医学遗传学/基因定位的方法

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医学遗传学基础

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基因定位可从家系分析、细胞染色体分子水平进行研究,同时由于使用手段的不同派生出多种方法,不同方法又可联合使用,互为补充。现仅就几个主要方法加以说明。

1.体细胞杂交 体细胞是生物体除生殖细胞外的所有细胞。将从身体分离的体细胞做组织培养进行遗传学研究的学科称为体细胞遗传学(somatic genetics)。体外培养细胞可人为控制或改变环境条件,并可建立细胞株,长期保存,进行各种正常和病理研究。与基因定位有关的是体细胞杂交(somatic cell hybridization)。细胞杂交又称细胞融合(cellfusion),是将来源不同的两种细胞融合成一个新细胞。大多数体细胞杂交是用人的细胞与小鼠、大鼠仓鼠的体细胞(hybrid cell)进行杂交。这种新产生的融合细胞称为杂种细胞(hybridcell),含有双亲不同的染色体。杂种细胞有一个重要的特点是在其繁殖传代过程中出现保留啮齿类一方染色体而人类染色体则逐渐丢失,最后只剩一条或几条,其原因至今不明。这种仅保留少数甚至一条人染色体的杂种细胞正是进行基因连锁分析和基因定位的有用材料。由于人和鼠类细胞都有各自不同的生化免疫学特征,Miller等运用体细胞杂交并结合杂种细胞的特征,证明杂种细胞的存活需要胸苷激酶(TK)。但凡含有人第17号染色体的杂种细胞都因有TK活性而存活,反之则死亡。从而推断TK基因定位于第17号染色体上(图7-1)。这是首例用细胞杂交法进行的基因定位。由此可见,研究基因定位时,由于有杂种细胞这一工具,只需要集中精力于某一条染色体上,就可找到某一基因座位

体细胞杂交基因定位示意图


7-1 体细胞杂交基因定位示意图

2.克隆嵌板法(clone panel method)是应用杂种细胞保留或丢失人染色体有时有重叠现象而设计的一种简便有用的基因定位方法。如表7-2所示,选择3个都保留有4条人染色体的杂种细胞克隆,但染色体各不相同。如果某一表型特征只出现于克隆A、C而不见于B,就可决定该特征的基因只能在3号染色体上,因为A、C克隆都有3号染色体,而B克隆则无,其它亦可同理判断这样3个克隆可对8条(23=8)染色体作出判断;如果是5个克隆(25=32)就可对人类22条常染色体和2条性染色体作出判断。例如半乳糖激酶(GK)、尿苷-磷酸激酶(UMPK)和氨基已糖苷酶A(HEXA)的基因就是用此法分别定位于人的17号、1号和15号染色体上的。此外,还可对杂种细胞进行特殊染色,来识别杂种细胞中人和鼠染色体,以助基因定位。

表7-2 克隆嵌板示意

杂种克隆 保留的人染色体
1 2 3 4 5 6 7 8
A + + + + - - - -
B + + - - + + - -
C + - + - + - + -

在体细胞杂交基础上还发展了微细胞(micro cell)技术,即制备只含少数或一条人染色体的微细胞进行细胞杂交。也可将人中期染色体进行分离直接转移到鼠类细胞中,使人染色体在受体细胞中裂解变成短的DNA片段,并整合到受体细胞的基因组中。如两个基因同时整合进去,就证明它们的紧密连锁关系。

3.原位杂交荧光原位杂交 重组DNA技术的建立与分子杂交相结合,从分子水平研究基因定位,发展了一系列有效方法。例如原位杂交(in situ hybridization)就是分子杂交技术在基因定位中的应用,也是一种直接进行基因定位的方法。分子杂交的基本原理是碱基的互补配对,同源的DNA-DNA双链或DNA-RNA链在一定条件下能结合成双链,用放射性或非放射性物质标记的DNA或RNA分子作为探针,可探测到细胞基因组中的同源部分。19770-1978年首次将分子杂交法应用于基因定位,即用α及β珠蛋白基因的cDNA为探针,与各种不同的人/鼠杂种细胞进行杂交,再对DNA杂交情况进行分析,找出cDNA探针与人染色DNA顺序间的同源互补关系,从而将人α及β珠蛋白基因分别定位于第16号和第11号染色体上。

