基因克隆和表达
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基因克隆和表达技术及其应用研究在现代生物技术领域,基因克隆和表达技术被广泛应用于生物医药、农业生产、环境保护等多个领域,是一项重要的研究方向。
本文将介绍基因克隆和表达技术的原理、工具和应用,旨在深入探讨该技术在现代生物科技领域中的应用价值。
一、基因克隆的原理与工具基因克隆是指将目标DNA片段放入载体中,通过复制和传递,获得大量相同的DNA分子的过程。
基因克隆需要用到一系列工具和分子生物学技术。
其基本的步骤包括:DNA提取、限制酶切割、连接和转化等。
DNA提取是指从细胞中获取目标DNA,一般从细胞核中提取DNA样品。
限制酶切割是一种利用特定的限制酶将DNA切割成不同长度的碎片的技术。
连接是指将目标DNA片段与载体DNA进行配对,在适当的连接条件下会形成一个大的DNA分子,也称作重组DNA。
最后的转化是将重组DNA重新引入一个宿主细胞,使其进行繁殖。
这些步骤组成了一个典型的基因克隆工作流程。
在基因克隆中,一些关键工具也是必不可少的。
例如,限制酶和DNA连接酶是进行酶切和连接的酶类;载体是将目标DNA载入的载体分子。
当然,在实验设计过程中,也需要考虑到多种子序列的选择,以获得最优的结果。
二、基因表达技术基因表达技术是指将克隆好的基因转录和翻译为蛋白质的过程。
基因表达技术所涉及的核心部分主要为转染和转录。
转染是指将载体转化到目标细胞中的过程。
转染可以分为多次批量的直接转染和、转染载体的两种方式。
对于细胞质和细胞核分离的情况,病毒载体或质粒载体也可以被用来介导转录。
质粒载体在转录的时候需要被移入到细胞的核中,由此促进了 DNA 受体和 RNA聚合酶之间的相互作用。
另一种重要的基因表达技术是转录,也称作转录调节。
转录调节可以分为两类:正调节和负调节。
正调节是指通过上调特定基因的表达、促进特定转录的过程;负调节是指通过下调特定基因的表达、抑制特定转录的过程。
转录调节受到多种因素的影响,例如转录因子和超融合酶等分子的运作。
基因克隆与表达及功能鉴定研究在现代生命科学领域中,基因克隆与表达以及功能鉴定是非常重要的研究方向之一,它涉及到许多生物医学、农业、工业和环境等领域的研究和实际应用。
本文将从基因克隆与表达的基本原理、方法、技术和应用,以及功能鉴定的原理、方法、技术和应用等方面进行探讨。
一、基因克隆与表达基因克隆是指通过分子生物学技术,将含有某个或某些特定基因的DNA序列从一个大的DNA分子(如染色体)中分离出来,然后插入到特定的载体DNA中,形成重组DNA分子的过程。
基因表达是指基因信息的转录和翻译过程,将基因的DNA序列转录成RNA分子,然后翻译成蛋白质分子的过程。
基因表达是生物体形成和发展的基础,也是生命活动的重要表现形式。
1. 基因克隆原理基因克隆的主要原理是利用限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶以及质粒或噬菌体等DNA载体的特性,将特定DNA序列插入到载体DNA中,形成重组DNA分子。
限制酶是一种能够识别、切割DNA分子特定序列的酶,其识别序列具有一定的特异性。
DNA连接酶是一种能够连接两个DNA分子的酶,常用的有T4 DNA连接酶和快速连接酶等。
DNA聚合酶是一种能够在DNA模板上合成互补链的酶,其作用是在重组DNA分子中完成互补链的合成。
2. 基因克隆方法基因克隆的主要方法有限制性片段长度多态性(RFLP)分析、聚合酶链式反应(PCR)克隆、原核表达克隆和真核表达克隆等。
RFLP分析是一种利用限制酶对DNA序列进行切割,并根据不同的RFLP位点进行区分的方法,其主要应用于基因型鉴定和进化研究等领域。
PCR克隆是一种利用PCR技术扩增目标基因或DNA片段,并将扩增产物克隆到载体DNA中的方法,其主要应用于基因检测、DNA测序和分子克隆等领域。
原核表达克隆是一种利用质粒或噬菌体等原核生物作为DNA载体,将外源基因转入细菌或古细菌等原核生物细胞中,通过蛋白质表达实现基因功能研究的方法。
真核表达克隆是一种利用真核生物(如哺乳动物、鸟类、昆虫、线虫等)作为DNA载体,将外源基因转入具有表达能力的真核细胞中,通过蛋白质表达实现基因功能研究的方法。
重组蛋白诱导表达方法一、基因克隆和表达载体构建基因克隆是重组蛋白诱导表达的第一步,包括基因的获取、基因的剪切和拼接等步骤。
在获取基因时,可以通过基因文库筛选、PCR 扩增、人工合成等方法。
剪切和拼接基因时,需要选择合适的限制性内切酶和连接酶,以确保基因的准确拼接。
表达载体的构建是将克隆的基因插入到载体中,以使基因在宿主细胞中表达。
常见的载体包括质粒、噬菌体、病毒等,根据基因的大小和表达需求选择合适的载体。
二、宿主菌的选择和转化宿主菌是用于表达重组蛋白的微生物细胞,根据基因的表达需求选择适合的宿主菌。
将构建好的表达载体导入宿主菌中,使基因在宿主菌中表达。
转化方法包括电转化、化学转化、显微注射等。
三、重组蛋白的表达诱导将转化后的宿主菌进行培养,在适当的温度、pH、营养等条件下,诱导重组蛋白的表达。
根据不同的宿主菌和载体,选择合适的诱导剂和诱导条件。
四、重组蛋白的分离和纯化重组蛋白在宿主菌中表达后,需要进行分离和纯化,以获得高纯度的蛋白质。
分离和纯化方法包括离心、沉淀、过滤、离子交换、亲和层析等。
五、重组蛋白的检测和鉴定通过电泳、免疫学、质谱等技术对重组蛋白进行检测和鉴定,以确定蛋白质的分子量、等电点、抗原性等性质。
六、重组蛋白的应用和功能研究重组蛋白具有广泛的应用价值,可用于制备抗体、研究蛋白质的结构和功能、开发新药等。
同时,通过对其功能的研究,可以深入了解蛋白质的作用机制和生物学过程。
七、重组蛋白的表达优化为了提高重组蛋白的表达量和纯度,需要进行表达优化。
包括选择适合的宿主菌和载体、调整培养条件、优化诱导条件等。
同时,可以通过蛋白质工程手段对蛋白质进行改造,以提高其表达量和稳定性。
基因工程中的基因克隆与基因表达实验总结基因工程作为一门新兴的交叉学科,已经广泛应用于生物医学、农业、环境保护等领域。
其中,基因克隆和基因表达实验是基因工程的核心技术,对于研究基因功能和开发新药已经起到了重要作用。
本文将对基因工程中的基因克隆和基因表达实验进行总结,并探讨其在科学研究和应用中的前景。
一、基因克隆实验基因克隆是通过重组DNA技术,将感兴趣的基因从一个生物体中复制并插入到另一个生物体中的过程。
它是研究基因功能、生物制药和转基因等领域的基础。
基因克隆实验主要包括以下几个步骤:1. DNA提取与限制性内切酶切割:通过提取DNA样品,使用限制性内切酶切割将目标基因和载体DNA切割成相应片段。
2. 基因插入:将目标基因与载体DNA片段进行连接,常用的方法是使用DNA连接酶将两者黏合。
3. 转化与筛选:将连接后的DNA转入到宿主细胞中,使其成为转基因细胞。
通过选择性培养基进行筛选,可以获得拥有目标基因的转基因细胞。
通过基因克隆实验,我们可以获得不同生物体的目标基因,并进行后续的研究和应用。
例如,通过将某种植物的耐旱基因克隆到其他作物中,可以提高作物的抗旱能力,增加农作物产量。
二、基因表达实验基因表达实验是将目标基因在宿主细胞中进行转录和翻译,产生具有特定功能的蛋白质的过程。
基因表达实验是研究基因功能和制备重组蛋白等领域的重要手段。
基因表达实验主要包括以下几个步骤:1. 选择合适的表达系统:根据需要表达的蛋白质的性质和规模,选择合适的表达系统。
常用的表达系统包括细菌、酵母、哺乳动物细胞等。
2. 构建表达载体:将目标基因插入到表达载体中,通常使用限制性内切酶和DNA连接酶进行连接,并通过测序确保插入正确。
3. 细胞转染:将构建好的表达载体导入到宿主细胞中。
不同表达系统有不同的转染方法,如细菌的化学转型、酵母的电转染等。
