2.4.1 基因组文库的构建

第一章绪论生物工程是生命科学和工程科学的交叉科学。

生物工程学科的任务是促进和实现生命科学的实验室研究成果向应用领域的转化。

1.1生物工程的学科基础以生物科学和生物技术为基础，结合化学工程、机械工程、控制工程、环境工程等工程学科，研究和发展利用生物体系或其中的一部分生产有益于社会的产品或达到一定社会目标的过程工程科学。

生物工程的研究对象包括活的生物体或它们的一部分。

生物工程的任务就是为细胞的生长和目标产物积累创造最好的条件，研究开发最适合的工艺路线和设备,实现工业化生产以满足社会需要.1。

2生物工程的研究领域生物工程的研究领域包括:基因工程、细胞工程、酶工程、微生物工程（发酵工程）及生物分离工程。

1.2.1基因工程DNA是遗传的物质基础，1967年第一个基因工程产品—-人胰岛素通过定位突变的方法使所表达的蛋白质产物的结构和功能发生变化,根据需要设计新的蛋白质氨基酸序列,已经发展成为一门新的交叉学科-—蛋白质工程。

1.2.2细胞工程细胞是构成包括人类、动物、植物和微生物在内的几乎所有生物的基本单元。

哺乳动物的干细胞(即未分化的细胞）也具有全能性和无限繁殖的能力。

发酵工程和生物分离技术的进步则是提高细胞培养工程和目标产物回收过程效率的可靠保障。

1。

2。

3酶工程几乎所有的酶都是蛋白质，酶又具有催化剂的功能,即能够降低化学反应的活化能、加快反应速率,在反应中不消耗，反应结束时恢复到原来的状态.酶工程是研究酶的分离、提纯及利用酶作为生物催化剂，实现化学转化,合成各种产物或达到人类所需社会目标的工程科学。

酶催化反应的特点是很高的效率和专一性1.2。

4发酵工程发酵工程已经泛指所有细胞(动物、植物、微生物及基因工程细胞）的大规模培养并获得目标产物的过程。

1.2。

5生物分离工程与其他分离过程类似,生物技术产品的分离方法也是根据被分离对象及主要杂质的物理化学性质设计分离提纯流程,但是生物技术产品的分离也具有其特殊性，主要表现：(1）目标产物的浓度低（2）目标产物和杂质的物理和化学性质十分接近，而且成分非常复杂(3)目标产物往往具有生物活性（4）在许多应用领域,生物技术产品有很高的纯度和安全性要求。

