丁香实验_LOGO
登录
提问
我要登录
|免费注册
点赞
收藏
wx-share
分享

微卫星DNA的研究进展

丁香园论坛

5017
微卫星DNA的研究进展
1   微卫星DNA的概况
1.1 微卫星DNA的构成和分布频率 微卫星DNA (microsatellite MS ),又称短串联重复序列(short tandem repeat STR),是一类广泛存在于原核、真核生物基因组的DNA串联重复序列[1]。STR核心序列(重复单位)2~6bp,多位于编码区附近,也可位于内含子、启动子、Alu序列中,其重复单位相同,以(CA)n、(GT)n、(CAG)n较常见,重复次数(n)多为15~60次,总长度一般在400bp以下[2~4]。每个特定位点的微卫星DNA均由两部分构成:中间的核心区和外围的侧翼区。人群中微卫星位点的等位基因差异,主要来自核心区重复单位的数目的变化,由此构成了STR的遗传多态性。人类基因组的微卫星DNA位点非常丰富,大约有20~50万个,平均每6~10kb就出现一个,其中约一半有多态性[4]。
1.2 微卫星DNA的形成机制及其功能 对于微卫星DNA产生的机制,目前较统一的观点:它是由于DNA复制过程中滑动,或DNA复制和修复时滑动链与互补链碱基错配,导致一个或几个重复单位的缺失和插入。微卫星DNA的功能尚未清楚,有人认为其充当基因重组的热点,是基因重排和变异的来源,参与基因调控。
2  微卫星DNA的应用
微卫星DNA以其数目多、分布广、突变率低、高度多态性、高信息含量、高杂合度和检测方便快捷广泛应用于基因作图、临床医学、法医学个人识别和亲子鉴定、人类学及群体遗传学、种属鉴定等。
2.1 微卫星DNA应用于遗传标记
人类对DNA多态性和DNA遗传标记的研究与应用起于二十世纪七十年代的中后期。1980年Wyman和White等首先报道了人类染色体14号上限制性片段长度的多态性(restriction fragment length polymorphism,RFLP)[5],1985年Jeffreys等首次将多位点探针荧光检测RFLP应用于亲子鉴定[6]。限制性片段长度多态性(RFLP)即为第一代DNA遗传标记,以此为基础的DNA指纹检测使法医物证鉴定实现质的飞跃,从之前的个体排除到高概率同一认定。然而以RFLP为遗传标记的DNA指纹检测耗时,一般需7~14天;耗材,原材料需存留大分子DNA(>50kb)至少1ug;人类基因组DNA分子极大,对任何限制性内切酶而言均存在众多识别切割点,故寻找合适的限制性内切酶位点一般比较困难。此外,单位点探针荧光检测RFLP多态性和个体识别概率并不高,多位点探针荧光检测灵敏度又太低。随着1986年PCR(聚合酶链反应)技术的出现[7],新的更适于微量和陈旧DNA检材检测的遗传标记也得到了广泛的研究与应用。VNTR(可变数量串联重复序列)是第一、第二代之间的过渡型遗传标记,由于大多数VNTR的核心序列较长,导致PCR反应时杂合子中长短等位基因片段扩增效率不一致,短片段优先扩增,将杂合子误认为纯合子而出现判型错误;此外VNTR的多态性也比后来发现的STR低。1989年,美国学者Litt和Luty等[8]运用PCR技术对人类心肌肌动蛋白基因的微卫星序列进行扩增,首次证实了微卫星DNA的存在,37个无关个体当中出现12个不同的等位基因片段,其重复单位为(CA)n,重复次数n=10-60。几乎同时美国人Weber和May[9]发现了微卫星DNA具有长度多态性,断言它将成为新一代的遗传标记。微卫星DNA结合PCR(STR-PCR)检测技术因STR等位基因片段短(<400bp)且相互之间差异小,适合于陈旧及降解材料的分析和多位点复合扩增;运用PCR技术可减少检材使用量(约1ng一次),提高灵敏度,加快检测速度。由此,微卫星DNA成为第二代DNA遗传标记的核心,STR-PCR也迅速成为目前应用最广泛、研究最深入的DNA分析技术。近年来出现的第三代DNA遗传标记——单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms,SNPs) 具有密度高(SNPs在人类基因组的平均密度为1/1000bp,总数大于300万[10])、稳定遗传等优点。尽管如此,目前SNPs的应用仍存在许多问题,如就单位点而言其提供的遗传信息量低于微卫星DNA。其次制作SNPs图理论上需要500个有代表性的个体,才能开发一套密度至少在10万左右的SNPs。所需工作量很大,而且容易产生错误信号。再者目前对SNPs的研究刚刚起步,对其多态性和周围DNA序列的关系了解甚少。加之检测仪器昂贵,故SNPs目前的应用十分有限。相比之下,目前研究最深入的微卫星DNA以其较高的多态性和稳定性、可多基因座复合扩增、检材使用少、检测效率高、检测迅速以及成熟的检测技术、低廉的检测费用等优点广泛应用于DNA检测的各个领域。