用原位杂交法将胰岛素基因定位于11p15


图7-2 用原位杂交法将胰岛素基因定位于11p15

原位杂交的特点是杂交在显微镜载玻片中期染色体标本上进行。所谓原位即指标本上DNA原位变性,在利用放射性或非放射性标记的已知核酸探针杂交后,通过放射自显影或非放射性检测体系来检测染色体上特异DNA或RNA顺序,可用放射性颗粒在某条染色体的区带出现的最高频率或荧光的强弱来确定探针的位置,从而进行准确的基因定位。图7-2表明用此法将胰岛素基因定位于11p15。但原位杂交必须在已知探针的情况下方可进行,而在未知致病基因时,则无法进行基因定位。

放射性同位素标记核酸探针与染色体显带结合进行原位杂交仍有不少缺点和局限性。例如需要使用放射性同位素的特殊实验室,自显影曝光时间长,同位素标记的探针不易保存,放射污染不利健康,特别是高质量的中期染色体标本在细胞培养基础上难以得到,观察费时,对间期核的研究难以进行等。

荧光原位杂交(florescencein-situ hybridization,FISH)是一种非放射性原位杂交方法。用特殊荧光素标记核酸(DNA)探针,可在染色体、细胞和组织切片标本上进行DNA杂交,对检测细胞内DNA或RNA的特定序列存在与否最为有效。探针不是放射性的而是将荧光染料抗体蛋白结合进行检测。它们具有高度亲和力,有与放射性探针相同或更高的分辩率。现已可用不同的荧光染料同时进行多重原位杂交,显示出不同的荧光色泽。这种多色FISH技术近年来发展迅速,已成为基因定位作图和医学诊断的重要手段。1992年运用这种策略已能在中期染色体和间期细胞同时检测7个探针。科学家们的目标是实现24种不同颜色来观察22条常染色体和X、Y染色体。荧光原位杂交法提高了杂交分辩率,可达100-200kb。此法降低应用于基因定位外,还有多种用途,它已日益发展成为代替常规细胞遗传学的检测和诊断方法,在此不多论述。

4.连锁分析基因 定位的连锁分析是根据基因在染色体上呈直线排列,不同基因相互连锁成连锁群的原理,即应用被定位的基因与同一染色体上另一基因或遗传标记相连锁的特点进行定位。生殖细胞在减数分裂时发生交换,一对同源染色体上存在着两个相邻的基因座位,距离较远,发生交换的机会较多,则出现基因重组;若两者较近,重组机会较少。重组DNA和分子克隆技术的出现,发现了许多遗传标记——多态位点,利用某个拟定位的基因是否与某个遗传存在连锁关系,以及连锁的紧密程度就能将该基因定位到染色体的一定部位,使经典连锁方法获得新的广阔用途,成为人类基因定位的重要手段。

染色体上两个位点从亲代传给子代时,若相距1cM,就有1%的重组机会。整个人类基因组含3.2×109bp,相应约有3300cM,每个染色体平均约有150cM,1cM约为1000kb。因此,一个致病基因和标记位点紧密连锁,二者不须在同一条染色体的同一区段,一条染色体可以产生大量的DNA多态,只要提供足够的家系,按孟德尔方式遗传的疾病都可将其基因定位。

图7-3表示某一致病基因与一多态位点的关系。父(Ⅰ1)是显性遗传病患者,基因型为DN,他妻子(Ⅰ2)正常,基因型为NN,多态标记位点父为Aa,母为AA,在子代中,除Ⅱ4外,都是致病基因与多态标记位点的完全连锁,即都遗传了父亲的A基因和D基因,或是a基因和正常N基因。据此信息,就可确证父亲的致病基因是多态标记A基因连锁在同一染色体上,而Ⅱ4则是重组体,而具有标记基因A的个体并不都是患者,Ⅰ2就是这样,所以,在连锁分析中,多态标记是极为有用的。

致病基因与标记位点的边锁关系图


图7-3 致病基因与标记位点的边锁关系图

在人类基因组中还存在约50000-100000个串联重复序列家族,它们均匀穿插于基因组,平均50kb有一个,这些都是很好地遗传标记对突变的检测和基因定位研究起了重要作用。正如本章开始提到,至1993年10月已经发现多态标记总数为5964个,从分子水平进行基因定位,还有不少有效的新技术,它们相互配合使用,使基因定位得到迅速发展。此外,利用染色体自身结构及染色体畸变法进行缺失作图和基因剂量法等。总之,人们已不只是用单一技术进行基因定位,而是将细胞、染色体和分子水平技术结合起来,综合分析,互相印证,以达快速、准确的目的。

32 基因定位 | 基因定位的应用 32
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