第23届国际生物学奥林匹克竞赛试题实验1·分子生物学和细胞生物学

<正>本次实验需要完成以下任务:利用限制性核酸内切酶切割DNA片段,并进行基因作图。A部分确定是否已将人类DNA插入到了1个克隆质粒中(80分)。B部分确定DNA片段插入的方向(20分)。材料、仪器设备     

阴道分离因肯毛孢子菌的分子鉴定和种内分型

分别采用rRNA基因内转录间隔区(ITS)和基因间隔区(IGS1)测序,ITS和IGS1区PCR限制性片段长度多态性分析(PCR-RFLP)和基因组DNA的随机扩增多态性DNA(RAPD)等方法,对三株因肯毛孢子菌Trichosporon inkin进行分子特征及种内分型研究。结果显示,不同菌株的rRNA基因ITS区和IGS1区的序列相似性均高达100%,RFLP酶切图谱具有较理想的种内一致性,而不同菌株的RAPD图谱不尽相同。研究表明:rRNA基因IGS1区测序及RFLP酶切可考虑用于因肯毛孢子菌的菌种分子鉴定,而基因组DNA的RAPD则较适合于菌种的种内分型。     

菠菜叶绿体DNA 4.1 kb的SalⅠ片段的克隆

利用pBR 322衍生质粒DNA为载体,将菠菜叶绿体DNA的SalⅠ限制性片段插入质粒的Sal Ⅰ位点,获得52个含重组质粒的菌落(Ap~rTc~5)。并对每个克隆的质粒进行限制性内切酶分析,通过Southern吸印与探针杂交,证明了重组质粒pSS104含有的插入DNA是菠菜叶绿体DNA 4.1kb的SalⅠ片段。迄今在该片段尚未定位任何已知的叶绿体基因,用大肠杆菌的活体系统也未能发现这段DNA的转录产物,本文对此进行了讨论。     

具有原核基因启动子活性的蓖麻蚕染色体DNA片段

利用大肠杆菌启动子克隆载体pHE5,研究了蓖麻蚕染色体的Hind Ⅲ酶解片段在大肠杆菌中作为四环素抗性基因启动子的功能作用。蓖麻蚕染色体的Hind Ⅲ片段与pHE5重组,在大约10~6个重组子中获得953株启动子重组体。测定了这些含有重组质粒的菌株抗四环素能力,其中有4株在平板上抗四环素水平超过225微克/毫升。对其中pARP201的插入片段进行了限制性图谱分析和启动子活性区域的缺失定位,证明了pARP-DB(由pARP201衍生而来)中的约0.5kb的外源插入片段具有完整的原核启动子功能。我们分析了这段DNA的部分核苷酸顺序,发现它与原核基因启动子极其相似。     

转座子Tn233(CH)链霉素敏感突变种及其回变种的研究

转座子Tn233-1(CH)是Tn233(CH)的链霉素敏感突变种,比较了突变种质粒pBR322:: Tn233-1(CH)DNA和野生型质粒pBR322::Tn233(CH)DNA的EcoRⅠ、BamHⅠ、HindⅢ与PstI限制性内切酶图谱,结果表明Tn233-1(CH)中带链霉素抗性基因的限制片段H3上插入了一个约800bp长的IS因子,在这个插入的DNA片段上有一个PstI切点而没有EcoRⅠ、BamHⅠ及HindⅢ切点。 对链霉素抗性回变种的质粒DNA pBR322:: Tn233-1-R(CH)的限制图谱加以分析后表明,插入在H3限制性片段上的IS因子已经切除,但是限制片段E2与E3的长度发生了改变。此外,在限制片段E2上出现了一个新的IS插入片段,在这一插入片段上有一个HindⅢ与PstⅠ切点。我们对此突变与回变的机理进行了讨论。     

大肠杆菌启动基因的重组和表达 Ⅰ.不同启动基因对β-半乳糖苷酶结构基因表达的影响

质粒pKL6带有β-半乳糖苷酶结构基因(lacZ),启动基因突变失活,lacZ不能表达。在lacZ前插入外源DNA片段,观察lacZ的表达,可以研究启动基因的功能作用。我们用大肠杆菌染色体DNA的HindⅢ片段与pKL6重组,获得一批重组体,对这些重组体的β-半乳糖苷酶的活力水平和限制性图谱作了分析,对它们用作表达载体的可能性进行了讨论。     

