临检培训基因扩增技术在遗传病基因诊断中的应用临检培训班课件.ppt
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1、基因扩增技术在遗传病基因诊断中的应用刘敬忠刘敬忠 首都医科大学附属北京朝阳医院首都医科大学附属北京朝阳医院 北京基因诊断实验室北京基因诊断实验室 北京朝阳医院法医物证司法鉴定所北京朝阳医院法医物证司法鉴定所中心法则中心法则 复复 转录转录 翻译翻译 DNA RNA DNA RNA 蛋白质蛋白质 蛋白蛋白 制制 反转录反转录 糖蛋白糖蛋白 脂蛋白脂蛋白 酶类酶类 激素激素 细胞因子细胞因子 基因重组技术基因重组技术 基因探针技术基因探针技术 基因重组药物基因重组药物 基因诊断基因诊断 基因治疗基因治疗 PKUPKU 尿毒症(口服尿毒症(口服artificial cells)artificial
2、cells)基因诊断基因诊断 运用基因探针,运用基因探针,PCRPCR技术等探测特定靶基技术等探测特定靶基因的存在与否,或是否有基因突变等缺陷,从因的存在与否,或是否有基因突变等缺陷,从而对疾病或病原体感染作出诊断叫基因诊断。而对疾病或病原体感染作出诊断叫基因诊断。基因型基因型 表表 型型 基基 临临 血血 生生 细细 影影 病病 因因 床床 清清 化化 菌菌 像像 理理 诊诊 学学 学学 学学 学学 学学 断断 诊诊 诊诊 诊诊 诊诊 诊诊 诊诊 断断 断断 断断 断断 断断 断断基因诊断的特点基因诊断的特点灵敏度高(早期)灵敏度高(早期)特异性强特异性强操作简便操作简便取材大多不受组织器官
3、限制取材大多不受组织器官限制可进行早期诊断,症状前诊断及产前诊断可进行早期诊断,症状前诊断及产前诊断检测细菌内病毒等微生物时不需培养检测细菌内病毒等微生物时不需培养聚合酶链反应聚合酶链反应Polymerase Chain ReactionPolymerase Chain Reaction(PCRPCR)Kary B.Mullis1984 年问世年问世,成为分子生物学和生命科学成为分子生物学和生命科学发展史上的里程碑发展史上的里程碑1993 荣获诺贝尔奖荣获诺贝尔奖 Mendocin 128号公路附近一棵七叶树下的号公路附近一棵七叶树下的突发奇想突发奇想专利官司之战专利官司之战:DuPont 与
4、与Cetus对薄公堂对薄公堂 PCR PCR 原理示意图原理示意图PCRPCR技术的应用技术的应用一、在分子生物学研究中的应用一、在分子生物学研究中的应用二、遗传病的基因诊断和产前基因诊断:二、遗传病的基因诊断和产前基因诊断:血友病、血友病、地中海贫血、地中海贫血、DMD、PKU等等等等三、细菌、支原体、衣原体、立克次体等三、细菌、支原体、衣原体、立克次体等四、病毒四、病毒五、白血病、肿瘤五、白血病、肿瘤六、骨髓移植、器官移植供体配型选择六、骨髓移植、器官移植供体配型选择七、法医学七、法医学八、动植物学八、动植物学九、古人类学、古生物学九、古人类学、古生物学 PCR原理示意图原理示意图热变性:
5、从外周血白细胞或绒毛、羊水细胞热变性:从外周血白细胞或绒毛、羊水细胞提取的提取的DNA约约1ug,在含有适当缓冲液、引物、,在含有适当缓冲液、引物、dNTPs(dATP、dCTP、dGTP及及dTTP)等)等的反应混合物中,在的反应混合物中,在94下热变性下热变性4分钟,使之分钟,使之解为单链。解为单链。退火:然后置反应混合物于退火:然后置反应混合物于55,使引物与,使引物与解为单链的解为单链的DNA上互补序列杂交在一起,称之上互补序列杂交在一起,称之为退火。并迅速加入为退火。并迅速加入2单位耐热的单位耐热的Taq DNA聚聚合酶,混匀、离心合酶,混匀、离心10秒钟。为防止在整个秒钟。为防止在
