探针制备与非同位素标记新方法
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一、概述
近年来核酸杂交技术在分子生物学、临床医学、细胞生物学、分子遗传学等学科领域中应用，得以飞速的发展。基因探针的制备技术及同位素、非同位素标记、检测技术则是基因诊断技术中的关键一环。而从70年代中期以来核酸探针杂交技术就已经在科研和临床中被广泛采用，成为一项直接检查病原体、癌基因和遗传病基因突变的重要手段，而采用的方法主要是用放射性同位素标记的探针来完成。80年代以后人们致力于非同位素标记技术的建立，其中应用最广泛的是生物素标记的核酸探针以及后来发展的以地高辛甙元为标志物，以抗体一酶系统显示的试剂盒。在生物素标记系列中，初期出现的是以Bio-11-dUTP替代TTP在缺口平移中掺入的标记法，随后又改进为随机引物掺入标记法，至1987年澳大利亚推出光敏生物素标记法之后，我们又进一步发展了长臂光敏生物素，使标记方法大为简化，不论双链或单DNA或RNA都可以标记。除临床医学外，应用的领域也越来越广泛。
二、核酸探针的制备
用探针进行基因诊断的关键首先是要取得探针。探针是一段有特定序列的，有一定长度（15个至近千个核苷酸）的核酸片段，也可以是完整基因，亦可以为其一部分；可以是天然序列，亦可以是人工合成序列，但必须加以标记。通过分子杂交来检查标本中的互补序列。
核酸序列可以是克隆的，也可以是合成的，这主要是取决于核酸探针是否能满足特异性要求。如果有特异、或当DNA序列未知而又必须首先进行克隆，以便绘制酶谱和顺序时，常常应用克隆探针。克隆探针一般较寡核苷酸探针的特异性强，复杂性高，较长的序列随机碰撞互补序列的机会较短序列的少，并可以获得较强的复杂信号。寡核苷酸探针技术是检测点突变的有效技术。使用该技术的前提条件是必须知道突变的确切位置，只要知道点突变的确切位置，即可人工合成对应于该位置在内的正常和突变的一对寡核苷酸（约20个脱氧核苷酸左右）经末端标记后作为探针。除以上方法外，用PCR扩增产物制备探针，通过电泳分离回收可以得到纯度较好的一定长度的探针。现常用的方法还有直接用提纯的质粒进行探针的标记，这种方法较为方便，获得标记探针较为容易。总之，不论用何种方法得到的探针必须是纯度越纯越好，这样的探针被标记后，才能获得高纯度、高特异性、高灵敏度的标记探针。
三、探针的标记及检测
用于杂交的基因探针必须先进行标记，最常用的是同位素标记和非同位素标记两大类。
使用放射性同位素标记的核酸探针，尤其是在用于常规临床诊断时，存在着有些放射性同位素半衰期较短，易环境污染，操作者个人安全，放射性同位素废物处理等问题。
由于这些限制，非放射性标记探针，在对生物特定核酸序列的定位及定量检测方面，得以迅速发展。
非放射击性标记探针具有令人瞩目的潜力，现以成为热门研究的一个课题（见表2）。
表2 核酸探针的标记
分 类 | 方 法 | 特 点 及 应 用 |
| 酶促标记 | 缺口平移 随机引物 末端加尾 末端标记 逆转录掺入 体外转录 PCR | 标记同位素 klenow DNA聚合酶，标记高比活性 单链DNA或RNA，常为α-32 P 寡核苷酸标记 T4激酶（5'）或TDT(3')端标记α-32 P 用于短探针的标记 cDNA探针的标记 RNA探针的标记 掺入标记-32 P或生物素 |
