2020/2/29用基因工程方法获得胰岛素第四组12020/2/29胰岛素是由胰岛B细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素。胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素,同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成。外源性胰岛素主要用来糖尿病治疗。胰岛素这类活性蛋白多肽和细胞因子具有高度生物活性,分子量很大,立体结构异常复杂,体外难以人工合成。所以过去糖尿病患者只能服用从牛、猪体中提取的胰岛素来治疗;但牛、猪胰岛素结构上与人胰岛素有差别,如与猪胰岛素B链第30个氨基酸残基不同,长期服用会引起肾和眼的疾病,故必需要用基因工程方法获得重组人胰岛素进行治疗。22020/2/293基因工程制胰岛素三种方法一、A链和B链分别表达法化学合成A链和B链的编码序列2020/2/294基因工程制胰岛素三种方法一、A链和B链分别表达法表达产物的后期处理路线:2020/2/295基因工程制胰岛素三种方法二、人胰岛素原表达法基因工程菌的构建战略:2020/2/296基因工程制胰岛素三种方法二、人胰岛素原表达法表达产物的后期处理路线:2020/2/297基因工程制胰岛素三种方法三、A链和B链同时表达法2020/2/298方法一:由于A链和B链上共存在六个半胱氨酸残基,体外二硫键的正确配对率较低,通常只有10%-20%,因此成本高。方法二:胰岛素原能形成良好的空间构象,三对二硫键的正确配对率提高,折叠率高。工艺路线依然繁琐。方法三:需体外折叠。基因工程制胰岛素三种方法三种方法比较:2020/2/29基因工程获取胰岛素的步骤一、获取外源目的基因片段二、选择与获取表达载体三、重组目的DNA片段与表达载体四、选择与获取表达细胞五、重组体导入表达细胞六、对重组体细胞进行筛选纯化鉴定七、工程菌产物鉴定和保存八、发酵培养92020/2/29一、获取外源目的基因片段1.选择实验材料2.提取RNA,分离RNA3.逆转录mRNA,得cDNA第一链4.得双链DNA5.DNA序列纠错6.目的基因通过细胞克隆扩增7.目的基因回收及DNA测序,最终目的基因获取102020/2/29一、获取外源目的基因片段1.选择实验材料胰岛素是一种蛋白质类激素,体内胰岛素是胰岛B细胞(即胰岛β细胞)受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的。胰岛素基因只有在胰岛B细胞中才能转录出信使RNA,所以用基因工程方法生产胰岛素时,选用胰岛B细胞为获取目的基因的实验材料。112020/2/29一、获取外源目的基因片段2.提取RNA,分离RNA2.1总RNA的提取2.2mRNA的纯化2.3mRNA的保存122020/2/29一、获取外源目的基因片段2.1总RNA的提取总RNA的抽提方法有多种,TRIzol试剂是使用组广泛的RNA抽提试剂,主要由苯酚和异硫氰酸胍组成,可以迅速破坏细胞结构,使存在于细胞质及核内的RNA释放出来,并使核糖体蛋白与RNA分子分离。苯酚虽可有效地变性蛋白质,但不能完全抑制RNA酶活性,因此TRIzol中还加入了8-羟基喹啉、异硫氰酸胍、β-巯基乙醇等来抑制内源和外源RNase(RNA酶)。TRIzol是从细胞和组织中提取总RNA的即用型试剂,在样品裂解或匀浆过程中,TRIzol能保持RNA完整性。提取RNA时,首先用液氮研磨材料,匀浆,加入TRIzol试剂,进一步破碎细胞并溶解细胞成分。然后加入氯仿抽提,离心,分离水相和有机相,收集含有RNA的水相,通过异丙醇沉淀,可获得比较纯的总RNA,用于下一步mRNA的纯化。132020/2/29一、获取外源目的基因片段2.1.1TRIzol法提取流程(1)样品处理①培养细胞:收获细胞1-5*10^7,移入1.5ml离心管中,加入1mlTRIzol,混匀,室温静置5min。②组织:取50-100mg组织(新鲜或-70℃及液氮中保存的组织均可)置1.5ml离心管中,加入1mlTRIzol充分匀浆,室温静置5min。(2)加入0.2ml氯仿,振荡15s,静置2min。(3)4℃离心,12000g*15min,取上清液。