本模块你将学会
内容较多,建议第 5 周学完 01–09 节(基础工具与克隆),第 6 周学完 10–14 节(突变、合成、测序、编辑与联系工作)。学完后回到这里逐条检查。
- 画出基因工程"获取基因 → 装入载体 → 导入宿主 → 筛选验证 → 表达"的总流程,并把每项技术放到对应位置
- 说出基因组 DNA、质粒和 RNA 提取的要点,会用 A260 和 A260/A280 判断浓度与纯度,知道转染级质粒为什么要去内毒素
- 解释凝胶电泳的原理,能对照 DNA Marker 读懂一张胶图
- 讲清 PCR 三步循环的温度与原理,区分 Taq 与高保真酶,区分 RT-PCR、qPCR、菌落 PCR 和重叠延伸 PCR
- 掌握引物设计的基本规则,知道怎样在引物上加酶切位点和保护碱基
- 理解限制酶识别回文序列、黏性末端与平末端、同尾酶、双酶切、去磷酸化和 T4 DNA 连接酶
- 读懂一张质粒图谱:ori、抗性基因、启动子、MCS、标签、终止子/polyA 各管什么,区分克隆载体、表达载体和穿梭载体
- 比较酶切连接、TA 克隆、Gibson、Golden Gate 和 Gateway 五种克隆方法
- 说清转化、筛选与验证的每一步,区分转化、转染与转导
- 理解定点突变与突变文库,以及它们和蛋白工程、抗体优化的关系
- 解释基因合成的化学原理、组装流程、难合成序列和交付形式,说清它比 cDNA 克隆灵活在哪里
- 比较 Sanger、二代、三代和全质粒测序,会看简单的测序峰图
- 讲清 CRISPR-Cas9 的原理,区分 NHEJ 敲除与 HDR 敲入,了解脱靶、碱基编辑和先导编辑
- 理解基因文库、sgRNA 文库和抗体展示文库的共同逻辑
- 把客户的一句话需求"翻译"成对应的技术和服务类别
01基因工程要解决的问题与总流程
把 DNA 看成一份只用 A、T、C、G 四个字母写成的文档,基因工程就是一套"文档处理工具"。
M3 讲过,基因就是 DNA 上一段有意义的碱基序列,细胞按照它转录、翻译出蛋白质。要研究或利用一个基因,科学家必须能对这份"文档"做四类操作:复制(拿到足够多的拷贝)、读(知道里面写了什么)、写(按自己的设计从零写出来),以及剪切、搬运和编辑(把一段内容剪下来、粘到别处,或者在原文里直接修改)。
这四类操作很少单独出现。一个典型的项目往往是:先写(基因合成)或复制(PCR)出目的基因,再用酶切连接或无缝克隆把它粘贴进质粒,然后读(测序)一遍,确认一个字母都没错,最后才交给客户去表达蛋白、做病毒载体或进行基因编辑。
总流程:五个阶段
把这些操作按时间顺序排起来,几乎所有基因工程项目都走同一条主线。先记住这张"地图",后面每一节都是在放大其中的某一格。
| 阶段 | 要解决的问题 | 主要技术 |
|---|---|---|
| ① 获取/改造基因 | 手里要先有一段正确的目的 DNA | 从样本里提取核酸,用 PCR 扩增;没有模板或要大改时直接基因合成;要改个别碱基时做定点突变 |
| ② 装入载体 | 裸露的 DNA 片段不能自我复制,也不会表达 | 用限制酶和连接酶,或 Gibson 等无缝克隆,把它连进带有复制起点、抗性基因、启动子的质粒 |
| ③ 导入宿主 | 质粒要进入活细胞才能被复制或表达 | 细菌用转化,哺乳动物细胞用转染,借助病毒外壳送入时叫转导 |
| ④ 筛选验证 | 只有少数细胞拿到了正确的 DNA | 抗生素筛选、挑单克隆、菌落 PCR、酶切跑胶,最终以测序确认 |
| ⑤ 表达与应用 | 把正确的 DNA 变成产品或实验结果 | 表达蛋白和抗体、制备病毒载体、构建编辑细胞系、筛选文库 |
简史:重组 DNA 技术是怎么诞生的
"基因工程"并非一夜出现。它的核心工具大多来自科学家对细菌和病毒的基础研究,在 1970 年代短短几年里汇聚成一门新技术。
发现限制酶
阿尔伯提出细菌靠"限制–修饰"系统抵御噬菌体;1970 年史密斯分离出第一个识别特定序列的限制酶;内森斯随后用它切割 SV40 病毒 DNA 作图。三人共获 1978 年诺贝尔生理学或医学奖。
发现 DNA 连接酶
多个实验室几乎同时发现能把 DNA 断口重新连起来的酶。有了"剪刀"和"胶水",拼接 DNA 才成为可能。
第一个重组 DNA 分子
伯格把猴病毒 SV40 的 DNA 和 λ 噬菌体的 DNA 拼接在一起,因此获得 1980 年诺贝尔化学奖(与吉尔伯特、桑格分享)。
科恩与博耶:重组质粒进入细菌
科恩与博耶等人用 EcoRI 和连接酶把不同来源的 DNA 拼进质粒,转入大肠杆菌后,质粒能复制,携带的抗性基因也能发挥作用。这通常被视为重组 DNA 技术的诞生。
阿西洛马会议
科学家主动聚在一起讨论重组 DNA 的潜在风险,提出按风险分级的防护原则。生物安全管理的思路一直沿用至今。
从实验室到产业
1976 年博耶与斯旺森创立基因泰克(Genentech);1978 年人胰岛素基因在大肠杆菌中表达;1982 年重组人胰岛素在美国获批,成为第一个重组 DNA 药物。
此后的几十年里,工具箱不断扩充:1977 年 Sanger 测序、1983 年 PCR、1980 年代自动化 DNA 合成、2000 年代二代测序、2012 年 CRISPR-Cas9。本模块会逐一展开。
本节要点
- 基因工程对 DNA 做四类操作:复制(PCR)、读(测序)、写(基因合成)、剪切粘贴与编辑(酶切连接、克隆、CRISPR)。
- 几乎所有项目都走"获取/改造基因、装入载体、导入宿主、筛选验证、表达应用"五个阶段,验证不通过就回到前面。
- 核酸定量和凝胶电泳贯穿全程,用来检查每一步的产物。
- 限制酶、连接酶和重组质粒在 1970 年代汇聚成重组 DNA 技术;1982 年获批的重组人胰岛素是第一个重组 DNA 药物。
02核酸的提取与定量:先把 DNA "拿出来、称一称"
解决的问题:DNA 和 RNA 藏在细胞里,和蛋白质、脂类、糖类混在一起,必须先分离纯化,才能做后面所有实验。
不管提取哪种核酸,思路都是三步:裂解(把细胞破开,让核酸释放出来)、分离(去掉蛋白质、脂类和不需要的另一种核酸)、回收(把干净的核酸浓缩出来)。经典方法用苯酚–氯仿抽提蛋白,再用乙醇或异丙醇把核酸沉淀下来;现在实验室最常用的是硅胶柱(离心柱):在高浓度盐的条件下,核酸会吸附在硅胶膜上,用含乙醇的洗液冲走杂质,最后用低盐缓冲液或水把核酸洗脱下来。市售"试剂盒"大多就是这套流程。
三类常见提取
| 基因组 DNA(gDNA) | 质粒 DNA | RNA | |
|---|---|---|---|
| 从哪里来 | 细胞、组织、血液、菌体的染色体 | 培养过夜的大肠杆菌 | 细胞、组织(主要是 rRNA,mRNA 只占一小部分) |
| 最大难点 | 分子极长,吹打、振荡太猛就会被剪断 | 要把小小的质粒和大量染色体 DNA 分开 | RNA 酶(RNase)无处不在、非常稳定,RNA 极易降解 |
| 关键做法 | 用去污剂裂解,蛋白酶 K 消化蛋白,RNA 酶去掉 RNA,动作轻柔 | 碱裂解法(见下)+ 硅胶柱纯化 | 用强变性剂(如含异硫氰酸胍和苯酚的 TRIzol 类试剂)立即灭活 RNA 酶;用无 RNA 酶的耗材;用 DNA 酶去除残留的基因组 DNA |
| 典型用途 | PCR 模板、基因分型、测序、CRISPR 编辑结果鉴定 | 转化、酶切、测序、转染、病毒包装 | 逆转录成 cDNA 后做 RT-qPCR、RNA-seq,或克隆基因的编码序列 |
碱裂解法:为什么能把质粒和染色体 DNA 分开
提取质粒最常用的是碱裂解法(1979 年发表),整个过程只需要依次加入三种溶液:
- 溶液 I:重悬。把离心得到的菌体打散在缓冲液里。缓冲液含 EDTA,它会"抓走"Mg²⁺,让依赖 Mg²⁺ 的 DNA 酶无法工作;通常还会加入 RNA 酶,后面顺便降解细菌的 RNA。
- 溶液 II:裂解。加入氢氧化钠(NaOH)和去污剂 SDS。SDS 溶解细胞膜、使蛋白质变性;强碱让所有双链 DNA,包括染色体和质粒,都解开成单链。这一步要轻柔地颠倒混匀,时间控制在几分钟内,否则染色体 DNA 会被剪碎混进产物,质粒也可能被不可逆地破坏。
- 溶液 III:中和。加入酸性的醋酸钾,pH 迅速回落。质粒很小,而且两条单链像两个套在一起的环一样彼此缠绕,分不开,一中和就能迅速"对回"成双链,留在溶液里;巨大的染色体 DNA 来不及正确配对,和变性蛋白、SDS 缠成白色絮状沉淀。
- 离心与纯化。离心后沉淀被甩到管底,上清液里就是质粒,再过硅胶柱洗涤、洗脱即可。
小提、中提、大提
"提"就是提取质粒。按菌液规模分为小提、中提、大提,原理相同,区别在于产量和用途。下表是高拷贝质粒的大致量级,实际得率取决于质粒拷贝数、菌株和培养条件。
| 规模 | 菌液体积(约) | 典型得率(约) | 常见用途 |
|---|---|---|---|
| 小提(miniprep) | 1–5 mL | 几微克到二十几微克 | 酶切鉴定、测序、作 PCR 模板、再转化 |
| 中提(midiprep) | 几十到约 100 mL | 约一百到几百微克 | 细胞转染实验 |
| 大提(maxiprep) | 约 100–500 mL | 约 0.5 毫克到几毫克 | 大量转染、病毒包装、动物实验 |
更大规模的质粒生产(例如用于基因治疗和 mRNA 原料的质粒)要在发酵罐里进行,并按药品生产规范控制质量,这属于工艺生产的范畴,M8 会再提到。
定量与纯度:A260 和 A260/A280
核酸里的碱基是环状结构,强烈吸收波长 260 nm 的紫外光;蛋白质的吸收峰在 280 nm(主要来自色氨酸、酪氨酸这类带环的氨基酸)。用紫外分光光度计(如只需 1–2 μL 样品的微量分光光度计)测一下吸光度,就能同时估计浓度和纯度。
- 浓度:A260 = 1 时,双链 DNA 约 50 μg/mL,RNA 约 40 μg/mL,单链 DNA(如寡核苷酸)约 33 μg/mL。浓度 ≈ A260 × 换算系数 × 稀释倍数。
- A260/A280:纯 DNA 约 1.8,纯 RNA 约 2.0。明显偏低,说明有蛋白质或苯酚残留;DNA 样品明显高于 1.8,常提示混有 RNA。
- A260/A230:干净样品一般约 2.0–2.2。偏低说明有盐(例如提取试剂里的胍盐)、EDTA、糖类等残留,它们可能抑制后续的酶反应。
吸光度法的局限是"只认碱基":分不清 DNA、RNA 和游离核苷酸,RNA 残留会让 DNA 浓度虚高。需要更准的双链 DNA 浓度时,可以用只和双链 DNA 结合的荧光染料定量;质粒是否完整,则要再跑胶看(第 03 节)。
输入分光光度计的读数,看浓度和两个纯度比值怎样解读。可以先点示例按钮。
判断阈值为常用经验范围,不同实验室和仪器的标准略有差异。
为什么转染级质粒要"去内毒素"
内毒素(endotoxin)是革兰氏阴性菌(包括大肠杆菌)细胞外膜上的脂多糖(LPS)。碱裂解时细菌外膜碎裂,LPS 带负电、在溶液里的行为和 DNA 有些相似,很容易跟着质粒一起被纯化出来。
内毒素对细菌转化几乎没有影响,但哺乳动物细胞对它很敏感:它会降低转染效率、损伤细胞(原代细胞、干细胞等更脆弱的细胞尤其明显),还会激活免疫细胞产生炎症反应,让实验结果"失真";注射进动物体内会引起发热和炎症。所以用于转染、病毒包装、动物实验的质粒,要用专门的去内毒素工艺制备,并用鲎试剂(LAL)法检测内毒素含量,单位是 EU(内毒素单位)。
客户要一批质粒去转染原代 T 细胞,特别强调"去内毒素"。主要是为了避免什么?