| 光促标记 | 光敏生物素 光敏地高辛 生物素补骨脂素 光DNP（2,4-二硝基苯） | 溴钨灯12V,100W 紫外灯(365nm) 日光灯(275W) |
| 化学修饰合成法 | 氨基(NH2 ) 硫基(SH) 5'-OH基 5'-磷酸基 化学合成 |
(一)非同位素标记
1 半抗原标记法
在核酸分子上用半抗原标记制备成免疫核酸探针，使之能用免疫学方法去检测。例如光激活的2，4-DNP作为标记试剂。它要求有一高度亲和的DNP抗体，由于检测中用抗体替代链霉亲合抗体检测，这些探针在原位杂交中的背景比生物素标记的探针要低。光敏DNP的缺点是由于应用抗体检测，检测时间较长。
2 直接标记法
将特定酶或蛋白质直接标记在DNA分子上，然后以酶促显色反应或特异性蛋白质染色何等检测系统，现多用碱性磷酸酶和辣根过氧化物酶。
还有以将蛋白质，如组蛋白直接标记到DNA分子上做探针，以印度墨水（India Ink）染色来检查杂交带。
3 生物素标记法
将生物素（Biotin）连接在核酸探针上，利用亲和素对生物素有极高亲和力的原理，分子杂交后用亲和素（Avidin）或链霉亲和素（Streptavidin）进行检测。酶一底物颜色反应检测：亲和素可以用酶（过氧化物酶、碱性磷酸酶等）、荧光素或高电子密度（铁蛋白，胶体金等）的标志物标记。生物素标记探针稳定，不失活，并能配用多种检测系统，简单方便。
使用生物素进行核酸标记方法很多，其各有特点，下面简单介绍几种。
(1) 酶学法
Richards(1983)使用T4 RNA连接酶，将生物素标记在RNA的3’端，Laeger等通过缺口翻译法，在酶作用下标上生物素.使用含有生物素基的UTP类似物，在酶促反应下，将生物素掺入DNA.此生物素标记的DNA探针，可与RNA或DNA进行原位杂交或在Southern印迹膜上进行杂交.近年来，寡核苷酸探针越来越引起人们的注意，展示了广阔的应用前景.寡核苷酸探针的主要优点是能区分单一核苷酸点突变顺序.能被用于分析发生单一碱基置换的基因.1984年Murasugi报道了一具23mer的寡核苷酸探针的酶促合成，这个探针的士’端具有一个含生物素基脱氧尿苷酸(Bio-dUTP).具体讲，Bio-dUTP通过E.Coli DNA聚合酶I进行引物延伸反应，标记到DNA 3’端，用这种方法，可以制备任何3’端带有一生物素基的探针.如能选择一个5’端有一个脱氧腺苷酸，而且与引物至少有3个互补碱基的模板，则可以使反应更加简单化.
酶学法标记虽然成功了，但存在着许多缺点.不同的核酸需要不同的标记方案及不同的酶.并且对于大量探针的制备则需大量价格昂贵的酶和底物.
(2) 化学法
用高碘酸盐氧化的化学途径，将生物素连接到RNA的3’端，或用戊二醛使生物素标记的组的蛋白H，与单链的核交联上，制成的探针(RNA-Biotin)可与含有编码该RNA基因顺序的单链DNA片段进行杂交，继之用适当方法进行检测.最近，生物素标记寡核苷酸探针已用化学方法合成，例如，柱上衍生法，MFOC-氨基接头5’-氨基寡核苷酸，可有以下几种标记和检测方法:5’-荧光素FTTC寡核苷酸非同位素测序，5’-生物素寡核苷酸磁性-AV单链片段反义核酸，长尾A-T标记寡核苷酸高灵敏度寡核苷酸探针，酶标寡核苷酸直接检测.
