分子流行病学和分子进化流行病学
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第四节 核糖体分析技术

一、核糖体分型
核糖体分型又称核糖体RNA基因的限制性片段长度多态性分析(restriction fragment length polymorphism of ribosomal RNA),是一种基于基因组的病原体分型方法。它不同于直接应用DNA的RFLP和脉冲凝胶电泳技术,而是首先将酶切处理的基因组DNA进行Southern电泳并将其转运到支持膜上,然后用对应于核糖体RNA的基因作为探针(核素或非核素标记)进行杂交反应,比较杂交区带的数目和位置即可判断菌株的异同。
Tarkka等分析了133个血和粪便、尿液中分离的大肠埃希氏菌显性株的核糖体RNA基因的限制性片段长度多态性,其中包括21株自健康人粪便中分离的菌株,认为在血清学分型方法不能使用时,核糖体分型方法是进行流行病学研究的有力工具。这些菌株含有P, S和1C型琥珀菌株,已被确定属O:K:H血清型。 Hind Ⅲ酶切的基因组DNA被用于Southern分析,所用探针为含有5S,16S和23S rRNA基因的质粒pKK3535或纯化的16S和23S核糖体RNA。结果表明在133株中有20种核糖体型别,菌株在核糖体分型中的分布与O:K:H血清型结果基本相关,菌株起源和毒性因子与核糖体分型间缺乏相关性。应该注意,尽管核糖体型不同可能表明它们属不同起源的菌株,但具有相同的核糖体分型并不证明它们是相同的。即使核糖体分型不能取代血清学分型,但它是进行流行病学调查的有力工具,特别是在对一些血清型难以确定的菌株进行流行病学鉴定时会显示出其独特的优点。
二、随机扩增多态性DNA分型技术
随机扩增多态性DNA分型技术(randomly amplified polymorphic DNA, RAPD)是在PCR技术的基础上发展起来的一项新的分型技术,其独特处在于PCR时使用的是单一的随意引物序列(arbitrary sequence)。具体做法为,首先收集标本并铺板培养单克隆菌斑,参照有关方法快速制备基因组DNA,然后加入底物和引物进行PCR反应,最后电泳观察结果。RAPD技术具有快速、低成本和重复性好的特点,已被成功地用于数种微生物,大肠埃希氏菌,肺炎球菌等的分型检测。
Wong等采用此法对K肺炎球菌进行了快速流行病学分型。其所选用标本为来自马来西亚和英国医院病人的血清型各异的肺炎球菌,采用了多套引物(A1:AGTCGTAACAAGGT AAGCCG, U1:CAGC(A/C)GCCGCGGTAAT(A/T)C等),PCR有多条区带出现,但最主要的是其中的三条区带,不同型别的肺炎球菌具有不同的电泳结果。作者还对RAPD方法进行了标准化,并认为该方法具有同RFLP和脉冲凝胶电泳同样的区分敏感度,且方法简单快速,成本低廉。
三、分枝链DNA信号扩增
分枝链DNA信号扩增技术是美国Chron公司Urdea等建立的一种定量分子杂交检测核酸的方法。基本模式是三明治杂交。现以检测HCV为例说明,首先在酶联板上包被捕获探针,再加连接探针。连接探针一端和捕获探针互补,另一端可和HCV5′端非编码区基因互补。加入提纯的HCV RNA样品后,孵育洗涤,再加入分枝链DNA(bDNA)。分枝链DNA的一端可以和HCV RNA互补,另一端带有多个分枝链,每个分枝链末端均可和碱性磷酸酶标记的探针互补。这样一个分枝链DNA可以结合几十个标记探针,使信号得以放大,最后加上发光底物在发光仪上测定发光强度。通过建立的标准曲线计算出HCV RNA含量。本法操作简单,且可定量。缺点是灵敏度不够,与套式PCR相比,灵敏度为72%,最低检测下限为48 000拷贝HCV基因/ml。
病人标本中的核酸可采用分枝DNA扩增基础上的固相核酸杂交方法定量。例如,Wilber等利用此法检测了HIV。合成10个特异的寡核苷酸序列和包被在微孔板上的靶分子结合,39个寡核苷酸序列用于介导bDNA分子与每个HIV的pol区域的杂交反应。碱性磷酸酶标记的探针可与分枝DNA分子的臂结合,测定是将复合物和化学发光剂一起温育,然后检测发光值并参照标准曲线计算即可得到HIV的定量值。
Hayashi等将bDNA和定量PCR方法进行了比较。234例HCV病人均经PCR法证实。前者检测阳性率为60.7%(142/234),其中Ⅰ型为73.6%,Ⅱ型为41.7,Ⅲ型为38.1%。bDNA检测HCV RNA平均水平分别为0.1、0.1、0.4、1.4和5.3;而定量PCR方法所确定的HCV RNA值分别为< 3、4、5、6和7。二者之间有良好的线性关系( r=0.574 7, P<0.001)。作者认为bDNA可作为临床常规方法应用,它具有操作简单,不易被污染的特点。