基因组文库构建的程序1. 引言基因组文库构建是现代生物学研究中的重要步骤之一。

通过构建基因组文库，研究人员可以将生物体的基因组DNA进行分离、纯化和扩增，为后续的基因组测序和功能分析提供重要的材料。

本文将介绍一种常用的基因组文库构建程序，并探讨其在生物学研究中的应用和意义。

2. 基因组文库构建程序概述2.1 DNA提取在进行基因组文库构建之前，首先需要从生物体中提取DNA。

DNA提取方法可以根据不同生物体类型和样本来源进行选择，常见的方法包括酚/氯仿法、离心法、商用DNA提取试剂盒等。

2.2 DNA片段化DNA片段化是将长链DNA切割为较短片段的过程。

常用的片段化方法包括限制性内切酶切割、超声波处理、化学法等。

选择合适的片段化方法可以根据后续实验需求和测序平台要求来确定。

2.3 DNA末端修复和连接在片段化后，需要对DNA末端进行修复，并在修复后对连接适配体进行连接。

末端修复可以通过使用DNA聚合酶和DNA连接酶来完成。

连接适配体是一种含有特定序列的DNA片段，可以与测序平台上的引物配对，使得测序引物能够与待测DNA片段结合。

2.4 DNA片段扩增和纯化连接适配体后，需要对文库中的DNA片段进行扩增和纯化。

扩增方法通常使用聚合酶链式反应（PCR）进行，以获得足够数量的文库DNA。

纯化则是通过凝胶电泳、磁珠吸附等方法去除杂质和副产物，获得高质量的文库DNA。

2.5 文库验证和测序最后一步是对构建好的基因组文库进行验证和测序。

验证可以通过凝胶电泳、定量PCR等方法来确定构建文库中的DNA片段长度分布、纯度以及数量。

而测序则可以使用各种高通量测序平台进行，并根据实验目标选择合适的测序深度。

3. 基因组文库构建程序在生物学研究中的应用3.1 基因组结构分析基因组文库构建程序为研究基因组结构提供了重要工具。

通过对不同细胞类型或不同物种的基因组文库进行测序，可以揭示基因组的结构变异、拷贝数变异以及染色质重排等信息，为研究基因组结构与功能的关系提供重要线索。

基因文库的构建与使用在生物科学领域，基因文库的构建和使用是研究基因功能和生物多样性的重要工具。

基因文库是指包含某种生物全部基因的克隆文库，它可以为我们提供深入了解该生物基因组的信息。

本文将详细介绍基因文库的构建与使用，包括基因文库的基本概念、构建方法、使用方法以及优势和展望。

一、基因文库的基本概念和作用基因文库是包含某种生物全部基因的克隆文库，它为我们提供了该生物基因组的全面信息。

构建基因文库的目的是为了方便研究者们筛选、分析和研究基因的功能以及多样性。

基因文库可以用于寻找基因的新颖功能、发现新的药物靶点以及为基因组编辑和改造提供资源。

二、构建基因文库的方法构建基因文库主要包括以下步骤：1、基因组文库的构建：首先需要获得该生物的基因组，然后将基因组进行分解，形成一系列重叠的DNA片段。

这些片段经过纯化、扩增和克隆到特定的载体中，形成基因组文库。

2、表达文库的构建：为了筛选出具有特定功能的基因，还需要构建表达文库。

表达文库中的基因需要在特定的细胞或组织中表达，以便研究者们能够确定基因的功能。

在构建基因文库时，需要考虑到基因的种类、基因表达水平以及克隆载体的选择等因素。

这些因素都会影响到基因文库的质量和实用性。

三、基因文库的使用方法使用基因文库可以方便地筛选和研究基因的功能。

以下是如何使用基因文库的一般步骤：1、选择相应的基因文库：首先需要选择包含所需基因的文库。

如果研究目标是寻找特定功能的基因，可以选择包含该功能基因的文库。

2、筛选候选基因：根据研究目标，可以在文库中进行筛查，挑选出可能具有所需功能的候选基因。

3、验证基因功能：通过实验验证挑选出的候选基因是否具有所需功能。

这可以通过表达和检测候选基因在细胞或整体生物中的功能来实现。

4、利用基因文库进行基因组编辑：基因文库也可以为基因组编辑提供资源和指导。

通过比对和分析基因文库中的序列，可以确定目标基因的精确位置和剪切位点，从而实现精准的基因组编辑。

