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载体指南

必威生物精心编制的载体指南,不仅内容详尽,而且结构清晰,旨在为科研工作者提供一个便捷的参考工具。在载体指南中,我们详细介绍多种类型的载体,包括但不限于质粒载体、病毒载体、克隆载体、表达载体等。我们针对每一种载体都进行详尽的阐述,包括其特点、优势、限制、应用等关键信息。

必威生物的载体指南是一份宝贵的学习资料,它将为您在科研道路上提供有力的支持和帮助。我们期待与您携手共进,共同推动生物技术的发展和创新。


一、载体概述

载体

将目的基因(DNA片段)转入目标细胞、组织或生物体中以实现基因克隆、表达、编辑等一系列功能研究,该方法是生物领域最常用的一种研究方法。在基因工程领域,为避免目的基因DNA片段序列的降解同时保证功能有效性,在转入细胞、组织或生物体之前,需要先通过基因工程技术将目的基因构建在一类具有在宿主细胞内进行自主复制能力的DNA分子上,该类运输工具被称为载体(Vector)。其中,工程化的质粒是基因工程中最常用的载体。

质粒载体

质粒是生物细胞内固有的、能独立于寄主染色体而自主复制、并被稳定遗传的一类核酸分子,常见于原核细菌及真菌中。绝大多数的质粒是DNA型的,少部分为RNA型。天然DNA质粒大都具有共价、封闭、环状的分子结构,具有分子量大、拷贝数低、单一酶切位点少等特点。通过对天然质粒进行元件添加、优化等工程化改造,将其转换成基因工程中最常用的载体,也称为质粒载体。

功能特点:

  • 载装能力:具有外源基因插入位点,外源基因插入该位点后不会破坏质粒载体的功能。
  • 运输能力:将目标基因转入细胞。
  • 复制或整合能力:为目标基因提供复制能力或整合能力。
  • 具有扩增或表达能力:为目标基因的扩增或表达提供必要条件。
  • 具有筛选标记。
  • 具有不相容性:含有相同Ori的2个不同的质粒不能同时存在于1个细胞中。

基本组成元件:

  (1)复制起始点(Ori):一段富含AT和重复序列的特定序列,通过招募复制相关蛋白启动质粒复制。Ori决定了质粒在宿主中的拷贝数,高拷贝质粒(10-60个拷贝)被称为松弛型复制质粒;低拷贝质粒(1-3个拷贝)被称为严紧型复制质粒,通常适用于毒性基因及大片段基因的克隆。只有1个Ori,表示是原核的克隆或表达质粒;有2个Ori,则表示该质粒是穿梭质粒,即可在原核也可在真核中复制。注意:具有相同的ori的质粒具有不相容性,不可共转染。
  (2)抗性筛选基因(R):即抗生素抗性基因,方便后续通过抗生素筛选阳性克隆。一般克隆发载体只有1种抗性筛选标记,部分穿梭质粒具有2种抗性筛选标记。注意:原核生物和真核生物中的筛选基因不完全一致,原核生物中常见的有Ampr、Camr、Kanr、Tetr等;真核生物中常见的有Puro、G418、Hygr;原核和真核都可以的筛选基因有Zeocin、Blasticidin。
  (3)多克隆位点(MCS):即多个限制性内切酶酶切位点汇集序列区,其中的每个酶切位点在整个质粒载体中只有一个。MCS区是外源基因的插入位点,一般位于启动子与转录终止信号元件之间。不同载体,MCS所包含的限制性内切酶种类、数目不同。注意:插入基因序列过长会导致质粒载体转化效率变低。
  (4)启动子(P):通过与RNApol特异型结合,启动下游DNA转录的一段DNA序列,本身不被转录。启动子决定基因表达的细胞类型及表达量。根据在细胞中启动表达的形式不同,分为3类:组成型/广谱型启动子,组织/细胞基因特异性启动子,诱导表达启动子。
  (5)增强子(Enhancer):一种增强邻近基因转录过程的顺式作用元件,无方向性。
  (6)核糖体识别位点(RBS):位于mRNA的起始密码子(AUG)上游,核糖体可以识别、结合这段序列并向下寻找ATG以起始蛋白翻译。在原核生物中表达载体上的RBS为SD序列(位于AUG前面);在真核生物中,主要依赖于mRNA的5’端帽子结构,除此之外,IRES元件和2A多肽元件也可作为RBS以启动蛋白表达。
  (7)转录终止子(Terminator):位于待转录基因下游的3’端调控元件之后,主要为多聚腺苷酸化或聚(A)信号,具有终止转录功能。原核生物主要为polyA;真核生物如哺乳动物常见的终止子(SV40 polyA、hGH polyA、BGH polyA和rbGlob)包括促进聚腺苷酸化和终止的序列基序AAUAAA。

