DNA 檢測是通過分析生物樣本中 DNA 的特異性序列,實(shí)現(xiàn)個體識別、親緣關(guān)系判斷、疾病診斷等目的的技術(shù)。其核心原理基于 DNA 的獨(dú)特性(除同卵雙胞胎外,每個人的 DNA 序列均不同)和遺傳穩(wěn)定性(DNA 序列可穩(wěn)定遺傳給后代),通過 "提取 - 擴(kuò)增 - 分析" 三步核心流程,解析 DNA 的特異性信息。
一、核心基礎(chǔ):DNA 的結(jié)構(gòu)與特性
DNA(脫氧核糖核酸)是生物遺傳信息的載體,其核心特性決定了檢測的可行性:
" 雙螺旋結(jié)構(gòu):由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈組成,鏈間通過堿基對(A-T、C-G)互補(bǔ)配對連接,形成穩(wěn)定的雙螺旋。
" 特異性序列:人類基因組約含 30 億個堿基對,其中存在大量 "多態(tài)性序列"(如 STR、SNP),這些序列在不同個體中存在差異,是區(qū)分個體的關(guān)鍵。
" 遺傳規(guī)律:DNA 通過生殖細(xì)胞傳遞給后代,遵循孟德爾遺傳定律(如子女的 DNA 序列一半來自父親,一半來自母親),這是親子鑒定的基礎(chǔ)。
二、DNA 檢測的核心流程與原理
1. 樣本采集與 DNA 提取
目的:從生物樣本中獲取純凈的 DNA。
" 樣本來源:只要含有細(xì)胞的樣本均可(如血液、唾液、毛發(fā)根部、口腔黏膜、骨骼等),因?yàn)榧?xì)胞的細(xì)胞核中儲存著絕大部分 DNA(線粒體中也有少量)。
" 提取原理:
i. 破碎細(xì)胞:通過物理(研磨)或化學(xué)(去污劑)方法破壞細(xì)胞膜和細(xì)胞核膜,釋放 DNA。
ii. 去除雜質(zhì):利用蛋白酶分解蛋白質(zhì),用酒精沉淀 DNA(DNA 不溶于酒精,而蛋白質(zhì)等雜質(zhì)可溶),最終得到純凈的 DNA 溶液。
2. DNA 擴(kuò)增(關(guān)鍵步驟)
目的:樣本中 DNA 含量通常極少(如一根頭發(fā)僅含微克級 DNA),需通過擴(kuò)增獲得足量 DNA 用于分析,核心技術(shù)是PCR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))。
" PCR 原理:模擬體內(nèi) DNA 復(fù)制過程,在體外快速擴(kuò)增特定 DNA 片段,使 DNA 量呈指數(shù)級增長(1 次循環(huán)→2 倍,30 次循環(huán)→約 10 億倍)。
" PCR 步驟(循環(huán)進(jìn)行):
" 變性:加熱至 90-95℃,DNA 雙鏈因氫鍵斷裂解旋為單鏈(模板鏈)。
" 退火:降溫至 50-60℃,人工合成的 "引物"(與目標(biāo)片段兩端互補(bǔ)的短 DNA)結(jié)合到單鏈模板上,定位擴(kuò)增區(qū)域。
" 延伸:升溫至 72℃,Taq 酶(耐高溫的 DNA 聚合酶)以引物為起點(diǎn),利用脫氧核苷酸(dNTP)合成與模板互補(bǔ)的子鏈,形成新的雙鏈 DNA。
3. DNA 分析(核心:解析特異性序列)
通過分析擴(kuò)增后的 DNA 片段,識別其特異性序列,常用方法包括以下幾類:
(1)STR 分析(短串聯(lián)重復(fù)序列分析)
應(yīng)用:親子鑒定、法醫(yī)個體識別(最常用技術(shù))。
" STR 的特性:基因組中存在大量 "短串聯(lián)重復(fù)序列"(如 "AGCTAGCT…"),重復(fù)次數(shù)(2-60 次)在不同個體中差異顯著(多態(tài)性),且遵循孟德爾遺傳(子女的 STR 重復(fù)次數(shù)一半來自父親,一半來自母親)。
" 分析原理:
i. 選擇 15-20 個高多態(tài)性的 STR 位點(diǎn)(如 FGA、D21S11 等),通過 PCR 擴(kuò)增這些位點(diǎn)的 DNA 片段。
ii. 用電泳(如毛細(xì)管電泳)分離擴(kuò)增后的片段:片段長度越短,在電場中移動越快,最終形成不同位置的峰。
iii. 對比樣本峰圖:若兩個樣本在所有 STR 位點(diǎn)的重復(fù)次數(shù)一致(如犯罪現(xiàn)場樣本與嫌疑人),則匹配概率極高;親子鑒定中,子女的每個 STR 位點(diǎn)必能在父母中找到對應(yīng)來源,否則排除親子關(guān)系。
(2)SNP 分析(單核苷酸多態(tài)性分析)
應(yīng)用:疾病易感性檢測、藥物反應(yīng)預(yù)測、 ancestry 溯源。
" SNP 的特性:基因組中最常見的變異類型,指 DNA 序列中單個堿基的替換(如 A→G),每 1000 個堿基約存在 1 個 SNP,總量超過 3 億個。
" 分析原理:通過基因芯片或二代測序(NGS)檢測特定 SNP 位點(diǎn)的堿基類型。例如,某 SNP 與乳腺癌風(fēng)險相關(guān),若檢測到該位點(diǎn)為 "GG",則提示風(fēng)險較高。
(3)基因測序
應(yīng)用:遺傳病診斷(如唐氏綜合征)、基因突變檢測(如癌癥驅(qū)動基因)。
" 一代測序(Sanger 測序):通過雙脫氧核苷酸(ddNTP)終止 DNA 鏈延伸,生成不同長度的片段,電泳后讀取堿基序列(一次測 1000-1500 個堿基)。
" 二代測序(NGS,高通量測序):同時擴(kuò)增數(shù)百萬個 DNA 片段并測序,可快速測定全基因組、全外顯子組(編碼蛋白質(zhì)的區(qū)域),適用于大規(guī);蛲蛔兒Y查(如腫瘤基因檢測)。
(4)RFLP 分析(限制性片段長度多態(tài)性分析,傳統(tǒng)技術(shù))
原理:用限制酶(識別特定堿基序列的酶)切割 DNA,若某位點(diǎn)存在堿基變異,可能導(dǎo)致酶切位點(diǎn)消失或出現(xiàn),使切割后的片段長度改變。通過電泳分離后,不同個體的片段圖譜(DNA 指紋)不同。
缺點(diǎn):需 DNA 量多、操作復(fù)雜,已被 STR 和 SNP 技術(shù)取代。
三、核心邏輯總結(jié)
DNA 檢測的本質(zhì)是:通過提取、擴(kuò)增樣本 DNA,分析其特異性序列(如 STR 重復(fù)次數(shù)、SNP 堿基類型),利用序列的個體獨(dú)特性或遺傳規(guī)律,實(shí)現(xiàn)身份識別、親緣判斷或疾病診斷。
不同技術(shù)的差異主要在于 "分析的序列類型" 和 "檢測效率",但核心均依賴 DNA 的特異性和穩(wěn)定性 -- 這也是其成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、法醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)核心技術(shù)的根本原因。