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HLA分型技術(shù)回顧

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2006-06-27
主要組織相容性復(fù)合物(MHC)是脊椎動(dòng)物體內(nèi)最復(fù)雜且具有高度多態(tài)性的基因群。1984年George Snell 首次發(fā)現(xiàn)小鼠MHC即H-2,1958年Dausset 發(fā)現(xiàn)了人的MHC即HLA基因。MHC的表達(dá)產(chǎn)物稱為主要組織相容性抗原,MHC抗原是有核細(xì)胞表面膜蛋白分子,對(duì)抗原遞呈和免疫信號(hào)傳遞起關(guān)鍵作用。
HLA基因,位于6號(hào)染色體上短臂上,長(zhǎng)約4000Kb。HLA是目前所知人體最復(fù)雜的遺傳多態(tài)性系統(tǒng),有幾十個(gè)基因座位,每個(gè)基因座位又有幾十個(gè)等位基因,且呈共顯性表達(dá)。由于MHC基因位于同一條染色體上,其多基因座位上的基因型組合相對(duì)穩(wěn)定,很少發(fā)生同源染色體間交換,這就構(gòu)成了以單元型(HAPLOTYPE,即在同一條染色體上緊密連鎖的一系列等位基因的特殊組合)為特征的遺傳。按中國(guó)人常見的A座位基因有13個(gè),B座位基因有30個(gè)計(jì)算,可組成的單元型約有13×30=390種之多。理論上估計(jì),父母各給一串單元型給子女,便會(huì)形成4.3萬種HLA-AB血型。事實(shí)上,HLA 各基因并非完全隨機(jī)地組成單元型,而是呈現(xiàn)出連鎖不平衡(linkage disequilibrium,LD)的特點(diǎn)。理論推測(cè)的HLA 分型數(shù)量巨大,但對(duì)一個(gè)具體的民族來說并非如此。世界上各個(gè)民族人群的HLA多態(tài)性和單元型都有各自的特點(diǎn)。總體來講,中國(guó)北方漢族、北美白人和北美黑人人群的多態(tài)性較中國(guó)南方漢族和日本人群豐富。即使在中國(guó),地區(qū)間也存在差異。在中國(guó)漢族群體中抗原A1、A3、B13、B44和B51頻率呈北高南低分布,而抗原A24、B46、B60呈北低南高分布。在中國(guó)漢族群體中常見的A30-B13-DRB1*07,A1-B37-DRB1*10單體型頻率呈北高南低分布,在江浙滬漢族人群中頻率較北方漢族人群下降,而A2-B46-DRB1*09,A33-B58-DRB1*17,A33-B58-DRB1*13單體型頻率呈北低南高分布。HLA多態(tài)性程度可見一斑。
  HLA研究涉及免疫學(xué)、生物學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科,并已發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支。迄今HLA研究已達(dá)到相當(dāng)深入的水平,并在諸多方面取得顯著進(jìn)展,包括HLA復(fù)合體結(jié)構(gòu);HLA分子結(jié)構(gòu)及其表達(dá)的調(diào)控;HLA分子功能,尤其是在抗原處理、呈遞及T細(xì)胞識(shí)別中的作用;HLA的DNA分型及多態(tài)性研究;HLA與疾病的關(guān)系;HLA與移植的關(guān)系等。HLA研究不僅使器官移植成為一種極有價(jià)值的治療手段,并給基礎(chǔ)與臨床免疫帶來了突破性進(jìn)展。已經(jīng)證實(shí),HLA復(fù)合體中存在控制免疫應(yīng)答的基因以及HLA參與約束免疫細(xì)胞間相互作用,這表示HLA涉及生命活動(dòng)的各個(gè)水平與多個(gè)方面。可以預(yù)期,對(duì)HLA的研究將繼續(xù)成為免疫遺傳學(xué)最活躍的部分;對(duì)HLA的應(yīng)用將擴(kuò)展到基礎(chǔ)、臨床、預(yù)防醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。
  縱觀HLA系統(tǒng)的研究過程,其發(fā)展無不與技術(shù)的手段的突破與運(yùn)用有密切關(guān)系。70年代到80年代末期主要是血清學(xué)研究;90年代以來,HLA進(jìn)入了分子水平研究階段,進(jìn)展尤為顯著。HLA分型技術(shù)同樣走過了這一歷程。建立于60年代并不斷完善的血清學(xué)及細(xì)胞學(xué)分型技術(shù)主要側(cè)重于分析HLA產(chǎn)物特異性。
