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DNA专题:cDNA文库构建

时间:2013-07-22 浏览次数:1334

概述
cDNA文库是以特定的组织或细胞mRNA为模板,逆转录形成的互补DNA(cDNA)与适当的载体(常用噬菌体或质粒载体)连接后转化受体菌形成重组DNA克隆群,这样包含着细胞全部mRNA信息的cDNA克隆集合称为该组织或细胞的cDNA文库。cDNA文库特异地反映某种组织或细胞中,在特定发育阶段表达的蛋白质的编码基因,因此cDNA文库具有组织或细胞特异性。
 
cDNA文库显然比基因组DNA文库小得多,能够比较容易从中筛选克隆得到细胞特异表达的基因。但对真核细胞来说,从基因组DNA文库获得的基因与从cDNA文库获得的不同,基因组DNA文库所含的是带有内含子和外显子的基因组基因,而从cDNA文库中获得的是已经过剪接、去除了内含子的cDNA。
 
真核生物基因组DNA十分庞大,其复杂程度是蛋白质和mRNA的100倍左右,而且含有大量的重复序列. 采用电泳分离和杂交的方法,都难以直接分离到目的基因.这是从染色体DNA为出发材料直接克隆目的基因的一个主要困难。
 
高等生物一般具有105种左右不同的基因,但在一定时间阶段的单个细胞或个体中,都仅有15%左右的基因得以表达,产生约15000种不同的mRNA分子.可见,由mRNA出发的cDNA克隆,其复杂程度要比直接从基因组克隆简单得多。
 
cDNA文库在研究具体某类特定细胞中基因组的表达状态及表达基因的功能鉴定方便具有特殊的优势,从而使它在个体发育、细胞分化、细胞周期调控、细胞衰老和死亡调控等生命现象的研究中具有更为广泛的应用价值,是研究工作中zui常使用到的基因文库。

原理
经典cDNA文库构建的基本原理:用Oligo(dT)作逆转录引物,或者用随机引物,给所合成的cDNA 加上适当的连接接头,连接到适当的载体中获得cDNA文库。其基本步骤包括:(1)mRNA的提纯获取高质量的mRNA是构建高质量的cDNA文库的关键步骤之一。(2)cDNA*条链的合成。(3)cDNA第二条链的合成。(4)双链cDNA的修饰。(5)双链cDNA的分子克隆。(6)cDNA文库的扩增。(7)cDNA文库鉴定评价。

cDNA文库构建的注意事项
构建全长cDNA文库分为噬菌体文库和质粒文库,二者大同小异。无论怎样,应当注意如下几个方面:
 
保证获得数量足够的高质量的起始RNA
构建cDNA文库要求的RNA量比做RACE和Northern blot的要多,在材料允许的情况下一般的试剂盒均推荐采用纯化总mRNA后进行反转录,这比直接采用总RNA进行反转录而构建的cDNA文库好,虽然后者也并不是不能做。老版本CLONTECH的SMART 4的中级柱子要求纯化后的总mRNA量在0.05-0.5微克左右,这就要求起始总RNA量较多。虽然有的试剂盒声称少至几十个纳克的总RNA也可以构建cDNA文库,但这是针对材料极为稀缺者而言,但起始RNA太少还是会或多或少影响文库构建成功的风险和文库的代表性。至于RNA的质量,如果采用纯化总mRNA后反转录,则对总RNA的杂质方面要求稍松,但对RNA的完整性则一丝不苟,要求未降解。如果直接采用总RNA进行反转录,则对总RNA的质量要求非常高,不仅要求RNA相当完整而无降解,而且要求多酚、多糖、蛋白、盐、异硫氰酸胍等杂质少,是试剂盒抽提的。
 
反转录成功与否及反转录效率是关键中的关键
这是构建cDNA文库中zui贵的一步,也是核酸质变的一步,它将易降解的RNA变成了不易降解的cDNA。反转录不成功,说明一次文库方案的夭折。反转录效率不高表现在一是部分mRNA被反转录了,但还有相当一部分本该反转录的mRNA未被反转;二是只有少部分mRNA被反转录通了即达到帽子结构zui近处,而很大一部分mRNA没有反转录*,总的全长cDNA太少,这就难以构建好的全长cDNA文库。少量程度的mRNA降解或反转录不*在SMART 4等试剂盒及手工方法构建中对文库的滴度影响不大,但对文库的全长性则有很大影响。Invitrogen公司基于去磷酸化、去帽、RNA接头连接后再反转录的新技术(可参考其GeneRacer说明书)从原理上是保证zui终获得全长cDNA的方法,但对mRNA的完整性要求非常高,理论上讲必须是带有帽子结构和Poly A结构的全长mRNA且反转录*,才能进入文库中。反转录完成后点样检测cDNA的浓度及分子量分布是很重要的。
 
