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2019諾獎化學獎會給生物學家嗎 這種DNA驗證技術呼聲高

http://dailynews.sina.com   2019年10月08日 14:26   中國新聞網

  2019諾獎化學獎會給生物學家嗎 這種DNA驗證技術呼聲高

  本報記者 張佳星

  諾貝爾生理或醫學獎已然揭曉,但生物學家們還有機會。

  被稱爲諾貝爾風向標的引文桂冠獎,今年其化學獎也有兩項與生命科學密切相關,當看到Southern(直譯“南方”)的鼎鼎大名時,記者當即決定“押寶”這個無處不在的DNA驗證技術。

  Southern印跡法由埃德溫·薩瑟恩(Edwin Southern)在英國醫學研究理事會從事科學研究時發明,相關論文首次發表時他僅僅35歲,以他名字命名的DNA印跡技術,可用於確定特定DNA序列,並判斷其功能、是否變異、圖譜位置等,他後續還發明瞭DNA芯片等技術。引文桂冠獎稱他的發明是高通量核酸分析工作及基因圖譜、診斷和篩查的開端,也是當今個性化醫療的基礎。

  可檢測遺傳病中的單基因突變

  2007年江蘇省高考生物學試卷中有一道關於Southern印跡法的試題,題目給出Southern印跡試驗後獲得的圖像,請學生判斷不同的條帶說明了什麼生命科學意義——

  單基因遺傳病可以通過核酸雜交技術(Southern印跡法)進行早期診斷。鐮刀型細胞貧血症是一種在地中海地區發病率較高的單基因遺傳病。已知紅細胞正常個體的基因型爲BB,鐮刀型細胞貧血症患者的基因型爲Bb。有一對夫婦被檢測出均爲該致病基因的攜帶者,爲了能生下健康的孩子,每次妊娠早期都進行產前診斷。題目給出產前核酸分子雜交診斷和結果示意圖。根據凝膠電泳帶譜分析可以確定胎兒是否患有鐮刀型細胞貧血症。

  其中提到的B和b體現在DNA上僅僅是一個鹼基的區別,如何能夠將其區分開來呢?Southern印跡法做到了。

  它的原理可以形象理解爲“釣魚執法”和“打出原形”兩步——

  B和b由於一個鹼基的不同在不同的酶切反應中就會反應不同,通過特定酶的“釣魚執法”,兩種基因“你向左,我向右”,但在外表還看不出來,這時候“鎖住原形”(轉移到尼龍膜等能鎖住DNA的膜上)通過可顯影的放射性同位素等做標記,讓探針DNA把鎖住的原形呈現出來,實現“可視化”。由此,通過Southern印跡法,些微的DNA突變可以被檢測出來。

  題目中提及的鐮刀型細胞貧血症的基因基礎,正是薩瑟恩1978年利用該方法發現的。與此同時,薩瑟恩決定使用分子生物學方法對人類基因組進行作圖。爲了這個計劃中大規模序列分析的需要,薩瑟恩進行了多項技術革新,包括使用凝膠電泳對經限制性內切酶切割後的片段精確分子量的確定、根據凝膠結果對DNA序列進行自動讀取等。

  衍生出對蛋白等生命分子的檢測方法

  由於以薩瑟恩名字命名的Southern印跡法與“南方的”英文一樣,隨後誕生的其他印跡法分別以Northern、Western命名。

  當待分析的物質由DNA轉變爲RNA時,“南”變成了“北”。軍事醫學科學院基礎醫學研究所蔡仕英等在介紹《電泳的原理、應用及進展》中提道:在電流作用下,薩瑟恩成功地將DNA片段從瓊脂糖凝膠中轉印到硝酸纖維膜上進行分子雜交分析,因此稱爲Southern印跡法。後來,艾爾文(Alwine)用類似方法也成功地將RNA從電泳膠中轉印到硝酸纖維膜上作分子雜交分析,但他並沒有稱這一技術爲Alwine印跡法,而是稱之爲Northern印跡法,以便與Southern印跡法相對應。

