质粒载体介绍.docx

1、质粒载体介绍（质粒基本特性和种类及标记基因） 一、质粒的基本特性 1质粒的复制 通常一个质粒含有一个与相应的顺式作用控制要素结合在一起的复制起始区（整个遗传单位定义为复制子）。在不同的质粒中，复制起始区的组成方式是不同的，有 的可决定复制的方式，如滚环复制和 复制。在大肠杆菌中使用的大多数载体都带有一个来源于 pMB1 质粒或 ColE1 质粒的复制起始位点。图 3-1 是其复制其始示意图。 在复制时，首先合成前 RNA ，即前引物，并与 DNA 形成杂交体；而后 RNase H 切割前 RNA ，使之成为成熟的 RNA ，并形成三叶草二级结构，该引物引导质粒的复制。形成的 RNA 可控制 R

2、NA 形成二级结构，同时 Rop 增强 RNA 的作用，从而控制质粒的拷贝数。削弱 RNA 和 RNA 之间相互作用的突变，将增加带有 pMB1 或（ ColE1）复制子的拷贝数。 图 3-1 带 pMB1（或 ColE1） 复制起点的质粒在复 制起始阶段所产生的转录的方向及其粗略大小。 2质粒的拷贝数 质粒拷贝数分为严谨型与松驰型。严谨型质粒每个细胞中拷贝数有限，大约 1 几个； 松驰型质粒拷贝数较多，可达几百。表 5-1 就是不同类的质粒与复制子及拷贝数的大致关系。 表 3-1 ：质粒载体及其拷贝数 质粒 复制子 拷贝数 pBR322 及其衍生质粒 pMB1 15 20 pUC 系列质粒及

3、其衍生质粒 突变的 pMB1 500 700 pACYC 及其衍生质粒 p15A 10 212 pSC101 及其衍生质粒 pSC101 5 ColE1 ColE1 15 20 pUC 系列质粒的复制单位来自质粒 pMB1 ，但其拷贝数较高。 pMB1 质粒的复制并不需要质粒编码的功能蛋白，而是完全依靠宿主提供的半衰期较长的酶（ DNA 聚合酶 ， DNA 聚合酶 ），依赖于 DNA 的 RNA 聚合酶，以及宿主基因 dnaB 、 dnaC 、 dnaD 和 danZ 的产物。因此，存在抑制蛋白质合成并阻断细菌染色体复制的氯霉素或壮观霉素等 抗生素 时，带有 pMB1（或 ColE1） 复制子

4、的质粒将继续复制，最后每个细胞中可积聚 2 3 千个质粒。 3质粒的不相容性 两个质粒在同一宿主中不能共存的现象称质粒的不相容性，它是指在第二个质粒导入后，在不涉及 DNA 限制系统时出现的现象。不相容的质粒一般都利用同一复制系统，从而导致不能共存于同一宿主中。两个不相容性质粒在同一个细胞中复制时，在分配到子细胞的过 程中会竞争，随机挑选，微小的差异最终被放大，从而导致在子细胞中只含有其中一种质粒。而不相容群指那些具有不相容性的质粒组成的一个群体，一般具有相同 的复制子。在大肠杆菌中现已发现 30 多个不相容群，如 ColE1 和 pMB1 ， pSC101 和 p15A。 4转移性 质粒具转

5、移性。它是指在自然条件下，很多质粒可以通过称为细菌接合的作用转移到新宿主内。它需要移 动基因 mob ，转移基因 tra ，顺式因子 bom 及其内部的转移缺口位点 nic。 二、标记基因 按其用途可将标记基因分为选择标记基因和筛选标记基因。选择标记用于鉴别目标 DNA （载体）的存在，将成功转化了载体的宿主挑选出来，筛选标记可用于将特殊表型的重组子挑选出来。 （一） 选择标记 抗生素 抗性基因是目前使用最广泛的选择标记。 1氨苄青霉素抗性基因（ Ampicillin resistance gene, ampr） 氨苄青霉素抗性基因是基因操作中使用最广泛的选择标记，绝大多数在大肠杆菌中克隆的质

6、粒载体带有该基因。青霉素可抑制细胞壁肽聚糖的合成，与有关的酶结合 并抑制其活性，抑制转肽反应。氨苄青霉素抗性基因编码一个酶，该酶可分泌进入细菌的周质区，抑制转肽反应并催化 -内酰胺环水解，从而解除了氨苄青霉素的毒性。青霉素是一类化合物的总称，其分子结构由侧链 R-CO- 和主核 6-氨基青霉烷酸（ 6-APA）两部分组成。在 6-APA 中有一个饱和的噻唑环（ A） 和一个 -内酰胺环， 6-APA 为由 L- 半脱氨酸和缬氨酸缩合成的二肽。 2四环素抗性基因（ Tetracycline resistance gene,tetr） 四环素可与核糖体 30S 亚基的一种蛋白质结合，从而抑制核糖体

