1.體細(xì)胞雜交法 體細(xì)胞是生物體除生殖細(xì)胞外的所有細(xì)胞。將從身體分離的體細(xì)胞做組織培養(yǎng)進(jìn)行遺傳學(xué)研究的學(xué)科稱為體細(xì)胞遺傳學(xué)(somatic genetics)。體外培養(yǎng)細(xì)胞可人為控制或改變環(huán)境條件,并可建立細(xì)胞株,長期保存,進(jìn)行各種正常和病理研究。與基因定位有關(guān)的是體細(xì)胞雜交(somatic cell hybridization)。細(xì)胞雜交又稱細(xì)胞融合(cell fusion),是將來源不同的兩種細(xì)胞融合成一個(gè)新細(xì)胞。大多數(shù)體細(xì)胞雜交是用人的細(xì)胞與小鼠、大鼠或倉鼠的體細(xì)胞(hybrid cell)進(jìn)行雜交。這種新產(chǎn)生的融合細(xì)胞稱為雜種細(xì)胞(hybrid cell),含有雙親不同的染色體。雜種細(xì)胞有一個(gè)重要的特點(diǎn)是在其繁殖傳代過程中出現(xiàn)保留嚙齒類一方染色體而人類染色體則逐漸丟失,最后只剩一條或幾條,其原因至今不明。這種僅保留少數(shù)甚至一條人染色體的雜種細(xì)胞正是進(jìn)行基因連鎖分析和基因定位的有用材料。由于人和鼠類細(xì)胞都有各自不同的生化和免疫學(xué)特征,Miller等運(yùn)用體細(xì)胞雜交并結(jié)合雜種細(xì)胞的特征,證明雜種細(xì)胞的存活需要胸苷激酶(TK)。但凡含有人第17號染色體的雜種細(xì)胞都因有TK活性而存活,反之則死亡。從而推斷TK基因定位于第17號染色體上。這是首例用細(xì)胞雜交法進(jìn)行的基因定位。由此可見,研究基因定位時(shí),由于有雜種細(xì)胞這一工具,只需要集中精力于某一條染色體上,就可找到某一基因座位。
2.克隆嵌板法(clone panel method)是應(yīng)用雜種細(xì)胞保留或丟失人染色體有時(shí)有重疊現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的一種簡便有用的基因定位方法。在體細(xì)胞雜交基礎(chǔ)上還發(fā)展了微細(xì)胞(micro cell)技術(shù),即制備只含少數(shù)或一條人染色體的微細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞雜交。也可將人中期染色體進(jìn)行分離直接轉(zhuǎn)移到鼠類細(xì)胞中,使人染色體在受體細(xì)胞中裂解變成短的DNA片段,并整合到受體細(xì)胞的基因組中。如兩個(gè)基因同時(shí)整合進(jìn)去,就證明它們的緊密連鎖關(guān)系。
3.原位雜交和熒光原位雜交 重組DNA技術(shù)的建立與分子雜交相結(jié)合,從分子水平研究基因定位,發(fā)展了一系列有效方法。例如原位雜交(in situ hybridization)就是分子雜交技術(shù)在基因定位中的應(yīng)用,也是一種直接進(jìn)行基因定位的方法。分子雜交的基本原理是堿基的互補(bǔ)配對,同源的DNA-DNA雙鏈或DNA-RNA鏈在一定條件下能結(jié)合成雙鏈,用放射性或非放射性物質(zhì)標(biāo)記的DNA或RNA分子作為探針,可探測到細(xì)胞基因組中的同源部分。1970-1978年首次將分子雜交法應(yīng)用于基因定位,即用α及β珠蛋白基因的cDNA為探針,與各種不同的人/鼠雜種細(xì)胞進(jìn)行雜交,再對DNA雜交情況進(jìn)行分析,找出cDNA探針與人染色DNA順序間的同源互補(bǔ)關(guān)系,從而將人α及β珠蛋白基因分別定位于第16號和第11號染色體上。