  (8)引物结合位点(PBS):一段短的单链DNA序列,可以与PCR扩增或测序的引物结合,主要用于质粒序列的人工检测。注意:该类位点可以根据应用进行灵活设计。


二、质粒载体分类

质粒载体将目的基因导入宿主细胞,进而实现基因功能表达,这些载体在分子生物学研究中发挥着至关重要的作用,是推动合成生物学、生物医药、基因治疗、靶点药物筛选及农业生物技术等领域发展的基础。根据质粒载体的多样化应用,其分类也是多样化的,主要有以下几种:

1、按照属性质粒载体可分为:病毒载体和非病毒载体。其中,病毒载体是一种利用病毒作为基因传递的载体,通常通过将外源基因插入或替换病毒基因组的方式,将所需的基因输送至目标细胞中。病毒载体具有高度传染性和特异性,能够在宿主细胞中高效地传递和表达外源基因。

病毒载体的应用:

  (1)基因治疗:利用病毒载体将治疗性基因导入到目标细胞中,用于治疗遗传性疾病、癌症等疾病。
  (2)基因编辑:利用病毒载体将基因编辑工具(如CRISPR/Cas9系统)输送至目标细胞中,实现基因组的精准编辑和修饰。
  (3)疫苗开发:利用病毒载体作为疫苗递送平台,输送目标抗原基因至免疫细胞中,诱导免疫反应,从而产生保护性免疫应答。
  (4)基因研究:在基因功能研究、蛋白质表达和药物筛选等领域,病毒载体用于将特定基因传递到细胞或动物模型中,研究其功能和作用机制。

病毒载体分类及比较如下:

