在亲缘关系的分析中DNA指纹图谱鉴定法有何优势?

作者&投稿:席泽 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
什么是DNA指纹图谱?简述DNA指纹图谱的产生机制及其应用~

dna指纹图谱。故名思意:就是dna序列中,有许多特异性的片段,就像人类的指纹一下,能把一个人和其他人区别开来。
dna指纹图谱的主要应用:亲子鉴定、中药材成分研究、疾病检测等方面。

1.1 高变异DNA 序列的发现1980 年,Wyman 和 White 在进行人体DNA 基因文库的研究中,筛选到一个随机DNA 片段,以其为探针进行RFLPs 分析,检测到8 个等位基因,平均杂合率超过75%,因此推测该位点的多态性来源于DNA 重排而非碱基突变,这是人类基因组中发现的第一个高变区(hypervariable regions,简称HVRs)。此后,人们在人类基因组中又陆续发现了其他一些高变区,如α-珠蛋白基因(Higgs 等 1981,1986)、胰岛素基因(Bell 等 1982)、脂蛋白基因(Knott等 1986)、D-Ha-ras 癌基因(Capon 等 1983)、Zata-珠蛋白基因(Goodbourm 等 1983)等基因的侧翼及肌红蛋白基因(Weller 等1984)的第一个内含子区域,都含有这种HVRs。这些高变区的共同特点为:都是由一短序列(即重复单位)首尾相连、多次重复而成,其多态性来源于重复单位的重复次数不同。同一高变区的这些重复单位还具有高度的保守性,但因重复单位的重复数目不同,形成了众多的等位基因。这些高变区后来被叫做小卫星(minisatellite)(Jeffreys 等 1985a),有的人又称其为可变数目串联重复序列(variable number of tandemrepeat,简称VNTR)(Nakmura 等1987)。在小卫星DNA 内,重复单位数目的高度变异是由于不等交换所造成的,换言之,即在有丝分裂时的姊妹染色单体(sister chromatids)或减数分裂时的同源染色体间互换所致。有时候,发现DNA 链架突变的发生频率高于点突变,其频率为每世代每千个核苷酸对在10- 5~10- 2。虽然不等互换导致重复单位数目增加或减少,但不同重复的形成却是由于点突变造成的。此外,基因转换(gene conversion)与重组似乎在同源性的维持上扮演着重要的角色。在DNA 复制期间的滑动复制(slippage)是重复单位内简单序列 (1~4 个核苷酸对)演化的机制(Wolf 等 1989)。故有丝分裂或减数分裂时不等互换、基因转换及滑动复制,均足以导致重复单位间同源性的维持及重复单位数目的变化。大多数重复序列单位共有一个约 10~15 个核苷酸对的核心序列(core sequence),此核心序列高度地保留于相关的小卫星DNA 家族中,它是重组信号,可能是真核生物DNA 重组交换的热点,可促进小卫星DNA 的不等交换(Jeffreys 等 1985a;Wyman 等 1990)。核心序列是重复单位间序列相似的基础。在小卫星DNA 区域内,同源染色体可能有不同数目的重复单位,利用限制性内切酶可产生DNA 指纹。由此可见,串联重复序列的高度变异性与其特殊的结构密切相关。然而,基因组中此类串联重复序列的真实生物学功能至今仍不清楚。1.2 DNA 指纹图谱的发现1985 年,英国来斯特大学遗传系的Jeffreys(1985a)及其同事在《Nature》杂志上报道了他们对人体基因组高变区的突破性研究。他们用肌红蛋白基因第一个内含子中的串联重复序列(重复单位长33bp)作探针,从人的基因文库中筛选出8 个含有串联重复序列(小卫星)的重组克隆。