(4)加入0.5ml异丙醇,将管中液体轻轻混匀,室温静置10min。(5)4℃离心,12000g*10min,弃上清液。(6)加入1ml75%乙醇,轻轻洗涤沉淀。4℃,7500g*5min,弃上清液。(7)晾干,加入适量的DEPCH2O溶解(65℃促溶10-15min)。142020/2/29一、获取外源目的基因片段2.1.1TRIzol法提取流程图152020/2/29一、获取外源目的基因片段2.2mRNA的纯化该方法利用mRNA3'端含有PolyA(多聚腺苷酸)的特点,当RNA流经寡聚dT纤维素柱时,在高盐缓冲液的作用下,mRNA被特异性的结合在柱上,再用低盐溶液或蒸馏水洗脱mRNA。经过两次寡聚纤维柱后可得到较高纯度的mRNA。162020/2/29一、获取外源目的基因片段2.2.1寡聚(dT)纤维素柱纯化mRNA(1)试剂准备:①3M醋酸钠(pH5.2);②0.1MNaOH;③上样缓冲液:20mMTris-HCl(pH7.6),0.5MNaCl,1MEDTA(pH8.0),0.1%SLS(十二烷基氨酸钠)。配制时可先配制Tris-HCl(pH7.6)、NaCl、EDTA(pH8.0)的母液,经高压消毒后按各成分确切含量,经混合后再高压消毒,冷却至65℃,加入经65℃温育(30min)的10%SLS至终浓度为0.1%;④洗脱缓冲液:10mMTris-HCl(pH7.6),1mMEDTA(pH8.0),0.05%SDS;⑤无水乙醇、70%乙醇;⑥DEPC(0.1%焦炭酸二乙酯)172020/2/29一、获取外源目的基因片段2.2.1寡聚(dT)纤维素柱纯化mRNA(2)操作步骤:①将0.5-1.0g寡聚(dT)纤维悬浮于0.1M的NaOH溶液中。②用DEPC处理的1ml注射器或适当的细管,将寡聚(dT)纤维素装柱0.5-1ml,用3倍柱床体积的DEPCH2O洗柱。③使用1*上样缓冲液洗柱,直至洗出液pH值小于8.0。④将RNA溶解于DEPCH2O中,在65℃中温育10min左右,冷却至室温后加入等体2*上样缓冲液,混匀后上柱,立即收集流出液。当RNA上样液全部进入柱床后,再用1*上样缓冲液洗柱,继续收集流出液。⑤将所有流出液于65℃加热5min,冷却至室温后再次上柱,收集流出液。⑥用5-10倍柱床体积的1*上样缓冲液洗柱,每管1ml分步收集,OD260测定RNA含量。前部分收集管中流出液的OD260值很高,其内含物为无polyA尾的RNA。后部分收集管中流出液的OD260值很低或无吸收。⑦用2-3倍柱容积的洗脱缓冲液洗脱poly(A+)RNA,分步收集,每部分为1/3-1/2柱体积。⑧OD260测定poly(A+)RNA分布,合并含poly(A+)RNA的收集管,加入1/10体积3MNaAc(pH5.2)、2.5倍体积的预冷无水乙醇,混匀,-20℃放置30min。⑨4℃离心,10000g*15min,小心吸弃上清。用70%乙醇洗涤沉淀。4℃离心,10000g*5min,弃上清,室温晾干。⑩用适量的DEPCH2O溶解RNA。182020/2/29一、获取外源目的基因片段2.2.1寡聚(dT)纤维素柱纯化mRNA(3)注意事项①整个实验过程必须防止Rnase的污染。②步骤④中将RNA溶液置65℃中温育然后冷却至室温再上样的目的有两个,一个是破坏RNA的二级结构,尤其是mRNApoly(A+)尾处的二级结构,使poly(A+)尾充分暴露,从而提高poly(A+)RNA的回收率;另一个目的是能解离mRNA与rRNA的结合,否则会导致rRNA的污染。所以此步骤不能省略。③十二烷基肌氨酸钠盐在18℃以下溶解度下降,会阻碍柱内液体流动,若室温低于18℃最好用LiCl替代NaCl。④寡聚(dT)纤维素柱可在4℃贮存,反复使用。每次使用前应该依次用NaOH、灭菌ddH2O、上样缓冲液洗柱。⑤一般而言,107哺乳动物培养细胞能提取1-5μgpoly(A+)RNA,约相当于上柱总RNA量的1%-2%。192020/2/29一、获取外源目的基因片段2.3mRNA的保存用少量水溶解mRNA,即可用于cDNA合成或保存在70%乙醇中并于-70℃下贮存。202020/2/29一、获取外源目的基因片段胰岛素基因mRNA序列212020/2/29一、获取外源目的基因片段胰岛素基因mRNA序列NCBI中搜索得222020/2/29一、获取外源目的基因片段3.