載體是攜帶目的基因進(jìn)入宿主細(xì)胞的運載工具，是分子克隆技術(shù)不可或缺的重要組成部分，其中，質(zhì)粒是最常用的載體。面對日益繁多的質(zhì)粒，正確閱讀質(zhì)粒圖譜是進(jìn)行分子克隆的前提。本文將介紹如何閱讀質(zhì)粒圖譜。
一、質(zhì)粒的概念及分類
1.概念
質(zhì)粒是生物細(xì)胞內(nèi)固有的、能獨立于寄主染色體而自主復(fù)制、并被穩(wěn)定遺傳的一類核酸分子。質(zhì)粒常見于原核細(xì)菌和真菌中，絕大多數(shù)的質(zhì)粒是DNA型的，少部分為RNA型。天然DNA質(zhì)粒大都具有共價、封閉、環(huán)狀的分子結(jié)構(gòu)，其分子量范圍為1-300 kb。
天然存在的野生型質(zhì)粒由于分子量大、拷貝數(shù)低、單一酶切位點少、遺傳標(biāo)記不理想等缺陷，不能滿足基因工程載體的要求，因此往往需要以多種野生型質(zhì)粒為基礎(chǔ)進(jìn)行人工構(gòu)建，所以目前使用的質(zhì)粒多為人工改造的質(zhì)粒。
理想的質(zhì)粒應(yīng)滿足以下條件：
①復(fù)制能力：具有獨立的復(fù)制能力，在細(xì)胞中能大量繁殖，從而使目的基因大量擴增；
②表達(dá)能力：作為表達(dá)載體應(yīng)能利用宿主的酶系統(tǒng)，表達(dá)目的基因；
③穩(wěn)定性高：細(xì)胞內(nèi)能持續(xù)復(fù)制和表達(dá)；
④酶切位點：具有適當(dāng)?shù)南拗菩院怂醿?nèi)切酶識別和切割位點，即外源基因插入部位；
⑤遺傳標(biāo)記：便于重組體的篩選和鑒定；
⑥分子量?。阂匀菁{較大的外源基因。
2.分類
（1）按功能分類:克隆載體、表達(dá)載體
克隆載體（cloning vector）：具有克隆載體的基本元件（復(fù)制起始位點,抗性基因,多克隆位點等)，可以攜帶DNA片段或外源基因進(jìn)入受體細(xì)胞并克隆和擴增DNA片段或基因的載體。
表達(dá)載體（expression vector）：除了具有克隆載體的基本元件外，還有可以表達(dá)調(diào)控目的基因的元件，即轉(zhuǎn)錄翻譯所必需的DNA序列。
（2）按受體細(xì)胞的類型分類：原核載體、真核載體和穿梭載體
原核載體（prokaryotic vector）：能在原核細(xì)胞中復(fù)制和表達(dá)的載體真核載體（eukaryotic vector）：能在真核細(xì)胞中復(fù)制和表達(dá)的載體
穿梭載體（shuttle vector）也叫轉(zhuǎn)移載體（transfer vector），指在兩種宿主生物體內(nèi)復(fù)制的載體分子，因而可以運載目的基因（穿梭往返兩種生物之間）。穿梭質(zhì)粒含原核和真核生物2個復(fù)制子，以確保能夠在原核和真核兩種宿主細(xì)胞中復(fù)制與擴增，并可以在真核細(xì)胞中有效表達(dá)。
二、質(zhì)粒的基本元件
1.復(fù)制起點（Origin of replication，ori）
DNA復(fù)制起始位點ori負(fù)責(zé)控制質(zhì)粒復(fù)制的起始，原核生物DNA分子中只有一個復(fù)制起始位點；而真核生物DNA分子有多個復(fù)制起始位點。若質(zhì)粒圖譜上只有一個ori，表示質(zhì)粒是原核克隆及表達(dá)質(zhì)粒；而圖譜上有兩個ori，則表示該質(zhì)粒是穿梭質(zhì)粒，既可以在原核也可以在真核中復(fù)制。
2.啟動子（promoter, P）
與RNA聚合酶特異性結(jié)合，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列。含有RNA 聚合酶特異性結(jié)合和轉(zhuǎn)錄起始所需的保守序列。