  1981年布瑞特(Burette)又成功地將SDS-PAGE膠中的蛋白質轉印到膜上進行免疫學分析(如抗原抗體結合、蛋白質與配基結合等),繼Alwine之後,Burette稱這一技術爲Western印跡法。蛋白印跡法是一項廣泛用於檢測細胞或組織提取物中蛋白表達水平的技術。這項技術藉助抗體與目的蛋白的結合作用,測量生物樣品中的蛋白質水平。

  這樣一來,在印跡電泳這個家族中,僅缺一個Eastern印跡法。後來有人提議將IEF膠(即等電聚焦電泳)中的蛋白質轉印到膜上的技術稱爲Eastern印跡法,但這一建議並未被廣泛接受。Eastern印跡法是一種檢測蛋白質翻譯後修飾的技術,其檢測目標是蛋白質上特定的修飾基團或部位,如脂肪酸鏈、糖基、磷酸化的氨基酸等等。在Eastern印跡法的實驗中,通常要先用2D電泳將蛋白質分離,然後轉到膜上,再用特異的探針去檢測。蛋白質的翻譯後修飾是蛋白質執行功能過程中普遍存在的調控手段。

  在印跡電泳技術中,薩瑟恩作爲開創者、先行者發明的技術,衍生出人們對於DNA、RNA、蛋白質等生命活動的基本分子物質的快速、準確、靈敏的檢測方法,引領了“‘南’者爲大、號令四方”的研究探索次序和格局。

  不僅如此,人們還舉一反三,實現了菌落上的定位檢測。用類似的方法將生長在瓊脂培養基上的菌落做成複製皿後再轉移到硝酸纖維紙上變性並與特定的放射標記的探針雜交,可以篩選出帶有特定DNA片段的菌落,這種技術稱爲菌落雜交,又稱原位雜交。

  菌落雜交,是因爲生長在培養基平板上的菌落或噬菌斑按照其原來的位置不變地轉移到濾膜上,並在原位發生溶菌、DNA變性和雜交作用。這種方法對於從成千上萬的菌落或噬菌斑中鑑定出含有重組體分子的菌落或噬菌斑具有特殊的實用價值。

  DNA芯片使基因測序效率提升千萬倍

  諾貝爾獎的授予是爲了表彰對人類做出最重大貢獻的人,迄今爲止,Southern雜交技術依舊活躍在生命科學研究的最前沿,並逐步走出實驗室走進臨牀,用於疾病的診斷和檢測。

  最新的研究論文顯示,科研人員利用Southern雜交技術對人類的線粒體DNA進行定量。在單個細胞中線粒體DNA基因組是整體基因組的“滄海一粟”,這使得定量檢測十分困難。

  量少卻至關重要,線粒體DNA的缺失或突變往往是致命的,例如,在某些核苷類逆轉錄酶抑制劑治療的人類免疫缺陷病毒感染患者中,線粒體毒性和線粒體DNA缺失也已報道。因此,用進一步發展的Southern印跡法來估計人類基因組DNA樣品中的線粒體DNA含量十分重要。迄今爲止,Southern雜交技術仍舊是兼顧穩、準、快的不可替代的DNA檢測技術。“Southern雜交技術已成爲檢測特定DNA片段的經典方法之一。此法快速、準確、靈敏,目前已經廣泛地應用於醫學、病毒學、轉基因動植物鑑定、動物疾病診斷以及DNA指紋分析等方面的研究。”新疆大學生命科學與技術學院教授馬正海等在相關技術的改進方面做了探索總結的工作,使得該技術的實現更加便利。

  Southern印跡法的常青不衰還體現在薩瑟恩本人不間斷的科研生涯中。資料顯示,在發明了著名的Southern印跡雜交之後,他從英國醫學研究理事會(MRC)來到牛津大學,在特殊的玻璃表面通過有效的組合化學方法合成了特定寡核苷酸序列,該方法最終發展成爲DNA芯片。1996年,薩瑟恩建立了牛津基因技術公司(OGT),主要進行高通量的核酸分析工作。

  DNA芯片技術已經稱爲現代生命科學儀器設備繞不開的必備組件,使得檢測效率實現了千萬倍的提升,也使得基因測序、精準醫療的成本大大降低,有望普惠大衆。

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