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第九章
基因诊断
基因诊断是通过检测基因的存在状态或缺陷对疾病作出诊断的方法。
基因诊断的主要技术:
1
、核酸分子杂交
2
、聚合酶链反应(
PCR
)
3
、基因芯片技术
第一节
核酸分子杂交技术
核酸杂交(
Nucleic
acid
hybridization
)是指具有一定同源性的两条单链核酸
在一定条件下,按碱基互补的原则重新配对形成双链的过程。
一、核酸杂交的基本原理
DNA
的变性和复性
:
在一定的条件(如适当的温度、有机溶剂存在等)下,
DNA
的双链可解开
成为单链 ,这一过程称为
DNA
的变性(
Denaturatioin
)
。高 温、低盐和有机溶剂
促进
DNA
变性。
Tm
值是反映DNA
的热稳定性的一个参数,称为
DNA
的熔化温度,系指一
半的双链
DNA
解离成为单链时的温度。
DNA
的热稳定性或
Tm
值直接与其碱基组成特别是
GC
碱基对含量有关,
GC
碱基对含量越 高,
Tm
值也越高。
DNA
的杂交即复性
(
Re naturation
)
是变性的单链
DNA
在一定的条件下
(低< br>于
Tm
的温度下)与其互补序列退火形成双链的过程,因此杂交与
Tm
值相关。
影响杂交的主要因素
:
温度:一般在低于
Tm
约
15
至25度的温度下杂交速率最快。
盐浓度:
钠离子 增加杂交分子的稳定性,
降低钠离子浓度强烈地影响
Tm
值
和复性速率。但当 钠离子浓度超过
0.4M
时,对复性速度和
Tm
值影响不大。
甲酰胺:有机溶剂如甲酰胺能减少双链核酸的稳定性。每增加
1%
的甲酰胺,
DN A/DNA
或
DNA/RNA
双链的
Tm
值减少
0.72< br>℃。常用
50%
甲酰胺
硫酸葡聚糖:使杂交速率增加,但有时可能增加杂交本底。
二、核酸探针的选择和标记
核酸探针是指能与待检测的靶核酸序列互补杂交的某种已 知核酸片段,
它必
须具有高度的特异性,并且带有某种适当的标记以便被检测。
(一)核酸探针的类型
1
、克隆的
DNA
片段,常用
cDNA
探针。
2
、
RNA
探针(
Riboprobe
)
RNA
探针的优点是特异性高;
杂交效率
(
灵敏度
)
更高。
适合于
Northen
杂交、
原位杂交等。主要缺点是不 稳定,易被降解,另外其制备较困难。
3
、寡核苷酸探针
可用化学方法人工合成,制备较方便,但灵敏度稍差。
4
、聚合酶链反应扩增产物
是很好的探针来源,其优点是制备和标记相对容易。
(二)核酸标记的类型
放射性同位素
目前应用最广,优点是灵敏度高,特别适用于单拷贝基因或
低丰度
mRNA
检测,缺点是易造成放射性污染以及半衰期短,使用不便。
核酸探针标记常用的同位素有以下几种:
1、
32< br>P
:其放射性强,自显影时间短,灵敏度较高,缺点是半衰期短(
14.3
天)
,放射线散射较严重,因此对分辩率有影响。
2、
35
S
:放射性较低,半衰期长(
87.1
天)
,灵敏度 较高;低散射,因此在
用X-光片自显影时分辩率高,特别适用于核酸序列分析和原位杂交等
实 验。
3、
33
P
:是一种较理想的同位素,它的放射 性较低,灵敏度高,分辩率好,
半衰期也较长
(25.4
天
)
,适用 范围较广。但价格偏高。
非同位素标记:常用地高辛或生物素系统。
优点:无放射性污染,较稳定;缺点:灵敏度、特异性稍差。
(三)核酸探针的标记
1
、随机引物法(
Random priming
)
随机引物是人工合成的含有各种可能的排列顺序的六核苷酸片段的 混合物,
因此可以与任何核酸片段杂交,并作为聚合酶反应的引物。