原位雜交的特點(diǎn)是雜交在顯微鏡載玻片上中期染色體標(biāo)本上進(jìn)行。所謂原位即指標(biāo)本上DNA原位變性,在利用放射性或非放射性標(biāo)記的已知核酸探針雜交后,通過放射自顯影或非放射性檢測體系來檢測染色體上特異DNA或RNA順序,可用放射性顆粒在某條染色體的區(qū)帶出現(xiàn)的最高頻率或熒光的強(qiáng)弱來確定探針的位置,從而進(jìn)行準(zhǔn)確的基因定位。但原位雜交必須在已知探針的情況下方可進(jìn)行,而在未知致病基因時(shí),則無法進(jìn)行基因定位。
放射性同位素標(biāo)記核酸探針與染色體顯帶結(jié)合進(jìn)行原位雜交仍有不少缺點(diǎn)和局限性。例如需要使用放射性同位素的特殊實(shí)驗(yàn)室,自顯影曝光時(shí)間長,同位素標(biāo)記的探針不易保存,放射污染不利健康,特別是高質(zhì)量的中期染色體標(biāo)本在細(xì)胞培養(yǎng)基礎(chǔ)上難以得到,觀察費(fèi)時(shí),對間期核的研究難以進(jìn)行等。
熒光原位雜交(florescence in-situ hybridization,FISH)是一種非放射性原位雜交方法。用特殊熒光素標(biāo)記核酸(DNA)探針,可在染色體、細(xì)胞和組織切片標(biāo)本上進(jìn)行DNA雜交,對檢測細(xì)胞內(nèi)DNA或RNA的特定序列存在與否最為有效。探針不是放射性的而是將熒光染料與抗體蛋白結(jié)合進(jìn)行檢測。它們具有高度親和力,有與放射性探針相同或更高的分辯率。現(xiàn)已可用不同的熒光染料同時(shí)進(jìn)行多重原位雜交,顯示出不同的熒光色澤。這種多色FISH技術(shù)近年來發(fā)展迅速,已成為基因定位作圖和醫(yī)學(xué)診斷的重要手段。1992年運(yùn)用這種策略已能在中期染色體和間期細(xì)胞同時(shí)檢測7個(gè)探針?茖W(xué)家們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)24種不同顏色來觀察22條常染色體和X、Y染色體。熒光原位雜交法提高了雜交分辯率,可達(dá)100-200kb。此法降低應(yīng)用于基因定位外,還有多種用途,它已日益發(fā)展成為代替常規(guī)細(xì)胞遺傳學(xué)的檢測和診斷方法,在此不多論述。
4.連鎖分析 基因定位的連鎖分析是根據(jù)基因在染色體上呈直線排列,不同基因相互連鎖成連鎖群的原理,即應(yīng)用被定位的基因與同一染色體上另一基因或遺傳標(biāo)記相連鎖的特點(diǎn)進(jìn)行定位。生殖細(xì)胞在減數(shù)分裂時(shí)發(fā)生交換,一對同源染色體上存在著兩個(gè)相鄰的基因座位,距離較遠(yuǎn),發(fā)生交換的機(jī)會(huì)較多,則出現(xiàn)基因重組;若兩者較近,重組機(jī)會(huì)較少。重組DNA和分子克隆技術(shù)的出現(xiàn),發(fā)現(xiàn)了許多遺傳標(biāo)記——多態(tài)位點(diǎn),利用某個(gè)擬定位的基因是否與某個(gè)遺傳存在連鎖關(guān)系,以及連鎖的緊密程度就能將該基因定位到染色體的一定部位,使經(jīng)典連鎖方法獲得新的廣闊用途,成為人類基因定位的重要手段。
染色體上兩個(gè)位點(diǎn)從親代傳給子代時(shí),若相距1cM,就有1%的重組機(jī)會(huì)。整個(gè)人類基因組含3.2×109bp,相應(yīng)約有3300cM,每個(gè)染色體平均約有150cM,1cM約為1000kb。因此,一個(gè)致病基因和標(biāo)記位點(diǎn)緊密連鎖,二者不須在同一條染色體的同一區(qū)段,一條染色體可以產(chǎn)生大量的DNA多態(tài),只要提供足夠的家系,按孟德爾方式遺傳的疾病都可將其基因定位。