  血清學(xué)分型借助的是微量淋巴細(xì)胞毒試驗(yàn)(microlymphocytotoxicitytest)或稱補(bǔ)體依賴的細(xì)胞毒試驗(yàn)(complement dependent cytotoxicity test,CDC)。取已知HLA抗血清加入待測(cè)外周血淋巴細(xì)胞,作用后加入兔補(bǔ)體,充分作用后加入染料,,著染的細(xì)胞為死亡細(xì)胞,依據(jù)特異性抗體介導(dǎo)的補(bǔ)體系統(tǒng)對(duì)靶細(xì)胞溶解的原理,待檢淋巴細(xì)胞表面具有已知抗血清所針對(duì)的抗原。血清學(xué)分型存在諸多缺點(diǎn):①標(biāo)準(zhǔn)分型抗體親和力較弱、效價(jià)較低、易產(chǎn)生交叉反應(yīng),②缺少某些單價(jià)抗血清;③某些病理過程可能導(dǎo)致外周血淋巴細(xì)胞表面抗原性質(zhì)發(fā)生改變.干擾抗原—抗體反應(yīng);④國(guó)內(nèi)供HLA—I類抗原分型的血清板來源困難、質(zhì)量欠佳。上述因素均嚴(yán)重影響了HLA分型結(jié)果的可靠性及該技術(shù)的推廣應(yīng)用。
  細(xì)胞學(xué)分型技術(shù)指的是通過純合分型細(xì)胞(homozygote typing cell,HTC)及預(yù)致敏淋巴細(xì)胞試驗(yàn)(primed lymphocyte test,PLT)對(duì)HLA分型。二種方法的基本原理均是判斷淋巴細(xì)胞在識(shí)別非己HLA抗原決定簇后發(fā)生的增殖反應(yīng)。由于分型細(xì)胞來源困難以及操作手續(xù)繁瑣,細(xì)胞學(xué)分型技術(shù)下正逐漸淘汰。
1991年第11屆國(guó)際HLA專題討論上提出了HLA的DNA分型方法,這類方法近年來在研究和應(yīng)用方面發(fā)展非常快,有取代其他方法的趨勢(shì)。DNA分型方法主要分為兩種:基于核酸序列識(shí)別的方法和基于序列分子構(gòu)型的方法。下面簡(jiǎn)要的闡述各方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。
  基于核酸序列識(shí)別的方法主要有:PCR-RFLP,PCR-SSO,PCR-SSP和PCR-SBT。
  PCR-RFLP:其原理是將目的基因片段PCR擴(kuò)增后,利用多種限制性內(nèi)切酶對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行酶切,不同的基因序列會(huì)產(chǎn)生不同的酶切產(chǎn)物,從而產(chǎn)生不同的電泳圖譜。它以其簡(jiǎn)單、敏感、準(zhǔn)確,無需同位素等優(yōu)點(diǎn)成為目前較常用的HLA基因分型技術(shù)之一,但是無法分辨雜合子,且只能區(qū)分有限的多態(tài)性。
  PCR-SSO(sequence specific oligonucleotide):也稱PCR-ASO(allele specific oligonuceotide)。用以同位素或非放射性標(biāo)記的探針與PCR擴(kuò)增的目標(biāo)片斷產(chǎn)物雜交,根據(jù)陽(yáng)性斑點(diǎn)判斷個(gè)體基因型。由于HLA等位基因非常多,就需要很多的探針對(duì)每個(gè)DNA樣品要進(jìn)行多次雜交(甚至十幾次)才能完成定型分析操作也十分繁瑣。于是在此基礎(chǔ)上又發(fā)展起來一種反向雜交法(reverse hybridization)。將各種不同的探針固定于同一張膜上,再將PCR產(chǎn)物標(biāo)記,以PCR產(chǎn)物(待檢測(cè)基因DNA)反過來與探針雜交。這樣一次雜交即可完成多個(gè)等位基因分析。此方法具有靈敏度、特異性強(qiáng)、需樣本量少等優(yōu)點(diǎn),但不同探針的雜交條件的須嚴(yán)格統(tǒng)一(如溫度,離子強(qiáng)度), 易出現(xiàn)誤差;不能檢測(cè)新等位基因,試劑盒需不斷升級(jí); 對(duì)某些雜合子分辨率也不好;。很多HLA基因型含有相同的多態(tài)性,而僅僅由于排列方式不同,因此分辨率不及SSP和SBT(4.01#113)。此方法適宜大量和高純度樣本,雜交條帶將作為書面原始記錄長(zhǎng)期保存(三種效果比較)。
  PCR-SSP:上述的PCR/RFLP、PCR/SSO等,最終均需用標(biāo)記的特性探針與擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行雜交,再分析結(jié)果。PCR/SSP方法用乃設(shè)計(jì)出一整套等位基因組特異性引物(sequence specific primer,SSP),借助PCR技術(shù)獲得HLA型別特異的擴(kuò)增產(chǎn)物,可通過電泳直接分析帶型決定HLA型別,從而大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行, 分辨率可從低到高, 成本低 。缺點(diǎn)是不易自動(dòng)化;不能檢測(cè)新的等位基因,試劑盒需不斷升級(jí)。此方法適宜零散和純度低樣本,重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)要重提DNA和必須使用紫外凝膠成象儀保留原始資料,增加實(shí)驗(yàn)成本(三種效果比較)。PCR-SSP和PCR-SSO均需大量試劑(引物),且不能識(shí)別非經(jīng)典的HLA基因和假基因(綠)。針對(duì)HLA外顯子和內(nèi)含子序列精心設(shè)計(jì)引物可避免這些問題。
