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研究文章

HMGA1与HAND1在喉癌组织中的表达及其意义

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DOI:

10.3791/70272

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2026年6月2日

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本文内容

摘要

该研究发现喉癌中HMGA1表达水平升高,而HAND1表达水平降低,表明二者呈负相关关系,并与转移及临床分期存在显著关联,提示两者均参与肿瘤进展过程。

摘要

本研究通过免疫组织化学和RT-PCR方法,分析了喉鳞状细胞癌(LSCC)组织及其相邻正常喉黏膜组织中HMGA1和HAND1基因的表达谱,旨在探讨二者在LSCC发生、发展、侵袭及转移过程中的可能作用。结果显示,HMGA1和HAND1在癌组织及相邻正常组织中均有表达。然而,HMGA1在LSCC组织中表达显著升高,而HAND1的表达水平则明显降低。HMGA1高表达与淋巴结转移(100.0% vs. 50.0%)和晚期临床分期(91.7% vs. 44.4%)呈正相关,但与肿瘤组织学分级、临床分型及患者年龄无关。相反,HAND1蛋白表达降低与淋巴结转移、临床分期及病理分级相关,提示其在肿瘤进展和转移中发挥作用。此外,HMGA1与HAND1的表达之间存在明显的线性负相关关系,提示二者可能存在调控相互作用,即HMGA1可能抑制HAND1的表达。上述结果表明,HMGA1和HAND1在LSCC的发病机制中具有互补功能,HMGA1可能促进肿瘤发展,而HAND1则可能发挥抑癌作用。这两个基因之间的相互作用可能为揭示LSCC进展和转移的分子机制提供新的视角。

引言

喉癌是头颈部第二常见的原发性恶性肿瘤,仅次于鼻咽癌,在全球范围内占所有头颈部肿瘤的26%–30%1。超过90%的喉癌被归类为喉鳞状细胞癌(LSCC)2。喉癌的主要治疗方法为手术和放射治疗。局部复发和淋巴结转移是导致喉癌患者死亡的主要原因。因此,有效控制复发和转移仍是临床上的重大挑战。随着分子生物学的发展,已在喉癌中鉴定出多种表达异常的基因。然而,喉癌中肿瘤侵袭和转移的机制尚不明确,仍需进一步研究。

高迁移率族A(HMGA)蛋白是一类位于细胞核内的非组蛋白染色质结合蛋白。HMGA1可结合DNA及其相关蛋白,诱导染色质结构改变,从而调控基因转录3。作为一种与染色质相关的转录调控因子,HMGA1可调节多个与肿瘤增殖和转移相关的基因表达。既往研究表明,HMGA1在多种人类癌症中呈过表达,包括甲状腺癌、结直肠癌、胰腺癌以及头颈部恶性肿瘤4,5,6,7,文献中还报道其在其他上皮性和实体瘤中亦有高表达。HMGA1通过调控多个参与增殖和转移的下游靶基因的表达,进而影响肿瘤的发生发展8。

心脏和神经嵴衍生物表达基因(HAND 基因)属于 bHLH(碱性螺旋-环-螺旋)基因家族,包括 HAND1 和 HAND2。HAND1 作为一种转录因子,在滋养层细胞分化和心脏发育过程中发挥重要作用9。然而,HAND1 在胚外细胞层中的表达机制仍不明确。已有研究证实,HMGA1 可直接结合 HAND1 启动子,从而在体内和体外抑制 HAND1 的活性10。作为抑制性蛋白,HAND1 参与调控细胞分化及癌症发生。研究表明,HAND1 在人胃癌11、胰腺癌12、卵巢癌13和甲状腺癌14中表达沉默且存在高甲基化现象。然而,据我们所知,目前关于喉癌组织中 HAND1 表达的研究仍十分有限。

