核酸分子杂交技术

1. 核酸分子杂交技术 李如波 中国医科大学法医学院

2. 核酸分子杂交技术(Nucleic acid molecular hybridization)是检测核酸分子间序列同源性的一种技术。不同来源的核酸单链只要彼此间有一定的互补序列，即可按碱基配对规则以氢键相结合。通常是先对一种核酸进行标记（如放射性同位素35S，32P或生物素等）作为探针，去探测另一种核酸序列。核酸分子杂交可以在DNA与DNA，RNA与RNA，或DNA与RNA之间进行。由于这种技术具有高度的特异性和灵敏性，已广泛应用于生物学、医学科学研究，临床传染病和遗传病的诊断。

3. 一、核酸分子杂交的基本原理 从化学和生物学意义上理解，探针(Probe)是一种分子，它带有供反应后检测的合适标记物，并仅与特异靶分子反应。抗原-抗体、外源凝集素-碳水化合物、亲和素-生物素、受体-配体(ligand)以及互补核酸间的杂交均属于探针-靶分子反应。蛋白质探针（如抗体）与特异靶分子是通过混合力（疏水、离子和氢键）的作用在少数特异位点上的结合，而核酸探针与互补链的反应则是根据杂交体的长短不同，通过氢键在几十、几百甚至上千位点上的结合。核苷酸经某一原子、功能基团或长侧链修饰后仍有可能进行碱基配对，这取决于修饰的部位和修饰物的性质。标记的探针每1kb只掺入10-30个修饰碱基，仅4％-12％的单个碱基被修饰的类似物取代了。尽管掺入位点外的碱基配对较弱或不存在，但对整个杂交分子的稳定性影响很小。

6. 原位杂交原理示意图

8. 二、核酸探针的种类 根据标记方法不同可分为： 放射性探针； 非放射性探针两大类， 根据核酸的性质不同又可分为： DNA探针 RNA探针 cDNA探针 cRNA探针 DNA探针还有单链(ssDNA)和双链(dsDNA)之分。所以原位杂交可分为DNA-DNA，cDNA-RNA，RNA-RNA和寡核苷酸与DNA或RNA等杂交方式。

11. 三、核酸探针的标记和检测 最早采用也是目前最常用的核酸标记方法是放射性同位素标记，常用的放射性同位素有32P和35S，前者能量高，信号强，最常用。放射性同位素探针虽然灵敏性高，但却存在辐射危害和半衰期限制。由于存在上述缺点，近年来，人们在寻求非放射性标记物方面取得了很大进展。国际上已有多家公司相继推出多种非放射性探针标记试剂盒，在国内也具备生物素类标记物的生产能力，并有相应试剂出售。目前非放射性标记物有以下几类：金属如Hg；荧光物质如FITC；半抗原如地高辛（DIG）；生物素；酶类如辣根过氧化物酶（HRP）；半乳糖苷酶或碱性磷酸酶（AKP）等。

13. 四、核酸标记方法及其显示方法 （一）核酸探针的放射性标记技术 1. 缺口平移标记方法 其原理是首先用DNA酶在双链DNA探针的一条链上制造一个缺口（nick），缺口处形成3’-羟基末端，在大肠杆菌DNA聚合酶I的催化下将核苷酸残基加在3’-羟基本上。同时根据大肠杆菌DNA聚合酶I的5’→3’核酸外切酶活性，此酶将缺口5’端核苷酸依次切除，其结果是在缺口的5’端不断消除核苷酸而在3’端则依次添加核苷酸，从而使缺口沿着互补DNA链移动，故称缺口平移（nick transcription）。根据这个原理，用α-32P dATP置换先前存在的核苷酸，则可制备高活性的DNA探针，能满足大多数杂交的要求。

