本文介绍一种简单的方法,通过扩增上皮细胞DNA中的VNTR位点D1S80来生成DNA指纹图谱。
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本文介绍一种简单的方法,通过扩增上皮细胞DNA中的VNTR位点D1S80来生成DNA指纹图谱。
在生物科学中,DNA指纹技术已广泛应用于亲子鉴定、法医学以及系统发育研究。本文介绍了一种在本科实验课程背景下,通过串联重复序列数量可变区(VNTR)分析对个体进行基因分型的可靠且稳健的方法。本实验方案采用人类D1S80 VNTR位点作为高度多态性的标记,其多态性基于重复序列拷贝数的差异。
本实验方案为教师在实践性实验课程中开展DNA指纹分析提供了有用的信息。在本实验中,通过DNA提取和PCR扩增,检测D1S80 VNTR位点的遗传变异。利用琼脂糖凝胶电泳显示PCR产物片段大小的差异。根据DNA分子量标准的片段大小与迁移距离之间的线性回归关系,计算出片段大小及重复次数。
通过本指南,学生应能够:
• 采集并提取口腔黏膜上皮细胞中的DNA
• 进行PCR实验,理解各种反应组分的功能
• 通过琼脂糖凝胶电泳分析扩增产物,并解读实验结果
• 理解可变数目串联重复序列(VNTRs)在DNA指纹图谱中的应用及其在生命科学中的意义
分子指纹技术,也称为DNA指纹技术,由Alec Jeffreys爵士于1984年在莱斯特大学遗传学系工作时首次提出1。该技术基于人类基因组中个体间存在差异的0.1%区域,这部分包含约三百万个变异位点。这些基因型上的独特差异使得个体之间可以被区分,因此可作为遗传指纹,仅同卵双胞胎除外。因此,DNA指纹技术可用于评估不同个体之间的亲缘关系,例如应用于亲子鉴定或群体多样性研究。在我们的实验课程中,旨在传授DNA指纹技术和等位基因频率的概念。本文所述方法通过分析D1S80位点上的可变数目串联重复序列(VNTR),展示了一种可靠且稳健的遗传指纹分析方法。该方法包括从口腔黏膜上皮细胞中提取DNA,随后通过聚合酶链式反应(PCR)扩增D1S80位点,最后在琼脂糖凝胶上显示片段长度的差异。
的 D1S80 VNTR小卫星位点具有高度变异性,位于1号染色体端粒区域(1p36-p35)。Karsai及其同事于1990年鉴定并描述了该位点,其核心重复单元为16 bp,可实现仅相差一个重复单位的等位基因的分离2此外, D1S80 表现出高度变异,突变率约为 7.77 x 10-5 3. D1S80 具有高度杂合性4,5 (例如,高加索人群的杂合度为80.8%)6 以及非裔美国人高达87%的杂合度7)。此外, D1S80 该位点在大多数群体中具有多态性,通常存在15种以上不同的等位基因,每种含有14至41次重复。其频率为 D1S80 等位基因在不同人群中存在差异。含有24个重复单位的等位基因(等位基因24)在欧洲和亚洲人群中最为常见,而等位基因21在非洲人群中最为普遍。4,7,8,9,10因此,等位基因频率分布对不同人类群体具有诊断意义,在估算亲缘关系(如亲子鉴定)时需予以考虑。
基于PCR扩增D1S80 VNTR位点的方法在法医学、亲子鉴定、疾病分析以及群体多样性研究中一直是一种非常有用的技术11,12,13,14。尽管在当今法医学领域,VNTR的应用已被短串联重复序列所取代,但D1S80 VNTR位点仍被广泛用于分析不同人群之间的起源关系和遗传关联4,8,9,11。此外,该方法常被用于实验教学课程中讲授DNA指纹技术15,16。本文所述方法具有高成功率,且稳健、经济、易于操作,适用于本科生实验课程。本文旨在概述从口腔黏膜上皮细胞中对人类D1S80小卫星位点进行分子分析的工作流程,内容包括已有文献中报道的技术演示、简化实验方案及实用建议2,17。
注意:仅当学生或其法定监护人同意进行本实验方案时方可使用,因为基因型分析结果可揭示遗传关系。DNA指纹分析是一种常见的分子生物学方法,主要应用于群体研究和法医学领域。因此,应特别注意尽可能降低污染风险。为避免样本受到外源DNA或脱氧核糖核酸酶(DNases)的污染,操作时应佩戴手套,仪器应彻底清洗或灭菌,溶液在使用前应经过滤除菌或高压灭菌处理。
1. 收集颊黏膜上皮细胞
警告:处理唾液和上皮细胞可能导致传染性疾病的传播。因此,应采取标准预防措施和基于传播途径的预防措施(例如,使用适当个人防护装备)。
注意:需包含一个由指导教师提供的阳性对照(例如,由指导教师提取的 DNA),并将其纳入后续的处理步骤中。
2. 从人类细胞中提取基因组DNA
3. 使用 PCR 扩增 D1S80 VNTR 位点
