疾病基因克隆的策略及主要方法
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克隆基因的方法
克隆基因的方法是指利用分子生物学技术对某一基因进行精准而
快速的复制。
其步骤主要包括酶切、DNA片段分离、连接和转化等。
使用这种方法,我们可以快速获取到目标基因,因此对于研究基因功能
和遗传学方面有着重要的意义。
首先,我们需要从目标基因组织中提取出DNA,并使用限制性内切酶将其切成数个片段。
然后,利用凝胶电泳技术将目标片段分离出来,并使用DNA聚合酶将其连接形成目标基因。
接下来,将得到的基因放入一个载体中,并通过化学反应或者电
穿孔等方式将载体直接或间接转化入细胞中。
最后,经过培养和筛选,我们就可以获得到目标基因的克隆。
值
得注意的是,在整个过程中,需要用到一系列不同的分子生物学工具
和技术,例如PCR扩增、DNA测序、化学转化等。
基因克隆的方案在科学领域里,基因克隆一直是一项备受争议的研究领域。
从早期的克隆风波到如今的克隆技术已经取得长足的进展。
基因克隆是指通过人工手段制造与原始DNA完全相同的DNA分子,可以用于研究基因的功能、制造药物、改良农作物等。
然而,如何进行基因克隆,却是一个需要仔细思考和制定方案的问题。
第一步,确定克隆目的。
在基因克隆中,确定克隆的目的至关重要。
无论是研究基因的功能、制造药物、改良农作物,或者是其他用途,都需要首先明确克隆的目的。
这有助于确定后续的步骤和实验方案。
第二步,选择适当的克隆方法。
基因克隆可以通过多种方法实现,如PCR扩增、基因文库构建、限制酶切插入等。
根据克隆的目的和所需的基因片段长度,可以选择适当的克隆方法。
不同的方法有不同的优缺点,需要综合考虑各种因素,以得到最佳的克隆效果。
第三步,设计引物和启动子。
在进行基因克隆时,需要设计适当的引物和启动子。
引物是用于PCR扩增克隆所需的基因片段,启动子则是用于驱动基因在宿主细胞中的表达。
引物和启动子的设计需要考虑到目的基因的长度、序列和特定的实验要求。
合理的设计能够提高克隆的成功率和稳定性。
第四步,选择合适的宿主细胞。
基因克隆需要将目的基因导入到宿主细胞中,宿主细胞的选择对于克隆的成功非常重要。
常用的宿主细胞有大肠杆菌、酵母菌等。
根据克隆的目的和需要,选择适当的宿主细胞,以确保基因的稳定表达和高效生产。
第五步,进行基因导入和转化。
一旦确定了宿主细胞,就需要进行基因导入和转化。
这可以通过质粒转化、病毒载体介导转化等方式实现。
基因导入和转化的方法需要根据实验要求和目的进行选择,以确保基因克隆的成功和宿主细胞的稳定性。
第六步,进行筛选和验证。
在基因克隆完成后,需要进行筛选和验证。
这可以通过PCR扩增、限制酶切、测序等方式来检验所获得的克隆是否准确、稳定和纯净。
筛选和验证的步骤是克隆过程中的重要环节,也是确定克隆的质量和可靠性的关键。
基因克隆的方案不仅仅是一个简单的实验步骤,而是需要全面考虑和制定的复杂过程。
基因克隆的一般程序
基因克隆通常包括以下步骤:
1.选择一个目标基因,并设计引物:在开始之前选择要克隆的
基因,并设计引物。
引物通常包括两个寡核苷酸序列,它们与目标基因的两端相匹配,并且在引物的末端含有限制性内切酶识别位点。
2.将目标基因PCR扩增:使用引物进行PCR扩增,从而扩增
目标基因。
PCR扩增过程中,添加限制性内切酶识别位点的
引物,则可以获得含有限制酶切割位点的PCR产物。
3.剪切PCR产物:将PCR产物用限制性内切酶进行切割,因
为PCR产物含有限制性酶切割位点,因此可以选择正确的限
制性内切酶来切割。
4.连接载体:将PCR产物和质粒(或其他载体)用T4 DNA
连接酶连接在一起。
质粒通常被用作载体,因为它们可以在细胞内稳定复制。
5.转化:将连接好的质粒导入大肠杆菌等推动器中,并将其生
长在培养基上,以让它们自我复制。
6.筛选克隆:使用蓝白斑筛选法确定哪些细菌含有转化的基因。
该方法利用质粒上的LacZ基因,这可以使含有原核素三硝基
