基因组DNA文库的构建策略
基因组DNA文库构建的基本原理是相同的,构建流程相对简单,但是构建不同载体的基因组文库在实验步骤和技术细节上有所不同,成功的关键取决于操作者的经验和对实验技能的把控。目前已有专业公司提供基因组文库构建的服务和相应的文库构建试剂盒,这样使得文库的构建变得更简便了。对于具有一定实验技能的人来说,文库构建试剂盒是一个很好的选择,可以更好地全程控制文库的质量。
1.载体的选择
根据所选用的载体,基因组DNA文库可以分为质粒文库、λ噬菌体文库、黏粒文库、人工染色体文库(细菌人工染色体文库、酵母人工染色体文库)等。各载体允许插入的片段大小不同,在操作上也有所不同。
构建大片段基因组DNA文库使用的载体主要有λ噬菌体、cos质粒、P1噬菌体及PAC、BAC、YAC等。根据特征,这些载体可以分为两类:一类是基于噬菌体改建而成的载体,这类载体利用了噬菌体的包装效率高和杂交筛选背景低的优点,如P1噬菌体和PAC;另一类是经改造的质粒载体或人工染色体,其主要优点是可容纳超过100 kb以上的外源片段。
如果要构建的插入片段小于50 kb,那么可以选择cos质粒,甚至λ噬菌体,再利用现有的商品化柯斯质粒载体或λ噬菌体载体文库构建试剂盒。试剂盒包含了处理的载体、高效率的包装混合物和合适的大肠杆菌菌株,可以方便地构建文库。
如果要求插入的片段较大,那么P1噬菌体、PAC或者BAC都是适合的载体。BAC有一系列商业化的BAC载体及配套试剂盒,操作相对容易。P1噬菌体操作比较困难,PAC相对简便,它们都有杂交筛选背景低的优点。BAC稳定,很少发生DNA分子间的重组,易于用电击法转化大肠杆菌,比YAC更容易分离。
如果要求插入的片段大于300 kb,那么YAC载体就是首选了。不过,应用YAC载体来构建基因组文库,操作非常烦琐、困难,其中基因组的提取,文库的保存、筛选和分离都要求有很高的操作技能。YAC可用于克隆500 kb以上,甚至几个Mb的DNA片段,但是其重组子存在高比例的嵌合体,即一个YAC克隆含有两个本来不相连的独立片段,部分克隆子不稳定,在转代培养中可能会发生缺失或重排。因为YAC与酵母染色体具有相似的结构,难以与酵母染色体分开;相对分子质量太大,操作时容易发生染色体机械切割被打断。
总的来说,选择哪一种载体来构建基因组文库要根据实验的最终目的、实验技术手段、文库筛选方法等因素来综合判断。
一个理想的基因组DNA文库应当具有一定的特征,如文库的克隆总数不宜过大,以减轻文库的保存和筛选工作的压力;重组克隆能稳定保存、扩增、筛选;插入的DNA片段易于从载体分子上完整卸下等。
2.真核生物的基因组文库构建程序
第一,载体DNA的制备。根据实验的目的要求选择合适的载体,如果是商品化的载体,工作就十分简单。如果要提前制备和处理载体,就需要对载体的制备效果进行检验。
第二,高纯度、相对分子质量大的基因组DNA的提取和大片段的制备。高质量的基因组DNA对基因组文库的构建是至关重要的,需要通过经验来选择合适的基因组DNA分离方法,在分离过程中保证DNA不被过度剪切或降解,同时也要尽量保证DNA的纯度。
第三,基因组DNA的处理和分级。不同的载体对基因组DNA的长度有不同的要求,必须选择合适长度的基因组DNA来构建基因组文库。可以采用限制性内切酶的部分酶切,或者物理方法来随机打断基因组DNA,然后修复DNA末端,再利用琼脂糖电泳或者脉冲电泳进行分级分离,回收符合载体连接大小要求的DNA片段。
第四,使用连接酶把上述大小合适的DNA片段连接到载体上,并转化或侵染宿主细胞。根据载体选择最高效的转化方法,把载体和外源的连接产物导入宿主细胞。
第五,基因组文库质量的评价,重组克隆的筛选和保存。可以将小量的连接产物转化宿主,然后对文库的重组率和插入片段大小进行评价。如果构建cos质粒或λ噬菌体文库,需要用包装蛋白来包装上述连接反应产物,测定包装好的载体的滴度,然后转染,挑出重组子,鉴定插入片段的大小。如果文库的大小和质量都令人满意,就可以铺板进行文库筛选,或者扩增、保存文库。
原核生物基因组文库的构建程序基本相同于真核生物。由于原核生物的基因组小于真核生物的基因组,基因组DNA的提取、处理和分级都较真核生物容易。原核生物的基因组文库载体选择上,一般选择容纳量小于50 kb的载体(cos质粒或λ噬菌体)来构建,文库的保存和筛选工作量都小于真核生物的基因组文库。
3.文库的保存
(1)影印保存法
影印保存法是用影印铺板器把一个培养平板上的菌落或者噬菌斑影印到新的培养平板上,或者影印到硝酸纤维素过滤膜上继续生长。如果有必要,还可以再次复制到新的平板或者硝酸纤维素过滤膜上。
影印保存法复制快速,文库不容易失真,可以同时复制多个备份用于筛选。但影印保存法将菌落影印到硝酸纤维素过滤膜上,会使文库的扩增过程冗长,而且有时还会发生在过滤膜保存后菌落不再生长而造成文库缺失甚至全部丢失的现象。如果影印到LB平板上,扩增较快,但保存时间较短。
(2)混合在液体培养基中扩增保存
方法:从琼脂糖平板上刮下所有的菌落转入含适当抗生素的培养基中,培养一定时间,加甘油至终浓度为25%,分装保存于-80℃。
缺点:文库菌落携带片段的不同,会使生长不均匀,导致文库中某些特定的序列过多或过少,特别是传代次数过多后,这一现象更严重。因此该法适用于表型筛选的克隆保存。
(3)于含有甘油的培养基中保存单个克隆子
方法:从平板上挑选单个菌落接种于合适的含抗生素的培养基中,菌体生长到一定浓度后,加入甘油至终浓度为25%,保存于-80℃。
缺点:需保存的克隆数过多,工作量大,适合经过初次筛选的克隆保存。
4.文库的筛选方法
文库的筛选主要有以下几种类型:
①表型筛选法:利用克隆子所携带的目的基因能使平板上的菌落或噬菌斑表现出易于鉴别的性状,如蓝白筛选,或者利用目的基因的表达产物能使平板的底物产生鉴别的性状。
②抗性筛选法:如二氢叶酸还原酶可以使三甲苄二氨嘧啶降解,而该化学物质可抑制大肠杆菌生长。
③分子杂交法:首先将菌落或者噬菌斑转移到膜上,然后经过裂解、变性、固定和封闭等一系列的前处理,最后利用分子探针对文库进行原位杂交筛选,找到阳性信号点对应的克隆进行再次验证。
④免疫筛选法:利用抗原抗体反应来进行原位杂交,检测目的基因所产生的蛋白质,从而筛选出含有目的基因的克隆,这种方法适用于表达型的基因文库的筛选。
⑤PCR筛选法:根据保守序列,或者分子标记来合成引物,扩增特异性片段来筛选含有目的片段的克隆。