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遗传代谢病的基因诊断
点击次数:4486 发布时间:2017-08-02

近年来,随着分子生物学技术的发展,对各种代谢性疾病的基因定位和基因表达调控特征研究越来越多,通过PCR、基因芯片等技术方法进行遗传代谢病的基因诊断已成为可能,也使该类疾病的诊断从传统的表型诊断步入真正的病因诊断新阶段。对遗传代谢缺陷病进行及时筛查诊断并正确治疗,是衡量一个国家医学发展水平的重要指标。

(一)基因诊断的概念和特点

所谓基因诊断,就是利用现代生物学和分子遗传学的技术方法,直接检测基因结构及表达水平是否正常,从而对疾病作出诊断的方法。基因诊断是继形态学、生物化学和免疫学诊断之后的第四代诊断技术,它的诞生与发展得益于分子生物学理论和技术的迅速发展,更多先进、简便的基因诊断方法也不断涌现。

相对于传统的表型诊断,基因诊断具有以下特点:①以基因作为检查材料和探查目标,针对性强;②分子杂交选用特定基因序列作探针,故特异性强;③分子杂交和PCR具有放大效应,故有较好的灵敏度;④适用性强,检查目标可以为内源基因,也可以为外源基因,诊断范围广。

(二)常用基因诊断技术

分子生物学技术很多,目前已有20种可以用于基因诊断。这些技术既包括一些传统的突变分析技术,如单链构象异构多态分析技术、异质性双链构象多态性分析、错配裂解法、变性液相色谱分析、等位基因特异性寡核苷酸杂交、等位基因特异性扩增等,也包括核酸分子杂交、:DNA测序、PCR扩增、基因芯片等许多新的技术方法及其联合。

1.分子杂交技术具有一定同源性的两条核酸单链在适宜的温度和离子强度下,根据碱基互补的原则退火形成稳定的异源双链。根据这一原理,可以用己知核酸片段作为探针并加以标记,用于检测未知序列。分子杂交的过程是高度特异性的,可应用于基因克隆的筛选和酶切图谱的制作、基因组中特定序列的定量和定性检测、基因突变分析。根据检测物质的不同,分子杂交可以分为Southem杂交、Northem杂交、Dot杂交和Western杂交,分别用于检测特定的DNA、RNA和蛋白质。

2. PCR技术 聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)又称体外基因扩增技术,是通过引物和靶DNA的变性处理,在DNA聚合酶的作用下,以靶DNA为模板,合成引物之问的DNA片段,是一个由温度控制反复进行热变性、退火、引物延伸3个步骤而扩增DNA的循环过程。近些年来,PCR技术不断发展,各种方法层出不穷,例如强化PCR、膜结合PCR、锚定PCR、错配PCR、原位PCR、彩色PCR、反向PCR、不对称PCR、增效PCR、定量PCR和重组PCR等。而PCR与限制性片段长度多态性分析(PCR-RFLPs)、特异性寡核苷酸探针斑点杂交(ASO)、单链DNA构象多态性(SSCP)、异源双链分析法(HA)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)等其他技术相结合形成的新方法,使PCR技术的实用性得到了延伸、补充和发展。

3.DNA测序技术 DNA测序技术是人类探知大自然和生命奥秘的重要武器,也是遗传代谢病基因诊断的基本方法,具有稳定、简便、重复性好、自动化程度高等优点。Sanger双脱氧链中止法是zui常用的测序方法,其基本原理是用放射性同位素标记引物,用双脱氧核苷酸终止DNA链的延伸,产生长度不等的DNA片段,再由高分辨力的聚丙烯酰胺凝胶电泳分离,放射自显影读取结果。在各种筛选方法的敏感性和特异性受限时,DNA测序无疑是突变分析zui重要的方法。现在的直接测序方法用四色荧光标记代替了放射性同位素标记。目前型的全自动遗传分析仪自动化程度高、通量大,检出率可达到1000/0,可重复性达到100%。对于短序列的片段分析,也可采用焦磷酸测序技术。

4.荧光原位杂交技术荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization,FISH)是用生物素或地高辛等非放射性物质标记探针,根据碱基配对原则进行杂交,并通过荧光素偶联的抗原-抗体检测系统,在组织、细胞及染色体上对DNA或RNA进行定性及定位分析的一种技术。FISH技术经不断改革和完善,己衍生为一系列包括染色体涂染、间期荧光原位杂交、多色荧光原位杂交和DNA纤维荧光原位杂交等FISH技术,在基因制图、染色体进化、先天畸形诊断、肿瘤诊断和产前诊断等方面都得到了广泛的应用。

5.基因芯片技术基因芯片技术是建立在杂交测序理论基础上的一种全新技术,是将许多特定的基因片段有规律地排列固定于支持物上,然后通过与待测的标记样品按碱基配对原理进行杂交,再通过检测系统对其进行扫描,并用相应的软件对信号进行比较和检测,得到所需的大量信息,进行基因高通量、大规模、平行化、集约化的信息处理和功能研究。