ZFX基因同源序列在黄鳝基因组中的检出及其染色体定位

以大熊猫锌指蛋白基因Zfx为探针 ,在黄鳝基因组DNA中检测到一条长约 9 5kb的杂交带。依据哺乳类和爬行类动物锌指蛋白基因 (ZFX/Zfc)编码第 7～ 13个锌指结构的DNA序列保守性设计引物 ,在黄鳝基因组DNA中仅扩增到一条 5 12bp的DNA片段。将此片段克隆至载体 pBS中 ,从雌性、雄性个体中分别挑选 4个含有插入片段的白色克隆进行测序。测序结果表明 ,这些克隆中插入片段的核苷酸序列一致。该DNA片段在核苷酸水平上与人类ZFX和ZFY分别具有 88%和 87%同源性 ,但其与美洲鳄鱼Zfc的同源性可达 90 % ,而在氨基酸水平上则分别存在 95 9%、95 9%和 93 5 %的同源性 (170个氨基酸 )。该基因命名为黄鳝锌指蛋白基因Zfa ,并运用FISH将其定位于黄鳝 1号染色体 ,距离着丝粒的相对位置为 6 0 1± 0 38。通过进一步研究证明 ,黄鳝 1号染色体上存在有真兽类哺乳动物X染色质同源的保守片段 ,该保守片段有可能就是哺乳动物X染色体起源和进化的原始物质基础之一。应用哺乳动物X染色体连锁的其他基因在鱼类开展染色体比较定位研究 ,将有望促进脊椎动物性染色体进化的深入研究     

肺炎支原体P1蛋白羧基端基因片段在大肠杆菌中克隆的研究

在大肠杆菌中克隆肺炎支原体P1蛋白羧基端基因片段,为P1蛋白基因片段的扩增、表达及探讨羧基端基因片段功能打基础.采用PCR扩增方法获取P1结构基因.扩增产物用SalI和EcoRI酶切消化,回收1kb大小的DNA片段并与pUC19DNA连接,转入大肠杆菌JM109菌株.用X-gal平板及质粒图谱分析方法筛选重组克隆株,再用限制性核酸内切酶酶切图谱分析鉴定.经PCR扩增MPDNA获得1条5.0kbDNA片段.重组质粒限制性内切酶指纹图谱显示出2条带,1条为pUC19载体DNA带,另1条是1kb的插入片段.实验获得肺炎支原体P1蛋白结构基因及含P1蛋白羧基端DNA片段的重组克隆株.     

龙葵叶绿体ATP合酶α-亚单位基因的克隆

本研究以菠菜叶绿体DNA 2.45kb的SalI片段(含有ATP合酶α-亚单位基因)为探针,从龙英叶绿体DNA BamHI片段文库中筛选出含龙葵叶绿体atpA基因的克隆。通过Southrcn吸印与探针杂交,证明了重组质粒pSB 132的插入片段含有atpA基因。同时将atpA基因定位在龙葵叶绿体DNA SalI、BglI、XhoI和BamHI 4种酶切图谱的限制性片段上。     

含蚕豆叶绿体rRNA基因重组质粒物理图谱的构建

以 pBR322 DNA 为载体,Escherichia coli HB101为受体菌,克隆了含蚕豆叶绿体 rRNA基因的二个 BamHI 片段。应用几种限制性内切酶酶切以及 Southern 印迹法构建了这二个特异片段的物理图谱。重组质粒 pVFB16含有一个4.70kb 的 BamHI 片段,其上含有完整的16S rRNA 基因;重组质粒 pVFB32含有一个5.65kb 的 BamHI 片段,其上含有23S rRNA基因,23S—4.5S/5S rRNA 基因的间隔区及4.5S/5S rRNA 基因。     

