基本介紹
- 中文名：基因探針
- 外文名：probe
- 又稱：寡核苷酸探針
- 簡稱：探針
- 屬性：DNA或者RNA
來源,製備,標記,DNA探針,RNA探針,探針標記,實驗套用,
來源
DNA探針根據其來源有3種：一種來自基因組中有關的基因本身，稱為基因組探針（genomic probe）；另一種是從相應的基因轉錄獲得了mRNA，再通過逆轉錄得到的探針，稱為cDNA探針（cDNA probe）。與基因組探針不同的是，cDNA探針不含有內含子序列。此外，還可在體外人工合成鹼基數不多的與基因序列互補的DNA片段，稱為寡核苷酸探針。
製備
進行分子突變需要大量的探針拷貝，後者一般是通過分子克隆（molecular cloning）獲得的。克隆是指用無性繁殖方法獲得同一個體、細胞或分子的大量複製品。當製備基因組DNA探針進，應先製備基因組文庫，即把基因組DNA打斷，或用限制性酶作不完全水解，得到許多大小不等的隨機片段，將這些片段體外重組到運載體（噬菌體、質粒等）中去，再將後者轉染適當的宿主細胞如大腸肝菌，這時在固體培養基上可以得到許多攜帶有不同DNA片段的克隆噬菌斑，通過原位雜交，從中可篩出含有目的基因片段的克隆，然後通過細胞擴增，製備出大量的探針。
為了製備cDNA 探針，首先需分離純化相應mRNA，這從含有大量mRNA的組織、細胞中比較容易做到，如從造血細胞中製備α或β珠蛋白mRNA。有了mRNA作模板後，在逆轉錄酶的作用下，就可以合成與之互補的DNA(即cDNA)，cDNA與待測基因的編碼區有完全相同的鹼基順序，但內含子已在加工過程中切除。
標記
為了確定探針是否與相應的基因組DNA雜交，有必要對探針加以標記，以便在結合部位獲得可識別的信號,通常採用放射性同位素32P標記探針的某種核苷酸α磷酸基。但近年來已發展了一些用非同位素如生物素-親合素系統
DNA探針
DNA探針是以病原微生物DNA或RNA的特異性片段為模板，人工合成的帶有放射性或生物素標記的單鏈DNA片段，可用來快速檢測病原體。DNA探針將一段已知序列的多聚核苷酸用同位素、生物素或螢光染料等標記後製成的探針。可與固定在硝酸纖維素膜的DNA或RNA進行互補結合，經放射自顯影或其他檢測手段就可以判定膜上是否有同源的核酸分子存在。
DNA探針是最常用的核酸探針，指長度在幾百鹼基對以上的雙鏈DNA或單鏈DNA探針。現已獲得DNA探針數量很多，有細菌、病毒、原蟲、真菌、動物和人類細胞DNA探針。這類探針多為某一基因的全部或部分序列，或某一非編碼序列。這些DNA片段須是特異的，如細菌的毒力因子基因探針和人類Alu探針。這些DNA探針的獲得有賴於分子克隆技術的發展和套用。以細菌為例，目前分子雜交技術用於細菌的分類和菌種鑑定比之G+C百分比值要準確的多，是細菌分類學的一個發展方向。加之分子雜交技術的高敏感性，分子雜交在臨床微生物診斷上具有廣闊的前景。細菌的基因組大小約5×106bp，約含3000個基因。各種細菌之間絕大部分DNA是相同的，要獲得某細菌特異的核酸探針，通常要採取建立細菌基因組DNA文庫的辦法，即將細菌DNA切成小片段後分別克隆得到包含基因組的全信息的克隆庫。然後用多種其它菌種的DNA作探針來篩選，產生雜交信號的克隆被剔除，最後剩下的不與任何其它細菌雜交的克隆則可能含有該細菌特異性DNA片段。將此重組質粒標記後作探針進一步鑑定，亦可經DNA序列分析鑑定其基因來源和功能。因此要得到一種特異性DNA探針，常常是比較繁瑣的。探針DNA克隆的篩選也可採用血清學方法，所不同的是所建DNA文庫為可表達性，克隆菌落或噬斑經裂解後釋放出表達抗原，然後用來源細菌的多克隆抗血清篩選陽性克隆，所得到多個陽性克隆再經其它細菌的抗血清篩選，最後只與本細菌抗血清反應的表達克隆即含有此細菌的特異性基因片段，它所編碼的蛋白是該菌種所特有的。用這種表達文庫篩選得到的顯然只是特定基因探針。