基因芯片技术的出现使基因序列测定、基因功能测定等工作的程序得到了极大的简化。该项技术已经在基因多态性分析、基因表达分析等多方面得到了广泛的应用,并已应用于临床诊断。例如,一种可检测已知突变的芯片,可同时检测117种常见的LDL-R基因点突变和Apo B100基因在3500位点的突变,1180个经:DNA测序证实存在突变的家族性高胆固醇血症(FH)患者采用该芯片检测全部得到相同结果,特异性和敏感性分别达99.7%和99.9%。

6.多重连接探针扩增技术 多重连接探针扩增技术(multiplex 1igation-dependentprobeamplification,MLPA)是利用核酸杂交、连接反应和PCR扩增反应,可以在同一试管内检测多达45个不同核酸序列拷贝数变化,已广泛应用于染色体异常、基因点突变、基因缺失突变等研究领域。其优点为灵敏度高、专一性强、相对简单、成本低、高处理速度等。多重连接探针扩增技术可检测出基于外显子测序分析方法检测不到的基因突变,有可能成为一种新的遗传代谢病分子诊断工具。

(三)遗传代谢病的基因诊断策略

基因诊断可分为直接诊断和间接诊断。直接诊断是以基因本身或紧邻的DNA序列作为探针,或通过PCR扩增产物,以探查基因本身有无突变、缺失等异常及其性质,它适用于已知基因异常的疾病。而当致病基因未知或致病基因异常未知时,可以通过对受检者及其家系进行连锁分析,以推断前者是否获得了带有致病基因的染色体,这称为间接基因诊断。连锁分析多使用基因组中广泛存在的各种DNA多态性位点,特别是基因突变部位或紧邻的多态性位点作为标记。

1.基因诊断方法的选择各种遗传病的基因异常不同,要根据致病基因的变化方式选择相应的基因诊断方法。

遗传代谢病的基因异常大体可分为基因缺失和突变两大类型。后者包括单个碱基置换、微小缺失或插入。近年来不断发现一些遗传病是由于基因内的三核苷酸重复顺序增加引起的,根据对基因异常类型的了解,可以采用不同的诊断方法。如基因缺失可用基因探针杂交,PCR扩增直接检测;点突变可用等位基因特异的ASO探针、SSCP等直接检测。一般无需对家系成员进行分析。但条件是必须知道基因异常的性质,并肯定该异常与疾病之间的关系。然而,由于许多疾病的遗传异质性,以及多数遗传基因异常尚属未知,目前能直接诊断的病种虽日益增多,但仍然是比较有限的。

许多遗传病的基因尚未分离克隆,或基因异常尚不清楚,因此还不能根据突变的性质进行诊断。但如果通过家系分析能证明某一DNA标记与致病基因连锁,则凡带有该标记的成员都可能带有致病基因,从而可作出间接的连锁分析诊断。

2.基因诊断策略的确定

(1)基因缺失型遗传代谢病的诊断:可以采用核酸杂交、基因测序、基因芯片、PCR/RFLP等多种方法进行。例如,a-地中海贫血主要是由于血红蛋白a基因缺失引起的一种遗传代谢病。正常基因组用BamHI切割,可以得到一个14kb的片段,而缺失一个a基因时切点向5’端移位,得到一条10kb的片段。因此,当用a基因探针与基因组DNA进行Southern杂交时,正常人可见一条双份的14kb的带,在a-地中海贫血患者则可见一条14kb和一条10kb的带,或者一条单拷贝的14kb的带,血红蛋白H病时只有一条10kb的带,而在。Bats水肿胎时,则无任何杂交带。

(2)点突变型遗传病的基因诊断:常用PCR、RFLP和ASO探针等进行。例如,镰形细胞性贫血已知突变基因是编码β-珠蛋白链的第6位密码子由GAG变为GTG,从而使缬氨酸取代了甘氨酸,因此,可用RFLP进行基因诊断。已知限制酶MstⅡ切割的识别顺序是CCTNAGG,它能切割正常β链中的CCTGAGG序列,但不能切割突变了的CCTGTGG(A→T)。这样,由于突变消除了一个切点,使内切酶长度片段发生了改变,通过电泳,就可以区别正常的βA和βS。由于突变部位和性质已完全明了,也可以合成寡核苷酸探针,用32P标记后用ASO探针进行诊断。

(3)基因异常不明的遗传病的诊断:这类遗传代谢病大多通过连锁分析进行间接诊断。

例如,成年型多囊染色体显性遗传病,发病率高,约1000人中有1名致病基因的携带者,起病较晚,多在30岁以后,主要为肾和肝中出现多发性囊肿,临床表现为腰痛、蛋白尿、血尿、高血压、肾盂肾炎、肾结石等,zui终可导致肾功能衰竭和尿毒症。本病基因定位于16p13,与a-珠蛋白基因3’端相邻,但致病基因尚未克隆,基因产物的生化性质和疾病发病机制也尚未阐明。因此,只能用连锁分析进行基因的发病前诊断和产前诊断。

随着基因组学和蛋白质组学的飞速发展,遗传代谢病的病因学研究和基因诊断也越来越深入。分子诊断学在该领域未来的发展方向是发挥其在疾病预测、预防和个体化治疗中的作用,充分发挥分子诊断在克服耐药性治疗中所起到的不可替代的作用,同时必须关注分子诊断中的医学伦理和生物安全问题,并加强基因诊断技术的质量控制。

参考资料:骨代谢异常的生物化学检验

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