基因診斷的原理

　　核酸分子雜交是基因診斷的最基本的方法之一。它的基本原理是：互補(bǔ)的DNA單鏈能夠在一定條件下結(jié)合成雙鏈，即能夠進(jìn)行雜交。這種結(jié)合是特異的，即嚴(yán)格按照堿基互補(bǔ)的原則進(jìn)行，它不僅能在DNA和DNA之間進(jìn)行，也能在DNA和RNA之間進(jìn)行。因此，當(dāng)用一段已知基因的核酸序列作出探針，與變性后的單鏈基因組DNA接觸時(shí)，如果兩者的堿基完全配對(duì)，它們即互補(bǔ)地結(jié)合成雙鏈，從而表明被測(cè)基因組DNA中含有已知的基因序列。由此可見(jiàn)，進(jìn)行基因檢測(cè)有兩個(gè)必要條件，一是必需的特異的DNA探針；二是必需的基因組DNA。當(dāng)兩者都變性呈單鏈狀態(tài)時(shí)，就能進(jìn)行分子雜交。

　　一、基因探針

　　基因探針（probe)就是一段與目的基因或DNA互補(bǔ)的特異核苷酸序列，它可以包括整個(gè)基因，也可以僅僅是/基因的一部分；可以是DNA本身，也可以是由之轉(zhuǎn)錄而來(lái)的RNA。

　　1．探針的來(lái)源 DNA探針根據(jù)其來(lái)源有3種：一種來(lái)自基因組中有關(guān)的基因本身，稱為基因組探針（genomic probe)；另一種是從相應(yīng)的基因轉(zhuǎn)錄獲得了mRNA，再通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄得到的探針，稱為cDNa 探針（cDNa probe)。與基因組探針不同的是，cDNA探針不含有內(nèi)含子序列。此外，還可在體外人工合成堿基數(shù)不多的與基因序列互補(bǔ)的DNA片段，稱為寡核苷酸探針。

　　2．探針的制備 進(jìn)行分子突變需要大量的探針拷貝，后者一般是通過(guò)分子克�。╩olecular cloning)獲得的�？寺∈侵赣脽o(wú)性繁殖方法獲得同一個(gè)體、細(xì)胞或分子的大量復(fù)制品。當(dāng)制備基因組DNA探針進(jìn)，應(yīng)先制備基因組文庫(kù)，即把基因組DNA打斷，或用限制性酶作不完全水解，得到許多大小不等的隨機(jī)片段，將這些片段體外重組到運(yùn)載體（噬菌體、質(zhì)粒等)中去，再將后者轉(zhuǎn)染適當(dāng)?shù)乃拗骷?xì)胞如大腸肝菌，這時(shí)在固體培養(yǎng)基上可以得到許多攜帶有不同DNA片段的克隆噬菌斑，通過(guò)原位雜交，從中可篩出含有目的基因片段的克隆，然后通過(guò)細(xì)胞擴(kuò)增，制備出大量的探針。

　　為了制備cDNA 探針，首先需分離純化相應(yīng)mRNA，這從含有大量mRNA的組織、細(xì)胞中比較容易做到，如從造血細(xì)胞中制備α或β珠蛋白mRNA。有了mRNA作模板后，在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，就可以合成與之互補(bǔ)的DNA(即cDNA)，cDNA與待測(cè)基因的編碼區(qū)有完全相同的堿基順序，但內(nèi)含子已在加工過(guò)程中切除。

　　寡核苷酸探針是人工合成的，與已知基因DNA互補(bǔ)的，長(zhǎng)度可從十幾到幾十個(gè)核苷酸的片段。如僅知蛋白質(zhì)的氨基酸順序量，也可以按氨基酸的密碼推導(dǎo)出核苷酸序列，并用化學(xué)方法合成。

　　3.探針的標(biāo)記 為了確定探針是否與相應(yīng)的基因組DNA雜交，有必要對(duì)探針加以標(biāo)記，以便在結(jié)合部位獲得可識(shí)別的信號(hào),通常采用放射性同位素32P標(biāo)記探針的某種核苷酸α磷酸基。但近年來(lái)已發(fā)展了一些用非同位素如生物素、地高辛配體等作為標(biāo)記物的方法。但都不及同位素敏感。非同位素標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn)是保存時(shí)間較長(zhǎng),而且避免了同位素的污染。最常用的探針標(biāo)記法是缺口平移法(nick translation)，其原理如圖13－1。首先用適當(dāng)濃度的DNA酶Ⅰ（DNAseⅠ)在探針DNA雙鏈上造成缺口，然后再借助于DNA聚合酶Ⅰ（DNa poly merasⅠ)的5’→3’的外切酶活性，切去帶有5’磷酸的核苷酸；同時(shí)又利用該酶的5’→3’聚酶活性，使32P標(biāo)記的互補(bǔ)核苷酸補(bǔ)入缺口，DNA聚合酶Ⅰ的這兩種活性的交替作用，使缺口不斷向3’的方向移動(dòng)，同時(shí)DNA鏈上的核苷酸不斷為32P標(biāo)記的核苷酸所取代。