甲酸的菌落变成蓝色,而不含此基因的细菌则是白色的。
7.确定序列:将可能的克隆 DNA 提取出来,然后将其进行测序,从而确定克隆基因的精确序列。
8.表达蛋白质:克隆基因的表达,可以用来表达蛋白质。
这可以通过让此基因插入到一个表达载体中来完成,然后将其转化至宿主细胞中,也可对其进行人工表达分析。
基因克隆技术的基本步骤随着科技的不断发展,基因克隆技术越来越成为生命科学研究的重要手段。
在生命科学、医学等领域,基因克隆技术的应用十分广泛。
本文将介绍基因克隆技术的基本步骤。
一、选择载体DNA在基因克隆中,载体DNA是将外源DNA(待克隆DNA)转化进细胞的基础。
目前主要的载体DNA是质粒,其一般大小在1至20 kb之间。
质粒的选择应遵循以下几个原则:1. 合适的选体标识。
大多数载体都有一些明显的特征,例如特定的抗生素抗性或颜色,因此选择能够用于筛选的选体标识是基本原则之一。
2. 合适的克隆位点。
载体DNA上应具有克隆位点,以便将待克隆DNA插入到其中。
3. 可重复复制。
质粒必须带有在细胞内自我复制所必需的序列。
二、切割DNA通过限制性内切酶切割将待克隆DNA和载体DNA裂解成短的DNA片段。
这些片段在电泳时可以按照大小区分开,以便以后的克隆工作。
三、将外源DNA插入载体DNA外源DNA和载体DNA的连接需要使用DNA连接酶,如DNA ligase。
方法是将两个DNA片段的末端和连接起来形成一个完整的DNA分子。
连接成功后,形成了一个混合DNA。
由于载体的复制和传递,待克隆DNA也可以被大量复制。
四、将混合DNA转化进宿主细胞将混合DNA转化进宿主细胞是整个克隆过程中至关重要的一步,因为宿主细胞受到质粒的干扰,催化质粒遗传信息的传递与表达。
大多数质粒都需要在易感受性细胞中才能存在并复制。
宿主细胞的选择是非常重要的,有些宿主细胞对外源DNA的吸收和扩增效率非常高,充分利用每一个获得的外源DNA分子。
五、筛选克隆基因最后一步是克隆基因的筛选,筛选克隆基因需要具有合适的筛选方法。
常用的筛选方法是使用抗生素抗性,因为载体上通常带有抗生素基因,能够筛选那些携带载体克隆块的细胞。
克隆基因的筛选方法不止于抗生素抗性,还可以根据不同的克隆目标进行选择。
例如,当克隆目标是蛋白质时,可以使用融合蛋白法克隆兴趣的编码DNA,并利用其蛋白质结构的特点分离出融合蛋白。
基因克隆方案基因克隆是现代生物学中一项重要的技术手段,可以帮助科学家们研究和理解基因在生物体内的功能以及相互作用关系。
本文将介绍一种基因克隆的方案,包括所需材料、实验步骤以及预期结果。
材料准备:1. 原核或真核生物DNA样本2. 大肠杆菌或其他合适的宿主细胞3. 抗生素培养基4. 离心管和显微管5. 高速离心机6. 热循环仪7. DNA聚合酶、限制性内切酶、连接酶等相关试剂实验步骤:1. DNA片段的制备a. 提取所需的DNA样本,并利用限制性内切酶进行酶切,得到所需的目标DNA片段。
b. 进行DNA片段的纯化,通过凝胶电泳确认目标DNA片段的大小,并将其收集起来。
2. 载体的制备a. 准备合适的载体,如质粒或病毒。
b. 利用限制性内切酶对载体进行酶切,以开放载体的多个切位。
c. 将目标DNA片段与载体进行连接,使用连接酶催化反应使其稳定结合。
3. DNA的转化与筛选a. 将连接好的DNA测序样本转化到合适的宿主细胞中,如大肠杆菌。
b. 将转化后的细胞培养于含有抗生素的培养基上,以筛选带有目标DNA的克隆。
c. 通过PCR等方法检测筛选出的克隆是否携带目标基因,确认克隆是否成功。
4. 克隆的扩增与提取a. 选择带有目标基因的克隆进行扩增培养。
b. 利用高速离心机将细胞进行离心分离,提取出目标DNA。
预期结果:经过以上步骤,我们可以获得目标基因的克隆并进行扩增。
在实验结果中,我们能够观察到目标DNA片段在凝胶电泳图谱中的特定带状条带,同时,通过PCR验证可以进一步确认克隆是否成功。
此外,最终扩增的目标基因克隆可以用于后续的实验研究,如转基因生物的构建或基因功能的研究。
