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基因文库构建及其在鱼类遗传研究上的应用

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维普资讯 http://www.cqvip.com 现代农业科技}2008年第16期 动物科学 基因文库构建及其在鱼类遗传研究上的应用 刘星 仇雪梅 高祥刚 赫崇波 f‘辽宁大连水产学院生命科学与技术学院,辽宁大连116023; 辽宁省海洋水产科学研究院) 摘要综述了基因文库的类型以及鱼类基因文库的构建及其应用。通过构建cDNA表达文库不但可以保护濒危珍稀生物资源,而且 可以提供构建分子标记连锁图谱的所用探针:cDNA文库的构建将在鱼类分子生物学方面起到更多的作用。 关键词基因组;基因文库;cDNA文库;鱼类;应用 ¥917 文献标识码A 文章编号1007—5739(2008)16—0247—03 一中图分类号一个生物体的基因组DNA用限制性内切酶部分酶切 个基因文库中应包含的克隆数目与该生物的基因组 后,将酶切片段插入到载体DNA分子中,所有这些插入了 基因组DNA片段的载体分子导入到受体细菌或细胞中,这 样每个细胞就包含了1个基因组DNA片段与载体重组 DNA分子,形成了含有该生物全部基因组序列的细胞集合 体,我们将这个集合体叫做基因文库。 构建基因文库的意义不只是使生物的遗传信息以稳定 的重组体形式贮存起来,更重要的是它是分离克隆目的基 因的主要途径。对于复杂的染色体DNA分子来说,单个基 因所占比例十分微小,要想从庞大的基因组中将其分离出 来,一般需要先进行扩增,所以需要构建基因文库¨1】。这个文 库像是一个贮存有基因组全部序列的信息库,故称为基因 组文库(Genomic library)t ̄。为了有效地保存基因文库,可通 过细菌在固体培养基上繁殖而使包含各个特定DNA片段 的细菌增多。通过分子杂交的方法,可以筛选出包含有所需 基因的DNA片段的细菌(或噬菌体)。经过扩增得到大量这 样的细菌(或噬菌体),从中便可分离出所需基因的DNA片 段。建立和使用基因文库是高等真核生物基因分离、基因定 位和基因工程研究的有效手段。 1基因文库的类型 从序列来源上分,基因文库可分为基因组文库和cDNA 基因文库(cDNA文库)。基因组文库是指一个生物体的基 因组DNA用限制性内切酶部分酶切后,将酶切片段插入到 载体后所形成的基因组DNA,基因组文库根据DNA来源 又有核基因组文库、叶绿体基因组文库及线粒体基因组文 库。cDNA文库是指某生物某一发育时期所转录mR NA经 反转录形成的cDNA片段与某种载体连接而形成的基因文 库圈。目前基因组文库和cDNA文库在基因工程中都得到有 效应用。cDNA便于克隆和大量表达,它不像基因组DNA 含有内含子而难以表达,可以直接筛选到所需的目的基因, 并用于该目的基因的表达 。因此,在分离R_NA病毒基因、 研究功能蛋白序列、分离特定发育阶段或特定组织特异表 达基因时应构建cDNA文库。在研究m_ ̄NA分子中不存在 的序列及基因组作图时必须构建核基因组文库。 基金项目 国家海洋科技推**台与运行项目(2007—2009)资助。 作者简介刘星(1983一),男,河南信阳人,硕士研究生。研究方向:水产 动物分子遗传学。 ¥通讯作者 收稿日期2008—06—19 大小和被克隆DNA片段的长度有关。原核生物的基因组较 小,需要的克隆数也较少;真核生物的基因组较大,克隆数 需相应增加,才能包含所有的基因。此外,每一载体DNA中 所允许插入的外源DNA片段的长度较大,则所需总克隆数 越少:反之则所需数越多。如果一个基因文库的总克隆数较 少,则从中筛选基因虽然比较容易,但会给以后的分析造成 困难,因为片段的长度增加了。所以在建立基因文库前应根 据研究目的来确定DNA片段的长度和克隆数目,并以此确 定构建基因文库的载体种类。 早期人们使用 噬菌体和粘粒(cosmid)作为克隆载体, 但是二者容纳外源DNA片段的最大能力分别是25Kb和 45Kb,只适用于一般基因的克隆 。通常认为,噬菌体文库较 质粒文库更加稳定和易于筛选。但是提取高质量的噬菌体 DNA以便分析连接在载体上的插入片段的工作是非常困 难的,而质粒载体便于基因克隆和测序分析等方面的操作围。 