4. 表达和纯化:经过一定时间的培养,宿主细胞会表达目标基因,合成目标蛋白质。
可以通过蛋白质纯化技术,如亲和层析、凝胶电泳等手段获得纯度较高的目标蛋白质。
基因克隆与表达基因克隆与表达是生物学领域中重要的技术手段和研究方法。
通过基因克隆和表达,科学家能够研究特定基因的功能、调控机制以及其在生物体内的作用,这对于深入了解生物体的生理过程和疾病发生机制具有重要意义。
本文将介绍基因克隆与表达的原理、方法以及应用。
一、基因克隆基因克隆是将特定基因从一个生物体中分离并复制到另一个载体中的过程。
这个过程主要涉及DNA的分离、复制和连接。
常用的基因克隆技术包括PCR、限制性内切酶切割、琼脂糖凝胶电泳和基因插入等。
1. PCR聚合酶链反应(PCR)是一种强大的基因扩增技术。
它通过不断地重复某一特定区域的DNA序列,使其得以大规模复制。
PCR可以在短时间内合成大量目标DNA片段,为基因克隆提供了充足的材料。
2. 限制性内切酶切割限制性内切酶可以识别并切割特定的DNA序列。
通过选择合适的限制性内切酶,可以实现将目标基因从源DNA中切割下来,为下一步的基因克隆做好准备。
3. 琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳是一种常用的DNA分离技术。
通过将DNA样品加入琼脂糖凝胶槽中,并施加电场,DNA片段会根据其大小在凝胶中迁移。
凝胶电泳可以帮助科学家分离和纯化目标基因。
4. 基因插入基因插入是将目标基因连接到载体上的过程。
载体可以是质粒、病毒或者人工染色体等。
通过连接酶的作用,目标基因与载体可以稳定地结合在一起。
二、基因表达基因表达指特定基因通过转录和翻译过程转化为蛋白质的过程。
从基因克隆到基因表达,可以分为以下几个步骤:转染或转化、筛选和检测。
1. 转染或转化转染是指将外源DNA导入到动物细胞中的过程,而转化是将外源DNA导入到细菌细胞中的过程。
转染和转化可以通过多种方法实现,如化学法、电穿孔法和基因枪法等。
2. 筛选筛选是为了确定是否成功将目标基因表达在宿主细胞中而进行的步骤。
常见的筛选方法包括荧光筛选和克隆筛选。
荧光筛选利用荧光蛋白标记目标基因,观察细胞是否出现荧光信号。
克隆筛选则利用选择性培养基,筛选出含有目标基因的克隆。
基因工程的基本过程介绍基因工程是一项重要的生物技术领域,它利用DNA重组技术,对生物体的基因信息进行修改和重新组合,实现改变生物体性状的目的。
基因工程的基本过程包括基因定位、基因克隆、基因表达和基因转导等步骤。
本文将详细介绍基因工程的基本过程。
一、基因定位基因定位是基因工程的第一步,通过确定目标基因在染色体上的位置,为后续的基因克隆提供准确的目标。
基因定位可以通过物理方法、遗传方法和分子生物学方法等多种手段来实现。
1. 物理方法物理方法主要包括荧光原位杂交(FISH)和比较基因组杂交(CGH)等。
其中,荧光原位杂交可以通过标记特定探针并与目标基因序列进行杂交,从而在染色体上检测到目标基因的位置。
比较基因组杂交可以通过将目标基因与参考基因组进行杂交,通过比较两者的杂交强度,确定目标基因在染色体上的位置。
2. 遗传方法遗传方法主要包括连锁分析和关联分析等。
连锁分析是利用基因在染色体上的连锁关系,通过研究特定遗传标记和目标基因之间的连锁程度,来确定目标基因在染色体上的位置。
关联分析则是通过研究染色体多态性和目标基因之间的关联程度,来确定目标基因与某个特定区域的关系。
3. 分子生物学方法分子生物学方法主要包括PCR、Southern blotting和DNA测序等。
PCR可以通过目标基因的序列信息,设计特定引物并进行扩增,从而实现对目标基因的定位。
Southern blotting可以通过转移DNA片段到膜上,并进行测序等。
二、基因克隆基因克隆是基因工程的关键步骤,它通过将目标基因从来源生物体中分离出来,并进行扩增,得到足够多的DNA材料用于后续的实验。
1. DNA提取DNA提取是基因克隆的第一步,它可以通过细胞裂解、溶解和沉淀等步骤将DNA从生物体中提取出来。
常用的DNA提取方法包括酚-氯仿法、盐析法和商业DNA提取试剂盒等。
2. PCR扩增PCR扩增是基因克隆的关键技术,它可以通过DNA聚合酶的作用,将目标基因序列进行扩增。
转基因技术的原理转基因技术是一种通过改变生物体的遗传信息来获得特定性状的技术,它是现代生物技术的重要组成部分。
转基因技术的原理主要包括基因克隆、基因导入和基因表达三个基本步骤。
首先,基因克隆是指从一个生物体中获得目标基因,并将其进行复制。
这一步骤通常是通过PCR技术或者其他基因克隆技术来实现的。
通过这一步骤,科学家们可以获得他们感兴趣的基因,并将其进行后续的操作。
其次,基因导入是指将获得的目标基因导入到另一个生物体中。
这一步骤通常是通过载体DNA或者病毒载体来实现的。
科学家们将目标基因与载体DNA结合,然后将其导入到目标生物体的细胞中。
在细胞内,目标基因会被插入到生物体的染色体中,并成为其遗传信息的一部分。
最后,基因表达是指在目标生物体中使导入的基因表达出目标蛋白质。
这一步骤通常是通过转录和翻译过程来实现的。
一旦目标基因被导入到生物体的染色体中,它就会参与到生物体的基因表达过程中,从而使目标蛋白质得以表达出来。
通过以上三个基本步骤,转基因技术可以实现对生物体特定性状的改变。
例如,科学家们可以通过转基因技术来增加作物的抗病性、抗虫性和耐逆境能力,从而提高作物的产量和质量。
此外,转基因技术还可以用于生产药物、改良家畜和提高微生物的发酵能力等方面。
总的来说,转基因技术的原理是通过基因克隆、基因导入和基因表达三个基本步骤来实现对生物体特定性状的改变。
这一技术已经在农业、医药和工业等领域发挥着重要作用,为人类社会的发展做出了重要贡献。
随着科学技术的不断进步,相信转基因技术将会在未来发挥更加重要的作用,为人类社会的可持续发展提供更多的可能性。
基因克隆与表达的研究方法基因克隆和表达是生命科学中重要的研究方法,它们在基因工程、药物研发、癌症治疗等领域发挥着重要作用。
在克隆和表达一个基因之前,需要先建立一个可重复的实验方法,以确保实验结果的准确性和可靠性。
本文将介绍基因克隆和表达的一些通用方法和技术。
1. PCR扩增PCR扩增是一种常用的克隆方法,它可以在短时间内高效地扩增DNA序列。
这种方法需要一对引物,在PCR反应中引物定向扩增目标序列。
PCR反应需要一个DNA模板、引物和聚合酶,在合适的反应条件和温度下进行。
PCR扩增后的产物可以纯化、酶切、克隆到表达载体上。
2. 限制性内切酶消化限制性内切酶消化是一种分子生物学技术,可以将DNA分子切成不同的长度,并生成暴露的粘性末端。
这样的末端可以与其他的DNA分子的互补末端连接起来,从而实现DNA的克隆。
在DNA克隆中,选择合适的限制性内切酶可以实现目标DNA序列的克隆。
3. 匀浆凝胶电泳匀浆凝胶电泳是一种检测DNA大小的技术,它可以用于确认PCR扩增产物的大小,鉴定DNA克隆的有效性以及纯化DNA等。
在匀浆凝胶电泳中,DNA样品被负载到凝胶上,并在电场作用下迁移。
根据DNA分子大小的不同,可以通过在凝胶上形成特定的DNA带和条带,从而检测DNA分子的大小。
4. 蛋白表达的研究方法蛋白表达是生命科学研究中重要的实验方法,可以获得对生命过程和重要分子的深入了解。
在蛋白表达中,需要克隆一个给定的基因到一个特定的表达载体上。
表达载体中包含能够转录和翻译蛋白质所需的所有元件。
在表达系统中,可以使用细胞培养、原核生物、真核生物等不同的宿主来表达蛋白。
5. 功能分析的研究方法在获得基因克隆和表达蛋白之后,需要通过功能分析进一步了解目标基因和蛋白的生物学功能。
在功能分析中,常用的方法包括基因敲除、蛋白互作、基因组学、蛋白质修饰等。