本节要点
- 核酸提取分裂解、分离、回收三步,现在最常用硅胶柱:高盐下吸附、乙醇洗涤、低盐洗脱。
- 基因组 DNA 怕剪断,RNA 怕 RNA 酶,质粒提取靠碱裂解法:强碱让 DNA 全部变性,中和后只有小而缠绕的质粒能迅速复性留在上清中。
- 小提、中提、大提原理相同,规模和用途不同:小提做鉴定和测序,中提、大提供转染和病毒包装。
- A260 估算浓度(A260 = 1 约等于 50 μg/mL 双链 DNA);A260/A280 纯 DNA 约 1.8、纯 RNA 约 2.0,偏低提示蛋白残留;A260/A230 偏低提示盐残留。
- 内毒素是大肠杆菌外膜的脂多糖,会随质粒纯化出来,伤害哺乳动物细胞并引起炎症,所以转染级质粒要去内毒素。
03凝胶电泳:按大小给 DNA "排队"
解决的问题:PCR 扩出来了吗?质粒切开了吗?片段有多大?DNA 太小,肉眼看不见,要靠电泳"看见"。
M2 讲过,DNA 的骨架由糖和磷酸交替组成,每个核苷酸都带一个磷酸基团,在中性缓冲液里带负电。把 DNA 放进凝胶、两端通电,它就会向正极移动。因为每一段 DNA 单位长度上的电荷差不多,电场的"推力"和长度成正比,真正决定跑多快的是凝胶的阻力:凝胶是一张充满微孔的网,小片段钻得快、跑得远,大片段被网孔拖住,停在靠近加样孔的地方。在合适的范围内,迁移距离大致与片段长度的对数成直线关系,所以可以用已知大小的片段当"尺子"。
怎么跑一块胶
- 制胶:把琼脂糖粉加进电泳缓冲液里加热溶解,倒进模具,插上梳子;凝固后拔掉梳子,留下一排加样孔。
- 上样:样品先混上样缓冲液,里面的甘油让样品沉进孔底,蓝色指示染料能显示跑到了哪里。每块胶留一条泳道加 DNA Marker。
- 电泳:加样孔一端接负极、另一端接正极,通电几十分钟。
- 染色与成像:用能嵌入 DNA 的荧光染料染色,在紫外或蓝光下 DNA 条带会发光。经典染料溴化乙锭(EB)是诱变剂,现在很多实验室改用更安全的核酸染料。
琼脂糖浓度:网孔大小决定分离范围
琼脂糖浓度越高,网孔越小,越适合分开小片段;浓度越低,越适合分开大片段。下面是常见的大致范围:
| 琼脂糖浓度 | 分离效果较好的范围(约) | 典型用途 |
|---|---|---|
| 0.7–0.8% | 约 0.8–10 kb 以上 | 大质粒、长片段、基因组 DNA 完整性 |
| 1% | 约 0.5–10 kb | 最常用:质粒酶切鉴定、几百 bp 到几 kb 的 PCR 产物 |
| 1.5% | 约 0.2–3 kb | 较短的 PCR 产物 |
| 2% | 约 0.1–2 kb | 几百 bp 以内的小片段、菌落 PCR |
更小的片段,或者要分辨只差一个碱基的长度(如检查寡核苷酸的纯度),要改用网孔更细的聚丙烯酰胺凝胶(PAGE)。引物订单里的"PAGE 纯化",就是用这种胶把全长产物和短一截的失败产物分开。
DNA Marker:胶上的"尺子"
DNA Marker(又叫 DNA ladder,分子量标准)是一组已知大小的 DNA 片段混合物,跑在样品旁边的泳道上,像梯子一样排成一列条带。把样品条带横向对到 Marker 上,就能估出片段大小。常用的有"1 kb ladder"(约 250 bp 到 10 kb)和"100 bp ladder"(约 100 bp 到 1–1.5 kb)。条带越亮,说明 DNA 的量越多,所以对照 Marker 中已知含量的条带,还能粗估样品有多少。
怎么读胶图
| 胶上看到 | 通常说明 |
|---|---|
| 预期位置一条清晰的带 | 成功:PCR 特异扩增,或酶切得到了预期大小的片段 |
| 多出几条带 | PCR 有非特异扩增;酶切时则可能是切得不完全,或者质粒不是预期的那个 |
| 胶的最底部有一团模糊的小带 | 常见是引物二聚体(几十 bp),说明引物之间有互补或引物过量 |
| 从上到下一片拖尾(弥散) | DNA 或 RNA 降解成了大小不一的碎片,或者上样量过多 |
| 加样孔里很亮 | 片段极大(如完整的基因组 DNA),或样品里有蛋白等杂质把 DNA 卡住 |
| 没有条带 | 反应失败,或上样量太少;先看 Marker 是否正常,排除电泳本身的问题 |
同一个质粒,为什么跑出几条带?
没切过的质粒在胶上有不同的"形态",跑得也不一样。超螺旋是完整、拧紧的环,最紧凑,通常跑得最快,提取良好的质粒以它为主;开环是一条链上有个缺口、松弛下来的环,体积大,跑得最慢;线性是被切开一刀的分子,按真实长度跑。所以未切质粒常出现两三条带,不能直接对照 Marker 读大小;想知道质粒多大,要先用只切一刀的酶把它线性化。
输入每条泳道里线性 DNA 片段的大小(bp,用逗号分隔),换不同浓度的胶,看条带落在 Marker 的什么位置。下面还有一个"看条带猜大小"的小挑战。
挑战:看条带猜大小
点击"出一道题","?" 泳道里会出现一条带。对照 Marker,选出它最可能的大小。
示意模型:在有效分离范围内按"迁移距离与长度的对数成直线"计算,超出范围的大片段被压缩在加样孔附近,过小的片段跑出胶外。真实迁移还受电压、时间和缓冲液影响。
一个 6 kb 的质粒没有酶切直接跑胶,出现了两条带,其中下面那条最亮、位置比 Marker 的 6 kb 还靠下。最合理的解释是?
本节要点
- DNA 骨架上的磷酸基团带负电,电泳时向正极移动;凝胶像筛网,小片段跑得快、跑得远,大片段留在加样孔附近。
- 琼脂糖浓度越高越适合分开小片段,常用 1% 分 0.5–10 kb;要分辨单个碱基的差异要用聚丙烯酰胺凝胶(PAGE)。
- DNA Marker 是一组已知大小的片段,用来对照估计样品大小,条带亮度反映 DNA 的量。
- 读胶图:单一条带说明特异;底部模糊小带多为引物二聚体;拖尾说明降解;多条带提示非特异或酶切不完全。
- 未切质粒有超螺旋(最快)、线性、开环(最慢)等形态,常出现多条带,判断大小要先线性化。
04PCR:在试管里把 DNA 复印几十亿份
解决的问题:目标 DNA 太少,看不见、测不了、也没法用。
一滴血、一个菌落、一小块组织里,某个基因可能只有几份到几千份拷贝,远不够做实验。PCR(聚合酶链式反应,Polymerase Chain Reaction)借用细胞复制 DNA 的原理(M3),在一支小小的 PCR 管里反复"复印"两条引物之间的那一段 DNA,两三个小时就能扩增上亿倍。
反应体系:管子里的五样东西
模板 DNA
含有目标序列的 DNA,可以是基因组、质粒或由 RNA 逆转录得到的 cDNA。
一对引物
两条人工合成的短单链 DNA(常见约 18–25 个碱基),分别结合在目标片段两端,划定"复印范围"。
耐热 DNA 聚合酶
从引物的 3' 端开始,按碱基配对规则逐个加上核苷酸,合成新链。
dNTP
dATP、dTTP、dCTP、dGTP 四种脱氧核苷酸,是合成新链的原料。
缓冲液与 Mg²⁺
维持合适的 pH 和盐浓度;Mg²⁺ 是聚合酶工作必需的辅助因子,浓度会影响特异性。
几样东西的用量都有讲究:
- Mg²⁺:太少,聚合酶"没力气",产物很少;太多,引物更容易结合到不完全匹配的位置,出现非特异条带,聚合酶出错也会变多。常用浓度在约 1.5–2.5 mM 之间摸索。
- dNTP:四种要等量。浓度过高会和 Mg²⁺ 结合、降低保真度;过低则扩增提前"断粮"。
- 模板量:质粒里目标序列的比例很高,通常不到 1 ng 到几 ng 就够;基因组 DNA 庞大,目标只占极小一部分,常用几十到一两百 ng。模板太多反而容易出现非特异产物,样品里残留的杂质(如盐、蛋白、乙醇)还会抑制反应。
上方是 PCR 仪的温度曲线,下方是 DNA 的变化。点击"下一步"跟随一个完整循环。
准备:把五样东西混在一起
模板、引物、耐热聚合酶、dNTP 和缓冲液加进 PCR 管,放进 PCR 仪(热循环仪)。仪器会按程序反复升降温,每升降一轮就是一个循环。
① 变性(约 94–98°C,常见几十秒)
高温破坏碱基之间的氢键,双链 DNA 解开成两条单链。第一个循环前通常还会先高温处理几分钟("预变性"),让模板彻底打开。
② 退火(约 50–65°C)
降温后,引物找到模板上与自己互补的位置并结合上去。退火温度通常设在比引物 Tm 低几度:太高引物结合不上,太低则会"凑合"结合到相似序列上,产生非特异条带。
③ 延伸(约 72°C)
72°C 接近 Taq 聚合酶的最适工作温度。聚合酶从引物的 3' 端开始,按碱基配对逐个加入 dNTP。常见经验值:Taq 每延伸 1 kb 约需 1 分钟。
一个循环结束:拷贝数翻倍
理想情况下,每个循环后目标片段数量翻一倍。新合成的链在下一轮也成为模板,所以数量按 2、4、8、16……指数增长。几个循环后,两条引物之间的片段占据了绝对多数,这就是 PCR 产物。
动画里的三步可以汇总成一张表:
| 步骤 | 温度(约) | 发生了什么 |
|---|---|---|
| ① 变性 | 94–98°C | 高温破坏碱基之间的氢键,双链 DNA 解开成两条单链。第一个循环前通常先预变性几分钟 |
| ② 退火 | 50–65°C(比引物 Tm 低几度) | 降温后两条引物分别结合到目标片段两端的互补位置。温度太高结合不上,太低会结合到相似序列上,产生非特异条带 |
| ③ 延伸 | 72°C | 聚合酶从引物的 3' 端出发,按碱基配对逐个加入 dNTP 合成新链;Taq 约每 1 kb 需要 1 分钟 |
一个循环后,目标片段理论上翻一倍;新合成的链在下一轮也成为模板,于是数量按 2、4、8、16……增长,两条引物之间的片段很快占据绝对多数,这就是 PCR 产物。
指数扩增与平台期
如果每个循环的扩增效率是 E(100% 时 E = 1),起始有 N₀ 个拷贝,那么 n 个循环后的拷贝数是:
N = N₀ × (1 + E)n
效率 100% 时,30 个循环就是 2³⁰ ≈ 10 亿倍。但真实反应不会无限增长:随着产物越来越多,引物和 dNTP 逐渐消耗,聚合酶经过几十次高温后活性下降,大量产物链之间也会彼此配对、和引物"抢模板",扩增速度越来越慢,最终进入平台期。常规 PCR 一般做 25–35 个循环,循环太多不会多得到产物,反而容易积累非特异片段。
均为实验室常见经验值,具体条件随聚合酶、引物和片段长度调整。
调整循环数、扩增效率和起始拷贝数,看理论拷贝数怎样变化。纵轴是对数刻度,每一格代表 1000 倍。
平台期示意模型假设产物在约 10¹² 拷贝附近饱和(约相当于 1 kb 产物 1 微克的量级);真实平台高度取决于反应体积、引物浓度和产物长度。
耐热聚合酶:来自温泉细菌的礼物
1983 年,在美国 Cetus 公司工作的凯利·穆利斯构想出 PCR,并因此获得 1993 年诺贝尔化学奖。最早的 PCR 用的是不耐热的大肠杆菌 DNA 聚合酶片段:每次 95°C 变性都会把酶"煮坏",研究人员只能每个循环手动补加新酶,费时又费钱。
转机来自一种嗜热细菌:Thermus aquaticus(水生栖热菌),1960 年代末由布罗克等人从美国黄石国家公园的温泉中分离。它的 DNA 聚合酶,即 Taq 聚合酶,能在反复高温后保持活性,最适工作温度约 72–80°C。改用 Taq 后,所有试剂可以一次加齐,PCR 仪自动循环,PCR 才真正普及到每个实验室。
Taq 与高保真聚合酶:要速度还是要准确
M3 讲过,细胞里的 DNA 聚合酶有"校对"能力:加错一个碱基时,可以用 3'→5' 外切酶活性把它切掉重来。Taq 聚合酶没有校对功能,加错了无法回头删掉,所以错误率相对较高。用于检测、菌落 PCR 这类"只看有没有、多大"的场合问题不大;但如果扩增产物要克隆进质粒去表达蛋白,任何一个错误都可能改变一个氨基酸。
因此,扩增要克隆的基因时,通常改用高保真聚合酶,例如来自另一种嗜热古菌 Pyrococcus furiosus 的 Pfu 及其各种改造酶。它们带有 3'→5' 校对活性,错误率比 Taq 低几十倍甚至更多。
| Taq 聚合酶 | 高保真聚合酶(如 Pfu 类) | |
|---|---|---|
| 校对活性(3'→5' 外切) | 没有 | 有 |
| 错误率 | 相对较高 | 低几十倍甚至更多 |
| 产物末端 | 常在 3' 端多加一个 A(可用于 TA 克隆,第 08 节) | 多为平末端(校对活性会切掉多出的碱基) |
| 典型用途 | 检测、基因分型、菌落 PCR | 扩增用于克隆、表达、测序验证的基因 |
PCR 的几种"变体"
在"变性–退火–延伸"这个基本框架上稍作变化,就得到一系列常用技术:
| 名称 | 怎么做 | 回答什么问题 / 用途 |
|---|---|---|
| 普通 PCR | 扩增后跑胶,看有没有预期大小的条带(终点检测) | "有没有、对不对";扩增目的基因用于克隆、基因分型 |
| RT-PCR(逆转录 PCR) | 先用逆转录酶把 RNA 转成互补 DNA(cDNA),再做普通 PCR | 检测某个 RNA 是否存在;从 mRNA 获得没有内含子的基因编码序列 |
| qPCR(实时荧光定量 PCR) | 反应中加入荧光染料或探针,仪器每个循环都测一次荧光,实时记录产物增长 | "原来有多少";病原体检测、拷贝数测定、病毒载体滴度 |
| RT-qPCR | 逆转录 + qPCR | 定量 RNA:基因表达分析、新冠等 RNA 病毒检测 |
| 菌落 PCR | 直接挑一点菌落当模板,高温使细菌裂解、释放质粒,用插入片段两侧的引物扩增 | 不用提质粒,快速初筛哪些菌落带有插入片段、大小对不对(第 09 节) |
| 重叠延伸 PCR | 用末端带"尾巴"的引物分别扩增两段 DNA,使它们末端有一段相同序列;混合后重叠区互补配对、互为引物延伸,再用最外侧的一对引物扩增出融合产物 | 把两段 DNA 无缝拼在一起,或在中间引入突变、插入、缺失(第 10 节) |
qPCR 怎样"定量":Ct 值
普通 PCR 到了平台期,起始量不同的样品最后的产物量可能差不多,所以终点跑胶只能回答"有没有"。qPCR 盯住的是指数期:仪器每个循环测一次荧光,记录荧光达到设定阈值所需的循环数,叫 Ct 值(循环阈值)。起始模板越多,越早达到阈值,Ct 越小。效率接近 100% 时,Ct 每相差 1,起始量约相差 2 倍;相差约 3.3 个循环,起始量约相差 10 倍。
荧光信号有两种常见来源:
- 荧光染料(如 SYBR Green):只要是双链 DNA 就能结合并发光,便宜通用,但引物二聚体等非特异产物也会发光,通常要做"熔解曲线"确认产物单一。
- 荧光探针(如 TaqMan 探针):一条与目标序列中间互补的寡核苷酸,一端带荧光基团、另一端带淬灭基团,完整时不发光;扩增时被聚合酶降解,两者分开才发出荧光。只有特定序列被扩增才有信号,特异性更高,还可以在一管里用不同颜色同时检测几个目标。
名字容易混淆:"RT" 指 Reverse Transcription(逆转录),不是 Real-Time(实时);"实时定量"用 q 表示。两者都有就写 RT-qPCR。
新冠病毒核酸检测(咽拭子)用的主要是哪种技术?