本研究采用免疫组织化学(两步法检测)和逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)检测喉鳞状细胞癌(LSCC)及癌旁正常黏膜组织中HMGA1和HAND1蛋白及其mRNA的表达。免疫组织化学可实现蛋白在组织结构中的定位可视化,而RT-PCR则可在转录水平上灵敏地检测基因表达,从而提供关于蛋白与mRNA表达模式的互补信息。与定量PCR(qPCR,具有更高灵敏度和精确定量能力)、Western blotting(可在蛋白水平验证表达但缺乏空间定位信息)以及RNA测序(RNA-seq,可提供全面的转录组分析但需要复杂的计算处理)相比,免疫组织化学与RT-PCR的联合应用是一种经济高效且具有临床适用性的生物标志物研究策略。本研究旨在探讨HMGA1与HAND1在喉鳞状细胞癌发生、发展、进展及转移过程中的作用及其相互关系。此外,评估HMGA1和HAND1的表达水平可能为喉癌的诊断和预后判断提供潜在的生物标志物,有助于优化风险分层并辅助临床决策。

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方案

本研究经石家庄市人民医院研究伦理委员会审查批准(批准号:YKLS 2026 No. 041;2026年3月27日)。研究遵循《涉及人的生物医学研究伦理审查办法》、《涉及人的生命科学和医学研究伦理审查办法》、《赫尔辛基宣言》以及《涉及人类的健康相关研究国际伦理准则》。人体组织样本来自符合机构伦理要求的存档手术标本,确保患者数据的匿名化和保密性。已从参与者处获得书面知情同意,或根据具体情况,伦理委员会已批准对匿名化存档标本的使用免除知情同意。

实验材料

标本来源

2011年2月至2012年8月期间,从河北耳鼻喉头颈外科手术切除的喉鳞状细胞癌(LSCC)标本中获取了42例LSCC组织和25例癌旁正常喉黏膜组织。其中,25例癌旁正常黏膜组织取自距癌边缘>1.0 cm的部位,并经病理学证实为炎症性或正常黏膜。42例LSCC标本均经病理学确诊为鳞状细胞癌。所有组织均保存于-80 °C。42例患者均为男性,无女性患者。在LSCC病例中,15例为高分化,18例为中分化,9例为低分化。18例伴有淋巴结转移,24例无淋巴结转移。临床分期依据UICC(2002年)的TNM分类与分期系统,其中I期和II期共20例,III期和IV期共22例。肿瘤部位包括30例声门上型,11例声门型和1例声门下型。患者年龄范围为40–75岁,中位年龄为60岁。所有患者术前均未接受放疗或化疗,临床资料完整。

实验方法与步骤

HE染色步骤

切片制备与苏木精-伊红染色

用于免疫组织化学的玻片首先在浓酸中浸泡24小时,随后在流动的自来水下彻底冲洗至少10分钟以去除残留酸液,并在蒸馏水中浸洗两次,每次30分钟,同时轻轻振荡以确保充分清洗。接着将玻片在95%乙醇中浸泡2小时,于60 °C烘箱中干燥,然后浸入APES:丙酮(1:49,v/v)混合液中1分钟,轻轻摇动以确保均匀包被,之后用纯丙酮冲洗。最后在室温(20–25 °C)下空气干燥,以确保后续染色过程中组织的良好黏附。

将石蜡包埋的组织切片依次浸入二甲苯I和二甲苯II中各10分钟以脱去石蜡,随后通过梯度乙醇(100%、95%、80%)进行逐级水化,每级5–10分钟,最后用蒸馏水冲洗2分钟。接着进行苏木精-伊红(HE)染色:苏木精染色4分钟,流水冲洗3分钟以去除多余染液,使用1%乙醇盐酸分化30秒,再用自来水洗涤三次以终止分化,伊红染色10秒。随后进行常规梯度脱水,依次使用70%乙醇、80%乙醇、95%乙醇、无水乙醇I和无水乙醇II,每级5分钟。脱水完成后,切片干燥后用中性树胶封片。

免疫组织化学实验步骤

切取4 µm厚的石蜡切片,展平后置于APES包被的载玻片上,放入67 °C烘箱中过夜,随后分别用二甲苯I和II各脱蜡10分钟。依次使用100%、90%和70%乙醇进行梯度脱水,每次5分钟,然后用自来水和蒸馏水各洗涤3分钟。为阻断内源性过氧化物酶活性,将载玻片在室温(20–25 °C)下用新鲜配制的3%甲醇-过氧化氢溶液孵育20分钟,确保组织切片完全覆盖,随后在0.01 M PBS中用蒸馏水洗涤三次,每次5分钟。