15. 图9－1 利用E. coli DNA聚合酶的切口平移反应 用 DNase I 处理可将单链切口引入DNA。大肠杆菌DNA聚合酶I（Pol I）则结合到双链DNA的切口或缺口处，Pol I的5’→3’外切核酸酶活性可将DNA一条链的核苷酸除去，产生同时合成DNA延伸链的模板。然后，沿着DNA分子，通过5’→3’外切核酸酶和5’→3’聚合酶的联合作用，最初的切口被翻译。如图所示，通过DNA聚合酶的作用，在dNTP存在的情况下，反应中双链DNA的上一条链的切口从左到右被翻译。双链DNA的下一条链中，切口平移为从右到左进行。波浪形箭头代表新合成DNA链的片段。

16. 2. DNA快速核酸标记 大肠杆菌聚合酶I经枯草杆菌酶切割可得到两条多肽链，其中分子量为76kD的大片断称为Klenow片段。该酶具有完整聚合酶I的5’→3’核酸聚合酶活性和3’→5’核酸外切酶活性，但缺乏5’→3’核酸外切酶活性。利用Klenow片段可以填补由限制性酶消解DNA所产生的3’凹陷末端。因此，用这种方法可以标记双链DNA的凹陷3’末端。用Klenow片段标记末端一般只用一种[α-32P] dNTP，加入反应的[α-32P] dNTP取决于延伸的5’末端序列。

17. 3. 用T4多核苷酸激酶标记DNA5’末端 寡核苷酸探针或短的RNA和DNA探针可选用此方法。T4多核苷酸激酶(polynucleotide kinase, PNK)是由T4噬菌体感染的大肠杆菌中提取的，此酶能催化ATP的γ-磷酸转移至DNA或RNA的5’-OH末端。在过量ADP存在时，也可促进磷酸交换反应，使PNK将DNA末端5’磷酸转移到5ADP上生成ATP，然后催化[α-32P] dNTP上的标记磷酸转移至DNA的5’末端，从而使DNA重新磷酸化，并得到标记。注意要用碱性磷酸酶去掉磷酸基团。

19. 4. 随机引物延伸标记方法 是从单链DNA或RNA模板合成高比活性的32P标记探针所选用的方法。原理是使长6-8nt的寡核苷酸片段与变性的DNA或RNA模板退火，在DNA聚合酶I的作用下，以每一个退火到模板上的寡核苷酸片段为引物引发DNA链的合成，在反应时将α-32P dNTP掺入合成链，即得到标记。变性处理后，新合成链（探针片段）与模板解离，即得到无数各种大小的探针DNA。因为所用真核苷酸片段很短，在低温条件下可与模板DNA随机发生退火反应，因此，被称为随机引物(random primer)。这种随机引物可用小牛胸腺DNA或鱼精DNA制备。

21. 5. 聚合酶链反应 聚合酶链反应(polymerase chain reaction, PCR)是一种分子生物学新技术，由于美国Cetus公司人类遗传学部的Kary B. Mulli于1985年创立。该技术利用两个与相反链杂交并随着于靶DNA两侧的寡核苷酸引物经酶促合成特异的DNA片断，包括膜板变性、引物退火和引物延伸三个步骤的反复循环，最终两引物所夹靶DNA得到千万倍以上的扩增。可用来标记高比活性的DNA探针，PCR技术有很高的特异性，可以在1-2小时内大量合成探针DNA片断。如果在底物中加入[α-32P] dNTP或其它标记的dNTP，则探针DNA合成过程中可得到很好的标记，标记物掺入率可高达70％-80％。PCR标记技术特别适用于大规模检测和非放射性标记。该法的特点是要合成一对特异性PCR引物。

22. 6. 体外转录法 先把DNA片段克隆到有噬菌体转录启动子的载体中，然后在RNA聚合酶的作用下，以DNA为模板，以含有标记的三磷酸核糖核苷为原料，对启动子下游的序列进行转录，所谓启动子(promotor)，又称启动基因，是入出境DNA分子上可与RNA聚合酶特异性结合而使转录开始的部位，而启动子本身并不被转录。 体外转录常用的噬菌体转录启动子有沙门氏菌噬菌体SP6和大肠杆菌噬菌体T3，T7。当二个不同的噬菌体转录启动子结合在载体多克隆位点的两侧，而且互相呈相对方向时，则可分别启动插入DNA片段Sense和Antisense的转录。 转录前要用限制酶先在cDNA插入点的下游切割，使DNA直线化，做为模板，以标记的三磷酸核糖核苷为原料，转录合成RNA探针。