本节要点
- PCR 体系包含模板、一对引物、耐热聚合酶、dNTP 和含 Mg²⁺ 的缓冲液;Mg²⁺ 过高会降低特异性,模板过多也会带来非特异产物。
- 每个循环分变性(约 95°C)、退火(约 50–65°C)、延伸(约 72°C)三步,理想时拷贝数每循环翻倍,N = N₀ × (1 + E)ⁿ,之后因原料耗尽等原因进入平台期。
- 耐热的 Taq 聚合酶让 PCR 可以自动循环,但它没有 3'→5' 校对活性;扩增要克隆的基因应使用错误率低得多的高保真聚合酶。
- RT-PCR 先把 RNA 逆转录成 cDNA;qPCR 用荧光实时监测,Ct 越小起始量越多,差 1 个 Ct 约差 2 倍;染料法通用,探针法更特异。
- 菌落 PCR 直接用菌落作模板快速筛克隆;重叠延伸 PCR 利用末端重叠把两段 DNA 拼接起来或引入突变。
05引物设计:PCR 成败的一半
解决的问题:怎样让 PCR 只复印想要的那一段,而且顺便给产物两端"加装"需要的序列?
PCR 能"只复印指定的一段",靠的是引物的特异性。一对引物里,正向引物(F)与目标片段起点的上链序列相同,结合在下链上;反向引物(R)则是目标片段末端上链序列的反向互补,结合在上链上。两条引物都按 5'→3' 书写,聚合酶从各自的 3' 端向中间延伸。引物设计有一套被广泛采用的经验规则:
| 参数 | 常见经验值 | 为什么 |
|---|---|---|
| 长度 | 约 18–25 nt | 太短在基因组里容易找到多处匹配;太长成本高,也更容易形成二级结构 |
| GC 含量 | 约 40–60% | G-C 之间有 3 个氢键,A-T 只有 2 个。GC 太高结合过牢、易错配,太低结合不稳 |
| Tm(解链温度) | 约 55–65°C,两条引物相差不超过约 5°C | 两条引物共用一个退火温度,Tm 差太多会导致一条结合过松或另一条结合过滥 |
| 3' 端 | 最好以 G 或 C 结尾,但最后 5 个碱基中 G/C 不超过 3 个 | 聚合酶从 3' 端开始延伸,3' 端需要结合稳定,但又不能稳到容易错配 |
| 避免 | 自身互补、两引物之间互补、连续 4 个以上相同碱基 | 会形成发夹结构或"引物二聚体",消耗引物并产生短小的假产物 |
Tm 指一半双链解开时的温度。专业软件多用"最近邻热力学模型"并考虑盐浓度来计算,结果与简单公式会相差几度。
表里提到的两种"自己和自己配对"的问题要分清:
- 发夹结构:一条引物内部有一段和自己另一段互补,折回来配对,像一个发夹。引物被"锁住",就没法结合模板。
- 引物二聚体:两条引物(同一种或正反两种)之间互补配对,尤其是 3' 端互补时,聚合酶会把它们当成模板互相延伸,产生几十 bp 的短产物,在胶的最底部形成一团模糊的小带(第 03 节)。
此外,引物在整个模板里应当只有一个结合位置。设计完成后,常用序列比对工具检查它是否会结合到基因组的其他地方。
输入正向和反向引物(5'→3',只认 A/T/C/G),逐条检查上表的规则。可先点击示例按钮。
引物对整体
Tm 用最简单的"2-4 法则"粗估:Tm ≈ 2 × (A+T) + 4 × (G+C),原本只适用于约 20 nt 以内的短引物,仅供学习。
给引物"加尾巴":酶切位点与保护碱基
引物只有 3' 端那一段(约 18–25 nt)需要和模板配对;5' 端可以额外加上模板里没有的序列。第一轮循环时这段"尾巴"悬空不配对,但从第二轮开始,新合成的链里已经带上了它,于是最终产物两端都多出了这段序列。这就是给 PCR 产物"加装"酶切位点、重叠序列(第 08 节)或标签的方法。
以把一个基因用 NdeI / XhoI 克隆进表达载体为例(第 06 节会讲这两种酶),引物可以这样设计:
| 引物 | 结构(5'→3') | 说明 |
|---|---|---|
| 正向 F | CGCAGC 保护碱基 + CATATG NdeI 位点 + 基因起点之后约 20 nt | NdeI 位点里的 ATG 直接充当起始密码子 |
| 反向 R | CCGCTCGAG(保护碱基 + XhoI 位点)+ 基因末端约 20 nt 的反向互补 | 是否保留终止密码子,决定会不会接上载体的 C 端标签(第 07 节) |
为什么酶切位点外面还要多加几个碱基?因为很多限制酶需要"站稳脚跟":识别位点如果紧贴在 DNA 分子的最末端,酶切效率会明显下降。在位点外侧多加约 3–6 个碱基的保护碱基,酶就能正常切割。计算 Tm 时只算与模板配对的那一段,尾巴不计入。
设计克隆引物时,在 5' 端的 XhoI 位点外侧又多加了几个碱基。这样做的主要目的是?
本节要点
- 正向引物与目标起点的上链序列相同,反向引物是目标末端序列的反向互补,两者都按 5'→3' 书写。
- 常用规则:长度约 18–25 nt,GC 约 40–60%,Tm 约 55–65°C 且两条引物相差不超过约 5°C,3' 端结合稳定但不过度富含 G/C。
- 要避免发夹(引物自身折叠配对)和引物二聚体(引物之间配对,产生几十 bp 的短产物)。
- 引物 5' 端可以加模板里没有的序列,用来给产物加装酶切位点、重叠序列或标签;酶切位点外侧要加几个保护碱基,尾巴不计入 Tm。
06限制性内切酶与连接酶:分子剪刀和胶水
解决的问题:怎样在指定位置把 DNA 剪开,再把不同来源的片段拼在一起?
限制性内切酶(简称限制酶)本是细菌的防御武器:噬菌体把 DNA 注入细菌后,限制酶会识别其中的特定短序列并切断它,从而"限制"病毒繁殖。细菌自己的 DNA 上相同的序列则被甲基化酶加了"保护标记",不会被误伤,这就是限制–修饰系统。
科学家已从各种细菌中发现了数千种限制酶。实验室最常用的是 II 型限制酶:识别一段 4–8 bp 的特定序列,并在序列内部或紧邻处的固定位置切开。酶的名字来自它的来源,例如 EcoRI:Escherichia(属)+ coli(种)+ R(菌株 RY13)+ I(从该菌株中发现的第 1 个酶)。
回文序列:正读反读都一样
大多数 II 型限制酶识别的是回文序列:一条链从 5' 读到 3',和另一条互补链从 5' 读到 3',序列完全相同。例如 EcoRI 的识别序列:
5'-G A A T T C-3'
3'-C T T A A G-5'
上链从左往右读是 GAATTC,下链从右往左(也就是它自己的 5'→3')读也是 GAATTC。就像中文里的"上海自来水来自海上",不过 DNA 的回文是"互补着读"相同。
识别序列越长,在随机 DNA 中出现得越少:4 bp 位点平均约每 4⁴ = 256 bp 出现一次,6 bp 位点约每 4⁶ = 4096 bp 一次,8 bp 位点(如 NotI)约每 4⁸ ≈ 65,000 bp 才一次。这是按随机序列估算的平均值,真实基因组会有偏差。
黏性末端 vs 平末端
EcoRI 在上链的 G 和 A 之间切、在下链对称的位置切,两个切口错开 4 个碱基,于是每个断端都带一小段单链"尾巴"。这段尾巴能和另一个同样被 EcoRI 切出的尾巴碱基互补,像尼龙搭扣一样"黏"住,所以叫黏性末端。按突出的是 5' 端还是 3' 端,又分为 5' 突出(如 EcoRI、BamHI)和 3' 突出(如 PstI、KpnI)。SmaI、EcoRV 等则在同一位置切断两条链,得到没有尾巴的平末端。
黏性末端的连接效率远高于平末端,并且两个不同的黏性末端只能"对号入座"。如果载体和插入片段两端各用一种不同的酶切(比如左边 NdeI、右边 XhoI),插入片段只能以一个方向连进载体,这叫定向克隆。
同尾酶:不同的酶,相同的"尾巴"
有些酶识别的序列不同,切出来的突出端却一模一样,这样的一组酶叫同尾酶。比如 BamHI(G^GATCC)和 BglII(A^GATCT)都留下 5'-GATC 突出端,XhoI(C^TCGAG)和 SalI(G^TCGAC)都留下 TCGA。同尾酶切出的末端可以互相连接,连好后的接头往往两种酶都不再识别。当基因内部恰好有 BamHI 位点、不能用它时,就可以用 BglII 切插入片段,再连进 BamHI 切开的载体。(另一个容易混淆的词是"同裂酶":来源不同、但识别并切割同一序列的酶。)
双酶切:两把剪刀一起用
定向克隆需要用两种酶同时切载体和插入片段,叫双酶切。每种酶都有自己最适合的缓冲液和温度,所以要先确认两种酶能在同一种缓冲液里都保持足够活性;不行的话就分两步,先用一种酶切完、纯化后再换另一种。两个位点在 MCS 上挨得太近时,切开第一个后第二个位点离末端太近,也可能切不动,原理和引物上的保护碱基一样(第 05 节)。
DNA 连接酶:分子胶水
黏性末端配对靠的只是几个氢键,并不牢固。DNA 连接酶在一个片段的 3'-OH 和另一个片段的 5'-磷酸之间形成磷酸二酯键,把糖–磷酸骨架上的缺口真正"焊死"。
实验室最常用的是来自 T4 噬菌体的 T4 DNA 连接酶。它以 ATP 为能量来源,既能连黏性末端,也能连平末端(平末端没有突出单链帮忙"对齐",效率低得多,需要更多酶和更长时间)。连接时通常让插入片段的分子数比载体多几倍(例如约 3:1),提高"载体碰到插入片段"而不是"碰到自己"的机会。
去磷酸化:防止载体"自连"
连接酶只能把 5'-磷酸和 3'-OH 连起来。如果载体只用一种酶切开(或两端是平末端),它的两个末端彼此兼容,很容易自己首尾相连,变回不带插入片段的空载体。解决办法是用碱性磷酸酶处理切开的载体,去掉末端的 5'-磷酸:载体自己的两端从此连不上,只有带着 5'-磷酸的插入片段加入时,才能在每个接口至少连上一条链,形成环状质粒;剩下的单链缺口进入大肠杆菌后会被细胞自己修好。注意只处理载体,不处理插入片段。
| 酶 | 识别序列(^ 为上链切点) | 末端类型 | 备注 |
|---|---|---|---|
| EcoRI | G^AATTC | 5' 突出 AATT | 最经典的限制酶之一 |
| BamHI | G^GATCC | 5' 突出 GATC | 与 BglII(A^GATCT)末端兼容 |
| HindIII | A^AGCTT | 5' 突出 AGCT | 常见于多克隆位点 |
| XhoI | C^TCGAG | 5' 突出 TCGA | 与 SalI(G^TCGAC)末端兼容 |
| NdeI | CA^TATG | 5' 突出 TA | 识别序列内含起始密码子 ATG,常用于表达载体 |
| NotI | GC^GGCCGC | 5' 突出 GGCC | 8 bp 识别序列,在随机序列中很少出现 |
| SmaI / EcoRV | CCC^GGG / GAT^ATC | 平末端 | 可与任何平末端相连,但连接效率较低 |
| PstI / KpnI | CTGCA^G / GGTAC^C | 3' 突出 TGCA / GTAC | 3' 突出端的代表 |
选择一种或几种酶,工具会在序列中找出所有识别位点(彩色底纹)、标出切点(红线),并计算切割后的片段数量和长度。序列可以直接编辑。示例 2 是一个打算用 NdeI / XhoI 克隆的基因:看看它内部有没有这两个位点,又有哪些酶不能用。
示例序列为教学编写,不对应某个真实载体。只在输入的这条链上查找即可,因为这些酶的识别序列都是回文。
用刚学的知识判断。
载体用 BamHI 切开,插入片段两端用 BglII 切出。它们能连接吗?
为什么克隆时常用两种不同的酶(如 NdeI + XhoI)分别切插入片段的两端?
