DNA克隆和组装技术研究进展

DNA克隆和组装技术是重要的分子生物学工具。近年来,随着合成生物学的飞速发展,对大片段DNA元件的快速有效组装就显得尤为关键。同时,各种DNA克隆和组装技术也竞相发展起来。通过对基于非典型酶切连接、PCR、同源重组、单链退火拼接等原理发展起来的各种DNA克隆和组装技术进行综述,为合成生物学的进一步发展提供有效的操作工具。     

无缝克隆技术的研究进展

DNA克隆技术是分子生物学和基因工程研究必备的工具之一,但传统的以限制性内切酶酶切/连接为手段的克隆技术存在依赖限制性内切酶、连接效率低、耗时长和引入额外序列等缺点。近年来,无缝克隆技术发展迅猛,大量商业化克隆试剂盒也趋于成熟并在实验室被广泛应用,有力推动了蛋白质工程以及合成生物学的发展。本文从无缝克隆原理出发,对近年来发展出来的基于外切酶、PCR技术、同源重组、热稳定的连接酶等原理的无缝克隆技术进行了分类和讨论。特别是新酶资源的不断发现,如核酸外切酶XthA、FnCas12a突变体,与现有技术的相互融合,如Rec/ET重组和核酸外切酶共同使用,将有力推动无缝克隆技术的发展。     

DNA重组技术的研究综述

DNA重组技术,即DNA克隆技术的研究和运用是现代生物学发展的一个重要分支,是分子生物学发展的突出领域。本文介绍了DNA重组的类型及相关的生物学概念;综述了目前已报道的传统的酶切-连接经典克隆方法、位点特异性重组克隆方法、以及同源重组克隆方法,重点阐述了各自的原理、步骤、特点及实际应用等方面;最后归纳总结了各种方法的优缺点和应用范围,并对该技术的科研成果进行了回顾和对未来的研究进行了展望。     

一种基于核酸外切酶Ⅲ的PCR产物克隆方法

基因克隆作为一种常规技术被广泛应用于DNA及蛋白质的研究。在传统的基因克隆中,一般利用限制性内切酶对DNA片段进行消化,然后使用DNA连接酶完成连接,因此这种方法受到插入片段和载体酶切位点的限制。一些ligase-free克隆技术虽然克服了酶切位点的限制,但费时费力,成本较高。为了弥补其他ligase-free技术的不足,文中介绍了一种新的利用核酸外切酶Ⅲ进行ligase-free克隆的方法,反应时间仅需要30 min,提高了克隆效率并有效降低经济成本,有利于大规模基因克隆的应用。     

体内直接克隆大片段DNA的研究进展

基因组序列的功能分析以及代谢途径的构建改造等都需要克隆目的DNA。获得大片段DNA序列的方法有构建和筛选基因文库,PCR扩增,体外大片段DNA合成和组装等,但体内重组直接克隆的方法在操作、克隆长片段和应用等方面更具优势。介绍了Red/ET重组介导的大片段DNA体内直接克隆的主要方法及其应用。     

外切核酸酶Ⅲ介导的DNA分子克隆

DNA克隆技术,作为最基本的现代分子生物学实验技术之一, 已经成为生物医学研究领域的重要研究手段。传统的分子克隆方法需要经过限制性内切酶酶切和DNA连接酶连接的步骤,是否存在合适的酶切位点和DNA连接酶的效率成为影响克隆的重要限制因素。本文描述了一种由外切核酸酶Ⅲ介导的,以3′-5′外切核酸酶活性和细菌细胞内DNA修复机制为理论基础的DNA分子克隆方法,称为不依赖连接酶的分子克隆（ligation-independent cloning, LIC）|证明了该方法的高效性和可靠性,并进一步对酶的用量、反应温度、反应时间、片段载体比例和量等多个参数进行了优化,建立了一种快速、简便和高效的DNA克隆方法。     

无限制克隆技术研究进展及其应用

无限制克隆(restriction-free cloning,RFC)是近年来建立起来的一种简单通用的DNA克隆技术,它可以精确地将目的片段插入到质粒内任意位置,是一种不受酶切位点、连接酶效率、目的基因长度或载体序列等条件限制的新型DNA重组技术.与其他多种克隆方法相比,RFC技术拥有不可替代的优势.本文在总结国内外RFC技术研究的基础上,系统阐述了RFC技术的原理、特点和在克隆方面的研究进展,并探讨其在分子生物学和合成生物学等领域的应用价值.     

