全 文 :技术与方法
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 2期
PCRSSCP技术在微生物检测中的应用
顾真庆1, 2 冯志新 1 王占伟 1, 3 刘茂军1 王海燕1 白昀 1, 3 邵国青 1
( 1江苏省农业科学院兽医研究所 农业部动物疫病诊断与免疫重点开放实验室 国家兽用生物制品工程技术研究中心,南京 210014;
2南京农业大学动物医学院,南京 210095; 3南京天邦生物科技有限公司,南京 211102 )
摘 要: 聚合酶链式反应 -单链构象多态性 ( PCRSSCP )是一种能够检测 DNA突变的分子生物学分析技术,具有快速、
简便、灵敏与适于大样本筛选的特点, 近年来被广泛应用于生命科学领域的研究。对 PCRSSCP技术在微生物检测研究领域
的应用和发展作简要的介绍。
关键词: PCRSSCP 微生物 检测
The Application of PCRSSCP Technique inM icrobe Detection
Gu Zhenqing
1, 2 Feng Zh ix in1 W ang Zhanw ei1, 3 L iuM ao jun1 W ang Ha iyan1 BaiYun1, 3 ShaoGuoqing1
(
1
Institute of VeterinaryM edicine, J iangsu A cademy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of A nimal D iseasesD iagnostic and Immuno logy,
M inistry of Agriculture, National Center forEngineering Research of Veterinary B iop roducts, N anjing 210014; 2College of Veterinary
M edicine, N anjing Agricultural University, N anjing 210095;
3
Nanjing T ianbang BioIndustry CO, LTD,N anjing 211102)
Abstrac:t Po lym erase cha in reactionsing le strand conform ation po lymo rph ism ( PCRSSCP) , aDNA mu tations detec tion techno l
ogy, has the charac teristics o f rapid, sim ple, sensitive and su itab le for screening large sam ple. PCRSSCP technique has been w ide ly
used in the life sc ience field. The app lication and deve lopm ent o f PCRSSCP technique in the m icrobe detection fie ld w as rev iew ed.
Key words: PCRSSCP M icroorgan ism Detection
收稿日期: 20100819
基金项目:江苏省自然科学基金 企业博士创新项目 ( BK2009498)
作者简介:顾真庆,男,硕士研究生,研究方向:动物传染病与免疫学; Em ai:l gzq101@ 163. com
通讯作者:邵国青,男,博士,研究员,研究方向:动物重大疫病防控; Em ai:l 84391973@ 163. com
基因的单核苷酸多态性 ( SNP)是指基因组中单
个核苷酸变异引起的 DNA序列多态性,包括单碱基
的转换、颠换、插入及缺失等形式。DNA个体间核酸
序列的变异是分子遗传标记的基础,在分子遗传标记
中,单链构象多态性 ( sing lestrand conformation poly
morph ism, SSCP)分析技术是常用方法之一。聚合酶
链反应- 单链构象多态性 ( PCRSSCP)是基于 PCR
的以 DNA构象为基础的检测基因组中单核苷酸变异
( SNP)的技术 [ 1]。该技术经不断发展, 因其高度的灵
敏性、操作简便,被广泛应用于生命科学研究领域中。
目前也在致病性微生物的快速检测、种属鉴定以及基
因分型研究等方面得到了一定的应用。
1 PCRSSCP技术的基本原理与发展历程
单链 DNA有一定的空间构象, 若发生碱基突
变,其构象会发生相应改变,在非变性聚丙烯酰胺凝
胶电泳中,迁移率会随之发生变化。通过显色或显
影后在凝胶上就会出现带型的差别, 呈现多态性。
根据等长变性 PCR产物在中性聚丙烯酰胺凝胶中
泳动的位置差异, 可以检验出小至单个碱基差
异 [ 2]。该方法具有敏感、简便、快速和廉价等特点,
适合大样本基因突变的筛选。
1984年, 日本学者 Noum i[ 3]在研究大肠杆菌正
常和突变的 F1ATPase基因时发现 DNA单链构象
存在多态性。1989年 O rita等 [ 1]将 DNA单链凝胶
电泳技术成功用于检测复杂基因组中单拷贝 DNA
多态现象, 并提出 SSCP的概念。 1992年, Hoshino
等采用敏感的银染法对电泳后的凝胶进行染色, 使
SSCP技术更安全、方便而快捷。
PCRSSCP一般适合于小于 400 bp碱基序列突
变的测定, 随着 DNA片段长度的增加, 突变检出率
2011年第 2期 顾真庆等: PCRSSCP技术在微生物检测中的应用
随之降低。为了提高 PCRSSCP检测适用范围,
Sommer等 [ 4]在 1995年对大片段 DNA采用限制性
内切酶 ( RE )酶解后再进行 SSCP分析,延长了 SSCP
对 DNA片段的检测长度,提高了突变的检出率。该
技术被命名为限制性内切酶指纹 SSCP ( restr ict ion