总结:通过以上实验方案,我们可以使用基因克隆技术获得目标基因的克隆,并获得扩增后的纯净DNA样本。
这项技术在现代生物学和医学研究中具有广泛的应用前景,为科学家们研究基因的功能及其在人类健康中的意义提供了关键的工具。
然而,需要注意的是,基因克隆技术的操作需要严格遵守实验室安全规范,并经过充分的训练,以确保实验的准确性和安全性。
植物基因克隆的策略与方法基因的克隆就是利用体外重组技术,将特定的基因和其它DNA顺序插入到载体分子中。
基因克隆的主要目标是识别、别离特异基因并获得基因的完整的全序列,确定染色体定位,说明基因的生化功能,明确其对特定性状的遗传控制关系。
通过几十年的努力由于植物发育,生理生化,分子遗传等学科的迅速开展,使人们掌握了大量有关植物优良性状基因的生物学和遗传学知识,再运用先进的酶学和生物学技术已经克隆出了与植物抗病、抗虫、抗除草剂、抗逆,育性、高蛋白质及与植物发育有关的许多基因。
我们实验室对天麻抗真菌蛋白基因作了功能克隆的研究(舒群芳等,1995;舒群芳等,1997),为了克隆植物基因也探讨了其它克隆方法,本文论述基因克隆的策略、方法及取得的一些进展。
1 功能克隆(functional Cloning)功能克隆就是根据性状的根本生化特性这一功能信息,在鉴定和基因的功能后克隆(Collis,1995)。
其具体作法是:在纯化相应的编码蛋白后构建cDNA文库或基因组文库,DNA文库中基因的筛选根据情况主要可用二种方法进展,(1)将纯化的蛋白质进展氨基酸测序,据此合成寡核苷酸探针从cDNA库或基因组文库中筛选编码基因,(2)将相应的编码蛋白制成相应抗体探针,从cDNA入载体表达库中筛选相应克隆。
功能克隆是一种经典的基因克隆策略,很多基因的别离利用这种策略。
Hain等从葡萄中克隆了两个编码白藜芦醇合成的二苯乙烯合成酶基因(Vst1和Vst2),葡萄中抗菌化合物白藜芦醇的存在,可以提高对灰质葡萄孢(Botrytis cinerce)的抗性,在烟草和其它一些植物中无二苯乙烯合成酶,因此克隆该基因经过转基因后,对有些植物产生对灰质葡萄孢的抗性很有意义(Hain等,1985)。
Kondo等1989年对编码水稻巯基蛋白酶抑制剂的基因组DNA做了克隆和序列分析(Kondo 等,1989)。
周兆斓等构建了水稻cDNA文库,别离了编码水稻巯基蛋白酶抑制剂的cDNA(周兆斓等,1996)。
植物基因克隆的策略及方法首先,PCR是植物基因克隆的重要策略之一、PCR(聚合酶链反应)是一种体外复制DNA片段的方法,可以在短时间内扩增大量的特定DNA序列。
通过PCR可以快速准确地克隆植物基因。
PCR的基本原理是利用DNA 聚合酶酶学合成原理,在DNA片段两侧设计引物,将其与DNA片段的两侧结合,在适当的条件下进行DNA的聚合酶链反应,从而扩增目标基因。
PCR方法主要包括加热解性、引物连接、扩增和酶切等步骤。
其次,限制性酶切也是植物基因克隆的重要方法。
限制性酶切是指利用特定的限制性酶将DNA分子切割成特定序列的片段。
通过限制性酶切,可以将目标基因从植物DNA中剪切出来,然后进行进一步处理。
限制性酶切的基本原理是将特定的限制性酶加入反应体系中,该酶能识别和切割DNA的特定序列,从而将目标基因从DNA中剪切出来。
限制性酶切方法主要包括选择合适的限制性酶、反应条件的优化、酶切产物的回收和检测等步骤。
连接是植物基因克隆的另一种重要方法。
连接是指将目标基因连接到特定的载体DNA上,以便在目标植物中稳定地表达。
连接方法主要包括两个步骤:首先,需要处理载体DNA和目标基因的末端,以便它们能够相互连接;其次,利用DNA连接酶将载体和目标基因连接起来。
连接步骤中的处理涉及到DNA末端的修饰和处理,可以通过多种方法如限制性内切酶切割、引物扩增、酶切等进行。
最后,转化是植物基因克隆的最后一步。
转化是指将连接好的目标基因插入到目标植物的基因组中,使其能够在植物体内稳定表达。
转化的方法有多种,包括农杆菌介导的转化、基因枪转化、电穿孔转化等。