圖13-1 缺口平移標(biāo)記法粗線示標(biāo)記部分

　　探針的標(biāo)記也可以采用隨機(jī)引物法，即向變性的探針溶液加入6個(gè)核苷酸的隨機(jī)DNA小片段，作為引物，當(dāng)后者與單鏈DNA互補(bǔ)結(jié)合后，按堿基互補(bǔ)原則不斷在其3’OH端添加同位素標(biāo)記的單核苷酸，這樣也可以獲得比放射性很高的DNA探針。

　　二、限制性核酸內(nèi)切酶

　　限制性核酸內(nèi)切酶（restriction endonuclease)，又簡(jiǎn)稱限制酶或內(nèi)切酶。它們是基因工程和基因診斷重要的一類工具酶。它們的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用為從基因組中分離目的基因提供了必要的手段.限制酶能特異地識(shí)別和切割特異的核苷酸序列，將雙鏈DNA切成較小的片段。酶切后目的基因可能完整地或部分地保存于某一DNA片段上，并被分離出來(lái)。

　　限制酶主要來(lái)源于原核生物，是一組能水解DNA磷酸二酯鍵的酶。迄今已發(fā)現(xiàn)的限制酶多達(dá)數(shù)百種，分為三類。在基因工程中使用的主要是第二類。限制酶根據(jù)其來(lái)源命名。例如，限制酶EcoRⅠ來(lái)源于大桿菌E.coli的RY13菌株,Ⅰ指在該菌株中分離的第一個(gè)限制酶。

　　下面是一些最常用的限制酶的來(lái)源及其識(shí)別順序(表13-1)

　　每種限制酶識(shí)別和切割的通常為4-6個(gè)核苷酸序列,稱為限制性位點(diǎn)(restriction sites)或切點(diǎn).限制酶切割雙鏈DNA的方式有兩種，產(chǎn)生的末端也有兩種：第一種是交錯(cuò)切割，即兩條鏈的切點(diǎn)不在同一水平而是相隔數(shù)個(gè)堿基，故斷口產(chǎn)生兩小段自身互補(bǔ)的單鏈，這種末端容易互補(bǔ)連接，稱為粘性末端（cohesive terminus)；第二種為平整切割，即兩　

表13-1 常用的限制酶的來(lái)源及其識(shí)別順序列

　　*被甲基化

　　條鏈在同一水平切開(kāi)，得到平齊末端（blunt terminus)(圖13－2)。由于具有相同粘性

圖13－2 限制酶的兩類切割方式

　　末端的DNA片段在DNA連接酶的作用下很容易共價(jià)連接，因此被廣泛地應(yīng)用于重組DNA操作中。具有相同平齊末端的DNA片段也可以連接，但連接效率只有粘性末端連接效率的1％。

　　限制酶的上述特性在基因工程和基因診斷中具有重要用途：①首先不論DNA的來(lái)源如何，用同一種內(nèi)切酶切割后產(chǎn)生的粘性末端很容易重新連接，因此很容易將人和細(xì)菌或人和質(zhì)粒任何兩個(gè)DNA片段連接在一起，即重新組合，這是重組DNA技術(shù)的基礎(chǔ)。②人類的基因組很大，不切割無(wú)法分析其中的基因。限制酶能把基因組在特異的部位切開(kāi)，即切割不是隨機(jī)的，因而從每個(gè)細(xì)胞的基因組得到的是相同的一組長(zhǎng)度各異的片段。這些可能含有某一基因的片段可用電泳分離，并加以研究。③由于限制酶的特異性，如果識(shí)別位點(diǎn)的堿基發(fā)生了改變，限制酶將不再能切割；同樣，堿基的改變也可能導(dǎo)致出現(xiàn)新的酸切位點(diǎn)。在人類基因組中，這兩種情況是十分常見(jiàn)的，而切點(diǎn)的消失或出現(xiàn)將影響獲得的DNA片段的長(zhǎng)度，表現(xiàn)為限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（RFLP)，這在基因的連鎖診斷中具有極重要的意義。

