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1、电子克隆技术及其在植物基因工程中的应用王冬冬朱延明李勇李杰柏锡（东北农业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨150030） 摘要：电子克隆是随着基因组计划和EST计划的实施而发展起来的,是利用生物信息学手段进行基因克隆的新方法。它具有投入低、速度快、技术要求低和针对性强等优点。因此,电子克隆技术必将成为植物基因工程中获得新基因的重要手段。阐述了电子克隆应用所依据的数据库与生物信息资源,介绍了利用电子克隆获得功能基因的方法,及其在植物基因工程中的应用现状与前景。 关键词：电子克隆;植物基因工程;表达序列标签EST;生物信息学电子克隆(insilicocloning)是近年来
2、伴随着基因组计划和EST计划发展起来的基因克隆新方法。电子克隆的技术原理是利用日益发展的生物信息学技术,借助电子计算机的巨大运算能力,通过EST或基因组的序列组装和拼接,利用RT-PCR的方法快速地获得新基因。国际上Boguski等学者在1994年开始利用电子克隆方法发现新基因,中国科学院生物物理研究所陈润生研究组在1996也开始了对电子克隆的研究[1]。电子克隆技术应用的前提条件要具备拟研物种的丰富核酸序列信息,其他物种的相关基因的信息,以及强大的计算机硬件和相关生物信息学分析软件。基因组和EST资料的丰富程度决定了电子克隆得以在人类、小鼠等生物中广泛应用。由于受
3、到序列资料的限制,植物基因的电子克隆还鲜有报道。但随着植物基因组计划和功能基因组学的发展,电子克隆在植物基因工程研究中必将发挥出巨大的功用。1电子克隆技术及其依托的生物信息学资源1.1电子克隆的基本原理利用电子克隆方法获得新基因是生物信息学的研究内容之一。生物信息学资源是由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成。而电子克隆的应用即是基于这三部分生物信息学资源而展开的。它是利用计算机技术,依托现有的网络资源(EST数据库、核苷酸数据库、蛋白质数据库、基因组数据库等),采用生物信息学方法(包括同源性检索、聚类、序列拼装等),通过EST或基因组的序列组装和拼接,利用RT
4、-PCR快速地获得部分乃至全长cDNA序列的方法。1.2电子克隆的实施方案首先,在数据库或PubMed中获得感兴趣的cDNA或氨基酸序列,基于EST和基因组信息两种数据资源,利用上述得到的已知基因序列实施电子克隆有以下两种方案。利用EST数据库信息资料:①利用序列同源性比较软件(如Blast软件)将种子序列对库检索;②从数据库中挑选出全部相关序列;③对所有序列进行片段整合分析(即Contig分析),形成延伸后的序列,称新生序列。随后,将此新生序列作为种子序列重复进行上述三步过程,直至新生序列不能被进一步延伸为止,通过完整性分析即获得了全长的新基因序列[2-3]。见图
5、1。利用基因组信息资料:把作为信息探针的氨基酸或核苷酸序列在NCBI网站中对特定物种各基因组数据库进行BLAST分析,从结果中筛选出感兴趣的外显子序列,并通过链接得到其所在的基因组序列,同时根据比对的结果对基因组序列可能造成的移码测序错误进行修正;把这些感兴趣的外显子序列按照其所在基因组上的位置依次进行直接连接,或者把基因组序列提交到GenScan和GeneFinder等网站进行预测,得到可能的新基因序列。有时各外显子分别处于较短的尚未组装的基因组序列中,也可按探针基因外显子顺序进行直接拼接;把可能的新基因序列基于核酸数据库做BLAST分析,检验其新颖性;把筛选后的
6、新基因序列提交到dbEST数据库做BLAST分析并延伸,同时也是进一步确认其真实存在的可信度,并进行组织表达定位,为克隆该基因提供组织来源信息。最后根据最终的序列设计引物,进行RT-PCR实验得到新基因[4]。见图2。 1.3电子克隆依据的网络分析程序和应用软件1.3.1序列的相似性检索分析程序一条序列对整个数据库进行相似性分析以发现其同源序列是电子克隆中的一个极其重要的方面。目前使用最广泛的程序是FASTA和BLAST。FASTA集中反映具有显著意义的序列对齐结果。在互联网上已有许多的在线FASTA查找服务,同时也可下载后离线使用,下载站点:ftp://ftp.v
7、ir.ginia.edu/pub/fasta/dos/。BLAST(BasicLocalAlignmentSearchTool,基本局部比对搜索工具)则采用了一种短片段匹配算法和一种有效的统计模型来找出目的序列和数据库之间的最佳局部对齐效果。目前在互联网上有许多在线的BLAST查找程序,专门用于查找各大数据库中与用户提交的序列同源的序列,如:NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/blast.html)和EMBL(http://www.ebi.ac.uk/blast2)和EBI的FASTA(http://www.ebi.ac