通过这些方法,可以深入研究生物学体系的信号传导、调节机制、发育和疾病机制等问题。
基因工程中的基因克隆与表达基因工程是一门涉及分子生物学、遗传学、生物化学等多个学科的综合性科学。
其中,基因克隆和基因表达是基因工程研究的两个重要方面。
本文将就基因克隆和基因表达的原理、方法及应用进行探讨。
一、基因克隆1.原理基因克隆是指将目标基因从其天然基因组或其他来源中分离出来,并将其插入到另一个载体(如质粒)中,使其能够在宿主细胞内复制和表达。
基因克隆的原理是基于DNA序列特异性杂交的方法,利用限制性内切酶切割目标DNA和载体DNA,然后将它们黏合在一起,形成重组DNA。
通过转形或感染,使重组DNA 进入宿主细胞内,并复制和表达。
2.方法基因克隆的方法主要有限制性酶切与黏合(RE-Mediated Ligation)、PCR(聚合酶链反应)、TA克隆和基因文库等。
限制性酶切与黏合是一种常用的基因克隆方法。
该方法利用限制性内切酶切割DNA,然后通过T4 DNA连接酶黏合在一起。
这种方法操作简单、效率高,但存在限制内切酶的局限性,无法应用于不同酶切位点的DNA。
PCR是用于复制DNA片段的重要方法,也可以用于基因克隆。
PCR方法可以在不使用限制酶的情况下,从任何源提取DNA片段,扩增需要的基因段,并使用酶切和连接技术插入到载体中。
TA克隆是指用于从PCR产物中克隆DNA的一种方法。
该方法利用了Taq聚合酶不完全特异性合成3'-末端斜伸的性质,使产生的末端序列与T自带的A进行互补配对,从而使PCR产物能够被直接连接到TA克隆载体上。
基因文库是一种重要的基因克隆技术,可以将许多目标基因同时克隆入同一载体中。
基因文库分为cDNA文库和基因组文库。
通过荧光筛选或选择性培养,可以从文库中筛选出感兴趣的基因。
3.应用基因克隆技术广泛应用于基因工程、疫苗制备、药物研发、作物改良、动物遗传改良、环境污染治理等领域。
例如,利用基因克隆技术可以创造出超级细菌、工业用酶、新型药物、高产优质作物等。
二、基因表达1.原理基因表达是指基因通过转录和翻译的过程,将DNA序列转化为蛋白质的过程。
基因克隆和表达在蛋白质功能研究中的应用蛋白质是生命体内最为丰富和基本的生物大分子,其在生命体内承担着诸多重要的生命过程,如代谢、信号传递、免疫反应、细胞分裂等。
因此,对蛋白质的结构与功能进行研究具有非常重要的科学意义和实用价值。
在这方面,基因克隆和表达技术作为分子生物学研究的重要手段之一,已经被广泛应用于蛋白质结构与功能研究中。
一、基因克隆的原理和方法基因克隆是指将外源DNA序列插入到宿主DNA分子中并将其复制的过程。
它是构建重组DNA分子、获得纯化蛋白质和基因功能研究等生物学实验中必不可少的技术手段。
基因克隆技术的主要步骤包括:1、DNA提取:从目标细胞中提取出DNA2、PCR扩增:利用聚合酶链式反应技术,对目标基因进行扩增3、限制性内切酶切割:用限制性内切酶对扩增出的基因进行切割4、连接外源基因:将切割好的外源基因与质粒连接,构建出重组质粒5、质粒转化:将重组质粒导入宿主细胞中,使其在宿主细胞中稳定复制二、蛋白质表达的原理和方法蛋白质表达是指通过构建重组DNA分子的方式,使得目标蛋白质能够在宿主细胞中稳定表达的技术。
蛋白质表达技术的主要步骤包括:1、重组DNA构建:将目标基因与表达载体连接,构建成重组DNA分子2、宿主细胞转化:将重组DNA分子导入宿主细胞中,使其在宿主细胞中稳定复制3、蛋白质表达:宿主细胞利用其自身的蛋白质表达系统将目标蛋白质进行合成并进行折叠4、蛋白质纯化:利用各种不同的蛋白质纯化技术,将目标蛋白质进行纯化三、基因克隆和表达在蛋白质结构和功能研究中的应用1、蛋白质结构研究基因克隆和表达技术被广泛应用于研究目标蛋白质的结构。
例如,通过在目标蛋白质序列中引入特定的蛋白质标签,可以方便地提取出目标蛋白质,从而通过结晶学研究其晶体结构。
此外,基因克隆和表达技术也被广泛应用于核磁共振光谱、电镜等研究中,以研究蛋白质的结构。
2、蛋白质功能研究基因克隆和表达技术也被广泛应用于研究目标蛋白质的功能。
基因克隆和表达的实验设计实验目的研究绿色荧光蛋白(Greed Fluorescent Protein,GFP)基因的基因克隆及在大肠杆菌中的表达。
实验方法;通过分别将0M-5a(pEGFP-N3)和0M-5a(pET-28a)提取质粒、酶切并连接形成重组质粒pET-28a-GFP,将重组质粒导入0M-5a感受态细胞中进行转化,通过限制性核酸内切酶Not l与Bam H1和PCR对所建质粒进行分析鉴定后,通过转化的方法把含绿色荧光蛋白(GFP)外源基因转入大肠杆菌体Bl-2/内进行表达,再用IPTG诱导GFP 基因表达,如果可以看到显现绿色,判断GFP基因在大肠杆菌中成功表达。
材料与方法:实验材料克隆菌0W-5a、表达菌6l-21为本实验室收藏菌种,质粒pET-28a 和pEGFP-N3,引物,限制性内切酶Bam H1、Not I仪器设备Eppendof 离心机、电泳仪、电子天平、台式离心机、控温磁力搅拌器、调温电热套pH计、冰箱、台式冷冻恒温振荡器、紫外灯、生物洁净工作台、电热恒温水温箱、琼脂糖凝胶电泳电泳装置、凝胶成像分析系统、酒精灯、培养皿、、移液枪、枪头、接种环、酒精棉球、灭菌枪头、平板封口膜、离心管。
实验原理生物的大部分或几乎全部DNA都集中在细胞核或类核中。
DNA在体内通常都与蛋白质结合,蛋白质对DWA制品的污染常影响到以后的DWA操作过程,因此需把蛋白质除去,一般采用酚氯仿抽提法。
苯酚、氟仿对蛋白质有极强的变性作用,而对DNA无影响。
经苯酚、氟仿抽提后,蛋白质变性而被离心沉降到酚相与水相的界面,DNA则留在水相,少量的或与DNA紧密结合的蛋白质可用蛋白酶予以去除。
DNA制品中少量的RNA无影响,必要时可加入不含DNase的RNase 去除RNA污染。
实验步骤1、100ml细菌过夜培养液,5000rpm离心10分钟,去上清液。
2、加TE悬浮沉淀,并加10%S0S,50ul20mg/ml(或1mg干粉)蛋白酶K,混匀,37℃保温1小时。
基因克隆和表达技术在生物医药中的应用随着基因技术的迅猛发展,基因克隆和表达技术已经成为生物医药研究领域中最受关注的应用之一。
基因克隆和表达技术是指通过人工手段构建和操纵生物分子的DNA、RNA序列,实现对特定蛋白质或生化物质大量生产的技术。
基因克隆技术可以帮助研究人员得到需要的DNA序列,这些序列可以用于表达特定的蛋白质或功能分子,如药物、激素、抗体等。
同时,表达技术可以使得研究人员大量生产这些分子,从而满足临床治疗和科研需求。
基因克隆和表达技术在生物医药中的应用非常广泛。
下面将从三个方面介绍其应用。
一、基因克隆和表达技术在药物研究中的应用基因克隆和表达技术可以用于生产大量高质量的药物,从而提高药物疗效。
例如,利用基因克隆和表达技术可以生产重组人胰岛素,以治疗糖尿病。
此外,基因克隆和表达技术还可以生产一些专门用于癌症治疗的药物,如靶向药物、细胞因子和基因治疗药物等。
这些药物可以针对患者的特定症状进行优化,提高疗效。
二、保健品与生物制品领域中的应用生物制品和保健品是一些重要的医药品类别,包括抗体、基因序列、细胞和疫苗等。
基因克隆和表达技术在这些药物中也发挥了重要作用。
例如,表达特定的基因序列可以生产抗体,提高机体的自身免疫力,进而预防或医治疾病。
而在生物制品领域,基因克隆和表达技术则可以生产更加纯净的生物制品,从而提高生产效率和质量。
三、医学诊断领域中的应用基因克隆和表达技术还可以用于诊断某些疾病,如癌症、遗传病等。
例如,利用基因克隆和表达技术可以检查特定基因的突变情况,从而诊断遗传病。
同时,在癌症治疗中,基因克隆和表达技术可以检查癌症细胞的特定基因,以确定其对于特定药物的敏感性,从而更好地为患者提供精准治疗方案。