注意:记录将要使用的样本数量,并在收集必要的塑料器皿和其他材料之前,准备好包含所需试剂及其体积的工作表。用样本编号标记将用于 PCR 的无菌管/条板/板。记得设置一个阴性对照,使用 H2O 代替 DNA,以及一个阳性对照(例如, 使用教师提供的 DNA),以验证 PCR 的有效性。
4. PCR产物的琼脂糖凝胶电泳
5. 片段长度结果分析
注意:使用线性回归分析来估算片段的长度。
6. 受试个体等位基因中重复单位数目的估算
注意:D1S80 重复单元长度为 16 bp。D1S80 已知最小的等位基因含有 14 个重复。此处描述的扩增子方案所产生的扩增子,其侧翼区域会额外增加 145 bp 的最终长度。
采用所述方案,对通过拭子采样获取的口腔黏膜上皮细胞中提取的人类基因组DNA进行了D1S80 VNTR位点分析(图6)。PCR扩增后,图1展示了含有D1S80扩增产物的琼脂糖凝胶电泳的典型结果。第1泳道为50 bp的分子量标准。紧邻分子量标准的为8个学生样本的PCR产物。第10泳道为阴性对照(NTC),其中以水代替模板DNA。大多数被分析的样本均清晰显示两条条带,代表在D1S80位点为杂合子的个体。第2泳道和第9泳道显示单一条带,代表在D1S80位点为纯合子的个体。第5泳道显示一条模糊且明显宽于其他条带的单一条带,这可能是由于两个D1S80等位基因之间仅相差一个重复单位所致。在后续分析中,第5泳道的样本将被视为单一条带,代表一个纯合子个体。
对已验证的 PCR 产物进行下游凝胶电泳片段分析,用于测定不同学生样本中D1S80 VNTR 位点的片段大小。PCR 分析所得扩增片段大小的解读依赖于所使用的分子量标准。测量并记录每个分子量标准条带距加样孔的距离(图 1)(图 2)。根据条带大小及其迁移距离,可通过线性回归分析计算出各样本条带的大小。确定学生样本中各条带的对数值(以 10 为底)(图 5),其相应的反对数值即代表每个扩增片段的碱基对(bp)数目。根据所获得的扩增片段大小,可计算出重复单位的数目(Table 2)。
针对每个学生样本,通过线性回归计算扩增片段大小,每条条带均可明确分配至特定等位基因,如表2所示。D1S80等位基因大小的信息可用于确定本科学生小群体中各等位基因的频率。在学生群体中,28次重复等位基因频率最高,因其存在两个该重复等位基因的纯合个体(个体1和4)。第二常见等位基因为18次重复等位基因,由纯合个体8和杂合个体6携带。低频等位基因包括21次、26次和30次重复等位基因,分别仅在个体6、5和3中各出现一次。D1S80 VNTR位点在该小规模学生群体中的等位基因频率分布可进一步与更大人群的等位基因频率进行比较,例如来自不同大陆的人群4,7,8,9,10。
在这些学生中,2号和3号个体共享24次重复等位基因,2号和7号个体共享20次重复等位基因,5号和7号个体共享23次重复等位基因。有趣的是,这两个 D1S80 纯合个体(个体1和4)共享28次重复等位基因。两个个体之间等位基因的匹配可能提示潜在的亲缘关系,但等位基因的共享也可能随机发生。因此,确定两个个体间等位基因匹配的概率至关重要。该概率取决于该等位基因在总体人群中的频率,应采用统计学方法(如贝叶斯方法)为VNTR标记分析赋予统计权重。综上所述,所介绍的指纹图谱方法可用于教学实践课程,帮助学生掌握VNTR在DNA指纹图谱中的应用及其在生命科学中的实际用途。

图 1:将D1S80扩增产物进行电泳后琼脂糖凝胶的图示,其中50 bp分子量标准泳道旁放置了标尺。 第1泳道为50 bp分子量标准,第2–9泳道为PCR反应产物,第10泳道为无模板对照(NTC)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:50 bp 分子量标准中 DNA 片段迁移距离及其片段大小对数的测定。记录 50 bp 分子量标准每个条带距加样孔的距离(单位:cm),并计算每个片段大小的以 10 为底的对数(log)。将数值输入电子表格程序生成表格。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:以分子量标准物的DNA片段迁移距离为横轴,以其片段大小的对数值(以10为底)为纵轴绘制的散点图。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:利用数据的线性回归线、回归方程以及 R2 值。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:D1S80 扩增片段大小的确定。每个片段从加样孔迁移的距离代入回归方程中。y 值的反对数即为片段的大小(单位:bp)。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:D1S80 VNTR分析建议的时间线与工作流程。本文所述的D1S80 VNTR分析全过程,从口腔上皮细胞采集到片段长度评估,可在单个工作日内完成。请点击此处查看此图的放大版本。