24. （二）核酸探针的非放射性标记技术 1. 光敏生物素标记核酸 有二种光敏生物素：均由一个光敏基团、一个链接臂和一个生物素基团组成。 光生物素：光敏基团是-N3，在光作用下可与核酸中的碱基结合。 补骨脂素生物素：光敏基团是补骨脂素，在光照（320-400μm）下，可与单链或双链DNA发生反应，反应主要在T上，C上也有一定程度的反应。 光敏生物素的连接臂含有6-12个碳原子，用以减少探针杂交时的空间位阻。此方法简单，灵敏度可达ng水平 ，可用于外源基因的检测。

25. 2. 酶促生物标记核酸 以生物素化的脱氧核苷三磷酸（Bio-11-dUTP, Bio-7-dATP, Bio-11-dCTP）等代替相应32P标记的脱氧核苷三磷酸，以DNA聚合酶作用掺入DNA。Bio-dUTP代替dTTP，Bio-dATP代替dATP，Bio-CTP代替dCTP。Bio-11-dUTP的11是指生物素基团与脱氧核苷酸之间连接臂的碳链长度。常用的酶促生物标记DNA的方法有缺口平移法和随机引物延伸法。

26. 3. 寡核苷酸的生物素末端标记 5’-磷酸的化学标记法： 将寡苷酸的5’-磷酸接上一个乙二胺，然后用琥珀亚胺生物素，将生物素基团连接到磷酸酰胺基上。 3’-OH的酶捉标记法： 用末端转移酶将Bio-11-dUTP加于其3’-OH端，脱去一个焦磷酸。 4. 酶标DNA 标记试剂：辣根过氧化物酶（HRP）；碱性磷酸酶（AP） 通过对苯醌（PBQ）与聚乙烯亚胺（PEI）连接而成（HRP-PBQ-PEI+），此试剂在戊二醛的作用下与变性的DNA结合，使HRP与DNA连接在一起，组成HRP标记的DNA探针。

27. 5. 酶标寡核苷酸 核苷酸5’-末端标记HRP法： 在HRP中产生一个-SH反应基团，在寡苷酸合成终了加在5’-端，带一个C6的-HS，与活化的HRP反应生成5’-HRP寡苷酸。 内中标记AP法： 在合成寡核苷酸过程中将一个5’带连接臂及CF3基团的尿苷3’亚磷酰亚胺合成在寡核苷酸链中，合成后此活化的寡核苷酸与AP即得到AP标记的寡核苷酸。 6. DNA半抗原标记 其原理与Bio-11-dUTP相同 ，只是用毛地黄甙抗体检测标记在DNA上的半抗原分子地高辛（Digoxigenin，DIG）。

28. （三）非放射性探针的显示体系 1. AP显色体系 ASO-AP+BCIP→BCI-OH+Pi BCI-OH+NBT→紫色 ASO：等位基因特异的寡核苷酸 BCIP：5溴-4氯-3吲哚磷酸 NBT：四氮唑蓝 Pi：磷酸 2. HRP显色体系 HRP+H2O2→[HRP•H2O2] ODA-NH2+[HRP•H2O2] →ODA-N=ODA/棕色↓+HRP+H2O ODA；邻-联茴香胺

31. 3. ABC显色体系 DNA-B+SA-AP→DNA-B-SA或 DNA-B+SA+BAP→DNA-B-SA-BAP SA：streptavidin(链霉亲合素) BAP：生物素化的磷酸酶 B：biotin(生物素), ABC:avidin-botin-enzyme complex(亲合素-生物素-酶复合物)。 4.非放射发光身显影 若将AP或HRP的显色底物根据光化学原理换成一种酶解后产生的光子的化合物，可用自显影技术曝光X线片显示。