7、的转位。四环素抗性基因编码一个由 399 个 氨基酸 组成的膜结合蛋白，可阻止四环素进入细胞。 pBR322 质粒除了带有氨苄青霉素抗性基因外，还带有四环素抗性基因。 3氯霉素抗性基因（ chloramphenicol resistance gene, Cmr, cat） 氯霉素可与核糖体 50S 亚基结合并抑制蛋白质合成。目前使用的氯霉素抗性基因来源于转导性 P1 噬菌体（也携带 Tn9）。 cat 基因编码氯霉素乙酰 转移酶 ，一个四聚体 细胞质蛋白 （每个亚基 23kDa）。在乙酰辅酶 A 存在的条件下，该蛋白催化氯霉素形成氯霉素羟乙酰氧基衍生物，使之不能与核糖体结合。 4卡那霉素和新霉

8、素抗性基因（ kanamycin/neomycin resistance gene, kanr, neor） 卡那霉素和新霉素是一种脱氧链霉胺氮基糖苷，都可与核糖体结合并抑制蛋白质合成。卡那霉素和新霉素抗性基因实际就是一种编码氨基糖苷磷酸 转移酶 （ APH（ 3） - , 25kDa）的基因，氨基糖苷磷酸转移酶可使这两种抗生素磷酸化，从而干扰了它们向细胞内的主动转移。在细胞中合成的这种酶可以分泌至外周质腔，保护宿主不受这些抗生素的影响。 5琥珀突变抑制基因 supF 在基因的编码区中，若某个密码子发生突变后变成终止密码子，则称这样的突变为赭石突变（突变为 UAA），或琥珀突变（突变为 UAG

9、），或乳白突变（突变为 UGA）。 supF 基因编码细菌的抑制性 tRNA ，可在 UAG 密码子上编译酪氨酸。如果在某一宿主中含具琥珀突变的 tetr 基因和 ampr 基因，只有当宿主含有 supF 基因时才会对 Amp 和 Tet 具有抗性。相应的， supE 基因在 UAG 密码子上编译谷氨酰氨。由于目前所用的标记基因使用方便，因此用这类标记的载体较少。 6其它 还有一些正向选择标记，表达一种使某些宿主菌致死的基因产物，而含有外源基因片段插入后，该基因便失活。如蔗糖致死基因 SacB ，来自淀粉 水解芽胞杆菌 （ Bacillus amyloliquefaciens） ，编码果聚糖蔗

10、糖酶。在含蔗糖的培养基上 sacB 基因的表达对大肠杆菌来说是致死的，因此该基因可用于插入失活筛选重组子。 （二）筛选标记 筛选标记主要用来区别重组质粒与非重组质粒，当一个外源 DNA 片段插入到一个质粒载体上时，可通过该标记来筛选插入了外源片段的质粒，即重组质粒。 1 -互补（ -complementation） -互补是指 lacZ 基因上缺失近操纵基因区段的突变体与带有完整的近操纵基因区段的 -半乳糖苷酶（ -galactosidase ，由 1024 个 氨基酸 组成）阴性的突变体之间实现互补。 -互补是基于在两个不同的缺陷 -半乳糖苷酶之间可实现功能互补而建立的。大肠杆菌的乳糖 la

11、c 操纵子中的 lacZ 基因编码 -半乳糖苷酶，如果 lacZ 基因发生突变，则不能合成有活性的 -半乳糖苷酶。例如， lacZM15 基因是缺失了编码 -半乳糖苷酶中第 11-41 个氨基酸的 lacZ 基因，无酶学活性。对于只编码 N-端 140 个氨基酸的 lacZ 基因 （称为 lacZ） ，其产物也没有酶学活性。但这两个无酶学活性的产物混合在一起时，可恢复 -半乳糖苷酶的活性，实现基因内互补。 在 lacZ 编码区上游插入一小段 DNA 片段（如 51 个碱基对的多克隆位点），不影响 -半乳糖苷酶的功能内互补。但是，若在该 DNA 小片段中再插入一个片段，将几乎不可避免地导致产生无

12、 -互补能力的 -半乳糖苷酶片段。利用这一互补性质，可用于筛选在载体上插入 了外源片段的重组质粒。在相应的载体系统中， lacZM15 放在 F 质粒上 , 随宿主传代； lacZ 放在载体上 , 作为筛选标记 （图 3-2） 。相应的受体菌有 JM 系列、 TG1 和 XL1-Blue ，前二者均带有 D （ lac - proAB） F proAB + lacIq lacZD M15 基因型。其中 lacI 为 lac 阻抑物的编码基因， lacIq 突变使阻抑物产量增加，防止 lacZ 基因渗漏表达。 lacZ 基因是乳糖 lac 操纵子中编码 -半乳糖苷酶的基因，乳糖及其衍生物可诱导其

