第一章 基因操作的主要技术原理 第二节 凝胶电泳.

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1 第一章 基因操作的主要技术原理 第二节 凝胶电泳

2 1 凝胶电泳 凝胶电泳是一种分析鉴定重组DNA分子、蛋白质、蛋白质与核酸相互作用的重要实验手段，同时也是分子生物学研究方法的技术基础。

3 凝胶包含复杂的孔道网络，DNA分子必须通过这些孔道才能够到达阳极。

4 凝胶电泳的种类 按凝胶材料分: 聚丙烯酰胺凝胶 琼脂糖凝胶电泳(普通和低熔点琼脂糖) 按电泳装置分: 水平式/琼脂糖凝胶
竖式/聚丙烯酰胺凝胶 两种方法比较：分离效果和分离范围; 操作难易

5 2 核酸电泳 基本原理 带有负电荷的DNA或RNA核苷酸链， 依靠稳定的无反应活性的介质（琼脂糖凝胶和聚丙烯酰胺凝胶）和缓冲液，
在电场中以一定的迁移率从负极移向正极。 根据核酸分子大小不同、构型或形状的差异，以及所带电荷的不同， 可以通过电泳将其混合物中的不同成分彼此分开。

6 凝胶的成分和浓度决定能够分离的DNA大小
琼脂糖凝胶： 相对大的孔道，分离大一些的分子； 聚丙烯酰胺凝胶： 很小的孔道，分离小的DNA分子， 能够分离仅仅相差一个核苷酸的DNA分子。

7 用途 琼脂糖凝胶： 用于DNA和RNA的常规分析 聚丙烯酰胺凝胶： 常用于小分子核酸和蛋白质分析 凝胶电泳的一般程序
 用途 琼脂糖凝胶： 用于DNA和RNA的常规分析 聚丙烯酰胺凝胶： 常用于小分子核酸和蛋白质分析 凝胶电泳的一般程序 制胶，点样，电泳，染色，观察

8 电泳的迁移率 取决于核酸分子本身的大小和构型 分子量较小的DNA分子，比分子量较大的DNA分子迁移率要快； 同等分子量的不同构型的核酸分子，构型紧密的比松散型的开环DNA分子或线性DNA分子迁移率要快。

9 与凝胶的类型和密度相关 琼脂糖凝胶的分辨力在0.2～50Kb之间; 聚丙烯酰胺的分辨力在1～1000bp之间；
凝胶电泳的分辨力 与凝胶的类型和密度相关 琼脂糖凝胶的分辨力在0.2～50Kb之间; 聚丙烯酰胺的分辨力在1～1000bp之间；

10 Separation Range of Agarose

11 PolyAcrylamide Gels (PAGE)

12 2 琼脂糖凝胶电泳 琼脂糖： 一种从红色海藻中提取出的线性多糖聚合物。 分为 常熔点的琼脂糖 低熔点（LMP）琼脂糖

13 Agarose gel electrophoresis

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15 LMP琼脂糖 熔点：62～65℃ 熔解后，在37℃ 可保持液态数小时； 在25℃ 可保持液态约10min

16 回收DNA分子 在65℃ 下将LMP琼脂糖凝胶熔化； 加入过量的酚抽提DNA； 离心获得含DNA分子的上清液；

17 琼脂糖凝胶电泳的参数： 缓冲液：1× TAE（TBE, TPE） 凝胶的含量：根据检测的DNA大小 加DNA样品：<1μg，指示剂 电泳条件：大片断低电压长时间， 小片段高电压短时间

18 使凝胶中的DNA分子可视化 染色是最简单的方法。 溴乙锭(EtBr) 能够用来对琼脂糖和聚丙烯酰胺凝胶中的DNA进行染色。
注意： 溴乙锭是非常强的致癌物；紫外光也会灼伤。 因此，用于把DNA染成蓝色或绿色，又不需要紫外照射就能看见DNA的非致癌染料，越来越多地被用于实验室研究中。

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20 染色和观察： 溴化乙锭（EB）染色， 在300nm波长的紫外下观察（凝胶成像仪） 能看到0.05 μg的微量DNA DNA的片断大小与荧光强度成正比

