一种简单易行的重组方法—三引物PCR法-论文

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2020年07月30日 08:08
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简手厦 第47卷第16期2002年8,El错学 担 
种简单易行的重组方法一一三引物PCR法 
邓朝阳 宋贵生 徐军望 朱祯 
(中国科学院遗传与发育生物学研究所,北京100101. 同等贡献.十联系人,E—mail:zzhu@ genetics.ac.cn) 
摘要 报道了一种不需要限制性内切酶和连接酶的重组DNA方法一 一三引物PCR法(TP.PCR). 
TP.PCR反应体系中有2种模板和3种引物,从而在同一个 反应体系中产生一个重组DNA分子.这种 
方法的主要优点是快速、高效且不依赖连接片段的限制酶位 点.用这种方法已成功构建了融合蛋白基 
因—— 基因. 
关键词DNA重组TP.PCR  豇豆蛋白酶抑制剂 
DNA的体外重组一般是通过在准确的限制酶位 
1材料与方法 
(i)模板和引物.在TP.PCR的同一个反应体 
系中有2种模板和3种引物.2种模板是质粒pB lueL3 
和pSKTI,分别带有cpti基因 和skti基因 引,skti基 
点对 两个DNA片段连接进行的.一般来说,标准的 
DNA重组方法需要对所连接的DNA片段的限制酶 
位点有所了解【l】,然后用限制性内切酶消化,这时带 
有黏性末端或平末端的DNA片段可 以通过DNA连 
接酶连接在一起形成重组的DNA分子.然而,在一 
因提供信号肽编码序列 .3种引物是F引物(5 . 
AAAATGAAGAGCACCATCTTC.3,),R引物(5  一TCT- 
AGAGTTCATCTTTCTCATCATCTTCATCCCT_3 )和 
些重组反应中,没有合适的限制酶切位点可以利用. 
目前已有一些方法被用来解决这个困难,如通过 定 
点突变来产生新的限制酶切位点【2 或通过接头来对 
目的片段进行准确的扩增 】.然 而,这些方法或很昂 
贵或需要额外的遗传操作,从而使其应用受到很大 
的限制.本研究采用 一种新的方法一一三引物PCR 
I引物.其中F引物和skti基因的5 末端互补;R引物 
和cpti基因的3 末端互补并带有Lvs—Asp—Glu— 
Leu(KDEL)内质网延迟信 号序列和一终止密码子 ; 
中间引物(I引物)长为55个碱基,其5 端(1~25)和 
SKTI信号肽编码序列互补,3 端(26~55)和cpti基因 
的5 末端互补. 
法 (TP.PCR)进行DNA重组.此方法仅需在同一个 
PCR反应体系中加入2种模板和3种引物即 可产生 
重组的DNA分子. 
cpti基因是丝氨酸蛋白酶抑制剂基因家族的成 
( ii)三引物PCR原理. 如图1所示,第1个循 
环,I引物以质粒pBlueL3上的cpti基 因序列为模板 
合成cpti基因的正义链.第2个循环,R引物合成cpti 
基因的反义链 ,此时的cpti基因的5 端和3 端分别带 
员之一,由于其产物的广谱抗虫能力,在植物基因工 
程上已被广泛用作抗虫基因【4】.然而,CpTI蛋白是一 
种细胞质蛋白,在代谢活跃的叶 细胞环境中会不断 
地被降解,外源CpTI蛋白在转基因植物的叶子中积 
累水平很低【5  】.本研究中,融合基因sck编码的融合 
有额外的核苷酸序列.cpti序列中额外的3 端序列和  
SKTI信号肽编码序列互补并在下一个循环中作为引 
物.在第3个循环中,SKTI信号 肽编码序列得到延伸 
并被加在反义链上,产生了反义链3 .信号肽序列. 
cpti基因. KDEL.5 .在第4个循环中,F引物以反义链 
3 .信号肽序列.cpti基因.KDEL.5  为模板产生正义链 
在其后的循环中,富余的F引物和R引物即可大量地 
合成融合蛋白基因 目的片段sck.sck是编码融合蛋白 
的各种序列名称首字母的缩写(signal peptid e—cpti— 
KDEL). 
蛋白由3部分组成:融合蛋白N末端的信号肽、中间 
的CpTI肽以及C末端的内质网延迟信号肽1 引.信号 
肽可以指导胞质中合成的多肽进入内质网 (ER),然 
而ER延迟信号肽可以使蛋白滞留在ER中.通过这 
种方法,转基因植物中外 源的CpTI蛋白可被导入并 
滞留在ER~个代谢相对不活跃的环境中.由于 
在转基因植物 中蛋白质定位方式的变化,其积累水 
平也得到了很大的提高. 
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在100 uL的PCR反应体系中,含质粒pBlueL3 
1247 

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钭 苏 第47卷第16期2002年8月 
2 3 4  
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l第 1次循 
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1第2次循环 
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二:二 二二 
l第3次循环 
…・--_・__・-__- -・-1. 
●1第4次循环  
- 
’ ——》 *
415 
36 5 
_



