本章重點:

　　掌握：DNA克隆概念，限制性內(nèi)切酶的定義及其特點，基因載體的種類。重組DNA技術的基本過程，目的基因獲取的方法，外源基因與載體的連接方式，重組DNA分子導入受體菌的方式，重組體篩選的方法。

　　熟悉：基因組DNA文庫和cDNA文庫的概念，目的基因表達體系的種類及其特點

　　了解：自然界基因轉移的方式：接合作用、轉化及轉導作用、轉座；重組有兩種類型，即位點特異性的重組和同源重組

　　本章難點

　　兩種類型基因重組的機理；限制性內(nèi)切酶的作用特點，基因載體的種類；重組DNA技術的基本環(huán)節(jié)中，目的基因的獲取方法，外源基因與載體連接的方法，重組DNA導入受體菌的方法，重組體的篩選方法，以及原核和真核表達體系的優(yōu)缺點比較

　　基本要點

　　一、自然界的基因轉移和重組

　　自然界不同物種或個體之間的基因轉移和重組是經(jīng)常發(fā)生的，它是基因變異和物種進化的基礎。自然界的基因轉移的方式有：

　　接合作用：當細胞與細胞、或細菌通過菌毛相互接觸時，質粒DNA 就可從一個細胞(細菌)轉移至另一細胞(細菌)，這種類型的DNA轉移稱為接合作用(conjugation )。

　　轉化作用(transformation) 通過自動獲取或人為地供給外源DNA，使細胞或培養(yǎng)的受體細胞獲得新的遺傳表型。

　　轉導作用：當病毒從被感染的(供體)細胞釋放出來、再次感染另一(受體)細胞時，發(fā)生在供體細胞與受體細胞之間的DNA轉移及基因重組即為轉導作用(transduction)。

　　轉座：大多數(shù)基因在基因組內(nèi)的位置是固定的，但有些基因可以從一個位置移動到另一位置。這些可移動的DNA 序列包括插入序列和轉座子。由插人序列和轉座子介導的基因移位或重排稱為轉座(transposition )。

　　基因重組：在接合、轉化、轉導或轉座過程中，不同DNA分子間發(fā)生的共價連接稱基因重組?；蛑亟M包括位點特異性的重組和同源重組兩種類型。有整合酶催化的在兩個DNA序列特異位點間發(fā)生的整合，產(chǎn)生位點特異的重組。特異重組依賴特異的DNA序列，如λ噬菌體的整和酶可識別噬菌體DNA和宿主染色體的特異靶位點，并進行選擇性整合；反轉錄病毒整合酶識別整合反轉錄病毒cDNA的長末端重復序列等。另外有發(fā)生在同源序列間的同源重組，又稱基本重組。同源重組依賴兩分子間序列的相同或相似性，將外源DNA整合進宿主染色體。

　　二、重組DNA技術相關概念

　　1．DNA克隆(DNA cloning) 就是應用酶學的方法，在體外把目的基因與載體DNA結合成具有自我復制能力的DNA分子一一復制子(replicon)，繼而通過轉化或轉染宿主細胞、篩選出含有目的基因的轉化子細胞，再進行擴增、提取獲得大量同一DNA分子，即DNA克隆。由于早期研究是從較大的染色體分離、擴增特異性基因，因此DNA克隆又稱基因克隆(gene cloning )。

　　2．工具酶 在重組DNA技術即基因工程技術中需應用某些基本酶類進行基因操作，稱為工具酶。常用的工具酶包括如DNA聚合酶Ⅰ、DNA連接酶、末端轉移酶、反轉錄酶、多聚核苷酸激酶，而限制性核酸內(nèi)切酶特別重要，應用最廣。