基因组文库的构建和池化筛选综述与专论?生物技术通报BloTECHNoLoGYBULLETIN201O年第5期基因组文库的构建和池化筛选陈献伟娜日苏朱超.王会'雷娜,高剑峰关伟军马月辉(中国农业科学院北京畜牧兽医研究所,北京100193;2石河子大学生命科学学院,石河子832003;广西大学动物科学技术学院,南宁530004;山西农业大学,太谷030801)摘要:作为物种保护策略的重要部分,建立濒危畜禽的基因组文库,可有效保存濒危畜禽种质资源.BAC(bacterialartificialchromosome)文库具有高容量,遗传特性稳定和嵌合体少等优点,因而被用于畜禽基因组文库的构建.对BAC文库的构建方法和文库池化筛选系统作一综述.关键词:BAC栽体基因组文库池化筛选ConstructionandScreeningofGenomicLibrary ChenXianweitNaRisuZhuChaofWangHuifLeiNa?GaoJianfengGuanWeijunMaYuehui ('InstituteofBeijingAnimalScienceandV eterinary,CAAS,Beijing100193;CollegeofLife Science,ShiheziUniversity,Shihezi832003; CollegeofAnimalScienceandTechnology,GuangxiUniversity,Nanning530004;ShanxiA griculturalUniversity,raigu030801)Abstract:ConstructionofthegenomicLibraryofdomesticanimalasthebasiccompone ntofs peciesconservationstrategycan preserveendangeredanimalgermplasmresourcesefficiently.Beingcapableofinsertinglarg efragments,maintainingthestabilityofin—sertedDNAinE.coli,producingfewchimerismes,BAClibraryhavebeencontributedtorese archesofconstructionofgenomiclibrary. ThispaperdescribedtheconstructionmethodandscreeningsystemofBAClibrary. Keywords:BACvectorsGenomiclibraryPoolingScreening高分子量的DNA文库是基因组研究的基础,如重要经济性状基因的图位克隆,比较基因组研究,基因组测序及物理图谱的构建.BAC载体具有容量大,遗传特性稳定和嵌合体少等优点,非常适合于基因组文库的构建.1BAC文库的研究进展基因组文库是利用DNA重组技术将某种生物细胞的核DNA的全部或大部分片段随机地连接到克隆载体上,之后转移到适当的宿主细胞中,通过细胞增殖而形成的各个片段的无性繁殖系的总集.基因组文库构建的关键取决于所使用的克隆载体.自Cohen等构建第一个质粒载体pSC101以来,相继出现了大量的克隆载体.克隆载体大致可分为噬菌体系列和人工染色体系列.前者主要包括质粒(plasmid),噬菌体(bacteriophage),柯斯质粒(cosmid,又称粘粒)等,其主要特点是载体在宿主细胞内能稳定遗传,易分离,转化效率高,但克隆容量有限,一般小于45kb.许多真核生物的基因庞大而复杂,难以克隆到这些载体中.后者主要有酵母人工染色体(yeastartificialchromosome,YAC),细菌人工染色体(bacterialartificialchromosome,BAC)以及可转化人工染色体(TransformationArtificialChromo—some,TAC)和哺乳动物人工染色体(mammalianarti—ficialchromosome,MAC)等,显着特点是载体的容载收稿日期:2009—12-29基金项目:国家科技支撑项目(2006BAD13BOB,2008BADB2B01),转基因重大专项(2008ZX08009-003),国家"863"计划项目(2006AA10Z1982007AA10Z170)作者简介:陈献伟,男,硕士,主要从事分子生物学研究工作;E.mail:****************通讯作者:关伟军,男,教授,博士生导师,主要从事动物细胞分子生物学方面研究工作;E—mail:********************.cn马月辉,男,研究员,博士生导师,主要从事动物遗传资源保护方面研究工作;E—mail:yuehui—**********12生物技术通报BiotechnologyBulletin2010年第5期能力大,约100—350kb.这些具有较大外源片段承受能力的人工染色体对于真核生物基因组文库的构建极为有利.近年来得到广泛应用的克隆载体主要是细菌人工染色体(BAC).细菌人工染色体是在大肠杆菌F一因子基础上发展而来的.F.因子的复制是严谨型的,在每个细胞中仅有1—2个拷贝,这样就减少了质粒所携带的外源片段发生重组的可能性,而且F.