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基因芯片技术在非综合征性耳聋快速基因诊断中的应用

来源:中华耳科学杂志 作者:王国建 戴朴等 2010-5-16
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摘要: 王国建 戴朴等(解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科)中华耳科学杂志2008年第6卷第1期耳聋是一种严重影响生活质量和交流的常见疾病。它可以由单一基因突变或不同基因的复合突变引起,也可由环境因素,或基因与环境两者共同作用而致[ 1] 。50%的儿童期耳聋被认为与遗传因素有关[ 2] ,而70%的遗传性耳聋表现为非综合征耳聋(即......



王国建 戴朴等(解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科)

中华耳科学杂志2008年第6卷第1期

 

耳聋是一种严重影响生活质量和交流的常见疾病。它可以由单一基因突变或不同基因的复合突变引起,也可由环境因素,或基因与环境两者共同作用而致[ 1] 。50%的儿童期耳聋被认为与遗传因素有关[ 2] ,而70%的遗传性耳聋表现为非综合征耳聋(即除耳聋外不伴有其他症状和体征)。迄今为止,与非综合征耳聋相关的25 个常染色体隐性基因、21个常染色体显性基因、1个X 连锁基因已被克隆(http://webh01.ua.ac.be/hhh/)(更新日期2008年2月7日),而每个基因中又散在数目众多的耳聋突变位点,因而具有较高的基因和位点遗传异质性。最近,在国内开展的大规模耳聋分子流行病学研究表明,相当一部分非综合征性耳聋仅由为数不多的几个基因突变引起[ 1] ,如GJB2 [ 3] 、SLC26A4 [4] ,mtDNA 12s rRNA [5] 及GJB3 [6] 等,这为我们大规模开展耳聋基因筛查及诊断提供了理论依据。

 

目前,传统基因诊断方法包括酶切,限制性片段长度多态性分析(restriction fragment lengthpolymorphism,RFLP),DHPLC,直接测序等,这些方法或者不能定性,或者耗时费力、所需设备和耗材昂贵,更重要的是这些方法难以同时对不同基因的多个突变位点进行检测。因此有必要建立一种高通量、高效率的基因突变检测方法,以实现临床快速检测或大规模人群筛查。而伴随基因组计划出现和发展的基因芯片技术,以其固有的高效平行检测特点,与耳聋基因高遗传异质性的特点相契合,是一种极具潜力的耳聋基因检测工具。

 

我们与博奥生物有限公司合作,在大规模全国聋病分子流行病学调查数据基础上,针对国人非综合征性耳聋的突变热点,将等位基因特异性引物延伸PCR 与通用芯片相结合,合作开发了一款遗传性耳聋基因诊断芯片,并用其检测了158 例非综合征性耳聋患者,对其在临床应用的可行性进行了初步研究。

 

1. 对象和方法

 

1.1 研究对象

 

北京第三聋人学校的158 名非综合征性耳聋学生,其中男92 例,女66 例,年龄7岁~24 岁,平均年龄为15.3 岁。根据纯音测听结果,158 人均为感音神经性耳聋。155 人为重度以上耳聋(70 dB 以上),3 人为中度耳聋(41 ~70 dB)。发病年龄从出生到7 岁;152 例为语前聋,6 例为语后聋。

 

1.2 DNA 提取

 

用含枸橼酸钠抗凝剂的真空采血管采集受检者3ml ~5ml 外周静脉血,应用小剂量全血基因组DNA 提取试剂盒(上海华舜生物工程有限公司)提取DNA,用BECKMAN DU800 紫外分光光度计进行定量和纯度检测。

 

1.3 基因芯片检测

 

1.3.1 检测原理

 

针对不同突变位点设计两种带有不同标签的上游探针和一个下游带Cy3 荧光标记的公共引物,先在液相中进行多重等位基因特异性引物延伸PCR,PCR 扩增产物在带上一段标签序列(tag sequence)的同时,被单色荧光所标记。

 

将产物变性后,与固定有标签互补寡核苷酸序列的芯片杂交,通过激光扫描检测出突变位点[7]。

 

1.3.2 仪器及试剂

 

ABI 9700 PCR 仪,恒温水浴箱(国产长风),HZQ- C 空气浴振荡器。本实验中所用的的荧光标记引物,以及晶芯LuxScan™10K/B 微阵列芯片扫描仪及相应软件系统、质控探针和DNA 芯片、杂交盒及杂交试剂由博奥生物有限公司提供。

 

1.3.3 PCR 反应

 

将针对11 个突变位点的11 组引物分成7Mix 和4Mix 两个反应体系分别进行多重PCR,在每个15 !l 反应体系中加入100 ng 模板DNA,10 × hotstar buffer,2.5 mmol/L dNTP,25 mmol/L MgCl2,引物Mix,5U/μl hotstar 酶以及ddH2O。PCR 程序:95℃15min,96℃1min 预变性,94℃30s、55℃30 s、72℃45s 共32 个循环,70℃45min,60℃10min。在扩增过程中,参数设置使温度以0.5℃/s 的速度从94℃降温至55℃;以0.2℃/s 的速度从55℃升温至70℃。