_



_

_

_





_





-_●----_ ● 
---- 
共36-N ̄ 
V 
SKTI信号肽编码区 CpTI编码区 KDEL区 
图2 T P—PCR产物的琼脂糖凝胶电泳分析 
修饰的cpti 
●_ ___--’◆ ■■_-_ _ ■ 
1示审1741Hae11I Marker;2示F引物和R引物扩增产物,3示I引物和R  
KDEL 3 端引物(cpti) 引物扩增产物,4示TP.PCR扩增产物 5 引物【skt i) 中间引物 
图1三引物PCR原理示意图 
3讨论 
设计合理的中间引物是保证 TP—PCR反应成功 
的关键.只有中间引物设计合理才能保证两种DNA 
片段在融合位点 正确连接.3条引物的浓度比例是另 

和pSKTI各100 ng,50 mmol/L  dNTP,F引物和R引 
物各0.2 ̄mol/L,中间引物0.002~0.02 ̄mol/L,1 0 
JaL PCR反应缓冲液(10x).98℃预变性10 min后加入 
2 U Ve nt DNA聚合酶,并覆盖上一层石蜡油,95℃变 
性40 S,58℃退火40 S,72℃延伸 1 min,36个循环后 
72℃延伸5 min. 
个关键因素,要适当调节中间引物的比 例使得TP— 
PCR反应获得最理想的结果.实验结果表明,合适的 
比例范围可有效增加目 的片段的扩增,同时减少非 
特异产物的扩增,一般来说在1/1000~1/100范围内 
2结果 
PCR产物在2%的琼脂糖凝胶上进行电泳检测 
(图2),结果发现,用I引物和R 引物的PCR反应中, 
得到了一条365碱基的扩增片段,其长度和预期的一 
致.然而,在 TP—PCR扩增中经常会出现两条扩增条 
带(图2,第4泳道).较亮的条带(415 bp)比第 3泳道 
(365 bp)中扩增条带略长,这条亮带即为融合蛋白目 
的基因片段sck.然 而,用F和R引物的PCR反应中, 
比较合适.除此以外,为了保证PCR产物的高忠实 
性 ,需用高忠实的DNA聚合酶来代替Taq聚合酶. 
TP—PCR法的主要优点在于它的简单易行.因 为 
我们可以在所期望的任何位点将两种DNA片段连接 
起来,而不需知道DNA片段的限制 位点.由Horton 
等人… 所发展的重组PCR系统可以用4种引物和2 
种模板来产生 重组DNA分子,然而这种方法的缺点 
是需要在不同的PCR管中进行两轮PCR反应,这将 
会增加污染的概率.通过TP—PCR进行重组操作,可 
没有产生任何条带.较亮的条带用Klen ow酶补平后 
纯化回收,插入pBluescript Ks(+)的EcoRV位点 刚, 
得到克隆质粒pBlueSCK.测序结果证实,所获融合 
蛋白基因长415 bp,和预期完全一 致(图3).这样通 
过TP—PCR方法,我们成功地获得了融合蛋白sck基因. 
124 8 
以在几个小时内于一个PCR反应体系中完成.原则 
上,这种方法还可以用来产生两种D NA片段的完整 
分子.如果中间引物设计合理的话,甚至可以将几种 
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1 < br>第47卷第16期2002年8月 错学屯苏 
AAA ATG AAG AGC ACC AT C TTC 
TTT GCT CTC TTT CTC TGT TGT GCC TTC ACC  ACC 54 
Met Lys Ser Thr Ile Phe Phe Ala Leu Phe  Leu Cys Cys Ala Phe Thr Thr 17 
TCA TAC CTA CC T TCA GCC ATC GCT GAT TTC GTT TTA AAG GTG TGT GTG  CTG GTA 108 
Ser Tyr Leu Pro Ser Ala Ile AlatAs p Phe val Leu Lys Val Cys Val Leu Val 35 
55 18 
109 
36 
!!!! CTT GTA GGG GTT ACT A CT GCA GCC ATG GAT CTG AAC CAC CTC GGA AGT 162 
Leu Phe Leu Val Gly val Thr Thr Ala Ala Met Asp L eu Asn Hi8 Leu Gly Ser 53 
163 
AAT CAT CAT  GAT GAC TCA AGC GAT GAA CCT TCT GAG TCT TCA GAA CC A TGC TGC 216 
54 
Asn Hi8 Hi8 Asp Asp Ser S er Asp Glu Pro Ser Glu Ser Ser Glu Pro Cys Cys 71 
217 
GAT TCA TGC ATC TGC ACT AAA TCA ATA CC T CCT CAA TGC CAT TGT ACA GAT ATC 270 
72 
A sp Ser Cys Ile Cys Thr Lys Ser Ile Pro Pro Gln Cys  Hi8 Cys Thr Asp Ile 89 
253 AGG TGG AAT TCG TG T CAC TCG GCT TGC AAA TCC TGC ATG TGT ACA CGA TCA  ATG 324 
84 
Arg Trp Asn Ser Cys Hi8 Ser Ala  Cys Lys Ser Cys Met Cys Thr Arg Ser Met 107 
3 25 
CCA GGC AAG TGT CGT TGC CTT GAC ATT GCT GAT  TTC TGT TAC AAA CCT TGC AAG 378 
108 
Pro G ly Lys Cys Arg Cys Leu Asp Ile Ala Asp Phe Cys Tyr  Lys Pro Cys Lys 125 
379 
TCC AGG GAT GAA G AT GAT GAG AAA GAT GAA CTC TAG A 
126 Ser 
A rg Asp Glu Asp Asp Glu Lys Asp Glu Leu 