32. HRP发光自显影：氨基苯-甲酰肼在HRP与H2O2作用下氧化为氨基苯二甲酸，同时放出N2及发光。HRP发光自显影：氨基苯-甲酰肼在HRP与H2O2作用下氧化为氨基苯二甲酸，同时放出N2及发光。 AP发光自显影：发光底物金刚烷二氧丁环磷酸盐（AMPDD），其磷酸二脂键在AP作用下水解一个磷酸，进而由分子内过氧键提供能源分解并产生金刚酮和激发态的甲基间-氧苯甲酸阴离子，恢复到基态时发光。

33. 五、核酸分子杂交方法和类型 （一）、固相膜核酸分子杂交 将参加反应的一条核酸链先固定在固体支持物上，一条反应核酸游离在溶液中，固体支持物有硝酸纤维素滤膜、尼龙膜、乳胶颗粒，磁珠和微孔板等。杂交后未杂交的游离片断容易洗去，膜上留下的杂交物容易检测能防止和DNA自我复性等优点，故该法最为常用。其类型有：菌落原位杂交、斑点杂交、狭缝杂交、Southern印迹杂交、Northern印迹杂交、细胞或组织原位杂交和夹心杂交等。

34. 方法： 1. DNA变性：变性能使DNA双链解开，常用SSC（0.1mol/L SSC, 15mmol NaCl-1.5mmol 柠檬酸三钠）碱变性。 2. 膜上固定：20×SSC中转膜-毛细现象，固定，80℃下，2小时或紫外线下1分钟（Cross link）。 3. 预杂交：塑料袋中预热60℃，预杂交液中：6×SSC，0.01molEDTA，5×Denhardt氏液，0.5％SDS，100 μg/ml变性鲑鱼精DNA 4. 杂交：杂交液中的组成：6×SSC，0.01molEDTA，5×Denhardt氏液，0.5％SDS，100 μg/ml变性鲑鱼精DNA及探针。 5. 洗膜：2×SSC-0.5％SDS， 0.1×SSC-0.5％SDS，60℃ 2小时。 6. 显色：放射自显影；感光显影。

35. 种类： A：菌落原位杂交(Colony in situ hybridization)：是将细菌从培养平板中转移到硝酸纤维素膜上，然后再将滤膜上的菌落裂解以释放出DNA。将DNA烘干固定膜上与标记的探针杂交，放射自显影，检测杂交信号，与平板上的菌落对位。 B：斑点杂交(Dot blot)：是将被检标本点到膜上，烘烤固定，简便，快速，可做半定量分析，一张膜上可同时检测多个样品。

36. C： Southern 印迹杂交(Southern blot)：将DNA标本用限制性内切酶消化后，经琼脂糖凝胶电脉分离各酶解片断，然后经碱变性，Tris缓冲液中和（及）高盐下通过毛细作用，将DNA从凝胶中转印到硝酸纤维滤膜上，烘干后即可用于杂交。杂交后放射自显影显示与探针互补的DNA酶解片断。是研究DNA图谱的基本技术，在遗传病诊断、DNA图谱分析及PCR产生分析生平方面有重要价值。 D：Northern印迹杂交(Northern blot)：是一种将RNA从琼脂糖凝胶中转印到硝酸纤维膜上的方法。转印方法与DNA相似，但是在进样前用甲醛使RNA变性，而不用NaOH，因为会水解RNA的2’-羟基团。

37. E：组织原位杂交：简称原位杂交，指组织或细胞的原位杂交，组织或细胞经适当的处理后使细胞通透性增加，让探针进行细胞与DNA或RNA杂交，因此可以确定探针的互补序列在细胞内的空间定位，具有重要的生物学和病理学意义。染色体DNA杂交可显示特定序列在染色体上的定位，与RNA杂交或显示特定RNA在细胞中或组织中的定位。探针可以是双链或单链DNA，也可是RNA探针。长度以100-400nt为宜。寡核苷酸探针（16-30nt）能自由地出入细胞和组织细胞壁，杂交效率明显高于长探针，是优选探针。E：组织原位杂交：简称原位杂交，指组织或细胞的原位杂交，组织或细胞经适当的处理后使细胞通透性增加，让探针进行细胞与DNA或RNA杂交，因此可以确定探针的互补序列在细胞内的空间定位，具有重要的生物学和病理学意义。染色体DNA杂交可显示特定序列在染色体上的定位，与RNA杂交或显示特定RNA在细胞中或组织中的定位。探针可以是双链或单链DNA，也可是RNA探针。长度以100-400nt为宜。寡核苷酸探针（16-30nt）能自由地出入细胞和组织细胞壁，杂交效率明显高于长探针，是优选探针。

