系列医学知识转载 -----基因诊断与性传播疾病(第一帖)

第一章基因诊断与性传播疾病现代分子生物学无论是在理论研究还是实际应用上，都已处于生命科学的最前沿，它的发展彻底改变了我们对生物体的认识。这些发展对于研究和治疗人类的疾病，尤其是性病有着重大的意义。分子生物学使我们重新认识性病的发生和发病机理。在探讨性病的诊断和治疗以及有关预防疫苗的研制等各方面，都采用了分子生物技术和方法。利用分子生物学方法对各种性传播性疾病进行病原学诊断，是近年来的主要进展之一。它的优点是高度的特异性和极大的提高了检测的敏感性。可以检测到标本中只有一个基因拷贝的病原微生物。用分子生物学方法诊断那些培养困难的病原微生物显得更为优越。此外，还可以用来进行流行病学、发病机理及药物治疗监测的研究。现将基因诊断的分子生物学基础及在性病领域常用的有关分子生物学的基本方法和原理进行概述。第一节基因诊断的分子生物学基础基因诊断操作的对象为基因或其片段。基因是遗传学上的一个概念，是在染色体上占有一定的位置，表现一定功能的基本单位。基因的物质基础是脱氧核糖核酸（DNA）（有些病毒的基因是核糖核酸，RNA）。原核细胞（如细菌和病毒）的基因单位较小，其排布一般是连续的。真核细胞的基因一般较大，其排布是不连续的，它被称为**序列的部分所分隔。一、DNA及RNA的化学组成DNA和RNA统称为核酸，早在1868年就被瑞士年轻医生米歇尔发现，在真核细胞中，98%以上的DNA存在于细胞核，少量的DNA分布在线粒体中。RNA主要存在于细胞质中，占其总量的90%左右。细胞外液则无核酸存在。对于非细胞形态的病毒来说，或含有DNA，或只含有RNA，因此可按所含核酸类型的不同，将病毒分为DNA病毒与RNA病毒。组成核酸的基本单位是单核苷酸，所以核酸又称为多核苷酸。单核苷酸是由磷酸、戊糖及碱基组成。如果戊糖是脱过氧的，则形成的单核苷酸为脱氧单核苷酸。单核苷酸相互缩合形成RNA，脱氧单核苷酸相互缩合形成DNA。下表列举常见的核苷酸及缩写符号。表1－1常见核苷酸及其缩写符号碱基核糖核苷酸（缩写）脱氧核糖核苷酸（缩写）腺嘌呤腺嘌呤核苷酸（AMP）腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）鸟嘌呤鸟嘌呤核苷酸（GMP）鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP）胞嘧啶胞嘧啶核苷酸（CMP）胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）尿嘧啶尿嘧啶核苷酸（UMP）胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）由于核酸的合成是一个耗能的过程，故参与DNA或RNA合成的脱氧或未脱氧的单核苷酸是三磷酸核苷酸，合成时磷酸键水解释放出能量，以供核酸的合成。表1－2三磷酸核苷酸的种类及符号DNARNA腺嘌呤脱氧三磷酸核苷酸（dATP）腺嘌呤三磷酸核苷酸（ATP）鸟嘌呤脱氧三磷酸核苷酸（dGTP）鸟嘌呤三磷酸核苷酸（GTP）胞嘧啶脱氧三磷酸核苷酸（dCTP）尿嘧啶三磷酸核苷酸（UTP）胸腺嘧啶脱氧三磷酸核苷酸（dTTP）胞嘧啶三磷酸核苷酸（CTP）二、DNA分子结构（一）DNA的碱基组成规律组成DNA分子的脱氧核苷酸主要有四种，即dAMP，dGMP、dCMP和dTMP（d代表“脱氧”的意思），此外还含有少量的稀有碱基（主要是甲基化碱基）。50年代初，E.Chargaff等人对来自不同生物的DNA进行完全水解，对碱基进行了定量测定，总结出如下规律，一般称它为Chargaff规则。1．所有DNA分子中，嘌呤碱总摩尔数等于嘧啶碱总摩尔数，即A+G=T+C，并且以摩尔为单位，A=T、G=C。2．DNA的碱基组成具有种属的特异性，即不同生物种属的DNA具有各自独特的碱基组成。3．DNA的碱基组成没有组织、器官的特性，即同种生物中不同组织及器官的DNA在碱基组成上是一致的。4．生物体内DNA的碱基组成不受年龄、营养状态和环境的改变之影响。在所有DNA分子中A=T、G=C这一规律的发现，为DNA双螺旋结构模型的建立提供了重要的依据。