一、概述
前面已經介紹了核酸分子單鏈之間有互補的堿基順序，通過堿基對之間非共價鍵（主要是氫鍵)的形成即出現(xiàn)穩(wěn)定的雙鏈區(qū)，這是核酸分子雜交的基礎。雜交分子的形成并不要求兩條單鏈的堿基順序完全互補，所以不同來源的核酸單鏈只要彼此之間有一定程度的互補順序（即某種程度的同源性)就可以形成雜交雙鏈。分子雜交可在DNA與DNA、RNA與RNA或RNA與DNA的二條單鏈之間進行。由于DNA一般都以雙鏈形式存在，因此在進行分子雜交時，應先將雙鏈DNA分子解聚成為單鏈，這一過程稱為變性，一般通過加熱或提高pH值來實現(xiàn)。使單鏈聚合雙鏈的過程稱為退火或復性。用分子雜交進行定性或定量分析的最有效方法是將一種核酸單鏈用同位素或非同位素標記成為探針，再與另一種核酸單鏈進行分子雜交。
核酸雜交技術基本上是Hall等1961年的工作開始的，探針與靶序列在溶液中雜交，通過平衡密度梯度離心分離雜交體。該法很慢、費力且不精確，但它開拓了核酸雜交技術的研究。Bolton等1962年設計了第一種簡單的固相雜交方法，稱為DNA-瓊脂技術。變性DNA固定在瓊脂中，DNA不能復性，但能與其它互補核酸序列雜交。典型的反應是用放射性標記的短DAN或RNA分子與膠中DNA雜交過夜，然后將膠置于柱中進行漂洗，去除游離探針，在高溫、低鹽條件下將結合的探針洗脫，洗脫液的放射性與結合的探針量呈正比。該法尤其適用于過量探針的飽和雜交實驗。60年代末，Britten等設計了另一種分析細胞基因組的方法。該法是研究液相中DNA的復性以比較不同來源核酸的復雜度，典型的方法是：從不同生物體（細菌、酵母、魚和哺乳動物等)內分離DNA，用水壓器剪切成長約450核苷酸（nt)的片段。剪切的DNA液（含0.12mol/L磷酸鹽緩沖液或0.18mol/l Na+)，經煮沸使dsDNA熱變性成ssDNA。然后冷至約60℃，在此溫度孵育過程中，測定溶液一定時間內的UV260nm的吸光度（減色效應)來監(jiān)測互補鏈的復性程度。通常該實驗可比較不同來源生物DNA的復性速率，并可建立序列復雜度與動力學復雜度間的關系。
60年代中期Nygaard 等的研究為應用標記DNA或RNA探針檢測固定在硝酸纖維素（NC)膜上的DNA序列奠定了基礎。如Brown等應用這一技術評估了爪蟾rRNA基因的拷貝數。RNA在代謝過程中被3H尿嘧啶標記，并在過量的情況下與膜上固定的基因組DNA雜交，繼而用RNase處理，消化非特異性結合的RNA。漂洗后計數以測定雜交探針的量。通過計算與已知量DNA雜交的RNA量即可評估rRNA基因數。由于當時缺乏特異探針，這種方法不能用于研究其它特異基因的表達，這些早期過量探針膜雜交試驗實際上是現(xiàn)代膜雜交實驗的基礎。
進入70年代早期，許多重要的發(fā)展促進了核酸雜交技術的進展。例如，對特異基因轉錄產物的分析和對動力學雜交實驗又有興趣。固相化的Poly U –Sepharose和寡（dT)-纖維素使人們能從總RNA中分離Poly A+ RNA。用mRNA的經純化技術可從網織紅細胞總RNA中制備α-和β-珠蛋白mRNA混合物。這些珠蛋白mRNA首次被用于合成特異的探針以分析珠蛋白基因的表達。由于制備cDNA探針很繁瑣，所獲得cDNA的長度和純度也不穩(wěn)定。所以尋求新的探針來源是使分子雜交技術進一步推廣的基礎。
70年代末期到80年代早期，分子生物學技術有了突破性進展，限制性內切酶的發(fā)展和應用使分子克隆成為可能。各種載體系統(tǒng)的誕生，尤其是質粒和噬菌體DAN載體的構建，使特異性DNA探針的來源變得十分豐富。人們可以從基因組DNA文庫和cDNA文庫中獲得特定基因克隆，只需培養(yǎng)細菌，便可提取大量的探針DNA。迄今為止，已克隆和定性了許多特異DNA探針。