总之,基因克隆和表达技术在生物医药领域中具有重要的应用,为疾病的治疗和诊断提供了有力的支持。
未来,随着技术的不断发展和研究的深入,相信基因克隆和表达技术将为生物医药领域带来更多的突破和创新,为人类的健康福祉作出新的贡献。
Cloning and expression of peroxisomal Ascorbate Peroxidase genefrom wheatYaping Chen,Huazhong Wang,Xiue Wang,Aizhong Cao&Peidu Chen*State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement,Nanjing Agricultural University, Nanjing210095,People’s Republic of China;*Author for correspondence(Phone:+86-25-84396026;E-mail: pdchen@)Accepted24October2005Key words:peroxisomal ascorbate peroxidase,powdery mildew,SSH,wheatAbstractA full-length cDNA encoding wheat peroxisomal ascorbate peroxidase(pAPX)was cloned by Suppression Subtractive Hybridization(SSH)and in silico approach.The cDNA was1027bp in length and contained a complete ORF of876bp,which encodes a protein of292amino acid residues.Its deduced amino acids sequence had84%identity with that of pAPX from barley.The gene was designated as Ta-pAPX.The Ta-pAPX homologous genes were mapped on wheat chromosome7A and7D using Chinese Spring nulli-tetrasomic lines analysis.Northern analysis indicated that,after inoculation by Erysiphe graminis Dc.f.sp. tritici,the expression of Ta-pAPX gene in Yangmai5was enhanced,but its expression in wheat-Haynaldia villosa6VS/6AL translocation lines changed a little.The results implied that Ta-pAPX may be related to susceptibility of wheat to powdery mildew.The complete coding sequence of Ta-pAPX was cloned into an expression vector pET32(a+)and a protein with the same deduced molecular weight(MW)was expressed in E.coli BL21(DE3),which showed ascorbate peroxidase activity.Abbreviations:APX–ascorbate peroxidase;ESTs–expressed sequence tags;IPTG–isopropyl-beta-D-thiogalactopyranoside;MW–molecular weight;ORF–open reading frame;pAPX–peroxisomal ascorbate peroxidase;SSH–Suppression Subtractive Hybridization.IntroductionAscorbate peroxidase(APX),found in higher plants,cyanobacteria,and algae[1],is the key enzyme in degradation hydrogen peroxide.So far, at leastfive APX isoforms have been identified in plants:cytosolic isoforms,mitochondria isoforms, peroxisomal/glyoxysomal isoform and two chlo-roplastie isoforms,one in stroma and the other associated with the thylakoid membranes,all of which catalyze the reaction:2ascorbate peroxidaseþH2O2!2monodehydroascorbateþ2H2OAPXs activity increased in response to a num-ber of stress conditions,such as drought[2],salt [3],high temperature[4]and pathogen infection [5].Relationship between different stress condi-tions and changes of APX activity were observed.Powdery mildew caused by E.graminis DC.f.sp.tritici is one of the most serious diseases of common wheat in China and many other countries.The Triticum aestivum(‘‘Yangmai5’’)–Haynaldia villosa6VS/6AL translocation line carrying powdery mildew resistance gene Pm:21 confers effective resistance to all current powdery mildew races.To investigate the mechanism ofMolecular Biology Reports(2006)33:207–213DOI10.1007/s11033-005-4536-1ÓSpringer2006resistance to powdery mildew in6VS/6AL trans-location line,suppression subtractive hybridiza-tion(SSH)was performed between translocation line carrying Pm21and its recurrent parent Yangmai5to isolate resistance relative genes. Among the ESTs obtained by SSH analysis,a cDNA fragment that encodes a polypeptide homologous to barley peroxisomal ascorbate peroxidase gene did