标记酶:大肠杆 菌
DNA
聚合酶Ⅰ的大片段-
klenow
片段。
特点:所得探针的放射性比活较高,适用于大多数杂交。
2
、缺刻平移法
(Nick translation0
标记酶 :大肠杆菌
DNase
Ⅰ(极微量)和
DNA
聚合酶Ⅰ。
用缺刻平移法制备的探针较短,较适合于原位杂交。
3
、
RNA
探针的制备和标记
RNA
探针可用
RNA
聚合酶体外转录法制备。该方法的合成效率高,所得产物
大小均一,有 较高的比活,特异适合于
Northern
杂交和原位杂交。
4
、聚合酶链反应标记
DNA
探针
利用
Taq DNA
聚合酶和标记的
dNTP,sk
以少量的起始模板合成高比活的
c
双链或单链
DNA
探针。
5
、寡核苷酸探针的标记
5’
-
端标记:
T4< br>多核苷酸激酶标记法,
一般用于制备
DNA
序列分析时用的
5’
-
标记的寡苷酸引物。
3’
-
端标记:末端转移酶法,
32
P-dNTP
或
ddNTP
。
6
、非同位素 核酸探针标记:地高辛或生物素标记的核酸探针的制备方法和同位
素探针相似。但是不能用多核苷酸激酶 标记法直接对
5’
-
端进行非同位素标记。
三、常用核酸杂交技术
滤膜杂交
固相杂交
核酸杂交
原位杂交
液相杂交
滤膜杂交是指先将待检测的核酸序 列结合到适当的固相支持物如尼龙膜上,
然后与存在于溶液中的已标记探针进行杂交的过程。
滤膜杂交的基本过程为:
1
、核酸探针的制备和标记;
2
、核酸片段的凝胶电泳分离;
3
、将凝胶中的核酸片段通过印迹 (
blot
)转移到某种固相支持物上;
4
、用标记的探针与被固定的靶核酸序列杂交(通过还包括预杂交)
;
5
、洗膜(除去未杂交的游离探针等)
;
6
、检测带标记的杂交分子(放射自显影或酶联反应)
。
(一)斑点/狭缝印迹
(
Dot/slot blot
)
杂交:DNA
或
RNA
样品经变性后直接点
样于尼龙膜上,然后进行杂交和检测 。其优点是简单、迅速,可同时做多
个样品;缺点是特异性不好,有一定比例的假阳性,此外,靶核酸的 分子
大小难于判断。
(二)
Southern
印迹:指将经过电泳 分离的
DNA
片断转移到一定的固相支持物
的过程。
Southern
印迹杂交的步骤如下:
1
、用限制性内切酶消化大分子
DNA;
2
、用琼脂糖凝胶电泳对
DNAa
片段按分子量大小分离;
3
、
将
DNA
片段在琼脂糖凝胶电泳中变性成单链后,
再转移到适 当的固相支
持物上并与之结合;
4、
探针与膜上的
5、
检测。
DNA
杂交;
Southern
印迹杂交主要用于基因组结构分析 、基因组
DNA
的定性和定量分
析以及利用限制性片段长度多态性进行基因突变分析等 。
(三)
Northern
印迹:
是指
RNA
经 变性凝胶电泳后,
将其转移到固相支持物上,
以便用杂交反应检测特定的
mRNA分子的含量与大小。是基因表达研究
分析的标准方法。
Nothern
印迹的基本过程包括:
1
、
RNA
的提取;
2
、
RNA
变性电泳;
3
、
RNA
转移和固定;
4
、杂交;
5
、检测。
除
RNA
的提取和变性胶电泳与
DN A
不同外,其余基本与
Southern
印迹相
同,关键是减少实验中的RNA
酶污染。
(四)核酸杂交在基因诊断中的应用
通过核 酸杂交技术,可以利用带有某种标记的已知核酸片段作为探针,去
检测未知核酸序列。因此,核酸杂交可 用于基因鉴定和基因突变分析等领域。
1
、限制性片段长度多态性(
RFLP
)分析
多态性(
polymorphism
)指基因组中特定基因座位(
DNA序列)存在两种或
两种以上状态(等位基因)