　　三、限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性

　　一個(gè)人的兩套單倍體DNA是不完全相同的，一般每100－500個(gè)堿基對(duì)就有一個(gè)是不相同的。換言之，如果把兩套基因組DNA（各3.2×109bp)排列起來(lái)，那么平均有1000萬(wàn)處不同，它們多位于內(nèi)含子序列中。實(shí)際上，除單卵雙生子外，人群中沒(méi)有兩個(gè)個(gè)體的基因組DNA是完全相同的。

　　DNA的多態(tài)性雖可通過(guò)DNA測(cè)序檢出，但用限制酶消化卻是最常用的檢測(cè)方法。

　　1．RFLP由于堿基的變異可能導(dǎo)致酶切點(diǎn)的消失或新的切點(diǎn)出現(xiàn)，從而引起不同個(gè)體在用同一限制酶切時(shí)，DNA片段長(zhǎng)度出現(xiàn)差異（圖13－3)，這種由于內(nèi)切酶切點(diǎn)變化所導(dǎo)致的DNA片段長(zhǎng)度的差異，稱為限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（restriction fragment length polymporphism, RFLP)。RFLP反映了常見(jiàn)的個(gè)體間DNA核苷酸的可遺傳性變異，它按照孟德?tīng)柗绞竭z傳。RFLP可用Southern印跡雜交法（見(jiàn)下節(jié))檢出。用Southern雜交檢出RFLP時(shí)，如探針跨越切點(diǎn)，則被切開(kāi)的兩個(gè)片段均可與探針雜交，從而顯示兩條雜交帶（圖13－4)。

圖13－3 RFLP示意圖箭頭酶切位點(diǎn)；

左圖：等位基因2由于出現(xiàn)新的切點(diǎn)，DNA片段縮至8kb;

右圖：DNA片段電泳后雜交圖

13－4 RFLP的檢出等位基因1因有額外切點(diǎn)而導(dǎo)致產(chǎn)生
兩個(gè)長(zhǎng)短不同的DNA片段（3kb及5kb)且均能與探針雜交

　　2．兩點(diǎn)RFLP

　�。�1)點(diǎn)多態(tài)（point polymorphism)：是由于單個(gè)或少數(shù)堿基的改變引起酶切點(diǎn)的出現(xiàn)或消失所致的RFLP。上述的RFLP即屬于這一類。它們屬經(jīng)典的RFLP。在人類基因組中已發(fā)現(xiàn)數(shù)以百計(jì)的此類多態(tài)位點(diǎn)。

　�。�2)數(shù)目變異的串連重復(fù)（variable number tandem repeats,VNTR)：上述經(jīng)典的單個(gè)堿基取代所致的RFLP一般只能檢測(cè)到一種雜合性的兩種形式，即“有”或“無(wú)”某個(gè)限制酶切位點(diǎn)，而且每個(gè)位點(diǎn)在人群中的雜合子頻率通常不會(huì)超過(guò)50％，當(dāng)被測(cè)個(gè)體為純合狀態(tài)時(shí)，利用RFLP就無(wú)法得到所需要的多態(tài)信息。此外，在整個(gè)基因組中，這類RFLP目前發(fā)現(xiàn)的數(shù)量還有限，并分布不勻。

　　但是，在人類基因組中還存在一類DNA重復(fù)序列，稱為小衛(wèi)星DNA。它們分布十分廣泛，每一個(gè)單位通常只有16-28bp長(zhǎng)，但其重復(fù)次數(shù)在人群中是高度變異的。當(dāng)用限制酶切割VNTR區(qū)時(shí)，只要酶切點(diǎn)不在重復(fù)區(qū)內(nèi)，就可能得到各種長(zhǎng)度不同的片段（圖13－5)

　　與小衛(wèi)星DNA不同，另一類重復(fù)序列是衛(wèi)星DNA。它們的基本序列有1－6bp，如（TA)n、(CGG)n等，通常重復(fù)10－60次并呈高度的多態(tài)性。

圖13－5 VNTR導(dǎo)致的RFLP重復(fù)次數(shù)的變異致酶切位點(diǎn)的移動(dòng)和DNA片段長(zhǎng)度的變異

　　VNTR具有高度的變異性，同時(shí)也是按照孟德?tīng)柗绞竭z傳的，因此是很好的遺傳標(biāo)記，由于它們類型眾多和在基因組中分布廣泛，因而在基因連鎖診斷中應(yīng)用日益廣泛。