图位克隆技术在农作物基因分离中的应用与评价

图位克隆(Map-based cloning)作为分离基因的有效方法, 已在小基因组作物的基因分离中得到了广泛应用和发展, 而在具有大量重复DNA序列的大基因组作物中的应用仍存在挑战。基于图位克隆在基因分离中的重要性, 文章就图位克隆技术的基本内容及发展做简要概述, 着重对图位克隆技术在大基因组作物中的应用进行分析和评价, 同时对它今后可能的发展方向进行了讨论, 以期为大基因组作物基因的分离提供借鉴。     

一种简单有效的克隆未知旁侧DNA片段的方法

操作含长插入片段的DNA克隆时 ,经常需要进行亚克隆和测序实验。通常的方法首先是得到插入片段的限制性内切酶谱 ,然后选择合适的内切酶消化DNA ,分离靶片段 ,将其连接入质粒载体中进行下一步操作。但这种方法工作量大 ,步骤繁琐。在此 ,介绍一种不需要做限制性内切酶谱分析 ,而根据靶片段的旁侧序列直接进行亚克隆实验的方法。首先 ,选择合适的限制性内切酶消化含长插入片段的DNA克隆 ,其中一种酶切在已知的旁侧序列上 ,另一为随机选择 ;然后酶切混合物与线性化的质粒载体连接 ,转化细菌得到一“亚克隆库” ;将其中的克隆挑选入 96孔板培养后 ,按行或列混合菌液得到相应的“pool” ;最后 ,用PCR方法筛选获得含靶DNA片段的阳性克隆 ,其中所用的引物一个与已知的旁侧DNA序列配对 ,另一个与质粒载体上序列配对 ,PCR扩增已知的旁侧DNA片段以鉴定阳性克隆。多次独立实验表明该方法简单有效 ,可广泛用于亚克隆和DNA步移实验     

哺乳动物手工克隆的研究进展

体细胞核移植技术(Somatic cell nuclear transfer,SCNT)基本上分为传统克隆(Traditional cloning,TC)和手工克隆(Handmade cloning,HMC)。虽然随着SCNT的推进,科研人员已经利用TC成功克隆出多种动物,但这种方法需要使用昂贵的显微操作仪,并且克隆效率较低。因此,TC逐渐被新方法HMC替代,HMC是一种通过手工操作将体细胞与两个去核的半卵母细胞融合、激活,并在培养系统中培养后产生胚胎的方法。HMC不仅操作程序简单、不需要显微操作仪、成本较低,还可以提高囊胚率,使克隆技术向生产应用又迈进了一大步。主要对HMC的操作程序、表观遗传重编程异常和HMC重编程异常修复进行了综述,并对HMC进行了展望,以期能够更好地将其应用到生产中去。     

基于PIPE现象的质粒克隆位点序列设计与功能评价

分子克隆是现代生物学研究的核心技术之一,是基因工程、蛋白质工程中的重要手段。为提高分子克隆实验的操作效率,本研究设计并合成基于聚合酶引物不完全延伸（polymerase incomplete primer extension,PIPE）现象的质粒克隆位点序列。并以此为基础统一相关引物的设计方案,避免传统酶切--连接法中需针对不同载体MCS序列设计不同引物的缺点。该方案利用13 bp定长接头序列,在同一体系中使用2对引物、2种线性化模板同时扩增载体和插入片段,通过20个循环,在1次PCR过程中即合成可供转化使用的带缺口质粒产物。在NEB Q5酶系统中,利用此法将3种荧光素酶序列插入pET-15b及pET-21b(+)载体,均获得成功。且利用商品化感受态细胞（转化效率 > 5×108 cfu/μg）转化后所获得转化子数量均在300个以上,其中含插入片段的阳性克隆比例可达85%以上。基于本方案的设计及作用原理,可将其应用于10 kb以内载体和插入片段的快速重组。且具有通用性强、耗时少、阳性克隆得率高和成本低等优点,是传统DNA重组方法的有益补充,可作为各实验室的常规分子克隆手段之一。     

Vector NTI, a balanced all-in-one sequence analysis suite

Vector NTI is a well-balanced desktop application integrated for molecular sequence analysis and biological data management. It has a centralised database and five application modules: Vector NTI, AlignX, BioAnnotator, ContigExpress and GenomBench. In this review, the features and functions available in this software are examined. These include database management, primer design, virtual cloning, alignments, sequence assembly, 3D molecular viewer and internet tools. Some problems encountered when using this software are also discussed. It is hoped that this review will introduce this software to more molecular biologists so they can make better-informed decisions when choosing computational tools to facilitate their everyday laboratory work. This tool can save time and enhance analysis but it requires some learning on the user's part and there are some issues that need to be addressed by the developer.     