 

1.3.4 杂交

 

将PCR 产物加热至95℃变性5 min,立即浸入冰水混合物中冰浴3 min。从两个不同的扩增体系管中各取2.5 μl PCR 产物加入到10 μl 杂交缓冲液管中。将混合液加到芯片的点样区域,加盖玻片,封闭杂交盒,然后放入50℃预热杂交箱中保温1 h。

 

1.3.5 洗片

 

取出芯片,在42℃洗涤液Ⅰ中以摇床洗涤2 min,迅速取出放入已经预热好的另外一杯42℃洗涤液Ⅱ中,摇床洗涤2 min。将芯片或玻片架放入适当的容器,置入离心机中以1200 rpm离心2 min 甩干。

 

1.3.6 扫描

 

晶芯LuxScanTM 10K/B 微阵列芯片扫描仪以90 的激光扫描强度和532 nm 激发波长进行芯片扫描。

 

1.3.7 结果判定

 

若在同个位点中A 列检测数据为阳性,同时B 列也为阳性,判读结果为该位点突变杂合型;若在同个位点中A 列检测的数据为阳性,同时B 列为阴性,判读结果为该位点野生型;若在同个位点中A 列检测的数据为阴性,同时B 列为阳性,判读结果为该位点突变纯合型;若在不同位点中出现上述情况的组合,则判读结果为多位点复合突变(图1)。

 

1.4 GJB2 编码区序列及SLC26A4 基因序列检测

 

采用戴朴报道的方法[8] 进行引物设计、PCR扩增及直接测序。其中对于SLC26A4 基因,采用以下筛查策略:先筛查突变热点区域第7 + 8、第19 外显子;如发现纯合或复合杂合突变即停止筛查,如发现单杂合突变则先筛查第10、17、15、3外显子,然后筛查剩余外显子,直至发现另一个突变或筛查完全部外显子。

 

1.5 线粒体DNA 12SrDNA A1555G 点突变检测

 

应用Prev- DAF 药物性耳聋基因诊断试剂盒检测。

 

2. 结果

 

2.1 检出阳性率

 

应用基因芯片方法在158 例NSHL 患者中检出的阳性率为42.41%,应用传统的酶切/测序方法的检出阳性率为44.30% (表1)。部分检测结果见图2。

 

 

2.2 两种方法对GJB2 突变等位基因检出情况

 

对于芯片点阵所包括的GJB2 基因突变位点(235delC、299_300delAT、35delG、176del16),通过基因芯片法分别检出等位基因突变58 个、10个、1 个及0 个,而用测序方法分别检出60 个、10 个、1 个、0 个。对于前三者的等位基因突变检出率,基因芯片法与测序方法的符合率分别为96.7% (58/60)、100% (10/10)和100% (1/1)。

 

对于235delC 位点,由于在芯片结果中将235delC 纯合突变肉眼误判为单杂合突变,使两种方法符合率为96.7% (图3)。

 

2.3 两种方法对SLC26A4 等位基因突变检出情况

 

对于芯片点阵所包括的SLC26A4 基因突变位点(IVS7- 2A>G、2168A>G),通过基因芯片法分别检出等位基因突变27 个和6 个,而用测序方法分别检出27 个和6 个。对于两者的等位基因突变检出率,基因芯片法与测序方法的符合率均分别为100% (27/27;6/6)。

 

2.4 统计分析

 

除两例纯合235delC 被判读为杂合外,应用基因芯片检测的结果同酶切及测序方法的结果一致,后者的阳性突变检出率为44.3% (70 例)。经配对卡方检验(McNemar 检验),两种方法在阳性病人检出率间无统计学差异(P=0.250)。

 

3. 讨论

 

基因芯片技术是随着基因组计划发展起来的生物技术,其基本原理是核酸杂交,即采用原位合成或合成后点样的方法将许多特定的DNA 探针有规律地固化于支持物表面,产生二维DNA 探针阵列,将样品DNA 或RNA 通过PCR 扩增并进行荧光标记,然后与芯片探针进行杂交,再用激光或CCD摄影头扫描仪扫描杂交信号,通过目测或软件分析得到基因表达或突变的信息。基因芯片技术的出现和快速发展为高通量的SNP(单核苷酸多态性)和基因突变检测带来新的曙光。

 

耳聋具有较高的遗传异质性。众多的耳聋相关基因及位点不断被发现,但传统的检测方法无法解决同时检测多突变位点的问题,而基因芯片能够提供高效的平行检测平台。目前,国外已有报道将一些较高通量的基因芯片运用到耳聋基因突变和多态性的检测中[ 10,11] ,但是因所需设备及芯片造价昂贵或设计复杂,限制了大规模的耳聋基因筛查及临床诊断的开展。而且,由于耳聋基因的遗传及种族异质性,国外的芯片不能照搬,因此迫切需要开发一款适合中国国情及遗传学背景,且准确、简便、经济的耳聋基因检测芯片。

