PCR技术应用一：诊断单基因疾病

 

 

 

　　自1987年秋以来，PCR技术的应用开创性地推动了产前单基因缺陷者及携带者的 诊断。目前PCR还不能用于诊断所有已知缺陷疾病，但极大地扩大了实验诊断学家对 诊断方法的选择。JohnHopkins大学的研究人员表明，在诊断基因缺陷疾病方面PCR技 术具有快速、准确、操作灵活等特点。每项进展的实例在以后描述。在1987年10月 前，我们用Southern印迹法产前诊断镰刀红细胞贫血症通常需要两周或更长时间，而 1987年10月以后，应用PCR只需2-4天。在1987年以前，几乎所有的β－地中海贫血症 的产前诊断都是通过检测在β－珠蛋白簇中连锁DNA的多态间接完成的，一般需要2-4 周。1987年10月以后，用PCR扩增β－珠蛋白基因区后，直接检测致病突变即可完成 β－地中海贫血症的产前诊断。这个方法既增加了准确性，又缩短了时间，一般只需 一周时间。该项改进技术的作用，（1）如果我们不能确定在父母双方中β－地中海 贫血的突变位置，我们还可以在1、2天之内研究β－珠蛋白基因簇中DNA的多态性； （2）通过比较母亲与胎儿DNA序列差别来判断母亲传染的程度。这只是说明PCR对基 因诊断意味着什么的几个例子。以下我们举几个特例具体说明PCR技术的应用： 　　（1）通过扩增产物的打点杂交或限制性内切酶酶解方法确定已知的点突变； 　　（2）通过对扩增产物直接测序来发现已知或未知的突变； 　　（3）通过改变PCR扩增产物的大小或产物不能特异扩增来发现异常缺失； 　　（4）通过对DNA多态性研究来间接诊断致病突变。最后，还将讨论PCR技术的技 术性难点、重要控制条件及局限性。

产前基因诊断基础知识

　　产前基因诊断是逐步发展起来的，而且在不断完善。1978年Kan和Dozy提出应用 与β－蛋白基因连锁的DNA多态性来间接诊断镰状红细胞贫血。此种诊断需要进行家 族性研究，以确定父母双方的多态性等位基因类型，此等位基因型是用正常β－珠蛋 白基因及镰状红胞β－珠蛋白基因探知的。家族被调查成员包括夫妇俩的孩子，如没 有孩子，则调查夫妇双方的父母。到1982年，通过利用MstⅡ限制性内切酶方法可以 直接产前诊断是否有镰状红细胞贫血，因为内切酶MstⅡ及其同功酶Cv嗷蛳xnNⅠ不能 在突变位点降解镰状β－珠蛋白基因而可在此位点降解正常βA－珠蛋白基因。这种 改进不需家族调查，就可更准确地进行镰状贫血病的产前诊断。正是这种改进法，使 直接而简便地确定致病突变成为可能，这也是我们在所有基因诊断研究中所力求的。

　　单基因缺陷的诊断是通过对连锁DNA多态性研究及家族研究而确定的。到1988年 底，我们利用这种方法诊断了一些患Duchenne肌营养不良症病人、大多数甲型和乙型 血友病人、所有囊性纤维变性病人及Huntington氏病、神经性纤维瘤和成人多囊肾病 人。应用这种技术同时直接发现了镰状红细胞贫血、β－地中海贫血、α地中海贫血 有大多数Duchenne肌营不良症、部分甲型血友病和成视网膜细胞瘤病人的致病突变。 几乎所有这些病例中，由于重要的DNA序列是已知的，所以PCR技术在产前诊断、症发 前诊断及携带者发现等方面具有非常重要的价值。

应用PCR技术直接发现点突变

　　在点突变诊断中，继PCR技术之后可用三种技术一打点杂交、酶切分析及直接测 序。John Hopkins大学研究人员应用以下几步来诊断镰状红细胞贫血：（1）将人绒 毛膜样品（CVS）或羊水中得到的胚细胞在2MNaCl，0.1NNaOH溶液中煮沸。（2）应用 PCR技术在β珠蛋白基因5'末端扩增一个725bp区，用30个循环，72℃链延伸120''。 （3）用CvnI酶消化725bp扩增产物。（4）降解的产物进行电泳。（5）EB染色。（6） 紫外灯下观察DNA片段，并拍照。