21 DNA分子大小的估计 如何确定凝胶电泳中片段的大小? 最准确的方法：利用迁移速度和分子重量间的数学关系。相关公式是：
D=a-b (logM) D是迁移的距离，M是相对分子质量，a和b是依赖于电泳条件的常数。 通常使用：一种简单，但相对不太精确的估计DNA片段大小的方法。

22 方法：利用已知大小的DNA片段作标准(marker /ladder),目的DNA片段与之比对、估计。
例如：HindⅢ将λDNA切成8个片段，这些片段的大小都已经知道，范围从125bp到23kb。实验中的片段大小可以通过对比两条泳道中条带的位置而加以估计。 尽管不十分精确，这种方法进行起来只有5％的错误率

23 Agarose Gel Electrophoresis
Sample Well 25 ng 1 kb ladder 0.8% Agarose Agarose Gel Electrophoresis EtBr Detection Limit: ~5-10 ng DNA kb 12 10 8 6 4 2 1

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25 根据标准DNA相对迁移距离推测待测定的DNA片段的大小

26 Agarose gel electrophoresis

27 对放射性标记的DNA进行放射性自显影 染色的一个缺陷是其灵敏性的限制，如果每条带中DNA的含量少于10ng，则很有可能在染色后仍然看不到条带。对于微量的DNA就需要更加灵敏的检测手段。 放射自显影是一个很好的方法。 电泳前将DNA结合上放射性标记，利用X射线敏感摄影对凝胶进行拍摄就能够肉眼观察到DNA分子。 放射性DNA使胶片曝光，显示出DNA条带。

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29 3 聚丙烯酰胺凝胶电泳 聚丙烯酰胺凝胶： 丙稀酰胺/ 亚甲双丙稀酰胺（29：1） TEMED 过硫酸铵（10％） 缓冲液：TBE

30 SNP: DNA长度相同，仅一个碱基不同；
链分离凝胶-SSCP 用于单链分离,可以进行SNP的检测。 PAGE 原理： SNP: DNA长度相同，仅一个碱基不同； 加热后解链后电泳，迁移速度不同。

31 核酸测序凝胶 可以分离1bp的差异 用途：测序、AFLP、
为避免局部区域产生二级结构，可采用各种变性措施，如煮沸样品，提高电泳温度，凝胶中加入变性剂（尿素、甲醛、甲胺等）

32 4 通过凝胶电泳分离染色体 传统凝胶电泳中，电场是沿着凝胶长度走向定位的，DNA分子是沿着直线向正极迁移。不同大小的DNA分子在凝胶网状孔道中迁移的时候，迁移速率不同，从而被分离开。 只有一定大小范围内的分子能够通过这种方法分离，因为对于大分子来说，分子越大，迁移速率的差异越小。 实际操作中，普通的凝胶电泳不能有效地分离大于50kb的DNA分子。

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34 脉冲电场凝胶电泳（PFGE） 1984年，D.R.Cantor发明的，分离超大分子量的DNA分子。 在脉冲电泳中，电场方向是周期变化的，头一个脉冲电场方向与核酸的移动方向成45 ℃角，下一个脉冲的电场方向与核酸移动方向在另一侧成45 ℃角，由于加在琼脂糖凝胶电泳上的电场方向、电流大小、以及作用时间都在交替地变换着，这就使得DNA分子必须随时调整其泳动的方向，来适应凝胶孔隙的无规则变化。

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36 脉冲场凝胶电泳原理图 北 南 脉冲场电泳 常规电泳 两组电极，排列不均匀; 一组电极，电场方向不变，电极排列均匀，
脉冲场电泳 常规电泳 两组电极，排列不均匀; 一组电极，电场方向不变，电极排列均匀， 定时改变电场方向，DNA分子的净 DNA移动方向与电场方向相同。整个电泳 移动方向与两电场呈45o，在电泳过 过程保持电压稳定。常规方法制备DNA 程中，电压有时可随时间的增加而样 品增加， 制备DNA样品与常规方法 不同

37 脉冲场凝胶电泳PFGE工作假说 1)    DNA松弛时间：大分子DNA改变形状和重新定向所需的时间。这个时间与DNA分子量呈正相关（Tr） 2)    DNA移动时间：DNA分子向前移动的时间（Tm） 3)    电场脉冲时间：其电场方向所持续的时间（Tp）

