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PCR产物克隆

2020.7.27

克隆方法:
1. 平端连接
  通常情况下,PCR产物可直接与平端载体DNA进行连接,但其连接效率效低。因为TaqDNA聚合酶具有非模板依赖性末端转移酶活性,能在两6条DNA链的3''末端加上一个多余的碱基,使合成的PCR产物成为3''突出一个碱基的DNA分子。这种DNA分子的连接效率很低。在采用大量T4DNA连接酶并配以5-10u T4 RNA连接酶时,可显著提高其连接效率。对于较短PCR产物,用PUS19的HincⅡ位点进行克隆,以X-gal和IPTG筛选,常可得到足量重组子。另一种提高克隆效率的途径是先用Klenow大片段或T4DNA聚合酶消去3''末端突出碱基将PCR产物变成平端DNA,然后再用平端连接法克隆PCR产物。
2. 粘端连接
  引物中设计入限制酶位点:由于PCR引物的5''末端可以增加一些非互补碱基,因此可以在两引物的5''末端设计单限制酶或双限制酶切位点。这样得到的PCR产物用限制酶消化产生粘性末端,即可与有互补粘端的载体DNA重组。这种克隆方法效率较高,且当两引物中设计不同酶切位点时,可有效地定向克隆PCR产物。其缺点是需要加长PCR引物,除限制酶识别序列外,还需要在其5''端多合成3-4个碱基以利于限制性内切酶与PCR产物末端的稳定结合。即使如此,其酶切效率也不够高。其中尤以NotI、XhoI和XbaI等较为难切。采用突变PCR方法可克服上述缺点。该方法是通过在两PCR引物序列中改变1至数个核苷酸创造出一个限制性内切酶位点。鉴于PCR引物的3''末端序列的互补性是PCR成功的关键,在PCR引物的中部或近5''端改变1个或几个碱基对PCR扩增效果影响不大。这种方法不需要增加PCR引物的长度,而且酶切效果优于5''加端法。对于特定DNA段的克隆,此方法较为经济、实用。但对于基因诊断PCR产物的克隆,似乎5''加端法更为适宜。 T4DNA聚合回切产生粘端:如PCR两引物的5''末端是A或T,则可在其5''端分别加上CG和CCGG。用此二引物扩增的PCR产物在dATP和dTTP存在的情况下,用T4DNA聚合酶进行处理,则T4DNA聚合酶因具有3''→5''外切酶活性而消去3''末端的G和C,产生AccI和XmaI粘性末端(图1)。此DNA段直接与用AccI和XmaI切开的载体进行连接。这种方法只需在PCR引物的5''端加2-4个碱基,但其可选择的限制酶类有限。
3. T-vector法
  TaqDNA聚合酶能在平端双链DNA的3''末端加一个碱基,所加碱基几乎全是腺苷。据此,Marchuk等人采用3''端突出一个胸苷的质粒DNA来克隆PCR产物,其克隆效率比平端的连接至少高出100倍。他们用EcoRV将predscript切成平端,然后在2mmol/LdTTP存在下,用TaqDNA聚合酶催化predscript的两个3''末端各加一处胸苷。因为在4种dNTP都存在时,Taq聚合酶选择性参入dATP,而当仅一种dNTP存在时,它只能参入该种碱基。因此,在只加入ddTTP时,用TaqDNA聚合酶可使平端载体DNA转变成3''末端突出一个胸苷的T尾载体,称为T-vector。用这种T-vectorsk可以较有效地直接克隆PCR产物。Hotton等人也报道了另一种制备T-vector的方法。他们使用脱氧核苷酸末端转移酶在切成平端的载体DNA的3''末端加上一个胸苷。由于末端转移酶可以催化多个碱基(ddTTP)作为底物,使平端载体DNA分子的两个3''末端各加上一个T。用这种方法制备的T-vector的不同之处在于前者3''末端不能与待克隆PCR产物的5''末端连接,仅5''末端可与PCR产物的3''末端形成磷酸二脂键。
4. 共环消解法
  最近,Jung等人报道了一种有效的PCR产物克隆方法。用磷酸化的PCR引物扩增得到的PCR产物,先用T4DNA连接酶催化连接反应,使5''端带有限制酶切位点的扩增DNA段连接成共环结构。然后再用相应的限制酶进行消化,产生粘端DNA段。对于对称性限制酶位点,只需在引物的5''末端加上一段识别序列,因为在串接成共环后能纠正线性DNA的限制酶切位点难以切开的缺点,且可用于双限制酶切位点的设计,只不过有PCR产物共环化后,仅约1/4的限制酶切点得以恢复。故此法较适用于单限制酶位点的克隆。
  无连接酶亚克隆法(A)无连接酶克隆法(ligase-free subcloning,LFS)是利用引物5''末端附加碱基修饰法,修饰碱基不是酶切位点,而是与某一质粒两端分别互补的碱基。两引物的3''端约20-25个核苷酸分别与待扩增DNA两翼互补,5''端各有约24个核苷酸分别与线性化质粒的3''端相同的附加序列。由于线性化质粒的3''端序列各不相同,PCR片段可以通过选择各引物的合适5''附加序列与引物3''端定向杂交。
  由此物a和b产生的两端有附加序列的PCR产物与未反应引物分离后,分别加入两只含有线性化质粒的反应管中进行第二次PCR。第1管中用引物a和c,引物a即为第一PCR扩增的上游引物a,引物c为下游引物,与紧邻5''端附加序列内测的质粒(+)链互补。同样,第2管的引物为b和d,引物b与第一次PCR扩增的下游引物b相同,引物d为上游引物,与紧邻5''附加序列内侧的质粒(-)链互补。
  第二次PCR的第一循环中,PCR产物与质粒均变性与复性。除自身复性产物(这种复性产物不被扩增)外,PCR产物与质粒可通过各自3''端互补序列杂交成部分异源双链,延伸时,重叠的3''端互为此物沿各自互补链延伸,结果可产生PCR片段与线性质粒的"连接"。然后两管中PCR扩增各进行15-20个循环。这便可产生大量一端管1)或另一端连接有PCR插入片段的质粒。 第二次PCR后将第1管与第2管反应液混合,用碱变性双链,中和后稀释变性的DNA。反应管中的单链DNA可以复性或几种不同的产物,除各自本身复性产物外,管1产物ssDNA与管2中ssDNA可形成部分异源双链DNA,并各自有一较长的5''或3''悬端,这种长的5''或3''悬端相互互补,在低DNA浓度时可复性产生环化DNA。
  尽管这种环化的DNA有两个缺口,但它们可以直接用来转化受体大肠直杆菌。一旦进入体内,两个缺口便共价连接,修复的质粒即可复制,下面以从λ噬菌体DNA中扩增-500bp片段,并克隆入pGem4Z载体中为例说明LFS法。
  这种方法同样适于复杂基因组中基因片段的克隆。需注意的是第一次PCR时两引物的5''附加序列不应太短以免影响第二次PCR时异源双链的形成,以24个核苷酸较为合适。扩增时若形成,引物二聚体,一定要去除,否则会严重影响转化率。用LFS法已成功地克隆了长达1.7kb的基因片段。这种方法的优点是:①可用于常规方法无法进行亚克隆的片段;②适于任何PCR产物和任何质粒;③可亚克隆特殊目的(如含点突变、缺失或插入等)片段;④在某些情况下,对已构建了启动子或增强子等序列的载体,可使待表达片段插入定向合适位置;⑤较快,可在1d内完成,较常规方法可靠,不需DNA连接酶。

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