express differentially between the resistant and susceptible lines.In the present paper,we report the cloning and characterization of the full-length wheat peroxisomal APX gene by in silico approach,which is thefirst reported in wheat.The expressions of Ta-pAPX in Esc-herichia coli and pathogen infected leaves were also analyzed.Materials and methodsMaterialsPlant materials:Powdery mildew susceptible common wheat variety‘‘Yangmai5’’and resistant wheat–Haynaldia villosa6VS/6AL translocation line were provided by Cytogenetics Institute, Nanjing Agricultural University and grown in a isolation environment under room temperature for7days,leaves were then harvested at0,6, 12,24,36h after inoculation by E.graminis DC.f.sp.tritici for RNA isolation.Chinese Spring nulli-tetrasomic lines were grown under room temperature for DNA isolation.Bacterial strain and vector:pET32(a+)and BL21(Escherichia coil)were provided by Cytoge-netics Institute,Nanjing Agricultural University.Suppression subtractive hybridization(SSH)Suppression subtractive hybridization was per-formed according to Diachenko et al.[6].Total RNA was extracted by Trizol(GIBCO BRL).Poly (A)+RNA was prepared by Promega oligo(dT) kit.First-strand cDNAs were synthesized using oligo(dT)16as a primer.cDNA of Yangmai5un-inoculated by E.graminis DC.f.sp.tritici was used as Driver,cDNA of6VS/6AL translocation line inoculated for different time was used as Tester. PCR fragments obtained by SSH were cloned into a pGEM-T Easy vector(Promega).The putative clone was sequenced by Bioasia Company.A partial fragment encoding part of Ta-pAPX was obtained according to the BLAST homology searching.Cloning and sequencing of cDNAA full-length cDNA sequence encoding peroxi-somal ascorbate peroxidase(pAPX)was obtained by searching for database and splicing,Primers were then designed according to the sequences. APXF:5¢-TAGGGTCGTCCGCGA TGG-3¢AP XR:5¢-CCCCTTACTTGCTCCTC TT-3¢;RT-PCR screenings were performed using thefirst-strand cDNA of translocation line as templates. PCR were conducted by DNA Thermal Cycler (Perkin-Elmer)in25l l reaction mixture;The amplification reaction was for1cycle of3min at 94°C;33cycles of30s at94°C,40s at58°C; 2min at72°C;finally extended at72°C for7min. The PCR products were reclaimed and cloned into pGEM-T Easy vectors.The DNA sequences were determined based on BLAST program in GenBank. Expression and enzymatic activity of Ta-pAPXin E.coliThe ORF of Ta-pAPX were amplified by PCR and cloned into the pET-32(a+)expression vector. Primers were designed with an EcoRI cloning site at5¢end(5¢-TCGGAATTCATGGCGGCTC C-3¢) and with a NotI cloning site at3¢end(5¢-A GGCGGCCGCACTAGTGATT-3¢).The ampli-fied products were EcoRI/NotI restricted,ligated to EcoRI/NotI restricted pET-32(a+)and trans-formed into the strain BL21(DE3).The correct orientations of the inserts were verified by restric-tion endonuclease analyses.Individual colonies were inoculated into10ml of liquid medium with 100l g/ml of ampicillin,and allowed to continue to grow for about12h before IPTG was added to the liquid medium(1mMfinal concentration).Bac-terial cells were harvested about0.5,1,1.5,2h after IPTG added.Protein was extracted accord-ing to the protocol provided by Invitrogen.SDS-PAGE analysis followed Sambrook et al.