其中,农杆菌介导的转化是最常用的方法之一、农杆菌介导的转化是利用农杆菌作为载体将外源DNA导入到目标植物细胞中,通过农杆菌的自然寄生习性以及在植物细胞中特定的植物基因的活性表达,实现目标基因的稳定表达。
总的来说,植物基因克隆的策略和方法包括PCR、限制性酶切、连接和转化。
通过这些方法,可以快速准确地克隆植物基因,实现对植物遗传特性的改变和优化,为农业生产和植物遗传研究提供有力的技术支持。
基因克隆的方法基因克隆是指在体外将含有目的基因或其它有意义DNA段同能够自我复制的载DNA连接,然后将其转入宿主细胞或受体生物进行表达或进一步研究的分子操作的过程,因此基因克隆又称分子克隆,基因操作或重组DNA 技术。
根据这个定义,于是选择和使用不同的方法,最后得到含有目的基因片段的菌株。
针对目的基因的来源不同,可以选择多种克隆方法,但并没有放之四海而皆准的方法,要针对自己的目的基因的特点采取相应的且合适准确的方法来获得目的基因的克隆。
1当目的基因的序列完全已知时。
则可以根据文献上所查到的基因的注册序列号到相应的网上数据库去查找该基因的全序列结构信息,例如最常用的美国NCBI网站上的Genbank数据库。
然后查找到相应的目的基因的核苷酸序列信息和其来源。
然后使用生物信息学软件对基因的序列进行分析,设计通过PCR反应来扩增目的基因的核苷酸引物,并将设计的引物序列发给生物技术公司合成,最后得到引物核苷酸并用纯水进行合理的稀释。
接下来将采集含有目的基因的生物标本材料,使用合理的方法提取生物标本的基因组并进核酸浓度与纯度的测定,由于生物体的核酸从化学性质上来讲主要分为DNA和RNA两种,所以提取基因组后针对基因组的选择要尽可能去除另一种核酸的干扰与污染。
然后根据基因组的质量,浓度,PCR扩增设计引物的结构,目的基因的长度等因素设计PCR反应的条件,反复试验以找到能够通过PCR方法来准确扩增目的基因的最佳反应条件。
在目前的PCR反应中所采用工具酶为Taq DNA聚合酶,通常所用的Taq DNA聚合酶具有一个生物反应特性,在其扩增的PCR产物上,其3’末端总是会带有一个非模板依赖性的突出碱基,而且这个碱基几乎总是A( dATP), 因为Taq DNA聚合酶对dATP具有优先聚合活性,故可以针对这一点采取两种克隆策略。
其一,可以采取TdT末端加同聚尾的方法与载体拼接;其二,可直接与一些T载体(切口处含有一个突出T碱基的克隆载体)连接并克隆。
基因克隆原理及实验介绍基因克隆是一种将一段特定的DNA序列从一个生物体复制到另一个生物体中的实验技术。
通过基因克隆,科学家们可以研究和分析特定基因的功能以及其在生物体中的作用。
基因克隆的原理主要包括DNA片段的选择、DNA片段扩增、构建载体、插入DNA片段到载体中、转化宿主细胞、筛选并鉴定重组表达体等步骤。
首先,基因克隆的第一步是选择目标DNA片段。
目标DNA片段可以是一个完整的基因、一个局部的基因片段,或者是其他DNA序列。
选择DNA片段通常基于对目标基因的兴趣或研究目的。
接下来,将目标DNA片段通过PCR扩增技术获取足够数量的DNA。
PCR是一种可以在体外扩增特定DNA片段的方法,它使用DNA聚合酶酶和合成的两个引物来扩增特定的DNA序列。
PCR的结果是通过DNA的指数增长,可以获得足够数量的DNA用于后续的实验。
在获得足够的DNA片段之后,下一步是构建载体。
载体是一个DNA分子,可以用来携带和复制目标DNA片段。
最常用的载体是质粒,质粒是一种环状的DNA分子。
构建载体的过程包括选择合适的质粒,将质粒进行消化(通过限制酶切),然后使用DNA连接酶将目标DNA片段连接到质粒上。
之后,构建好的载体需要插入到宿主细胞中。
细菌通常是最常用的宿主细胞,因为它们可以快速增殖并很容易被转化。
一种常用的转化方法是热激转化法,即将含有质粒的细胞和热激转化液一同加热,使得质粒能够进入细菌细胞内。
转化成功后,需要对宿主细胞进行筛选并鉴定是否有重组表达体。
最常用的筛选方法是利用抗生素抗性基因。
在构建载体的过程中,通常会将抗生素抗性基因插入到质粒中,使得只有带有重组表达体的细菌能够在含有抗生素的培养基上存活和生长。