抗原修复通过将切片浸入柠檬酸盐缓冲液(pH 6.0)中,并在压力锅中于约 95–100 °C 加热实现,HMGA1 加热 8 分钟,HAND1 加热 10 分钟,盖子需牢固关闭以维持一致的压力条件。随后将切片在室温(20–25 °C)下冷却,并在 0.01 M PBS 中洗涤三次,每次 3 分钟,同时进行轻柔振荡。HMGA1 和 HAND1 的一抗分别用抗体稀释液按 1:150 和 1:100 的比例稀释,加样前通过移液轻轻混匀,然后均匀施加至完全覆盖每张组织切片。切片于 4 °C 湿润环境中过夜孵育。过夜孵育后,将切片从湿润环境中取出,在室温下平衡 10 分钟。切片用 0.01 M PBS 洗涤三次,每次 5 分钟,同时进行轻柔振荡,以去除未结合的一抗。去除多余液体后,加入二抗(HRP 标记的聚合物抗兔/鼠抗体),完全覆盖组织切片表面。随后在 37 °C 下进一步孵育 35 分钟。

滴加DAB底物溶液覆盖组织,显微镜下观察1–3分钟,直至出现棕褐色染色;当达到最佳染色强度时,立即用蒸馏水冲洗终止反应。随后进行苏木精复染、盐酸酒精分化以及氨水溶液返蓝处理。接着按常规进行梯度酒精脱水、二甲苯透明,并用中性树胶封片,以便在显微镜下观察。以PBS代替一抗作为空白对照。此外,使用经先前验证的HMGA1阳性头颈部鳞状细胞癌组织切片和HAND1阳性胎盘组织切片作为阳性对照,以确保染色质量和结果的一致性。

结果判定

本实验中使用的显色剂为DAB-H2O2系统。经苏木精复染后,HMGA1和HAND1的阳性染色主要位于细胞核内,部分可见细胞质染色。评估时,首先在低倍镜(×40)下确定阳性染色细胞密度最高的区域。随后在×100放大倍数下选取阳性细胞密度最高的五个视野,每个视野计数100个细胞。每个切片的结果以五个视野中阳性细胞百分比的平均值表示。分级标准如下:无染色细胞(-),阳性细胞<25%(+),阳性细胞25%–50%(++),阳性细胞>50%(+++),该标准基于免疫组织化学分析中常用的半定量百分比评分法。评估由两名合格的病理学家以双盲方式独立进行15,16,17。若两者意见不一致,应通过讨论达成共识18。

RT-PCR 方法

引物

根据目标基因序列,使用引物设计软件设计引物,并注意引物特异性、熔解温度匹配性以及预期产物大小。表1中总结了详细的引物序列、产物大小和退火温度。引物合成浓度为2 OD,分装至两管中,并用DEPC处理水稀释至10 pmol/µL,于-20 °C保存。退火温度通过以下公式计算:Tm = 2(A + T) + 4(G + C)

实验材料和设备的RNase处理:

塑料制品(例如,移液器吸头、EP管):将塑料制品放入已灭菌的广口试剂瓶中,加入已配制的DEPC处理水直至完全浸没物品,于室温(20–25 °C)通风橱中孵育过夜。随后在压力下灭菌120分钟,并在65 °C下干燥。

玻璃器皿:将玻璃器皿在酸中浸泡过夜,彻底冲洗干净后干燥,用铝箔包裹,在200 °C烘箱中烘烤6 h,随后存放于洁净处以备后续使用。

金属物品(例如剪刀、镊子):将金属物品清洗后,在200 °C的烘箱中烘烤6 h,并存放于洁净处以备后续使用。

溶液的制备

0.1% (v/v) DEPC 溶液:将 1 mL DEPC 加入 1000 mL 蒸馏水中,终浓度为 0.1% (v/v),充分摇匀,4 °C 过夜孵育,经高压灭菌后,于 4 °C 保存。