38. （二）、液相杂交 参加反应的两条核酸链都在溶液中，是一种最早且操作简便的杂交类型，虽有时被应用，但不如固相杂交普遍，其原因是杂交后的过量未杂交探针在溶液中去除较为困难和误差较高。近来有商业性基因探针诊断盒的应用。

39. 原位核酸分子杂交技术

40. 原位核酸分子杂交技术简称原位杂交(in situ hybridization)，是应用已知碱基顺序并带有标记物的核酸探针与组织、细胞中待检测的核酸按碱基配对的原则进行特异性结合而形成杂交体，然后再应用与标记物相应的检测系统，通过组织化学或免疫组织化学方法在被检测的原位形成带颜色的杂交信号， 在显微镜或电子显微镜进行细胞内定位。这一技术为研究单一细胞中DNA和编码各种蛋白质、多肽的相应mRNA的定位提供了手段。使从分子水平研究细胞内基因表达及有关基因调控提供了有效的工具，视为组织化学或免疫细胞化学中革命性的突破。

41. 原位杂交技术已应用于基础研究如基因组图(gene mapping)，转基因检测，基因表达定位(localization of gene expression) ,核DNA和RNA的mRNA的排列和运输(arrangement and transport of mRNA)，复制(replication)和细胞的分类(sorting of cells)。临床应用在细胞遗传学(cytogenetics)，产前诊断(prenatal diagnosis)，肿瘤和传染性疾病的诊断，生物学剂量测定(biological dosimetry)和病毒学的病源学诊断等。

42. 一、原位核酸分子杂交技术的发展 原位杂交1969年由美国耶鲁大学Gall和Pardue首先创立的，他们用爪蟾核糖体基因探针与其卵母细胞杂交，确定该基因定位于卵母细胞的核仁中。与此同时，Buogiorno-Nardelli和Amaldi，John及其同事等相继利用同位素标记核酸探针进行了细胞或组织的基因定位。Ortho（1970）应用3H标记的兔乳头状瘤病毒cDNA探针在兔乳头状瘤组织的冰冻切片进行杂交，首次用原位杂交技术检出了病毒DNA在细胞中的定位。

43. 由于同位素标记探针具有放射性，既污染环境，又对人体有害，且受半衰期限制等缺点，因此研究用非放射性标记物标记核酸探针进行原位杂交，引起许多学者的重视和探索。Bauman（1981）等首先用荧光素标记cRNA探针做原位杂交，然后用荧光显微镜观察获得了成功。Shroyer(1982)报导用2，4二硝基苯甲醛（DNP）标记DNA，使该DNA探针具有抗原性，然后用兔抗DNP的酶标抗体来识别杂交后探针，最后经免疫过氧化物酶组织化学的方法显示杂交信号。由于同位素标记探针具有放射性，既污染环境，又对人体有害，且受半衰期限制等缺点，因此研究用非放射性标记物标记核酸探针进行原位杂交，引起许多学者的重视和探索。Bauman（1981）等首先用荧光素标记cRNA探针做原位杂交，然后用荧光显微镜观察获得了成功。Shroyer(1982)报导用2，4二硝基苯甲醛（DNP）标记DNA，使该DNA探针具有抗原性，然后用兔抗DNP的酶标抗体来识别杂交后探针，最后经免疫过氧化物酶组织化学的方法显示杂交信号。