　　在反应中选择使扩增产物含有两固定CvnI位点的引物。因此，酶解产物至少应可 见三条带。每个镰状红细胞的β珠蛋白基因含有一个381bp带，而正常βA珠蛋白基因 经酶结果已积累了大量信息，所以我们倾向选用限制性内切酶法消化经PCR扩增的产 物，而不是利用特异寡核苷酸探针经打点杂交来诊断βS突变位置的β突变位置。然 而，这种方法的的局限性（也是Southern杂交的局限性）是不能显示包括第六密码子 即βS突变位置的β珠蛋白基因的缺失。因此，一个杂合子个体（含一个βS珠蛋白基 因，及一个基因缺失）与患镰刀状红细胞贫血病人（含两个βs珠蛋白基因）酶切片 段的条带图形是一样的。所以，在诊断这类病人时，会遇到一些困难，最后只有调查 其双亲才能确诊。如果双亲都是βaβs基因型，这个人可确诊为镰状红细胞贫血症。 如果双亲中一个一是βa型，另一个是βaβs基因型，此人诊断为βs杂合子基因型且 βs珠蛋白基因含一个缺失。由于突变引起的疾病具有一定特征，所以，理论上直接 确诊β地中海贫血是可能的。发生地中海贫血症的高危人群为地中海人、中东人、亚 州印度人、中国人和黑人。到1988年底，已知引起地中海贫血的突变有60多种，引起 地中海贫血的99％等位基因特征是已知的，其余的等位基因很少或存在于易患者很少 的种族中。因为每种人群有自己的β地中海贫血突变谱，一般情况下，4-6对等位基 因在任一特定种族的β地中海贫血基因中占99％以上，因此，使确定易患β地中海贫 血的夫妇二人的致病突变简单化。

 

β地中海贫 血症突变	种族	受影响的限制性 内切酶位点
无意义密码子39	地中海人	增加MaeI 位点
IVS-1 ，nt6	地中海人	增加SfaNI 位点（在 IVS-2 ， nt16 上也是 多态性SfaNI 位点
IVS-1 ，ntl(G-A)	地中海人	丢失BspMI 位点
移码6	地中海人	丢失CvnI 位点
IVS-2 ，nt745	地中海人	丢失RsaI 位点
－87	地中海人	丢失AvR Ⅱ点
IVS-2 ，nt1	地中海人	丢失HphI 位点
βe	中国人	丢失MnlI 位点
无意义密码子17	中国人	增加MaeI 位点
－29	中国人，黑 人	增加Nla Ⅲ位点
无意义密码子43	中国人	丢失HinfI 位点
－88	黑人，印度 人	增加FokI 位点
IVS-1 ，nt1(G-T)	印度人	丢失BspI 位点
IVS-1 ，nt5 （ G-A)	阿尔上亚人	增加EcoRV 位点

 

　　通常无子女的配偶双方更应检查，因为他们的红细胞比积及血红蛋白A2 含量筛选 测试似乎具有β地中海贫血特征。其方法是检查夫妻双方是否含有所在人群中觉的等 位基因型。自1987 年9 月以来，在不利用DNA 多态性和Southern 分析方法情况下，在各 种簇中我们在产前明确诊断了 80 例地中海贫血病人，所有这些诊断是通过直接确定夫 妇及其胎儿的突变获得的，此方法通常需要把打点杂交与限制性内切酶分析法结合起 来。需进行基因组序列分析的情况很少。60 种地中海贫血的等位基因突变型的一半以 上类型可以通过扩增产物酶切分析方法查明。对于地中海地区的夫妇，通过这种方法 可以分析无意义密码39 ，移码6 ，IVS-2 ， nt-1 ， IVS-2 ， nt745 ， IVS-1 ， nt-6 及 -87 。其 余在地中海人中常见的突变， IVS-1 ， nt110 ， IVS-1 ， ntl 和移码 8 全由打点杂交发现。

　　在打点杂交分析中，5-19 ％的扩增产物（通常为β珠蛋白基因从5' 起的一半。片 段长度为725bp ）在硝酸纤维膜上点两次。对个体斑点通常是对照，以确定每个斑点 代表的是阳性结果，还是阴性结果。斑点与 32p 标记寡核苷酸（19mer 或 20mer ）或非 同位素标记探针杂交，探针的序列对所研究的突变是特异性的。另一组同的斑点与正 常β珠蛋白基因序列杂交，以确定所定的 DNA 量足够产生阳性信号。如果用突变探针 杂交结果为阴性而正常探针杂交结果为阳性，那么，我们可断定病人没有携带分析中 特写的突变基因。如果两种探针杂交结果均为阳性，病人为杂合人，病人携带有所研 究的突变基因；如果突变探针杂交显示阳性结果，而正常探针杂交为阴性，病人为所 分析的突变基因纯合子。