38 与分子量小的DNA分子相比，分子量大的DNA分子需要较多的次数来更换其构型和方位，使之能够按新的方向游动，所以迁移率就慢，从而达到了分离大分子量DNA分子的目的。

39 可以分离几千kb的DNA分子。这个长度范围包含许多真核生物染色体分子，包括酵母、许多重要的丝状真菌和原生动物，如疟疾新生虫。因此，能够得到这些生物体染色体的凝胶图谱。

40 PFGE can resolve large DNA fragments

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42 染色体DNA电泳的用途 4. 疾病的诊断 1. 测定染色体数目：特别适合于低等真核生物
1）酵母细胞经X-射线照射，染色体发生断裂，可得弥散型。 但让其修复后，又可形成带，但有的发生了重排，导致 带型变化 2）非洲锥虫：变异表面糖蛋白基因的表达 4.  疾病的诊断 引起某种皮肤病的原生动物Leishmania, 具有其特征性的染色体。PFG便可用于诊断。

43 5 RNA凝胶电泳 方法：不同的RNA电泳方法是依据使RNA分子变性所采取的方法。这些方法不仅要使RNA分子在点样时是一级结构，而且在整个电泳过程中也保持一级结构。 1.  乙二醛/二甲基亚砜法 原理：乙二醛可以与核酸、核苷酸及碱基发生反应，特别是鸟苷形成一个稳定的附加环，从而阻止GC碱基的互补作用发生。 步骤：RNA+10mM羟甲基醛和50% DMSO混合 50℃、1 h变性 点样 电泳 染色 观察

44 2. 羟甲基汞法 原理：羟甲基汞可与RNA分子的嘌呤或嘧啶碱基发生反应，反应部位是在可形成氢键的亚氨基处。 步骤：RNA+10mM羟甲基醛，点样在含4mM羟甲基醛的琼脂糖凝胶上，电泳，染色观察

45 3. 甲醛法 步骤：RNA+2.2M甲醛+50%甲胺，点样在含2.2M甲醛琼脂糖凝胶上，MOPS缓冲液电泳，染色观察
3.  甲醛法 步骤：RNA+2.2M甲醛+50%甲胺，点样在含2.2M甲醛琼脂糖凝胶上，MOPS缓冲液电泳，染色观察 其它变性剂，如尿素、甲胺等也可用于RNA电泳. 4.  三种方法的比较 第一种方法安全，但由于反应是不可逆的，由此回收的RNA样品用于体外翻译效果不好。第二、三种方法的反应可逆，回收RNA样品可用于体外翻译反应，但操作必须小心，因两种变性剂有毒。

46 6 蛋白质电泳 方法：变性与非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，前者常称之为SDS-PAGE。差别：有无变性剂
用途：非变性凝胶可用于蛋白质的分离纯化过程中，可直接用于酶促反应（颜色变化） SDS-PAGE可用于蛋白质分子量、亚基组成的测定。mRNA翻译产物，基因表达产物测定等。

47 7 电泳片段的分离与回收 用于DNA、RNA以及蛋白质的回收 方法 1) 电洗脱法: 利用电泳方法将凝胶中的特定核酸分子洗脱到其它介质中；
1) 电洗脱法: 利用电泳方法将凝胶中的特定核酸分子洗脱到其它介质中； 2) 滤纸法 —核酸凝胶染色，长波紫外光确定位置，在分离带前方切一口子并插入滤纸条(其背面覆盖透析袋膜)，电泳至DNA带全部进入滤纸条，洗脱DNA，纯化、沉淀

48 3) 透析袋法—切下含DNA带琼脂块，放入透析袋，封口，放入电泳槽，电泳2-3小时至全部DNA离开凝胶块，反向电泳1分钟，取出DNA液，纯化、沉淀。
4) 冻融法

49 回收DNA方法 待回收DNA 切口 DNA 切口 凝胶块 滤纸法 透析袋 待回收DNA 透析袋法 V-型槽 电洗脱槽法

50 影响回收率的因素 1）DNA分子大小—回收率与分子量大小呈负相关； 2）乙醇沉淀—其中温度、时间和DNA浓度（回收时体积）均与回收率有关； 3）离心时间—时间越长，效果越好，对低浓度DNA尤其明显。