最后,使用一系列的分子生物学方法,如限制酶切、PCR、DNA测序等,对得到的重组表达体进行鉴定和验证。
这些方法可以确定插入的DNA 片段是否正确,并且确认重组表达体是否具有所需的功能。
总之,基因克隆是一种强大的实验技术,可以用于研究和分析特定基因的功能和作用。
基因克隆的主要方法
嘿,朋友们!今天咱就来唠唠基因克隆的主要方法。
你说这基因克隆啊,就好像是一个神奇的魔法。
想象一下,我们能把一个生物的基因像变戏法一样复制出来,是不是很厉害?
先来说说载体构建吧。
这就好比是给基因找个家,找个合适的载体,让基因能舒舒服服地待在里面。
就像你给小宠物搭个温暖的窝一样。
然后把要克隆的基因通过各种手段放进去,让它们完美结合。
还有目的基因的获取呀,这可是关键的一步呢!就像是去寻宝,要找到那个珍贵的基因宝贝。
可以从细胞里提取,可以用 PCR 技术扩增,方法可多啦!
转化这一步也很重要哦!把带着目的基因的载体送进受体细胞里,让它们融为一体。
这感觉就像是把一颗种子种到土地里,期待它能生根发芽。
筛选和鉴定呢,就像是大浪淘沙,把那些不符合要求的淘汰掉,留下真正的精华。
就像在一堆石头里找出宝石一样。
你看,基因克隆是不是很有意思?这可不是随随便便就能搞定的事儿,得细心,得耐心。
就好像做饭一样,每一步都要恰到好处,才能做出美味的菜肴。
咱就说,如果能熟练掌握这些方法,那可真是牛了!能为医学、农业
等好多领域带来巨大的帮助呢!可以研发新药,可以培育优良品种,好处多得数都数不过来。
基因克隆就像是一把神奇的钥匙,能打开好多未知的大门。
虽然过程可能有点复杂,但只要我们用心去钻研,去探索,肯定能发现更多的奇妙之处。
所以呀,大家可别小瞧了基因克隆,它可是有着大能耐呢!这就是基因克隆的主要方法啦,朋友们,你们明白了吗?。
克隆病的病因与治疗克隆病,也叫做骨髓增生性肿瘤。
它是一种由单个克隆细胞引起的骨髓疾病,克隆细胞可以产生异常的髓母细胞。
这个病会引起骨髓功能的异常增长,而且质量和数量都会受到影响。
克隆病是一种极其严重的疾病,病发时会给患者带来很大的痛苦,必须尽早发现并进行治疗。
病因剖析目前,克隆病的确切病因尚未完全明确。
但基于目前的研究来看,绝大多数克隆病的发病原因是由于异常的基因突变。
这些基因突变使得某些骨髓细胞的生长变得异常。
具体来说,这些基因突变会使得细胞的分裂、增殖以及分化发生障碍,从而导致整个骨髓系统的紊乱。
而且在克隆病患者体内,这些异常细胞通常会形成“树枝状”结构,从而使它们在生长的过程中更加嚣张。
除此之外,克隆病的发病也可能与一些环境因素有关。
例如,一些有毒物质、重金属以及化学物品等的污染,都有可能导致正常骨髓细胞发生基因突变。
但是,要想完全确认这些因素是否与克隆病的发病有关,还需要通过更多的实验和数据来进行验证。
治疗手段对于克隆病,最佳的治疗方式是进行综合治疗。
而具体的治疗方法则需要根据患病程度以及病情特点来进行调整。
首先,对于早期诊断的克隆病患者,可以通过采用一些化疗、放疗以及造血干细胞移植等治疗方式来降低病情及其发展速度。
此外,对于某些患者,还可以通过骨髓移植以及免疫疗法来进行治疗和控制。
但是,因为每个克隆病病人的病情不尽相同,所以其治疗方法和控制策略也具有很大的个体化特点。
因此,在进行治疗时,医生们应该根据患者的身体状况及病情特点来进行个性化治疗,并密切观察患者的反应和疗效,并即时进行调整。
结语总的来说,克隆病的病因尚未完全明确。
但是,现有证据表明,人类基因的异常突变是其主要的发病原因。
对于克隆病患者,尽早进行诊断和治疗,可以有效地降低病情和病程。
同时,因为每个病人的病情都有所不同,治疗过程中应该进行个性化治疗,并密切观察治疗效果,以提供最佳的治疗效果。
克隆基因的步骤姓名:王静马红梅施翔骞武洋梁丹罗星(指导老师)克隆基因的步骤摘要:基因是遗传物质的最基本单位,也是所有生命活动的基础,不论是揭示某个基因的功能还是要改变某个基因的功能,都必须将所要研究的基因克隆出来。