6、整个PCR过程中,水份的蒸发影响过程中,水份的蒸发影响PCR效果,通常加入效果,通常加入35ul石蜡油封盖液面。石蜡油封盖液面。引物延伸:置上述反应混合物于引物延伸:置上述反应混合物于70水浴中水浴中1-2分钟,在分钟,在DNA聚合酶催化作用下,以聚合酶催化作用下,以dNTPs为原料(底物),从引物的为原料(底物),从引物的3端端A开始开始,沿着沿着53的方向,合成每条模板的互补链,此的方向,合成每条模板的互补链,此称引物延伸。结果,称引物延伸。结果,DNA拷贝数增加了一倍。拷贝数增加了一倍。接着,将上述热变性接着,将上述热变性退火退火引物延伸(称为一引物延伸(称为一个循环)反复进行个循环)反
7、复进行30-35次。只是热变性的时间缩次。只是热变性的时间缩短为短为1分钟左右。每经过一个循环,分钟左右。每经过一个循环,DNA拷贝数便拷贝数便增加一倍(增加一倍(2)。因此,如进行)。因此,如进行n次循环,则拷贝次循环,则拷贝数将增加数将增加2n倍!进行倍!进行25个循环,则拷贝数将增加个循环,则拷贝数将增加225倍,即上百万倍。在琼脂糖凝胶电泳上可看到倍,即上百万倍。在琼脂糖凝胶电泳上可看到特异性长度的扩增带。可见特异性长度的扩增带。可见PCR之所以高速扩增的之所以高速扩增的关键是因为每次新合成的关键是因为每次新合成的DNA链在后来的循环中都链在后来的循环中都可以作模板,犹如滚雪球,数量迅
8、速增加。可以作模板,犹如滚雪球,数量迅速增加。如果引物如果引物5端有几个与模板端有几个与模板DNA不配对的碱不配对的碱基,仍可能与模板基,仍可能与模板DNA退火、延伸,对退火、延伸,对PCR效效果影响不大。这一特点,可使果影响不大。这一特点,可使PCR产物两端带上产物两端带上限制酶的限制酶的Linker,或造成,或造成DNA顺序的缺失、插顺序的缺失、插入、碱基替代等。大大增大了入、碱基替代等。大大增大了PCR技术的应用范技术的应用范围。围。影响影响PCR效果的重要因素及注意事项:效果的重要因素及注意事项:PCR技术的原理似乎非常简单明了,技术的原理似乎非常简单明了,PCR反应反应的操作也并不复
9、杂;但要取得好的结果和良好的的操作也并不复杂;但要取得好的结果和良好的可重复性并非易事。必须彻底弄通其分子生物学可重复性并非易事。必须彻底弄通其分子生物学的奥妙之处,并把握其各种影响因素,规范操作。的奥妙之处,并把握其各种影响因素,规范操作。以下列出影响以下列出影响PCR扩增效果的主要因素扩增效果的主要因素 引物设计一定要科学合理,序列的特异性要高。引物设计一定要科学合理,序列的特异性要高。长度一般在长度一般在18-25个碱基,个碱基,Tm值可按公式值可按公式(G+C总数总数x4)+(A+T总数总数x2)()()估)估算。算。尽可能避开尽可能避开4个以上个以上G或或C等相同碱基串联重复。等相同