2.2 微卫星DNA应用于基因作图
美国于1990年正式启动人类基因组计划(HGP),计划于2005年以前完成人类基因组全部序列的测定。必须先对人类基因组作图,才能最终完成测序。基因作图包括遗传连锁图和物理图。遗传连锁图的绘制最初采用了180个RFLP基因座于1987年绘制了Donis-Kellertu图。多态性更高的微卫星DNA出现以后,迅速成为遗传作图的首选标记。1996年,Dic等[11]利用5264个MS制作了平均杂合度为70%、平均分辨率为1.6cM的遗传图。与此同时,MS也成为物理图上的标记,从而促进了遗传图和物理图的融合。
2.3 微卫星DNA应用于基因诊断
2.3.1 遗传病的基因诊断 遗传病的基因诊断,是采用DNA分析技术,对先证者和家系进行分析的方法,确定与疾病相关的基因或与致病基因紧密连锁的多态性标记,达到确诊患者的疾病、检出家系中突变基因的携带者的目的。微卫星DNA应用于基因诊断,一是微卫星DNA本身的重复序列的多态性作为遗传病的病因;二是其多态性作为遗传标记应用于基因连锁诊断和基因定位。
近年来发现如CCC、CTG和CAG这样的三核苷酸重复序列,当其拷贝数增高时可以引起如脆性综合征(Frax)、脊髓延髓肌肉萎缩(SBMA)、强直性肌营养不良(DM)、亨廷顿病(HD)、脊髓小脑共济失调I型(SCA-1)、FRAXE轻度智力低下和齿状核苍白球丘脑下部萎缩(DRPLA)等七种遗传病[12,13]。另外CAA串联重复序列与Friedreich共济失调有关。
绝大多数的微卫星DNA多态性并不引起遗传病,但可作为遗传标记应用于基因连锁诊断和基因定位。Harris和Tompson[14,15]分别应用AC2.5和SM7两个微卫星DNA成功地对成人多囊肾病(APKD)进行基因诊断;而Belen等[16]也在研究西班牙成人多囊肾病I型的实验中发现了与成人多囊肾病基因PKD1紧密连锁的微卫星DNA SM6,其重复单位具有高度多态性,同样适用于成人多囊肾病的基因连锁诊断。微卫星DNA D21S11位点定位于21q21,与先天愚型核心区紧密连锁,呈高度多态性,Pertl等[17]以此为遗传标记,应用PCR方法快速地进行先天愚型的基因连锁诊断。同年,Goltsov等[18]发现,苯丙酮尿症(PKU)的发病基因肝脏丙氨酸羟化酶 (PHA) 基因中,距外显子3约700bp处有微卫星DNA存在,通过家系分析作出了PKU的连锁诊断。近年来随着对PHA基因突变的研究愈加深入,对PKU的基因诊断也趋向于直接检测,但结合微卫星DNA连锁分析进行PKU产前诊断仍是一种高效、经济、简便和快速的诊断方法[19,20]。
2.3.2 肿瘤基因诊断 最近对肿瘤基因诊断的研究热点之一是微卫星DNA不稳定性(microsatellite instability,MI)。MI是肿瘤细胞特有的复制错误的遗传性改变,与肿瘤的发生密切相关。1993年Young等发现结直肠癌(colorectal carcinomas)癌细胞中抑癌基因的微卫星DNA发生正向复制错误(REP)而使其长度增加,从而使癌细胞存在微卫星DNA不稳定性[21]。随后,在胰腺癌、低分化胃癌[22]、子宫内膜癌[23]、膀胱癌[24]、遗传性非息肉样结直肠癌[25]和卵巢癌的癌细胞中也发现了MI的存在。
[1]Edwards A,Civitello A,Hammond HA etal.DNA typing and genetic mapping with trimeric and tetrameric tandem repeats [J].Am J Hum Genet,1991,49(4):746-756.