[7].For in vitro detection of Ta-pAPX activity,the packed cells were resuspended at0.1of the original culture volume in25mM Tris buffer(pH7.5),containing 5%(w/v)glycerol,1mM EDTA,2mM ascorbic acid and250mM PMSF.After sonication,the soluble proteins were obtained by centrifugation at20812,000Âg for20min.The supernatant,which contained about50l g of protein,was directly loaded onto a native polyaciylamide gel for elec-trophoresis[8].The detection of Ta-pAPX activity in gels was the same as described by Ron Mittler et al.(1993)[9].Chromosome localization of Ta-pAPXPrimers were designed based on the sequence of Ta-pAPX gene:APX1:5¢-GTGATTCGTCAGTT TGTCC-3¢,APX2:5¢-CCCTTACTTGCTCCTC TT-3¢.PCR was performed using the DNA of Chinese Spring nulli-tetrasomic lines as templates. The amplification reaction was for1cycle of3min at94°C,33cycles of30s at94°C,30s at55°C; 2min at72°C,finally extended at72°C for 7min.PCR products were analyzed by30% PAGE gels,which stained by silvery.Assay for APX activity and Northern blotting analysisSoluble leaf protein was extracted by grinding0.5g of fresh leaf tissue and pestle in10ml of100mM sodium phosphate buffer(pH7.0)containing 5mM ascorbate and1mM EDTA,membrane and other cell debris were removed by centrifuge at 12000g for20min(4°C).The supernatant was used for APX activity analysis.Measurement of APX activity was performed as described previ-ously[10].The decrease in A290was measured when ascorbate was oxidized.Total RNAs were extracted from leaves.The equal quantity of total RNA(15l g/lane)was Figure1.Sequence of the Ta-pAPX gene and its deducted amino acid sequence(The sequence underlined is the suggested trans-membrane domain).209fractionated in 1%formaldehyde agarose gel,and blotted to nylon membranes as described by Sam-brook et al.[7].32P-dCTP-labeled 18S rRNA se-quences were used as probe for control,Northern blotting was according to Ausubel et a1.1995[11].ResultsCloning and sequencing of Ta-pAPXBy SSH,a cDNA fragment that express differen-tially between translocation line and Yangmai5was obtained.After sequencing,this fragment was found to have high homology to APX genes according to BLAST homology searching.The full-length cDNA clone was subsequently isolated from translocation line by RT-PCR using in silico approach.The cDNA was 1027bp in length and contained an open reading frame encoding a pre-dicted polypeptide of 292amino acids (Figure 1).Its deduced amino acids sequence had 84%homology to that from the Hordeum vulgare pAPX gene and 79%homology to that from Oryza sativa peroxisome type ascorbate peroxi-dase (Figure 2).Both the characteristicC-terminalFigure 2.Alignment of the deduced amino acid sequence of Ta-pAPX from wheat and the sequence of APX of barley(AB063117.1),rice(AK104490.1)and upland cotton (gb|AAB52954.1|).Black boxes indicate sequence identity;Dark gray boxes indicate sequencesimilarity.Figure 3.Analysis Chinese Spring nulli-tetrasomic lines chromosome localization of Ta-pAPX using.210part (from Phe-244to Lys-291)and the single transmembrance domain (from Thr-260to Tyr-282)as predicted by SOSUI [12]were found and conserved.Therefore,the isolated clone encodes the pAPX ,a basic protein of 31.73kD with a predicted pI of 7.74,and was hence designated as Ta-pAPX .PCR using DNA of Chinese Spring nulli-tetrasomic lines as templates showed that the Ta-pAPX homologous genes were located on wheat chromosome 7A and 7D,respectively.