44. Brigat(1983)首先创立生物素标记的探针在组织切片上检出了病毒DNA，通过生物素与抗生物素结合，过氧化物酶显示系统显示病毒DNA在细胞中的定位，生物素标记探针技术目前已被广泛应用，特别是在病毒学和病理学诊断中。 Boeringer-Mannhem Biochemisca (Roche)于1987年将地高辛标记的有关试剂和药盒投放市场，和其它非放射性标记物一样，地高辛较放射性标记系统安全，方便、省时。同时在敏感性和质量控制方面比生物素标记要优越，地高辛标记法显示的颜色为蓝色（标记碱性磷酸酶-抗碱性磷酸酶显色系统），有较好反差背景，更有利于与免疫组织化学相结合，同时可以检测基因表达。

45. 二、 原位分子杂交技术的基本方法 • 基本方法包括： • 杂交前准备：包括固定、取材、玻片和组织的处理，增强核酸探针的穿通性和减低背景染色等； • 2. 杂交； • 3. 杂交后处理； • 4. 显示：包括放射性自显影和非放射性标记的组织化学或免疫组织化学显色。

46. （一）、固定 固定的目的是为了保持细胞形态结构，最大限度地保存细胞内的DNA或RNA的水平；使探针容易进入细胞或组织。DNA比较稳定，mRNA易被酶降解。所以取材后应尽快冰冻或固定。 1.最常用多聚甲醛固定液，因其不会与广泛的交叉连接，不会影响探针穿透入细胞或组织。 2. mRNA原位杂交时应将组织固定于4％多聚甲醛磷酸缓冲液中1-2h，在冰冻前浸入15％蔗糖中4℃过夜，次日切片或保存于液氮中。

47. 3.组织也可在取材后直接置于液氮中冷冻，切片后将其浸入4％多聚甲醛约10min空气中干燥后保存于-70℃，可保存数月。3.组织也可在取材后直接置于液氮中冷冻，切片后将其浸入4％多聚甲醛约10min空气中干燥后保存于-70℃，可保存数月。 4.福尔马林固定、石蜡包埋的切片对检测DNA或mRNA有时也可获得杂交信号，但由于与蛋白质交联的增加，影响核酸探针的穿透，因而杂交信号常低于冰冻切片。同时在包埋的过程中可减低mRNA的含量。

48. （二）、玻片和组织切片的处理 1. 玻片的处理：洗涤剂浸泡，清水冲洗；弱酸中浸泡，冲洗；酒精中浸泡，冲洗，最后蒸馏水冲洗，烘干，高热灭菌。粘附剂涂片：有三种： 铬矾-明胶液； 多聚赖氨酸（Poly－L－Lysine）； APES(3-amino propyltriethoxy salane，氨丙基三乙氧基硅烷)。 一般2％APES丙酮液中浸泡10秒，然后丙酮中洗1分钟。

49. 2. 增强组织的通透性和核酸探针的穿透性 常用的方法：应用稀释的酸洗涤；去垢剂(detergent)或称清洗剂，如Triton-X 100或某些消化酶，如蛋白酶K、胃蛋白酶、胰蛋白酶、胶原蛋白酶和淀粉酶(diastase)等。注意不要过度。蛋白酶K(proteinase K)的消化作用的浓度及孵时间视组织种类、应用固定剂的种类、切片的厚薄而定。一般应用1μg/ml（于0.1mol/L Tris-50mmol/L EDTA，pH8.0中）， 在37℃下孵育15-20分钟。

50. 3. 减低背景染色：杂交后的酶处理和洗涤均有助于减低背景颜色。在多聚甲醛固定后浸入乙酸酐(acetic anhydride)和三乙醇胺(triethanolamine)中以减低静电效应，减少探针对组织的非特异性背景染色。预杂交是减低背景染色的一种有效手段，预杂交液与杂交液的区别在于前者不含探针和硫酸葡聚糖(dextran sulphate)，可达到封闭非特异性的杂交目的，减低背景染色。在杂交后洗涤中用低浓度的RNA酶溶液（201μg/ml）洗涤一次，以减低残留的内源性的RNA，减低背景染色。 4. 防止RNA酶的污染：整个实验过程戴消毒手套，器具高温消毒（240℃）。溶液配制用DEPC水。