噬菌体载体和粘粒载体是早期构建真核细胞基因组 文库的两类载体。随着分子生物学的飞速发展,建库的对象 由模式动物到全部生物界。所研究生物的基因组从小到大, 而这两类载体存在克隆位点少、插入容量较小和筛选工作 量大的嗣题。20世纪80年代后期,随着人工染色体载体系 统的应运而生,这些问题得到解决。 2人工染色体文库 人工染色体载体是利用真核生物染色体或原核生物基 因组的功能元件构建的能克隆大于50Kb DNA片段的人工 载体。目前,根据目标DNA片段的大小。基因组文库构建常 用的载体有黏粒载体、P1噬菌体载体、PAC载体(P1人工染 色体)、BAC载体(细菌人工染色体)和YAC载体(酵母人工 染色体)。选用何种载体主要考虑以下几个因素:如果基因 组的目标区域很小(小于50Kb),那么可以选择黏粒载体甚 至是 噬菌体载体。利用现有的商品化的黏粒载体、高效率 的包装混合物和合适的大肠杆菌菌株,研究者可以方便地 构建黏粒载体文库。如果基因组的目标区域比较大,那么 P1、PAC或者BAC就比较合适了。P1操作比较困难,PAC 相对简便。BAC载体也是很好的选择,研究者可以利用现有 的成熟产品来构建BAC文库,比如EPICENTRE公司的一 系列BAC载体及配套试剂盒。如果目标区域非常大(大于 250Kb),那么YAC载体就是首选。不过,应用YAC载体来 247 维普资讯 http://www.cqvip.com

动物科学 《现代农业科技}2008年第16期 构建基因组文库,操作非常繁琐困难,一般由专门的公司来 完成。Murraya和Szostak首次成功构建了包括着丝粒、端 粒、复制子和外源DNA在内的总长度为55Kb的酵母人工 染色体(Yeast a ̄iifcila chromosome,YAC)[61。Burke等构建了 能克隆大片段人体DNA分子的载体,即YAC,并证明YAC 是普通探针所不能发现的稀有转录区;③与原始丰度的 mRNA拷贝数相对应的cDNA探针与标准化的cDNA文 库作杂交,可估计出大多数基因的表达水平及发现一些组 织表达特异的基因㈦。 3.3消减cDNA文库 可用来构建高等生物的完整基因组文库,插入片段比通常 所用的 噬菌体、Cosmid等载体的容纳能力至少大10倍f7j。 要产生消减cDNA文库,抑制性消减杂交(suppression subtractive hybridization,SSH)是最有效、最流行的方法之一。 但是,YAC不仅存在着重排和缺失现象,而且其插入片段 的分离较难,转化效率低,同时其嵌合体问题尤为严重,使 其在应用和研究工作中受到了很大限制嘲。因此,建立一种 容量大,能够稳定遗传且易于操作的载体系统就成了分子 可以用这种有效的技术来比较2个mRNA群体,并获得只 在一个群体中过量表达或特异性表达的基因cDNA。这项 技术还可以用来比较基因组DNA群体。抑制性消减杂交技 术是1996年DiatchenkO等Ⅱ犍立的。该方法是基于Lukyanov 生物学研究的重要内容。20世纪90年代发展起来的细菌人 工染色体(BAC),使人们的愿望成了现实。BAC构建的基 础是E.coli及F因子。F因子在E.coli中的复制受到严格控制 而保持低拷贝,一般为每细胞单拷贝或2个拷贝。此外,F因 子具有携带1Mb插入片段的潜能,这就使得以此为基础、 构建具有大容量克隆能力的BAC载体成为可能。1989年, O’Connor等首次用“染色体建造”的方法,利用F因子构建 载体pMBO131来克隆大片段DNA,目前常用的载体有 pECBAC1、pBeloBAC1等 。 3 cDNA文库 3.1经典cDNA文库 自1976年Ef ̄tratiadis等 报道成功地进行了cDNA的 分子克隆,cDNA合成和克隆方法不断改进,与之相适应的 cDNA文库也得到不断改善。经典cDNA文库是以带有多 聚腺苷酸的mRNA为模板,在反转录酶的作用下合成 cDNA第1链,再用适当的方法合成cDNA第2链,加入合 成接头后,把cDNA克隆到能在细菌中扩增的载体中 ”。随 着分子生物学的发展,cDNA文库的构建方法在模板制备、 cDNA合成效率和克隆载体等方面取得了很大进展。