　　斑点表示ASO 探针与用于β地中海贫血产前诊断的β珠蛋白DNA 扩增产物的杂交 情况。利用ASO 突变探针与扩增DNA 杂交，表明双亲携带无意义密码子39 的突变。对 照样品，一般用于洗涤特异性监测，它们点在从上数第3 ，第4 点，分别代表正常β珠 蛋白纯合子及无意密码39 β地中海贫血等位基因纯合子DNA 的扩增产物。上夫妇已有 孩子的DNA 扩增产物只与突变的 ASO 杂交，而他们胎儿的扩增DNA 既与突变ASO 杂 交，也与正常ASO 杂交，说明胎儿是β地中海贫血携带者。

　　在夫妻双方的DNA 均经过是否含有在其种族中普遍存在的突变等位基因型的检查 后，极个别的情况下，夫妇中有一个人的β地中海贫血症等位基因型仍是未知的。在 这点上，需对β珠蛋白基因上重要区段测序以确定未知的致病突变类型。用T7DNA 聚 合酶（测序酶）在 DNA 基因组扩增区上测序。这些区域DNA 包括（1 ）启动子，外显 子－1 ，内含子－ 1 ，外显子2 及内含子－2 的5' 端90 个核苷酸；（2 ）内含子2 的3' 端300 个核苷酸和外显子3 。用此方法可以确定几乎所有未知突变类型，但至少有两个例 子，在轻度β是中海贫血症等位基因携带者的β珠蛋白基因或5' 和3' 关键区中未找到 突变。在我们的工作中，通过对PCR 扩增的β珠蛋白基因直接测序发现了7 种新的等 位基因类型。Huisman 在我们没研究的其他种族中也发现了一些新的等位基因。

采用PCR技术发现缺失

　　利用缺失的5'和3'端引物可以检测出中等大小片段的缺失（1-1.5bp），在印度 人群中，患β地中海贫血病人的β珠蛋白基因中通常存在一个619bp缺失片段。我们 发现在DNA中用引物可扩增产生1215bp片段，而当有619bp片段，可认为是缺失杂合 子。

　　缺失也可通过在PCR复合反应中没有缺失基因的产物而其它基因产物仍然存在来 测出。Chehab等自先用此法证明了在α珠蛋白产物表明，纯合缺失片段区至少有一个 α珠蛋白引物序列。最近，Chamberlain把这个方法用于患Duchenne肌营养不良（NMD） 的男性的营养不良基因的研究。DMD是一种X性连锁严重的、早发肌营养不良症，主要 原因是由于营养不良基因中缺失大约2000bp片段造成的。在肌营养不良基因中，大约 60-70％DMD等位基因发生大片段缺失。Chamberlain等已经测出重要区的DNA序列并制 备了对这些序列及其它已知序列特异的引物。他们找出了用9种引物对进行PCR反应， 以扩增营养不良基因所在的9个不同区段，在这些区段上有80-90％的缺失已知。用这 些引物对，确定了许多缺失（见第十五章），这些缺失由用营养不良cDNA探针进行的 Southern印迹法证实。这种用PCR复合反应进行缺失分析的方法可用于快速普查，并 可在50%的男性病人中发现突变。其作家族成员还需要进行cDNA探针分析以发现有无 其它缺失，以及用DNA多态性分析检测家族内其他患者的情况。

　　在用复合PCR技术探测缺失方面也有两个局限性。首先，无论何时当我们研究缺 失片段时会担心扩增不出的片段实际上在基因组DNA上存在，只是由于其它未知的原 因而没扩增出来。我们采用此方法，在我们实验室曾遇到过，3个引物在某些正常样 品中扩增出3种产物，而在其它的正常样品中3个引物只扩增出2个产物。因此，在解 释9个引物中有8个或7个引物有扩增产物的实验结果时要非常谨慎。这意味着要进行 重复实验才能确证基因缺失的存在。此外，在临床应用复合PCR技术的早期，可采用 相应的营养不良cDNA探针进行Southern印迹法证实缺失片段。分析易患DMD的家族 时，分析携带者是重要的，目前可采用营养不良cDNA探针进行定量Southern印迹法来 诊断携带者。

应用PCR技术检测连锁性DNA多态性

　　在目的基因未被分离出来的情况下，在大多数产前诊断、携带者的发现及症发前 诊断中所使用的基因诊断仍可完成。至1988年底，囊性纤维变性病、Huntington氏 病、神经纤维瘤等诊断就属上述情况。这些病例的基因诊断完全依赖于用与疾病位点 连锁的DNA多态性(RFLPs）对患者家族听致病基因进行追踪来完成。当重要DNA多态性 序列周围的DNA序列已知时，应用PCR方法可以很简便地知道重析内切酶位点的存在及 丢失。