75% (v/v) 乙醇溶液:将75 mL无水乙醇与25 mL经DEPC处理的水混合,得到终浓度为75% (v/v)的溶液,并于4 °C保存。

从组织中提取总RNA

RNA提取后,在进行逆转录和下游分析之前,需评估RNA的完整性。使用电子天平称取80 mg组织,将其切成小块后放入经预处理的玻璃匀浆器中。加入1 mL在4 °C预冷的RNA提取试剂,在冰上反复研磨进行匀浆,直至获得均匀的裂解液且无可见组织碎片,过程中避免产生气泡。将匀浆后的混合物转移至1.5 mL无RNase的EP管中,在冰上孵育5分钟。每管加入400 µL氯仿,剧烈涡旋振荡10–15秒以确保两相充分混合,随后在冰上孵育5分钟。在4 °C、12,000 × g条件下离心15分钟。离心后,使用无RNase的移液器小心吸取上层水相,避免扰动中间相,转移至新的离心管中。加入等体积异丙醇,轻轻颠倒混匀8–10次直至两相界面消失,然后在-20 °C孵育至少10分钟。在4 °C、12,000 × g条件下再次离心10分钟。弃去上清液,加入400 µL预冷的75%乙醇以悬浮RNA沉淀。再次在4 °C、12,000 × g条件下离心5分钟。弃去上清液,将RNA沉淀略微干燥。用无RNase的水溶解RNA沉淀,并于-80 °C保存以备后续使用。

RNA完整性检测

进行RNA完整性检测时,取5 µL RNA样品与5 µL溴酚蓝上样缓冲液混合,随后在2%琼脂糖凝胶上进行电泳。当出现清晰的28S、18S和5S条带且无明显拖尾时,视为RNA完整性合格。

逆转录(RT)合成 cDNA

取6 µL RNA在70 °C预热10分钟,然后依次在冰上加入25 mM MgCl2(4.0 µL)、dNTP(2.0 µL)、AMV逆转录酶(0.7 µL)、10× AMV缓冲液(2.0 µL)、寡聚(dT)引物(1.0 µL)、RNasin(0.5 µL)以及去离子水,终反应体积为20 µL,轻轻混匀后短暂离心。反应条件为:25 °C孵育1分钟,42 °C孵育60分钟,98 °C加热5分钟,随后无限期保存于4 °C。当反应温度降至4 °C后,将产物从PCR仪中取出,作为后续PCR反应的cDNA模板使用,并可储存于-20 °C以备后续使用。

PCR 扩增

每个PCR反应体系包含cDNA模板(1 µL)、针对HMGA1、HAND1或GAPDH的特异性正向引物(1 µL)、针对目的基因或GAPDH的特异性反向引物(1 µL)、PCR预混液(10 µL)以及DEPC处理水(7 µL),总体积为20 µL。针对每个目的基因(HMGA1、HAND1)和内参基因(GAPDH)分别设置独立的反应体系,每个反应体系中包含对应基因的特异性正向与反向引物对。

总体积为20 µL。轻轻混匀反应组分后,在低速下短暂离心5–10秒,将离心管放入预热的PCR仪中,并根据表2中的反应条件进行扩增。

PCR扩增产物的确认与分析

凝胶制备

称取 2 g 琼脂糖,放入三角烧瓶中。加入 2 mL 50× TAE 电泳缓冲液和 100 mL 蒸馏水(用于制备 2% 琼脂糖凝胶),在微波炉中加热,并间歇性轻轻旋转(每 15–20 秒一次),直至琼脂糖完全溶解。冷却至约 55 °C 后,加入 10 µL EB 溶液,充分混匀。随后将凝胶倒入洁净的凝胶托盘中,在室温(20–25 °C)下用蒸馏水冲洗,并插入梳子以形成加样孔,凝胶厚度为 0.4 cm。将托盘置于室温(20–25 °C)下的平坦表面上静置 30 分钟,直至凝胶完全凝固。小心取出梳子。

加样

将每种DNA样品各4 µL加入凝胶的加样孔中,并将DNA Marker加入最左侧的加样孔。

电泳

将加样后的凝胶托盘放入盛有TAE电泳缓冲液的电泳槽中,确保缓冲液液面高出凝胶表面约1 mm。加样孔的一端置于阴极(以使DNA向阳极迁移)。将电泳系统连接至电源,以120 V和60 mA电泳约45分钟,直至加样缓冲液迁移至凝胶中线以外,随后关闭电源。

