基因工程中质粒载体的特点
1.质粒载体结构特点
基因工程中质粒载体是一种小型环状DNA分子,它必须包括三部分:一个复制子、一个选择性标志和一个克隆位点。复制子是含有DNA复制起始位点的一段DNA,包括表达由质粒编码的、复制必需的RNA和蛋白质的基因。选择性标志对于质粒在细胞内持续存在是必不可少的。克隆位点是限制性内切酶切割位点,外源性DNA可由此插入质粒内,而且不影响质粒的复制能力,或为宿主提供选择性表型。
2.质粒载体拷贝数
复制子决定了质粒在宿主细胞内的拷贝数,基因工程中根据不同需要选择不同类型的复制子。Col E1和pMB 1复制子派生的质粒具有高拷贝数的特点,每个细胞的拷贝数可达到1 000~3 000个,适合大量增殖克隆基因,或需要大量表达的基因产物。pSC 101复制子派生的质粒载体(如pLG338、pLG339和pLG415等)在宿主细胞内拷贝数低,不适合大量扩增基因,但适用于某些特殊用途,例如,当有些被克隆的基因的表达产物过多时会严重影响寄主菌的正常代谢活动,导致寄主菌的死亡,这时就需要低拷贝的载体。还有一类是温度敏感型复制控制质粒,如pBEUl和pBEU2,当温度低于3℃时,拷贝数很少,当温度大于40℃时,拷贝数会快速增加到1 000个以上。
3.质粒载体的选择标记
质粒转化受体细胞后,要使含有质粒的细胞被选出来,就需要一个选择标记。抗性标记是质粒使用最广泛的选择标记,其要求转化的宿主菌是抗生素敏感型的。细胞只有转化了带有抗性标记基因的质粒才能在添加了抗生素的培养基上生长,并形成菌落,从而达到筛选的要求。
质粒主要的抗生素选择标记有氨苄青霉素、氯霉素、四环素和卡那霉素四种。氨苄青霉素可抑制细胞壁肽聚糖的合成,与有关的酶结合并抑制其活性,抑制转肽反应。氨苄青霉素抗性基因编码的酶可分泌进入细胞的周质区,催化β-内酰胺环水解,从而解除氨苄青霉素的毒性,因而氨苄青霉抗性标记是大多数大肠杆菌质粒载体的选择标记。需要注意的是,使用氨苄青霉素作选择标记的,若培养时间过长,则较其他选择标记更容易形成“卫星”菌落。
为了方便外源片段的连接,大多载体都含有一个包含多个串联排列的限制性内切核酶识别位点的多克隆位点(multiple cloning site,MCS)或多位点接头(如pUC19)。这些酶切位点在载体内通常是唯一的,这样就可以防止插入片段插入不恰当的位置。多克隆位点的存在可以确保载体适合大部分的DNA片段,可以针对插入片段提供特定的酶切位点,使得质粒重组操作方面具有更大的灵活性。
值得一提的是,质粒插入外源片段后,当分子大于15 kb时,不仅会增加外源DNA片段和载体连接的难度,还会降低质粒的转化率,提取质粒DNA产量通常很低。所以在设计实验时要考虑插入DNA片段的最终载体大小,尽量选用更小的载体。
理想的基因工程质粒除了具备基本的结构外,一般还有以下几点要求:
第一,要有较高的自主复制能力,能在宿主细胞中复制繁殖;
第二,容易进入宿主细胞,而且进入效率越高越好;
第三,容易插入外来核酸片段,插入后不影响其进入宿主细胞和在细胞中的复制,这就要求载体DNA上要有合适的限制性核酸内切酶位点;
第四,容易从宿主细胞中分离纯化出来,便于重组操作;
第五,有容易被识别筛选的标志,当其进入宿主细胞或携带外来的核酸序列进入宿主细胞时都能容易被辨认和分离出来。
需要注意质粒选择标记和筛选标记的区别,选择标记用来保证转化子是带有质粒的,而筛选标记用来区别重组质粒与非重组质粒。当一个外源DNA片段插入到一个质粒载体上时,可通过筛选标记来筛选插入了外源片段的质粒,即重组质粒。大肠杆菌β-半乳糖苷酶基因是质粒最常用的筛选标记。
由于越来越多含有质粒的微生物和新的质粒被发现,人工设计、改造的质粒更是爆发性增长,因此迫切需要一个统一的命名规则来结束文献中质粒名称的混乱,但直到1976年Novick等才提出一个可为质粒研究者普遍接受和遵循的命名原则。这个命名原则是:质粒名称由三个英文字母和编号组成,其中,第一个字母一律为小写p,代表质粒;在字母p后为两个大写字母,是发现这一质粒的人名、实验室名称、表型特征或者其他特性的英文缩写;编号为阿拉伯数字,用于区分同一类型的不同质粒。如pBR322,p表示一种质粒,而“BR”则是分别取自该质粒的两位主要构建者F.Bolivar和R.L.Rodriguez,322为质粒的编号。再如pUC18和pUC19,通过命名就可以知道它们是同一类型的不同编号的质粒,有着相同的基本结构。