因子能携带的外源片段可达1mb,表明F一因子更适合于克隆大片段的DNA.BAC克隆体系的第一代载体pBAC108L(图1).pBAC108L能克隆的外源片段可达300kb,但它存在的一个问题是只有10%一50%的转化子是重组子.自从BAC载体问世以来,出现了许多目的在于增加易用性和用于特定系统和环境的修饰.pBeloBAC11和pBACe3.6是对pBAC108L进行修饰构建的载体,通常作为进一步修饰的基础载体(图2).pBeloBAC11代表了第二代的BAC克隆系统,也是应用非常广泛的一种BAC载体.其外源DNA片段的容量最大可至300kb以上,可应用于基因组文库的构建工作.主要特点是在pBAC108L的多克隆位点上增加了LacZ基因,可用于蓝白斑筛选.然而pBeloBAC11仍是低拷贝质粒.T7—?'_SP6SalINotIBHNotI卜口_[卜卜—)—EcoRV图1pBAC108L载体H/ndmBamHIrepE图2pBeloBACll载体Frengen等构建了pBACe3.6载体(图3).pBACe3.6是在pBAC108L的基础上构建的,但比pBeloBAC11修饰程度高.此外,它利用了不同于pBeloBAC11蓝白斑选择的另一选择机制,其多克隆位点位于蔗糖致死基因sacB上,这样重组克隆可以在含有蔗糖的培养基上进行阳性选择.OCM(R)mHIfl1lCIIf811c0RInO,SacIf2O)胁II(221PUC—LINKLI(766)LI(2012)ApaLI(2509)南R322NotI(2850)图3pBACe3.6载体1997年,Hamilton等"结合根癌农杆菌双元载体和BAC载体的特点,构建了一种"双元BAC载体(abinaryBAC)",即BIBAC.BIBAC作为第三代文库载体,不仅具有第二代载体的特征,而且有植物2010年第5期陈献伟等:基因组文库的构建和池化筛选转化的功能.BIBAC转化技术在双子叶植物中已经建立,Hamilton等'通过农杆菌介导的方法把克隆在BIBAC2中的完整的150kb大小的人类DNA片段转进了番茄和烟草.TAC(transforma.petentartificialchromosome)也是一种直接用于转化的人工载体.1999年,Liu等结合PAC载体和双元载体的特点,构建了植物可转化基因人工染色体TAC载体Pyltae7和Pyhac17.TAC载体能在大肠杆菌和根癌农杆菌中以单拷贝形式复制.目前,已有人和一些哺乳动物的基因组DNABAC文库建成,如猪",牛,大熊猫"和鲶鱼H等动物.通过BAC文库的构建,不仅长久而有效地保存动物基因遗传资源,而且,为进一步研究,开发和利用其与重要经济性状,生殖和遗传性疾病相关的功能基因,提供可靠的基因材料平台.2BAC文库的构建方法基因组DNA文库的构建流程相对简单,但其需要很多特殊的处理以及必要的仪器设备,成功的关键都体现在操作的细节上.BAC文库的构建过程包括以下几个步骤.2.1BAC载体的制备载体制备的好坏,直接关系到文库中空白载体的比例和文库的质量,载体的纯度越高,获得阳性克隆的概率越高,文库的质量也越好.采取酶切的同时进行彻底的脱磷处理,以减少或避免空白载体的比例,保证其符合建库要求.载体的制备主要包括BAC载体的大量提取和纯化,CsCL.EtBr密度梯度离心纯化得到的超螺旋质粒,BAC载体的后期处理(酶切和去磷酸化),载体脱磷效果检测,载体自连回收.2.2高分子量(HMW)DNA的制备由于构建BAC文库需要得到尽可能完整的大片段DNA,因此,首先要保证将细胞核包埋在琼脂糖凝胶块中的质量,即细胞核的质量和浓度,琼脂糖凝胶的浓度等.而且如果是组织样品,一般使用液氮将组织捣碎,并在整个研磨过程中使组织浸泡在液氮中,然后包埋在低熔点琼脂糖中形成"Plugs",以此来保护核DNA免受降解.2.3高分子量DNA的不完全消化高分子量DNA的不完全消化的目的使通过限制性内切酶的不完全消化,产生大量比较适合和集中的片段,一般通过脉冲场凝胶电泳进行两次片段选择'.DNA的分离一般有一次尺度选择和二次尺度选择(尺度选择即脉冲电泳),在脉冲场电泳条件下,由于不同分子量的DNA片段发生"共迁移",在大片段中混有很多小片段DNA,而这些小片段DNA 在连接过程中效率要明显高于大片段DNA,从而影响基因组文库的构建质量.二次尺度选择法得到的DNA连接转化效率较高,转化后插入的片段整齐度好,空载率低.