螢光間接標記dna探針檢測
螢光間接標記dna探針檢測對於基因探針的克隆尚有更快捷的途徑。這也是許多重要蛋白質的編碼基因的克隆方法。該方法的第一步是分離純化蛋白質，然後測定該蛋白的氨基或羥基末端的部分胺基酸序列，然後根據這一序列合成一套寡核苷酸探針。用此探針在DNA文庫中篩選，陽性克隆即是目標蛋白的編碼基因。值得一提的是真核細胞和原核細胞DNA組織有所不同。真核基因中含有非編碼的內含子序列，而原核則沒有。因此，真核基因組DNA探針用於檢測基因表達時雜交效率要明顯低於cDNA探針。DNA探針（包括cDNA探針）的主要優點有下面三點：①這類探針多克隆在質粒載體中，可以無限繁殖，取之不盡，製備方法簡便。②DNA探針不易降解（相對RNA而言），一般能有效抑制DNA酶活性。③DNA探針的標記方法較成熟，有多種方法可供選擇，如缺口平移，隨機引物法，PCR標記法等，能用於同位素和非同位素標記。
DNA探針可以用來診斷寄生蟲病，現場調查及蟲種鑑定，可用於病毒性肝炎的診斷，遺傳性疾病的診斷，可用於檢測飲用水病毒含量。具體方法：用一個特定的DNA片段製成探針，與被測的病毒DNA雜交，從而把病毒檢測出來。與傳統方法相比具有快速、靈敏的特點。傳統的檢測一次，需幾天或幾個星期的時間，精確度不高，而用DNA探針只需一天。據報導，能從1t水中檢測出10個病毒來，精確度大大提高。
RNA探針
RNA探針是一類很有前途的核酸探針，由於RNA是單鏈分子，所以它與靶序列的雜交反應效率極高。早期採用的RNA探針是細胞mRNA探針和病毒RNA探針，這些RNA是在細胞基因轉錄或病毒複製過程中得到標記的，標記效率往往不高，且受到多種因素的制約。這類RNA探針主要用於研究目的，而不是用於檢測。例如，在篩選逆轉錄病毒人類免疫缺陷病毒（HIV）的基因組DNA克隆時，因無DNA探針可利用，就利用HIV的全套標記mRNA作為探針，成功地篩選到多株HIV基因組DNA克隆。又如進行中的轉錄分析（nuclearrunontranscrip－tionassay）時，在體外將細胞核分離出來，然後在α-32P-ATP的存在下進行轉錄，所合成mR－NA均摻入同位素而得到標記，此混合mRNA與固定於硝酸纖維素濾膜上的某一特定的基因的DNA進行雜交，便可反映出該基因的轉錄狀態，這是一種反向探針實驗技術。
高辛標記的rna探針
高辛標記的rna探針近幾年體外轉錄技術不斷完善，已相繼建立了單向和雙向體外轉錄系統。該系統主要基於一類新型載體pSP和pGEM，這類載體在多克隆位點兩側分別帶有SP6啟動子和T7啟動子，在SP6RNA聚合酶或T7RNA聚合酶作用下可以進行RNA轉錄，如果在多克隆位點接頭中插入了外源DNA片段，則可以此DNA兩條鏈中的一條為模板轉錄生成RNA。這種體外轉錄反應效率很高，在1h內可合成近10μg的RNA產生，只要在底物中加入適量的放射性或生物素標記的NTP，則所合成的RNA可得到高效標記。該方法能有效地控制探針的長度並可提高標記物的利用率。