经序列分析,发现每个克隆都含有一个长0.2~2.0kb、由重复单位重复3~29 次组成的小卫星DNA。尽管这8 个小卫星的重复单位的长度(16~64bp)和序列不完全相同,但都含有一段相同的核心序列,其碱基顺序为 GGGCAGGAA。他们用 16bp 重复单位(主要为核心序列)重复29 次而成的小卫星33.15做探针,与人基因组酶切片段进行Southern 杂交,在低严谨条件下杂交产生由10 多条带组成的杂交图谱,不同个体杂交图谱上带的位置是千差万别的。随后他们用另外一个小卫星探针33.6 进行测试,获得了类似的图谱。这种杂交图谱就像人的指纹一样因人而异,因而Jeffreys(1985b)等人称之为DNA 指纹图谱(DNA finger print),又名遗传指纹图谱(genetic finger print)。产生DNA 指纹图谱的过程就叫做DNA 指纹分析(DNA finger printing)。1.3 DNA 指纹图谱的特点DNA 指纹图谱具有以下3 个基本特点:(1)多位点性:基因组中存在着上千个小卫星位点,某些位点的小卫星重复单位含有相同或相似的核心序列。在一定的杂交条件下,一个小卫星探针可以同时与十几个甚至几十个小卫星位点上的等位基因杂交。一般来说,一个DNA 指纹探针(又称多位点探针)产生的某个个体DNA 指纹图谱由10~20 多条肉眼可分辨的图带组成。由于大部分杂合小卫星位点,仅一个等位基因出现在图谱的可分辨区内(两个等位基因由于重复单位、重复次数不同,在长度上差异很大),因而每条可分辨图带代表一个位点。很多的研究表明,个体DNA 指纹图谱中的带很少成对连锁遗传,所代表的位点广泛地分布于整个基因组中(Burke 等1987;Hiu 等1985)。一个传统的RFLPs 探针一次只能检测一个特异性位点的变异性,所产生的图谱一般由l~2 条带组成,仅代表一个位点。因此两者比较而言,DNA指纹图谱更能全面地反映基因组的变异性。(2)高变异性:DNA 指纹图谱的变异性由两个因素所决定,一是可分辨的图带数,二是每条带在群体中出现的频率。DNA 指纹图谱反映的是基因组中高变区,由多个位点上的等位基因所组成的图谱必然具有很高的变异性。DNA 指纹图谱在个体或群体之间表现出高度的变异性,即不同的个体或群体有不同的DNA 指纹图谱。一般选用任何一种识别4 个碱基的限制性内切酶,这种变异性就能表现出来。Jeffreys 等 (1985b)对人的DNA 指纹图谱的研究表明,DNA 指纹图谱中的大部分谱带都以杂合状态存在,平均杂合率大于70%,某些大片段的杂合率甚至高达100%。用探针33.15 进行DNA 指纹分析时,发现两个无血缘关系的个体具有相同DNA 指纹图谱的概率仅为3× 10-11;而将探针33.15 和33.6 产生的DNA 指纹图谱综合起来分析时,则这种概率为5×10-19,可见DNA 指纹图谱具有高度的个体特异性。但是,同卵双胞胎的DNA 指纹图谱是相同的,因其有完全相同的基因组(Hiu 等1985)。值得注意的是,由于琼脂糖凝胶电泳分辨率的限制,DNA 指纹图谱大片段区域的变异性往往很高,而小片段区域的变异性则很低,因此在实际操作时往往将小于 2kb 的小片段跑出胶外或不作统计。(3)简单而稳定的遗传性:Jeffreys 等(1985a)通过家系分析表明,DNA 指纹图谱中的谱带能够稳定地从上一代遗传给下一代。子代DNA 指纹图谱中的每一条带都能在其双亲之一的图带中找到,而产生新带的概率(由基因突变产生)仅在0.001~0.004 之间。