本文将试验中的体会以及查阅文献后获得的知识做一汇总,简述克隆基因中的步骤以及在操作中应该注意到的一些问题。
关键词:基因克隆;质粒;重组基因克隆可概括为∶分、切、连、转、选。
"分"是指分离制备合格的待操作的DNA,包括作为运载体的DNA和欲克隆的目的DNA;"切"是指用序列特异的限制性内切酶切开载体DNA,或者切出目的基因;"连"是指用DNA连接酶将目的DNA同载体DNA连接起来,形成重组的DNA分子;"转"是指通过特殊的方法将重组的DNA 分子送入宿主细胞中进行复制和扩增;"选"则是从宿主群体中挑选出携带有重组DNA分子的个体。
DNA克隆的第一步是获得包含目的基因在内的一群DNA分子,常用的方法有机械切割和核酸限制性内切酶消化。
如果基因的两端部分序列已知,根据已知序列设计引物,从基因组DNA 或cDNA 中通过PCR技术可以获得目的基因。
该试验为设计引物来获得目的基因。
接下来选择载体,本次试验采用的是质粒载体,利用质粒进行载体构建。
载体构建的原理为:依赖于限制性核酸内切酶,DNA连接酶和其他修饰酶的作用,分别对目的基因和载体DNA进行适当切割和修饰后,将二者连接在一起,再导入宿主细胞,实现目的基因在宿主细胞内的正确表达。
体外重组则可完成上述过程。
体外重组即体外将目的片断和载体分子连接的过程。
大多数核酸限制性内切酶能够切割DNA分子形成有粘性末端,用同一种酶或同尾酶切割适当载体的多克隆位点便可获得相同的粘性末端,粘性末端彼此退火,通过T4 DNA连接酶的作用便可形成重组体,此为粘末端连接。
疾病基因克隆的策略及主要方法申海鹰周元国(第三军医大学野战外科研究所分子生物学中心,重庆400042)摘要疾病基因的分离和克隆是功能基因组学的研究热点,具体策略的选择取决于疾病背景资料的掌握程度,为能快速、准确地克隆出目的基因,本文介绍两类常用的基因克隆策略——定位克隆策略、功能克隆策略——及其主要方法,如:家系连锁分析、等位基因共占法、人群相关分析法、抑制性消减杂交、差示反转录PCR、差异消减显示法、代表性差异分析法、比较基因组杂交等,并作简要的评价。
关键词基因;定位克隆;消减杂交学科分类号Q785Strategies and methods for cloning pathogenic gene SHEN Hai-ying, ZHOU Yuan-guo. (C enter of Molecular Biology, Research Institute of Surgery and Daping Hospital, Third Milit ary Medical University, Chongqing 400042)Abstract Isolation and cloning of pathogenic gene is a hot spot in functional genome stu dy, while it is the disease background which decides the selection of the strategies. Tw o strategies, mapping strategy and functional cloning strategy, which can clone the obje ctive gene rapidly and accurately were introduced. Some main methods including family-based linkage analysis, allele sharing method, population association analysis, suppressio n subtractive hybridization (SSH), differential display reverse-transcription PCR (DD-RT-PC R), differential subtraction display (DSD), representational difference analysis (RDA), com parative genome hybridization (CEH) were elucidated briefly.Key words: Gene; Mapping clone; Subtractive hybridization基因组全序列测定可望提前完成,而以功能鉴定为中心的功能基因组学应运而生,将人类5~10万个基因定位及克隆是一项庞大而艰巨的任务。