真核細(xì)胞含有三類RNA聚合酶，因此真核啟動子還分為I、II、III類啟動。常見表達(dá)或者過表達(dá)都是II類啟動子，而III類啟動子如U6、H1，啟動小片段如miRNA、shRNA、sgRNA等，其用于構(gòu)建shRNA和sgRNA載體進(jìn)行敲低或敲除操作。
Ⅱ型啟動子在使用特點上又可分為三大類：組成型啟動子（廣泛性啟動子）、組織特異性啟動子、誘導(dǎo)型啟動子。
此外，不同物種的表達(dá)體系具有不同的啟動子，啟動子啟動基因表達(dá)也有強弱之分，因此我們需要根據(jù)自己的需求選擇含有相應(yīng)啟動子的質(zhì)粒。關(guān)于啟動子的詳細(xì)介紹見往期推文。
3.增強子（enhancer）：增強目的基因轉(zhuǎn)錄
4.篩選標(biāo)記（selectable markers）
多為抗生素抗性基因，方便后續(xù)篩選陽性克隆。原核細(xì)胞篩選標(biāo)記常用的是氨芐青霉素/氨芐西林Amp、氯霉素Cam、卡那霉素Kan、四環(huán)素Tet等；真核細(xì)胞篩選標(biāo)記用的是嘌呤霉素Puro，新霉素neo/G418，潮霉素Hyg或Hygro等。質(zhì)粒圖譜中用抗生素縮寫+R表示，R代表resistance，如AmpR和PuroR等。
抗生素作用機制及用途見下表
5. 多克隆位點（multiple cloning sites，MCS）
外源 DNA的插入位點，通常位于啟動子的下游，具有多個核酸內(nèi)切酶的酶切位點，可通過酶切/連接方式將外源 DNA 插入到質(zhì)粒。質(zhì)粒圖譜中有些酶切位點右上角標(biāo)注了“*”，代表可能并不僅僅存在單一限制位點，所以一般不選用標(biāo)有星號的酶切位點。
6.轉(zhuǎn)錄終止信號（polyA signal）
轉(zhuǎn)錄到AAUAAA（AATAAA）之后，mRNA會接上polyA并轉(zhuǎn)錄終止。常見的轉(zhuǎn)錄終止信號位SV40 polyA，簡寫為SV40 pA
7. 熒光基因
可以用激光激發(fā)產(chǎn)生熒光的蛋白，一般會獨立表達(dá)或和目的基因融合表達(dá)的方式被設(shè)計在質(zhì)粒上，起到示蹤、陽性檢測、成像的作用。如RFP、mCherry、GFP和EGFP等。
8.蛋白標(biāo)簽
蛋白標(biāo)簽大多為較短的短肽，一般融合表達(dá)在目的基因的3’端或5'端，如flag、HA、myc和his等。有了標(biāo)簽，在缺乏針對目的蛋白的抗體時就可以很方便的對目的蛋白做檢測了
9.其他調(diào)控元件
WPRE：來自土撥鼠肝炎病毒的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)元件，放置在目的基因的上游，能加強目的基因的表達(dá)。
cPPT：來自HIV-1整合酶基因，增加慢病毒在宿主基因組的拷貝數(shù)，提高病毒滴度。
三、如何閱讀質(zhì)粒圖譜
以pLKO.1-Puro質(zhì)粒（常用于構(gòu)建shRNA載體）為例，對質(zhì)粒圖譜進(jìn)行解讀
1.首先看箭頭方向
質(zhì)粒圖譜上都會存在箭頭，箭頭方向可以代表轉(zhuǎn)錄方向如圖中U6、hPGK、AmpR等啟動子（白色箭頭）的方向，也可以代表復(fù)制方向，即 ori（黃色箭頭）的箭頭方向。設(shè)計引物及插入目的基因的方向是根據(jù)轉(zhuǎn)錄方向（啟動子方向）來定的。由于質(zhì)粒是環(huán)狀雙鏈DNA，箭頭可有順時針和逆時針方向，代表兩條DNA鏈，它的啟動子在其中一條鏈上，而它的某些基因在另一條鏈上。
