Лекция 1.
Технология
рекомбинантных
ДНК.
Слайд 2
Клонирование ДНК – выделение гена
Клон – бактерия, несущая
данный ген
Что нужно для выделения гена?
• ДНК -
источник гена
• вектор и подходящий хозяин
• средства расщепления ДНК –
рестриктазы
• инструмент для объединения
фрагментов – ДНК-лигаза
• способ введения векторной ДНК
в хозяина
• способ идентификации клонов
E. coli
Слайд 4Рестриктазы – специфические эндонуклеазы
(более 900 ферментов изолировано из 230 штаммов
бактерий)
«липкие» концы,
5’-overhang
«липкие» концы,
3’-overhang
«тупые» концы
(5’-конец длиннее)
(3’-конец длиннее)
Сайты
расщепления двуспиральной ДНК
тремя разными рестриктазами второго типа:
невозможно пометить
Защита бактериального генома; метилирование; клонирование
Слайд 5Электрофорез ДНК: 1. разделение молекул по размеру
подвижность молекул ДНК
зависит
от плотности агарозного геля
концентрация агарозы
В геле присутствует
бромистый этидий,
который интеркалирует в ДНК; комплекс
флюоресцирует при 590 нм.
Слайд 6Бромистый этидий (3,8-Диамино-
5-этил-6-фенилфенантридиум бромид, EtBr, Ethidium bromide)- интеркалирующий агент
Бромид этидия
интеркалирует в ДНК,
уменьшая спирализацию ~ на 26°,
разворачивает двойную спираль
Слайд 7молекулы плазмидной ДНК
разделяется при электрофорезе на три зоны
С
помощью электрофореза можно контролировать ход рестрикции плазмидной ДНК
при наличии уникальных
сайтов
рестрикции для двух рестриктаз:
линейная форма плазмиды
фрагменты плазмиды
результат обработки
первой рестриктазой
ход гидролиза
второй рестриктазой
однонитевой разрыв
в случайном месте-
релаксированная форма
двунитевой разрыв
в случайном месте–
линейная форма
Электрофорез ДНК:
2. разделение по форме молекул
Слайд 8Лигирование ДНК – образование эфирной связи
между конечными нуклеотидами
«вставка», содержащая ген
исходная
кольцевая
плазмида
обработка двумя рестриктазами
линейная
ДНК с сайтами
рестрикции на концах
+
+ лигаза + АТФ
векторная ДНК, содержащая ген
Слайд 9он
но
р
р
он
он
но
но
р
р
он
но
он
он
но
но
фосфатаза
+ вставка ДНК
Если концы плазмиды одинаковы, для повышения эффективности
их
лишают возможности объединиться без включения клонируемого гена
«липкие» концы плазмиды
эфирная связь
между концами
плазмиды уже не может
образоваться
лигирование возможно
только при участии
вставки
ДНК-лигаза
такая плазмида полностью
замкнется в кольцо уже в бактерии
р
Слайд 10
E. coli
трансформация бактерий:
тепловой шок или электропорация
посев на агар с
антибиотиком
Отбор бактерий, несущих нужный вектор
выделение плазмидной ДНК
из отдельных
колоний
проверка рестрикцией и определением
последовательности нуклеотидов
Слайд 11Отбор бактерий: ферментная система
(бело-голубая селекция)
MCS плазмиды находится внутри последовательности lacZ’,
кодирующей N-концевой пептид β-галактозидазы, но не мешает образованию фермента после
объединения с С-концевым пептидом. Растут голубые колонии. Однако клонирование в MCS нарушает рамку считывания N-концевого пептида, β-галактозидаза не образуется, растут белые колонии.
Индукцию lac-оперона осуществляют с помощью ИПТГ (изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозид), аналога аллолактозы, метаболита лактозы.
Слайд 13
X-gal
5-бромо-4-хлоро-3-индолил-β-D-
галактопиранозид
β- галактозидаза
галактоза
5-бромо-4-хлоро-
гидроксииндол
окисление
5,5’-дибромо-4,4’-дихлоро-индиго - нерастворимое соединение
голубого цвета
Слайд 14Отбор бактерий-
позитивная селекция
Рестриктаза Eco47I вызывает гибель хозяйских клеток всех
штаммов E.coli, которые не защищены метилированием, распознаваемым рестриктазой. Инактивация гена
еco47IR в следствии инсерции – это основа механизма получения позитивной селекции, используя плазмиду pJET1.2. Для удобства работы сайт MCS, также как и промотор полимеразы Т7, используемые для позитивной селекции, помещены внутрь гена еco47IR.