油藏水样细菌群落16S rRNA基因的RFLP分析

通过16S rRNA基因的限制性酶切片段长度多态性分析(RFLP)方法,考察了油藏水样中细菌群落及多样性。从水样中分离纯化微生物总DNA,选择性扩增细菌16S rRNA基因,并构建16S rDNA克隆文库。337个16S rDNA克隆片段分别用限制性内切酶HinfⅠ和HaeⅢ酶切分析,得到74个操作分类单元(OTUs),其中数量最多的4个OTUs共占克隆子总数的73.6%,另外70个OTUs的丰度均处于较低水平,有57个OTUs仅含有1个克隆子。结果表明,运用RFLP方法分析16S rDNA克隆片段能够有效评估油藏水样中的细菌群落和多样性。     

水稻线粒体26S rRNA基因在大肠杆菌JM101中的克隆及分子鉴定

用BT型水稻喜峰A黄化苗为材料,按本实验过去报道经修改后的方法提取线粒体DNA,经EcoR1完全酶切后,随机克隆到pUC19载体上,转化大肠杆菌,在含氨苄青霉素(50μg/m1)和X-gal的LB固体平板上筛选白色转化子。随机提取重组子DNA,以玉米26S rRNA基因为探针,经Southern分子杂交鉴定,一个插入1.3kb水稻线粒体DNA片段的重组质粒杂交结果为阳性,并将这个含有26S rRNA基因片段的重组质粒命名为pXMT1。     

利用12S rRNA、COI基因分子标记鉴定少棘巨蜈蚣干燥体

本研究旨在利用线粒体DNA上的12S rRNA基因、COI基因分子标记鉴定少棘巨蜈蚣(Scolopendra subspinipes mutilans L. Koch)干燥体。通过提取少棘巨蜈蚣干燥体样本DNA,PCR扩增线粒体DNA上的12S r RNA基因、COI基因片段,对PCR产物进行电泳检测及测序分析,测序结果在GenBank上进行BLAST搜索,同源性分析,并用MEGA7.0软件对所有实验样品及少棘巨蜈蚣的近缘物种进行遗传距离分析、构建邻接(NJ)树以验证序列比对结果。结果表明,从少棘巨蜈蚣(Scolopendra subspinipes mutilans L. Koch)干燥体中成功地提取到了基因组总DNA,并成功扩增出了用于动物种属鉴定的12S rRNA、COI基因片段。但所得蜈蚣样本12S rRNA基因片段序列与NCBI的GenBank中的物种的同源性无90%以上的。通过文献调研发现尚无蜈蚣12S rRNA基因片段的相关报道,将该序列作为新的基因序列注册到NCBI基因数据库中,该基因片段序列的GenBank登录号为JN558832.1。这说明利用线粒体DNA上的12S rRNA、COI基因DNA分子标记皆可准确鉴定动物种属。本研究得到的12S rRNA基因片段序列可作为后续准确鉴定少棘巨蜈蚣药材的分子标记参考。     

棒杆菌启动子片段的酶谱分析及定位

用大肠杆菌启动子探测质粒pSDS I (Ap^r,Tc^s)从钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)6282染色体的HindⅢ酶切片段中,克隆到两个具有启动功能的DNA片段,分别将两个重组质粒命名为pSDB5和pSDB21。含有这两个质粒的菌株均可以在含300μg/ml Tc的平板上生长。通过酶切分析,pSDB5的插入片段为1.6kb,pSDB21的插入片段为3.4kb,并分别作出了它们的限制性酶切图谱。对pSDB21利用其EcoR Ⅰ和BglⅡ位点,通过亚克隆删除了与启动功能无关片段,构建成pSDB210和pSDB211,从而使启动子定位于约0.1kb的BglⅡ/HindⅢ外源片段上。分子杂交实验证明所得到的这两个具有启动功能的DNA片段确实来源于钝齿棒杆菌6282的染色体DNA。     