 

一般认为,遗传性耳聋占儿童期耳聋的50%,其具有较高的遗传异质性。GJB2 基因和SLC26A4基因是非综合征性常染色体隐性遗传性耳聋中最常见的两个致病基因[ 12]。近年来国内大规模聋病分子流行病学研究也显示,这两种基因突变在非综合征型耳聋病因中共占30%以上[ 4,13] 。两者具有一些共同特点:都会引起重度和极重度感音神经性聋,都有突变热点,且其突变热点存在着显著的种族差异。对GJB2 基因来说,高加索人热点突变为35delG,犹太人热点突变为167delT,而中国人的热点突变为233- 235delC [ 14] ,其次为299_300delAT及176del16bp 等。SLC26A4 基因与大前庭水管综合征及Pendred 综合征的关系密切,在欧洲患者中,T416P 和L236P 是其最常见的两种突变类型[ 15] ;而在中国,突变频率最高的类型为IVS7-2A>G 和H723R [ 4,16] 。对于线粒体12S rRNAA1555G 突变,其携带率为3.4% [ 5] ,因其致病机制明确,而且检出一例患者,即可对约10 名携带该突变但未发病的母系成员进行很好的预警效果,因此也是一线筛查的候选基因。另外,在中国克隆的第一个耳聋基因GJB3 中的E183K 和R180X 突变位点被认为与高频听力下降有关[ 6] 。这些分子流行病学信息对基因芯片的构建具有重要的指导意义。

 

我们将四个常见的耳聋相关基因中的9个国人热点突变—— GJB2 (35delG,176del16bp,235delC及299_300delAT),GJB3 (538C>T 及547G>A),SLC26A4 (IVS7 - 2A > G、2168A > G)和线粒体DNA12S rRNA (1555A>G),以及两个高加索人和犹太人频发的耳聋位点——GJB2 167delT 和SLC26A4 的707T>C 设计在芯片位点中,以期用较少的探针即可达到较高的检测效能。通过传统方法的验证,我们对该芯片的特点分析和总结如下:

 

(1)检出率高:芯片点阵对重度以上耳聋患者的检出阳性率较高,通过基因芯片,我们可以发现42.41%的阳性携带者,其中能够确诊的病人达29.11% (46/158),筛出的阳性率与传统方法相比没有统计学差别。尽管在复合杂合的检出率有所降低,但只查到单杂合突变的病人也提示其有较大可能性为遗传性耳聋并建议进行进一步的耳聋基因筛查。在本研究中,未发现167delT 和707T>C 突变,这与文献报道的两者为欧美突变热点的结论相吻合,间接验证了耳聋的种族异质性。

 

(2)通量高:基因芯片方法可以在5 个小时内走完PCR 反应到扫描全过程,完成11 个位点的检测。而要用传统方法进行这些位点的检测,即便同时进行的话,至少需5 个PCR 反应,10 个小时完成。每张芯片可同时检测四个个体,每次可同时检测多张芯片。这些都充分体现了芯片技术高通量的优势,其检测速度可以满足临床要求。

 

(3)准确性高:通过对芯片和传统方法结果相比较,芯片的准确率几乎达到100%,这归因于液相酶促反应的高特异性。在本研究中,仅在区别235delC 的纯合或杂合突变时出现误判(图3),分析其原因可能为带荧光PCR 产物与芯片标签(Tag)探针的非特异性杂交造成噪声信号增强而被肉眼误判为阳性,可更换此点阵的Tag 序列,降低碱基错配的几率。经探针优化后,上述两例误判的235delC 样品的芯片检测结果均与测序方法一致,同时经测序证实的其他22 例235delC 纯合突变样品验证,基因芯片的结果均与测序结果一致(图3)。另外,将大批量样本芯片检测结果的野生型和突变型点阵的平均荧光信号值进行统计分析,设定区分两者的CUT- OFF 值,应用判读软件进行自动判读,可减少肉眼判读的误差。

 

(4)判读方便:对芯片结果的判读直观,快捷。如配合判读软件则将进一步增加其准确性。

 

(5)设备要求不高:在临床检测过程中,除芯片外,仅需PCR 仪、恒温摇床、水浴箱、激光扫描仪等,其试剂价格相对低廉,因此这种耳聋基因芯片检测系统的成本不高。虽然目前仅能够检测国人9 个基因突变热点,但后者在遗传性耳聋病因中所占比例高,因而通过此款芯片能在重度以上的非综合征性耳聋患者得到较高的阳性检出率(42.41%);另外,由于此芯片平台可通过不断增加芯片Tag 探针来增加芯片检测的位点数目,从而覆盖更多的遗传性耳聋突变热点,因此具有很高的灵活性。但在增加检测位点时,如何保持多重PCR 的稳定性是以后开发芯片时要考虑的问题。

 

与高通量基因芯片相比较,这款专为国人遗传性耳聋设计的小型芯片,可以达到快速、敏感、准确诊断的目的;且其操作简单,易于标准化,适于推广,因而显示出广阔的临床应用前景。

 

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