Слайд 15Векторная ДНК:
автономная репликация в бактериях или дрожжах
устойчивость к
антибиотику
удобные сайты рестрикции (MCS)
Размер вставки,
которую могут переносить:
- плазмиды - до 10 тыс. пар оснований (п.о.)
- вирусы (фаги) - до 25 тыс. п.о.
- космиды - в среднем 45 тыс. п.о.
- бактериальные искусственные хромосомы – до 300 тыс.п.о.
- дрожжевые искусственные хромосомы - до 1 млн. п.о.
Слайд 18Получение геномной библиотеки
ген 1
ген 2
ген 3
рестриктазы
встраивание в разрезанный вектор
ген 3
смесь
клонов
трансформация
бактерий
ген 1
ген 2
Слайд 19
Экспрессионная кДНК библиотека
ген 1
ген 2
ген 3
суммарная
мРНК
РНК/ДНК
гибрид
геномная
ДНК
обратная транскрипция
двуспиральная
кДНК
деградация РНК
синтез второй
цепи ДНК
транскрипция
сплайсинг – удаление интронов
выделение мРНК на
олиго-dT носителе
кДНК (cDNA) – комплементарная ДНК
В ядре
In vitro
Слайд 20
кДНК с «тупыми»
концами
присоединение «липких»
концов
лигирование в
разрезанный вектор
ген 3
смесь
клонов
кДНК с
«липкими»
концами
трансформация
бактерий
ген 1
ген 2
Слайд 21- не все равно из каких клеток и в каком
состоянии выделена мРНК, поэтому важно подобрать выгодный
источник и контролировать
условия
представительство данного гена зависит от уровня его экспрессии
все молекулы в библиотеке кодируют белки
выделенная ДНК будет содержать непрерывную кодирующую последовательность – открытую рамку
считывания
Сравнение геномной и экспрессионной библиотек:
все равно из какой ткани выделена ДНК
представительство данного гена зависит от числа его копий в геноме
только малая часть генома млекопитающих кодирует белки (1,5% генома человека)
интроны сильно увеличивают размер вставок: ни бактерии, ни дрожжи не смогут осуществить сплайсинг
Слайд 22Дрожжевая дигибридная система –
средство поиска белков-партнеров
Транскрипционный фактор
ДНК-связывающий
домен
Активационный
домен
ген-репортер
ДНК
участок
связывания
транскрипция
белок-репортер
Метод основан на использовании одного из транскрипционных факторов дрожжевой клетки:
Связываясь с ДНК, фактор активирует транскрипцию гена, кодирующего белок, присутствие которого легко обнаружить
Слайд 23
белок-«наживка»,
слитый с ДНК-
связывающим
доменом
В дрожжевые клетки вводят два вида
плазмид:
белки, кодируемые
клонами кДНК
экспрессионной
библиотеки, слитые
с активационным
доменом
(один белок на клетку)
При наличии специфического взаимодействия в колониях-клонах обнаруживается белок-репортер:
колонии дрожжей, содержащие
белок-репортер, изолируют для
выделения ДНК и идентификации
партнера
Слайд 24
Фаговый дисплей – еще один способ поиска
белков-партнеров на
основе библиотеки кДНК:
кДНК из экспрессионной библиотеки встраивают
в нитевидный фаг (M13,
fd) в область гена, кодирующего также белок его оболочки
инфекция в бактерии
размножение фагов
секреция фагов из клеток
суспензия фаговых частиц, несущих на
поверхности белки библиотеки, слитые с
белком оболочки (фьюжн-белки)
Слайд 25
инкубация фагов с
иммобилизовананным
белком-«мишенью»
элюция буфером,
содержащим
белок-«мишень»
инфекция и
амплификация
повторный
отбор
размножение
фага
с отобранной кДНК
в бактериях
Слайд 26Гибридизация нуклеиновых кислот
плавление при
нагревании
отжиг при
охлаждении
tº
ДНК
отжиг с ДНК
отжиг с РНК
гибридные молекулы
Слайд 27Northern гибридизация РНК/ДНК: идентификация
транскрипта и оценка уровня
экспрессии гена
молекулы мРНК разделяются электрофорезом
и переносятся на мембрану
мембрана затем инкубируется с ДНК-пробой, меченной
радиоактивным фосфором или флюорохромом
Слайд 28Нерадиоактивные метки ДНК
Биотин, витамин В7
Дигоксигенин, стероид
Карбоксифлуоресцеин
Биотин-11-дУТФ
флюорохромами, ферментами, антителами Чувствительность до
0,1 пг
Сродство к (стрепт)авидину.