DNA 指纹图谱中的杂合带遵守盂德尔遗传规律,双亲的各图带平均传递给50%的子代。DNA 指纹图谱还具有体细胞稳定性,即用同一个体的不同组织如血液、肌肉、毛发、精液等的DNA 做出的DNA 指纹图谱是一致的(Gill 等1985),但组织细胞的病变或组织特异性碱基甲基化可导致个别图带的不同。1.4 DNA 指纹图谱的应用由于DNA 指纹图谱具有多位点性、高变异性、简单而稳定的遗传性,因而自其诞生就引起了人们的重视,表现出巨大的实用价值。DNA 指纹图谱的高变异性和体细胞稳定性可用于鉴定个体,这对法医学上鉴别犯罪分子和确定个体间的血缘关系极有价值(Jeffreys 等1985b,1985c)。如我国公安部利用DNA 指纹图谱已侦破数百例疑难案件。其简单的遗传性可用来鉴定亲子关系,其多位点性可用来检测目标基因组的病变及治疗等过程中的改变情况。1987 年Burke、Jeffreys 和Wetton 等报道了用人源核心序列小卫星探针33.6 和33.15 检测到哺乳动物到鸟类、爬行动物、两栖动物、鱼、昆虫等的高变异小卫星,产生具有个体特异性或类群特异性的DNA 指纹图谱。1988 年,Dallas 用人源小卫星探针33.6 获得了水稻的DNA 指纹图谱。随后,美国华盛顿大学生物系Nybom 等人对果树植物的DNA 指纹图谱进行了大量的研究。1989年,Braithwaite 和Manners 首次将人源小卫星探针33.6 和33.15 用作真菌的DNA 指纹分析获得了成功,从而进一步证明DNA 指纹技术具有广泛的适用性。这些发现使DNA 指纹图谱成为研究动植物群体遗传结构、生态与进化、分类等很有价值的遗传标记。1.5 DNA 指纹图谱的研究进展1.5.1 DNA 指纹分析的探针两个最早的DNA 指纹探针是1985 年Jeffreys 及其同事所发现的人源小卫星探针33.6 和33.15(Jeffreys 等 1985a)。1987 年,Vassart 等发现无外源DNA 片段的细菌噬菌体M13 本身就能够作为一个DNA 指纹探针检测出人和动物基因组中的高变异小卫星DNA,其有效序列是蛋白质 Ⅲ 编码区内的两个小卫星序列。从此,M13 便也成为各种动植物重要的DNA 指纹探针(Gatei 等 1991;Kuhnlein 等 1989)。另一个在人和动物上广泛应用的 DNA 指纹探针是3´HVR(Jarman 等 1986),它来源于人α-珠蛋白的3´端的一个高度重复区。以上4 个小卫星探针的重复单位的序列结构如下所示:33.6(AGGGCTGGAGG)333.15(AGAGGTGGGCAGGTGG)M13(GAGGGTGGNGGNTCT)3´HVR(GNGGGGNACAG)从迄今已有的报道来看,在DNA 指纹分析中用得最多的多位点小卫星探针为33.6、33.15、M13 及3´HVR。此外,人们还从某些动物的基因组中分离克隆了一些小卫星DNA 用作DNA 指纹探针。如牛的小卫星探针PSRC-7( Plante 等 1991)和猪的小卫星探针pS35(Coppieters 等 1990)。人工合成的简单重复序列微卫星探针也广泛地用于DNA 指纹分析,如(GTG)5 、(TG)8、(AT)8、(TCC)5 、(GACA)4。从基因组中分离克隆的微卫星DNA 指纹探针有PGB725 (牛)(Kashi 等 1990)和 R18.1 (猪)(Haberfield 等 1991)。 孟安明(1993)发现,任何一个动物个体的基因组总DNA 可标记作为DNA 指纹探针(基因组探针),在该个体所属物种及其他相关物种上产生具有个体特异性的杂交图谱。以基因组探针进行DNA 指纹分析不需通过复杂的操作来获得探针DNA,有利于DNA 指纹技术的推广。