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第八 章 基因诊断 Gene Diagnosis. 人类疾病的原因. 内因: 基因结构改变( 基因突变 ) —— 点突变、插入、缺失、重排、易位、基因扩增 基因结构多态性 基因表达异常 外因: 病原体的侵入. 对于疾病的诊断依据: 临床表现 实验室诊断技术: 细胞学检查 生物化学代谢产物和酶的活性变化检查 免疫学检验 基因诊断. 一、基因诊断概述. ( 一 ) 基因诊断的 概念与特点 - PowerPoint PPT Presentation
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( 一 ) 基因诊断的概念与特点1 .概念: 指利用分子生物学技术,从
DNA 或 RNA 水平检测基因的存在、分析基因的结构变异和表达状态,对疾病作出诊断的方法和过程。
• 基因诊断以 DNA 和 RNA 为诊断材料,
• DNA 诊断• RNA 诊断
2 .基因诊断的特点:
( 1 )直接检测基因,属病因诊断,针对性强;
( 2 )特异性强、灵敏度高:由于基因诊断采用核酸分子杂交、聚合酶链反应等技术;
( 3 )适用范围广:其应用的范围已从原先局限的遗传性疾病扩大到感染性疾病、肿瘤、心血管疾病等领域。
( 二 ) 基因诊断的基本原理与临床意义
1 .基本原理: 通过检测致病基因(包括内源基因与外源基因)的
存在、量的多少,结构变化与否及表达水平是否正常,以确定被检查者是否存在基因水平的异常变化,以此作为疾病确诊的依据。
2 .临床意义 : • 对有表型出现的疾病作出明确诊断• 早期快速诊断• 确定个体对疾病的易感性• 疾病的分期分型、疗效监测、预后判断等
1. 核酸分子杂交Molecular hybridization
• Southern blot——DNA
• Northern blot——RNA
• Dot blot ,• In Situ Hybridization,
核酸杂交的基本原理:
利用核酸变性和复性理论:( 1 )双链 DNA 分子在某些理化因素作用下解旋,条件恢复后又可恢复其双螺旋结构;( 2 )具有互补碱基序列的异源核酸单链之间同样可按碱基互补配对原则通过氢键结合为双链。
不同的探针在应用中有各自的特点 , 但最重要的是探针的序列选择 . 而探针序列又是依据待测核酸序列选择的。 对致病性微生物应选用其最保守、最特异的序列;对突变基因的检测,应用含有突变位点的序列或待测基因编码的mRNA序列。
1 、 Southern blot :用于 DNA 检测,不但能检测出特异的 DNA 片段,还能进行定位和测定分子量,可用于基因的限制性内切酶图谱分析、基因突变分析等。2 、 Northern blot :杂交用于 RNA 检测,能对组织细胞中的总 RNA 或 mRNA 进行定性和定量分析。3 、 dot blot :既可检测 DNA 也或检测 RNA ,用于基因组中特定基因及其表达的定性和定量分析。缺点:特异性较低,不能鉴定所分析的基因分子量。4 、原位杂交:在组织、细胞和染色体水平作核酸定性和定量分析,并可定位。
2 、采用 PCR 产物的限制性片段长度多态性分析( PCR - RFLP )
基因突变导致的基因碱基组成和顺序发生改变,会在基因结构中产生新的限制性内切酶位点或使原有限制性内切酶位点消失。因此,突变基因经相应的限制性内切酶水解后,其电泳条带的数量和大小就会发生改变,根据这些改变可以判断突变是否存在。即限制性片段长度多态性技术。 PCR - RFLP 就是利用 PCR 技术先将包含待测位点的 DNA 片段扩增出来,然后用识别该位点的限制性内切酶水解,根据限制性片段数量和长度作出诊断。
3 、采用 PCR 结合等位基因特异性寡核苷酸探针杂交技术