Их ковалентно сшивают с
Слайд 29Southern гибридизация (гибридизация по Саузерну):
детекция специфической ДНК
- в бактериальной колонии:
- или в препарате ДНК:
так же, как при Northern
гибридизации
мембрана
реплика
лизис бактерий, фиксирование и
денатурация ДНК
инкубация с меченой пробой
проявление автографа
Слайд 30“микрочип” с набором
клонов кДНК,
конкурентная
гибридизация
норма
опухоль
суммарная
мРНК
кДНК с флюоресцентной меткой
Сравнительный анализ экспрессии генов
анализ флюоресценции
отдельных пятен
смесь равных количеств двух препаратов
Слайд 31tº
плавление
ДНК
отжиг с комплементарным
олигонуклеотидом
Гибридизация ДНК с олиго-дезоксинуклеотидом
полимеразная цепная
реакция
гибридизация in situ
Слайд 32
Реакция полимеризации ДНК
G
T
A
C
C
T
A
G
G
A
C
T
G
A
C
T
C
ДНК-полимераза
двухцепочечная «затравка»
5’
3’
5’
Слайд 33Главный компонент PCR: ДНК-полимераза
ДНК-полимераза I из Escherichia coli – деградирует
при 37º
Taq-полимераза из Thermus aquaticus – термостабильна, работает быстро,
но не
исправляет ошибки при синтезе новой цепи (ок. 28 ошибок/106,
скорость 1000 нуклеотидов/мин). Имеет 5’-3’-экзонуклеазную активность.
Отсутствует 3’-5’-экзонуклеазная активность (редактирующая).
Pfu-полимераза из Pyrococcus furiosus – термостабильна, работает
медленнее, зато исправляет многие ошибки (имеет 3’-5’-экзонуклеазную
активность, ок. 2-4 ошибок/106, скорость 300 нукл./мин)
Слайд 34
Полимеразная цепная реакция – PCR:
амплификация специфической последовательности
ДНК
Taq-полимераза
(изолирована из Thermus aquaticus)
и дезоксинуклеозидтрифосфаты
отжиг при 40-60º
ген
плавление при 94º
олигонуклеотиды,
комплементарные
началу и концу гена (праймеры)
в большом молярном избытке
+
матрица
полимеризация при 72º
+
исходная матрица +
1 копия гена
(21 копии)
Слайд 35
цикл 2
цикл 3
исходная матрица + 3 копии гена
(22 копий)
исходная матрица +
7 копий гена
(23 копий)
Слайд 36
Применение PCR: конструирование векторной ДНК
AgeI
accggtatggtgagcaagggcgaggataac……
EcoRI
……ccgtacctgctcgacatgttcaacttaag
специальные праймеры:
начало рамки
конец рамки
цикл 1
цикл 2
28 циклов реакции
кодирующая последовательность с тупыми концами
кодирующая последовательность с липкими концами
Слайд 37Применение PCR: введение мутаций в кодирующую
последовательность
PCR #1
PCR #2
удаление праймеров,
денатурация и ренатурация
P1
P2
PCR с праймерами P1 и P2
достраивание 3’-концов
г
Слайд 38Применение PCR: отбор колоний
(Colony PCR)
бактерии из отдельных колоний
Master Mix: нуклеотиды, Taq-полимераза,
буфер, праймеры
23 цикла реакции
электрофорез
ДНК
?
!
