基因差異表達技術

真核生物中，從個體的生長、發育、衰老、死亡，到組織的得化、調亡以及細胞對各種生物、理化因子的應答，本質上都涉及基因的選擇性表達。高等生物大約有30000個不同的基因，但在生物體內任意8細胞中只有10%的基因的以表達，而這些基因的表達按特定的時間和空間順序有序地進行著，這種表達的方式即為基因的差異表達。其包括新出現的基因的表達與表達量有差異的基因的表達。生物體表現出的各種特性，主要是由于基因的差異表達引起的。

由于基因的差異表達的變化是調控細胞生命活動過程的核心機制，通過比較同一類細胞在不同生理條件下或在不同生長發育階段的基因表達差異，可為分析生命活動過程提供重要信息。

研究基因差異表達的主要技術有差別雜交（differential hybridization）、扣除（消減）雜交（subtractive hybridization of cDNA，SHD）、mRNA差異顯示（mRNA differential display， DD）、抑制消減雜交法（suppression subtractive hybridization，SSH）、代表性差異分析（represential display analysis，RDA）、交互扣除RNA差別顯示技術（reciprocal subtraction differential RNA display）、基因表達系列分析（serial analysis of gene expression，SAGE）、電子消減（electronic subtraction）和DNA微列陣分析（DNA microarray）等。

一、差別雜交與扣除雜交

差別雜交（differential hybridization）又叫差別篩選（differential screening），適用于分離經特殊處理而被誘發表達的mRNA的cDNA克隆。為了增加這種方法的有效性，后來又發展出了扣除雜交（subtractive hybridization）或扣除cDNA克隆（subtractive cDNA cloning），它是通過構建扣除文庫（subtractive library）得以實現的。

（一）差別雜交

從本質上講，差別雜交也是屬于核酸雜交的范疇。它特別適用于分離在特定組織中表達的基因、在細胞周期特定階段表達的基因、受生長因子調節的基因、以及在特定發育階段表達的或是參與發育調節的基因，同時亦可有效地用來分離經特殊處理而被誘發表達的基因。目前，差別雜交篩選法在克隆基因的分離工作中有著相當廣泛的用途。

差別雜交的技術基礎十分簡單，它不需要任何有關的目的基因的核苷酸序列信息，而重要的是耍擁有兩種不同的細胞群體：在一個細胞群體中目的基因正常表達，在另一個細胞群體中目的基因不表達。在這種情況下便可制備到兩種不同的mRNA提取物。其一是含有一定比例的目的基因mRNA類型的總mRNA群體，其二是不含有目的基因mRNA類型的總mRNA群體。

因此，可以通過這兩種總mRNA（或是它們的cDNA拷貝）為探針的平行雜交，對由表達目的基因的細胞總mRNA構建的克隆庫進行篩選。當使用存在目的基因的mRNA探針時，所有包含著重組體的菌落都呈陽性反應，在X光底片上呈現黑色斑點，而使用不存在目的基因的mRNA探針時，除了含有目的基因的菌落外，其余的所有菌落都呈陽性反應，在X光底片上呈現黑色斑點。比較這兩種底片并對照原平板，便可以挑選出含目的基因的菌落，供作進一步研究使用。

差別雜交篩選技術已被成功地用于分析爪蟾和粘菌的發育問題。這兩個應用例子表明，處于不同發育狀態或階段的豐度相差5倍的特異的mRNA種是能夠被檢測出來的。生長因子調節基因（growth factor-regulated gene）的克隆，是差別雜交成功應用的一個典型例子。

我們知道，血清中含有生長因子，因此用血清處理處于靜止期的細胞時，便會迅速誘發生長因子調節基因進行表達。所以，分別從靜止期細胞培養物和經血清激活3小時的細胞培養物中提取的poly(A)mRNA制劑，在mRNA種類上是有差別的，至少后者比前者多出了一種生長因子調節基因的mRNA類型。