（二）DNA的一级结构与蛋白质结构相似，核酸的结构也可分一级结构与空间结构进行讨论。核酸的一级结构是指其多核苷酸链中核苷酸的排列顺序。核酸的空间结构是指多核苷酸链内或链间通过氢键等折叠卷曲的构象。核酸的空间结构又有二级结构与三级结构之分。DNA是由四种脱氧核糖核酸通过3′.5′——磷酸二酯键彼此连接而成的线形或环状大分子。DNA分子没有侧链。其骨架由脱氧核糖和磷酸组成DNA的一级结构即是DNA多核苷酸链中核苷酸的排列顺序。由于生物遗传信息储存于DNA的核苷酸序列中，若能搞清各种生物DNA的脱氧核苷酸排列顺序，则对生命活动本质的认识将有重大意义。（三）DNA的二级结构目前公认的DNA二级结构是双螺旋结构，这种模型的建立，主要有两个方面的根据。一是前面提到的50年代初E.Chargaff等人对各种DNA碱基组成的定量分析结果。二是Wilkins小组用X光衍射法研究DNA的晶体,测得DNA分子呈螺旋结构。1953年j.Watson和F.Crick通过进一步研究,提出了DNA分子双螺旋结构模型。从而大大推动了分子生物学的发展。DNA双螺旋结构模型的要点如下：1．DNA分子由两条走向相反（一条5′→3′，另一条3′→5′）但互相平行的脱氧核糖核苷酸链组成，以一共同轴为中心，盘绕成双螺旋结构。2．碱基在双螺旋内侧。一条链碱基上-NH的氢原子与另一条链碱基上的氧原子或氮原子形成氢键。氢键总是发生在A与T，G与C之间，前者有两个氢键，后者有三个氢键。这称为碱基配对或碱基互补规律。由此，两条多核苷酸链又可称为互补链。3．各碱基对处于同一平面，且垂直于双螺旋的中心轴。相邻碱基对之间尚存在范德华（VanderWarls）引力，从而进一步稳定了双螺旋结构。4．双螺旋的直径为2nm，每个螺距为3.4nm，内包含10个碱基对，因此每个碱基对距离为0.34nm。（四）DNA的三级结构DNA三级结构是指双螺旋链作进一步的扭曲构象。超螺旋结构是DNA三级结构形式。目前发现许多病毒DNA，线粒体DNA，都是环型双链DNA，而具有超螺旋结构。当超螺旋型DNA的一条链上出现缺口时，超螺旋结构被松开，可解旋形成开环型结构。DNA的三级结构与其结合的蛋白质有关。真核细胞染色质的基本结构单位是核小体。核小体是由组蛋白H2A，H2B，H3和H4各二个分子组成的八聚体，外绕DNA形成核心颗粒。连接各核心颗粒的区域称连接区，它是由组蛋白H1及大约60-100个碱基对DNA组成。一个完整的核小体由核心颗粒与连接区组成。各个核小体彼此相联沿染色质纤维的纵轴列成一种串珠状重复性结构。串珠状核小体长链可进一步卷曲，形成螺旋筒结构。在形成染色单体时，螺旋筒再进一步卷曲、折叠。人体每个细胞中长约1.7μm的DNA双螺旋链，最终被压缩8400多倍，分布于各染色单体中。三、RNA分子结构（一）RNA类型细胞内含有三类主要的RNA，即核蛋白体RNA（RibosomalRNA，rRNA）、转运RNA（TransferRNA，tRNA）及信使（MessengerRNA，mRNA）。1．rRNA。是核蛋白体的组成部分，含量最多，约占细胞内全部RNA的74~80%，在真核细胞中有四种rRNA，分子大小不均。它们分别与70多种蛋白质相结合而构成核蛋白体大小亚基，是蛋白质生物合成的“装配机”。2．tRNA。占细胞内RNA总量的10~25%，分散于胞液中。种类很多，每种氨基酸都有与其相对应的一种或几种tRNA。tRNA分子由70~90个核苷酸组成，所以分子量较小，tRNA的生理功能是运输活化了的氨基酸，参与蛋白质的生物合成。3．mRNA。占细胞内RNA总量的2~5%，其代谢活跃，更新迅速，所以半衰期较短。细胞内mRNA的种类很多，但每种mRNA的含量却很少，它是蛋白质生物合成的直接模板。（二）RNA的碱基组成RNA分子中所含的四种基本碱基是：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。此外还有一些稀有碱基，如假尿嘧啶及带有甲基化的碱基等。RNA的碱基组成，不像DNA那样具有严格的A-T，G-C的规律。RNA结构也不像DNA那样整个分子都是双螺旋结构，而且只有局部呈双螺旋结构。