由于固相化學技術和核酸自動合成儀的誕生，現(xiàn)在可常規(guī)制備18～100個堿基的寡核苷酸探針。應用限制酶和Southern印跡技術，用數微克DNA就可分析特異基因。特異DNA或RNA序列的量和大小均可用Southern印跡和Northern印跡來測定，與以前的技術相比，大大提高了雜交水平和可信度。
盡管取得了上述重大進展，但分子雜交技術在臨床實用中仍存在不少問題，必須提高檢測單拷貝基因的敏感性，用非放射性物質代替放射性同位素標記探針以及簡化實驗操作和縮短雜交時間，這樣，就需要在以下三方面著手研究：第一，完善非放射性標記探針；第二，靶序列和探針的擴增以及信號的放大；第三，發(fā)展簡單的雜交方式，只有這樣，才能使DNA探針實驗做到簡便、快速、低廉和安全。
二、探針-靶反應
從化學和生物學意義上理解，探針是一種分子，它帶有供反應后檢測的合適標記物，并僅與特異靶分子反應�？乖�-抗體、外源凝集素-碳水化合物、親和素-生物素、受體-配基（ligand)以及互補核酸間的雜交均屬于探針-靶分子反應。蛋白質探針（如抗體)與特異靶分子是通過混合力（疏水、離子和氫鍵)的作用在少數特異位點上的結合，而核酸探針與互補鏈的反應則是根據雜交體的長短不同，通過氫鍵在幾十、幾百甚至上千個位點上的結合。因為有機溶液可降低雜交體的穩(wěn)定性，所以，疏水反應對互補核酸鏈的結合也有一定的作用，但對其特異性影響甚微。
核苷酸經某一原子、功能基團或長側鏈修飾后仍可能進行堿基配對，這取決于修飾的部位和修飾的性質。這一特性有助于理解非放射性核酸探針標記物的設計和125I與DNA探針的化學結合。能與核酸結合的單一原子有銀、溴和碘等，這些元素可與嘧啶（胸腺嘧啶除外)環(huán)的C-5位或嘌呤環(huán)的C-8位反應而不影響氫鍵的形成。溴亦可與胸腺嘧啶的C-6位結合。而胞嘧啶的C-4和腺嘌呤的N-6就不能被修飾，否則會影響堿基配對，盡管C的N-4位和A的N-6位參與了氫鍵形成，但它們也是標記位點。這是因為標記的探針每1kb只摻入10～30個修飾堿基，即僅4%～12%的單個堿基被修飾的類似物取代了。盡管摻入位點處的堿基配對較弱或不存在，但對整個雜交分子的穩(wěn)定性影響很小。防止氫鍵破壞的一種方法就是修飾探針，即探針克隆入M13載體中，只修飾載體區(qū)而不修飾插入片段。當用放射性同位素32P和35S標記核酸時，由于同位素是摻入核酸骨架的磷酸二脂鍵中，因此堿基未發(fā)生任何修飾。在5’端的磷酸基團上可進行化學修飾，這是標記寡核苷酸探針的有效方法。因為這種方法是在一個探針分子上標記一個檢測的基團，所以，對長的克隆探針不適用。
此外，還可利用修飾的堿基來增加雜交的穩(wěn)定性和特異性。2-氫基腺嘌呤可替代寡核苷酸探針中的腺嘌呤通過形成3個氫鍵以增加雜交體的穩(wěn)定性。另外，在G-C豐富的RNA探針中，可用次黃嘌呤代替鳥嘌呤以獲得特異的雜交。因為次黃嘌呤和鳥嘌呤間只形成2個氫鍵，有效地降低了雜交體的Tm值，這樣，Tm值與雜交溫度更接近，雜交的嚴格性就增加了，因此，也就增加了特異性。
很顯然，結合位點的不同和可檢測基團與檢測系統(tǒng)的不同，可派生出很多核酸探針標記方法。這是由核酸的化學結構和性質所決定的。只有在對核酸分子的探針-靶反應的化學本質有了深入了解之后，才能更好地理解后面的章 節(jié) 內容。
