泌型表达载体,----产物可跨膜分泌
至胞周间隙
（一）融合型表达载体
P SD
Foreign DNA
融合型表达载体
融合基因
技术关键,克隆基因插入原核序列 3’端
而维持正确阅读框架 。
? 选择合适酶切位点
? 加人工合成的 DNA接头
? 构建位相载体
----ATG ---- AAC CTG GAA TTC CTA GGT ---
----TAC -----TTG GAC CTT AAG GAT CCA---
EcoRI BamHI
AAT CGG AAG AAT TCA GAC CTA GGT
TTA GCC TTC TTA AGT CTG GCT CCA
载体部分序列
DNA序列
位相载体 ----含有 3种读码框的系列载体
优点：
? 表达效率高
? 产物稳定
? 易鉴定：融合蛋白分子量大, 电泳可
鉴定
? 易纯化：利用融合原核多肽的特性
Ptac,IPTG诱导
GST融合蛋白 — 直接纯化
产物切割方便：
pGEX-1?T— 凝血酶
pGEX-2T---凝血酶
pGEX-3T---X因子
位相载体
融合型载体 ----pGEX系列
（二）非融合型表达载体
P SD
Foreign DNA
非融合型表达载体
非融合基因
主要元件：强启动子
SD：
ATG：第一个密码子
非融合型表达载体 ----pPL-Lamda
PL启动子 ---温度
诱导
插入位点 --HpaI
（ 三 ） 分泌型表达载体：
1,主要元件：
启动子和 SD序列
信号肽序列, SD下游, 编码信号肽,
可引导蛋白跨膜
2、优点：分泌表达，避免降解。
分泌型表达载体 ----pINIII-ompA1
分泌型融合表达载体 ----pEZZ18
六．提高表达水平的手段
1,选择合适载体, 提高翻译水平
? 强启动子 ----提高转录水平
? 核糖体结合位点 （ ATG---SD）
? 避免产物降解,分泌 /融合表达
细菌蛋白酶抑制剂
2,选择合适宿主
Lac 启动子 ----LacI菌
PL/PR -------- CI857 溶源菌
3、诱导表达
温度诱导 ------PLPR /
IPTG的化学诱导 ----Plac,Ptac
4、提高表达蛋白的稳定性，防止被宿
主降解
七．表达产物的检测：
1,特异性鉴定：
? 荧光抗体法
? 免疫沉淀法
? 免疫印迹法
? ELISA
2、生物学活性鉴定
八、原核表达系统的缺点
1、没有转录后加工系统，不能识别、
剪除内含子
2、缺乏翻译后加工系统，不能对翻译
的蛋白质进一步修饰加工
真核表达系统的必要性及优势
1,具转录后加工系统
2,具翻译后修饰系统
3,可实现真正的分泌表达
4.基因治疗
真核基因结构及表达调控特点
（一）真核基因组的复杂性
? 真核基因组庞大，具大量非编码序列 -
--mRNA丰度不同
? 结构复杂：染色质、核膜、线粒体 ---
表达调控多样
? 不连续性：内含子、外显子
? 没有操纵子结构
(二）真核表达系统
组成：真核表达载体
受体细胞
基因转移方式
据受体细胞及表达载体的不同分为 3种：
? 酵母表达系统
? 哺乳动物细胞表达系统
? 昆虫细胞表达系统
（三）转化
1、原生质体法：去除厚壁
2、电穿孔法：效率较高
（四）外源基因的表达
1、胞内表达
2、分泌表达：在 MCS前加入信号肽
序列
（五）缺点
不能实现全部的翻译后修饰功能
