一、微阵列比较基因组杂交(MicroarrayComparativegenomichybridization,aCGH)。DNA微阵列(DNAMicroarray)也叫寡核苷酸阵列(Oligonucleitidearray),是人类基因组计划(HumanGeneomeProject,HGP)的逐步实施和分子生物学的迅猛发展及运用的产物,它是生物学家受到计算机芯片制造和广为应用的启迪,融微电子学、生命科学、计算机科学和光电化学为一体,在原来核酸杂交(Northern、Southern)的基础上发展起来的一项新技术,它是第三次革命(基因组革命)中的主要技术之一,是生物芯片中的一种。该技术的原理是在固体表面上集成已知序列的基因探针,被测生物细胞或组织中大量标记的核酸序列与上述探针阵列进行杂交,通过检测相应位置杂交探针,实现基因信息的快速检测。DNA微阵列技术最突出的特点就是可一次性检测多种样品,获得多种基因的差别表达图谱,已成功地运用cDNA微阵列同时检测l万多个基因的表达。因此,DNA微阵列是对不同材料中的多个基因表达模式进行平行对比分析的一种高产出的、新的基因分析方法。与传统研究基因差异表达的方法相比,它具有微型化、快速、准确、灵敏度高,以及在同一芯片上同时大信息量平行检测的优势。DNA微阵列技术在基因表达图谱的绘制、寻找目的基因和功能基因等研究方面已取得了显著的成绩。但其不足之处在于所点样的序列并不都是试验需要检测的,且试验所需要的分析仪器比较复杂。另外,DNA微阵列技术在分析低丰度转录体方面比较有限,要确保某种低丰度转录体包含于DNA微阵列上,需挑选非常大量的克隆进行扩增点样。表观遗传(epigenetics)是指DNA序列不发生变化,但基因表达却发生了可遗传的改变。这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变,且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递。在表观遗传中,DNA序列不发生变化,但基因表达却发生了可遗传的改变。DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下,在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5碳位以共价键结合一个甲基基团。正常情况下,人类基因组中的“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少,并且总是处于甲基化状态;与之相反,人类基因组中大小为100-1000bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态,并且与56%的人类基因组编码基因相关。人类基因组序列草图分析结果表明,人类基因组CpG岛约为28890个,大部分染色体每1Mb就有5-15个CpG岛,平均值为每Mb含10.5个CpG岛,CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系。由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系,特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题,DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。DNA双螺旋结构的发现和重组DNA技术、PCR技术的产生促进了分子遗传学的发展。几十年来,人们一直认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质,决定着生命体的表型。但随着研究的不断深入,科研人员也发现一些无法解释的现象:马、驴正反交的后代差别较大;同卵双生的两人具有完全相同的基因组,在同样的环境中长大后,他们在性格、健康等方面却会有较大的差异。这些现象并不符合经典遗传学理论预期的结果,提示在某些情况下,基因的碱基序列不发生改变,但生物体的一些表型却可以发生了变化。此外,研究还发现有些特征只是由一个亲本的基因来决定,而源自另一亲本的基因却保持“沉默”。人们对于这样一些现象都无法用经典的遗传学理论去阐明。现在,遗传学中的一个前沿领域:表观遗传学(Epigenetics),为人们提供了解答这类问题的新思路。表观遗传学是研究表观遗传变异的遗传学分支学科。表观遗传变异(epigeneticvariation)是指,在基因的DNA序列没有发生改变的情况下,基因功能发生了可遗传的变化,并最终导致了表型的变化。它并不符合孟德尔遗传规律的核内遗传。由此我们可以认为,基因组含有两类遗传信息,一类是传统意义上的遗传信息,即DNA序列所提供的遗传信息;另一类是表观遗传学信息,它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。几十年来,DNA一直被认为是决定生命遗传信息的核心物质,但是近些年新的研究表明,生命遗传信息从来就不是基因所能完全决定的,比如科学家们发现,可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰,这种改变不仅可以影响个体的发育,而且还可以遗传下去。这种在基因组的水平上研究表观遗传修饰的领域被称为“表观基因组学(epigenomics)”。表观基因组学使人们对基因组的认识又增加了一个新视点:对基因组而言,不仅仅是序列包含遗传信息,而且其修饰也可以记载遗传信息。