甲基化会挡住酶切;还有一种"只切甲基化 DNA"的酶
常用的大肠杆菌菌株带有 Dam、Dcm 甲基化酶,会在 GATC 等序列上加甲基。如果某个限制酶的识别序列恰好与这些甲基化位点重叠,就可能切不开,比如 XbaI、ClaI 在特定的序列背景下会受影响。这是"质粒明明有这个位点却切不动"的常见原因之一。
反过来,DpnI 只切甲基化的 GATC。做 PCR 定点突变时,模板质粒来自大肠杆菌(带甲基),PCR 新合成的 DNA 不带甲基,用 DpnI 处理就能选择性消化掉模板,只留下突变后的质粒。
另外,酶切条件不合适(如甘油过多、酶量过大、时间过长)时,有些酶会切开与识别序列相似的位点,这叫星号活性(star activity)。
本节要点
- 限制酶原是细菌抵御噬菌体的武器,II 型限制酶识别 4–8 bp 的回文序列并在固定位置切割,识别序列越长,在随机序列中出现越少。
- 交错切割产生黏性末端(5' 或 3' 突出),齐切产生平末端;两端用不同的酶切可以实现定向克隆,并减少载体自连。
- 同尾酶识别序列不同但切出相同的突出端(如 BamHI 与 BglII),末端可以互相连接。
- 双酶切要先确认两种酶的缓冲液是否兼容,不兼容就分步切。
- T4 DNA 连接酶消耗 ATP 形成磷酸二酯键,能连黏性末端和平末端;用碱性磷酸酶去掉载体的 5'-磷酸可以防止载体自连。
07质粒载体:基因的"运输车"和"安装包"
解决的问题:剪下来的基因片段自己不会复制,进不了细胞,也不会表达。
M1 提到过,质粒是细菌里独立于染色体、能自我复制的小型环状双链 DNA。天然质粒常携带对细菌"有用但非必需"的基因,比如抗生素抗性基因,还能在细菌之间转移,这也是耐药性在细菌中传播的途径之一。
科学家把天然质粒改造成载体(vector):保留复制所需的部分,去掉多余序列,再加上方便操作的"工具元件"。常用的质粒载体只有几 kb(常见约 3–10 kb),在大肠杆菌里能大量复制,提取也很方便。
点击环上的彩色元件或文字标签,查看它的作用。全部看完会有提示。
T7 启动子 + lac 操纵子(lacO)
角色:开机键 + 安全锁。启动子是 RNA 聚合酶开始转录的"起跑线"。pET 类载体用的是 T7 噬菌体的启动子,它只被 T7 RNA 聚合酶识别,大肠杆菌自己的聚合酶几乎不认。
表达宿主(如 BL21(DE3))的染色体上带有 T7 RNA 聚合酶基因,受 lac 系统控制。加入诱导剂 IPTG 后,T7 RNA 聚合酶才大量产生,进而高强度转录目的基因。紧挨启动子的 lacO 让阻遏蛋白结合,未诱导时减少"漏表达"。
核糖体结合位点(RBS)
角色:核糖体的停靠站。位于起始密码子 ATG 上游几个碱基处,原核 mRNA 靠它(Shine-Dalgarno 序列)招募核糖体并对准起点开始翻译(M3)。
哺乳动物细胞没有 RBS,靠的是包围 ATG 的 Kozak 序列,所以把基因从原核载体换到哺乳动物载体时,这部分要重新设计。
His 标签(His-tag)
角色:纯化用的"把手"。通常是连续 6 个组氨酸,融合在目的蛋白的 N 端或 C 端。组氨酸能与镍等金属离子结合,用镍柱就能把带标签的蛋白从成千上万种细菌蛋白中"钓"出来(M5 详细讲)。
标签和目的基因必须在同一个读码框里,否则会翻译出错误的氨基酸。有的载体还在标签和蛋白之间设计蛋白酶切位点,纯化后可以把标签切掉。
多克隆位点(MCS)
角色:插槽排。一小段 DNA 上密集排列着多个限制酶位点,而且每个位点在整个质粒中通常只出现一次,切开后质粒只断在这一处。
目的基因就插在 MCS 里。选择哪两个位点,要看基因内部有没有这些位点、要不要和标签融合、需要什么方向。
转录终止子
角色:句号。让 RNA 聚合酶在目的基因之后停止转录、脱离 DNA,避免它一路读进质粒的其他区域,干扰复制或浪费细胞资源。
卡那霉素抗性基因(KanR)
角色:筛选标记。编码一种能使卡那霉素失活的酶。转化后把细菌涂在含卡那霉素的平板上,只有拿到质粒的细菌才能活下来。
另一种常见标记是 AmpR(编码 β-内酰胺酶,分解氨苄青霉素)。由于这种酶会分泌到菌体外、降解周围的抗生素,AmpR 平板上久置后容易长出不含质粒的"卫星菌落"。
复制起点(ori)
角色:复印机的启动按钮。宿主的复制机器从这里开始复制质粒,ori 的类型决定每个细菌里有多少份质粒(拷贝数)。
例如 pUC 类 ori 是高拷贝,每个细胞可达数百份,适合大量制备质粒;pBR322 类 ori 拷贝数较低(约十几到二十份)。pET 载体使用 pBR322 来源的 ori,较低的拷贝数有助于控制本底表达。
lacI 阻遏基因
角色:刹车。编码 Lac 阻遏蛋白,它会结合在 lacO 上,压住转录。IPTG 结合阻遏蛋白后使其从 DNA 上脱落,相当于松开刹车,表达开启。
对宿主有毒的蛋白尤其需要这把"刹车",否则菌还没长起来就被毒死了。
元件速查表
上面图谱里每个元件的作用,汇总如下。几乎所有质粒载体都能拆成这几类"零件":
| 元件 | 角色 | 要点 |
|---|---|---|
| 复制起点(ori) | 复印机的启动按钮 | 宿主的复制机器从这里开始复制质粒。ori 决定质粒能在哪种宿主里复制,以及拷贝数:pUC 类 ori 为高拷贝,每个细胞可达数百份,适合大量制备质粒;pBR322 类 ori 为低拷贝,约十几到二十份,pET 载体就用它,有助于控制本底表达。细菌的 ori 在哺乳动物细胞里不起作用 |
| 抗性基因 | 筛选标记("激活码") | 编码能使抗生素失活的酶,只有拿到质粒的菌能在含抗生素的平板上生长。常见 AmpR(β-内酰胺酶,分解氨苄青霉素)和 KanR(卡那霉素)。β-内酰胺酶会分泌到菌体外、降解周围的抗生素,所以氨苄平板久置后容易长出不含质粒的"卫星菌落" |
| 启动子 | 开机键 | RNA 聚合酶开始转录的"起跑线",必须和宿主匹配(见下文) |
| lacO 与 lacI | 安全锁与刹车 | lacI 编码的阻遏蛋白结合在 lacO 上压住转录;加入诱导剂 IPTG 后阻遏蛋白脱落,表达开启。未诱导时减少"漏表达",对宿主有毒的蛋白尤其需要 |
| RBS / Kozak 序列 | 核糖体的停靠站 | 原核 mRNA 靠起始密码子 ATG 上游的 RBS(Shine-Dalgarno 序列)招募核糖体;哺乳动物细胞靠包围 ATG 的 Kozak 序列(M3)。换宿主时这部分要重新设计 |
| 多克隆位点(MCS) | 插槽排 | 一小段 DNA 上密集排列多个限制酶位点,每个位点在整个质粒中通常只出现一次,切开后质粒只断在这一处 |
| 标签 | 纯化或检测用的"把手" | 融合在目的蛋白 N 端或 C 端的短序列,如 His 标签(见下文);必须和目的基因在同一个读码框里 |
| 终止子 / polyA 信号 | 句号 | 原核用转录终止子(如 T7 终止子)让 RNA 聚合酶停止转录、脱离 DNA;真核用 polyA 信号(如 BGH polyA、SV40 polyA),指导 mRNA 3' 端切割并加上 polyA 尾,帮助 mRNA 稳定和出核(M3) |
启动子:原核和真核"开机键"不通用
启动子只有被宿主的 RNA 聚合酶认出来才有用,所以选启动子先看在哪里表达:
| 启动子 | 宿主 | 特点 |
|---|---|---|
| T7 | 大肠杆菌 | 只被 T7 噬菌体的 RNA 聚合酶识别,大肠杆菌自己的聚合酶几乎不认。表达菌株(如 BL21(DE3))染色体上带有受 lac 系统控制的 T7 RNA 聚合酶基因,加 IPTG 后才大量表达,转录非常强 |
| lac / tac | 大肠杆菌 | 由大肠杆菌自身的 RNA 聚合酶转录,同样受 lacI/lacO 控制、用 IPTG 诱导;tac 是人工改造的更强版本 |
| CMV | 哺乳动物细胞 | 来自巨细胞病毒,在 HEK293、CHO 等许多细胞中很强,组成型表达(不需要诱导剂);在某些细胞里长期培养时可能逐渐被"沉默" |
| EF1α | 哺乳动物细胞 | 来自人的延伸因子基因,表达强而稳定,在干细胞、原代细胞等 CMV 表现不佳的细胞里常更可靠,常用于慢病毒载体和稳定表达 |
标签与读码框
标签是在目的蛋白一端额外加上的一小段氨基酸,方便纯化或检测(M5 会讲纯化细节):
- His 标签:通常 6 个连续的组氨酸,能结合镍等金属离子,用镍柱就能把蛋白从成千上万种细菌蛋白中"钓"出来。
- Flag、HA、Myc 标签:很短的多肽,有成熟的商品化抗体可以识别,常用于 Western blot 检测、免疫沉淀和抗体亲和纯化。
- GST、MBP 等大标签:本身是一个完整的蛋白,既能用于纯化,也常能帮助目的蛋白更好地溶解。
- 荧光蛋白(如 GFP):融合后可以直接在显微镜下看到蛋白在细胞里的位置。
标签和蛋白之间常设计一个蛋白酶切割位点(如 TEV 蛋白酶位点),纯化后可以把标签切掉。最关键的一点是读码框(M3 的"阅读框"):标签和目的基因必须"三个一组"对齐。如果连接处多了或少了一两个碱基,后面整段都会被读错,翻译出错误的氨基酸,往往很快遇到终止密码子。
穿梭载体与"双系统"设计
能在两种不同宿主里复制的载体叫穿梭载体,例如同时带有大肠杆菌 ori 和酵母复制元件、两套筛选标记的"大肠杆菌–酵母穿梭载体":在大肠杆菌里方便地扩增和改造,再转入酵母里使用。
哺乳动物表达质粒(如 pcDNA3.1)也是类似的"双系统"思路:一套元件负责在大肠杆菌里扩增质粒(细菌 ori + AmpR),另一套负责在哺乳动物细胞里表达(CMV 启动子 + polyA 信号 + 哺乳动物细胞用的抗性基因)。不过它的细菌 ori 在哺乳动物细胞里并不工作,质粒进入细胞后不会跟着复制。用于制备慢病毒、AAV 等病毒载体的质粒也遵循同样的设计:先在细菌里大量制备质粒,再转染细胞去包装病毒。
克隆载体 vs 表达载体
| 克隆载体 | 表达载体 | |
|---|---|---|
| 主要目的 | 保存、扩增、测序一段 DNA | 让目的基因在特定宿主里转录、翻译成蛋白质 |
| 必备元件 | ori、抗性基因、MCS | 在此基础上,还要有适配宿主的启动子、翻译起始信号、终止子,常带纯化或检测标签 |
| 典型例子 | pUC19 等 pUC 系列 | pET 系列(大肠杆菌)、pcDNA3.1(哺乳动物细胞) |
| 特点 | 通常高拷贝,提取量大,常带蓝白斑筛选 | 启动子强度、诱导方式、标签都要按项目选择 |
两个"明星载体":pET 与 pcDNA3.1
| pET 系列 | pcDNA3.1 | |
|---|---|---|
| 表达宿主 | 大肠杆菌,常用 BL21(DE3) 等带 T7 RNA 聚合酶基因的菌株 | 哺乳动物细胞,如 HEK293、CHO |
| 启动子 | T7 启动子(多数型号带 lacO 控制) | CMV 启动子(来自巨细胞病毒,在许多哺乳动物细胞中很强) |
| 如何开启表达 | 加 IPTG 诱导 | 组成型表达,转染后即开始表达,不需要诱导剂 |
| 筛选标记 | 因型号而异:如 pET-28a 为卡那霉素抗性,pET-21 系列为氨苄青霉素抗性 | 两套:AmpR 用于在大肠杆菌中扩增质粒;新霉素抗性基因(用 G418 筛选)用于在哺乳动物细胞中筛选稳定株 |
| 其他特点 | 多种型号提供 N 端或 C 端 His 标签等选项 | 基因下游带 BGH 多聚腺苷酸化信号,帮助 mRNA 加尾、稳定 |
| 典型用途 | 在细菌中表达重组蛋白、酶、抗原片段 | 瞬时转染表达、建立稳定表达细胞株 |
这张表正好印证了前面的"双系统"设计:pcDNA3.1 在大肠杆菌里扩增靠 pUC ori + AmpR,在哺乳动物细胞里表达靠 CMV 启动子 + BGH polyA + 新霉素抗性。几乎所有哺乳动物表达质粒都是这样,因为制备质粒总要用细菌。
拷贝数越高越好吗?
不一定。高拷贝 ori 适合大量制备质粒;但对于表达载体,如果目的蛋白对细菌有毒,高拷贝意味着更多的漏表达,菌可能长不好甚至丢失质粒。此外,有些不稳定序列(如长重复序列)在高拷贝质粒里更容易发生重组。选择载体时,拷贝数是一个需要权衡的参数。
本节要点
- 质粒载体由几类元件组成:ori 负责复制并决定拷贝数(pUC 高拷贝、pBR322 低拷贝),抗性基因负责筛选,启动子负责开启转录,MCS 是插入位点,终止子或 polyA 信号负责收尾。
- 启动子必须与宿主匹配:原核用 T7、lac/tac(IPTG 诱导),哺乳动物细胞用 CMV、EF1α 等(组成型表达);原核靠 RBS、哺乳动物靠 Kozak 序列起始翻译。
- His、Flag 等标签用于纯化和检测,必须与目的基因处在同一个读码框里。
- 克隆载体只需 ori、抗性基因和 MCS,用于保存和扩增 DNA;表达载体还要有适配宿主的启动子、翻译起始信号和终止信号。
- 穿梭载体能在两种宿主中复制;哺乳动物表达质粒采用"细菌里扩增、哺乳动物细胞里表达"的双系统设计。
08分子克隆:把基因"装进"质粒的几种方法
把前面的工具串起来。这是分子生物学实验室最基本、也最常见的工作。
"克隆"(clone)原意是"由一个个体无性繁殖出的、遗传上完全相同的群体"。分子克隆是指把一段 DNA 插入载体、送进宿主细胞,再从单个细胞繁殖出一大群带有完全相同重组质粒的细胞。最终交付的"一个克隆",就是经过验证、序列正确的那一株菌和它的质粒。
经典方法:酶切–连接的前半程
上图前两格是"构建",后三格是"导入与筛选"(下一节)。构建这一半有四步:
- 设计:确定载体、插入位点、读码框、标签;检查基因内部是否含有要用的酶切位点。设计阶段的错误,后面所有步骤都救不回来。
- 获得目的基因:用高保真 PCR 从模板扩增(引物 5' 端加上酶切位点和保护碱基,第 05 节),或者直接基因合成(第 11 节)。
- 酶切:用同一对酶分别切载体和插入片段,再通过凝胶电泳切胶回收正确大小的片段(第 03 节)。酶切不完全会留下没切开的环状载体,后续形成大量"空载"菌落。
- 连接:把插入片段和载体按一定比例混合(插入片段通常过量几倍),加 T4 DNA 连接酶(第 06 节)。比例不当会降低效率。
酶切–连接法便宜、可靠、教科书级经典,但有几个痛点:必须有合适的、基因内部不存在的酶切位点;接头处会留下酶切位点的"疤痕"序列;一次通常只能连一个片段。下面几种方法各自绕开了其中一部分限制。
TA 克隆:利用 Taq 多加的那个 A
第 04 节提到,Taq 聚合酶常在 PCR 产物的 3' 端多加一个 A。TA 克隆用的是一种预先切开、两端各带一个 3' 突出 T 的线性载体(T 载体):PCR 产物的 A 和载体的 T 正好互补,用连接酶连上即可,不需要酶切位点。它的变体 TOPO 克隆用拓扑异构酶代替连接酶,几分钟就能完成。
局限:插入方向随机,大约一半克隆方向是反的;高保真酶扩出的平末端产物没有 A,要先额外"加 A";一次只能连一个片段。所以它常用于快速保存、测序 PCR 产物,而不是构建表达载体。
Gibson 组装:靠同源臂"对号入座"
2009 年发表的 Gibson 组装是最常用的无缝克隆方法。设计时让相邻片段的末端带有约 20–40 bp 相同的序列,称为同源臂(重叠区),通常用引物尾巴加上去(第 05 节)。然后把所有片段和三种酶放进一管,在约 50°C 下反应:
- 外切酶从每个片段的 5' 端往里"啃",露出 3' 端单链;
- 相邻片段的单链同源臂互补配对,自动按设计好的顺序对接;
- 聚合酶补齐剩下的空隙,连接酶封上缺口。
优点是接头处没有多余序列("无缝"),不依赖酶切位点,一次可以拼接多个片段。缺点是每个接口都要设计同源臂;如果片段末端是重复序列,或者几个片段的末端彼此相似,就可能拼错;很短的片段效率较差。市面上很多"无缝克隆""同源重组克隆"试剂盒原理与它类似。
Golden Gate 组装:会"自己消失"的酶切位点
2008 年发表的 Golden Gate 组装使用 IIS 型限制酶(如 BsaI)。普通 II 型酶在识别序列内部切,IIS 型酶的识别序列不是回文,而且在识别位点外侧固定距离处切割,切出的 4 个碱基突出端可以由设计者自由决定。
把识别位点放在每个片段的外侧、朝向片段,切开后识别位点就留在被切掉的小尾巴上,片段本身只带着设计好的突出端。酶切和连接在同一管里循环进行(在适合酶切的温度和适合连接的温度之间反复切换):错误的连接产物仍带着识别位点,会被再次切开;正确的产物已经没有识别位点,不会再被切,于是越积越多。只要每个接口的 4 碱基突出端各不相同,几个甚至十几个片段就能一次按顺序拼好,特别适合启动子、基因、终止子这类标准化元件的"模块化"组装。
局限:片段内部不能有所用 IIS 型酶的识别位点,有的话要先通过同义突变去掉;接口处会留下 4 个碱基(但这 4 个碱基是可以设计的)。
Gateway:一次构建,随意"换车"
Gateway 克隆借用 λ 噬菌体整合进大肠杆菌染色体的位点特异性重组机制,不用限制酶和连接酶。先把基因放进一个"入门载体",两侧带着特定的重组位点(att 位点);之后只需一步重组反应,就能把这个基因整体"搬"进各种带有对应位点的"目的载体",比如细菌表达、哺乳动物表达、带不同标签的版本。适合同一个基因要放进很多种载体的场景。缺点是接头处会留下二十几 bp 的 att 位点"疤痕",表达时会多出几个氨基酸;试剂成本也较高。这里了解概念即可。
五种方法对比
| 方法 | 靠什么把片段连起来 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 酶切–连接 | 限制酶切出互补的黏性末端,T4 DNA 连接酶连接 | 便宜、可靠、经典 | 依赖合适的酶切位点;留下位点疤痕;通常一次一个片段 |
| TA 克隆 | PCR 产物的 3' A 与载体的 3' T 配对 | 不需要酶切位点,非常简单快速 | 方向随机;需要带 A 的产物;只能一个片段 |
| Gibson / 无缝克隆 | 片段末端约 20–40 bp 的同源臂互补配对,三种酶一管完成 | 无缝;不依赖酶切位点;可多片段 | 每个接口要设计同源臂;末端重复或相似时易拼错 |
| Golden Gate | IIS 型酶在位点外侧切出自定义的 4 碱基突出端,边切边连 | 多片段一次按序组装;适合模块化元件 | 片段内部不能有该酶位点;留下 4 碱基接口 |
| Gateway | λ 噬菌体的位点特异性重组(att 位点) | 同一基因快速转移到多种载体 | 留下 att 疤痕;试剂较贵;需要专用载体 |
要把启动子、目的基因、终止子三个片段按固定顺序一次拼进载体,接头处不能留下多余的酶切位点序列。下面哪种方法最不合适?
