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2019诺奖化学奖会给生物学家?这种DNA验证技术呼声高-梦之网科技

梦之网科技2019-10-09文章动态

科技日报记者 张佳星

诺贝尔生理或医学奖已然揭晓,但生物学家们还有机会。

2019诺奖化学奖会给生物学家?这种DNA验证技术呼声高-梦之网科技

据统计,1990年以来,有16次诺贝尔化学奖颁给了生物学方面的成就。以仍历历在目的2017和2018年为例,分别颁给了发明冷冻电镜(结构生物学之“重器”,能够看到生物大分子蛋白质的结构)和对活性蛋白质的定向进化研究。

被称为诺贝尔风向标的引文桂冠奖,今年的化学奖中也有两项与生命科学密切相关,当看到Southern(直译“南方”)的鼎鼎大名时,小记当即决定“押宝”这个无处不在的DNA验证技术。

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埃德温·萨瑟恩

Southern印迹法由埃德温·萨瑟恩(EdwinSouthern)在英国医学研究理事会从事科学研究时发明,相关论文首次发表时他仅仅35岁,他发明的DNA印迹技术以他的名字命名。

Southern印迹法可用于确定特定DNA序列,并判断其功能、是否变异、图谱位置等,他后续还发明了DNA芯片等技术。引文桂冠奖称他的发明是高通量核酸分析工作、基因图谱、诊断和筛查的开端,也是当今个性化医疗的基础。

从一道高考题说起

2007年江苏省高考生物学试卷中有一道关于Southern印迹法的试题,题目给出Southern印迹试验后获得的图像,请学生判断不同的条带说明了什么生命科学意义。

单基因遗传病可以通过核酸杂交技术(Southern印迹法)进行早期诊断。镰刀型细胞贫血症是一种在地中海地区发病率较高的单基因遗传病。已知红细胞正常个体的基因型为BB、Bb,镰刀型细胞贫血症患者的基因型为bb。有一对夫妇被检测出均为该致病基因的携带者,为了能生下健康的孩子,每次妊娠早期都进行产前诊断。

下图为其产前核酸分子杂交(Southern印迹法)诊断和结果示意图。

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根据凝胶电泳带谱分析可以确定胎儿是否患有镰刀型细胞贫血症。(以上摘自南开中学邹杨老师的相关论文)其中提到的B和b体现在DNA上的区别仅仅是一个碱基的区别,如何能够将其区分开来呢?Southern印迹法做到了。

它的原理可以形象理解为“钓鱼执法”和“打出原形”两步。

B和b由于一个碱基的不同因此在不同的酶切反应中就会反应不同,通过特定酶的“钓鱼执法”,两种基因“你向左,我向右”,但在外表还看不出来,这时候“锁住原形”(转移到尼龙膜等能锁住DNA的膜上)通过可显影的放射性同位素等做标记,让探针DNA把锁住的原形呈现出来,实现“可视化”。由此,通过Southern印迹法,些微的DNA突变可以被检测出来。

题目中提及的镰刀型细胞贫血症的基因基础,正是萨瑟恩1978年利用该方法发现的。与此同时,萨瑟恩决定使用分子生物学方法对人类基因组进行作图。为了这个计划当中大规模序列分析的需要,萨瑟恩进行了多项技术革新,包括使用凝胶电泳对经限制性内切酶切割后的片段精确分子量的确定,根据凝胶结果对DNA序列进行自动读取等。

“南”者为大,“号令”四方

由于有了Southern(南方的)Blotting,随后才有了Northern(北方的)、Western(西方的)……

当待分析的物质由DNA转变为RNA时,“南”变成了“北”。

军事医学科学院基础医学研究所蔡仕英等在介绍《电泳的原理、应用及进展》中提道:在电流作用下,萨瑟恩成功地将DNA片段从琼脂糖凝胶中转印到硝酸纤维膜上进行分子杂交分析,因此称为Southern Blotting。

后来,Alwine用类似方法也成功地将RNA从电泳胶中转印到硝酸纤维膜上作分子杂交分析,但他并没有称这一技术为Alwine-Blotting,而是称之为Northern Blotting,以便与Southern Blotting相对应。

1981年Burette又成功地将SDS-PAGE胶中的蛋白质转印到膜上进行免疫学分析(如抗原抗体结合、蛋白质与配基结合等),继Alwine之后,Burette称这一技术为Western Blotting。蛋白印迹法是一项广泛用于检测细胞或组织提取物中蛋白表达水平的技术。这项技术借助抗体与目的蛋白的结合作用,测量生物样品中的蛋白质水平。

这样一来,在印迹电泳这个家族中,就有了Southern Blotting,Northern Blotting和WesternBlotting,仅仅缺一个Eastern Blotting。

后来有人提议将IEF胶(即等电聚焦电泳)中的蛋白质转印到膜上的技术称为Eastern Blotting,但这一建议并未被广泛接受。

文章关键词
化学
dna
生物学家
埃德温·萨瑟恩