(3) 光化学法
用光化学法将DNA用生物不共价标记获得了成功.
a. 利用光敏生物素进行光化学法进行标记，与酶学法对生物素标记相比，具有快速、安全可靠、探针稳定主成本较低等优点，大量或少量均可制备。单链或双链核酸均可，DNA或RNA也均可。此外，标记的核酸易于纯化。由于被标记物标记后为红色，所以标记过程可被肉眼监测。由于后面专门设题介绍具体的光敏生物素标记、纯化及分子杂交技术，故不在此赘述。需指出，对于超大螺旋DNA（如质粒DNA）在标记过程中，应先超声剪切，然后再进行光标记效果会更好。
b. 地高辛属类固醇半抗原，仅存在于洋地黄类植物中，其抗体与其他任何固醇类似物如人体中的性激不比无交叉反应，它不像生物素标记的探针那样，由于体内多有内源性生物素的存在而易出现非特异性染色。长臂光敏地高辛标记试剂是近年来发展起来的用光化学法进行探针标记的新试剂。国外的试剂盒相当昂贵，我们自己合成了长臂光敏地高辛，并组装成试剂盒，初步用于原位杂交取得成功，具有特异性高、低背景的特点，比光生及BCIP、NBP两种底，显蓝紫色斑点。该试剂在探针的标记及检测应用面较广，而且操作简单。
c. 使用生物化的补骨质素（Psoralen）和M13载体。首先把与靶DNA顺序同源的序列克隆到M13载体局部形成双链，留下单链的杂交区域。双链已用含生物素基的补骨质素标记，具体做法是：通过紫外线照射，使补骨质素共价连到嘧啶基上形成生物素标记M13探针，杂交后可用逻霉亲合素与酶的复合物去检测。
d. 最近又见有人用溴脱氧尿苷标记的探针，其敏感性与生物素探针相同，但可避免某些组织中内源性生物素引起的假阳性问题，此外，还可与生物素探针一起使用，开展双杂交方法。
(二)检测方法
1 生物素检测
着重介绍非同位素标记法的生物素化探针杂交信号的检测方法。对于生物素标记核酸探针的检测有许多方法。一般使用生物素一亲合素（Biotin-Avidin）。如前所述，亲合素分子上有四个与生物素结合的位点，利用二者之间高特异性的亲合作用进行检测。由于亲合素（Avidin）是一种糖蛋白，分子量67kD，在蛋清大量存在，故可从蛋清中提取。它包括四个亚基，每个为128氨基酸残基构成的多肽链，在该链中的10，20，43和110位点上共有四个色氨酸。每一亚单位上的糖基为一个低聚糖，含有甘露糖和氨基葡萄糖，最独特之处是亲合素（Avidin）分子表面有四个疏水口袋（每一亚单位有一个），该处即为与四个生物素残基特异结合的位点。生物素与亲合素之间的结合是非共价键结合，一旦结合，很难分开，除非在很低的pH条件下。所有利用生物素一亲合素的检测方法不外乎有以下几个原则：
a 介于生物素与亲合素分子有异乎寻常强的亲合力，彼此间形成稳固的复合体；
b 通过简单的生化反应可把像酶或抗体及核酸等大分子连接在生物素上；
c 对亲合素可以标记上不同的标志，如酶、重金属或荧光素；
d 也可以把亲合素当作桥，两头连接上不同的生物素化分子，如酶、核酸或抗体。
然而亲合素（Avidin）有许多局限性：
a 由于它的等电点（PI）是10，所以在pH接近中性时，带强正电荷，因而可与核酸或磷脂类等阴电荷分子以一种非特异方式结合。如作核酸原位杂交时，可产生非特异染色；
b 由于亲合素是一种糖蛋白，可通过糖链部分与凝集素类生物分子起反应。这些非特异性反应妨碍了亲合素的广泛使用。为了克服上述缺点，采用了一些措施，如设法降低亲合素的高等电点（PI）。例如，并这种修饰后的亲合素仍含有糖链，难以降低背景染色。因此，有人索性放弃使用Avidin而改用抗生物素抗体与生物素发生连结反应。
从链霉菌（Streptomyces Avidini）中提取一个分子量为60kD的蛋白Streptavidin，可取代前面所讲的Avidin。它同样是有四个与生物素高亲和合结合位点而不含糖链，其等电点为6，与中性pH接近，在生理pH或轻度碱性pH下仅带微量电荷。因此Streptavidin比Avidin更有实用前景，特别在核酸杂交技术中，运用胶体金标记的Streptavidin可以使原位杂交技术深入到电镜水平。生物素类标记探针进行分子杂交时，为避免产生高本底，可在操作中进行一些改进仍可以达到低背景。如在杂交液中加入一定量的牛血清白蛋白、甘氨酸或硫酸葡聚糖欠盐等。另外，增加封闭时间（最好过夜）也会和到一定作用。
光敏地高辛标记核酸探针，操作方便、灵敏度高，已标记的探针在4℃贮存可达两年之久，方便随时应用。用光标记法将光敏Dig标记到探针上，制成光敏-Dig-核酸探针，再与固定在硝酸膜上的靶核酸进行靶DNA分子杂交，使之与抗Dig-碱性磷酸酶结合，最后可用不同的检测方式进行检测，发光检测和显色检测均可，灵敏度可达0.1-1pg.用光敏地高辛标记探针，可以避免组织中(尤其是原位杂交)内源性生物素引起的假阳性问题或使本底增高的麻烦.