本节要点
- 分子克隆是把一段 DNA 插入载体、送进宿主,再从单个细胞繁殖出带有相同重组质粒的群体;经典的酶切–连接法依赖合适的酶切位点,并会留下位点疤痕。
- TA 克隆利用 Taq 在产物 3' 端多加的 A 与 T 载体配对,简单但方向随机、只能一个片段。
- Gibson 组装靠相邻片段末端约 20–40 bp 的同源臂,由外切酶、聚合酶、连接酶一管完成,无缝且可多片段。
- Golden Gate 用 IIS 型酶(如 BsaI)在识别位点外侧切出可自定义的 4 碱基突出端,正确产物不再含识别位点,适合多片段按序组装。
- Gateway 利用 λ 噬菌体的位点特异性重组,可把同一基因快速转移到多种载体中,但会留下 att 疤痕。
09转化、筛选与验证:找到那个"对的"克隆
解决的问题:连接产物里有正确的重组质粒,也有空载体和各种错误产物,怎样把正确的那一个挑出来、确认它没错?
转化:把质粒送进细菌
大肠杆菌平时不会主动吸收外来 DNA。经过处理、细胞膜更容易让 DNA 进入的细胞叫感受态细胞。把质粒导入细菌的过程叫转化,有两种常用方法:
| 化学转化(热激法) | 电转化 | |
|---|---|---|
| 怎么做 | 用钙离子等处理过的感受态细胞与 DNA 混合,冰浴,42°C 热激几十秒,再放回冰上 | 细胞洗去盐分,与 DNA 混合后施加一个短暂的高压电脉冲,在细胞膜上打开临时小孔 |
| 效率 | 常见约 10⁶–10⁹ 个菌落/μg DNA | 通常更高,可达约 10¹⁰ 个菌落/μg |
| 注意 | 操作简单,不需要专门仪器 | 样品不能含盐,否则会放电;需要电转仪 |
| 适合 | 日常克隆 | 大质粒、需要极多克隆的文库构建(第 10 节) |
转化后先加入不含抗生素的培养基,在 37°C 摇一段时间(约 1 小时),叫复苏:让细胞从热激或电击中恢复,并先表达出抗性蛋白,再去面对抗生素。
常用的克隆菌株(如 DH5α)去掉了容易让质粒发生重组的基因和会降解 DNA 的核酸酶基因,质粒更稳定、提出来更干净;而表达蛋白要换用表达菌株(如带 T7 RNA 聚合酶基因的 BL21(DE3))。
筛选:抗性平板与蓝白斑
复苏后的菌涂布在含相应抗生素的平板上,37°C 过夜培养。只有拿到质粒的菌能长成菌落;每个菌落由一个细胞分裂而来,所以叫一个"克隆"。
但抗性平板只能说明"菌里有质粒",不能说明"质粒里有没有插入片段"。pUC19 等克隆载体利用 蓝白斑筛选解决这个问题,它的原理叫 α 互补:
- 载体的 MCS 位于 lacZα 基因片段内部。lacZα 编码 β-半乳糖苷酶的一小段,宿主菌(如 DH5α)里则有缺了这一小段的酶,两者"拼"在一起才有活性。
- 平板里加入 X-gal(无色底物,被 β-半乳糖苷酶分解后产生蓝色产物)和 IPTG(诱导 lac 基因表达)。
- 空载体:lacZα 完整,酶有活性,菌落呈蓝色。
- 有插入片段:lacZα 被打断,酶失活,菌落呈白色。挑白色菌落即可。
蓝白斑只是初筛:白斑不能保证插入片段方向和序列都正确,最终仍需测序。
用 pUC19 做克隆,平板上有蓝色和白色两种菌落。应该优先挑哪种?为什么?
鉴定与验证:从快到准
挑几个单菌落(避开紧贴大菌落的小"卫星菌落",也避免挑到两个菌落混在一起的位置),然后由快到准地层层确认:
| 方法 | 怎么做 | 能回答什么 |
|---|---|---|
| 菌落 PCR | 直接用菌落当模板,用插入片段两侧(载体上)的引物扩增后跑胶 | 有没有插入、大小对不对;最快,不用提质粒 |
| 酶切鉴定 | 小提质粒(第 02 节),用合适的酶切开后跑胶,与图谱预测的条带大小比对 | 构建的整体结构、插入方向是否正确 |
| 测序 | Sanger 测序覆盖插入片段和两侧连接处,或做全质粒测序(第 12 节) | 每一个碱基是否正确,是最终标准 |
验证通过的克隆要保存菌种,常见做法是把菌液与甘油混合后 −80°C 冻存(甘油菌),以后随时可以复苏、再提质粒。
转化、转染、转导:三个"转"别混淆
把外源 DNA 送进不同的细胞,用的词不一样:
| 转化(transformation) | 转染(transfection) | 转导(transduction) | |
|---|---|---|---|
| 对象 | 细菌、酵母等微生物 | 哺乳动物等真核细胞 | 各种细胞(借助病毒) |
| 方式 | 感受态细胞直接摄取裸露的 DNA:热激、电转化 | 非病毒方法:脂质体或阳离子聚合物(如 PEI)包裹 DNA 进入细胞、电穿孔等 | 把基因装进病毒载体(如慢病毒、AAV),利用病毒的感染能力送进细胞 |
| 典型场景 | 克隆、扩增质粒、表达蛋白 | 在 HEK293、CHO 细胞里表达蛋白、包装病毒 | CAR-T 细胞制备、难转染的细胞、体内基因治疗 |
(在微生物学里,"转导"也指噬菌体在细菌之间搬运 DNA,原理相通:都是借病毒之手。)
转染又分两种结果:瞬时转染的质粒不整合进染色体,表达几天后随细胞分裂逐渐稀释消失,适合快速做实验或短期生产蛋白;稳定转染是少数细胞把外源 DNA 整合进了自己的染色体,再用抗生素(如 G418、嘌呤霉素)筛选几周,得到能长期、稳定表达的细胞,称为稳定细胞株。慢病毒转导会把基因整合进染色体,也常用来建立稳定细胞株。
回顾:一次完整的分子克隆
用 ↑ ↓ 调整顺序,然后点击"检查顺序"。
- 设计克隆方案:选载体、酶切位点、读码框
- 获得目的基因(PCR 扩增或基因合成)
- 用同一对限制酶分别酶切载体和插入片段
- 用 DNA 连接酶连接,形成重组质粒
- 转化感受态大肠杆菌
- 涂布含抗生素的平板,筛选带质粒的菌
- 挑取单菌落,摇菌扩增
- 小量提取质粒(miniprep)
- 酶切鉴定与 Sanger 测序验证
一次克隆实验后,平板上长出很多菌落,但测序发现大多数都是不含插入片段的空载体。最可能的原因是?
本节要点
- 感受态细胞是容易摄取 DNA 的细胞;化学转化用 42°C 热激,电转化用高压电脉冲、效率更高但样品不能含盐;转化后要复苏约 1 小时再涂抗性平板。
- 抗性平板上每个菌落来自一个细胞,是一个克隆;蓝白斑筛选靠 α 互补,插入片段打断 lacZα 后菌落呈白色。
- 鉴定由快到准:菌落 PCR 看有无插入,酶切跑胶看结构和方向,测序确认每个碱基;正确克隆保存为甘油菌。
- 转化指细菌等微生物摄取 DNA,转染指用非病毒方法把核酸送进真核细胞,转导指借助病毒载体送入基因。
- 瞬时转染的质粒不整合、几天后消失;稳定转染需整合进染色体并经抗生素筛选,得到稳定细胞株。
- 空载体克隆多,通常是载体酶切不完全或发生自连,可用切胶回收、双酶切定向克隆和去磷酸化来减少。
10定点突变与突变文库:有目的地"改字"
解决的问题:想知道某个氨基酸起什么作用,或者想让一个酶、一个抗体变得更好,就要有目的地改写基因里的个别碱基。
M3 讲过自然发生的突变:碱基替换、插入和缺失。定点突变则是人为地在指定位置引入预先设计好的突变,比如把第 120 位的密码子从编码丝氨酸改成编码丙氨酸。常见用途包括:研究某个氨基酸是否关键(例如把一串位置逐个换成丙氨酸,叫"丙氨酸扫描")、在实验室里重现患者身上的致病突变、去掉碍事的酶切位点,以及改善蛋白的稳定性或活性。
三种常见做法
① PCR 定点突变:扩增整个质粒,再"清除"模板
设计一对带有目标突变、彼此重叠的引物,以原来的质粒为模板,用高保真聚合酶把整个质粒扩增一遍,新合成的 DNA 就都带上了突变。麻烦在于,反应管里仍残留着原始模板质粒,直接转化会长出大量"没突变"的克隆。
解决办法利用了 DNA 甲基化:从普通大肠杆菌里提出来的质粒,GATC 序列中的 A 带有甲基标记(这是细菌自己的 Dam 甲基化酶加的);而 PCR 在试管里新合成的 DNA 没有甲基。限制酶 DpnI 有个特别的性质:只切甲基化的 GATC。用它处理 PCR 产物,原始模板被切碎,带突变的新 DNA 完好无损,再转化大肠杆菌即可。
② 重叠延伸 PCR
第 04 节介绍过:分两段扩增基因,让突变位于两段的重叠区里,再把两段拼起来。适合在线性片段上引入突变、插入或缺失。
③ 直接合成突变后的基因
需要同时改很多位置,或者一次要几十个不同的突变体时,直接按突变后的序列做基因合成(第 11 节)往往更快、更可控。
无论哪种方法,最后都要测序。整质粒 PCR 有可能在质粒其他位置引入意外错误,所以至少要测通整个插入片段,最好做全质粒测序(第 12 节)。
突变文库:一次造出成千上万种变体
很多时候我们并不知道哪种改法最好。这时可以一次构建一个突变文库:包含成千上万甚至上亿种不同变体的 DNA 混合物,再通过筛选把表现最好的那几个找出来。
| 文库类型 | 怎么造 | 特点 |
|---|---|---|
| 随机突变文库 | 易错 PCR:故意让 PCR 出错,例如用没有校对功能的聚合酶并调整 Mg²⁺、Mn²⁺ 和 dNTP 比例,在整个基因上随机产生少量突变 | 不需要事先知道哪里重要;突变位置和类型不可控 |
| 饱和突变文库 | 在选定位置使用简并密码子,如 NNK(N 代表 A/C/G/T 任意一种,K 代表 G 或 T) | NNK 一个位置有 32 种密码子,覆盖全部 20 种氨基酸,只含 1 个终止密码子 |
| 组合文库 | 同时改变多个位置 | 多样性增长极快:1 个位置 20 种,3 个位置 20³ = 8000 种,5 个位置约 320 万种 |
| 合成变体文库 | 用基因合成按清单逐个设计每一个变体 | 可以精确控制每个位置出现哪些氨基酸,避免终止密码子和偏好 |
文库的一个核心概念是覆盖度:要让每一种设计的变体都大概率出现,实际获得的克隆数要比理论多样性多出几倍。多样性一大,转化步骤就成了瓶颈,所以大文库通常用效率更高的电转化(第 09 节),并用二代测序检查文库里各变体的分布(第 12 节)。
联系:蛋白工程与抗体优化
"造变体、筛选、再造变体"的循环叫定向进化,相当于在试管里模拟自然选择。2018 年诺贝尔化学奖一半授予阿诺德(Frances Arnold),表彰她用定向进化改造酶;另一半授予史密斯(George Smith)和温特(Gregory Winter),表彰噬菌体展示技术及其在抗体工程中的应用。抗体药物的"亲和力成熟"也常用类似思路:先造出一个带大量变体的抗体文库,再从中筛选出结合更强、更稳定的那几个(M6 会专门讲抗体和展示文库)。
做 PCR 定点突变时,为什么要用 DpnI 处理 PCR 产物后再转化?