(Figure 3).Expression of Ta-pAPX in E.coli and assay for Ta-pAPX activity in vitroAfter induction with IPTG of different time (0.5,1,1.5,2h),31kD fusion protein,similar to the MW of barley HvAPX ,was successfully expressed in BL21(DE3)(Figure 4),the amount of expressed protein was enhanced when the time induced by IPTG was prolonged.This suggested that the Ta-pAPX was correctly expressed in E.coli .However,fusion protein was not expressed in the PET vector (without Ta-pAPX )alone.When pET 32(a+)–Ta-pAPX was trans-formed into E.coli,Ta-pAPX activity was detected in bacterial extracts by native-PAGE,whereas extracts from culture that contained the pET vec-tor alone (without Ta-pAPX )showed no APX activity (Figure 5).Expression of Ta-pAPXThe activities of APX were measured in order to investigate the change of expression of APX in-duced by E.graminis .As shown in Figure 6,slightly reduced activity of APX in the induced resistant line was observed at about 12h post-infection.And yet,under the same conditions APX activity significantly increased in susceptible lines (significance level 0.01)(Table 1).In addition,there were different APX activities between the analyzed resistant and susceptible line,the resis-tant line held obviously higher APX activity than susceptible line in a long time.NorthernblottingFigure 4.12%SDS-PAGE analysis of the expression of Ta-pAPX protein after IPTG induced.(Lane 1,0.5h;2,1h;3,1.5h;4,2h;M,Mark;CK,pET.).Figure 5.Enzymatic activity of Ta-pAPX expressed in BL21.Line 1pET-32(a+)-Ta-pAPX ;CKpET-32(a+).Figure 6.Changes of the activities of APX in the detached wheat leaves inoculated by E.graminis for 0,6,12,24,48h respectively.211analysis confirmed the above results(Figure7). Ta-pAPX expression of the inoculated susceptible line increased at about12h post-infection but decreased at about24h.Ta-pAPX expression of resistant line decreased slightly at about12h post-infection and maintained a relatively stable level at the subsequent time.DiscussionSSH technique is applicable to many molecular genetic and positional cloning studies for the identification of differentially expressed genes.In this research,the resistant6VS/6AL translocation line,used as tester in SSH,was inoculated by E. graminis for different time and the susceptible ‘‘Yangmai5’’was not inoculated.Some differen-tially expressed ESTs was obtained after SSH, Among them,a cDNA,which contains an ORF encoding a polypeptide homologous to pAPX from other species,was isolated from wheat.It contains a putative C-terminal transmembrane domain that may be anchored to a specific mem-brane(e.g.the plasma membranes or organelle membranes).Since it was found by Foyer and Halliwell in 1976,ascorbate peroxidase has been studied by many researchers on various aspects.Up to now, at leastfive APX isoforms have been identified in plants.Many studies focus on cytosolic isoforms, and a few on peroxisomal isoforms.Recently, pAPX(or gAPX)was cloned from cotton[13],A. thaliana[14],spinach[15],barley[6]and wheat in our study.Pathogen infection can result in oxidative stress in which more H2O2is generated in the microbody matrix and may readily diffuse into the cytosol. APX,which binds to the outside of the mem-brance,was considered