2 半抗原检测
检测半抗原标记探针的方法，是先使探针与抗半原抗体(第一抗体)结合，再与酶连接特异抗抗体(二抗)结合.探针与两个抗体之间的反应时间一定要控制好，时间过长、过短均会影响信号的强弱.最后仍用显色法检测探针杂交的结果.
3 两步比色法检测
生物素标记探针，与检测系统的链亲合素和生物素碱磷酶两步结合法进行检测，这样可以减轻本底，但又增加了操作的难度.
4 化学发光检测
化学发光检测也是近年来发展起来的检测手段，它需要一定的发光增强剂，并配有各自的过氧化物酶系统。主要是生物素探针与固定在硝酸膜（或尼龙膜）上的DNA结合，生物素与亲合素，过氧化物酶（或碱磷酶）结合，再经过化学发光及增强作用，将光量放大后，在X片上发光自显影，将特异结合的DNA区带显示出来。化学发光检测敏感性高，但需要在暗室进行X光片曝光，并且操作要速度，时间要掌握适度，这样就增加了操作难度（见表3）。
表3 分子杂交的显示系统
|
标 记 物 |
杂交体的检测方法 |
|
同位不比或放射性分子 |
放射自显影式计数 |
四、核酸探针的应用
(一) 鉴定特异性目的基因及外源DNA的检测
在基因工程中，含有特异性目的基因的重组子，可通过核酸分子杂交进行鉴定。生物工程产品中残留的宿主细胞DNA是一种潜在的与工艺相关的杂质。各种产品中所含的残留DNA，取决于所用的突破主微生物（细菌或细胞）和生产该产品的回收工艺。例如：DNA或其降解片断，可以被阴离子交换剂（DEAE-Sepharose FF，Mono Q等）吸附，洗脱时混入到蛋白级分中。现虽还没有因使用含DNA的生物制品而影响人体健康的报道，但管理部门则要求生产者控制生物工程产品中的DNA含量，使之保持在低水平。我国卫生部制定了相应规定；美国药典、英国药典和世界卫生组织的文件均有相应的规程和方法；均要求每一剂量制品所含残留DNA的量不得大于100pg（10-12 g），但测定方法并无具体细节。国内有些单位已开展了此项工作。我们采用非同位素法，以长臂光敏生物素标记核酸探针，通过分子杂交检测残留DNA。方法的检测灵敏度为2pg，符合100pg/剂量的标准要求。
(二) 基因诊断方面的应用
以基因探针杂交和基因体外扩增两项技术为主干，以转印、电泳、限制性酶切乃至DNA测序、基因拼接等技术为辅助，使基因诊断逐步成长为一套有广泛用途的、高灵敏度（ag级）、高特异性（能查明一个核苷酸的差异）的医学生物学诊断手段，不同模式的基因诊断可以随需要而任意选用，例如：
(1) 斑点或条状杂交模式。适用于大批量标本的检测，如普查、献血员初筛等场合，每人每天的检测可以达到1000个标本以上，如果辅以半自动的样品处理、分子杂交仪等检测数则可增加数倍，对含多拷贝重复序列的疟原虫检测可达高灵敏度。
(2) 探针杂交模式将不可替代地用于原位杂交、菌落或细胞群落的转印杂交筛选，用于检测片段中的点突变（示并差杂交），用作探针来亲和（杂交）分离含互补序列的片段等。
