实验六、大肠杆菌质粒DNA的提取与电泳检测

实验六大肠杆菌质粒DNA的提取及检测基础性实验实验目的•掌握碱裂解法提取大肠杆菌质粒DNA的原理和方法。•掌握离心机、移液器、震荡培养箱的正确使用方法。•了解不同构型的质粒DNA在琼脂糖凝胶中泳动速率的差异。实验原理•质粒是存在于细菌染色体外的能够自主复制的环状DNA分子。大小在1~200kb之间，质粒DNA通常以游离状态持续稳定地处于染色体外（在一定的条件下又会可逆地整合到寄主染色体上），随着染色体的复制而复制，并通过细胞分裂传递到后代。由于质粒DNA自身具有复制原点、可携带外源基因、转移性强、拷贝数高、带有选择性标记等特点，使得质粒成为基因工程中最常用的DNA载体。实验原理质粒DNA分子具有3种不同的构型：SC构型：共价闭合环形DNA（cccDNA），质粒的两条多核苷酸链均保持着完整的环形结构；OC构型：开环DNA（ocDNA），质粒的两条多核苷酸链中一条保持着完整的环形结构，另一条链存在一处至多处断裂；L构型：线性DNA（linearDNA），质粒DNA发生双链断裂而形成线性分子。实验原理同一质粒DNA的不同构型尽管相对分子质量相同，但在琼脂糖凝胶电泳中的电泳迁移率却是不同的。一般情况下，泳动速率由快至慢依次为：超螺旋质粒（SC）、线性质粒（L）、开环质粒（OC）。质粒DNA的提取方法较多，要根据宿主菌和质粒的特性选择适合的提取方法。目前常用的质粒提取方法有：碱裂解法、煮沸法。几种方法的提取流程是一样的：培养细菌扩增质粒→收集菌体裂解细胞→分离和纯化质粒DNA。碱裂解法实验原理利用共价闭合环状质粒DNA与线状的染色体DNA片段在拓扑学上的差异进行分离。SDS使细胞崩解，释放内含物，蛋白质变性形成蛋白质-SDS复合物。同时，在pH12.0~12.5的碱性条件下，线状的染色体DNA变性，而共价闭环质粒DNA虽然氢键断裂，但两条互补链仍然相互盘绕而紧密结合在一起。加入pH4.8的醋酸钾高盐缓冲液使pH降低后，质粒DNA的两条互补链由于彼此靠近而迅速准确地复性，而线状的染色体DNA由于核苷酸链较长且两条互补链彼此已完全分开，不能迅速复性，它们相互聚集形成网状结构，并与变性的蛋白质及细胞碎片等缠绕在一起。通过离心，染色体DNA网状聚合物便与蛋白质-SDS复合物及不稳定的大分子一起沉淀下来，而留在上清液中的质粒DNA可用苯酚、氯仿进一步抽提纯化，通过异丙醇沉淀后可收集质粒DNA。实验原理•电泳：带电荷的物质在电场中向与自身电荷相反的电极移动的现象称为电泳。•在pH8.0的电泳缓冲液体系中，DNA分子带负电荷，当它处于一个稳定的电场中时，从负极向正极泳动，迁移速度与其相对分子质量的对数成反比（仅适于线性分子）。•通过与已知浓度和相对分子质量大小的标准DNA片段进行对照电泳，观察其带型和迁移距离，即可获得未知样品的浓度、纯度和相对分子质量。•琼脂糖凝胶电泳检测实验材料、主要仪器及试剂•实验材料prok2系列质粒•主要仪器和用具超净工作台、振荡培养箱、微量移液器、离心机、涡旋振荡器、制冰机、离心管架、1.5mL离心管、吸头、PE手套、储冰盒、电泳槽、电源、微波炉、凝胶成像系统。