结果观察与成像

电泳结束后,小心取出凝胶,置于紫外透射仪下观察结果,并与DNA Marker比较,以确定扩增片段的分子量是否出现在预期位置。使用凝胶成像系统采集图像,并将结果保存至计算机中。

对照设置

使用蒸馏水代替cDNA作为阴性对照。

半定量分析

采用凝胶成像系统对琼脂糖凝胶电泳结果进行分析和采集。使用图像分析软件分析条带的亮度。测定目的基因扩增条带及其相应内参基因扩增条带的绝对积分光密度(OD)值。结果以目的条带的绝对积分OD值与相应内参条带的绝对积分OD值的比值表示。

即,相对表达量 = 目的基因OD值 / 内参基因OD值。

统计分析

所有数据均使用 Excel 进行整理,并通过统计学软件进行分析。连续性变量以均值 ± 标准差(SD)表示,两组间的比较采用独立样本 t 检验。分类变量中的名义变量(包括免疫组化阳性表达率)采用 χ2 检验进行分析;有序分类变量(包括病理分级和临床分期)采用秩和检验(在适用的情况下,两组比较使用 Mann-Whitney U 检验)。HMGA1 与 HAND1 表达之间的相关性采用线性相关分析进行评估。所有检验均为双侧检验;P < 0.05 被认为具有统计学显著性,P. < 0.01 被认为具有高度显著性。

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结果

免疫组织化学检测结果

代表性苏木精-伊红(HE)染色图像展示了相邻正常喉黏膜及不同分化程度(高、中、低分化)的喉鳞状细胞癌(LSCC)的组织学形态。具体而言,图1A显示相邻正常喉黏膜,图1B显示高分化LSCC,图1C显示中分化LSCC,图1D显示低分化LSCC。

HMGA1 和 HAND1 在喉鳞状细胞癌及相邻正常喉黏膜组织中的表达

HMGA1 免疫组织化学染色显示细胞核内出现棕黄色、斑片状或颗粒状着色,为阳性结果,伴有少量细胞质着色。图2A 显示 HMGA1 在邻近正常组织中无表达,而

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讨论

喉癌是头颈部最常见的肿瘤之一,近年来发病率呈上升趋势,可能与环境及生活方式相关因素有关。与其他恶性肿瘤类似,其复发和转移仍是导致患者死亡的主要原因。随着分子生物学的发展,目前已发现多种与喉癌发生发展相关的因素,但其发病及转移机制尚未完全阐明。HMGA1作为一种转录调控因子,因其在肿瘤发生和进展中的作用,近年来成为研究热点,已在多种癌症中被报道呈高表达,并可作为肿瘤相关生物标志物。HAND1也是一种转录调控因子,主要在滋养层细胞和心脏发育过程中发挥作用,且在多种恶性肿瘤中被发现处于沉默状态并伴有高度甲基化。然而,其在喉癌中的表达情况尚缺乏充分表征。本研究在标准化实验条件(详见实验方案,包括抗原修复条件、抗体稀释比例及RNA处理流程)下,采用免疫组织化学和RT-PCR方法,系统评估了HMGA1和HAND1在喉癌中的表达水平及其与多种临床参数的相关性。

这些研究结果的可重复性在很大程度上依赖于方案中描述的若干关键实验参数。特别是抗原修复的温度和时间、抗体稀释比例以及孵育条件,会显著影响免疫组织化学染色的强度和特异性。同样,在RNA提取和逆转录过程中严格保持无RNase操作环境以及精确的温...