2.看ori鑒別質(zhì)粒類型
前文提到，若質(zhì)粒圖譜上只有一個ori，表示質(zhì)粒是原核克隆及表達(dá)質(zhì)粒；而圖譜上有3個ori，則表示該質(zhì)粒是穿梭質(zhì)粒。因此該質(zhì)粒為穿梭質(zhì)粒。
3.看啟動子確定質(zhì)粒的作用
該質(zhì)粒圖譜中有7個啟動子（白色箭頭），U6啟動子可用于構(gòu)建shRNA和sgRNA載體；hPGK和AmpR啟動子啟動Puro和Amp抗性基因的表達(dá)，可用于篩選陽性克隆。T3和T7啟動子分別是噬菌體T3和T7 RNA聚合酶的啟動子，lac啟動子是大腸桿菌乳糖操縱子的啟動子，RSV啟動子是rous肉瘤病毒增強子/啟動子。
4.看篩選標(biāo)記/抗性基因
圖中有AmpR（氨芐西林抗性基因）和PuroR（嘌呤霉素抗性基因），AmpR用于原核細(xì)胞如大腸桿菌篩選，PuroR用于真核細(xì)胞如腫瘤細(xì)胞的篩選。當(dāng)大腸桿菌和腫瘤細(xì)胞中不存在該質(zhì)粒時就無法表達(dá)抗性基因，因此應(yīng)用氨芐西林或嘌呤霉素可以篩選出陽性克隆。各抗生素作用機制與用途見前文。
5.看多克隆位點
該質(zhì)粒圖譜中圓圈外圍的黑體字母代表酶切位點，可用于插入外源基因。pLKO.1-Puro質(zhì)粒常用于構(gòu)建shRNA載體，插入的shRNA靶序列位于U6啟動子下游且緊鄰U6啟動子。針對該質(zhì)粒，我們常選用AgeI和EcoRI這兩個酶切位點引入外源shRNA靶序列。
6.看轉(zhuǎn)錄終止信號
質(zhì)粒圖譜中pA或者poly A代表轉(zhuǎn)錄終止信號。
7.熒光標(biāo)記
有的質(zhì)粒帶有熒光標(biāo)記，用于直觀判斷質(zhì)粒是否轉(zhuǎn)染成功。如下圖所示，與pLKO.1-Puro相比，pLKO.1-EGFP-Puro主要不同在于多了CMV啟動子/增強子和EGFP序列（箭頭表示），CMV啟動子啟動EGFP（增強的綠色熒光蛋白）的表達(dá)。其余部分與pLKO.1-Puro相差不大。
8.其他
回到pLKO.1-Puro質(zhì)粒，長末端重復(fù)序列（long terminal repeats，LTR）存在于反轉(zhuǎn)錄病毒基因組的兩端，即5’ LTR和3’LTR，不編碼蛋白質(zhì)，但含有啟動子，增強子等調(diào)控元件。
cPPT來自HIV-1整合酶基因，增加慢病毒在宿主基因組的拷貝數(shù)，提高病毒滴度。
M13 fwd和M13 rev是M13上下游通用引物，可用于后續(xù)測序。
CAP binding site（CAP結(jié)合位點）在cAMP存在時激活轉(zhuǎn)錄。
HIV-1Ψ是人類免疫缺陷病毒1型（HIV-1）的包裝信號。
RRE（Rev response element）允許Rev依賴的mRNA從細(xì)胞核輸出到細(xì)胞質(zhì)。
gp41 peptide介導(dǎo)HIV與CD4細(xì)胞融合，從而HIV進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。
想必通過上面的講解，大家對質(zhì)粒圖譜的閱讀應(yīng)該有大致的了解，那就找?guī)讖堎|(zhì)粒圖譜練習(xí)吧。可在addgene網(wǎng)站（https://www.addgene.org/）搜索想要的質(zhì)粒。如圖：
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G418 Sulfate (Geneticin) 遺傳霉素 |
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