为了获得纯度高,含量多的大片段,减少大片段的降解,同时又尽可能的去除小片段,采用二次尺度法进行大片段DNA的分离,按照部分酶切所确定的最佳酶用量,对基因组Plugs进行大量酶切,然后进行脉冲场电泳.2.4大片段DNA和载体的连接大片段DNA能否有效地连接到载体上,主要取决于插入片段与载体的比例,对于不同的生物采用的比例不同,大部分处于1:5—15(摩尔比)范围.2.5将连接产物转化入受体细胞对于转化大肠杆菌而言,电转化是目前使用最普遍的一种方法.研究表明,文库中载体的平均插入大小主要与转化效率相关.插入片度越大,转化效率越低;反之,越高.此外,转化条件也直接影响转化效率,插入片段大小及假阳性克隆的含量.2.6挑选阳性克隆,构建文库阳性克隆的分检有人工和使用机器手技术两种.一般通过lacZ的插入失活,显示蓝白斑的负同选择来筛选重组子,但是在基因组文库构建中常常发现有1%一10%左右的假阳性,用机器人操作时假阳性更高.现在又产生了正向选择的BAC载体pBACe3.6,pBAC/SACB¨,利用sacB的插入失活,产生的零背景可使机器人进行挑选重组子时不必进行菌落间的分辨,便于自动挑取收集.2.7文库的保存管理与质量检测文库构建完成后,还需要对文库进行评价,其质量的高低标准包括文库中克隆的数量,平均插入片l4生物技术通报BiotechnologyBulletin2010年第5期段的大小,克隆的稳定性,细胞器DNA的含量以及假阳性克隆的含量等.3BAC文库的池化和筛选基因组BAC文库有数万到数十万个克隆组成,因此建立高效的管理和筛选系统是必要的.筛选系统有PCR筛选系统和Southern杂交筛选系统两种.3.1PCR筛选系统建立PCR筛选系统需要对所有的克隆进行保存和池化.整个BAC文库由若干个超级池组成,每个超级池有10个384孔板组成.将一个超级池的行克隆,列克隆和每板的克隆分别合并成池,提取质粒DNA作为第二步PCR筛选的模板,同时将10个板的克隆合并提取DNA,即有了第一步筛选超级池的DNA.对BAC文库进行两步.3D筛选的过程:首先,用目的序列的PCR引物筛选文库的若干个超级池的DNA,得到阳性超级池号;之后用阳性超级池的板池,行池,列池的DNA进行第二步筛选,得到阳性的板池号,行池号,列池号;从冻存的文库中依照筛选结果得出的克隆地址,挑出阳性克隆,再次做PCR验证.Bonet等¨构建了野草莓的BAC文库,共有18432个克隆,存于48块384孔板中,压缩到48个96孔板中.他将每6块96孔板的克隆混在一起,共形成8个超级池.用70个分子标记进行PCR分析,以超级池质粒为模板通过PCR的方法确定含有目的片段的阳性单克隆.Wang等.构建了尖吻鲈的BAC文库,49152个克隆保存在128块384孔板中,由11个超级池构成,每个超级池分成48个96 孔板,对文库进行超级池,板池和行列池3步法筛选,用24个微卫星和15个EST对文库进行PCR筛选表明文库具有较好的基因组覆盖率.3.2HD杂交膜筛选系统一般材料BAC文库库容量都是数以万计,若同时对这些数目庞大的BAC进行分析,非常困难.常规BAC文库的研究一般都是以尼龙膜为载体,用机械手将整个文库顺序点到膜上.将膜在固体培养基上培养一段时间后进行菌落原位裂解,将DNA结合在膜上,再用特异性探针进行Southern杂交筛选阳性克隆.每张膜可容纳50000以上的克隆.一个库用6—7张膜就可以包括.杂交膜筛选缺点是Southern杂交要用到同位素,存在假阳性和污染,放射性元素对人和环境都会产生影响,成本也高.对于功能基因克隆的筛选,用PCR筛选系统得到的结果比从高密度杂交膜筛选系统得到的结果更为可靠,假阳性少,而且方法简单,快速.但是对于构建大区域的物理重叠群,高密度膜杂交筛选阳性克隆可以一次得到一个标记的所有重叠克隆,更有利于快速的构建BAC重叠群.4展望细菌人工染色体(BAC)具有容量大,易于分离和操作等特性,比其它载体系统构建的基因组文库有更高的覆盖率和稳定性.利用BAC文库容量大的特点,进行基因筛选,目的基因定位,表达调控等研究是BAC文库利用的发展方向.BAC文库将在动物基因资源保存,基因组学,后基因组学等研究中发挥重要的作用.参考文献[1]QuiniouSM,WaldbieserGC,DukeMV,eta1.Afirstgeneration BACbasedphysicalmapofthechannelcatfishgenome.JBMCGe? 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基因⽂库构建的过程、原理及⽅法基因⽂库构建的过程、原理及⽅法1 cDNA ⽂库的构建1.1 cDNA ⽂库构建的基本原理与⽅法cDNA ⽂库是指某⽣物某发育时期所转录的全部 mRNA 经反转录形成的 cDNA ⽚段与某种载体连接⽽形成的克隆的集合。