等位基因特异性寡核苷酸探针技术( ASO )原理: 针对已知突变位点的基因,可以分别针对已知突变位点的序列,设计一对寡核苷酸探针,其中一条为野生型探针,与无突变序列互补,另一个为突变型探针,与突变序列互补。同时设计探针时,突变碱基应位于探针的中央,这样在严格控制杂交和洗脱条件下,只有完全互补的探针保留下来,形成稳定杂交分子,而中央碱基与靶序列不匹配的探针则被洗脱。
PCR/ASO 则是采用 PCR 扩增受检者基因的目标片段,并与相应的 ASO 探针杂交,如果受检者DNA
扩增的产物与正常探针杂交,而不与突变探针杂交,表示受检者不存在突变基因;如果只有突变探针可以杂交,说明突变基因为纯合子;如果两者都存在,则说明突变基因为杂合子。
采用 PCR 结合等位基因特异性寡核苷酸探针杂交技术
单链构象多态性( SSCP )分析是一种基于单链DNA 构象差别来检测点突变的方法。 DNA 经变性形成单链后,在中性条件下单链 DNA 会因其分子内碱基之间的相互作用,形成一定的立体构象。相同长度的单链DNA 会因分子内碱基组成或排列顺序不同,形成的构象就不同,这样就形成了单链构象多态性。对长度相同而构象不同的单链 DNA 在非变性聚丙烯胺凝胶电泳中表现出不同的迁移率。
5、采用 PCR 产物的单链构象多态性分析进行基因诊断
该技术是先制备浓度从低到高的变性剂的凝胶,然后将待测分析的 PCR 扩增产物进行电泳,到 DNA 电泳到变性剂浓度能使 DNA 发生变性的位置时, DNA
双链分开,由于不同 DNA 片段的碱基组成不同,因此在凝胶中泳动发生变性的位置不同,迁移率也不同,因此可以将相同长度但碱基组成不同的 DNA 片段分开,从而能检测出基因的突变。
6、采用 PCR 结合变性梯度凝胶电泳技术
DNA甲基化是表观遗传学的重要组成部分,在维持正常细胞功能、遗传印记、胚胎发育以及人类肿瘤发生中起着重要作用,是目前新的研究热点之一。
如在一般正常的细胞中,基因调控区 CPG 岛处于非甲基化状态,而当细胞发生癌变后,这些区域往往呈现甲基化状态。因此 DNA甲基化研究是一热点。
7、甲基化特异性 PCR 技术
将 DNA 先用亚硫酸盐处理,这样未甲基化的胞嘧啶转变为尿嘧啶,而甲基化的不变,随后行引物特异性的 PCR 。在 MS-PCR 中设计两对引物,一对为甲基化特异性的引物( primerⅠ ),一对为非甲基化的引物( primerⅡ ),进行特异性的扩增,只有结合完全的甲基化或非甲基化特异性引物的片段才能扩增出产物,最终可以确定研究DNA 片段部位的甲基化情况。
甲基化特异性 PCR 技术( MS-PCR )
• 以上介绍的基于 PCR 扩增技术建立的基因诊断技术,只能提供定性结果,即有无突变。但对基因表达异常的疾病,上述方法无法满足需要,还需要研究其基因的表达量上的变化分析,故还可运用PCR 定量分析基因表达。
• PCR 定量分析方法有:梯度(系列)稀释法、极限稀释法、非竞争性对照法、竞争抑制法 、 荧光定量 PCR
8、采用 PCR 技术进行靶核酸的定量分析
梯度(系列)稀释法:在扩增检测待测样本的同时,扩增一系列稀释的已知标准(通常为质粒DNA )如果在该标准稀释系列范围内,扩增产物 /模板成线性相关,则可推导出同时扩增的待测样本中 PCR模板的相对量 .必须在扩增的指数期进行
优点:简单,可作粗糙的定量分析。
缺 点 : 不 准 确 , 影 响 因 素 多 。
首先将原始模板进行梯度稀释 ;然后对该稀释系列进行 PCR 扩增测定 ;最低的阳性样本被认为含有与一已知的标准稀释系列中最后的阳性样本中相同量的 PCR模板基本依据: PCR 扩增的有效起始模板分子数为104~ 106个
改良方法:极限稀释分析改良方法:极限稀释分析
非竞争性对照基因定量法
该定量法是靶基因与参照基因的同步扩增。即在同样的反应条件下,在一个试管内同步扩增来自同一 DNA 的一段靶序列和另一段内标序列( 通常是管家基因或它们的 mRNA) 。通过比较两种序列的扩增产物电泳带的颜色强度对靶基因定量。
