目的基因制备

官方生物老师·10 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·3 天前
基因工程分子克隆DNA制备

目的基因制备

从基因组到表达载体:四种制备方法的原理、适用边界与实操陷阱

按 空格/→ 演示下一步

1 / 10 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

基因工程分子克隆DNA制备

目的基因制备

从基因组到表达载体:四种制备方法的原理、适用边界与实操陷阱

1第 1 页 · 目的基因制备

核酸提取

目的基因制备的第一步,是从细胞里'提'出 DNA——就像厨师做菜前得先去菜市场把食材买回家。我们从细胞这座'生物工厂'里,把目的核酸单独'提'出来。

核心目的
从生物样本中分离出高纯度、完整的 DNA 或 RNA 分子
裂解释放
用裂解液(SDS、蛋白酶 K)破碎细胞膜与核膜,让核酸从核内释放
去除杂质
分离蛋白质、RNA(提 DNA 时)、多糖、色素等共提取物
质量判据
纯度看 A260/A280(DNA≈1.8,RNA≈2.0),完整性看琼脂糖电泳主带
下游应用
PCR、qPCR、二代测序、基因克隆、转基因检测均依赖纯化后的核酸
淘金洗矿对应 →核酸提取

矿石=生物样本;破碎矿石=裂解细胞;冲走泥沙=去除杂质;金粒=纯核酸

2第 2 页 · 核酸提取

核酸检测

上一页把DNA/RNA从细胞里'捞'了出来——但捞到多少?纯不纯?有没有碎?这就是核酸检测要回答的三个问题。

浓度测定
分光光度计读A260,按公式换算DNA或RNA浓度
纯度鉴定
A260/A280比值,DNA≈1.8为纯,RNA≈2.0;偏离提示蛋白污染
完整性检测
琼脂糖凝胶电泳,DNA主带锐利无弥散,RNA可见28S/18S两条带
边界提示
只能确认有/无、纯/杂、整/碎,不直接验证序列是否为目的基因
水果店进货验收对应 →核酸检测三件套

称重看斤两、看色辨烂点、检外观看运输有无压坏

3第 3 页 · 核酸检测

PCR原理

上一页核酸检测用的就是 PCR,但它怎么把一丁点 DNA 扩到够用?一段基因在一个细胞里可能就一份。PCR 就是试管里的「DNA 复印机」——几小时内把一段序列从几份扩到几十亿份。

反应体系五要素
模板 DNA、一对引物、四种 dNTP、耐热 Taq 聚合酶、含 Mg²⁺ 的缓冲液,缺一不可
三步循环
95℃ 变性解链 → 55℃ 退火引物结合 → 72℃ 延伸合成新链,一轮约 1–3 分钟
指数扩增
每轮产物都做下一轮模板,拷贝数 2ⁿ 增长,30 轮约 10 亿倍
引物决定特异性
一对引物分别落在目标区两端,决定「扩增哪一段」,不匹配就扩不出东西
复印店里复印一本书的某一章对应 →PCR 扩增目的基因

引物=只夹那一章的书签;dNTP=墨水;Taq=复印机;变温循环=机器自动翻页复印,份数按 2ⁿ 翻倍

N=N0×2n(n 为循环数,理想条件)N = N_0 \times 2^n \quad (n \text{ 为循环数,理想条件})
4第 4 页 · PCR原理

PCR影响因素

PCR影响因素:定义、要点与典型应用

PCR影响因素
PCR影响因素:定义、要点与典型应用
5第 5 页 · PCR影响因素

反转录PCR及cDNA文库构建

前面学了PCR扩增DNA。但基因最初以mRNA形式表达,DNA里有内含子不能直接用——需要先把mRNA「翻译」成可操作的DNA。

反转录酶
以RNA为模板合成互补DNA链的关键酶,来源于逆转录病毒
RT-PCR流程
提取mRNA→反转录合成cDNA第一链→PCR扩增目的片段
cDNA文库
某细胞或组织全部mRNA反转录产物的集合
典型应用
获得无内含子编码序列、研究基因表达、克隆真核基因
录音整理成可检索文字稿对应 →mRNA反转录为cDNA

录音(mRNA)听完即逝,文字稿(cDNA)可反复查阅、复印、归档

6第 6 页 · 反转录PCR及cDNA文库构建

全基因组扩增及基因组研究

拿到微量 DNA 后,PCR 常只放大目标区域;研究整个基因组时,模板量往往不够。WGA 因而成为进入基因组研究前、先让材料“够用”的一步。

WGA 的目标
以微量或单拷贝基因组DNA为起点,非靶向增加材料;它不等于全基因组测序,也不能保证各区域等量扩增
方法谱系
MDA依赖phi29强链置换;DOP-PCR用简并引物;MALBAC偏重单细胞,均可能产生偏倚
主要误差
低起始量可造成覆盖不均、等位基因丢失与嵌合;阴性对照、重复扩增和覆盖度评估不可省略
质检判据
看产量、片段分布、基因组覆盖、位点可重复性与外源污染;产量高不等于结果可靠
典型应用
用于单细胞基因组、古DNA、FFPE及痕量样本建库;RNA需先反转录为cDNA,不能直接做WGA
复印残缺原书对应 →全基因组扩增

复印件足够多才便于阅读,但原件缺损会变成漏检,深浅不均也会在复制中被放大

7第 7 页 · 全基因组扩增及基因组研究

工具酶

前几页我们走过了核酸提取、PCR、反转录 PCR 和 cDNA 文库——每一步能跑通,背后都靠一类蛋白质在催化。它们就是这一页要讲的「工具酶」,分子操作的「兵器库」。

限制性内切酶
识别特定序列并切割 DNA,是基因的「分子剪刀」
DNA 连接酶
催化磷酸二酯键形成,把两段 DNA 拼接起来
DNA 聚合酶
以模板合成新链,PCR 用的是耐热型(如 Taq)
反转录酶
以 RNA 为模板合成 cDNA,是 cDNA 文库的起点
末端修饰酶
激酶加磷、磷酸酶去磷,给 DNA 末端「换装」便于连接
厨房刀具对应 →工具酶

菜刀切肉、剪刀剪葱、刨丝器刨丝——每把刀只做一件事,工具酶也只识别特定底物

8第 8 页 · 工具酶

本节要点

  • 流程逻辑:从原料到可用片段,环环相扣的完整链条
  • PCR是核心扩增手段,保真性受模板、引物、温度等多因素制约
  • cDNA文库让RNA层面的遗传信息转化为可操作的DNA
  • 全基因组扩增突破了微量样本的瓶颈
  • 工具酶贯穿始终,是分子操作的底层基础设施
延伸主题:基因克隆与载体构建基因文库筛选策略高通量测序技术原理
9第 9 页 · 本节要点

课后思考

先遮住答案自己想一会儿,再对照提示。开放题没有标准解。

1为什么反转录PCR可以获得不含内含子的目的基因?

参考答案mRNA是已剪接的成熟转录本,没有内含子;反转录得到的cDNA只含外显子,能在原核系统中正确折叠表达。

2如果起始模板量只有几个拷贝,你会如何选择扩增策略?

参考答案优先巢式PCR或全基因组扩增:前者两轮引物提高特异性,后者能从微量样品中扩出足量模板供下游使用。

3工具酶普遍不耐热,PCR却反复升到95°C,Taq酶的发现如何突破这一限制?

参考答案Taq酶从温泉嗜热菌中分离,耐95°C高温不失活,让PCR真正自动化。这一思路也推动了其他耐热工具酶的开发。

10第 10 页 · 课后思考