,并且其中任何一个等位基因在人群中的频率 不低于
1%
。
限制性片段长度多态性
(
RFLP
)
是由于
DNA
变异
(产生新的酶切位点或消
除原有的酶切位点)< br>导致在限制性核酸内切酶酶切时产生不同长度的片段。
可借
助
southern blotting
或
PCR
的方法进行检测
RFLP
分析与遗传病基因诊断。
人类染色体
VNTR
序列的
RFLP
分析图谱:
DNA fingerprinting
。
2
、等位基因特异性寡核苷酸(
ASO
)探针杂交
寡核苷 酸中的碱基错配会大大影响杂交分子的稳定性,
因此可用人工合成的
针对正常和突变等位基因的 特异性寡核苷酸探针进行杂交,检测点突变。
3
、基因表达分析
第二节
聚合酶链反应(
PCR
)技术
一、
PCR
的基本原理
(一)
PCR
的基本过程
PCR
是一种体外扩 增特异
DNA
片段的技术。它包括下列三个基本步骤:
常用
Northern blotting
或原位杂交分析。
1< br>、变性(
Denaturation
)
:待扩增的
DNA
模板 加热变性成单链;
2
、退火(
Annealing
)
:降 低温度,使单链靶序列与寡核苷酸引物退火;
3
、延伸(
Extensio n
)
:在适当条件下,利用
DNA
聚合酶使引物延伸,产生新的
双链 。上述变性、退火、延伸步骤的重复循环,导致特异的靶序列的指数扩增。
PCR
产 物是介于引物的
5’
端之间的双链
DNA
片段。
(二)
PCR
体系中的主要成份
1
、
Taq DNA
聚合酶
是一种耐热的
DNA
聚合酶,具有
5’< br>-3
’
DNA
聚合酶活性,
一般有
5’
-3
外切酶活性,有或无
3’
-
5’
外切酶活性(校对活性)
,无校对活 性的酶
在
PCR
中错掺率较高。
PCR
中
Taq
酶的用量一般为
0.5-2.5U
,
过多易造成非特异性扩增,过少可能
灵敏度不够。
2
、寡核苷酸引物
是决定
PCR
扩增特异性的关键。
设计
PCR
引物时的几条原则:
①
引物长度一般
15-30
碱基,过短则特异性低;
②
避免内部二级结构;
③
G/C
和
A/T
碱基均 匀分布,
G/C
含量在
45%-55%
之间;
④
两个引物(特别是
3’端)间不能发生互补,以免形成引物引物二聚体;
⑤
引物的
3’
-
端碱基一般应与模板严格配对,
并且
3’端为
G
、
C
或
T
时引发效
率较高 ;
⑥
引物的
5’
-
端可添加与模板无关的序列 (如限制性内切酶的识别位点、
ATG
起始密码子或启动子序列等)
PCR
中所用引物浓度一般在
0.1-0.5uM
太高的引物浓度易造成非特异性扩增,太低会降低合成效率。
3
、
MgCl2 Mg2+
浓度除影 响
Taq
酶活性外,还影响双链
DNA
的
Tm
值,因而影响
PCR
的特异性和扩增效率。
PCR
中的最适
MgCl2
浓度一般为
1.5-2.5mM(
注意游离
Mg2+
浓度 还与能结合
Mg2+
的化合物如
dNTP
、
EDTA
等的浓度有关。
4
、脱氧核苷三磷酸(
dNTP
)一般采 用均衡的
dNTP
浓度,
4
种
dNTP
各为
< br>200umol/L,dNTP
可减少游离
Mg2+
,因此影响聚合酶活性和引 物退火。
5
、模板
单、双链
DNA
,以及
RNA
经逆转录合成的
cDNA
。
PCR样品可以是粗制品,但不应含有核酸酶和蛋白酶及其它干扰
Taq
酶活性
的抑制剂
。
引物
/
模板的比率影响
PCR
的特异性。
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