竞争 PCR 与前述方法相似,即靶基因与参考标准在同一反应管中共同扩增,但参照标准通常是一段人工合成的模板而不是内源性基因。竞争 PCR 必须构建一个内部标准,此标准能与靶基因竞争聚合酶、核苷酸和引物分子,具有相同的引物结合位点,其扩增产物能通过电泳或高效液相色谱 (HPLC) 等方法区分开来。 将竞争模板作系列稀释后,加入到恒量的样品 DNA
进行 PCR ,通过分离和分析竞争模板与样品 DNA 产量,对样品 DNA 进行定量分析。
竞争性 PCR :
指在固相支持物上原位合成寡核苷酸或者直接将大量探针以显微打印的方式有序地固化于支持物表面,然后与标记的样品杂交,通过对杂交的检测分析,得出样品的遗传信息(基因序列及表达的信息)
由于在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术如显微光蚀刻、显微打印等,且常用硅芯片作为固相支持物,所以称为 DNA 芯片技术
DNA 芯片技术的概念
DNA 芯片技术原理• 大规模集成的固相杂交 • 基本原理是核酸分子杂交,即依据 DNA
双链碱基互补配对、变性和复性的原理
以 大 量 已 知 序 列 的 寡 核 苷酸、 cDNA 或基因片段作探针,检测样品中哪些核酸序列与其互补,然后通过定性、定量分析得出待测样品的基因序列及表达的信息
第二节对不同疾病采用不同基因诊断的策略
人类疾病多种多样,致病原因不同,因此在基因诊断上也有不同途径和策略。 1 、对致病基因已经找到、发生机制清楚的疾病,可以通过直接检测致病基因进行基因诊断。 如:病原微生物的感染:病毒、细菌、寄生虫、真菌等,及与疾病有关的机体内源性基因:癌基因、抑癌基因、病理基因。
2 、对致病基因还没找到,发生机制也没有完全清楚,但致病基因已定位于染色体或基因组的特定区域的疾病,可以通过检测致病基因的联锁遗传标记进行基因诊断。 如:用限制性内切酶位点作为遗传标记,利用该遗传标记与相邻的基因在遗传过程中分离几率很低,常常一起遗传,形成连锁特点,建立了染色体基因连锁图,根据基因连锁图,通过分析连锁基因的遗传标记,可判断致病基因存在的可能性。
第二节对不同疾病采用不同基因诊断的策略
3 、对多因素、多基因疾病,可以通过检测表型克隆基因进行基因诊断。
第二节对不同疾病采用不同基因诊断的策略
如高血压、冠心病、肿瘤、精神病、自身免疫性疾病,由于疾病发生的原因复杂,涉及多基因、多因素。因此可采用表型克隆方法来分析诊断。原理:从分析正常和异常基因组采用差异显示等技术找到正常人和疾病患者之间的差异序列,进行克隆。根据克隆的一组基因差异序列制作相应探针,用制备的这一组探针检测相关疾病的方法。
第二节对不同疾病采用不同基因诊断的策略
4 、对一些因基因表达异常出现的疾病,可通过基因表达的定量分析进行基因诊断。
对与基因表达异常出现的疾病,可以在转录水平上对该基因的表达的 mRNA 量进行分析,作出诊断。
遗传病的基因诊断是在基因水平上对核酸碱基序列突变的检测,从遗传物质的分子水平上揭示疾病的发生原因和分子机制。
遗传病的诊断分为产前检查、症状前诊断和症状后诊断。遗传病的基因诊断是进行产前检查和症状前诊断的唯一选择,也是遗传病预防最为有效的手段。
第四节、基因诊断技术检测遗传病
• 血红蛋白病可以由血红蛋白结构或合成异常所致的遗传性疾病。前者称为异常血红蛋白病,后者称为地中海贫血。
• 针对异常血红蛋白病如镰刀状红细胞贫血症是由于珠蛋白基因的第6位密码子 GAG 突变成 GTG ,导致蛋白结构异常。对此遗传病的基因诊断可采用 PCR- 限制性内切酶分析技术。
镰状红细胞贫血 HBS-Beta株蛋白基因突变:
Β地中海性贫血基因诊断( PCR-ASO )
已知突变已知突变 GeneGene 部位和性质,合成寡和苷部位和性质,合成寡和苷酸探针,酸探针, 3232PP 标记,进行标记,进行 Southern Blot Southern Blot 杂交杂交 // 斑点杂交。斑点杂交。 Normal βNormal βΑΑGene Probe——Gene Probe—— 与正常与正常 ββΑΑ 杂交杂交Mutation βMutation βSS Gene Probe—— Gene Probe—— 与异常与异常 ββSS 杂交杂交