5 6 
415 
136 
7 8 9 
图3 sck基因的碱基序列和推测的氨基酸序列 
融合蛋白编码序Y ̄](sck基因)通过三引物PeR法扩增得到,长为415 bp,其中包括编码 l36个氨基酸的4I1个碱基和一个终止密码子.融合蛋白由N端 
25个氨基酸的信号肽(来自SK TI)、107个氨基酸的CpTI多肽以及C端的KDEL信号组成,其中CpTI多肽N端的两个甲硫氨酸由 精氨酸和苯丙氨酸 
取代从而产生一个信号肽加工位点.箭头示预测的信号肽加工位点,下画线序列分别 示skti基因的5 末端引物、中间引物和带有KDEL和终止密码子 
的cpti 3 端引物 < br>DNA片段连接起来. 
formation to improve plant defen ses against herbivores Bioassays 
1989.10:20—24  
本研究中所产生的sck融合基因已被用来构建成 
玉米泛素蛋白基因启动子控制下的植物表 达载体【1 . 
Hilder V A.A novel mechanism of insect  resistance engineered 
into tobacco Nature,1 9 87,300:1 60—1 64 
Wandelt C I,Khan M R I,Craig  S,et a1.Vicilin with car— 
转基因水稻的蛋白酶抑制活性检测证实,sc k转基因 
水稻的蛋白酶抑制活性是cpti转基因水稻的2倍,一 
些个体甚至达到了4倍. 生物活性检测和大田试验表 
明,sck转基因水稻对鳞翅目等的害虫表现出很强的 
抗性. 
致谢 本工作为国家高技术研究发展计划(批准号: 
2001AA212041,2001A A222251)、国家自然科学基金(批准 
号:39989001)和国家转基因植物研究与产业化 开发专项 
(批准号:J99一B一004,J99一A一020)资助项目. 
boxy-t erminal KDEL is retained in the endoplasmic reticu lum and 
accumulates to high levels in the leav es of transgenic plants.Plant 
J,1992,2(2):1 81 —192 
Hammond R w.Foard D E.Larkins B A.Molecul ar cloning and 
analysis of a gene coding for t he Bowman—Birk protease inhibitor 
in soybean.J  Biol Chem,1 984,259:9883—9890 
Pelham H R B.Th e retention signal for soluble proteins of the 
endoplasmic reticulum.Trends Biochem Sci,1990,15: 483~486 
Song S I,Kim C H,Baek S J.et a1.Nucleo tide sequences of 
参 
1 
考 文 献 
cDNAs  encoding the precursors for soybean(Glycine max)tr yp— 
sin inhibitors(Kunitz type)Plant Phys.1993 .101:1401—1402 
Nelson M R,Creutz C E.Compariso n of the expression of native 
Sambrook J,Mania tis T,Fritsch E F Molecular Cloning:A Labo- 
ra tory Annua1.2nd ed New York:Cold Spring Harbor,198 9 
Horton R M,Hunt H D,Ho S N,et al Engineering  hybrid genes 
2 Boylan M O,Pelletier J,Dhepagn on S,et a1.Construction of a 
without the use o f restriction enzymes:Gene splicing by overlap 
fused LuxAB gene by site—directed mutagenesis.J B iolumin 
extension.Gene.1989.77:61—68 
Chemi lumin,1989,4:310—316 
3 Mullis K,Faloona F.Spec ific synthesis of DNA in vitro via a po- 
lymer ase-catalyzed chain reaction.Methods Enzymol,1987, 155: 
335—350 
4 Ryan C A Proteinase inhibit or gene families:Strategies for trans— 
and mut ant bovine annexin IV in Escherichia coli using fo ur dif- 
ferent expression systems.Protein Exp  Purif.1995.6:132~140 
Takimoto I,Christensen A  H,Quail P H,et a1.Non—systemic ex- 
pression of  a stress-responsive maize polyubiquitin gene(Ubi一 1) 
in transgenic rice plants.Plant Mol Biol,19 94,26(3):1007 ̄101 2 
(2002—02-09收稿,2002-06-25收修 改稿) 
1249 
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