1.5.2 DNA 指纹图谱的重要发展DNA 指纹图谱的重要发展是微卫星DNA 指纹图谱。微卫星(microsatellite)是由2~6 个核苷酸组成的重复单位串联排列而成的DNA 序列。据估计,在真核生物基因组每10kb 的DNA 序列中至少有一个微卫星(Tautz 1989),如人体基因组中仅二核苷酸串联重复的微卫星就多达 50 000~100 000 个。大多数微卫星的长度小于 200bp,但也有更长的微卫星。微卫星不同于小卫星,它们广泛分布于很多结构基因的内含子、基因间隔区甚至调控序列中(Tautz 等 1984;Weising 1989;Ishii 等 1985)。早在1974 年,Skinner 等就在寄居蟹(hermit crab)基因组中发现了微卫星DNA,当时叫做简单串联重复序列(simple tandem repeat)。Singh 等人在1980 年发现蛇的W 性染色体上也存在着这种序列,它是由GATA/GACA 重复单位组成的。以后的研究表明,在真核生物甚至原核生物的基因组中都普遍存在这种序列(Jones 等 1981;Tautz 等 1986)。直到1986 年,Ali 等人首次用合成的GATA/GACA 寡聚核苷酸作探针用于人的DNA 指纹分析,成功地开创了利用微卫星DNA 探针进行DNA 指纹分析这一新的领域。微卫星探针易于合成,可直接与固定在干胶中的DNA 片段杂交,所检测的位点普遍具有高度的变异性。1988 年,Schafer 等人进一步发展了这门技术,使寡聚核苷酸(微卫星)分析技术又一次得到了完善。迄今为止,合成的各种寡聚核苷酸(微卫星)已成功地应用于人和近百种动植物的DNA 指纹分析(Buitkamp 等 1991a,1991b;Schafer 等1988;May 等 1991;Nuraburg 等 1989;Hubert 等 1990;Lonn 等1992;Biermerth 等 1992;Caetano-Anolles 等 1991)。从已有的报道来看,适用范围广、变异性高的微卫星探针主要有(GTG)n、(GT)n、(GATA)n、(GACA)n、(GAG)n 等(Buitkamp 等1991a,1991b)。1.5.3 PCR 在DNA 指纹分析中的应用PCR 是一种在体外大量扩增DNA 的方法。在法医研究上,由于所检验的材料量(如血斑、精斑、发梢)极微,因此很难获得常规Southern 杂交所需的DNA 量,利用PCR 就可以解决这一问题。Jeffreys 等(1988)根据多个小卫星的已知侧翼序列来合成引物(每个小卫星两个引物)。先以极微量( 甚至单个细胞 )的人类基因组DNA 为模板进行体外扩增(产物可长达10kb),然后再用这些小卫星的混合探针进行Southern 杂交,得到了可以重复做出的具有高度变异性的DNA 指纹图谱。1.5.4 单位点高变异性小卫星和微卫星探针的开发DNA 指纹图谱虽然具有很多的优点,但并非完整无缺。第一,DNA 指纹图谱中每一个个所含图带数很多,给统计分析带来了许多麻烦。例如,在比较个体之间的DNA 指纹图谱时,如果某两条带的位置相差很小,那么就很难判断它们是否来自同一位点上的同一等位基因,也许是由于实验操作过程中凝胶变形等引起的误差影响了分析结果的准确性。第二,DNA 指纹图带的分辨率很难提高,特别是较小的DNA 片段因难以分开而呈现很低的变异性;长度相差不大的DNA 片段无法通过电泳分开。第三,DNA 指纹图谱不能区分杂合体和纯合体。