自1911年Wilson将色盲基因定位于X染色体起,随着连锁分析方法的发展和体细胞杂交、重组DNA、分子杂交以及PCR技术的发现和应用,陆续出现了几种改进或全新的遗传学基因定位和克隆方法。
与此同时,另一类以消减杂交为基本原理的代表性差异分析、基因组错配扫描、比较基因组杂交及mRNA差示等方法的出现和应用,使一些多基因遗传病相关致病基因的筛查和定位面临突破。
迄今为止,约有5000个遗传性状被定位,其中400多个为致病基因[1]。
根据不同的背景资料,人类基因克隆可采取的思路有以下四种(见附图):目前人类基因克隆的主要策略有三种:一是反向遗传学定位克隆策略,它通过RFLP、微卫星D NA等遗传标记,先获得某一表型基因在染色体上的定位,再在候选区域内选择已知基因,进行致病突变的筛选,并获得cDNA及全基因;另一类是从蛋白质功能着手的功能克隆策略,采用以消减杂交为策略的多种分子生物学手段,先通过消减获得特异表达或缺失的基因片段,然后进行染色体定位乃至获得全基因。
本文拟就前两种主要策略和各自方法的优缺点作一介绍和分析。
此外,尚有介于两者之间的候选克隆策略,包括定位候选克隆和功能候选克隆,前者是在将疾病基因以连锁分析和染色体分析基本定位以后,再在候选区域内选择所有已知基因进行致病突变的筛选。
后者是根据致病基因的可能功能,检测Genbank中的基因功能区域,将含有接近功能域的基因用于致病的突变检测。
1. 定位克隆(positional cloning)策略其基本思路是通过连锁分析(linkage analysis)原理进行基因定位。
若多态标记与待定基因距离较远,则它们在向子代传递时会发生自由分离,呈“连锁平衡”;反之,则不发生自由分离,而呈现“共分离(co segregation)”现象,即“连锁不平衡”。
据此可在染色体上定位与某一DNA标记相连锁的基因。
两基因间连锁程度以遗传距离表示:1厘摩(cM)=1%重组率,即1000kb。
D NA标记的选择经历了从致病基因→ABO、HLA多态位点→RFLP→微卫星DNA的发展过程。
微卫星DNA(microsatellite DNA),是一种遍布于真核基因组的短重复序列、长度2~10bp之间、按孟德尔方式遗传、呈高度多态,能进行PCR扩增。
除DNA标记的进展外,基因定位也得益于连锁分析方法和理论的改进,目前主要有:家系连锁分析、等位基因共占法及人群相关性分析等。
1.1家系连锁分析(family-based linkage analysis)法是以二代或二代以上的家系材料为基础,观察标记位点与疾病致病基因位点在家系内是否呈共分离,并计算出遗传距离及连锁程度。
目前最常用的方法是优势对数计分(Lods)法,Lod值代表两位点连锁的机率与不呈连锁的机率比的对数值,>3肯定连锁,<-2否定连锁,介于1与-2之间则需增加家系材料。
该法优点在于对连锁的判断能力强,能确定连锁程度,适于呈孟德尔遗传、外显率高、纯一的单基因突变病分析[2],如糖尿病中的一种亚型MODY及少数呈多代多发患者的IDDM及NIDDM家系。
缺点是需要完整的系谱材料,结果受遗传模型设定的影响,对遗传参数如基因频率、基因传递率、外显率及表型模拟率等依赖较大,故对一些复杂多基因疾病进行家系连锁分析很难获得满意结果[3]。
1.2等位基因共占(allele sharing method)法基于观察受累同胞或家系成员间标记位点等位基因的共占情况[4],即来源于同一祖先的致病基因由受累的亲属共占的机率大于随机分布的机率,包括受累同胞对(Affected sib pair, ASP)分析及家系成员(APM)分析。