层析柱cDNA分级很关键
这一步稍不注意会影响成功性或影响获得的cDNA的片段分布特点。这一步的操作要小心,尤其要在加入cDNA之前通过反复悬浮和试滴保证柱子能正常工作,cDNA的加入和收集要精力集中。获得的每一级的cDNA量很少,检测时带型很暗,所以要用新鲜做的透明薄胶检测,根据检测结果一定要舍弃太短的cDNA(一般400bp以下就不要了,因为短片段太多会严重影响后面的连接转化效果及文库质量)。
 
噬菌体文库或质粒文库均对载体与cDNA的连接效率要求很高,也对连接产物转染或转化大肠杆菌的效率要求很高。连接效率高低直接关系到文库构建是否成功,更要注意的是文库连接与一般的片段克隆的连接不一样。一般的片段克隆连接是固定长度的载体与固定长度的目的DNA连接,而文库连接是固定长度的载体与非固定长度的目的DNA连接,目的基因cDNA长的有10kb以上,短的只有500bp或更短。一系列长度不等的cDNA与载体在一起连接的结果,不同长度cDNA的连接效率就不一样。有的专家的经验是,根据分级结果,有意识地将长度不同的cDNA群分别与载体连接,再分别转化或转染大肠杆菌,分别完成滴度检测,zui后将不同长度级别的文库混合在一起供杂交筛选。

cDNA双链合成
1. Superscipt II—RT合成*链:
1. 在一RNase-free的0.2ml PCR管中,加入
xul mRNA(大约500ng)
1ul Xho I Primer(1.4ug/ul)
(5’ GAGAGAGAGAGAGAGAGAGAACTAGTCTCGAGTTTTTTTTTTTTTTTTTT…3’)
11-x ul RNase-free water
(大于500ng mRNA 分n管(500ng/tube)合成*链, *链合成完毕后将n管合成一管进行第二链合成.)
2. 混匀后,70℃反应10分钟;
3. 反应完成后,立刻将反应体系置于冰上5min;
4. 稍微离心一下,顺序加入以下试剂:
4ul 5×first strand buffer
2ul 0.1M DTT
1ul 10mM dNTP(自己配制)
5. 混匀,稍微离心反应物之后,42℃放置2分钟;
6. 反应完成,趁热加入1 ul Superscipt II—RT,混匀;
7. 42℃反应50分钟,然后70℃,15分钟灭活反转录酶.
 
2. cDNA第二链的合成
1. *链反应完成后,取2ul一链产物-20℃冰箱中保存,待电泳检测。其余的产物合并,混匀,然后顺序加入下列试剂(promega):
20ul 10×DNA Polymerase I buffer
6ul 10mM dNTP(自己配制)
xul dd H2O
1ul RNase H(2U/ul)
10ul DNA Polymerase I(10U/ul)
总体系为200ul;
2. 混匀后,16℃反应2.5小时;
3. 70℃灭活10分钟;
4. 反应完成后,得到200ul cDNA第二链反应体系,将此体系置于冰上;
5.取2ul二链产物,同保存的一链产物一起电泳鉴定。同时上1kb ladder,确定双链的大小范围。
注:一链,二链的电泳图是smear,且二链稍比一链大一些。
 