  PCR-SBT: 以PCR擴(kuò)增所要分析的基因片斷,然后對(duì)DNA序列進(jìn)行分析,可以直接得到基因型。分辨率高,可大規(guī)模進(jìn)行,精確度高,能直接發(fā)現(xiàn)新的等位基因。但是由于雜合子的存在,無法分辨單元型。
  以上各個(gè)方法都存在無法克服的缺陷,如能配合使用,則能大大提高分型能力。國(guó)外有學(xué)者對(duì)60個(gè)樣本進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)單用SBT,只有18%的樣本能將A,B位點(diǎn)同時(shí)分型成功,如結(jié)合SSO,則能將所有樣本成功分型。
  基于核酸序列識(shí)別的分型方法始終無法越過雜合子的難關(guān)。HSE(Haplotype-specific extention)技術(shù)完美地解決了這一問題。它是利用磁珠與其中一條同源染色體的特異位點(diǎn)結(jié)合,達(dá)到分離同源染色體的目的,雜合子問題不攻自破。因此,HSE無論與SSO還是SBT結(jié)合使用,都有極好的效果(1.01#12,4.01#94)。
  近年來,測(cè)序新技術(shù)發(fā)展層出不窮,紛紛運(yùn)用到HLA分型中。如MSNE(multiplex single nucleaotide extention),應(yīng)用鏈中止法原理,根據(jù)等位基因SNP位點(diǎn)設(shè)計(jì)特異性引物和生物素?zé)晒鈽?biāo)記的ddNTP進(jìn)行分型,有重復(fù)性好,可分辨雜合子等優(yōu)點(diǎn),已應(yīng)用到A位點(diǎn)的分型中。(4.01#93)又如pyrosequencing 法分型,分辨率好,可分辨雜合子,自動(dòng)化程度也高。DNA芯片技術(shù),作為一項(xiàng)檢測(cè)SNP的成熟技術(shù),也已應(yīng)用到HLA 分型中.
  基于序列分子構(gòu)型的分型方法在理論上就避開了雜合子這個(gè)難題。SSCP(PCR單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析,PCR-single strand conformational polymorphism)是最常用的根據(jù)構(gòu)型的分型方法。擴(kuò)增的目標(biāo)產(chǎn)物變形后形成單鏈,不同的序列,甚至僅有一個(gè)堿基的差異,就會(huì)形成不同的莖環(huán)結(jié)構(gòu),從而電泳速率不同。但此方法僅限于分辨僅限于200-300bp(綠16),且即使是同一單鏈DNA在相同情況下也會(huì)形成不同的構(gòu)型,使得電泳條帶很難分析;也有可能會(huì)出現(xiàn)當(dāng)某些位置的點(diǎn)突變對(duì)單鏈DNA分子立體構(gòu)象的改變不起作用或作用很小的情況,使聚丙烯酰胺凝膠電泳無法分辨造成漏檢。
HA(異源二聚體電泳多態(tài)性,Heteroduplex Analysis)是另一種基于序列分子構(gòu)型的分型方法,根據(jù)異源二聚體未配對(duì)區(qū)域的長(zhǎng)度和分布而顯示出電泳條帶不同(綠18)。但與單鏈DNA相比,異源二聚體電泳條帶過于復(fù)雜,難以分析。
  新發(fā)展的RSCA(Reference Strand Mediated Conformation Analysis)技術(shù)根據(jù)HA的原理,設(shè)計(jì)了位點(diǎn)特異性熒光標(biāo)記的參照DNA片段,與樣本DNA分子的正反鏈形成異源二聚體.帶有熒光標(biāo)記的電泳條帶易于分析,能夠克服HA的不足。
另外,提取基因組模板的技術(shù)也在不斷發(fā)展。用于分型的DNA來源也已不局限于血液,口腔涂片、唾液中提取的DNA也有相似的效果(7.01#261)。針對(duì)微量基因組模板的情況,現(xiàn)已開發(fā)出基于滾環(huán)復(fù)制的全基因組擴(kuò)增技術(shù),可以將1ng的模板擴(kuò)大至100ng,足以應(yīng)付PCR-RFLP、PCR-SBT等分型技術(shù)的要求。
相信隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,未來HLA分型技術(shù)會(huì)向著更便捷,準(zhǔn)確的方向前進(jìn)。
 
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