逆转录mRNA,得cDNA第一链mRNA在反转录酶的作用下由引物引导合成cDNA。加入高浓度的Oligo(dT)引物,,Oligo(dT)引物与mRNA的3'末端的poly(A)配对,引导反转录酶以mRNA为模板合成第一链cDNA。这种cDNA合成的方法在cDNA文库构建中应用极为普遍,其缺点主要是由于cDNA末端存在较长的poly(A)而影响cDNA测序。(原因:oligo(dT)结合在mRNA的3‘端,因此合成全长的cDNA需要反转录酶从mRNA分子的一端移动到另一端,有时这种全合成难以达到)232020/2/29一、获取外源目的基因片段4.得双链DNA4.1合成cDNA第二链得双链DNA4.2将DNA双链通过PCR技术进行扩增242020/2/29一、获取外源目的基因片段4.1合成cDNA第二链得双链DNAmRNA-cDNA杂合双链中的mRNA链在RNA酶H作用下先形成很多切口,mRNA链就被切割成很多的小片段,这些小片段为大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ提供了合成第二链的引物。大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ以第一链cDNA为模板合成一段段互补的cDNA片段。这些cDNA片段进而在DNA连接酶的作用下连接成一条链,即cDNA的第二链。遗留在5'-末端的一段很小的mRNA也被大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ的5'3'核酸外切酶和RNA酶H降解,暴露出与第一链cDNA对应的3'-端部分序列。同时,大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ的3'--5'核酸外切酶的活性可将暴露出的第一链cDNA的3'-端部分消化掉,形成平端或差不多的平端优点:a)合成cDNA的效率高b)直接利用第一链的反应产物,不需纯化c)避免使用S1核酸酶来切割双链cDNA252020/2/29一、获取外源目的基因片段4.1合成cDNA第二链得双链DNA262020/2/29一、获取外源目的基因片段4.2将DNA双链通过PCR技术进行扩增4.2.1模板DNA的变性向离心管加入DNA模板、引物、耐热的DNA聚合酶、PCR缓冲液(500mm01/LKCl;100mmol/LTris一HCl(pH8.4),150mmol/LMgCl2,lmg/m1明胶)、5mmo1/LdNTP贮备液,然后加热至93℃左右一定时间后,使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离,使之成为单链,以便它与引物结合,为下轮反应作准备272020/2/29一、获取外源目的基因片段4.2将DNA双链通过PCR技术进行扩增4.2.2模板DNA与引物的退火(复性)模板DNA经加热变性成单链后,温度降至55℃左右,引物与模板DNA单链的互补序列配对结合;282020/2/29一、获取外源目的基因片段4.2将DNA双链通过PCR技术进行扩增4.2.3引物的延伸DNA模板--引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下,以dNTP为反应原料,靶序列为模板,按碱基配对与半保留复制原理,合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链,重复循环变性--退火--延伸三过程,就可获得更多的“半保留复制链”,而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2~4分钟,2~3小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。292020/2/29一、获取外源目的基因片段5.目的基因回收纯化及DNA测序纠错5.1将目的基因进行回收纯化5.2对目的基因进行测序5.3DNA序列纠错302020/2/29一、获取外源目的基因片段5.1将目的基因进行回收纯化1)在PCR试管中加入凝胶