| 等位基因大小(bp) | 重复次数 |
| 369 | 14 |
| 385 | 15 |
| 401 | 16 |
| 417 | 17 |
| 433 | 18 |
| 449 | 19 |
| 465 | 20 |
| 481 | 21 |
| 497 | 22 |
| 513 | 23 |
| 529 | 24 |
| 545 | 25 |
| 561 | 26 |
| 577 | 27 |
| 593 | 28 |
| 609 | 29 |
| 625 | 30 |
| 641 | 31 |
| 657 | 32 |
| 673 | 33 |
| 689 | 34 |
| 705 | 35 |
| 721 | 36 |
| 737 | 37 |
| 753 | 38 |
| 769 | 39 |
| 785 | 40 |
| 801 | 41 |
表1:每个 D1S80 VNTR 位点的扩增子大小。
| 个体 | 等位基因 | 距离(厘米) | 大小(bp) | 重复单元数目 |
| 1 | 纯合子 | 5 | 600 | 28 |
| 2 | 杂合子 | 5.2 ; 5.5 | 535, 458 | 24, 20 |
| 3 | 杂合子 | 4.9 ; 5.2 | 626, 535 | 30, 24 |
| 4 | 纯合子 | 5 | 600 | 28 |
| 5 | 杂合子 | 5.1 ; 5.3 | 564, 508 | 26, 23 |
| 6 | 杂合子 | 5.4 ; 5.6 | 483, 435 | 21, 18 |
| 7 | 杂合子 | 5.3 ; 5.5 | 508, 458 | 23, 20 |
| 8 | 纯合子 | 5.6 | 435 | 18 |
表2:所检测不同个体的等位基因组成。 重复单位的数量可通过线性回归分析获得的扩增子大小进行估算。
本文介绍了一种在本科生实验课程中实施分子指纹图谱分析的简单且成本效益高的方法。
为了筛查 D1S80 位点的遗传变异,需要进行人类生物样本的采集以及DNA提取与分析。在整个过程中,必须确保人类生物样本的使用符合伦理要求。样本管理需遵循全面的监管框架,以确保样本及其相关数据的正确使用18(例如,获取使用人类生物材料的知情同意)。应充分告知参与者其样本的用途、发现遗传关系异常的风险(例如,亲属之间的关系异常)、隐私保护措施,以及生物样本和数据未来储存的计划。所有供体(学生或同事)必须在充分知情的前提下自愿签署同意书,并了解其有权随时撤回同意且无需说明理由。通常情况下,在开展本实验课程之前,必须熟悉有关人类样本管理的相关指南和法规。
在本科实验课程中采集颊黏膜上皮细胞时,必须注意避免操作者DNA或DNase对DNA样本造成污染。建议始终穿戴实验服、手套和防护眼镜,并使用无菌拭子和微量离心管。基于颊拭子的细胞采集方法被认为是一种方便且经济有效的遗传物质收集方式,适用于基于PCR的VNTR分析,因其相对廉价且无创。除颊拭子外,唾液是医学研究中最常见的口腔取样方法。研究表明,与唾液相比,颊拭子含有更高比例的上皮细胞,因此在为基于PCR的D1S80 VNTR分析提供足量且高质量的DNA方面更为可靠19,20。此外,在进行人群多样性研究等应用中,颊拭子可在自采样后邮寄寄送,从而克服地理障碍21。
由于不同公司开发了多种提取试剂盒,DNA 提取已变得相对容易。然而,由于经费有限,这些试剂盒在实验教学中可能并不适用。本文介绍一种无需商业DNA提取试剂盒、从人源样本中提取DNA的简便、快速且成本低廉的方法。该DNA提取方法不使用有机溶剂,而是通过添加8 M醋酸钾溶液提高盐浓度,从而去除细胞中的蛋白质。此方法还可同时处理多个样本,每个样本均可获得足量DNA,满足多次基因型分析的需求。
PCR 是许多分子生物学实验室中常用的技术。尽管该技术通常不会出现问题,但仍存在一些可能导致反应产生虚假结果的陷阱,这些问题在其他地方已有讨论22。本文所采用的 PCR 条件在面对模板 DNA 质量较差的情况下表现出很强的稳健性,但在使用因口腔上皮细胞采集不佳而导致 DNA 浓度极低的模板时,偶尔仍会出现 PCR 扩增失败的情况。本研究中使用的 DNA 引物可从不同的公司订购,例如本文末尾材料表中引用的公司。操作 DNA 引物时必须格外小心,以避免受到操作者来源的 DNase 或 DNA 污染。不使用时,PCR 产物也应保持低温保存。