本节要点
- 定点突变是在指定位置引入预先设计好的改动,常用于丙氨酸扫描、重现致病突变、去除碍事的酶切位点、改善蛋白稳定性或活性。
- 三种常见做法:PCR 扩增整个质粒后用 DpnI 消化甲基化模板;重叠延伸 PCR 在重叠区引入突变;改动很多时直接基因合成;每种做法最后都要测序。
- 不确定怎么改最好时可构建突变文库(随机突变的易错 PCR、饱和突变的 NNK、组合文库或合成变体文库),再通过筛选挑出最优变体。
- 文库的核心概念是覆盖度:实际克隆数要多于理论多样性;大文库常用效率更高的电转化构建,并用二代测序检查变体分布。
- "造变体、筛选、再造变体"的循环叫定向进化,是蛋白工程和抗体优化的基础。
11基因合成:从零"写"出一段 DNA
解决的问题:没有模板、需要大量修改,或者想按需重新设计序列时,PCR 和传统克隆都帮不上忙。
PCR 只能复制已有的 DNA。基因合成则只需要一段电子版序列,就能用化学方法从零写出对应的 DNA 分子。它解决了几类典型问题:
拿不到原始材料
序列来自数据库或论文,但样本难以获得,比如稀有物种、危险病原体,或者只有序列信息的抗体。
想改哪里就改哪里
点突变、删除、融合标签、去掉内部酶切位点、两端加接头,都可以在设计阶段一次完成。
为宿主"翻译"
在不改变蛋白质序列的前提下,按目标宿主偏好的密码子重写整个基因(M3),往往能明显改善表达。
自然界不存在的 DNA
人工设计的蛋白、突变体库、合成生物学的基因线路,只能"写"出来。
浅色图标是尚未进行的步骤。点击"下一步",看完从序列到交付的全过程。
① 序列设计与优化
拿到目标序列(DNA 序列,或只有蛋白质的氨基酸序列)后,先按表达宿主做密码子优化,同时去掉不需要的酶切位点、加上两端接头,并评估序列的合成难度(GC 含量、重复、二级结构等)。
② 化学合成寡核苷酸
用亚磷酰胺法在固相载体上一个碱基一个碱基地把短链"接"出来。每接一个碱基都有极小比例失败,链越长,完全正确的全长分子比例越低,所以先合成几十个碱基的短片段,并让它们彼此有重叠,覆盖整个基因的两条链。
③ 片段拼接组装
相邻寡核苷酸的重叠区互补配对,再用聚合酶延伸(如 PCR 组装)或连接酶连接,逐级拼成几百 bp 的片段,最后组装成完整基因。过程中常加入纠错步骤,去除含错配的分子。
④ 克隆到载体
把组装好的基因克隆进载体、转化大肠杆菌、挑取单克隆。因为每个克隆来自一个分子,把正确和错误的分子"分开",正是为了下一步逐个检验。
⑤ 测序验证
对多个克隆测序(Sanger 或 NGS),与设计序列逐个碱基比对,挑出 100% 正确的克隆。若没有完全正确的,可挑选只有个别错误的克隆再做定点修正。
⑥ 交付
常见交付形式是质粒 DNA(溶液或冻干粉)和/或甘油菌,附测序报告和质粒图谱。客户可以直接拿去转化、转染或做下一步构建。
为什么不能直接合成一整条长基因?
亚磷酰胺法每加一个碱基要经过一个化学循环。每一步偶联效率通常在 99% 左右或更高(常见经验值),听上去很高,但要连续做几十、几百次。全长正确产物的比例约等于"单步效率的(长度 − 1)次方",误差会层层累积。
拖动滑块,看单步偶联效率和链长如何影响全长产物的比例。
亚磷酰胺法的四步循环
化学合成 DNA 的方向是 3'→5',与细胞内的合成方向相反。第一个核苷酸固定在固相载体(如多孔玻璃珠)上,然后每个循环加一个碱基:
- 脱保护:去掉链末端的保护基团(DMT),露出可反应的羟基;
- 偶联:加入下一个带保护的亚磷酰胺单体,接到链上;
- 加帽:把这一轮没接上的链"封死",防止它们后续继续延伸,变成缺一个碱基的错误产物;
- 氧化:把新形成的亚磷酸三酯键氧化成稳定的磷酸三酯。
全部循环完成后,把寡核苷酸从载体上切下并脱去保护基。这套化学方法在 1980 年代初发展成熟,是引物合成和基因合成的共同基础。
合成难点:哪些序列"难写"?
GC 含量极端
整体或局部 GC 过高,容易形成稳定的二级结构、组装时错配;GC 过低则结合不稳。
重复序列
重复片段会让寡核苷酸"配错对象",组装出错位产物;在大肠杆菌中也容易发生重组丢失。
二级结构
发夹、茎环等结构阻碍配对和聚合酶延伸。
同聚物长串
如一长串 A 或 G,合成和测序都容易出错。
长度
基因越长,需要的寡核苷酸和组装层级越多,出错和失败的概率越高。
对宿主有毒
某些序列表达的产物会毒害大肠杆菌,导致克隆难以获得或发生突变。
很多难点可以在设计阶段缓解:密码子优化时有意降低局部 GC、打散重复序列,只要编码的氨基酸不变即可。这也是基因合成相比传统克隆的一大优势。
| 传统克隆(PCR + 酶切连接) | 基因合成 | |
|---|---|---|
| 起点 | 必须有现成的 DNA 模板 | 只需要电子版序列 |
| 修改序列 | 每个突变都要额外设计、多轮操作 | 设计时一次写入任意修改 |
| 密码子优化 | 难以对全长基因实施 | 可整体优化 |
| 酶切位点问题 | 受限于基因内部已有的位点 | 可通过同义突变去除或添加位点 |
| 适合场景 | 手头已有样本、只需原样扩增克隆 | 无模板、需大量改造、需优化表达、全新设计 |
本节要点
- 基因合成只需一段电子版序列就能从零写出 DNA,适合无模板、需大量改造、需密码子优化或全新设计的情形。
- 合成用亚磷酰胺法逐个碱基延长,单步偶联效率不到 100%,链越长全长正确产物越少,所以先合成几十碱基的寡核苷酸,再组装、克隆、测序挑选。
- 极端 GC、重复序列、二级结构、同聚物长串、过长以及对宿主有毒的序列都更难合成,很多可在设计阶段通过密码子优化缓解。
- 相比传统克隆,基因合成能一次写入任意修改、整体做密码子优化,且不受基因内部已有酶切位点的限制。
12测序:把 DNA "读"出来
解决的问题:怎么确认手里的 DNA 一个字母都没错?怎么读出整个基因组?
Sanger 测序:双脱氧链终止法
1977 年,英国科学家弗雷德里克·桑格发表了双脱氧链终止法。他此前已因测定胰岛素的氨基酸序列获得 1958 年诺贝尔化学奖,又因 DNA 测序分享了 1980 年诺贝尔化学奖,是少数两次获得诺贝尔奖的科学家之一。
原理的关键是一种"有缺陷的原料":双脱氧核苷酸(ddNTP)。普通的 dNTP 在 3' 位有羟基(-OH),下一个核苷酸可以接上去;ddNTP 在 3' 位没有羟基,一旦被聚合酶接上,链就无法继续延长。
- 在一个测序反应里放入模板、一条引物、聚合酶、大量普通 dNTP,以及少量四种 ddNTP,每种 ddNTP 带不同颜色的荧光标记。
- 聚合酶从引物开始合成新链,每到一个位置都有一定概率随机接上 ddNTP 而停下。于是得到一大群长度各不相同、每种长度都有的片段,每个片段的最后一个碱基带着代表它的颜色。
- 毛细管电泳按长度把片段分开,能分辨相差一个碱基的长度;激光依次读出经过的颜色,就得到了序列。
好的峰图
峰形尖锐、间距均匀,每个位置只有一个明显的峰,背景很低。
开头和结尾
紧挨引物的前几十个碱基通常读不准,读到约 700–1000 bp 后信号逐渐变弱、峰变宽,质量下降。
双峰
同一位置出现两种颜色的峰,可能是菌落不纯(混了两种质粒)、样品是杂合子,或者引物结合了不止一个位置。
二代测序(NGS):大规模并行
Sanger 一次只读一条序列。二代测序(Next-Generation Sequencing,NGS)的思路是:把 DNA 打断成大量短片段,同时读取数以百万计乃至数十亿计的片段,再用计算机把它们拼回去或比对到参考序列上。目前最普及的是 Illumina 平台的"边合成边测序":片段固定在芯片上并扩增成簇,每一轮只加入一个带荧光、可逆终止的核苷酸,拍照记录颜色后去掉终止基团,再进入下一轮。
二代测序单条读长短(常见 50–300 bp),但通量极高、单个碱基的成本极低,让个人全基因组测序成为常规。它擅长:全基因组和外显子组测序、转录组(RNA-seq)、突变检测、扩增子测序、文库筛选,以及对整个质粒做全长测序。
三代测序:单分子长读长
三代测序直接读取单个 DNA 分子,不需要先扩增成簇,读长可达上万甚至数十万碱基:
- PacBio(太平洋生物):在微小的反应孔中实时观察单个聚合酶掺入荧光核苷酸的过程。其 HiFi 模式通过对同一分子反复读取,可同时获得较长读长和很高的准确率。
- Oxford Nanopore(牛津纳米孔):DNA 单链穿过膜上的蛋白质纳米孔时,不同碱基引起的离子电流变化不同,据此读出序列。读长可以非常长,设备可小到掌上大小,能边测边出数据。
长读长特别适合解决短读长"拼不起来"的区域,例如长重复序列和结构变异,也越来越多地用于质粒全长验证。
| Sanger 测序 | 二代测序(NGS) | 三代测序 | |
|---|---|---|---|
| 原理 | ddNTP 链终止 + 毛细管电泳 | 大规模并行,边合成边测序等 | 单分子实时测序 / 纳米孔 |
| 单次读长 | 约 700–1000 bp | 短,常见 50–300 bp | 长,常见上万 bp |
| 通量 | 一次反应一条序列 | 一次运行可达数十亿条读段 | 中到高 |
| 强项 | 单个位点准确,操作简单,适合少量样本 | 通量大、单碱基成本低 | 长片段、重复区、结构变异 |
| 典型用途 | 验证克隆、确认突变、菌落鉴定 | 基因组、转录组、文库、批量样本 | 基因组从头组装、质粒全长、复杂区域 |
人类基因组计划于 1990 年启动、2003 年宣布完成,常被引用的总预算约 30 亿美元;读长与通量为常见范围,随仪器型号变化。
根据需求选择最合适的方案。
刚构建好一个质粒,需要确认插入的 800 bp 基因序列完全正确。
客户想比较药物处理前后,细胞中上万个基因的表达量变化。
需要从头拼出一种新细菌的完整基因组,其中有很多长重复序列。
本节要点
- Sanger 测序用少量带荧光的 ddNTP 随机终止链延伸、再按长度分开读出颜色,单次读长约 700–1000 bp,是验证克隆的标准方法。
- 读峰图:好的峰尖锐单一、背景低;紧挨引物的开头和约 1000 bp 之后的结尾质量较差;同一位置出现双峰提示菌落不纯、样品杂合或引物多位点结合。
- 二代测序(NGS)同时读海量短片段(常见 50–300 bp),通量高、单碱基成本低,用于基因组、转录组、文库和质粒全长测序。
- 三代测序读单分子、读长可达上万碱基,擅长长重复序列、结构变异和基因组从头组装。
- 按需求选测序:少量位点确认用 Sanger,上万基因表达或文库用 NGS,复杂重复区和从头组装用长读长。
13CRISPR-Cas9:可编程的"查找与替换"
解决的问题:怎样在活细胞庞大的基因组里,精确找到并修改某一个位置?
前面的工具大多在试管和质粒上操作。要直接修改细胞自己的基因组,早期有锌指核酸酶(ZFN)、TALEN 等技术,但每换一个靶点都要重新设计和改造一个蛋白质,费时费力。CRISPR-Cas9 的革命性在于:切割用的蛋白质(Cas9)不变,只要换一段约 20 个碱基的向导 RNA,就能瞄准新的位置。设计和合成一段 RNA,比改造一个蛋白质容易得多。
来源:细菌的"疫苗接种记录"
CRISPR 原本是细菌和古菌的适应性免疫系统。细菌被噬菌体感染并幸存后,会把病毒 DNA 的一小段剪下来,插入自己基因组的 CRISPR 区域,夹在一个个重复序列之间,就像保存一份"通缉令"。下次同一病毒入侵时,细菌把这些片段转录成 RNA,引导 Cas 蛋白找到并切断与之匹配的病毒 DNA。
奇怪的重复序列
日本科学家(石野良纯等)在大肠杆菌基因组中首次注意到成簇的重复序列,当时不知道它的功能。
证明是免疫系统
研究酸奶发酵菌(嗜热链球菌)的科学家证明,CRISPR 区域中的病毒片段能让细菌抵抗相应的噬菌体。
改造成编辑工具
卡彭蒂耶和杜德纳团队证明,Cas9 可以被一段设计好的 RNA 引导,在试管中切割任意指定的 DNA,并把两段 RNA 简化成一条"单向导 RNA"。
走进人类细胞与诺奖
2013 年张锋、丘奇等团队实现了在哺乳动物细胞中的编辑。2020 年,卡彭蒂耶和杜德纳获得诺贝尔化学奖。
三个关键组件
- Cas9 蛋白:剪刀。最常用的是来自化脓性链球菌的 SpCas9。它有两个切割结构域(HNH 和 RuvC),各切一条 DNA 链。
- sgRNA(单向导 RNA):导航。由约 20 nt 的"间隔序列"(决定靶点,需按目标设计)和一段固定的"支架"序列组成,支架负责与 Cas9 结合。
- PAM:门牌号。SpCas9 只会切割紧跟着 5'-NGG-3'(N 为任意碱基)的靶序列,PAM 位于靶序列的 3' 端一侧,在基因组上而不在 sgRNA 里。细菌自己的 CRISPR 区域没有 PAM,所以 Cas9 不会切到自己。
跟随 Cas9 和 sgRNA,从组装、搜索、切割到细胞的两种修复方式。
① 组装"导航系统"
Cas9 蛋白与 sgRNA 结合成复合体。sgRNA 前端约 20 nt 的间隔序列由研究者按目标位置设计,后面的支架序列让它牢牢挂在 Cas9 上。
② 扫描 PAM
复合体在 DNA 上快速"抽查",先找 NGG。只有遇到 PAM,Cas9 才会进一步检查旁边的序列是否与 sgRNA 匹配。这让它不必逐个碱基地比对整个基因组。
③ 解链与配对
在 PAM 处,Cas9 把 DNA 双链局部解开,sgRNA 的间隔序列与靶链互补配对,另一条链被挤到一边。靠近 PAM 的约 10–12 个碱基("种子区")对配对要求最严格。
④ 切断双链
配对成功后,HNH 和 RuvC 两个结构域各切一条链,在 PAM 上游约 3 bp 处造成双链断裂(通常是平末端)。Cas9 的工作到此为止,接下来"怎么改"取决于细胞如何修复。
⑤ NHEJ:快速粘合,容易出错
细胞最常用的修复方式是直接把断端粘回去。这个过程常在断口处随机多出或丢掉几个碱基(indel)。如果 indel 不是 3 的倍数,下游读码框就全乱了,往往提前遇到终止密码子,基因失去功能,即基因敲除。
⑥ HDR:照着模板精确修复
如果同时提供一段两侧与断口序列相同(同源臂)、中间带有想要改动的供体模板,细胞可能照着它修复,从而实现点突变、标签插入等精确编辑/敲入。HDR 主要发生在分裂中的细胞,效率通常远低于 NHEJ。
| NHEJ | HDR | |
|---|---|---|
| 是否需要模板 | 不需要 | 需要供体模板(单链寡核苷酸或质粒等) |
| 结果 | 随机的小插入或缺失 | 按模板精确改写 |
| 效率 | 高,大多数细胞都会发生 | 低,主要在细胞周期的 S/G2 期 |
| 典型用途 | 基因敲除 | 点突变、敲入标签或报告基因、修正突变 |
工具在序列中寻找 SpCas9 的 PAM(NGG),并取其上游 20 nt 作为候选靶序列。点击表格中的一行,在序列中查看它的位置和预计切点。
蓝底:选中的 20 nt 靶序列;橙底:PAM;红线:预计切点。示例序列为教学编写。真实的 sgRNA 设计还要用专业软件评估全基因组的脱靶风险和预测的切割效率。
研究者想把某个致病点突变精确改回正常序列,除了 Cas9 和 sgRNA,还必须提供什么?