在进行DNA 指纹图谱统计分析时,人们假定图中每一条带分别代表不同的位点,但实际上,如果某一位点是杂合的,那么此位点在DNA 指纹图谱上会拥有两条带,也就是说在DNA 指纹图谱上应有两条带代表同一个杂合位点上的不同等位基因。因此,有时以DNA 指纹图谱分析得到的结果与真实情况也会有所不同。第四,对于某一个位点来说,往往只有一个等位基因出现在DNA 指纹图谱上,因此无法根据DNA 指纹图谱确定个体在该位点上的基因型。为了克服DNA 指纹图谱的上述缺点,人们已开始重视单位点探针的开发。所谓单位点探针,是指只是特异性与某一位点上的等位基因杂交的探针。由于真核基因组中的小卫星和微卫星位点普遍具有高度的变异性,因此它们是高变异单位点探针的重要来源。基因组中的小卫星位点有数千个,微卫星位点更达数十万个,通过用现有的多位点小卫星和微卫星探针筛选基因文库,可以得到众多的高变异单位点探针。迄今为止,国外一些单位已从猪、马、鸡、牛等的基因组中分离、克隆了数百个小卫星和微卫星探针,这些探针将是构建有关畜禽基因图谱的基础。1.5.5 其他方面的进展双向电泳(two-dimensional electrophoresis)的应用,使 DNA 指纹图谱的容量大大增加(Uitterlinden 等 1989)。变性凝胶电泳可以更有效地分辨等位基因(Uitterlinden 等1989);电极反转电泳(field inversion gel electrophoresis)提高了 DNA 指纹图谱中大片段的分辨率(Fowler 等 1988)。由于DNA 指纹图谱在实验技术和统计方法上一直处于不断的改进之中,因此我们深信在不远的将来,DNA 指纹分析技术必将在医学、畜牧业、农业乃至整个生物领域得到更加广泛的应用。

(一) DNA鉴定在个人识别方面有着明确的误差估计和较高的准确率,因而更可靠。现代生物识别技术有很多种,如指纹识别、声纹鉴定、DNA鉴定、视网膜识别、虹膜识别、面部识别、唇纹识别等,应用较多的是指纹识别和DNA识别。其中DNA技术应是最重要的识别方法,因为DNA是决定一个人的人体特征和行为特征的最根本的因素[7]。因此,从理论上说DNA技术所能实现的个人识别率应当是很高的。而且DNA技术能明确计算出鉴定结论的误差估计值,因而能减少由鉴定人的主观臆断导致的失误,非常客观。如在Jeffreys首次用DNA技术所做的亲子鉴定中,鉴定结论出错的概率是7×10-22,可以说DNA鉴定结论的准确率几乎为100%[8]。
  相反,指纹鉴定因不能量化说明结果的误差率,而显得不够客观,再加上近来由鉴定失误导致的错案的接连出现,使人不禁为其准确性和可靠性担忧[9]。目前对指纹技术的误差率的研究都是零星的、局部的。如对3000枚随机抽取的指纹进行观察,发现两枚指纹的中心、三角部位或外围系统等局部区域细节特征相似的情况较常见,其中三个特征相似的有5对,四个特征相似的有4对,五个特征相似的有2对,甚至七、八、十个特征相似的也有[10]。美国指纹专家曾在大会发言中说:“我们在指纹比对中发现来自于两个人的指纹有四个特征点匹配是常有的事”[11]。到目前为止,还没有系统的统计学方面的研究能充分说明两个人具备共有某一数量偶合点的指纹的可能性究竟有多大。因为这样的研究涉及的因素、指标和统计方法都非常复杂,样本量又很庞大,比如要考虑到如何全面包括选取对象的种族、民族、部落、地区等因素,所有细节特征的种类、形态、位置、大小等因素,使用哪种数据统计模型,样本要多大才具备代表性等等,所以至今还没有人进行。而只有经过全面系统地研究的结果才能被用做评估指纹鉴定结论客观性的统计学基础。缺少这种统计数据基础给相似指纹和变形或模糊指纹的鉴定带来较多麻烦,增大了鉴定失误的可能性。所以,有人把DNA技术看作目前最可靠的个人识别技术。
