定義 質(zhì)粒(plasmid)是細(xì)菌擬核裸露DNA外的遺傳物質(zhì),為雙股閉合環(huán)形的DNA,存在于細(xì)胞質(zhì)中,質(zhì)粒編碼非細(xì)菌生命所必須的某些生物學(xué)性狀,如性菌毛、細(xì)菌素、毒素和耐藥性等。質(zhì)粒具有可自主復(fù)制、傳給子代、也可丟失及在細(xì)菌之間轉(zhuǎn)移等特性,與細(xì)菌的遺傳變異有關(guān)。
特征
是真核細(xì)胞細(xì)胞核外或原核生物擬核區(qū)外能夠進行自主復(fù)制的遺傳單位,包括真核生物的細(xì)胞器(主要指線粒體和葉綠體)中和細(xì)菌細(xì)胞擬核區(qū)以外的環(huán)狀脫氧核糖核酸(DNA)分子。現(xiàn)在習(xí)慣上用來專指細(xì)菌(大腸桿菌)、酵母菌和放線菌等生物中細(xì)胞核或擬核中的DNA以外的DNA分子。在基因工程中常被用做基因的載體(Vector)。許多細(xì)菌除了擬核中的DNA外,還有大量很小的環(huán)狀DNA分子,這就是(plasmid)(補充:部分為RNA)。上常有抗生素的抗性基因,例如,四環(huán)素抗性基因或卡那霉素抗性基因等。有些稱為附加體(episome),這類能夠整合進真菌的染色體,也能從整合位置上切離下來成為游離于染色體外的DNA分子。在宿主細(xì)胞體內(nèi)外都可復(fù)制!
目前,已發(fā)現(xiàn)有的細(xì)菌有幾百種,已知的絕大多數(shù)的細(xì)菌都是閉合環(huán)狀DNA分子(簡稱cccDNA)。細(xì)菌的相對分子質(zhì)量一般較小,約為細(xì)菌染色體的0.5%~3%。根據(jù)相對分子質(zhì)量的大小,大致上可以把分成大小兩類:較大一類的相對分子質(zhì)量是40×106以上,較小一類的相對分子質(zhì)量是10×106以下(少數(shù)的相對分子質(zhì)量介于兩者之間)。每個細(xì)胞中的數(shù)主要決定于本身的復(fù)制特性。按照復(fù)制性質(zhì),可以把分為兩類:一類是嚴(yán)緊型,當(dāng)細(xì)胞染色體復(fù)制一次時,也復(fù)制一次,每個細(xì)胞內(nèi)只有1~2個;另一類是松弛型,當(dāng)染色體復(fù)制停止后仍然能繼續(xù)復(fù)制,每一個細(xì)胞內(nèi)一般有20個左右。這些的復(fù)制是在寄主細(xì)胞的松弛控制之下的,每個細(xì)胞中含有10-200份拷貝,如果用一定的藥物處理抑制寄主蛋白質(zhì)的合成還會使拷貝數(shù)增至幾千份。如較早的pBR322即屬于松弛型,要經(jīng)過氯霉素處理才能達(dá)到更高拷貝數(shù)。一般分子量較大的屬嚴(yán)緊型。分子量較小的屬松弛型。的復(fù)制有時和它們的宿主細(xì)胞有關(guān),某些在大腸桿菌內(nèi)的復(fù)制屬嚴(yán)緊型,而在變形桿菌內(nèi)則屬松弛型。
培養(yǎng)
在基因工程中,常用人工構(gòu)建的作為載體。人工構(gòu)建的可以集多種有用的特征于一體,如含多種單一酶切位點、抗生素耐藥性等。常用的人工運載體有pBR322、pSC101。pBR322含有抗四環(huán)素基因(Tcr)和抗氨芐青霉素基因(Apr),并含有5種內(nèi)切酶的單一切點。如果將DNA片段插入EcoRI切點,不會影響兩個抗生素基因的表達(dá)。但是如果將DNA片段插入到Hind III、Bam H I 或 Sal I切點,就會使抗四環(huán)素基因失活。這時,含有DNA插入片段的pBR322將使宿主細(xì)菌抗氨芐青霉素,但對四環(huán)素敏感。沒有DNA插入片段的pBR322會使宿主細(xì)菌既抗氨芐青霉素又抗四環(huán)素,而沒有pBR322的細(xì)菌將對氨芐青霉素和四環(huán)素都敏感。pSC101與pBR322相似,只是沒有抗氨芐青霉素基因和PstI切點。運載體的zui大插入片段約為10 kb(kb表示為千堿基對)。
1973年,科學(xué)家將作為基因的載體使用,為基因工程的誕生奠定了基礎(chǔ)。
zui常用的是大腸桿菌的。這種常含有抗生素抗性基因,例如,卡那霉素抗性基因。
pBR322
pBR322DNA分子的長度為4363bp,此載體中有兩個標(biāo)記基因,一個是氨芐青霉素抗性基因(Apr),另一個是四環(huán)素抗性基因(Tetr)。現(xiàn)在已知pBR322DNA分子共有24種核酸內(nèi)切限制酶的單一識別位點。其中7種限制酶(從12:00位置按順時針方向)即EcoRV、NheI、BamHI、SphI、SalI、XmaIII和NruI的識別位點位于四環(huán)素抗性基因內(nèi)部,另