　　限制性內(nèi)切核酸酶(restriction endonuclease) 是能夠識別DNA的特異序列，并在識別位點或其周圍切割雙鏈DNA的一類內(nèi)切酶。限制性內(nèi)切核酸酶存在于細菌體內(nèi)，與相伴存在的甲基化酶共同構成細菌的限制－修飾體系，限制外源DNA、保護自身DNA，對細菌遺傳性狀的穩(wěn)定遺傳具有重要意義。目前發(fā)現(xiàn)的限制性內(nèi)切核酸酶有1800種以上。限制性內(nèi)切核酸酶分為三類。重組DNA技術中常用的限制性內(nèi)切核酸酶為Ⅱ類酶，例如，EcoRI、BamH I等就屬于這類酶。大部分Ⅱ類酶識別DNA位點的核苷酸序列呈二元旋轉對稱，通常稱這種特殊的結構順序為回文結構(Palindrome)。所有限制性內(nèi)切核酸酶切割DNA均產(chǎn)生含5'磷酸基和3'羥基基團的末端。限制性內(nèi)切核酸酶的特點：①識別DNA的特異序列并切割；②不同的酶識別核苷酸序列往往包含4個到6個核苷酸；③不同的酶切割DNA頻率不同；④可產(chǎn)生粘性或鈍性未端；帶有相同類型的粘性末端或鈍性末端的DNA都可以再相互連接。

　　3．目的基因 基因工程中常為分離、獲得某一感興趣的基因或DNA序列，或為得到感興趣的基因的蛋白質表達產(chǎn)物，這種感興趣的基因或DNA序列稱為目的基因。目的基因可來自cDNA和基因組DNA，cDNA(complementary DNA )是指以mRNA或病毒RNA經(jīng)反轉錄酶催化合成互補單鏈DNA，再聚合生成的雙鏈cDNA；基因組DNA(genomic DNA)則指代表一個細胞或生物體全套遺傳信息的所有DNA 序列。

　　4．基因載體 基因載體也稱克隆載體，是指用以攜帶外源目的基因，實現(xiàn)外源DNA克隆及表達為有意義蛋白質而利用的DNA分子。能使插入的外源DNA序列可被轉錄并翻譯成多肽鏈而專門設計的基因載體又稱表達載體。常用基因載體包括質粒、噬菌體、病毒DNA等。理想載體有獨立復制能力，能夠利用宿主酶系轉錄和翻譯，有多種限制性內(nèi)切酶單一切口及一定篩選標記，如質粒的抗藥性基因

　?。?）質粒(plasmid) 存在于細菌染色體外的小型環(huán)狀雙鏈DNA分子。能在宿主細胞獨立自主地進行復制，會賦予宿主細胞一些遺傳性狀，如對抗生素或重金屬的抗性等。質粒賦予細菌的表型可識別質粒的存在，是篩選轉化子細菌的根據(jù)。

　　（2）噬菌體DNA 常用作基因載體的噬菌體DNA有λ噬菌體、M13噬菌體，經(jīng)M13噬菌體改造的載體含不同位置的克隆位點，可接受不同限制性內(nèi)切酶切片段。

　?。?）另外還有可插入大片段外源基因的柯斯質粒載體、酵母人工染色體載體，用于真核基因表達的腺病毒載體和逆轉錄病毒載體等。

　　三、重組DNA技術基本原理

　　DNA克隆過程包括:目的基因的獲取，基因載體的選擇與構建，目的基因與載體的拼接，重組DNA分子導人受體細胞，篩選并無性繁殖含重組分子的受體細胞(轉化子)。

　　目的基因的獲取常用的方法：化學合成法、基因組DNA文庫、cDNA文庫 聚合酶鏈反應

　　克隆載體的選擇和構建：將外源DNA連到復制子上，外源DNA則可作為復制子的一部分在受體細胞中復制。這種復制子就是克隆載體。

　　外源基因與載體的連接：粘性末端連接包括同一限制酶切割位點連接和不同限制性內(nèi)切酶位點連接；平端連接；同聚物加尾連接；人工接頭連接。

　　重組DNA導入受體菌：導入重組DNA分子的方法有轉化(transformation)、轉染(transfectim)和感染(infection)等。受體細胞為細菌時，常采用電穿擊法、熱擊法等。