  (二)DNA技术所需检材来源广泛、量微,易于获得。凡是人体细胞,只要含有一定量的大分子DNA,都可用于DNA分析。如血液(斑)、血痕、毛发、肌肉、骨髓、精液(斑)、牙髓及精液与阴道分泌物形成的混合斑、唾液(斑)等,甚至陈旧的、发霉长菌的、经其他方法处理失败的生物斑痕或组织,都可提出DNA用于分析。而且,由于能应用PCR技术将检材中的DNA片段无限扩增,所以DNA技术只需微量检材就能解决问题,有时甚至只需几个人体细胞。上述两方面情况就意味着要获得DNA鉴定所需的检材是比较容易的。
  这一优势恰恰是包括指纹技术在内的其他任何生物识别技术所不可比拟的。从现场发现和提取的指纹常常是残缺、模糊、变形或重叠的指纹。由于这些指纹中的纹线特征不够稳定、可靠,甚至无法辨别,对它们的比对分析将难以进行,即便得出结论,也不够可靠、准确。事实上指纹鉴定的失误大多出现在此类情况下。
  另外,人们还针对指纹识别技术鉴定潜在指纹的适当性问题提出了质疑,即从现场提取到的指纹图像与遗留人的真实指纹图像的相似性问题难以科学地解决。现场上的指纹大多是不易发现的潜在指纹,需要进行染色显现和胶粘、吸附等转印处理。“在指纹的转印过程中,沉积物(附着物)、变形和色素的综合作用影响了独特的摩擦嵴纹被完全地可靠地转印的能力,手印显现操作的技术水平也可能影响指纹的反映质量,损害指纹的独特性”。“在显现潜在指纹的过程中,压力、变形、染色剂、物屑和操作处理带来的变化影响了原来的摩擦嵴纹的细节特征的稳定性。”[12]因此,有人指出运用各种处理方法从现场提取到的二维指纹图像与原来的指纹在细节特征上是否一致,值得怀疑。而将这样的潜在指纹图像用于比对的做法,其科学性令人担心。因此有人认为,相比之下DNA技术有着更为广阔的应用前景。


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D 试题分析:生物的分类等级从大到小依次是界、门、纲、目、科、属、种.所属的等级越小,生物的亲缘关系越近,共同特征越多,等级越大,亲缘关系越远,共同特征越少,青蛙属于两栖类,蝗虫属于节肢动物,鲨鱼属于鱼类,绵羊属于哺乳类,蛇属于爬行类,蜈蚣属于节肢动物,所以ABC的亲缘关系都较远,...

从生物分类的角度分析下列动物中清缘关系较近的一组是狼和狗青蛙和蝗 ...
蝗虫属于昆虫纲,青蛙属于两栖纲;绵羊属于哺乳纲,鲨鱼属于鱼纲;蜈蚣属于节肢动物,蛇属于爬行纲;狼和狗同属于犬科,亲缘关系较近.可见D正确,符合题意.故选:D

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寿县15899148042: 生物DNA分子的特异性是DNA指纹检测的最主要依据,DNA特异性的根本原因是因为DNA分子具有特定的()A -
朱品潘诺: A、每个特定的DNA分子中具有特定的脱氧核苷酸排列顺序,而特定的脱氧核苷酸排列顺序代表着遗传信息,所以每个特定的DNA分子中都贮存着特定的遗传信息,这种特定的脱氧核苷酸排列顺序就决定了DNA分子的特异性,A正确;B、磷酸、脱氧核糖的排列顺序是不变的,它们交替排列在DNA外侧,B错误;C、每个特定的DNA分子中具有特定的碱基排列顺序,而特定的排列顺序代表着遗传信息,所以每个特定的DNA分子中都贮存着特定的遗传信息,这种特定的碱基排列顺序就决定了DNA分子的特异性,C正确;D、磷酸、脱氧核糖的排列顺序是不变的,它们交替排列在DNA外侧,D错误. 故选:AC.

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