二、染色体微结构异常(Chromosomemicrostructureabnormality)包括:1、染色体微缺失:某一个小片段的缺失则被称为是染色体微缺失。2、染色体微重复:某一个小片段的重复则被称为是染色体微重复。3、单亲二倍体(uniparentaldisomy,UPD):体细胞中的同源染色体均来自一个亲本的个体。4、基因印迹(GeneImpringting):也称作基因组印迹(GenomicImprinting)、配子印迹(GameticImprinting)或亲源印迹(ParentalImprinting),是近年来发现的一种不遵从孟德尔定律的依靠单亲传递某些遗传学性状的现象,也就是某些基因呈亲源依赖性的单等位基因表达,其另一等位基因不表达或表达极弱;仿佛这些基因的不同亲本来源的一对等位基因上带有某种可供识别的印迹,故名。具有这种现象的基因被称为印迹基因(ImprintedGene)。基因印迹在体细胞的分裂中是传承的,但在配子形成的过程中可以擦除和重新建立。基因印迹在人类遗传性疾病尤其是肿瘤发生中的作用正引起越来越多的注意。基因组印迹(Genomicimprinting)又称基因组印记、遗传印迹、亲代印迹(ParentalImprinting)或配子印迹,是指在配子或合子发生期间,来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰,导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性的现象。另一种解释是印记基因是指仅一方亲本来源的同源基因表达,而来自另一亲本的不表达。遗传印记技术不仅是一种生物学技术,而且是在涉及血缘分析和刑侦分析的民事领域也同样被采用的分析技术,因而是牵涉到社会演化问题的一个关键领域。从生物学研究的角度看,由于人们对基因组织的发展,使我们对DNA多态性的解释越来越完善,并使我们从中确认了每个生物具有的这种极端的独特性。基因组印记是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰,使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性,这种修饰常为DNA甲基化修饰,也包括组蛋白乙酰化、甲基化等修饰。在生殖细胞形成早期,来自父方和母方的印记将全部被消除,父方等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式,但在受精时这种甲基化模式还将发生改变;母方等位基因甲基化模式在卵子发生时形成,因此在受精前来自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式。目前发现的印记基因大约80%成簇,这些成簇的基因被位于同一条链上的顺式作用位点所调控,该位点被称做印记中心(imprintingcenter,IC)。印记基因的存在反映了性别的竞争,从目前发现的印记基因来看,父方对胚胎的贡献是加速其发育,而母方则是限制胚胎发育速度,亲代通过印记基因来影响其下一代,使它们具有性别行为特异性以保证本方基因在遗传中的优势。印记基因的异常表达引发伴有复杂突变和表型缺陷的多种人类疾病。研究发现许多印记基因对胚胎和胎儿出生后的生长发育有重要的调节作用,对行为和大脑的功能也有很大的影响,印记基因的异常同样可诱发癌症。5、拷贝数变异CopyNumberVariation(CNV):是由基因组发生重排而导致的,一般指长度为1kb以上的基因组大片段的拷贝数增加或者减少,主要表现为亚显微水平的缺失和重复。CNV是基因组结构变异(Structuralvariation,SV)的重要组成部分。CNV位点的突变率远高于SNP(Singlenucleotidepolymorphism),是人类疾病的重要致病因素之一。三、微缺失及微重复综合征:临床表现可归纳为三个方面:智力损害、多发畸形、特殊面容四、核型分析(Karyotyping)的局限性1、分辨率低(5-10Mb)只能检测大的突变,不能检测杂合性缺失(LOH)/单亲二倍型(UPD),以至于有些病人用核型分析根本找不出染色体异常。2、染色体处理过程对操作者技术要求高,不同人员操作可能会导致完全不同的展带效果,诊断者要具有很强的专业背景和经验。3、细胞一旦培养失败,则前攻尽弃。五、荧光原位杂交(Fluorescenceinsituhybridization,FISH。是根据已知微生物不同分类级别上种群特异的DNA序列,以利用荧光标记的特异寡聚核苷酸片段作为探针,与环境基因组中DNA分子杂交,检测该特异微生物种群的存在与丰度)的局限性:1、只能检测已知突变引起的疾病,对背景未知的基因引发的疾病无法检测。2、同样无法检测LOH/UPD3、一次最多只能检测5-8个位点,无法进行整个基因组的检测,增加探针又会面临准确性下降的问题。4、定制进口探针价格昂贵。六、ArrayCGH的优势:1、分辨率比传统核型分析高出近千倍(精确到50kb或以下)。2、高通量,一次实验就可检测全基因组。3、精确定位异常片段,并显示受累基因,有利识别和鉴定疾病相关基因。4、不需要细胞培养,可直接检测血液、羊水(amnioticfluid,AF)和绒毛膜(chorionicvillussampling,CVS)样品,出报告速度更快,结果更加准确可靠。5、能进行UPD/LOH检测、家系研究及亲缘鉴定工作
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