环境样品中DNA的分离纯化和文库构建

采用研磨 /冻融和SDS/蛋白酶K热处理等理化方法 ,直接从性质不同的环境样品中提取和纯化混合基因组DNA。所获得纯品DNA的产量为每克样品 2～ 1 6μg。对纯品DNA进行限制性内切酶处理后 ,构建了以pUC1 8为载体的DNA文库。建库效率为从每克环境样品获得约 1 0 3～ 1 0 4 个含 3～ 8kb外源随机插入片段的克隆。通过DNA序列测定和基因注释 ,对从文库中随机选取的克隆进行了分析 ,发现外源插入片段均含序列未见报道的新基因。本文所做的尝试对于保存、研究和开发未培养微生物基因资源具有意义     

重组人脑源性神经营养因子在大肠杆菌中的可溶性表达及纯化

按照人脑源性神经营养因子(hBDNF)基因成熟肽编码序列设计合成引物,从人基因组DNA中扩增出360bp的片段,插入到改构载体pTIG-trx上,获得了pTIG-trx—BDNF原核表达重组质粒,限制性酶切分析和DNA序列测定均证实该克隆插入片段为hBDNF基因成熟肽编码序列。将该重组质粒转化大肠杆菌BL21(DE3),经IPTG诱导表达,在大肠杆菌表达系统中获得了高效可溶表达,并对表达产物进行了分离纯化,得到纯度大于83％的样品,Western杂交证实该蛋白具有hBDNF抗原活性。     

金霉素链霉菌启动基因在大肠杆菌中的克隆及表达

利用质粒pGA46作为载体,将金霉素链霉菌染色体DNA的Sau3A酶切片段插入pGA-46的BglII位点,获得氯霉素抗性、四环素抗性的重组质粒。DNA同源性分析表明,重组质粒中外源序列来自金霉素链霉菌DNA。重组质粒的限制性酶切产物电泳分析,可以重新找到载体DNA片段。将链霉菌的插入序列移入另一载体pBR322中,仍可表现启动基因的功能。用限制性内切酶酶切及核酸酶BAL-31酶切等方法,已将链霉菌的插入序列降至200bp以下,仍保留启动基因功能。     

东乡野生稻双元细菌人工染色体(BIBAC)文库的构建

双元细菌人工染色体(binarybacterialartificialchromosome,BIBAC)是能直接将大片段DNA转入植物的载体,是植物基因图位克隆和构建植物基因嵌入突变体库的重要工具。该研究以东乡野生稻为材料,构建其BIBAC文库。该文库由14592个克隆组成,平均插入片段大小为65kb,覆盖率为2倍基因组。稳定性检测结果表明,东乡野生稻基因组DNA能够在BIBAC载体中稳定存在。     

在变铅青链霉菌基因组中定域克隆外源DNA的置换性载体及通过反选择获得重组体的模式方法

ΦHAU3^R是变铅青链霉菌66中对噬菌体ΦHAU3显示抗性的基因,已从基因组中获得分离。将基因组中邻近于该基因两侧的一个3.5kb和另一个3.8kb的DNA片段分别以其在染色体上的天然取向插入到一个由pIJ101衍生的质粒pIJ653上,构建成pHZ806。然后在pHZ806上对应于pIJ101复制子的区域中插入一个spc/str抗性基因,同时在3.5kb和3.8kb片段之间插入一个潮霉素抗性基因(hyg),衍生出一个新质粒pHZ808。由于pHZ808中不具有完整的pIJ101复制功能区,所以它不能在链霉菌中复制。然而,在该质粒3.5kb和3.8kb片段之间插入的任何DNA片段,在导入到变铅青链霉菌中后都可借助于3.5kb和3.8kb两个片段与内源染色体的同源区域所发生的双交换而稳定地整入到内源染色体的特定区域(3.5kb和3.8kb片段之间),同时置换出染色体上的ΦHAU3-R基因。发生了这种基因置换的重组子菌株会对噬菌体ΦHAU3变得敏感,这种反选择方法可用来浓缩和初选携带定域插入片段的重组子。已利用潮霉素抗性基因(hyg)作为一个模式基因片段阐明了这种载体和这种在染色体上定域克隆外源基因片段的方法学和适用性。同时,用pHZ808作载体克隆另外的基因片段时还有另一个优越性：hyg可作为报告基因一同参与外源基因片段的定域整合,携带插入片段的重组子除了对噬菌体ΦHAU3显示敏感性以外,还对潮霉素显示抗性。