[2]Schlotterer C,TautzD.Slippage syntheise of simple sequence
DNA.Nucleic Acide Res,1992,20:211-215.
[3]Chen HM,Gordon BR, Senti M etal.genomics,1993,15:621-
625.
[4]Hochmeister MN.DNA technology in forensic application,in Molecular aspects of medicine.1st ed. Kidlington:Elservier science Ltd,1995,397.
[5]Wyman AR,Ray White.A highly polymorphism locus in human DNA[J].Proc Natl Acad Sci.USA,1980,77(11):6754~6
758.
[6]Jeffreys AJ,et al..Hypervariable minisatellite regions in
human DNA.Nature,1983,302:33.
[7]Mullis,etal.Specific enzymatic amplification of DNA in
vitro:the polymerase chain reaction.Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1986;51 Pt 1:263-73.
[8]Litt M,Luty JA,etal.A hypervariable microsatellite revealed
by in vitro amplification of a dinnucleotide repeat within the
cardiac muscle actine gene.Am Hum Genet.1989 Mar;44(3):
397-401.
[9]Weber JL,May PE etal.Abundant class of human DNA polymorphisms which can be typed using the polymerase chain reaction.Am J Hum Genet.1989 Mar;44(3):388-396.
[10]Collins FS,Guyer MS,Charkravarti A.Variation on a theme;
cataloging human DNA sequnce variation[J].Science,1997,
278:1580-1581.
[11]Dib C,Faure S,Fizames C,etal.A comprehensive genetic map
of the human genome based on 5,264microsatellite.Nature.
1996 Mar 14;380(6570):152-4.
[12]Vuillaume I,Vermersch P, Destee A,etal.J Neurol Neurosung
Psychiatry,1998,64(6):758-62.
[13]Baskaran S,Naseerullah MK,Man junatha KP,etal.Indian J
Med Res,1998,107:29-36.
[14]Harris PC, Thomas S.Rappid genetic analysis of famillies
with polycysic kidney disease I by means of a microsatellite
maker[J].Lancet,1991,338:1484-7.
[15]Thompson AD,Shen Y.Isolation and characterization of
(AC)n microsatellite genetic makers from human chromo-
some 16[J].Genomics,1992,13(2):402-8.
[16]Belen Peral,Christopher JW,Jose LSM,etal.evidence of link-
age disequillibrium in the Spanish polycysic kidney disease
population[J].Am J Hum Genet,1994,54(5):899-908.
[17] Pertl B,Yau sc,Sherlock,etal.Rapid molecular method for prenatal detection of Down’s syndrom.Lancet,1994,343:11
97-8.
[18] Goltsov,AA,Eisensmith RC,Nauton ER,etal. A single poly-
morphic STR system in the human phenylalanine hydroxylase gene permits rapid prenatal diagnosis and carrier screening for phenylketonuria.Hum Mol Genet. 1993 May;2(5):577-81.
[19] Fan GX, Qing LX, Jun Y,etal. Molecular studies and prenatal diagnosis of phenylketonuria in Chinese patients.
Southeast Asian J Trop Med Public Health. 1999;30 Supp
l 2:63-5.
[20]Pronina N,Giannattasio S, Lattanzio P,etal.The molecular
basis of phenylketonuria in Latvia.Hum Mutat. 2003 Apr;21(4):398-9.
[21] Young J, Leggett B, Gustafson C, etal.Genomic instability occurs in colorectal carcinomas but not in adenomas. Hum Mutat. 1993;2(5):351-4.
[22] Han HJ, Yanagisawa A, Kato Y,etal. Genetic instability in pancreatic cancer and poorly differentiated type of gastric cancer. Cancer Res. 1993 Nov 1;53(21):5087-9.
[23] Risinger JI, Berchuck A, Kohler MF,etal. Genetic instab-
ility of microsatellites in endometrial carcinoma. Cancer Res. 1993 Nov 1;53(21):5100-3.
[24]Gonzalez-Zulueta M, Ruppert JM, Tokino K,etal Microsa-
tellite instability in bladder cancer. Cancer Res. 1993 Dec 1;53(23):5620-3.
[25] Peltomaki P, Lothe RA, Aaltonen LA,etal. Microsatellite instability is associated with tumors that characterize the hereditary non-polyposis colorectal carcinoma syndrome. Cancer Res. 1993 Dec 15;53(24):5853-5.
提问
扫一扫
丁香实验小程序二维码
实验小助手
丁香实验公众号二维码
扫码领资料
反馈
TOP
打开小程序