to play an important role in decomposing H2O2to protect cell from oxida-tive damage.It was shown previously that APX accumulated clearly in wheat susceptible line[16]. In our results,expression of Ta-pAPX and activity of APX also increased in susceptible variety Yangmai5.Constitutive expression of pAPX and activity of APX in resistance line was higher than that of susceptible line,which indicated that resistance line maybe preformed sufficiently to eliminate ROI (reactive Oxygen intermediate).It has been re-ported recently that during the interaction of plants and pathogens,the expression of ROI detoxifying enzymes such as APX is suppressed and this sup-pression plays a key role in elevation cellular ROI levels,thereby inducing the initiation of PCD and other defenses during pathogen attack[17].These may explain why expression of Ta-pAPX and activity of APX have no change or even decrease in translocation line after inoculation.It should be investigated further that how much ROI should be hold or eliminated to keep cellular balance.Ta-pAPX was mapped onto the homologous group7,7A and7D,by wheat nulli-tetrasomic analysis and correctly expressed in bacterial cells. Further detailed analyses on the over-expression of the Ta-pAPX in common wheat are in pro-gressing in our laboratory.Table1.APX activity analysis of resistant and susceptible lines after infection of E.graminisHours after infection Resistant line Significance of difference Susceptible line Significance of difference00.9898a0.8600a60.9795a0.9637b120.9758a0.9535b240.9688a0.9488b480.9670a0.9442bFigure7.Northern blot analysis Ta-pAPX and18SrRNA.Line1,2,3Yangmai5was inoculated by E.graminis for0,12,24h;4,5,6,7Translocation lines was inoculated by E.graminis for0,12,24,48h.Hybridization of18SrRNA used as a control isshown in the bottom panel.212AcknowledgementsThis research was supported by grants from the Chinese High Tech Program of China(2001AA 222152),the Chinese High Tech Program of China (2004AA222140),the National Natural Science Foundation of China(30270828),and Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University.References1.Asada K(1992)Physiol.Plant.85:235–241.2.Mittler R&Zilinskas B(1994)Plant J.5:397–405.3.Lopez F,Vansuyt G,Case-Delbart F&Fourcroy P(1996)Physiol.Plant.97:13–20.4.Shi WM,Muramoto Y,Ueda A&Takabe T(2001)Gene273:23–27.5.Mittler R,Feng XQ&Cohen M(1998)Plant Cell10:461–473.6.Diachenko L,Lau YC&Campbell AP(1996)Proc.Natl.A93:6025–6030.7.Sambrook J,Fritsch EF&Maniatis T2nd ed.,New York:Cold Spring Harbor Laboratory press.8.Charles R,Caldwell J,Tyrano F&McMahon BM(1998)Planta.204:120–126.9.Mittler R&Zilinskas AB(1993)Anal.Biochem.212:540–546.10.XU LL&YE MB(1989)J.Nanjing Agric.Univ.12:82–83.11.Ausubel FM,Brent R,Kingston RE,Moore DD,SeidinanJG,Smith JA&Struchl K(1995)Short Protocol in Molecular Biology(3rd ed.).John Wiley&Sons,Media, Pennsylvania,USA.12.http://sosui.proteome.bio.tuat.ac.jp/sosuiframe.html.13.Bunkelmann JR&Trelease RN(1996)Plant Physiol.110:589–598.14.Zhong H,Wang J,Nickel U,Randy DA&MG HowardPlant Mol.Biol.34:967–971.15.Ishikawa T,Yoshmura K,Sakai K,Tamoi M,Takeda T&Shigeoka S(1998)Plant Cell Physiol.39:23–34.16.Chen LF,Ye MB,Chen YX&Xu LL(1997)Acta Phy-topathol.Sinica27(2):113–118.17.Ron M,Elza HH,Bjorn LO,Wim VC,Hilde W,Dirk I&Brian EE(1999)A24:14165–14170.213。