经典 cDNA ⽂库构建的基本原理是⽤ Oligo(dT) 作逆转录引物，或者⽤随机引物，给所合成的 cDNA 加上适当的连接接头，连接到适当的载体中获得⽂库。

其基本步骤包括：RNA 的提取(例如异硫氰酸胍法，盐酸胍—有机溶剂法，热酚法等等，提取⽅法的选择主要根据不同的样品⽽定)，要构建⼀个⾼质量的 cDNA ⽂库，获得⾼质量的 mRNA 是⾄关重要的，所以处理 mRNA 样品时必须仔细⼩⼼。

由于RNA 酶存在所有的⽣物中，并且能抵抗诸如煮沸这样的物理环境，因此建⽴⼀个⽆ RNA 酶的环境对于制备优质 RNA 很重要。

在获得⾼质量的 mRNA 后，⽤反转录酶 Oligo(dT) 引导下合成 cDNA 第1链， cDNA 第2链的合成(⽤ RNA 酶 H 和⼤肠杆菌 DNA 聚合酶 I，同时包括使⽤ T4 噬菌体多核苷酸酶和⼤肠杆菌 DNA 连接酶进⾏的修复反应)，合成接头的加⼊、将双链DNA 克隆到载体中去、分析 cDNA 插⼊⽚断，扩增 cDNA ⽂库、对建⽴的 cDNA ⽂库进⾏鉴定。

这⾥强调的是对载体的选择，常规⽤的是λ噬菌体，这是因为λ DNA 两端具有由12个核苷酸的粘性末端，可⽤来构建柯斯质粒，这种质粒能容纳⼤⽚段的外源 DNA。

1.2 cDNA 全长⽂库经典 cDNA ⽂库的构建虽然⾼效、简便，但⽂库克隆的⽚段⼀般较⼩，单个克隆上的 DNA⽚段太短，所能提供的基因信息很少，⼤多需要⼏个克隆才能覆盖⼀个完整的全基因的 cDNA。

为了克隆到真正的 cDNA 全长，建⽴富含全长的 cDNA⽂库具有重要意义。

为此，必须克服仅⽤ mRNA 的 PolyA 尾合成以及由普通逆转录酶作⽤特点所导致的局限性。