　　重組體的篩選：根據(jù)載體體系、宿主細胞特性及外源基因在受體細胞表達情況不同，可采取直接選擇法和非直接選擇法。直接選擇法，指對載體攜帶某種或某些標志基因和目的基因而設計的篩選方法，其特點是直接測定基因或基因表型；抗藥性標志選擇，標志補救，分子雜交法； 免疫學方法不是直接鑒定基因，而是利用特異抗體與目的基因表達產(chǎn)物相互作用進行篩選，因此屬非直接選擇法。免疫學方法特異性強、靈敏度高，尤其適用于選擇不為宿主菌提供任何選擇標志的基因。免疫學方法又可根據(jù)具體基因選擇操作過程不同，分為免疫化學方法及酶免檢測分析等。

　　克隆基因的表達：目的基因的表達體系的建立包括表達載體的構建、受體細胞的建立及表達產(chǎn)物的分離、純化等技術和策略。表達體系包括原核表達體系和真核表達體系兩類。E. coli是當前采用最多的原核表達體系，其優(yōu)點是培養(yǎng)方法單、迅速、經(jīng)濟而又適合大規(guī)模生產(chǎn)工藝，人們運用E.coli表達外源基因已有20多年的經(jīng)驗。在實際工作中，根據(jù)表達的基因不同，選擇不同的表達策略。E.coli表達體系在實際應用中尚有一些不足之處：①由于缺乏轉錄后加工機制；②由于缺乏適當?shù)姆g后加工機制；③表達的蛋白質常常形成不溶性的包涵體，欲使其具有活性尚需進行復雜的復性處理；④很難在Ecol表達體系表達大量的可溶性蛋白。真核表達體系如酵母、昆蟲及哺乳類動物細胞表達體系顯示了較大優(yōu)越性。尤其是哺乳類動物細胞，不僅可表達克隆的cDNA，而且還可表達真核基因組DNA；哺乳類細胞表達的蛋白質通常總是被適當修飾，而且表達的蛋白質會恰當?shù)胤植荚诩毎麅?nèi)一定區(qū)域并積累。哺乳類動物細胞表達體系的缺點是操作技術難、費時、不經(jīng)濟。常用于細胞轉染的方法有：磷酸鈣轉染、DEAE葡聚糖介導轉染、電穿孔、脂質體轉染及顯微注射等。當前采用最多的哺乳類細胞是COS細胞(猿個猴腎細胞)和CHO細胞(中國倉鼠卵巢細胞)。

　　四、重組DNA技術與醫(yī)學的關系

　　1990年，分子醫(yī)學(molecular medicine )的誕生及其在近幾年的發(fā)展正是重組DNA技術與醫(yī)學實踐相結合的結果。分子醫(yī)學包含的領域及內(nèi)容概括如下幾個方面。

　　1．疾病基因的發(fā)現(xiàn) 重組DNA技術的應用使分子遺傳學家有可能根據(jù)基因定位，而不是它的功能來克隆一個基因。根據(jù)克隆基因的定位和性質研究所提供的線索，可進一步確定克隆的基因在分子遺傳病中的作用。因此，一個疾病相關基因的發(fā)現(xiàn)不僅可導致新的遺傳病的發(fā)制圖或定位，并掌握其全部序列信息，人類則完全可能通過對候選基因的控制和改造，從根本上治療和防止遺傳病的發(fā)生和流行。

　　2．發(fā)展生物制藥 利用重組DNA技術生產(chǎn)有藥用價值的蛋白質、多肽產(chǎn)品已成為當今世界一項重大產(chǎn)業(yè)。重組蛋白質藥物生產(chǎn)是在功能研究、基因克隆基礎上，構建適當?shù)谋磉_體系表達有生物活性的蛋白質、多肽；再經(jīng)過科學的動物實驗、嚴格的臨床試驗和藥物審查，發(fā)展為新藥物。

　　3．遺傳病的預防 受累疾病基因克隆不僅為醫(yī)學家提供了重要工具，使他們能深入地認識、理解一種遺傳病的發(fā)生機制，為尋求可能的治療途徑、預測療效提供了有力手段；更重要的是，利用這些成果進行極有意義的產(chǎn)前診斷和癥候前診斷，而后通過診斷技巧與治療、預防能力的結合，從根本上杜絕遺傳性疾病的發(fā)生和流行。預防方法包括：產(chǎn)前診斷、攜帶者測試、癥候前診斷、遺傳病易感性分析。