高中生物新教材深度解读(三十一)从印迹法到DNA指纹

DNA指纹（DNA fingerprint）是进行DNA分型（DNA typing）的技术，被应用于亲子鉴定、法医学等。人教新旧版本的必修二中对它都有一些非常简略的介绍。为了更好的了解它，本文尝试阐述一下这门技术的背景和原理。

1. Southern 印迹

印迹法（blotting）是现代分子生物学的主干技术之一，其中包括检测DNA的Southern印迹（Southern blot）。

Edwin Southern最初发明了此方法，故以他命名。过程大致如下：将提取的DNA进行琼脂糖凝胶电泳，再将凝胶浸入到碱性缓冲液中使DNA变性。接着将凝胶放在缓冲液中的海绵上，其上贴放硝酸纤维素膜或尼龙膜，最上面放上吸水纸。这样，通过毛细管效应，缓冲液通过凝胶被抽吸上去，就将DNA转移到膜上。再将此膜与已知序列并已被标记的探针进行孵育（杂交），将未结合的探针洗去后，通过放射性自显影则可以显现出来（图1）。

               

           

图1 Southern 印迹的过程

2. 卫星DNA和小卫星DNA

从原理上看，每个人的DNA分子都是不相同的，而且不同之处还很多。那么选择怎样的序列来作为不同的人之间的区别呢？

研究发现，几乎一半的人类基因组由在基因组中高度重复的DNA序列组成，包括卫星DNA（Satellite DNA）、小卫星DNA（Minisatellite），它们因为在DNA密度梯度离心的主峰旁侧出现小峰而得名。与卫星DNA相比，小卫星DNA虽然也是由小的序列串联重复形成，但总长度短得多。由于小卫星DNA发生遗传交换的频率很高，具有高度的变异性，这就使它在判断每个个体的序列特异性时非常有用。

3. DNA指纹

1985年，Alec Jeffreys 及同事在研究人类α珠蛋白基因的一个片段时，发现了其中有一段含有几个碱基重复的序列，并继续发现人类基因组中其他位置也有这样类似的重复序列。由于不同的个体基因组中基本序列的重复完全是随机的，所以这些重复方式就可以像指纹一样，每个个体都不会相同。这就是DNA指纹（DNA fingerprint）。

DNA指纹实质就是做Southern 印迹。下面举个例子说明。比如DNA中有三个小卫星DNA，分别含有2、4、3个重复单位。小卫星DNA上下游有，内部却没有限制酶 HaeⅢ的切割位点。这样的话，将DNA用HaeⅢ酶切，就能得到大小不等的DNA片段，将这些片段做Southern 印迹，也就是电泳、变性、转膜，再用一个被标记的小卫星DNA作为探针与印迹杂交，经放射性自显影就会出现三个条带（图2）。由于每个人所拥有的这个小卫星DNA数目不同，每个小卫星DNA里的重复单位数目也不同，这样每个人的DNA指纹的条带数和条带位置就不相同。DNA指纹主要应用于亲子鉴定和法医学鉴定。

图2 DNA指纹技术

3.1 DNA指纹与亲子鉴定

总体看来，小卫星DNA仍然满足于孟德尔遗传，加之特异性明显，所以应用DNA指纹来鉴定亲子关系成为了很好的选择。比如下面的例子中，若我们把小卫星所在的基因座看作一个等位基因的话，那么亲本所具有的特定重复数的小卫星DNA，只能产生4种组合的后代（图中未画出5、9组合）。若不是此范围，就很可能不是亲子关系（图3）。

3 小卫星DNA的孟德尔遗传

具体比如下面的两个例子。案例1和2里的女性M分别生育了孩子C，现有怀疑为父亲的A。分别取可能的父亲（A）、可能的父亲和孩子（A+C）、孩子（C）、母亲（M）的DNA放在4个泳道中电泳，再经Southern 印迹得到图谱（图4）。

图4 亲子鉴定两例

案例1中孩子（C）的下条带与母亲一致，上条带与A一致，则A很可能是孩子的生物学父亲。而案例2中则不可能。

当然上述都是简化的例子。若考虑人类基因组中更多的切点和片段，DNA指纹图谱更加复杂当然也更准确。

3.2 DNA指纹与法医鉴定

除了鉴定亲子关系以外，由于DNA指纹具有高度的特异性，显然也可被用于法医鉴定。原理和过程与其它并无不同。仍举一例。

有两个嫌疑人涉嫌强奸一名受害者。通过对嫌疑人、受害者以及受害者身体局部取样做DNA指纹（图5）。

图5 法医鉴定一例

图中的标样用来指示DNA片段的大小，无DNA起阴性对照作用。通过比较发现泳道4和泳道3、6的图谱一致，嫌疑人B是有罪的。

 

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参考文献：

[1]. Robert F. Weaver. 分子生物学. [M]. 北京: 科学出版社. 2010:77-80

[2]. D. L. Hartl. 遗传学：基因和基因组分析. [M]. 北京: 科学出版社. 2015: 567-568

[3]. Jocelyn E. Krebs. Lewin’s GENES XI. [M]. Burlington: Jones& Bartlett Learning, LLC. 2014:65-68;152-158