1 、 Gene 缺失遗传病的诊断• 1 ) α地贫的 Gene
诊断• α基因不同程度的
缺失引起不同类型的 α地贫, α基因缺失 1~ 4个。正常 Gene组用BamHI切割,可得到 14kb的片段,而缺失一个 α Gene时可得到 10kb片段。
BamHI BamHIα2 α1
α2
10 kb
14 kb
probe
以 αGene为探针, Southern blot 方法检测
• αα/αα αα/α- αα/- - α- /- - - - / - -
• 正常 缺 1 缺 2 缺 3 缺 4
14kb
10kb
直接诊断:检测已知致病基因
在 DNA 序列上有较长一段序列的重新排布。包括大片段(数十个碱基甚至数千个碱基)的丢失、插入、取代、复制放大和倒位等,这些突变进而引起更大范围内的染色体结构上的改变从而影响多个基因的功能,即染色体突变或畸变,包括染色体的易位、缺失或染色三体(如唐氏综合征)等
• 2. 基因重排 \缺失 :核酸分子探针杂交与 PCR
( 1 ) Southern 印迹杂交、斑点杂交、原位杂交,通过设计一系列相应于缺失区域的核苷酸探针,正常者出现杂交信号,而患者则因缺失这一区域,而检测不到杂交信号
( 2 )多重 PCR , 1988 年 Chamberlain 等采用多重 PCR 技术成功地同时扩增了人类杜氏肌营养不良蛋白基因的多个基因座
直接诊断:检测已知致病基因
杜氏肌营养不良症的基因诊断
DMD 是一种严重致死性疾病( XR ),临床症状表现肌肉进行性萎缩和乏力。 病因是抗肌萎缩蛋白基因突变所致。 Gene 定位 Xp21 , Gene 2300kb,79 个Exon , cDNA全长 13974bp ,编码 3685 Aa ,分子量 427kD 。 DMD 的最主要遗传缺陷是外显子缺失,约占 60%~70% 。
1. DNA Marker 2. 阳性对照 3. 孕妇 1. DNA Marker 2. 阳性对照 3. 孕妇4. 胎儿 5. 阴性对照 4. 胎儿 5. 阴性对照
采用多重 PCR法扩增该基因的多个外显子
二、遗传病间接诊断
当致病基因虽然已知,但其异常性质未知时,或疾病 Gene
本身尚未知时,主要通过 Gene 和遗传标记的连锁分析间接地作出诊断。
连锁分析基于遗传标记与 Gene 在染色体上连锁, 通过对受检者及其家系进行连锁分析,分析子代获得某种遗传标记与疾病的关系,间接推断受检子代是否获得带有致病基因的染色体,间接地判断并做出诊断。
遗传标记(限制性片段长度多态性、微卫星 DNA
序列、单核苷酸多态性等)
1 Southern blot--RFLP诊断(PKU)
PAH 基因两侧有 Msp1 酶切位点 , 用该酶消化可产生 23kb 、 19kb 两种等位片段,以 PAHcDNA为探针与PKU 家系成员外周血DNA 杂交。
间接基因诊断
•患者为 19kb 片段的纯合子 ,说明患者缺陷的 PAH 基因与 19kb 片段连锁
• 其父、母亲缺陷的 PAH 基因与 19kb片段连锁,其 23kb 片段与正常 PAH基因连锁。
• II2为 23kb 和 19kb 片段的杂合子,为表型正常的致病基因携带者。
间接基因诊断
成年型多囊肾病的基因诊断•例:成年型多囊肾病—— APKD , AD ,临床表现为腰痛,蛋白尿,血尿,高血压,肾盂性肾炎,肾结石。最终导致肾功能衰竭和尿毒症。
• APKD——Gene定位 16p13.3,但致病基因尚未克隆,基因产物的生化性质和疾病发病机理也尚未阐明,但已证实 APKD Gene 与α珠蛋白基因 3` 端附近的一段小卫星 DNA序列( 3`HVR)紧密连锁,因此,可以通过RFLP连锁分析进行诊断。
以 3`HVR 为探针,与 PvuII 酶切后的家系有关成员的基因组 DNA 进行 Southern Blot
基因组 DNAPvuII 酶