不切断双链的新一代编辑:碱基编辑与先导编辑
双链断裂对细胞是一种"损伤",可能带来不想要的大片段缺失或染色体异常。2016 年起,刘如谦(David Liu)实验室等开发了碱基编辑:把"切口版"或失活的 Cas9 与脱氨酶融合,直接把一个碱基化学转换成另一个(如 C→T 或 A→G),不切断双链。2019 年又报道了先导编辑,可以在不依赖供体 DNA 的情况下写入小段插入、缺失或多种点突变。
此外,不同的 Cas 蛋白识别不同的 PAM,例如 Cas12a 识别富含 T 的 PAM(TTTV),并在远离 PAM 的位置交错切割,可以扩展可编辑的位置。
本节要点
- CRISPR-Cas9 原是细菌的适应性免疫系统,改造成编辑工具后只需更换约 20 nt 的向导序列就能瞄准新位点,比改造蛋白容易得多。
- 三个关键组件:Cas9 蛋白(剪刀)、sgRNA(约 20 nt 间隔序列 + 支架,导航)、PAM(SpCas9 要求 NGG,在基因组上而不在 sgRNA 里)。
- Cas9 在 PAM 上游约 3 bp 处切断双链;NHEJ 快速粘合、易产生 indel、常用于敲除;HDR 需供体模板、可精确敲入或修正,但效率较低。
- 主要局限包括脱靶、PAM 限制、HDR 效率低和递送难题;编辑生殖细胞或胚胎涉及伦理红线。
- 碱基编辑和先导编辑可以不切断双链就改写碱基或写入小段序列,是更"温和"的新一代编辑工具。
14联系工作:听懂客户需求
客户不会说"我需要第 03 节和第 06 节",他们说的是自己的实验目标。
分子生物学服务的沟通,本质上是把客户的一句话"翻译"成一串技术步骤。无论什么需求,都可以先问五个问题:
- 起点是什么?一段 DNA 序列、一段氨基酸序列、一份样本,还是一个已有的质粒?
- 终点是什么?要一个质粒、一批引物、一份测序报告、一个蛋白,还是一株编辑过的细胞?
- 在什么系统里用?大肠杆菌、哺乳动物细胞,还是其他宿主?这决定载体、密码子优化和元件选择。
- 怎样算"做对了"?验证标准是什么:测序覆盖哪些区域、需要什么纯度或指标?
- 要多少、什么形式?数量、规格、交付形式。
把每句客户原话放进最主要对应的服务类别。
基因合成 / 克隆构建
寡核苷酸(引物/探针)合成
测序验证
基因编辑
切换标签页,看一句话需求背后的技术链条和需要问清的问题。
- 反向翻译 + 密码子优化:氨基酸序列没有唯一对应的 DNA 序列,要按哺乳动物细胞偏好设计(第 11 节,M3)。
- 基因合成:同时去掉会干扰克隆的酶切位点,在 ATG 前加入 Kozak 序列。
- 克隆构建:插入 pcDNA3.1 这类 CMV 启动子载体;如需检测或纯化,在 N 端或 C 端加标签,注意读码框(第 07 节)。
- 测序验证:Sanger 测序覆盖全长插入片段和两侧连接处(第 12 节)。
- 质粒制备:转染通常需要较高纯度、低内毒素的质粒,数量按实验规模定。
需要问清
蛋白是胞内表达还是分泌表达(要不要信号肽)?标签加在哪一端?指定载体还是可以推荐?需要多少质粒、什么级别?
- 检查位点:基因内部不能有 NdeI(CATATG)或 XhoI(CTCGAG)位点,如有,可通过同义突变去除(第 06、11 节)。
- 设计两端:NdeI 位点中的 ATG 作为起始密码子;在 pET-28a 中,从 NdeI 插入会与载体的 N 端 His 标签融合,需保证读码框一致。基因末尾是否保留终止密码子,决定了是否会接上载体的 C 端标签。
- 定向克隆:两种不同的黏性末端保证方向正确,减少空载(第 06 节)。
- 验证与宿主:通常先在克隆菌株(如 DH5α)中扩增并测序,确认正确后再转入表达菌株 BL21(DE3)。
- 后续:IPTG 诱导表达,用镍柱纯化 His 标签蛋白(M5)。
需要问清
保留 N 端标签、C 端标签,还是都不要?是否需要在标签后加蛋白酶切位点以便去除标签?是否需要按大肠杆菌做密码子优化?
- 设计 sgRNA:通常选在靠前的、各转录本共有的外显子上;找 NGG,评估脱靶风险,一般准备 2–3 条备选(第 13 节)。
- 递送:Cas9 与 sgRNA 可以质粒、mRNA 或 RNP(Cas9 蛋白 + sgRNA 复合物)的形式送入细胞。
- 单克隆化:把编辑后的细胞池分成单个细胞分别培养,得到遗传一致的克隆。
- 基因型鉴定:PCR 扩增切点附近区域并测序,确认所有等位基因都发生了移码突变。
- 功能验证:用 Western blot 等方法确认目标蛋白确实消失。
需要问清
要单克隆细胞株还是编辑后的细胞池?敲除还是敲入?验证到 DNA 水平还是需要蛋白水平?细胞来源和培养条件有无特殊要求?
本节要点
- 客户表达的是实验目标而不是具体技术;沟通时先问清起点、终点、使用的宿主系统、验证标准、数量与形式五个问题。
- 常见需求可归为四类:基因合成/克隆构建、寡核苷酸(引物/探针)合成、测序验证、基因编辑。
- 把一句话需求拆解成技术链条(反向翻译、密码子优化、克隆、测序、制备等),并记下需要向客户确认的细节。
- 模块讲的是原理和通用流程,具体能否做、怎么做、多久交付要以技术支持团队的评估为准。
15金斯瑞业务对照:本模块的每一步,都是公司的一项服务
前面十四节讲的是原理。这一节把原理和金斯瑞官网公开介绍的服务一一对上,看客户的一句话落到哪项服务、背后用的是哪一节的知识。
金斯瑞官网"我们的业务"把集团分为三块:生命科学集团(Life Science Group,涵盖 DNA 合成、寡核苷酸合成、多肽合成、蛋白生产、抗体开发以及生命科学仪器与耗材,服务早期研究与发现)、蓬勃生物 ProBio(从药物发现到商业化的端到端 CDMO)和百斯杰 Bestzyme(工业合成生物学,面向饲料、酒精、食品、家居护理等行业的酶制剂)。本模块的技术几乎全部对应第一块:生命科学集团的分子生物学与基因编辑服务,也是公司最早起家的业务。
官网把 DNA 合成和寡核苷酸合成放在一起介绍并非偶然:第 11 节讲过,基因合成的"砖块"就是化学合成的寡核苷酸。官网的寡核苷酸页面写道,"GenScript's gene synthesis is supported by GenScript oligo synthesis for 22 years"(基因合成由公司自己的寡核苷酸合成支撑了 22 年)。同一条技术链往下走,就是克隆、质粒制备、测序验证,再往外延伸到突变文库和 CRISPR 试剂。
一张对照表:服务 ↔ 客户问题 ↔ 本模块知识
| 服务 / 产品 | 解决客户什么问题 | 背后的知识 | 客户常见问法 |
|---|---|---|---|
| FLASH Gene(基因合成 + 克隆 + 质粒制备三合一) | 只有电子版序列,需要一个序列 100% 正确、可以直接用的质粒 | 第 11 节 基因合成、第 08 节 克隆、第 12 节 测序 | "这段序列多久能拿到质粒?""3 kb 以上还能做吗?" |
| GenBrick™(长片段合成,官网介绍最长 200 kb) | 要一整段基因簇、合成基因组片段或超长表达盒 | 第 11 节 组装、第 08 节 同源臂拼接、第 06 节 稀有酶切位点 | "我们要做一个 50 kb 的代谢通路,你们能合成吗?" |
| GenSmart™ 2.0 在线下单平台与免费密码子优化、GenSmart™ Design 载体设计工具 | 想先自己算一算序列能不能做、该怎么改、载体怎么画 | 第 11 节 难合成序列与密码子优化、第 07 节 载体元件 | "为什么我的序列要改?""能不能给我一张质粒图谱?" |
| 克隆与亚克隆(Express Cloning、VectorArk™ Cloning、Subcloning) | 已有的基因要换一个载体,或插到指定的两个位点之间 | 第 06 节 酶切连接、第 08 节 克隆方法、第 07 节 读码框与标签 | "把这个基因从 pET 换到 pcDNA3.1""用 NdeI / XhoI 插进去" |
| 载体库(官网 FLASH Gene 可选载体 170 余种,Premium Gene 200 余种,也可上传自有载体) | 不知道该用哪个载体,或者公司自己的载体要先"入库" | 第 07 节 启动子与宿主匹配、克隆载体 vs 表达载体 | "你们有没有 pET-28a?""我们自己的载体能用吗?" |
| 质粒制备(官网分 Tier 1 / Tier 2 / Tier 3 三档) | 要一定量、一定纯度的质粒去转染细胞、包装病毒或做动物实验 | 第 02 节 提取、定量与内毒素、第 03 节 超螺旋跑胶 | "要 5 mg 转染级质粒""内毒素能做到多低?" |
| 全质粒测序(Whole Plasmid Sequencing,官网标注可用 Sanger / NGS / Nanopore) | 不只想确认插入片段,还想确认质粒骨架也没有意外突变 | 第 12 节 三代测序技术对比 | "除了插入片段,载体部分测了吗?" |
| 寡核苷酸合成(DNA / RNA oligo、qPCR 探针、NGS 接头、GenTitan™ Oligo Pools) | 要引物、探针或成千上万条寡核苷酸组成的池子 | 第 05 节 引物设计与纯化、第 04 节 qPCR 探针、第 03 节 PAGE 纯化 | "这几条引物要 HPLC 纯化""探针 5' 端加荧光基团" |
| 精准突变文库(位点饱和、饱和扫描、组合文库) | 不知道改哪几个位置最好,想一次造出大量变体去筛 | 第 10 节 饱和与组合文库、覆盖度、第 12 节 用 NGS 查分布 | "把这 6 个 CDR 做成饱和扫描文库""能保证覆盖度吗?" |
| OmniGuide RNA(合成 gRNA)与 HDR 模板、Cas 蛋白 / Cas mRNA | 要做基因敲除或精确敲入,需要现成、高纯度的编辑试剂 | 第 13 节 sgRNA、PAM、NHEJ 与 HDR、第 10 节 gRNA 文库 | "帮我合成这条 sgRNA""敲入 2 kb 该用什么模板?" |
| CRISPR 细胞株开发与 gRNA 质粒文库 | 要一株敲除/敲入好的细胞,或做全基因组筛选 | 第 09 节 单克隆化与验证、第 13 节 编辑与修复 | "要单克隆细胞株还是细胞池?""怎么确认敲干净了?" |
业务深挖一:FLASH Gene 的"4 个工作日从基因到质粒",钱花在哪一步?