Multiplex gene removal by two-step polymerase chain reactions

Precise DNA manipulation is critical for molecular biotechnology. Restriction enzyme-based approaches are limited by their requirement of specific enzyme sites. Restriction-free cloning has greatly improved the flexibility and speed of precise DNA assembly. Most of these approaches focus on DNA assembly rather than gene removal. Here we present a polymerase chain reaction (PCR)-based cloning method that allows removal of multiple gene segments from plasmids without using restriction enzymes and thermostable ligase. We demonstrate simultaneous removal of three gene segments from a plasmid. This approach could be beneficial to DNA library construction, genetic and protein engineering, and synthetic biology.     

几种新型植物基因表达载体的构建方法

利用基因工程技术手段研究基因功能过程中,构建基因表达载体处于转基因植物的主导地位,采用合适的构建方法会使实验效果事半功倍。植物基因表达载体的构建方法除了传统构建法、Gateway技术、三段T-DNA法、一步克隆法等,还有近年来出现的几种新型的载体构建方法:基于竞争性连接原理快速构建小片段基因表达载体;MicroRNA前体PCR置换法适用于构建小分子RNA表达载体;重组融合PCR法特别适用于插入片段中含有较多限制性酶切位点的载体构建;利用In-Fusion试剂盒可以将任何目的片段插入一个线性化载体的某个区域;构建多片段复杂载体可采用不依赖序列和连接的克隆方法(Sequence and ligation-independent cloning,SLIC)法;Gibson等温拼接法;Golden Gate拼接法。本文将在总结分析前人工作的基础上,结合自己工作的体会和经验分析这7种新方法的特点,期望通过这几种新的方法给植物基因工程表达载体的构建提供新的思路。     

酿酒葡萄分支酸合成酶基因(VvCS)的克隆与表达分析

本研究以酿酒葡萄(Vitis vinifera)品种赤霞珠(Cabernet Sauvignon)及霞多丽(Chardonnay)为试材,采用in silico克隆和分子克隆相结合的策略,从果实中克隆到分支酸合成酶基因,命名为VvCS。该基因的cDNA编码区全长1312bp,编码436个氨基酸残基,预测其编码蛋白质分子量为46.9kD,等电点为7.8;生物信息学分析显示VvCS的DNA全长7117bp,包含13个外显子和12个内含子,定位于葡萄的第13号染色体上。VvCS编码的蛋白与其它植物来源的分支酸合成酶在氨基酸水平上的同源性为75%左右;实时荧光定量PCR分析表明VvCS在葡萄果实、茎、叶和叶柄组织中均有表达,且在果皮、果肉和种子中的表达变化趋势相似,与盛花后5周的果实相比,盛花后11周果实各部位中VvCS表达丰度均有不同程度增加。     

A modular assembly cloning technique (aided by the BIOF software tool) for seamless and error-free assembly of long DNA fragments

ABSTRACT: BACKGROUND: Molecular cloning of DNA fragments >5 kbp is still a complex task. When no genomic DNA library is available for the species of interest, and direct PCR amplification of the desired DNA fragment is unsuccessful or results in an incorrect sequence, molecular cloning of a PCR-amplified region of the target sequence and assembly of the cloned parts by restriction and ligation is an option. Assembled components of such DNA fragments can be connected together by ligating the compatible overhangs produced by different restriction endonucleases. However, designing the corresponding cloning scheme can be a complex task that requires a software tool to generate a list of potential connection sites. FINDINGS: The BIOF program presented here analyzes DNA fragments for all available restriction enzymes and provides a list of potential sites for ligation of DNA fragments with compatible overhangs. The cloning scheme, which is called modular assembly cloning (MAC), is aided by the BIOF program. MAC was tested on a practical dataset, namely, two non-coding fragments of the translation elongation factor 1 alpha gene from Chinese hamster ovary cells. The individual fragment lengths exceeded 5 kbp, and direct PCR amplification produced no amplicons. However, separation of the target fragments into smaller regions, with downstream assembly of the cloned modules, resulted in both target DNA fragments being obtained with few subsequent steps. CONCLUSIONS: Implementation of the MAC software tool and the experimental approach adopted here has great potential for simplifying the molecular cloning of long DNA fragments. This approach may be used to generate long artificial DNA fragments such as in vitro spliced cDNAs.     

一种新的DNA分子克隆方法

DNA分子克隆是基本的分子生物学实验技术,传统的分子克隆方法大多需经过酶切链接过程,但在某些情况下,没有合适的酶切位点往往会成为阻碍克隆进行的障碍.本文描述了一种新的分子克隆方法,称为不依赖酶切和链接的分子克隆（RLIC）.利用RLIC,将3种不同大小的DNA片段克隆到3种不同载体,证明了这种方法的有效性和可靠性.由于该方法不受限制性酶切序列限制,省去了酶切连接步骤,因此具有很大的灵活性和简便性,在分子生物学研究方面有广泛应用前景.