另一个关键步骤是琼脂糖凝胶电泳。仅相差一个16 bp重复单位的片段可能无法在凝胶电泳中分离,因此会表现为一条单一的条带。在这种情况下,无法准确确定所检测的D1S80等位基因的重复单位数目。因此,应延长凝胶电泳的运行时间,同时降低电压,并可适当提高凝胶浓度,以获得更好的分辨率和单一条带的分离效果。
需要指出的是,并非所有VNTR位点的等位基因都包含完整的重复单位。在大多数VNTR位点,存在包含不完整重复单位的非共识等位基因(微变异体),其大小介于具有完整重复单位的等位基因之间。这些微变异体几乎无法通过琼脂糖凝胶电泳检测到。相比之下,聚丙烯酰胺凝胶电泳或毛细管电泳等技术能够分辨仅相差一个或少数几个重复单位或微变异体的等位基因12,23,24,25,26。然而,这些技术由于存在使用危险化合物、制备过程复杂以及设备缺乏等众多缺点,不太适合本科教学实验课程。在进行片段大小测定时,必须仔细测量DNA片段迁移的距离。如果条带过于弥散而难以精确测量,则通过线性回归计算D1S80等位基因片段大小可能会产生错误,导致重复单位数目的估算不准确。在此情况下,建议优化凝胶条件后重新进行琼脂糖凝胶电泳,如Lorenz及其同事此前所述22。
从口腔上皮细胞采集到片段长度分析的整个 D1S80 VNTR 分析流程可在单个工作日内完成。本方案是一种稳定、经济且易于操作的方法,适用于本科生实验课程。
作者声明无利益冲突。
作者感谢 Kevin Graham 提供的画外音,以及所有为本研究提供样本的参与者。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 微量离心管 | Sarstedt | 72,706 | 已高压灭菌 |
| 2 mL 微量离心管 | Sarstedt | 7,26,95,500 | 已高压灭菌 |
| 2-丙醇 | Fisher Chemical | PI7508/17 | |
| 5x PCR 缓冲液 | Promega | M7845 | |
| 乙酸 | Sigma/Merck | A6283-500ML | |
| 琼脂糖 | BioBudget | 10-35-1020 | |
| 口腔拭子 | BioBudget | 57-BS-05-600 | |
| 离心机 | Eppendorf | 5430 | |
| 梳子 | BioRad | ||
| dNTPs (10 mM) | Invitrogen | R0192 | |
| EDTA | Carl Roth | 8043.1 | |
| 乙醇 | Honeywell | 32221-2.5L | |
| 凝胶制备模具 | BioRad | ||
| 电泳槽 | BioRad | SubCell GT | |
| 凝胶成像系统 Gel Doc XR+ | BioRad | ||
| 凝胶托盘 | BioRad | SubCell GT | |
| GeneRuler 50 bp DNA 分子量标准 | Thermo Fisher | SM0371 | |
| Go-Taq DNA 聚合酶 | Promega | M7845 | |
| 加热金属块 | Eppendorf | Thermomixer | 适用于 1.5 mL 和 2 mL 管 |
| 微波炉 | Sharp | R-941STW | |
| peqGreen | VWR | 732-3196 | |
| 移液器 | Gilson | 1000 µL, 200 µL, 20 µL, 2 µL | |
| 乙酸钾 | Arcos Organics | 217100010 | |
| PowerPac 电源 | BioRad | 100-120/220-240V | |
| 引物 | Sigma/Merck | ||
| 天平 | Kern | PCB 2.5 kg | |
| SDS | Arcos Organics | 218591000 | |
| 摇床 | IKA Labortechnik | IKA RH basic | |
| 台式离心机 | myFuge | ||
| PCR 仪 | BioRad | C100 Touch | |
| Tris | VWR | 103156x | |
| 涡旋混合器 | LMS | VTX-3000L |