Слайд 39RT – PCR: обнаружение изучаемой мРНК
мРНК
мРНК
ДНК-праймер
обратная транскриптаза
PCR с ДНК-праймерами
мРНК
кДНК
кДНК
Слайд 40Клонирование ПЦР-продукта в ТА-векторе
Слайд 42Гаврилов А.А., 2008
Обработка результатов real-time PCR
экспоненциальный рост флуоресценции
Слайд 43Real-Time PCR: molecular beacon
последовательность,
присутствующая в
PCR-продукте
флюорохром
гаситель
флюоресценции
обычный цикл PCR
Слайд 44Real-Time PCR: with Sybr green I.
Неспецифический интеркалирующий цианиновый краситель:
поглощает
синий свет(λ макс = 488 нм),
излучает зеленый свет (λ макс
= 522 нм).
Слайд 45Гибридизация in situ
интересующая
последовательность ДНК
+ флюоресцентная или
радиоактивная
метка
меченый ДНК-зонд
фиксированные на стекле
клетки с денатурированной
ДНК и РНК
(формамид, 42º)
денатурация (75º)
гибридизация
метафазные хромосомы человека (мужчины)
гибридизовали с меченной
флюоресцеином (диоксифлюораном) пробой,
специфичной в отношении Х-хромосомы
(каталог “Molecular Probes”)
Слайд 46Whole mount гибридизация in situ
(Ermakova et al., 1999)
с меченой дигоксигенином
мРНК транскрипционных факторов в эмбрионах ксенопуса
Слайд 47Определение последовательности ДНК
О
основание
Н
Н
СН2
НО
О
основание
ОН
Н
СН2
НО
*
ДНК денатурируют и по одной из ее цепей
проводят
полимеразную реакцию с нормальными и
модифицированными нуклеозидтрифосфатами
нормальный
дезоксирибонуклеотид
дидеоксирибонуклеотид-
терминатор полимеризации ДНК
Слайд 48
параллельно идут четыре
реакции, в каждой из которых
участвуют 4 нормальных
нуклеотида
плюс небольшое
количество какого-нибудь
одного модифицированного
одна из цепей ДНК отжигается
с
праймером для инициации
полимеразной реакции
A
T
G
C
четырех дорожек геля снизу
вверх дает последовательность
нуклеотидов
нуклеотиды-терминаторы
продукты реакций разделяются
по размеру электрофорезом в
полиакриламидном геле:
Слайд 50Определение последовательности ДНК
Одноцепочечную матрицу ДНК отжигают с праймером, затем
инкубируют с
ферментами ДНК-полимеразой, АТР-сульфурилазой,
люциферазой и апиразой, а также с субстратами: аденозин-5’-
фосфосульфатом
(APS) и люциферином.
Каждый случай включения комплементарного нуклеотида сопровождается высвобождением пирофосфата (PPi) в эквимолярном количестве.
Пиросеквенирование. 454 Life Science
Слайд 51 ATP-сульфурилаза количественно преобразовывает пирофосфат в ATP в присутствии аденозин-
5’- фосфосульфата. ATP, в свою очередь, способствует превращению люциферина в
оксилюциферин под действием люциферазы. При этом испускается видимый свет, интенсивность которого пропорциональна количеству образовавшегося ATP.
О
2
Слайд 52
Свет обнаруживается с помощью CCD камеры, обрабатывается
и демонстрируется как пик
в пирограмме. Высота каждого пика
пропорциональна числу включенных нуклеотидов. Невключённые
dNTP и избыточный ATP непрерывно разрушаются апиразой.
После того, как деградация закончена, добавляется следующий
dNTP и начинается новый цикл пиросеквенирования.
Подготовка образцов ДНК и прикрепление к кластерам
Секвенирование методом синтеза на матрице. Illumina
Фрагменты ssДНК закрепляют на твердой подложке
ДНК полимераза синтезирует комплементарную цепь
Встраивание каждого нового нуклеотида регистрируется
по флюоресценции
Слайд 54Секвенирование методом синтеза на матрице
Illumina
1. Фрагментация dsДНК
2. Два адаптера пришиваются ДНК-лигазой
3. Амплификация полученных фрагментов ДНК (ПЦР)
Слайд 55
Мостиковая амплификация
с немечеными нуклеотидами
Образуются двунитевые
фрагменты ДНК
Слайд 57Секвенирование методом синтеза
C
T
G
Цикл 1:
Добавка всех 4 нуклеотидов.