13、表达。 乳糖既是 lac 操纵子的诱导物，也是作用的底物。异丙基 -D- 硫代半乳糖苷（ IPTG）是乳糖的衍生物，可作为 lac 操纵子的诱导物，但不能作为反应的底物； 5-溴 -4-氯 -3-吲哚 -D-半乳糖苷（ X-gal） 可作为 lac 操纵子的底物，但不能作为诱导物。底物 X-gal 还可充作生色剂，被 -半乳糖苷酶分解后可产生兰色产物，可使菌落或噬菌斑呈兰色。 2插入失活 通过插入失活进行筛选的质粒主要有 pBR322 ，该质粒具有四环素抗性基因 （ tetr）和氨苄青霉素抗性基因（ ampr）两种抗性标记。当外源 DNA 片段插入 tetr 基因后，导致 tetr 基因失活，

14、变成只对氨苄青霉素有抗性。这样就可通过对抗生素是双抗还是单抗来筛选是否有外源片段插入到载体中。 三、质粒载体的种类 （一）克隆载体 克隆载体主要用于扩增或保存 DNA 片段，是最简单的载体。 1 pBR322 pBR322 质粒的大小为 4361bp ， GenBank 注册号为 V0lll9 和 J01749 ，含有 30 多个单一位点，具有四环素抗性基因（ tetr）和氨 苄青霉素抗性基因（ ampr），其质粒复制区来自 pMB1 （如图 3-3）。目前使用广泛的多质粒载体几乎都是由此发展而来的。利用四环素抗性基因内部的 BamH 位点来插入外源 DNA 片段，可通过插入失活进行筛选。 2

15、 pUC18 和 pUC19 pUC18 和 pUC19 大小只有 2686bp ，是最常用的质粒载体，其结构组成紧凑，几乎不含多余的 DNA 片段， GenBank 注册号为 L08752（ pUC18）和 X02514（ pUC19）。由 pBR322 改造而来，其中 lacZ （ MSC） 来自 M13mp18/19 图 3-4 是其质粒图谱。 这两个质粒的结构几乎是完全一样 的，只是多克隆位点的排列方向相反。这些质粒缺乏控制拷贝数的 rop 基因，因此其拷贝数达 500-700 。 pUC 系列载体含有一段 lacZ 蛋白氨基末端的部分编码序列，在特定的受体细胞中可表现 -互补作用。因

16、此在多克隆位点中插入了外源片段后，可通过 -互补作用形成的蓝色和白色菌落筛选重组质粒。 图 3-4 ： pUC18/19 质粒图谱 3 pUC118 和 pUC 119 由 pUC18/19 增加了一些功能片段改造而来，大小为 3162bp ， GenBank 注册号为 U07649（ pUC118）和 U07650（ pUC119）。相当于在 pUC18/19 中增加了带有 M13 噬菌体 DNA 合成的起始与终止以及包装进入噬菌体颗粒所必需的顺式序列。 4 pGEM-3Z/4Z pGEM-3Z/4Z由 pUC18/19 增加了一些功能片段改造而来，大小为 2.74kb, GenBank 注

17、册号为 X65304（ pGEM-3Z, 2743bp）和 X65305（ pGEM-4Z, 2746）。与 pUC18/19 相比，在多克隆位点的两端添加了噬菌体的转录启动子，如 Sp6 和 T7 噬菌体的启动子。 pGEM-3Z 和 pGEM-4Z 的差别在于二者互换了两个启动子的位置。 5多功能质粒载体 在上述载体的基础上，人们设计出一些多功能的质粒载体，这类质粒载体综合了以上质粒的特点。除了作为质粒载体基本要素外，综合了上述功能要素，如多克隆位 点、 -互补、噬菌体启动子和单链噬菌体的复制与包装信号。典型的这类质粒有 pBluescript KS（ ），这类质粒一般由 4 个质粒组成一套系统，其差别在于多 克隆位点方向相反（根据多克隆位点两端 Kpn 和 Sac 的顺序，用 KS 或 SK 表示），或单链噬菌体的复制启始方向相反（或者说，引导 DNA 双链中不同链合成单链 DNA ，用 + 或 - 表示）， pBluescript KS（ +） 的 GenBank 注册号为 X52327 。 pBluescript KS（ ） 的多克隆位点与 pUC18/19 的不同，且使用 f1 噬菌体的复制与包装信号序列，质粒图谱如图 3-5 。 6表达载体 该类载体是在常规克隆载体的基础上衍生而来的，主要增添了强 启动子，以及有利于表达产物分泌、分离或纯化的元件 .