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第六章:分子生物学技术

6.1 PCR技术

原理

<〖<中心法则〗告诉我们,〖%DNA复制〗是遗传信息传递的基础。〖&PCR〗(聚合酶链式反应)技术正是模拟这一过程,在体外快速扩增特定〖@DNA〗片段。

发明者:〖>Kary Mullis 1983〗因此获得1993年诺贝尔化学奖。

反应体系

组分 作用 示例
〖@模板DNA〗 扩增的原始材料 基因组DNA
〖&引物〗 确定扩增起始位点 上下游各一条
〖#DNA聚合酶〗 催化DNA合成 〖#Taq酶〗
〖*dNTPs〗 原料 dATP、dTTP、dGTP、dCTP
〖=缓冲液〗 提供适宜环境 含〖!Mg²⁺〗、〖!pH 8.3〗

反应步骤

〖!94-95°C〗变性 → 〖!50-65°C〗退火 → 〖!72°C〗延伸
     ↓
   30-35个循环
     ↓
  DNA指数扩增(2ⁿ)

关键参数

Taq酶特点

〖#Taq DNA聚合酶〗是从〖嗜热菌〗〖Thermus aquaticus〗中分离的:

高保真酶:如〖#Pfu酶〗、〖#Phusion酶〗,具有校对功能。

6.2 DNA测序技术

Sanger测序(第一代)

原理:〖&双脱氧终止法〗

DNA合成反应 + 少量双脱氧核苷酸(ddNTP)
         ↓
    随机终止产生不同长度片段
         ↓
    电泳分离,读取序列

特点

高通量测序(第二代)

平台 技术原理 读长 应用
〖&Illumina〗 桥式PCR + 荧光标记 150-300 bp 全基因组、RNA-seq
〖&Ion Torrent〗 半导体测序 200-400 bp 靶向测序
〖&SOLiD〗 连接测序 50-75 bp 重测序

Illumina测序流程

  1. 文库制备:DNA片段化 + 接头连接
  2. 簇生成:桥式PCR扩增
  3. 测序:边合成边测序(SBS)
  4. 数据分析:图像 → 碱基识别

第三代测序

PacBio(单分子实时测序)

Oxford Nanopore

6.3 基因克隆

载体系统

载体类型 容量 宿主 应用
〖&质粒〗 2-10 kb 细菌 常规克隆
〖&噬菌体〗 9-23 kb 细菌 cDNA文库
〖&BAC〗 100-300 kb 细菌 基因组文库
〖&YAC〗 0.5-2 Mb 酵母 大片段克隆

克隆流程

目的基因获取 ←〖&PCR〗/〖&化学合成〗/〖&文库筛选〗
      ↓
载体准备 ← 〖&限制性内切酶〗切割
      ↓
连接反应 ← 〖#DNA连接酶〗
      ↓
转化/转染 ← 导入宿主细胞
      ↓
筛选鉴定 ← 〖&抗生素抗性〗、〖&蓝白斑筛选〗

限制性内切酶

识别序列特点

识别序列 末端
〖&EcoRI〗 G↓AATTC 5’粘性
〖&BamHI〗 G↓GATCC 5’粘性
〖&HindIII〗 A↓AGCTT 5’粘性
〖&SmaI〗 CCC↓GGG 平末端

6.4 基因编辑技术

CRISPR-Cas9系统

发现:〖>Jennifer Doudna & Emmanuelle Charpentier 2012〗,获2020年诺贝尔化学奖。

组成

原理

sgRNA识别靶序列(PAM: NGG)
        ↓
Cas9切割DNA双链
        ↓
细胞修复(NHEJ或HDR)
        ↓
基因敲除或精确编辑

应用

碱基编辑器

CBE(胞嘧啶碱基编辑器):C → T ABE(腺嘌呤碱基编辑器):A → G

优势:不切断DNA双链,减少随机插入/缺失

6.5 基因表达分析

RT-PCR

原理

RNA →〖&逆转录〗→ cDNA →〖&PCR〗→ 扩增产物

关键酶:〖#逆转录酶〗(如M-MLV、AMV)

应用

RNA干扰(RNAi)

机制

应用

本章小结

思考题

  1. 为什么PCR需要引物,而DNA复制在体内不需要外源引物?
  2. 比较第一代、第二代、第三代测序技术的优缺点。
  3. CRISPR-Cas9与传统基因编辑技术(如ZFN、TALEN)相比有什么优势?