Southern印跡法呼聲高,2019諾獎化學獎會給生物學家嗎?



Southern印跡法呼聲高,2019諾獎化學獎會給生物學家嗎?

科技日報報記者 張佳星

諾貝爾生理或醫學獎已然揭曉,但生物學家們還有機會。

據統計,1990年以來,有16次諾貝爾化學獎頒給了生物學方面的成就。以仍歷歷在目的2017和2018年為例,分別頒給了發明冷凍電鏡(結構生物學之“重器”,能夠看到生物大分子蛋白質的結構)和對活性蛋白質的定向進化研究。

被稱為諾貝爾風向標的引文桂冠獎,今年的化學獎中也有兩項與生命科學密切相關,當看到Southern(直譯“南方”)的鼎鼎大名時,小記當即決定“押寶”這個無處不在的DNA驗證技術。

Southern印跡法由埃德溫·薩瑟恩(EdwinSouthern)在英國醫學研究理事會從事科學研究時發明,相關論文首次發表時他僅僅35歲,以他名字命名的DNA印跡技術,可用于確定特定DNA序列,并判斷其功能、是否變異、圖譜位置等,他后續還發明了DNA芯片等技術。引文桂冠獎稱他的發明是高通量核酸分析工作及基因圖譜、診斷和篩查的開端,也是當今個性化醫療的基礎。

入選高考題,Southern印跡法可檢測遺傳病中單基因突變

2007年江蘇省高考生物學試卷中有一道關于Southern印跡法的試題,題目給出Southern印跡試驗后獲得的圖像,請學生判斷不同的條帶說明了什么生命科學意義——

單基因遺傳病可以通過核酸雜交技術(Southern印跡法)進行早期診斷。鐮刀型細胞貧血癥是一種在地中海地區發病率較高的單基因遺傳病。已知紅細胞正常個體的基因型為BB,鐮刀型細胞貧血癥患者的基因型為Bb。有一對夫婦被檢測出均為該致病基因的攜帶者,為了能生下健康的孩子,每次妊娠早期都進行產前診斷。題目給出產前核酸分子雜交(Southern印跡法)診斷和結果示意圖。根據凝膠電泳帶譜分析可以確定胎兒是否患有鐮刀型細胞貧血癥。

其中提到的B和b體現在DNA上僅僅是一個堿基的區別,如何能夠將其區分開來呢?Southern印跡法做到了。

它的原理可以形象理解為“釣魚執法”和“打出原形”兩步——

B和b由于一個堿基的不同在不同的酶切反應中就會反應不同,通過特定酶的“釣魚執法”,兩種基因“你向左,我向右”,但在外表還看不出來,這時候“鎖住原形”(轉移到尼龍膜等能鎖住DNA的膜上)通過可顯影的放射性同位素等做標記,讓探針DNA把鎖住的原形呈現出來,實現“可視化”。由此,通過Southern印跡法,些微的DNA突變可以被檢測出來。

題目中提及的鐮刀型細胞貧血癥的基因基礎,正是薩瑟恩1978年利用該方法發現的。與此同時,薩瑟恩決定使用分子生物學方法對人類基因組進行作圖。為了這個計劃中大規模序列分析的需要,薩瑟恩進行了多項技術革新,包括使用凝膠電泳對經限制性內切酶切割后的片段精確分子量的確定、根據凝膠結果對DNA序列進行自動讀取等。

“號令”四方,RNA、蛋白質等生命分子檢測方法相繼衍生而出 

由于以薩瑟恩名字命名的Southern印跡法與“南方的”英文一樣,隨后誕生的其他印跡法分別以Northern、Western命名。

當待分析的物質由DNA轉變為RNA時,“南”變成了“北”。軍事醫學科學院基礎醫學研究所蔡仕英等在介紹《電泳的原理、應用及進展》中提道:在電流作用下,薩瑟恩成功地將DNA片段從瓊脂糖凝膠中轉印到硝酸纖維膜上進行分子雜交分析,因此稱為Southern Blotting。后來,Alwine用類似方法也成功地將RNA從電泳膠中轉印到硝酸纖維膜上作分子雜交分析,但他并沒有稱這一技術為Alwine-Blotting,而是稱之為Northern Blotting,以便與Southern Blotting相對應。

1981年Burette又成功地將SDS-PAGE膠中的蛋白質轉印到膜上進行免疫學分析(如抗原抗體結合、蛋白質與配基結合等),繼Alwine之后,Burette稱這一技術為Western Blotting。蛋白印跡法是一項廣泛用于檢測細胞或組織提取物中蛋白表達水平的技術。這項技術借助抗體與目的蛋白的結合作用,測量生物樣品中的蛋白質水平。

這樣一來,在印跡電泳這個家族中,僅缺一個Eastern Blotting。后來有人提議將IEF膠(即等電聚焦電泳)中的蛋白質轉印到膜上的技術稱為Eastern Blotting,但這一建議并未被廣泛接受。Eastern Blotting是一種檢測蛋白質翻譯后修飾的技術,其檢測目標是蛋白質上特定的修飾基團或部位,如脂肪酸鏈、糖基、磷酸化的氨基酸等等。在Eastern Blotting的實驗中,通常要先用2D電泳將蛋白質分離,然后轉到膜上,再用特異的探針去檢測。蛋白質的翻譯后修飾是蛋白質執行功能過程中普遍存在的調控手段。




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