切 DNA 片段变性
转膜
探针
变性
杂交
结果分析
间接基因诊断
遗传疾病的基因诊断方法基因异常 方法 探针、引物或限制酶 基因组 DNA印迹杂交 缺失基因的探针 基因缺失 PCR 扩增 引物包括缺失或在缺失部位内 RFLP 分析 突变导致其切点消失的限制酶点突变 ASO 杂交 正常和异常的 ASO 探针 PCR 产物的多态性分析( SSCP )引引物包括突变部
位
基因未知与疾病连锁的多态性分析 与疾病连锁的多态位点 探针或引物
策略一、通过检测肿瘤染色体异位及融合基因诊断
淋巴造血系统肿瘤中 ,染色体异位和重排发生较为普遍 .临床上出现的炎症性淋巴结肿大与淋巴瘤肿大的鉴定 : 在淋巴瘤细胞中, T细胞受体( TCR)基因和 IgH 基因发生重排,原来相隔数百个碱基的 IgH 基因和 TCR 基因的 V 区和 J区基因就会靠近在一起,而炎症增生性细胞内就不会发生基因重排,故通过 PCR 扩增可以鉴定之。
策略二、通过检测癌基因和抑癌基因诊断肿瘤
癌基因的激活及抑癌基因的失活与肿瘤发生发展关系密切。多数肿瘤组织或肿瘤细胞中都检测到癌基因与抑癌基因的突变。用基因诊断方法:定量PCR 、印迹技术、 PCR-SSCP 等检测。 如 ras癌基因,其激活的分子机制主要是点突变,因此可通过 PCR-ASO 、 PCR-SSCP 等方法。 P53 基因是抑癌基因,在肿瘤组织中其常发生突变而失活。因此可通过 PCR-SSCP 、 DNA 测序分析等,可检测 P53 基因的突变。
策略四、检测肿瘤标记物基因或 mRNA 诊断肿瘤
肿瘤标记物是肿瘤组织中产生的与肿瘤发生发展过程相关的物质。如肿瘤抗原、激素、酶等。因此通过特异的肿瘤标记物基因的检测,可以帮助对肿瘤的诊断。
肝癌—甲胎蛋白( AFP )
结肠癌—癌胚抗原( CEA )
SARS 相关冠状病毒的分子诊断
• 2003 年 4月,香港研究者 Peiris等报
告了 50 例 SARS病人的临床表现和
病毒学研究结果证明,新冠状病毒
可能是 SARS的致病原因。
( Lancet, 2003, 361: 9365)
• 其它实验室陆续得出相同结论。
• 2003年 4 月,德国汉堡 Bernhard-
Nocht热带医学研究所学者 Drosten
等用随机扩增技术,获得长度为 300 bp 的核苷酸序列。• 根据这段序列,建立了检测新冠状 病毒的常规和实时定量 PCR 技术。(
www.nejm.com.org on April 10, 2003 )
• 1. 血清学方法: ELISA ( IgM/IgA )方法能够可靠地检出出现临床症状 20天后 SARS 病人血清中的病毒抗体。某些病人在 14-21 天时,已经可以检测到抗体。
• 2. 细胞培养方法:利用 VERO 细胞来检测 SARS 病人的呼吸道分泌物和血液样品,阳性结果则表示 SARS 病人感染了冠状病毒。
• 3. 分子生物学方法:主要是运用 PCR 的方法对血液、粪便、呼吸道分泌物、痰液、唾液和漱口液等临床样本的核酸提取物进行体外的扩增后,进行定性与定量的分析。
检测方法
讨 论• 疾病的早期即可获得阳性结果(早 于血清转换期)。• 特异性较高( SARS患者中的阳性 率约为 80% ,对照中的阴性率约为 98%~100% )。• 现有的方法敏感性较差,阴性结果 不能排除病毒感染。
讨 论
• 痰液中病毒 RNA浓度极高,说明病毒从呼吸道 排放是主要传播途径。• 血清中检测到极低浓度的病毒 RNA ,提示病毒 复制不仅发生于呼吸道。• 病人恢复晚期的粪便中存在病毒 RNA ,说明粪 便可能也是一种传播途径。• 鼻、咽拭子中含有的病毒 RNA 显著少于痰液, 提示不适合作为标本(有可能漏检)。
SARS 相关冠状病毒分子诊断中必须注意的问题
• 必须在规范的基因扩增实验室中进行。• 应采取必要的质控规程,包括阳性对照 和阴性对照。• 阳性结果时必须对原始样本重复检验或 者扩增基因的另一个片段或在另一个实 验室对同一样本进行检测。