载体类型 定义 特点 优势 限制
慢病毒(LV)载体 一种基于慢病毒(如人类免疫缺陷病毒HIV-1)的基因传递系统,去除了病毒的复制和致病基因,慢病毒载体保留了病毒将遗传物质整合到宿主细胞的基因组中特性。 1、整合能力:可将外源基因整合进宿主细胞的染色体DNA中。
2、宿主范围广:对分裂细胞和非分裂细胞都有感染能力。
3、可稳定性表达。
载荷容量较大:适用于携带较大基因片段或多个基因的转导。 潜在致癌风险:基因整合可能导致插入突变,增加致癌风险。
腺病毒载体 一种基于腺病毒(Adenovirus)的基因转移工具,腺病毒是一种无包膜的双链DNA病毒,能够在非分裂的细胞中高效地表达外源基因,不整合到宿主细胞基因组中,适合短期表达。 1、非整合能力。
2、感染范围广:能够感染包括分裂细胞和非分裂细胞在内的广泛宿主细胞。
3、瞬时表达。
1、高效感染:能够在短时间内感染大量细胞。
2、安全性高:腺病毒载体不整合到宿主细胞染色体中,无插入致突变性。
3、高滴度:腺病毒载体可产生高滴度的病毒液,有利于大规模制备和应用。
1、瞬时表达:外源基因表达持续时间较短,需要多次接种以达到治疗效果。
2、免疫反应风险:腺病毒具有较强的免疫原性,可能引发宿主细胞的免疫反应和炎症反应,影响治疗效果。
腺相关病毒(AAV)载体 一种基于腺相关病毒(Adeno-Associated Virus, AAV)的基因转移工具,AAV是一种小的、非包膜的单链DNA病毒,它与多种腺病毒有关,但与腺病毒不同,AAV本身不会引起疾病,因此在作为基因载体时具有很高的安全性。 1、小型单链DNA病毒:基因组DNA<5 kb,无包膜。
2、非致病性:AAV自然存在于人类中,但并不会导致任何已知的疾病。
1、安全性高:AAV不会破坏宿主细胞的基因组,不会引起明显的免疫反应或病理反应。
2、可长期表达:AAV可以在宿主细胞中长期表达外源基因。
3、靶向性:AAV有多种血清型,不同的AAV血清型可以靶向不同的细胞和组织。
1、载体容量有限:AAV的基因组较小,能够携带的外源基因序列长度有限,通常不超过4.5 kb。
2、免疫原性:虽然AAV的免疫原性较低,但在部分人群中仍可能引起免疫反应。
3、制备成本高:AAV的制备过程较为复杂,成本较高。
逆转录病毒载体 一种利用逆转录病毒作为递送系统的基因转移工具,逆转录病毒载体通常来源于能够将RNA逆转录成DNA的病毒,如人类免疫缺陷病毒(HIV)经过改造后的形式。 1、RNA病毒:逆转录病毒是一种单链RNA病毒,其基因组以RNA形式存在。
2、逆转录机制:逆转录病毒利用逆转录酶将其RNA基因组逆转录为DNA,并整合到宿主细胞基因组中。
1、稳定表达:由于整合到宿主基因组,逆转录病毒载体可以实现长期的基因表达。
2、较大基因载量:逆转录病毒能够携带较大的外源基因序列,通常可达8-10 kb。
3、感染效率高:逆转录病毒载体可以感染多种类型的细胞,包括一些难以转染的细胞类型。
4、技术成熟:逆转录病毒载体技术相对成熟,有多种载体和包装系统可供选择。
1、整合位点不确定性:逆转录病毒随机整合到宿主基因组中,可能引起插入突变,导致基因组不稳定性和潜在的致癌风险。
2、主要感染分裂细胞。
3、潜在的免疫反应:尽管逆转录病毒通常不会引起强烈的免疫反应,但在某些情况下仍可能引发宿主免疫系统的反应。


2、按照进入受体细胞的类型不同可分为原核载体、真核载体和穿梭载体(即可以存在于原核细胞,又可存在于真核细胞)。

3、按照Ori元件不同可分为高拷贝质粒和低拷贝质粒。

4、按照载体性质不同可分为融合型载体和非融合型载体。融合型载体能够将外源基因整合进宿主细胞的基因组实现外源基因在宿主细胞中的稳定表达,又称为稳定型表达载体;非融合型载体装载着目标基因以游离的形式存在于细胞中,使得目标基因在宿主细胞中的短暂表达,又称为瞬时表达载体。


瞬时表达载体与稳定性表达载体比较如下:

质粒类型 工作原理 导入细胞方法 特点 优势 限制 应用
瞬时表达载体 游离于细胞中,带动目标基因在短时间内快速表达并达到高峰,随后逐渐降低。 病毒包装、化学试剂、电穿孔等。 筛选标记基因是非必须元件;
表达快速、操作简单。
表达快速、操作简单、灵活、成本低 1、可能触发细胞防御机制,导致基因沉默;
2、高效表达可能会对细胞产生毒性;
3、表达非永久且不稳定。
快速分析基因的功能或蛋白活性。
稳定表达载体 将目标基因整合在宿主细胞基因组后使得目标基因持续且稳定性表达。 病毒包装、化学试剂、电穿孔等 筛选标记基因是必须元件;
持续稳定表达
长期稳定表达、表达水平可控、遗传稳定性、安全性高、可重复性好 1、转化效率低;
2、细胞筛选周期长、成本高;
3、转染/转化条件苛刻
在基因工程、细胞生物学及医学等领域应用广泛,如重组蛋白生产、基因功能研究、基因治疗药物开发等。

5、按照功能不同可分为克隆载体、表达载体、基因编辑载体、表达调控载体、体外转录载体及功能检测载体等。


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