10、碱基串联重复。尽可能避免引物内部形成发夹结构或引物之间尽可能避免引物内部形成发夹结构或引物之间形成二聚体(形成二聚体(Dimer)的可能性。)的可能性。G、C与与A、T的比例尽可能的比例尽可能1:1左右。左右。同一反应管中的引物(甚至同一个同一反应管中的引物(甚至同一个Lab的所有的所有引物)引物)Tm值设计的相同。值设计的相同。引物在反应体系中的浓度要经过优化。双重引物在反应体系中的浓度要经过优化。双重PCR及多重及多重PCR对各引物浓度间的比例要求更对各引物浓度间的比例要求更严。严。基因组基因组DNA制备液纯度要好。其用量也并非制备液纯度要好。其用量也并非越多越好。越多越好。各种试剂小量分
11、装保存,避免多次冻融。各种试剂小量分装保存,避免多次冻融。dNTP浓度要优化。浓度要优化。退火温度参考退火温度参考Tm值进行优化。其对值进行优化。其对PCR的的成败,非特异产物的出现与否关系最大。成败,非特异产物的出现与否关系最大。Taq DNA聚合酶的厂牌、批号和用量均要聚合酶的厂牌、批号和用量均要合适。合适。对扩增难度较大的对扩增难度较大的PCR,Mg2+浓度要适当浓度要适当增加。增加。操作者的手法也有影响,要在实践中总结提操作者的手法也有影响,要在实践中总结提高技术。高技术。荧光定量PCR行HLA-DrB1位点分型法的建立及与血清学方法的比较HLA分型技术分型技术HLA(人类白细胞抗原)
12、(人类白细胞抗原)MHC区基因(主要组织相容性复合物基因区)区基因(主要组织相容性复合物基因区)高度多态性的基因区高度多态性的基因区HLA分型技术分型技术一、淋巴细胞微量细胞毒试验一、淋巴细胞微量细胞毒试验 1964年,年,Paul Terasaki,LA,USA二、二、DNA分型法分型法 优点:优点:1.血样不要求新鲜血样不要求新鲜;2.白血病患者白血病患者WBC表面抗原被破坏表面抗原被破坏,只只 能用能用DNA分型法分型法;3.结果更准确可靠结果更准确可靠HLA分型技术分型技术vDNA-RPLP,1982vPCR/SSOvPCR/反向斑点杂交反向斑点杂交vPCR/SSCPvPCR/SSPv
13、PCR/SBTvR-Q-PCR/SSPvPCR/dHPLC等等 在序列特异性引物聚合酶链反应(在序列特异性引物聚合酶链反应(PCR-SSPPCR-SSP)技术基础上,将)技术基础上,将荧光定量荧光定量PCRPCR(FQ-PCRFQ-PCR)技术与)技术与SSPSSP结合起来,建立了自动化程度更高结合起来,建立了自动化程度更高的荧光定量的荧光定量PCR-HLAPCR-HLA分型技术,完成了分型技术,完成了4646例尸肾供受者的例尸肾供受者的HLA-DBR1HLA-DBR1分分型。型。FQ-PCRFQ-PCR不需走电泳,减少了污染的机会,提高了自动化程度。不需走电泳,减少了污染的机会,提高了自动化
14、程度。同时又开展了以同时又开展了以DNADNA测序为基础的测序为基础的HLAHLA分型(分型(SBTSBT)技术。)技术。三、主要方法:三、主要方法:1 1、HLAHLA血清学分型。血清学分型。2 2、常规、常规PCR-SSPPCR-SSP反应。反应。3 3、SBTSBT分型法:分型法:(1)PCR(1)PCR扩增扩增DRB1DRB1片段。片段。(2)(2)用用ABI-373ABI-373型自动测序仪测序。型自动测序仪测序。(3)(3)测序数据分析及分型。测序数据分析及分型。结果和讨论结果和讨论一、进行一、进行PCR-SSPPCR-SSP法法HLA-DRB1HLA-DRB1位点分型:位点分型:
15、4、荧光定量PCR技术原理:图3、荧光定量PCR中反应前的模板浓度与Ct值成反比v图图4 4、15 R-II15 R-II号样本荧光定量分型结果号样本荧光定量分型结果v图图5 5、SSPSSP分型结果与上述一致分型结果与上述一致FQ-PCRFQ-PCR分型的优点:分型的优点:(1)(1)荧光定量分型法省去了电泳分析、荧光定量分型法省去了电泳分析、UVPUVP成像成像的操作,简化步骤,提高自动化程度,减少了的操作,简化步骤,提高自动化程度,减少了工作量。工作量。(2)(2)判读结果与扩增由仪器同时完成,节省了判读结果与扩增由仪器同时完成,节省了PCRPCR后处理的时间,结果更客观。后处理的时间,
16、结果更客观。(3)(3)将引物的特异性和探针的特异性结合,提高将引物的特异性和探针的特异性结合,提高了准确性。了准确性。(4)(4)只需在反应前打开离心管一次,即可只需在反应前打开离心管一次,即可完成所有的操作,减少了污染的机会,完成所有的操作,减少了污染的机会,进一步提高了特异性和灵敏性。进一步提高了特异性和灵敏性。(5)(5)本本FQ-PCR HLA DRB1FQ-PCR HLA DRB1配型较常规配型较常规FQ-FQ-PCRPCR减少了合成的荧光探针数量。减少了合成的荧光探针数量。(6)(6)可得出起始模板拷贝数定量结果。可得出起始模板拷贝数定量结果。基因扩增技术在遗传病基因诊断中的应用
17、基因扩增技术在遗传病基因诊断中的应用特点:特点:PCR技术一问世,首先就应用于技术一问世,首先就应用于珠蛋白生成障碍珠蛋白生成障碍性贫血等遗传病的基因诊断。性贫血等遗传病的基因诊断。不但要查特定基因是否存在,而且要查出相应功能不但要查特定基因是否存在,而且要查出相应功能基因的缺陷:突变?缺失?插入?倒位?等等。基因的缺陷:突变?缺失?插入?倒位?等等。采用的技术更复杂、多样,与检测病毒、细菌的要采用的技术更复杂、多样,与检测病毒、细菌的要求不完全相同。求不完全相同。实验室的验收。实验室的验收。基因扩增技术在遗传病基因诊断中的应用基因扩增技术在遗传病基因诊断中的应用技术:技术:PCR/凝胶电泳凝
18、胶电泳 PCR/RFLP PCR/SSCP PCR/ASO(Allile-specific oligoprobe)PCR/sequencing ASA(Allile-specific Amplification)m-PCR(multiplex PCR)F-Q-PCR(Real-Time PCR)血友病甲基因诊断刘敬忠,梁燕,王立荣,肖白,刘敬忠,梁燕,王立荣,肖白,朱章菱,周艳,刘亮,张晶朱章菱,周艳,刘亮,张晶 首都医科大学附属北京朝阳医院首都医科大学附属北京朝阳医院 北京基因诊断实验室北京基因诊断实验室 北京朝阳医院法医物证司法鉴定所北京朝阳医院法医物证司法鉴定所甲型血友病甲型血友病因子基
19、因倒位的研究及检测新技术:因子基因倒位的研究及检测新技术:血友病甲(血友病甲(HA)是常见的)是常见的X-连锁遗传性出血性疾病,是连锁遗传性出血性疾病,是由于凝血因子由于凝血因子(F)基因缺陷所致。约半数重型)基因缺陷所致。约半数重型HA的患的患者,是由于者,是由于F基因第基因第22内含子(内含子(IVS22)发生基因倒位所致。)发生基因倒位所致。迄今,国际上检测这种基因倒位都是用迄今,国际上检测这种基因倒位都是用Southern印迹杂交技印迹杂交技术。虽然这种技术能够准确的查出这种基因倒位,但操作步术。虽然这种技术能够准确的查出这种基因倒位,但操作步骤多,流程长,出结果慢,难度大,需要骤多,
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