用從激活細胞中分離的poly(A)mRNA反轉錄合成的cDNA與λ噬菌體載體重組，構成cDNA文庫，并同時復制兩份硝酸纖維素濾膜。A組濾膜同血清激活細胞制備的cDNA探針雜交，B組濾膜同靜止期細胞制備的cDNA探針雜交。將所得的放射自顯影圖片進行仔細的比較，從中鑒定出只同激活細胞探針雜交而不能同靜止期細胞探針雜交的噬菌斑位置。這些克隆便有可能是帶有受血清誘發表達的生長因子調節基因的DNA編碼序列。

（二）扣除雜交

差別雜交可有效地對于因特殊處理而被誘發產生的mRNA的cDNA克隆的分離，或是在細胞中具高表達效率的mRNA之cDNA克隆的分離，但對于低豐度的mRNA的cDNA克隆的分離則有相當的困難。為了進一步提高差別雜交的篩選效率，一種切實可行的辦法是應用扣除雜交篩選法構建富含目的基因序列的cDNA文庫。

扣除雜交法的本質是除去那些普遍共同存在的、或是非誘發產生的cDNA序列，從而使待分離的目的基因的序列得到有效的富集，提高了分離的敏感性。下面以T細胞受體（T-cell receptor，TCR有時亦稱之為T細胞抗原受體）編碼基因的分離為例子，說明扣除雜交篩選法的基本原理與簡要過程。T細胞和B細胞來自共同的前體細胞，兩者都能夠識別特異的抗原。

但與B細胞不同，T細胞不能識別游離的抗原，而只能識別在其它細胞表面的抗原。T細胞的這種抗原識別特異性是由TCR基因決定的。TCR基因只能在T細胞中表達，而不能在B細胞中表達。那么從T細胞mRNA制備來的單鏈cDNA，同大大超量的B細胞的mRNA在有利于發生DNA-RNA雜交的條件下保溫，其結果會是所有的能夠在T和B兩類細胞中同時表達的T細胞基因的cDNA分子（約占98％），都能與B細胞的mRNA退火形成DNA-RNA雜交分子，而不能在B細胞中表達的、T細胞特有的cDNA（約占2％），由于B細胞中沒有相應的mRNA，故不能形成DNA-RNA雜交分子，仍然處于單鏈的狀態。將此種雜交混合物通過羥基磷灰石（hydroxylapatite column），于是DNA-RNA雜交分子便結合在柱上，而游離的單鏈cDNA則過柱流出。

回收到的T細胞特異的cDNA被轉變為雙鏈cDNA之后，與適當的λ噬菌體載體重組并轉染給大腸桿菌寄主細胞，這樣便得到了T細胞特異cDNA高度富集的扣除文庫。然后再按照同樣方法制備扣除的cDNA探針，即被B細胞mRNA雜交扣除了的T細胞特異的cDNA探針，篩選文庫，可成功地分離到了T細的TCR基因。

扣除雜交法同樣也可以用來分離缺失突變基因。從野生型植株制備的染色體總DNA，用一種適當的核酸內切限制酶（比如Sau3A）切割成小片段。同時從缺失突變體植株制備的染色體總DNA，經隨機切割之后，用生物素（biotin）進行標記，作為非同位素標記探針使用。

取大大超量的此種探針，同Sau3A酶切的野生型染色體總DNA片段混合，經變性、退火處理，溶液中的無生物素標記的野生型的DNA分子便同生物素標記的突變型的DNA探針雜交。將雜交反應混合物通過生物素結合蛋白質柱（avidin column）。

這種柱是用包裹著生物素結合蛋白質的專用的細小磁珠裝填的。大部分野生型植株的DNA分子都同突變型植株的生物素標記的DNA探針雜交，便被結合到柱上。而野生型植株的DNA片段由于在突變型DNA中缺失了相應的片段，故沒有相應的生物素標記的探針與之雜交，經洗脫便過柱流出。隨后將洗脫收集的DNA同超量的生物素標記探針再雜交，再過柱。如此經過多次重復富集之后，用PCR法擴增DNA片段，并予以克隆。最后用Southern雜交法進一步鑒定出，只同野生型DNA雜交而不能同突變型DNA雜交的含有突變基因的陽性克隆。