遗传变异既存在于不同群体内部,也存在于不同群体之间,它导致了个体间性状的差异,包括对疾病的易感性差异。最常见的遗传变异是单核苷酸多态性,即SNP。SNP分型是指确定个体中存在的一组特定变异,此处即为SNP。
本视频将讨论SNP分型背后的一些基本原理,介绍几种常见的SNP鉴定方法,并最后展示这些技术的一些应用。
首先,让我们讨论一下什么是SNP,以及它如何用于基因分型。
“多态性”是指在一个群体中以显著频率出现的等位基因,即基因座的不同版本,包括碱基替换以及插入或缺失。单核苷酸多态性(SNP)是指DNA单个碱基位置上的变异。SNP可分布于整个基因组中,且大多数不会改变蛋白质结构或基因表达。然而,由于SNP在物理位置上与致病性遗传变异接近,即存在“连锁”关系,它们仍可能与某些疾病相关联。另一方面,也有一些明确的SNP已被证实可直接导致疾病,例如囊性纤维化、镰状细胞贫血和β-地中海贫血。
SNP基因分型的一个实际应用是个性化医疗,通过识别与疾病相关或与药物/治疗反应差异相关的SNP,有助于医生更准确地诊断和治疗患者。
SNP在全基因组关联研究(GWAS)中也具有重要价值,这类研究通过分析全基因组范围内数十万个SNP,以鉴定与特定性状或疾病相关的变异位点。GWAS利用被称为“单体型”(haplotype)的SNP组合。同一单体型内的SNP处于“连锁不平衡”状态,意味着这些变异的特定组合比随机预期更频繁地共同出现,通常是由于它们在染色体上彼此靠近所致。因此,仅需对少量代表性SNP进行基因分型即可区分不同的单体型,从而使遗传关联研究的成本和工作量显著降低。
在了解了单核苷酸多态性(SNP)的定义及其应用之后,接下来我们将介绍目前已开发出的多种用于SNP分型的技术方法,包括直接杂交、基于PCR的方法、片段分析以及测序。
直接杂交技术,例如SNP芯片,利用短的寡核苷酸探针直接识别特定的SNP。单个生物芯片上可同时检测数十万个SNP。这些探针被化学固定在芯片基质上,通常为玻璃载片。为了检测样本中的SNP,首先通过PCR扩增分离得到的基因组DNA,并将其片段化以提高探针结合效率。随后对DNA进行标记,通常使用荧光标记物,再将其与芯片进行杂交。在样本DNA与探针结合后,洗去未结合或非特异性结合的DNA。通过测量每个探针位点的信号强度,即可确定样本中是否存在目标等位基因。
另一种SNP分型方法是等位基因特异性PCR,该方法设计针对含有SNP序列的引物,使其仅能与完全互补的等位基因杂交。PCR产物可通过荧光标签等方法进行检测。或者,可设计跨越目标SNP位点的PCR引物,并结合SNP特异性探针,如TaqMan PCR检测法。在此方法中,探针包含一个荧光标记物以及一个淬灭分子,后者可抑制邻近荧光标记物的荧光信号。在PCR过程中,只有特异性结合的探针序列才会被聚合酶的5′外切核酸酶活性降解,从而使荧光标记物与淬灭分子分离,产生可检测的荧光信号,指示特定变异的存在。
第三类方法称为片段分析,其原理是根据特定SNP的存在与否,生成不同大小或标记的DNA片段。限制性片段长度多态性分析利用限制性内切酶对其靶序列的高度特异性,其中一种等位基因可被切割而另一种则不能。连接酶检测法使用两个紧邻排列的探针,其中一个探针在目标SNP碱基对处终止。若含SNP的探针完全匹配结合,则可发生连接反应。引物延伸检测法则使用结合至目标SNP前一个核苷酸位置的引物,随后根据个体所携带的等位基因不同,对该引物进行可变长度的延伸。这些方法所产生的DNA片段可通过凝胶电泳、毛细管电泳或质谱法进行区分。
最后,测序技术能够高度特异地检测SNP,并可识别序列未知的新SNP。然而,必须格外谨慎,并增加实验重复次数,以区分真实的SNP与测序读取错误。随着测序技术成本的降低和可及性的提高,研究人员正越来越多地采用测序方法进行基因分型。
了解了单核苷酸多态性(SNP)的基因分型方法后,让我们来看这些技术的一些具体应用。
基因分型可用于区分外观几乎完全相同的同一物种的不同品种。该方法首先分离基因组DNA,然后使用特异性引物进行PCR扩增,这些引物设计用于结合已知SNP或其他遗传变异所在的序列。这些引物仅能扩增含有特定多态性序列的品种DNA,从而可用于区分这些表型相似的个体。
研究人员还利用基因分型来鉴定携带特定耐药突变的致病菌。在资源有限的条件下,已建立一种简化的SNP芯片检测流程:将基因组DNA和PCR预混液直接加入芯片中,实现一步完成样本扩增与杂交。随后对芯片进行洗涤、成像,并分析结果,以判断结核杆菌的存在与否及其是否携带耐药突变。
最后,SNPs还可用于评估通过关联研究发现的、与疾病风险增加相关的遗传变异的功能。在此实验中,科学家使用一种细胞系,其在目标基因的转录区域中携带一个中性的“标记”SNP,且为杂合状态,同时在非转录区含一个与疾病相关的待测SNP。另选择一种阴性对照细胞系,其标记SNP也为杂合状态,但待测SNP则为非疾病相关等位基因的纯合子。对基因组DNA以及由表达的mRNA逆转录得到的cDNA进行等位基因特异性引物延伸反应,随后利用MALDI-TOF质谱法对引物延伸产物进行定量。通过比较与两个标记SNP等位基因相关的片段相对丰度,研究人员可判断该疾病相关SNP是否导致基因表达水平降低。
您刚刚观看了 JoVE 关于 SNP 分型的视频。该视频介绍了 SNP 的概念及其应用、几种用于鉴定和表征 SNP 的基本方法,并重点展示了 SNP 分型的三个应用实例。感谢您的观看!
单核苷酸多态性(SNPs)是人类遗传变异中最常见的形式。DNA中单个碱基的这些差异通常不会直接影响基因表达,但在许多情况下仍可用于定位与疾病相关的基因或用于患者诊断。目前已建立多种方法用于识别或“基因分型”SNPs。
JoVE的SNP基因分型简介首先讨论了SNPs的定义以及如何利用它们鉴定与疾病相关的…
本视频中的章节
0:00
Overview
0:44
Principles of SNP Genotyping
2:35
Genotyping Techniques
5:47
Applications
7:52
Summary