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差减杂交的基本原理

抑制差减杂交(suppression subtractive hybridization,SSH)技术是1996 年Diatchenko 等人发明的一种快速分离两种材料中差异表达基因的强有力技术,是以抑制PCR(suppression PCR)和差减杂交技术为基础,将标准化检测子cDNA 单链步骤和差减步骤合为一体的技术。

在众多差别表达基因的筛选方法中,以较为简单,假阳性低等众多的优点脱颖而出,近年来该技术在植物,动物差异表达基因的筛选中得到了最为广泛的应用,受到越来越多的重视。

运用差减杂交的方法可以用来进行两种材料中差异表达基因的分析,用来克隆缺失或突变的基因,差减杂交尤其较适合运用在一些基因组信息较为不清楚的物种上,从而分离到一些未知功能的新基因。

因此差减杂交可以为我们进一步研究差异基因或寻找新的功能基因提供基础。

它的主要原理是首先将两个真核生物mRNA样本均转化为cDNA,我们将需要检测的物种cDNA 设为“tester”,将作为对照的物种cDNA 设定为称为“driver”,通过两轮杂交,将表达没有差异的基因消减下去,差异的基因被大量富集,然后经过两轮抑致性PCR将差异的基因扩增出来。

首先将待检测的样品(Tester)和对照样品(Driver)中的总RNA 提取出来,分离出mRNA,然后将分离出的Tester和Driver中的总的mRNA合成为cDNA。

再把由mRNA 逆转录来的检测子cDNA(Tester)和驱动子cDNA(Driver)分别用同一种识别四碱基序列的限制性内切酶RsaI 消化。

一般选用Rsa I 或HaeIII 两种限制性内切酶对cDNA进行酶切,产生大小适当的末端为平头的片段。

识别四碱基酶切位点的RsaI内切酶是最为常用的内切酶,因为RsaI 酶切识别位点在基因组中相对较少,酶切后产生的片段较大。

因而既减少了基因组cDNA的复杂性,又提高了每个基因的代表性,这样可以形成适当长度平末端的cDNA片段。

然后将Tester的cDNA 平均分成两份,分别接上接头Adaptor1和Adaptor2。

Adaptor1 和Adaptor2 均为一段具有反向末端重复序列的双链DNA 片段,它由一长链(40nt)和一短链(10nt)组成,而且一端是平端的。

接头设计十分巧妙,双链的5‟端非磷酸化,以保证接头呈单一方向与cDNA 相连,都是只有长链的3‟端可以与cDNA片段连接。

接头外侧序列与第一次PCR 引物序列相同而内侧则与第二次PCR(巢式PCR)引物序列相同,这样的设计为后续PCR的筛选扩增提供了有利条件。

限制酶的酶切效率和接头的连接效率是SSH 方法成功的关键。

接下来就是两轮差减杂交,第一次消减杂交用过量Driver cDNA 样品分别加入两份连有接头的Tester cDNA 样品,热变性后退火复性,杂交后分别得到a、b、c、d 四种产物。

a是单链的Tester cDNA;b 是自身退火的Tester cDNA 双链;c 是Tester 和Driver的异源双链;d 是Driver cDNA。

该杂交方法运用了杂交二级动力学原理,即高丰度的单链cDNA 在退火时产生双链分子的速度快于低丰度的单链cDNA,而且丰度越高复性越快,因此经过第一轮差减杂交后,原来有差异的基因丰度开始趋于一致,其相对含量达到基本一致。

同时由于Tester cDNA 与Driver cDNA 序列中相同片段大都形成同源或异源双链分子,使得Tester cDNA 中差异表达基因得到第一次富集。

第二轮差减杂交在混合上述两份杂交样品的同时,加入新的变性Driver cDNA。

此次杂交只有第一次杂交后经扣除和丰度均等化的单链Tester cDNA 能与Driver cDNA 形成双链分子。

这些新的杂交体由于携带不同的接头被扩增,从而使差异表达片段得到进一步的富集。

第二次杂交进一步富集了差异表达的cDNA,并且还形成了两端分别含有不同接头的双链分子。

抑制性PCR是利用链内退火优于链间退火的特点,使非目的序列片段两端反向重复序列在退火时,产生类似发卡的互补结构而无法作为模板与引物配对,从而选择性抑制非目的基因片段的扩增。

两轮PCR 实际上是一个巢武PCR 的扩增过程,所用的两对引物分别与所加Adaptor1/2R 上的内外侧序列一致。

在PCR 扩增过程中,仅一端有接头的分子如a、c 呈线型扩增,效率很低;两端连接相同接头的分子如 b 分子在扩增过程中虽可扩增,但杂交动力学原理更倾向于“锅-柄”结构的形成,因而不能有效扩增;只有两端带有不同接头的分子如e 才能得到有效扩增。

接头单链末端的互补序列选择性地抑制了非特异性片段的扩增,因此这一过程称之为抑制性PCR。

第二轮PCR则通过一对巢式引物进一步消除了背景PCR产物,使差异表达片段再次得到特异扩增。

这样既利用了消减杂交技术的消减富集,又利用了抑制性PCR技术进行了高效率的动力学富集。

差异表达的序列经过两次抑制性PCR得以扩增,最终获得了差异表达基因文库。

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