•试剂（1）溶液Ⅰ：50mmol/L葡萄糖25mmol/LTris·HCl（pH8.0）10mmol/LEDTA（pH8.0）灭菌后4℃保存（2）溶液Ⅱ：0.2mol/LNaOH1%SDS（pH值12.6）（3）溶液Ⅲ：5mol/LKAc60ml冰乙酸11.5ml水28.5ml（pH4.8）（4）LB培养基（5）琼脂糖（7）1×TAE电泳缓冲液（pH8.0）：10mmol/LTris·Cl1mmol/LEDTA（8）上样缓冲液（溴酚蓝（9）溴化乙锭（1mg/ml）实验步骤1.菌体的培养与收集（1）从LB平板上挑细菌单菌落，接种于5ml附加相应抗生素的LB液体培养基中，37℃250r/min，过夜培养（用对数期的菌液提取质粒得率高，即测定培养液的OD620=0.2～0.6时为对数期的菌液。也可取1/100的过夜菌液，继续摇瓶培养2.5h，此时菌液达对数期）。（2）取1.2ml菌液放在1.5ml的离心管中，5000r/min4℃离心10min，弃上清（上清液中含有细菌生长过程中的代谢废物和脱落的细胞壁成分，会影响到质粒的质量与内切酶酶切的效果。所以离心收集细菌时，上清液应去除干净，最好用STE或生理盐水再悬浮漂洗菌体）。收集菌体后选择以下方法提取质粒。实验步骤2.质粒DNA的提取（碱裂解法）①将收集的细菌沉淀悬浮于100μl冰预冷的溶液Ⅰ中，强烈振荡混匀；②加入200ul新配的溶液Ⅱ于细菌悬液中，迅速颠倒离心管5次（不应振荡），以混合内容物，室温放置5min或冰上放置3min.③加入150μl预冷的溶液Ⅲ，盖紧管口，颠倒离心管5～10次，使溶液Ⅲ在黏稠的细菌裂解物中分散均匀，随后将管置于冰上5～10min。实验步骤④12000rpm离心10min，将上清液转移至另一新离心管中。⑤加入等体积的异丙醇，颠倒混匀，室温静置10min。⑥12000rpm离心10min，弃上清。⑦加入500μl70％乙醇，盖紧管盖，颠倒并旋转离心管以洗涤沉淀。⑧12000rpm离心2min，用移液器吸走上清，打开管盖于室温下放置10-15min，使酒精挥发干净。⑨待沉淀干燥后，加入50μlTE缓冲液溶解质粒DNA。3.琼脂糖凝胶电泳检测（合并下次一起电泳）（1）凝胶制备①取琼脂糖0.8g，加入100ml的1×TAE电泳缓冲液，配成浓度为0.8%的琼脂糖凝胶。微波炉加热煮沸，使琼脂糖完全溶解（注意不要溅出）。待凝胶溶液冷却至60℃左右时，加入溴化乙锭至终浓度为0.5μg／ml，倒进制胶模具中。②室温下待凝胶溶液完全凝固，小心取出梳子，将带有凝胶的模具放置于电泳槽中。实验步骤（2）上样在DNA样品中加入1／6体积的上样缓冲液，充分混匀。用移液器将DNA样品加入样品孔中。（3）电泳接通电泳槽与电泳仪的电源，一般正极为红色，负极为黑色，DNA样品由负极往正极泳动。电压降选择为l～5V／cm（长度以两个电极之间的距离计算），电泳的时间根据不同的胶浓度与胶长度而异。（4）观察结果电泳结束后取出胶膜，使用凝胶成像系统拍照,观察。对比标准DNA条带和未知DNA条带，观察其带型和迁移距离，即可获得未知样品的浓度、纯度和相对分子质量大小。称琼脂糖加TAE加热溶解加EB灌胶凝固放入电泳槽加溴酚蓝点样电泳观察拍照质粒DNA电泳检测过程示意图质粒DNA注意事项•溴化乙锭（EB）是一种强诱变剂，致癌物质，并有中度毒性。接触含有该染料的溶液应带手套。•电泳时凝胶的上样孔端在电泳槽阴极，DNA从阴极向阳极泳动。思考题（1）质粒DNA有哪几种构型？其电泳时的泳动速率如何？（2）碱裂解法提取质粒DNA的原理是什么？