外有2 種限制酶即ClaI和HindIII的識別位點是存在于這個基因的啟動區(qū)內(nèi),在這9個限制位點上插入外源DNA都會導(dǎo)致tetr的失活。3種限制酶即ScaI、PvuI和PstI的識別位點位于氨芐青霉素抗性基因內(nèi),在這些位點插入外源DNA則會導(dǎo)致ampr基因的失活。由pBR322載體的結(jié)構(gòu)可知其具有如下優(yōu)點:(1)具有較小的分子量。經(jīng)驗表明,為了避免在DNA的純化過程中發(fā)生鏈的斷裂,克隆載體的分子大小不要超過10Kb。pBR322這種小分子量的特點,不僅易于自身DNA的純化,而且可容納較大的外源DNA片段;(2)具有兩種抗菌素抗性基因可供作轉(zhuǎn)化子的選擇記號,能指示載體或重組DNA分子是否進入宿主細(xì)胞以及外源DNA分子是否插入載體分子形成了重組子。標(biāo)記基因往往可以賦予宿主細(xì)胞一種新的表型,這種轉(zhuǎn)化細(xì)胞可明顯地區(qū)別于非轉(zhuǎn)化細(xì)胞。當(dāng)我們把一個DNA片段插入到某一個標(biāo)記基因內(nèi)時,該基因就失去了相應(yīng)的功能。當(dāng)把這種重組DNA分子轉(zhuǎn)到宿主細(xì)胞后,該基因原來賦予的表型也就消失了。要是仍保留了原來表型的轉(zhuǎn)化細(xì)胞,細(xì)胞內(nèi)含有的DNA分子一定不是重組子。很顯然,既要指示外源DNA是否進入了宿主細(xì)胞,又要指示載體DNA分子中是否插入了外源DNA片段,那么這種載體必須至少具有兩個標(biāo)記基因。另外,pBR322載體還具較高的拷貝數(shù),而且經(jīng)過氯霉素擴增之后,每個細(xì)胞中可積累1000~3000個拷貝,這就為重組體DNA的制備提供了極大的方便。
pBR322載體的構(gòu)建
pBR322載體的構(gòu)建過程可簡單地概括如下:
1、由于pBR322的親本之一是pMB1,故首先以pMB1為基礎(chǔ),引入Rldrd19的Tn3易位子,得到13.3kb的pMB3;
2、pMB3的分子量顯然使得它不適合作為載體,所以要通過在EcoRI活性條件下的消化讓它大部分的無用片段失去,留下來的小片段的DNA的黏性末端連接起來后就形成了pMB8(2.6kb);
3、此時,另外一種pSC101在EcoRI活性條件下消化產(chǎn)生了含有tetr抗性的DNA片斷,這個片斷和pMB8整合在一起就形成了pMB9(5.3kb)。此時pMB9為ampstetr表型;
4、pMB9已經(jīng)初步具備載體的功能,為了讓它更加完善,我們要讓它具備amprtetr性能,即在pMB9上引入pSF2124的Tn3易位子,但Tn3可以來也可以走,為了留住它,我們切去了Tn3中表達(dá)轉(zhuǎn)位酶的基因,形成了pBR313。
此后我們兵分兩路:一路把pBR313的PstI位點除去,使之成為ampstetr表型的pBR318;
5、;另一路把pBR313的EcoRII的位點切除,使之成為amprtets表形的pBR320。
由此我們的到了兩種功能互補的,這樣我們只要將他們雜交就可以得到一種接近的載體了,這就是pBR322 。
pBR322的應(yīng)用
了解了pBR322的結(jié)構(gòu)和它的構(gòu)建過程之后,我們來看pBR322在基因工程中的應(yīng)用。
pBR322作為一種常用的基因克隆載體,在實際應(yīng)用中有著非常重要的地位,其中一個突出的例子就是應(yīng)用pBR322 作為克隆載體對水稻的葉綠體光誘導(dǎo)基因psbA 進行結(jié)構(gòu)分析。
將水稻葉綠體的DNA,用EcoRI核酸限制性內(nèi)切酶消化之后,放入含有溴化乙錠的低熔點(LMP)的1%瓊脂糖凝膠中作電泳分離。從LMP中分離出分子大小為1.8~2.5kb之間的DNA片段,再與同樣經(jīng)過了EcoRI核酸限制性內(nèi)切酶切割并用堿性磷酸酶作了脫磷酸處理的pBR322連接。然后,將混合物轉(zhuǎn)化到大腸桿菌5346菌株,培養(yǎng)在氨芐青霉素選擇平板上,形成Ampr轉(zhuǎn)化子菌落群體。這樣就構(gòu)成了由EcoRI核酸限制性內(nèi)切酶切割的水稻葉綠體DNA基因組庫。用Ampr轉(zhuǎn)化子菌落與32P放射性標(biāo)記的玉米psbA DNA 探針作菌落雜交,可以分離出其中的陽性克隆體。從這些陽性克隆體中分離出來的重組體DNA,經(jīng)過進一步的分析,就能測出水稻葉綠體基因psbA的序列。
利用pBR322作為載體重組人體的抑生長激素也是一個經(jīng)常提到的應(yīng)用例子。其過程和水稻葉綠體基因重組大同小異,只是除了在載體上插入抑生長激素基因外,還將含有lac操縱子起始部分的片段(包括啟動子、操縱區(qū)、核糖體結(jié)合位點和β-半乳糖苷酶的主要部分)插在抑生長激素基因的旁邊。由于有了lac操縱子的控制,重組基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)就變得比較容易了。
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