第十九章 核酸（基因）分子探针
第一节 概述
从化学和生物学的意义上理解，探针是一种已知特异性的分子，它带有合适的标记物供反应后检测。探针和靶的相互反应如抗原-抗体、血凝素-碳水化合物、亲合素-生物素、受体和配体，以及核酸与其互补核酸间的杂交等反应均属此类。用核酸探针与待检标本中核酸杂交，形成杂交体，再用呈色反应显示。此方法用于疾病的诊断，称为分子杂交基因诊断。此法开始用于遗传性疾病的诊断如血红蛋白病的诊断、先天性遗传病的产前诊断。近来，已发展为诊断外源性病原体如病毒、细菌、原虫等的方法；内源性病变基因研究如癌基因检测、基因突变、基因缺失或变异引起的疾病的基因诊断；人类基因识别及其生理功能和衰老有关研究；在法医检测中有关性别鉴别和DNA指纹谱的鉴定。基因探针的研究引起了人们高度重视，在探针的制备技术上有重大突破。可将核酸分子探针检测比喻为在柴草堆中去找一根针的神奇技术。据美国华尔街分析家预言：“在生物技术市场中，下一个突破和具有吸引力的是基因探针”。它的巨大的开发潜力和经济效益，已引起人们的重视。
目前基因检测方法中以同位素标记（32P、35S等）DNA探针灵敏度最高，但由于放射性污染、半衰期短、需要特别的安全防护条件等，限制了同位素标记探针的广泛应用。因此，非同位素标记探针的研制引起重视，自Langer等（1981）合成了生物素化dUTP和NTP类似物以来，开创了用非同位素标记的新领域，用生物素标记核酸探针检测和识别特定的核酸序列，已广泛应用于临床检验和科学研究。Leary等（1983）用缺口平移法标记的生物素DNA探针成功地用于Southern印迹杂交技术。Forst等（1985）发表了光敏生物素直接标记核酸的简便方法，使核酸和蛋白质的生物素标记探针技术前进一大步。Renz 等（1984）、Thorpe 等（1985）和Pollars 、Knight等（1990）用化学法直接把辣根过氧化物酶接到DNA上，运用发光显影法提高了敏感性。Muh－legger等（1990）用地高辛（Digoxigenin）标记DNA，再用地高辛抗体连接碱性磷酸酶，催化发光底物金刚烷脱磷并发光，灵敏度与32P标记探针相同，而且32P、标记的DNA探针杂交膜需要在-70℃件下曝光4～7天于X光片上显影，碱性磷酸酶发光法只需10～30min，十分快速、简便。
基因诊断的被检测基因或目的基因存在于样品中，先将样品中核酸提取出来，或在原位，或将样品点在硝酸纤维素滤膜上，再经蛋白酶处理，或酶切成较小的片段，经变性处理（热或碱变性）成单链。另一方面制备已知核酸序列标记的核酸分子探针，也经变性成单链。根据核酸链之间碱基配对的原理，将此核酸探针与样品中核酸单链结合成双链核酸，即称分子杂交。被检样品形成杂交双链，显示阳性结果。如样品无与探针互补的序列，则不发生分子杂交，结果为阴性。这种技术用于诊断要依靠基因探针，可见基因探针是基因诊断中的关键性试剂。
核酸探针传统的标记物是用放射性同位素，多用32PdNTP、3HdNTp 、35SdNTP等。用放射性同位素标记核酸有以下优点：
（1）灵敏性高：一般可达到0.5～5pg或更低浓度核酸的检测水平，可以检测极少量或拷贝数少的基因组（可延长曝光时间或增敏屏增敏）。
（2）特异性高：用放射自显影法，样品中存在的无关核酸或非核酸成分不会干扰检测结果，准确率高，假阳性率低。
（3）方法简便。所以，放射性同位素标记核酸探针在一些有条件的单位，作为主要的标记方法仍在使用。
放射性同位素标记技术也存在以下缺点：
①半衰期短，必须经常标记探针：如32P、半衰期只有14.3天，放射强度逐日变化。35S的半衰期可达88天，但衰变能量只有32P的1/10，灵敏度较低，只能用于多拷贝基因的检测。3H的半衰期虽长达12.26年，但衰变能低，灵敏度太低。
②费用高：α-32P标记的dATP（400Ci/mmol），需要进口试剂，价格高。
③检测时间长：用放射自显影需要较长的曝光时间（1～15天）。
④放射性同位素对人体有害，实验室和环境易被污染，放射性废物处理困难。因此，推广使用受到限制。
所以研究非放射性标记核酸探针及其检测显示方法、为推广应用基因诊断创造有利的条件，已成为80年代以来各国十分重视的研究目标。这项技术属生物高技术中发展很快、前景很大的项目。美国科学家于1981年首先合成了生物素标记的脱氧尿嘧啶核苷三磷酸，他们采用缺口平移制成生物素化核酸探针，成功地用于探测一系列基因。随后美国的BRL和Enzo biochem 生产了这种生物素标记探针及分子杂交成套试剂盒。1985年澳大利亚合成了光敏生物素，用于直接标记核酸，这是Adelaide大学Forest等学者的重大成功。该大学的Bresatec 公司和美国的Vector实验室，先后完成了配套试剂盒。1988年西德Boehring – Mannheim公司研制成功地高辛（半抗原）-抗体-酶法基因探针试剂盒。1989年我国军事医学科学院马立人教授等合成光敏生物素并研制成功光敏生物素核酸探针标记和检测试剂盒。至今，在国内外市场上已有多种商品化非放射性标记核酸探针试剂盒供应。
利用核酸探针杂交技术比用免疫学抗原抗体技术有更高的特异性和敏感性等优点，已显示出巨大的发展潜力。许多核酸（基因）探针已直接用于基因检测，疾病诊断和病因研究。正在迅速发展的基因诊断更需要制作各种基因探针。因此，学习和研究制备核酸探针技术象制备各种单克隆抗体探针一样已成为90年代大力发展的高技术，也是分子医学发展的热点之一。
核酸探针制备技术包括目的基因的制备，放射性同位素标记或非放射性标记，标记核酸的纯化、鉴定、分装、贮存等。本文介绍常用核酸探针的制备技术，供初学者参考，更详细的了解请参考有关专著。这项技术正在发展中，新方法不断出现，要密切注视文献进展。