但经 典cDNA文库仍存在不足:①低丰度表达序列在文库中出 现的机率很低:②构建经典cDNA文库所需要的mRNA量 大,达数微克;③筛选经典cDNA文库工作复杂,需要很长 时间,限制了基因克隆的速度㈣。 3.2标准化eDNA文库 在绝大多数细胞中,基因表达均存在差异。表现在 mRNA上,就是在任意时刻。细胞内的各种mRNA丰度都 存在较大差别,反映在使用通用方法制成的cDNA文库,即 直接cDNA文库(direct cDNAlibrary)上,就是文库中大多 数克隆都是重复的、冗余的㈣。对单一组织的cDNA文库而 言,高拷贝基因序列的大量存在给基因的筛选和鉴定带来 不必要的浪费。因此,就出现了标准化cDNA文库。 标准化cDNA文库(normalized cDNA library)又称为等 量化cDNA文库,即某一特定组织或细胞的所有表达基因 均包含其中、且含量相等的cDNA文库。这种文库主要有3 个方面的优点:①增加克隆低丰度mRNA的机会,适用 于分析分化发育阶段的基因表达及突变检查;②等量化 的cDNA可做探针来发现基因组序列中的转录区,尤其 248 等提出的抑制PCR效应l15】。这个方法的关键特征是,同时 进行标准化于消减步骤,标准化步骤使目的样品中的DNA 片段含量相等,消减步骤则排除了所比较的2个样品中的 一致序列l16】。SHH除去了任何需要物理方法分离单链(SS) DNA与双链(ds)DNA的中间步骤,只需要1轮消减杂交, 即可以使差异表达的DNA片段富集1 000倍以上。该技术 与其他消减杂交技术相比具有假阳性率低、敏感性高、效率 高等优点而得到广泛应用 。 4鱼类基因文库构建及其应用 鱼类基因组文库的构建对鱼类功能基因的研究具有重 要意义。Quiniou等㈣利用pBeloBAC11载体建立了斑点叉 尾鲴(Letaluruspunctatus)含有53 500个克隆的BAC文库,平 均插入片段长度为113 ̄165kb,具有7.2倍的斑点又尾鲴单 倍体全基因组覆盖率。这个BAC文库已经用于斑点叉尾鲴 基因组物理图谱的构建和重要生长性状基因的鉴定研究 。 Luo等闲构建了含有313344个克隆、覆盖护士鲨(Gingly— mostoma cirratum)全基因组11倍的BAC文库,其平均插入 DNA片段长度144Kb,通过BAC末端测序不仅发现了在 其他动植物基因组中普遍存在的LINEs和SINEs结构,而 且还发现了护士鲨所特有的2个重复元件NSKE1和 NSRE2。进一步分析表明,该基因组文库适用于构建护士 鲨的基因组物理图谱。 鲤鱼是我国重要的养殖鱼类之一,是基因组最大的鱼 类,在进化上也具有重要的研究价值。耿波『211首次构建了黑 龙江野鲤的BAC文库,该库含有46 656个克隆,插入片段 大小在50 ̄300Kb之间,平均大小在100Kb左右,覆盖鲤鱼 全基因组2.45倍,克隆载体为pEZBAC,大小为7.2Kb。获得 的BAC克隆,保存在378块96孔板和27块384孔板中。使 用8对引物(8种基因)对黑龙江野鲤BAC基因组文库进行 筛选,并建立了2步3维PCR、荧光原位杂交技术和染色体 显微切割技术等BAC文库筛选和基因组分析方法。黑龙江 野鲤BAC文库的构建,为进一步开展鲤鱼基因组、功能基 因组及蛋白质组研究建立了基础。 cDNA文库的构建是研究基因表达和鉴定的主要手段 之一 杨明等圄以细菌攻毒的真鲷鳃组织为材料,分离出 mRNA,合成双链后,回收500 ̄4 000 bp cDNA片段,构建了 RZAP表达型cDNA文库。初级文库的容量为1.75x10 个重 维普资讯 http://www.cqvip.com 《现代农业科技》2008年第16期 动物科学 2005,16(6):668-671. 组子,扩增文库的滴度达到1x109pfu/mL,随机挑选噬菌斑 的插入片断在500 ̄2 000bp之间。鲍宝龙等 通过探针杂交 筛选斑点叉尾细BAC基因组文库,利用引物步移的方法对 阳性克隆BAC047_K12进行序列测定,得到2815 bp的 [2]方德福.医学分子生物学字典[M].北京:北京医科大学、中国协和医 科大学联合出版社,1996. 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