在ASP中,当标记位点与疾病无连锁时,双亲的标记位点等位基因随机分配给子代;若存在连锁,则受累同胞间共有等位基因机率将高于连锁时的预期值。
A PM是ASP的延伸,通过观察家系内所有患病成员标记位点等位基因的共有情况,来提高每个家系的信息量。
原则上,若具备双亲样本材料,可据此判定受累同胞的相同等位基因片段是否同源,即传递一致性(identical-by-descent, IBD)分析;若无双亲资料,则只能通过同胞间等位基因比较来推测其是否共有,即状态一致性(identical-by-state, IBS)分析。
若双亲均为纯合子以致判断困难者,可经统计处理用最大拟然实验估测出最可能的传递情况[5]。
该法优点是:①不受遗传模式等遗传参数影响,为非参数分析法;②对系谱材料要求低,只需一代或二代的家系内患病成员资料,而不需非患病成员资料;③可进行定量性状研究[6];④可研究两个不相连锁位点对疾病的联合作用,以解决复杂病易感基因间的相互关系;⑤对遗传异质性容许度大;⑥在候选基因研究中可应用间距较远(~20cM)的标记,故特别适合多基因遗传病及参数情况多数未明的复杂病研究。
采用此法已发现在染色体6p24-22区域存在起很小效应的精神分裂症致病基因。
缺点在于:①对连锁的判别效能弱于家系连锁分析,不能确定连锁程度;②检出力低于相关分析;③若家系中双亲均为患者的机率较高时,因易感基因可由双亲传递给子代,会影响分析正确性。
1.3人群相关分析(association analysis)法原理是在一定人群中设置患者组和对照组,在可能的候选致病基因附近选择遗传标记,通过观察标记位点与致病基因位点间存在连锁不平衡现象,得到某一遗传标记和引起疾病基因关联的相对危险度,又称连锁不平衡定位(linkage disequilibrium mapping, LDM)法[7]。
显然,标记位点与致病基因越近,且突变率越低,杂合度越高,则用标记检测致病基因位点的机率越高。
L DM法假设在人群中某一致病基因起源于同一远祖,经过若干代的传递,那些与致病基因紧密连锁的基因或DNA标记被一起分配到不同的患病个体。
研究那些表面上无亲缘关系的患者是否有相同的DNA标记的等位基因,根据该DNA标记可以得到待研究基因在染色体上的定位。
LDM法适合在人口流动极小,相对同源的人群中进行。
该类人群遗传背景及环境相近,但患者间亲缘关系远(较家系分析而言),故其连锁不平衡作用大,此时定位基因所需遗传标记及研究的患者数较一般人群相关性分析少。
其优点有:①无亲缘关系患者样本容易随机采集,并完全符合群体中疾病的临床谱;②为非参数分析;③检出力高于家系连锁分析,在复杂病研究中不但可以检出主效基因,而且可以检出相对风险率小于5.0的次效基因;④检出的相关位点与致病突变的距离多在1cM以内,而家系连锁分析则为2~10cM;⑤可提示相关位点或基因的传递方式及效应性质(致病或保护作用),并可由亚组分析发现疾病的遗传异质性。
但相关分析亦有缺点:在种群组成差异的两组间,会因标记位点等位基因频率及易感基因频率差异导致假阳性结果,即群体分层(population stratificati on)现象。
对此,一些新的研究方法如:患者家系对照者分析(affected family-based control, AFBAC)、单倍型相对风险率分析(haplotype relative risk, HRR)以及倍受推崇的家系传递连锁不平衡检验(transmission disequilibrium test, TDT)得以应用。
TDT法是在家系内进行相关分析[8],观察双亲(至少一个为杂合子)是否有某种等位基因传递给患者的频率明显增高,而呈现连锁不平衡。
TDT有以下优点:①可完全消除种族分层引起的误差;②可用于分析父、母在基因传递上的差异,如遗传印记(imprinting)的影响;③可分析相关位点参与发病程度及基因间相互关系,TDT法的应用解决了胰岛素基因是否与IDDM相关的长期争论。