3. 双链cDNA末端补平
1. 在第二链反应体系中,顺序加入下列试剂(promega):
6ul 10mM dNTP
2ul T4 DNA Polymerase(8.7U/ul)
2ul BSA(10mg/ml)
2. 稍微离心混匀反应物, 37℃反应至少30分钟,然后75℃灭活10分钟;
3. 加入等体积酚/氯仿/异戊醇,剧烈振荡后,常温下13000g离心5分钟;
4. 离心后,吸取上清于另一1.5ml eppendof管中,加入等体积氯仿,上下颠倒几次混匀后,常温下13000g离心5分钟;
5. 吸取上清至另一eppendof管,加入1/10V3M NaAc(PH5.2)和2.5V预冷的无水乙醇,混匀,-20℃放置以沉淀双链cDNA;
6. 第二日,将昨日沉淀物在4℃,13000g离心60分钟以充分沉淀双链cDNA;
7.离心完毕,弃上清,加入1ml 70%乙醇洗涤沉淀,常温下13000g离心5分钟;
8.离心完毕,弃上清,干燥沉淀至无乙醇气味.
注:第3,第4步可以用PCR 纯化试剂盒代替。
PCR纯化试剂盒操作流程:
1.溶液PE使用前应加入适量体积95%-100%的乙醇,混匀。
2.向200ul二链补平产物中加入5倍体积的buffer PB,混匀。
3.加入spin column中,13000rpm离心1min。
4.加入0.75ml buffer PE,13000rpm离心1min。
5.13000rpm,再离心1min。
6.将spin column放入一新的离心管中,加入50ul buffer EB,静置10min。
7.13000rpm离心2min。
8.加入30ul buffer EB,静置10min。
9.13000rpm离心2min。
10.加入1/10体积3M的NaAc,2.5倍体积无水乙醇,混匀,-20℃沉淀。
 
4 EcoR I adaptor 加接
1. 往双链cDNA沉淀中加入9ul EcoR I adaptor(400ng/ul),4℃至少放置30分钟以充分溶解cDNA沉淀;
2. 溶解完成后,顺序加入下列试剂:
1.2ul 10×Ligase Buffer
1ul 10mM rATP
1 ul T4 DNA Ligase(4U/ul)
3. 混匀后,4℃连接3days,或者8℃连接;
 
5 双链cDNA末端的磷酸化及Xho I酶切
1. 连接反应完成后,将反应体系70℃放置15分钟灭活T4 DNA Ligase;
2. 稍微离心使反应物集中至管底,室温下放置5分钟,然后加入下列试剂:
1ul 10×Ligase Buffer
1ul 10mM rATP
6ul dd H2O
1ul T4 PNK(10U/ul)
3. 37℃反应30分钟,然后70℃灭活15分钟;
4. 稍微离心使反应物集中至管底;
5. 室温放置5分钟;然后加入下列试剂:
4ul Xho 10×Buffer
2ul BSA
5ul ddH2O
8ul Xho I (10U/ul)
6. 37℃反应1.5小时,然后65℃灭活酶10分钟;
7. 反应完成,双链cDNA合成完毕。置于4℃准备回收。
 
6.胶回收cDNA
1.配制小胶数板(每个样品一板):1%琼脂糖凝胶,2ul EB/300ml 胶
2.取4℃保存样品上样,40ul/孔。
3.电泳50V;1hr
4.紫外灯下分别切下500~1kb、1.0-2.0kb及2.0-4.0kb cDNA 片段.,分别放入已做标记的1.5ml离心管中。
5.称取胶重,加入三倍体积buffer QXI(例如,100mg胶中加入300ul buffer QXI)
6.50℃ 水浴数分钟,至胶*融化。用手指弹 QIAEX II 使重悬,每管中加入5ul QIAEXII
7.50℃ 水浴10min,每隔2min 取出颠倒混匀数次,使QIAEX II 保持悬浮
8.4℃,13000rpm,30sec。(弃上清,离心机中甩一下,吸取上清)
9.加入500ul buffer QXI,轻弹管底使QIAEX II 重悬
10. 离心并去上清(同操作8)
11. 加入500ul buffer PE,重悬QIAEX II,离心30sec,去上清
12. 再加入500ul buffer PE,重悬QIAEX II,离心30sec,弃上清,离心机中甩一下,吸去上清
13. 超净台上吹干(至无乙醇味),加入10ul elution buffer,重悬QIAEX II,静置5min,13000rpm,30sec。吸上清,冰上放置。
14. 取1ul上清上样电泳,同时做分子量标准(1kb ladder)及DNA含量标准(10ng,20ng)作对照。
15. 将收回的cDNA置于-20℃内保存,据电泳结果,取适量DNA进行连接。
 
注意事项:
1.胶回收前电泳槽,电泳板,梳子等都要用1%的HCl浸泡过
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