　　Mullis和Faloona首先用DNA多态性PCR分析法诊断镰状红细胞贫血，Kogan等用此 法诊断甲型血友病，但文献表明应用PCR分析多态性位点周围序列有潜在的局限性， 因多态性位点XbaI可以在同一基因组的其它部位复制。在短扩增片段及扩增Ⅷ：C因 子基因的目的区及第二区的引物上无其它XbaI位点。对带有Ⅷ：C因子的男性DNA的 XbaI位点分析表明，除了多态性XbaI位点被切割产生的两上小片段外，不被切割的片 段由第二区产生。具有＋／－多态性位点基因型的女性相区别。当应用Southern印迹 法时，就可以区分之，在Southern印迹法中，所分析的片段比从Ⅷ：C因子基因上复 制出的XbaI区大，此XbaI区大小与第二区不同

　　已报道过应用PCRDNA多态性分析法进行囊性纤维变性的产前诊断及Huntington氏 症的症发前诊断及产前诊断。另外，我们可以利用5个限制性内切酶多态性PCR法，对 β珠蛋白基因簇进行单体分类。如果直接法诊断β地中海贫血和镰状红细胞贫血遇到 困难，可采用PCR分析家族成员单体型而间接、快速地进行产前诊断。因此，PCR被用 于许多单基因病变的临床诊断，如镰状红细胞贫血、地中海贫血、甲型血友病、 Duchenne肌营养不良症、囊性纤维变性和Huntington氏症。

技术难点

　　许多难点在开始已提到。既使其它引物能成功地扩增，一个引物对可能在同样的 DNA模板上却无法扩增。这就给应用复合PCR反应法准确地分析片段缺失带来困难。

　　由于引物缓冲液被基因组DNA污染，可导致判断上的失误或极大的错误，因在用 被污染的引物所做的所有扩增样品中可能会观察到相同的结果。因此在取样时应十分 谨慎，应把PCR所用的玻璃及塑料器皿与一般实验所用的分开，偶尔，不知什么原因 造成某个基因组DNA的扩增失败。常见的是因为在DNA提取过程中造成的污染。可通过 减少基因组解DNA样品也造成扩增失败，这时，需重新提取DNA。

展望

　　我们预期PCR将能用于普查携带者，尤其是下列一些疾病、在一个或多个种簇中 发病率很高的疾病、患者具有典型症状的疾病以及那些有关的基因已知的疾病和导致 所有突变等位基因的突变已知的疾病。应用DNA分析法来普查镰状红细胞贫血β地中 海贫血携者是可能的，但非DNA法仍比任何基因检测都兼且简便。应用PC技术在Ashk- enazi犹太人群中普查Tay-Sachs（家族黑蒙性白痴）等位基因携带者，具有很大可能 性。近来的研究表明在氨基已糖酶Aα链基因的两个等位缺失可能是导致所有Ashken- azi人的Tay-Sachs病基因携带者进行普查。在北欧人群中，大约50％苯丙酮尿症（PKU ）等位基因已被定性。除了现存基因分析，没有其它方法可以检出 PKU携带者。因有家族病史而非常有可能是携带者检查，当PKU的等位基因完全清楚 后，这种检查是可能的。

　　当找到CF（囊性纤维变性）基因及确定引起CF基因的等位突变特征后就可用PCR 技术普查携带者了。如果等位基因数目小（小于10）且没有简单的生化检测法（以蛋 白缺失为原理）可以发现携带者类型时，利用基因技术普查携带者是可行的，利用 PCR技术普查人群中CF携带者来确定该病在人群中的发生率也是可行的。

　　利用PCR技术诊断单基因疾病的可能性极大，利用连锁DNA多态性PCR诊断分析法 可对神经纤维瘤、成视网膜细胞瘤、成人多发性多囊肾症及强直性肌营养不良进行诊 断。通过对各种致病基因经PCR扩增后用密度梯凝胶电泳进行外显了序列分析，如甲 型血友病基因Ⅷ：C因子的外显子，可直接对大多数患者进行突变等位基因的直接诊 断。一项新技术使基因诊断发生了重大改革，此技术是将带有寡聚－T尾巴的寡核苷 酸固定在滤纸上，使其与生物素化的患者DNA目的区段的PCR产物杂交。此技术将简化 一个个体基因组中5-10个或更多等位基因的分析，象现在的β地中海贫血症等位基 因、镰状红细胞贫血症等位基因、PKU等位基因、CF等位基因及Tay-Sachs等位基因等 等。一个复合PCR反应可同时检测一组基因。

　　在胚胎植入前进行遗传特性分析因有PCR而成为可能。在分裂期从胚中取1-2个细 胞，用PCR可通过这些细胞的DNA进行基因诊断。此间胚可在体外继续生长，然后植入 子宫。在其它种属中，从分裂期胚中取少数细胞后再植入母体，胎儿的分化同样正 常。因此在胚胎植入前进行基因诊断是可行的。但此方法的伦理问题是争论的焦点， 且让实验检查委员同意将在分裂期被取走少数细胞的人类胚进行植入是不可能的。