值得一提的是，通過改變外源基因的插入方向或選用不同的RNA聚合酶，可以控制RNA的轉錄方向，即以哪條DNA鏈以模板轉錄RNA。這種可以得到同義RNA探針（與mRNA同序列）和反義RNA探針（與mRNA互補），反義RNA又稱cRNA，除可用於反義核酸研究外，還可用於檢測mRNA的表達水平。在這種情況下，因為探針和靶序列均為單鏈，所以雜交的效率要比DNA-DNA雜交高几個數量級。RNA探針除可用於檢測DNA和mRNA外，還有一個重要用途，在研究基因表達時，常常需要觀察該基因的轉錄狀況。在原核表達系統中外源基因不僅進行正向轉錄，有時還存在反向轉錄（即生成反義RNA），這種現象往往是外源基因表達不高的重要原因。另外，在真核系統，某些基因也存在反向轉錄，產生反義RNA，參與自身表達的調控。在這些情況下，要準確測定正向和反向轉錄水平就不能用雙鏈DNA探針，而只能用RNA探針或單鏈DNA探針。
探針標記
簡述
探針是能與特異靶分子反應並帶有供反應後檢測的合適標記物的分子。利用核苷酸鹼基順序互補的原理，用特異的基因探針即識別特異鹼基序列的有標記的一段單鏈DNA（或RNA）分子，與被測定的靶序列互補，以檢測被測靶序列的技術叫核酸探針技術。探針製備就是將目的基因進行標記。特異性探針有三種形式——cDNA、RNA、寡核苷酸。cDNA和寡核苷酸是目前最常採用的探針。RNA探針用途很廣，也容易獲得，但其不穩定性限制了其商業用途。cDNA探針的獲得是，將特定的基因片段裝載到質粒或噬菌體中，經過擴增、酶切、純化等複雜的步驟，才能得到一定長度的cDNA探針。這一過程比較複雜，有相應條件的實驗室才能做到。寡核苷酸探針是在已知基因序列的情況下，由核酸合成儀來完成，可廉價獲得大量的此類探針。質量也相對來說更為穩定。由於cDNA探針長度通常為數百至數千個鹼基，所以有良好的信號放大作用，但其滲透性比較差。寡核苷酸探針一般為十數個至數十個鹼基，滲透性強，但信號放大作用則較差，合成的多相寡核苷酸探針，敏感性可以達到cDNA探針水平。
質粒的酶切分析
質粒的酶切分析探針的標記方式有放射性標記和非放射性標記。標記物質有放射性元素（如32P等）和非放射性物質（如生物素、地高辛等）。32P是最常用的核苷酸標記同位素，被標記的dNTP本身就帶有磷酸基團，便於標記。特點是比活性高，可達9000Ci/mmol；發射的β射線能量高。用它標記的探針自顯影時間短，靈敏度高。32P的半壽期短，雖使用不方便，但為廢棄物的處理減輕了壓力。非放射性標記法有酶標法和化學物標記法。酶標方法與免疫測定ELISA方法相似，只是被標記的核酸代替了被標記的抗體，事實上被標記的抗體也稱為探針，現有許多商品是生物素、地高辛標記的。血凝素與生物素有非常高的親和性，當血凝素標記上過氧化物酶或鹼性磷酸酶，經雜交反應最終形成探針-生物素-血凝素酶複合物（ABC法），酶催化底物顯色，觀察結果。ABC法底物顯色生成不溶物，以便觀測結果。酶標記法複雜、重複性差，成本高，但便於運輸、保存，靈敏度與放射物標記法相當。
探針標記方法
①缺口平移標記法。利用的是DNA聚合酶I能修復DNA鏈的功能。該法先由DNaseI在DNA雙鏈上隨機切出切口，然後DNA聚合酶I沿缺口水解5´端核苷酸，同時在3´端修復加入被標記核苷酸，切口平行推移。缺口平移法快速、簡便、成本相對較低、比活性相對較高、標記均勻，多用於大分子DNA標記，(>1000bp最好)，但單鏈DNA、RNA不能用該法標記。