Каждый нуклеотид
помечен своим флюорозондом
Включение первого основания
Удаление невключенных оснований
Детекция сигнала
Разблокирование синтеза, ферментативное удаление метки
Цикл 2:
Добавка реакционной смеси и повторение
цикла. Чтение второго нуклеотида
Слайд 59С матрицы считывается тип включенного в каждый кластер основания
Около 1
миллиона оснований определяется за один цикл синтеза
Последовательность ДНК определяется путем
анализа всей совокупности данных, снятых с матрицы
Секвенирование методом синтеза
Слайд 60Секвенирование методом синтеза на матрице
Illumina
Прикрепление единичных фрагментов
ДНК к поверхности матрицы через Фрагментация Лигирование адаптеры
ДНК адаптеров
Амплификация
ДНК
Секвенирование
20 microns
~1000 молекул на 1 µm кластер
~40 000 000 кластеров на один эксперимент
( цит. по Разину С.В., 2012)
Слайд 61Секвенирование методом синтеза на матрице
Illumina секвенировала индивидуальный геном
африканского мужчины
за несколько недель, достигнув
скорости прочтения до 3 миллионов оснований
за цикл
(февраль 2008)
Слайд 62 От последовательности
нуклеотидов –
к предполагаемой последовательности аминокислот
5‘-atgcccaagctgaatagcgtagaggggttttcatcatttgaggacgatgtataa-3'
1 atg
ccc aag ctg aat agc gta gag ggg ttt tca tca ttt gag gac gat gta taa
M P K L N S V E G F S S F E D D V *
2 tgc cca agc tga ata gcg tag agg ggt ttt cat cat ttg agg acg atg tat
C P S * I A * R G F H H L R T M Y
3 gcc caa gct gaa tag cgt aga ggg gtt ttc atc att tga gga cga tgt ata
A Q A E * R R G V F I I * G R C I
Поиск открытой рамки считывания:
В неправильных рамках часто встречаются стоп-кодоны
(отмечены красной звездочкой)
Слайд 63Конструирование кДНК клонотеки. Этап 1.
Слайд 64Конструирование кДНК
клонотеки. Этап 2.
Слайд 65Hind III линкер
палиндром линкера
фосфорилирование 5’-
концов
Лигирование
с кДНК
Этап 3.
Слайд 66Схема цикла развития нитевидного фага
кольцевая
одноцепочечная
200-300 копий РФ
(+)-цепь ДНК
Белок рIII
1000х6 нм
6407
нукл. М13
6408 нукл. fd
Белок pVIII
Слайд 67Сколько копий плазмиды в клетке?
В зависимости от точки начала репликации
(ori) в клетке может содержаться различное число копий плазмиды:
-
Низкокопийные (1-2 копии на клетку)
- Высококопийные (10-100 копий на клетку)
Слайд 68Литература к курсу «Основы клеточной биологии»
Патрушев Л.И. Экспрессия
генов. – М.: Наука, 2000. ил. ISBN 5-02-001890-2
Свердлов Е.Д.
Взгляд на жизнь через окно генома. – М.: Наука, 2009.
А. Ройт, Дж. Бростофф, Д. Мейл. Иммунология.- М.: «Мир», 2000.
И. Сердюк, Н. Заккаи, Дж. Заккаи. Методы в молекулярной биофизике. Учебное пособие. Том I.-М.: КДУ (Книжный Дом Университет), 2009.
ПЦР «в реальном времени». Под редакцией д.б.н. Д.В. Ребрикова.- М.:БИНОМ. Лаборатория знаний. 2009.
Оригинальные статьи.
Слайд 69
-
+
Какой из двух линейных
фрагментов ДНК имеет
большую молекулярную массу?
А
Слайд 70 Какой из этих праймеров позволит копировать
такую одноцепочечную ДНК?
5‘-ATGCCTGCAATTTCGATCGGCTATGCAGGTC-3’
1 2 3 4 5
5’-ATGCC 5’-TACGG 5’-CTGGA 5’-GACCT 5’-GGCAT
Слайд 71
Зачем и каким образом используют PCR в:
диагностике?
генетическом анализе
в медицине?
криминалистике и судебной медицине?
палеонтологии?
Слайд 72Конструирование космидной клонотеки.