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致谢

作者谨此感谢其所在机构以及所有为本研究作出贡献的个人所提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
自动组织包埋机Sakura Finetek, Tokyo, JapanTissue-Tek TEC 5石蜡包埋
切片机Leica Microsystems, Wetzlar, GermanyRM2135切片(4 μm)
载玻片烘干仪孝感市宏业医用仪器有限公司,中国CS-VI载玻片干燥
恒温培养箱上海阳光实验仪器有限公司,中国303-4A温度控制培养
光学显微镜奥林巴斯公司,东京,日本BX41组织学观察
图像采集系统QImaging, CanadaQCapture Pro 7显微成像
洁净工作台北京西城半导体设备厂,中国SW-CJ-1FD无菌工作空间
冷冻离心机北京医疗器械修理厂,中国LXJ-64-01RNA分离
台式离心机上海沛青科技有限公司,中国PQ-1600ARNA/DNA处理
磁力搅拌器江苏金坛医疗器械厂,中国HJ-3溶液配制
小型混匀仪上海彭’s 工业有限公司,中国H-1样品混匀
电子天平METTLER Toledo, SwitzerlandPB3002-S样品称重
PCR扩增仪Eppendorf AG, GermanyMastercycler 5333PCR扩增
电泳电源北京六一仪器厂,中国DYY-6C电压控制
电泳槽北京六一仪器厂,中国DYCZ-24DN凝胶电泳
微波炉上海中大医用科技应用研究所,中国WD800SL23琼脂糖制备
紫外透射仪北京六一仪器厂,中国WD-9403BDNA可视化
凝胶成像系统安莱有限公司,中国AlphaImager HP凝胶记录
冰箱(4 °C)海尔生物医疗,中国BC-165D样品储存
超低温冰箱海尔生物医疗,中国DW-86L388储存(-80 °C)
冰盒上海复智科技有限公司,中国FZ-IB-20L样品运输
低温储存袋上海伊力科技有限公司,中国YL-ULT-50样品保存
移液器Eppendorf AG, GermanyResearch Plus液体操作
RNA提取试剂(TRIzol)Invitrogen (Thermo Fisher Scientific), USA15596026RNA提取
逆转录试剂盒Takara Bio Inc., JapanRR037AcDNA合成
PCR预混液Takara Bio Inc., JapanRR820APCR扩增
dNTP混合液Takara Bio Inc., Japan4030 (典型)PCR组分
RNase抑制剂(RNasin)Promega, USAN2111RNA保护
Oligo(dT)引物Takara Bio Inc., Japan3806 (典型)cDNA合成引物
琼脂糖Sigma-Aldrich, USAA9539凝胶制备
TAE缓冲液(50×)Sigma-Aldrich, USATAE50X-1L (典型)电泳缓冲液
DNA Marker(Ladder)Takara Bio Inc., JapanDL2000 (3421A)大小参照
溴化乙锭(EtBr)Bio-Rad, USA1610433DNA可视化
PBS缓冲液Gibco (Thermo Fisher Scientific), USA10010023洗涤缓冲液
DEPC处理水Invitrogen, USAAM9916RNA保护
氯仿Sigma-Aldrich, USAC2432RNA提取
异丙醇Merck, Germany109634RNA沉淀
乙醇(无水)Merck, Germany100983脱水
甲醇Merck, Germany106009过氧化物酶封闭
过氧化氢(H2O2)Sigma-Aldrich, USAH1009内源性过氧化物酶封闭
二甲苯Sigma-Aldrich, USA534056脱蜡
柠檬酸抗原修复缓冲液Abcam, UKab93678抗原修复
抗体稀释液Dako, DenmarkS3022抗体稀释
HMGA1一抗Abcam, UKab129153稀释比例1:150
HAND1一抗Abcam, UKab200040稀释比例1:100
二抗(HRP标记)Dako, DenmarkK5007检测系统
DAB底物试剂盒Dako, DenmarkK3468显色检测
苏木精染液Sigma-Aldrich, USAH9627细胞核染色
伊红染液Sigma-Aldrich, USAE4009细胞质染色
中性树胶封片剂国药集团化学试剂有限公司,中国10004160载玻片封片
HMGA1引物定制合成(例如IDT/Sangon)N/A基因扩增
HAND1引物定制合成(例如IDT/Sangon)N/A基因扩增
GAPDH引物(内参基因)定制合成N/A看家基因
APES(3-氨基丙基三乙氧基硅烷)Sigma-Aldrich N/A载玻片涂层
无RNase微量离心管Eppendorf N/ARNA操作
无RNase移液器吸头Eppendorf N/A液体操作
琼脂糖凝胶制胶板与梳子通用N/A凝胶制备
引物设计软件Integrated DNA Technologies, USAPrimerQuest Tool引物设计
图像分析软件Media Cybernetics, USAImage-Pro Plus 6.0条带定量
统计分析软件IBM Corp., USASPSS Version 13.0统计分析

重印与许可

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