②隨機引物法。隨機引物是指含有各種可能排列順序的寡聚核苷酸片斷的混合物，因此它可以與任意核苷酸序列雜交，起到聚合酶反應的引物作用。將待標記的DNA探針片斷變性後與隨機引物一起雜交，然後以此雜交的寡聚核苷酸為引物，在大腸桿菌DNA聚合酶I大斷段（KlenowFragment）催化下，合成與探針DNA互補的DNA鏈，當在反應體系中含有a-32P-dNTP時，即形成放射性同位素標記的DNA探針。具有上述優點，可代替缺口平移法。此外大小、單雙DNA均可標記，標記均勻，標記率高，但也不能標記環狀DNA。隨機引物法標記探針一般長400~600bp。
③末端標記法（又叫尾標）。利用末端轉移酶可進行“尾標”，尾標適用於寡核苷酸探針標記，寡核苷酸探針多用於核酸“點”突變的檢測，該探針可用核酸合成儀人工合成，克隆出的探針一般較長，特異性好，標記量大，雜交的檢出信號強。
探針合成的注意事項
①合成探針的長短，一般在20~50個核苷酸之間。合成過長成本高，且易出現聚合酶合成錯誤，雜交時間長，合成太短則特異性下降。②鹼基組成G-C應含40%~60%，一種鹼基連續重複不超過4個，以免非特異性雜交產生。③探針自身序列內應無互補區域，以免產生“髮夾”結構，影響雜交。總之，一個好的探針最終要在實踐中才能加以確認。
實驗套用
禽流感基因探針製備
將禽流感病毒H9N2亞型毒株核蛋白(NP)基因3′端較為保守的、約350bp的編碼序列通過限制性內切酶Hae¸切割、分離後,用隨機引物法製備Digoxigenin2112dUTP標記探針。測定該探針的濃度為100Lgöml。特異性試驗發現該探針只能與實驗室構建的、含有NP基因的重組載體pGEM2TE2NP和pBacPAK2NP以及A型流感病毒H9N2亞型、H3N2亞型以及H9N3亞型毒株基因組RNA結合出現特異性的顏色反應,而與實驗室常用的載體pGEM2Teasy、pBacPAK2His3、pTARGET和pGEMEX22以及新城疫病毒、傳染性支氣管炎病毒和傳染性喉氣管炎病毒基因組不發生反應。套用該探針檢測含NP基因的重組載體和重組病毒證明該探針是有效的,可用於含禽流感病毒樣品或材料的檢測。
探針濃度鑑定
探針濃度鑑定DNA探針原位雜交
1、4—6微米切片，用防脫片膠（多聚賴氨酸）處理過的玻片貼附
2、56—60℃烤片2—16h
3、新鮮二甲苯脫蠟，10minX2（趁熱脫蠟）
4、100%乙醇5minX2次，不用浸水，直接空氣乾燥
5、加入50μl蛋白酶K工作液（蛋白酶K用蒸餾水稀釋，濃度為25μg/ml），37℃消化10—15min
6、棄去蛋白酶K工作液，0.1MTBS洗滌3minX3次逐級酒精脫水（85%，95%，100%酒精）1minX3次然後空氣乾燥
7、加入20μl探針，加蓋薄膜。（探針用預雜交液稀釋，濃度為5μg/ml）。
8、95℃變性10—12min；立刻置於冰塊上，防止復性。
9、37℃雜交16—20h
10、揭去薄膜，每張切片加入以下雜交後洗滌液：
>用2—3滴2XSSC37℃洗滌3minX2次；
>0.5XSSC37℃洗滌3minX2次；
>0.2XSSC37℃洗滌3minX2次；
11、0.1MPBS/TBS緩衝液洗滌，1minX3次
12、滴加小鼠抗地高辛生物素標記的抗體工作液，37℃孵育45—60min；
13、0.1MPBS浸洗，5minX3次
14、滴加高敏鹼性磷酸酶鏈親和素複合物工作液，37℃孵育45—60min。
15、0.1MPBS浸洗，5minX3次
16、滴加NBT/BCIP顯色6—16h，
17、雙蒸水終止反應（37℃10min—2h），雙蒸水浸洗，5minX2次
18、滴加核固紅，30秒—5min；
19、雙蒸水浸洗，5minX3次
20、脫水、透明、封片