(3) PCR-EB，PCR-SCB，套式二次PCR，套式一次PCR，则可用于需要不同灵敏度和特异性的检测。
基因诊断的应用范围正在不断扩大之中，在以下几个领域中具有实用价值：
(1) 遗传病的产前诊断。用胎儿羊膜细胞、羊水甚至母血可以检测胎儿的性别，这在与性染色体关联遗传病诊断中是必要的。对于高发的遗传病如地中海贫血、镰刀状贫血、凝血因子缺乏、DMD等已在临床应用多年，为优生优育作了贡献。对于有遗传倾向的疾病尤其是老年性疾病，如糖尿病、高血脂症，甚至部分肿瘤，均是当前研究的重点，近期内可有突破。
(2) 致病病原体的检测。这些外源入侵的基因，一旦阐明其部分核酸序列，就可以设计引物和探针，用PCR、RT-PCR或杂交方法来检测，其范围包括细菌、病毒、原虫及寄生虫、霉菌、立克次体、衣原体和支原体等一切微生物。基因诊断的特点是可以其基因中的保守区做通用检测，也可以选定差异较大的基因部位做分型检测；即可以做单一病原体的专用检测，也可以将有关的病毒、细胞中不同的品种做一次多元检测，而且检测的灵敏度和特异性都远高于当前的免疫学方法，所需时间已达到临床要求。这对于难以培养的病毒（如HBV）、细菌（如结核、厌氧菌）和原虫（如梅毒螺旋体）等来说尤为适用。
(3) 癌基因的检测和诊断。虽然对癌基因的研究大部分还属于基础阶段，但癌变是由基因变化所导致的这一基本事实已毋庸置疑。所以癌基因、抗癌基因及癌转移基因的研究，离开分子水平的诊断手段是无法进行的。临床上已可应用的例子有白血病残留细胞的定量（包括慢粒和急淋）；肺癌中p53及Rb等抗癌基因的失活；神经胶质瘤中N-mic基因的激活和表达。通过原位杂交观察特定癌基因及抗转移基因的植入和反义寡核苷酸对强表达癌基因的阴断均已成为近代基因治疗的着眼点。
(4) DNA指纹，个体识别，亲子关系鉴别及法医物证。这一为公、检、法部门所瞩目的课题已经在某些国家取得法律认可。肌红蛋白小卫星体基因、珠蛋白基因、ApoB基因等的多态性和重复次数的差异都被应用于鉴定，其灵敏度已达到一根头发、一个细胞、一个精子取得个体特征图谱，这一领域也已发展到骨髓或脏器移植配型乃至动物种系的研究等。
(5) 动、植物检疫。灵敏、特异、快速诊断检测方法是国进出口口岸的门卫。检查出入国门的人员、动植物（种畜、种籽）等是否携带烈性传染病（艾滋、动植物病毒等）病原体，食品、饮料等否带沙门氏菌等，均需要基因诊断手段将这些病菌拒之国门之外，基因诊断是提高我国综合国力的必要保证。
(6) 高科技生物医学领域中的应用。在转基因动植物中检查植入基因的存在。PCR技术尚可提高我国综合国力的必要保证。
随着基因诊断手段的日益完善，它的自动化已指日可待。届时它在临床应用中的地位也将发生明显改变，而将处于举足轻重的位置。
参考文献
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