（三）RNA分子结构除少数病毒外，RNA分子均为单链结构。与DNA相似，核苷酸通过3′.5′—磷酸二酯键连接而成多核苷酸链。单链结构的RNA，在局部区域由于自身回折也可盘曲形成双螺旋结构。双链部位的碱基一般也彼此通过氢键而互相配对，即A-U，G-C。有些不参加配对的碱基往往被排斥在双链外，形成环状突起。在不同的RNA分子中，双螺旋区所占比例也不相同。1．tRNA结构在所有RNA中，对tRNA的研究为最多，了解得也较清楚。tRNA的二级结构多呈三叶草形。由于双螺旋结构所占比例甚高，所以三叶草形结构十分稳定。tRNA是核蛋白体的组成部分。目前虽已测出不少的tRNA分子的一级结构，但对二级结构与其功能的研究还需进一步深入。2．mRNA结构mRNA分子结构的特点是，极大多数真核细胞mRNA的3′—端有一段长约200个碱基的多聚腺苷酸，称为mRNA的“尾”。这种结构可能与mRNA在细胞核内合成后移至细胞质的过程有关。在mRNA分子的5′—端接一个7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸，称它为mRNA的“帽”。mRNA分子中有编码区与非编码区。编码区是所有mRNA分子的主要结构部分，决定蛋白质分子一级结构。非编码区与蛋白质生物合成的调控有关。3．rRNA结构rRNA是核蛋白体的组成部分。目前虽已测出了不少的rRNA分子的一级结构，但对二级结构与其功能的研究还需进一步深入。四、核酸的理化性质天然DNA分子的长度可达几厘米，而分子直径只有2nm。如此细丝状的双螺旋结构使DNA分子具有一系列理化特性。如粘度极大，在外力作用下易断裂等。（一）核酸的分子大小与粘度天然DNA的分子量极大，例如，果蝇巨染色体只有一线形DNA，长达四厘米，分子量约为8×102道尔顿。高分子溶液的粘度比一般溶液的粘度要大得多，不规则团分子比球状分子的粘度要大，而线形分子的粘度更大。因此在溶液中呈线形分子的DNA，即使是极稀的溶液，也具有极大的粘度。RNA溶液的粘度要小得多。当核酸溶液在某些理化因素作用下发生变性，使螺旋结构转变为线团时，粘度降低。所以可用粘度作为DNA变性的指标。（二）核酸的紫外吸收嘌呤碱、嘧啶碱以及由它们参与组成的核苷，核苷酸及核酸对紫外光都有强烈的吸收作用。它们吸收紫外光的共同特点是在260nm处为最大吸收值。而由芳香族氨基酸参与组成的蛋白质最大吸收值在280nm处。利用这一特性，可以鉴别核酸样品作为杂质的蛋白质含量。（三）核酸的变性、复性与杂交1．核酸变性核酸变性是指核酸双螺旋结构解开，氢键断裂，但并不涉及核苷酸间磷酸二酯键的断裂。若磷酸二酯键的断裂称为降解，核酸降解时，核酸分子量降低。而核酸的变性并不引起核酸分子量的变化。引起核酸变性的因素很多。由于温度升高而引起的变性称热变性。如将DNA的稀盐溶液加热到50℃以上几分钟，双螺旋结构即破坏，氢键断裂，DNA分子的两条链彼此分离，形成无规则线团。变性后的DNA，由于结构上的变化，因而发生了一系列理化性质的改变，如260nm处紫外吸收值升高（称增色效应），粘度降低以及生物学活性丧失等。能使50%DNA分子发生变性的温度称为变性温度（Meltingtemperature，Tm）Tm一般为70~85℃。Tm值与分子中G—C含量有关，即G—C配对数愈多，则Tm值愈高，反之愈低。由于溶液酸碱度的改变而引起的变性称酸碱变性。对DNA分子来说，碱基对在pH4.0~11.0之间最为稳定,超此范围,可引起DNA分子酸碱变性。乙酸、丙酮等有机溶液及尿素也可引起核酸的变性。2．核酸复性变性DNA在适当条件下，又可使两条彼此分离的链重新缔合而形成双螺旋结构，这一过程称为复性或退火。复性后的DNA可基本恢复一系列的理化性质，生物学活性也可得到部分恢复。变性核酸的复性是有条件的。如将热变性的DNA溶液骤然冷低温，DNA不可能复性。只有缓慢地将它冷却时，DNA才有可能复性。另外，变性DNA片段越大，则复性越慢。变性DNA浓度越大则越易复性。3．核酸杂交不同来源的DNA加热变性后，只要两条多核苷酸链的碱基有一定数量能彼此互补，就可以经退火处理复性现象，形