四、单链构象多态性分析
单链构象多态性分析(single strand conformation polymorphism, SSCP)是由Orita等于1989年首先建立的分析核酸(DNA和RNA)有无变异的方法,其基本原理是单链核酸在非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳的迁移率与核酸的一级结构和构象密切相关,核酸序列中的任何变异,甚至是单个碱基的改变,都可能改变该核酸片段的构象从而改变核酸分子在电泳时的迁移率,借此可将变异DNA与正常DNA区分开来。由于此方法不需进行序列分析就能发现核酸序列是否突变,较为简单和经济。虽然其不能确定变异的位点与方式,但对于流行病学筛选或定性分析来说已达到目的,所以在一般实验室内较为常用。但由于其影响因素较多,结果重复性差,需熟练的经验,故尚未得到普遍使用。目前SSCP方法通常首先是以目的DNA作为模板进行PCR扩增,再用加热变性或碱变性方法使扩增产物中的双链DNA变性为单链DNA(ssDNA),加入变性上样液后进行非变性聚丙烯酰胺电泳,电泳后用银染或溴化乙锭(EB)染色以显示结果,也可在PCR扩增中用核素或荧光素标记引物进行检测。
用于SSCP分析的核酸片段越小,检测的灵敏度越高。对于小于200bp的片段,SSCP可检出70%的变异,对于300bp大小的片段,变异检出率为50%,而大于500bp的片段其变异检出率仅有10%~30%。故推荐用于SSCP的核酸片段以150bp大小为宜。ssDNA电泳后常显示为两条带,有时会由于分子间相互作用形成多分子聚合体而出现多条电泳带,后者可通过加热而去除。在一些情况下也可能出现复性DNA分子。理论上SSCP可检测出核酸片段上哪怕是一个碱基的突变,但由于该方法易受多种因素的影响,实际上单一条件的SSCP仅能够检出50%~70%的突变,2~3种条件的SSCP可以发现70%~90%的突变。
SSCP目前有许多新发展,如rSSCP(RNA-SSCP)分析,不对称PCR-SSCP分析,多限制性内切酶片段SSCP分析和双脱氧指纹(dideoxy finger-printing, ddF)图谱分析等,它们各有长处,从不同的角度丰富和发展了SSCP方法。
SSCP可用于病原体株的鉴别。Hardie等采用SSCP研究了儿童肿瘤医院内HBV暴发流行的状况。作者分析了57例感染者和40例无关对照者的样品,PCR法扩增位于高变区的前S区长度为189bp的基因组片段,将PCR产物变性后进行电泳,银染法观察结果。SSCP分析表明在无关感染者中每一例都呈现出独特的电泳带型;而医院发病人群主要被5种毒株感染,其中三株主要病毒株所感染的人群数目分别为19、16和9例;其他株为5和3例。上述结果提示这次发病是多种交叉感染引起的,同时说明SSCP可成为确定感染源的方法之一。流感病毒基因组由八个负链RNA片段组成。当细胞中有多种病毒共感染时,病毒DNA会随机重组,这种重组是自然发生的并且在病毒的流行病学和致病性中有重要的意义。Cha等使用RT-PCR和SSCP方法检测了流感病毒基因组,证明该方法可被用于区分不同的流感病毒株。
五、时间分辨荧光检测法
时间分辨荧光检测法(time resolved fluoroisnmuno assay, TRFIA)最初用于免疫学的研究和临床诊断检测,以后被越来越多地用于DNA杂交分析。与核素法和其他非放射性法一样,时间分辨荧光法DNA杂交分析过程,也包括预杂交、杂交、洗涤和检测四步,前三步基本一致,唯独最后检测或为了最后检测而进行的特殊处理才是该法的关键所在。时间分辨法荧光示踪剂不是荧光素,而是镧系元素铕(Eu 3+)、Tb、Sm等,它们在紫外光激发下能够发射微弱的离子荧光,但若被紫外光吸收配体如2-萘酰三氟丙酮(B-NTA)所螯合,配合协同试剂形成微胶囊(microencapsulation),即可产生很强的荧光信号。Eu 3+等标记在何种物质上,视所用DNA杂交分析系统而定。但Eu 3+不能直接同探针DNA或反应系统中的蛋白质连接,需要一个具有双功能基团的鳌合剂起链桥作用,一端直接或间接同探针相连一端螯合Eu 3+,形成探针DNA或生物素化或化学修饰的探针DNA(蛋白质)螯合剂Eu 3+。常用螯合剂有两大类:EDTA衍生物即聚羧酸类(如异硫氰酸苯基-EDTA,氨基苯基-EDTA,重氮苯基-EDTA, DTPA等);4,7-双氯-1,10-菲罗啉-2,9-二羧酸(BCPDA)等,前者主要用于液相检测,后者主要用于固相检测。目前时间分辨荧光检测法检测杂交DNA有以下几种方法:免疫化学测定法,生物素-亲和素法,化学法,酶放大镧系发光法,固相法和均相法等。时间分辨荧光检测法有关的仪器和试剂研究发展较快,其前景是十分乐观的。