官网介绍 FLASH Gene 是"3-in-1: Gene to Plasmid",一个订单包含三件事:DNA 合成、克隆、以及默认 4 µg 的质粒制备,production time 为 4 个工作日(官网注明该周期只算生产时间,不含运输),适用长度上限约 3 kb,由 GenGenius™ 自动化平台支撑。把这 4 天拆开,正好是第 11、08、12、02 节的内容:
- 设计与评估(第 11 节):GenSmart™ 2.0 平台会自动判断序列是否符合 FLASH Gene 的条件。官网列出的合成难度因素包括:整体 GC 低于 20% 或高于 80%、序列内部 GC 分布不均、同聚物长串、长度 ≥ 20 bp 的重复、小重复的数量与长度、回文序列——和第 11 节讲的"难写的序列"完全是同一张清单。不合格的序列可以先用免费的 GenSmart™ 密码子优化工具改写(不改氨基酸、只换密码子),提高通过率;仍不合格的转为 Premium Gene,官网标注周期 5–9 个工作日以上、长度 3–8 kb。
- 合成寡核苷酸并组装(第 11 节):第 11 节的计算器说明了为什么不能一次合成一整条基因——单步偶联效率不到 100%,链越长全长正确的分子越少。所以先合成几十个碱基的寡核苷酸,再靠重叠区配对、聚合酶延伸逐级拼成全长基因。
- 克隆进载体(第 08 节、第 07 节):客户从官网的 170 余种 FLASH Gene 载体里挑一个,覆盖克隆载体(pUC57、pBluescript 等)、哺乳动物表达载体(pcDNA3.1 系列)、大肠杆菌表达载体(pET、pGEX 系列)、酵母与杆状病毒载体,以及抗体表达载体。这里有一个和第 08 节直接相关的细节:载体列表里有 pUC57-BsaI-free、pUC57-Kan-Key IIS Free 这类名字——"BsaI-free""IIS free"指的正是去掉了 Golden Gate 常用的 IIS 型酶识别位点,客户拿到后可以直接把它当作 Golden Gate 组装的模块来用。
- 测序验证(第 12 节):官网写明 FLASH Gene 的标准质控是 Sanger 或 NGS 测序,并承诺序列 100% 准确。这就是第 11 节动画第 5 步做的事:对多个克隆逐个比对,挑出完全正确的那一个。
- 质粒制备(第 02 节):默认 4 µg 已足够再转化、再构建;要更多就加挂质粒制备服务,官网说明届时周期会相应增加。
还有一个常被客户问到的点:自有载体需要先"入库"(vector onboarding)。官网解释,预先归档好的 ready-to-clone 载体才能支撑最快的周期;上传自有载体会使周期增加 5 个工作日,即使这个载体以前寄来过,也需要重新归档。用第 07、08 节的知识就能解释原因——要把一个基因准确插进某个载体,必须先确认它的完整序列、抗性、拷贝数和可用的插入位点,这件事做一次就能复用很多次。
质粒交付分三档,差别就在第 02、03 节讲过的那几个指标上:
| 官网分档 | Tier 1 | Tier 2 | Tier 3 |
|---|---|---|---|
| 适用场景 | 通用 | 为转染实验优化 | 为动物实验优化 |
| 保证产量 | ≥10 µg 起 | 最高可到 ≥5 mg(按所选规格) | |
| 超螺旋比例(跑胶看,第 03 节) | 以超螺旋为主 | ≥80% | ≥90% |
| 内毒素(第 02 节) | 低内毒素 | ≤0.01 EU/µg 等可选 | ≤0.005 EU/µg 等可选 |
| 起始周期 | 2 天起 | 3 天起 | 2 周起 |
官网列出的默认质控项目,几乎每一项都能用本模块的知识读懂:外观、A260/A230 ≥ 2 与 A260/A280 在 1.8–2.0(第 02 节的纯度判断)、琼脂糖凝胶看均一性与残留 RNA(第 03 节)、酶切鉴定(第 06 节)、用 qPCR 测残留的大肠杆菌基因组 DNA ≤ 5%(第 04 节)、序列与参考序列 100% 一致。注意官网同时注明:常规的序列验证只覆盖插入片段区域,要确认整个质粒需要另外加做全质粒测序——这正是客户问"载体部分测了吗"时应该说清楚的边界。
业务深挖二:GenBrick™ 怎么"搭"出 200 kb——一座用第 06、08、12 节原理盖起来的楼
一条基因 3 kb 已经要先切成几十条寡核苷酸再组装,200 kb 又该怎么办?官网的 GenBrick™ 页面给出的三个案例说明了答案:分层组装。
- 50 kb 案例:把 50,245 bp 的目标序列拆成 10 段 5 kb,每段两端带 AscI 酶切位点和 200 bp 重叠区;所有片段先克隆进 pUC57 载体,再转进酵母里完成组装;筛选后的克隆用酶切和 NGS 测序做最终验证。
- 100 kb 案例:100,620 bp 被拆成 4 段 25 kb,而每一段 25 kb 又先由 5 段 5 kb 拼成,重叠区加长到 500 bp,并带 NotI 位点。
- 200 kb 案例:202,155 bp 拆成 7 段 25–35 kb,每段同样由若干 5 kb 片段拼起,克隆进 pCC1 或 pUC57 载体后在酵母中组装。
每一个设计决定都能用前面学过的原理解释:
- 为什么用重叠区?这就是第 08 节的同源臂思路。相邻片段末端共享一段相同序列,就能互补配对、"对号入座"地按设计顺序接上,接头处不留多余序列。片段越长、数量越多,拼错的代价越大,所以重叠区从 200 bp 加到 500 bp——比实验室常用的 20–40 bp 长了一个数量级。
- 为什么用 AscI、NotI 这类酶?第 06 节算过:识别序列越长,在随机序列里出现得越少。NotI 的识别序列有 8 bp,平均约 6.5 万 bp 才出现一次,所以在几十 kb 的长片段里它基本只切在设计好的位置,适合当"边界标记"。
- 为什么要在酵母里组装?酵母细胞自身的同源重组能力很强,能把带重叠区的多个大片段一次接起来——这是长片段组装常用的路线,也解释了为什么长片段项目的周期比普通基因合成长(官网标注 8–15 kb 最快 10 个工作日、15–20 kb 30 个工作日,20 kb 以上需评估)。
- 为什么验证要用 NGS 而不是 Sanger?第 12 节讲过,Sanger 单次读长只有约 700–1000 bp。几万 bp 的构建逐段 Sanger 走完既慢又容易漏,所以官网案例里用的是酶切跑胶看整体结构 + NGS 覆盖全长。
- 为什么交付量有两个数?官网交付说明写的是 4 µg 冻干质粒,低拷贝质粒为 1 µg。回到第 07 节:ori 决定拷贝数,装长片段常用低拷贝载体(长片段在高拷贝质粒里更容易发生重组丢失),每个细菌里质粒份数少,同样体积菌液提出来的量自然就少。
业务深挖三:精准突变文库——把"该改哪里"交给筛选
第 10 节讲过,少量确定的改动用定点突变,不确定改哪里时就造文库再筛选。金斯瑞官网的精准突变文库(DNA Mutant Library)服务就是后者的工业化版本,按设计方式分为四类:位点饱和文库(在一个或多个单独位点上遍历最多 20 种氨基酸)、饱和扫描文库(在一段连续区域或整条蛋白上逐个位置扫描)、组合文库(多个位置同时变化,获得高多样性)、以及 CRISPR gRNA 文库。
官网强调的三个卖点,正好对应第 10 节讲到的文库痛点:
- 100% 由用户定义密码子、不含提前终止密码子。第 10 节说过,简并密码子 NNK 虽然用 32 种密码子覆盖了全部 20 种氨基酸,但仍含 1 个终止密码子,一旦出现就会得到一条截短的无用蛋白。官网称其合成技术(包括 GenTitan™ 半导体芯片合成、三联体密码子合成和简并寡核苷酸合成)可以精确控制每个位置出现哪些密码子,避开终止密码子和不想要的密码子。
- 保证 95% 以上的目标变体覆盖度。这就是第 10 节的"覆盖度"概念:设计里有多少种变体,实际拿到的文库里就要有多少种。
- 用 NGS 验证变体分布的均一性,组合文库还可选三代长读长测序。为什么要用测序检查?因为文库是一管混合物,跑胶和 Sanger 都看不出里面各变体的比例(第 12 节)。
这个案例把第 10 节的几个概念串成了一条线:先用饱和扫描做"地毯式排查"找出哪些位置值得动(63 × 19 ≈ 1200 种单点变体,规模可控),再用组合文库把少数几个有效位置组合起来(组合的多样性增长极快,所以必须先缩小范围)。这正是第 10 节说的"造变体、筛选、再造变体"的定向进化循环,抗体部分 M6 会继续讲。
业务深挖四:CRISPR 服务——把第 13 节的三个组件分别做成产品
第 13 节说 CRISPR 编辑需要三样东西:Cas 蛋白(剪刀)、gRNA(导航)、以及做精确敲入时额外需要的供体模板。金斯瑞官网的 GenCRISPR 服务基本就是按这三样展开的,外加设计工具、细胞株和筛选文库。
gRNA:为什么官网强调"最长 266 nt"。OmniGuide RNA 是金斯瑞的合成向导 RNA 平台,官网称其支持 Cas9、Cas12a、先导编辑、碱基编辑等体系,最长可合成 266 nt。为什么长度是个卖点?看一下各种向导 RNA 的长度就明白了(均为官网标注范围):
| 向导 RNA 类型 | 官网标注长度 | 为什么是这个长度(第 13 节) |
|---|---|---|
| Cas9 sgRNA | 97–103 nt | 约 20 nt 的间隔序列 + 与 Cas9 结合的固定支架 |
| Cas12a crRNA | 40–49 nt | Cas12a 不需要 tracrRNA,只用一条短 crRNA,所以合成更短、更简单;它识别富含 T 的 PAM,可以瞄准 AT 丰富的区域 |
| 碱基编辑 gRNA | 97–140 nt | 仍是 Cas9 体系的向导,编辑窗口只有几个碱基,官网标注约 4–9 nt |
| 先导编辑 pegRNA | 110–266 nt | 除了靶向序列和支架,还要带上逆转录模板(写什么)和引物结合位点(从哪里开始写),所以特别长,也特别难合成 |
官网还说明:Cas9 sgRNA 默认带 2'-O-甲基和硫代磷酸修饰(提高在细胞里的稳定性);纯化可选脱盐或 HPLC,HPLC 纯化的 Cas9 sgRNA 与 Cas12a crRNA 保证纯度 ≥90%,pegRNA 与碱基编辑 gRNA ≥85%。这和第 05 节讲引物订单时的三件事是同一套语言:序列、规模、纯化方式(外加修饰)。质量等级则按研发阶段分为 RUO(脱盐/HPLC)、INDEdit(临床前与 IND 申报)和 cGMP(临床级),官网称累计支持了 18 个获批的 IND 项目。
HDR 模板:为什么按长度分成三种形式。第 13 节说 HDR 需要"带同源臂的供体模板",但没说模板长什么样。官网按插入片段的长度给出不同建议:小于 5 kb 推荐 GenExact™ 单链 DNA(官网称单链模板毒性最低、优化后敲入效率高);5–10 kb 可用线性闭合末端的 GenWand™ 双链 DNA 或环状的 GenCircle™ 双链 DNA;超过 10 kb 推荐 GenCircle™。同源臂长度方面,官网建议 5 kb 以内的模板用 200–500 nt 的同源臂,插入越长同源臂可以相应加长——比实验室做个点突变时用的几十个碱基长得多,因为同源臂越长,细胞越容易"认出"该往哪里修。官网还提到一种设计:在线性模板上加 Cas9 靶序列(CTS),让模板与 Cas9–gRNA 复合体结合、一起被送进细胞核,据称可把多种位点和多种原代人细胞的 HDR 效率提高到 80–90% 以上。
设计工具与"工具不保证效果"这件事。官网提供免费的 gRNA 与 HDR 模板设计工具,支持 14 个物种,给出 on-target / off-target 评分,并倾向于选择靠前的外显子、覆盖尽量多的转录本——和第 13 节讲 sgRNA 设计时说的"优先选靠前的共有外显子、评估脱靶"一致。但官网也明确写道:工具生成的 gRNA 由算法优化,并未逐条做实验验证,拿到后仍需在自己的体系里测试,并建议每个靶点测 2–3 条。这句话在和客户沟通时很重要——设计分数高不等于保证编辑效率。
Cas 蛋白、mRNA 与编辑细胞株。官网提供现货和定制的 Cas 蛋白与 Cas mRNA、CRISPR 质粒(标注授权自 Broad Institute 张锋实验室,含降低脱靶的 eSpCas9)、全基因组 gRNA 质粒文库,以及 CRISPR 细胞株开发服务。这对应第 13 节讲的三种递送形式:RNP(蛋白 + 合成 gRNA 先复合再电转,官网称编辑立刻开始、不引入外源 DNA)、mRNA + 合成 gRNA(共转染)、以及质粒经病毒包装(适合难转染的细胞)。官网的一个慢病毒案例写道,用同时携带 Cas9 与 gRNA 的慢病毒(功能滴度 >1×10⁹ TU/mL)建立稳定细胞池,基因敲除效率超过 90%,并用 Western blot 验证——正是第 09 节"抗性筛选 + 验证"和第 13 节"NHEJ 敲除"的组合。要特别记住一个边界:细胞株开发服务页面注明,目前不为原代细胞、干细胞和 iPS 细胞提供基因编辑服务。
把每句客户原话放进最主要对应的服务类别。都是本节正文讲过的服务。
基因合成与克隆(FLASH Gene / 亚克隆)
长片段合成(GenBrick™)
精准突变文库
CRISPR 试剂(gRNA / HDR 模板)
质粒制备
客户发来一段 2.4 kb 的序列,内部有一段约 60 bp 的重复,整体 GC 含量 72%,局部还有一处很高的 GC 区。在线平台提示它不符合最快通道的条件。下面哪种解释最准确?
客户要在细胞里精确敲入一个 7 kb 的表达盒,问需要准备哪些材料。按第 13 节的原理和官网的服务分类,下面哪一组最完整?
客户收到质粒后问:"报告上说序列 100% 正确,为什么你们还建议我加做全质粒测序?"最合适的解释是?
本节要点
- 本模块的技术链条对应金斯瑞生命科学集团的分子生物学服务:寡核苷酸合成 → 基因合成(FLASH Gene、GenBrick™)→ 克隆与亚克隆 → 质粒制备 → 测序验证,再向外延伸到突变文库与 CRISPR 试剂。
- FLASH Gene 把合成、克隆和默认 4 µg 质粒制备打包成一个订单;"序列能不能走最快通道"取决于第 11 节那张难度清单(极端 GC、长重复、同聚物、回文),密码子优化常常能把序列改到合格。
- GenBrick™ 的长片段靠分层组装实现:5 kb 小片段 → 带 200–500 bp 重叠区和稀有酶切位点(AscI、NotI)→ 在酵母中组装 → 酶切加 NGS 验证,每一步都是第 06、08、12 节原理的放大版。
- 精准突变文库用可控的密码子设计避开终止密码子、保证覆盖度并用 NGS 查分布;官网案例显示"饱和扫描 + 组合优化"两轮可使抗体亲和力提升约 1000 倍。
- CRISPR 服务按第 13 节的三个组件拆开:gRNA(OmniGuide,pegRNA 最长、最难合成)、HDR 模板(按插入长度选单链/线性双链/环状双链,同源臂 200–500 nt)、Cas 蛋白与 mRNA,另有设计工具、gRNA 文库和细胞株服务;设计工具的评分不等于验证过的效率。
资料来源:金斯瑞官网及子公司官网公开信息(2026 年 10 月访问)。服务参数会更新,对外沟通以官网和公司内部最新资料为准。
16术语卡片:点击翻面
先看正面自己解释一遍,再翻过来核对。
17模块测验
15 道题,答完自动计分,成绩会记录在课程首页。
PCR 一个循环三步的正确顺序和大致温度是?
Taq 聚合酶对 PCR 的普及为什么如此关键?
理想情况下(效率 100%),从 1 个拷贝开始做 30 个循环,理论上约得到多少拷贝?
qPCR 中,样品 A 的 Ct = 20,样品 B 的 Ct = 23,扩增效率接近 100%。这说明?
EcoRI 的识别序列是 G^AATTC。切割后会产生什么样的末端?
质粒上的哪个元件,使得"只有带质粒的细菌能在平板上长出来"?
客户要在 HEK293 细胞中表达一个蛋白,下列哪个载体最合适?
基因合成为什么要先合成几十个碱基的寡核苷酸,再拼接成完整基因?
要确认一个新构建的质粒中 1 kb 插入片段序列完全正确,最常用的方法是?
用 CRISPR-Cas9 做基因敲除,主要利用的是什么?
一个 6 kb 的质粒不做酶切直接跑胶,常会出现两三条带,不能直接按 Marker 读大小。为什么?
要把启动子、基因、终止子三个片段一次按固定顺序无缝拼进载体,接头处不留多余序列。下面哪种方法最合适?
客户想一次得到某个酶在几个位点上的所有氨基酸组合,从中筛出活性最好的变体。最适合的做法是?
FLASH Gene 一个订单里包含"合成、克隆、默认 4 µg 质粒制备",标准质控是测序。按本模块的原理,为什么"测序"这一步省不掉?
延伸资源
- Addgene Blog · Plasmids 101 系列:用通俗语言讲解质粒元件、各类载体和克隆方法,图示丰富(英文)。
- Khan Academy · Biotechnology 单元:DNA 克隆、PCR、凝胶电泳、DNA 测序等,有配套练习(英文,部分有中文字幕)。
- HHMI BioInteractive:搜索 "CRISPR-Cas9" 动画,直观展示 Cas9 搜索、配对与切割过程。
- 诺贝尔奖官网科普页:1993 年(PCR)和 2020 年(CRISPR)化学奖的"Popular information",适合了解发现背后的故事。
- SnapGene Viewer(免费):打开客户提供的质粒文件,练习查看元件、酶切位点和读码框。
- 工作练习:找一个公开的 pcDNA3.1 或 pET-28a 质粒图谱,用本模块的知识指出 ori、抗性基因、启动子、MCS 和终止子,并说出各自的作用。
学完了吗?
回到"学习目标"逐条检查,都能做到就标记完成吧。