endonuclease fingerprintingSSCP, REFSSCP )。由于
PCRSSCP分析结果易受电泳温度的影响, Iw ahana
等 [ 5]建立了保持恒温电泳与自动化测序的荧光标
记 PCRSSCP ( F luo rescncebasedPCRSSCP, FSS
CP) ,提高了 PCRSSCP的分辨效果与测序自动化程
度。M aruya等 [ 6]在传统 PCRSSCP基础上建立了低
离子强度 PCRSSCP技术 ( PCRLISSSCP), 该技术
提高了变性 DNA的单链生成率, 从而大大提高了
SSCP的灵敏度。 PCRSSCP与 Sanger双脱氧测序
相结合的双脱氧指纹 ( dideoxy fingerprinting, ddF)技
术可将突变精确定位于 10 bp之内, 假阳性率低于
5%
[ 7]。此外, PCRrSSCP分析提高了 PCRSSCP检
测结果的多态性及灵敏度。毛细管电泳技术 ( CE )
与 SSCP的结合, 实现了高速度、高效率和自动化
分析。
2 PCRSSCP技术的操作步骤
PCRSSCP技术的基本过程: ( 1 ) PCR扩增靶
DNA; ( 2)将 PCR扩增的待测片段与去离子甲酰胺
混合后于 95 变性解链,冰中骤冷快速复性, 使之
成为具有一定空间结构的单链 DNA分子; ( 3)将适
量的单链 DNA进行非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳;
( 4)通过放射性自显影、银染或溴化乙锭显色分析
结果。若发现单链 DNA带迁移率与正常对照的相
比发生改变,可以判定该链构象发生改变,进而推断
该 DNA片段中有碱基突变。
3 PCRSSCP技术在微生物检测领域中的
应用
PCRSSCP技术作为一种日渐完善的分子生物
学技术,具有快速、简便、灵敏与适于大样本筛选的
特点。在人类肿瘤疾病的基因筛选, 遗传性疾病的
基因定位,动植物遗传育种等研究中得到了广泛应
用。PCRSSCP技术在微生物检测研究方面主要包
括临床致病微生物的快速鉴定,微生物的分型研究,
跟踪微生物的变异情况及检测微生物群落构成等。
3. 1 PCRSSCP技术在病原微生物鉴别诊断中的
应用
按常规的病原微生物分离鉴定方法, 需要准备
适合不同的病原生长的培养基和使用不同的鉴别方
法, 且费时费力; 常规 PCR技术采用针对特定病原
的特异性引物,但往往由于临床病原不明,需用多种
引物和扩增程序进行 PCR扩增,不同病原多重感染
亦加大了常规 PCR实现快速诊断的难度; 通过形态
学观察易造成误诊。PCRSSCP技术能克服常规病
原分离与常规 PCR技术的缺点, 能够快速、简便地
检测出临床病原微生物。
运用 PCRSSCP能快速诊断临床致病菌, Oh[ 8]、
王永 [ 9]根据常见病原菌保守的 16S rRNA设计通用
引物对临床常见细菌进行 PCRSSCP分析, 快速鉴
定了多种不同种属的细菌。此项技术也可以检测同
属不同种的细菌 [ 10]。覃志坚 [ 11]、胡玉山 [ 12]和彭宣
宪 [ 13]对比了 PCRSSCP技术和 PCRRFLP技术在检
测致病性细菌时的应用, 他们认为 PCRSSCP技术
能快速简便地检测、鉴别相关病原菌。
PCRSSCP用于寄生虫诊断, HubyChilton等 [ 14]
对感染公牛包皮冲洗液涂片镜检时, 根据虫体形态
学特征判定公牛疑似 Tritrichomonas foetus感染, 但
用 PCRSSCP分析发现, 包皮冲洗液样品带型与对
照 Tritrichomonas foetus的带型不一致, 即公牛可能
不是感染了 Tritrichomonas foetus。由于样品的图谱
与 T etratrichom onas的图谱完全一致, 几乎可以确诊
公牛感染了 Tetratrichomonas。HubyCh ilton等 [ 15]以
rDNA的 pITS1作为遗传标记对 6种不同的鹿圆属
线虫第一阶段幼虫进行 PCRSSCP分析, 成功地鉴
别了这 6种幼虫, 为当地鹿群感染鹿圆属线虫的诊
断与流行病学研究带来便利。陈虹虹等 [ 16 ]对来自
青海湖的鲁道夫对盲囊线虫核糖体 DNA的 ITS1、
ITS2进行 PCRSSCP分析及序列分析, 并与来自欧
洲的两个姊妹种鲁道夫对盲囊线虫进行比较。结果
显示,我国青海湖的鲁道夫对盲囊线虫与来自意大
利的 C. rudolphiiB具有相同的 SSCP带型及 ITS序
列, 但不同于 C. rudolphiiA, 因此我国青海湖的鲁道
夫对盲囊线虫属于 C. rudolphiiB。证实采用 PCR
SSCP分析 ITS片段可作为遗传标记用于鉴别鲁道
夫对盲囊线虫的姊妹种, 从而为鲁道夫对盲囊线虫
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 2期
的进一步研究奠定了基础。
3. 2 PCRSSCP技术在病原微生物分型中的应用
病原微生物基因分型的研究对由病原微生物引
起的疾病的防制有重要意义。 Zhou等 [ 17]以结节双
螯菌 fimA基因设计引物, 用 PCR检测 11例疑似结
节双螯菌感染的病料, 将阳性结节双螯菌的扩增产
物进行 SSCP分析, 发现有 3种 SSCP带型。结合
DNA序列分析结果证实发现两种新的结节双螯菌
菌株, 为当前结节双螯菌的疫苗防制提供参考。
刘运喜等 [ 18]把分离自辽宁、吉林地区的 6株恙
虫病东方体目的基因进行 PCRSSCP检测, 并与国
际参考株进行比较,呈现出两种不同的 DNA单链构
象图谱,得出辽宁、吉林地区恙虫病东方体分离株至
少存在两种型别。姜鹏等 [ 19]根据旋毛虫 m tDNA
COX序列设计引物,应用 PCRSSCP技术对我国 7
个猪源旋毛虫地理株与 1个波兰猪源旋毛虫地理株
进行 COX基因片段多态性进行分析。结果表明,
我国 7个猪源旋毛虫地理株与波兰地理株存在 3种
基因型。
L i等 [ 20]运用 PCRSSCP成功对汉坦病毒进行
分型, 他们对流行区汉坦病毒阳性血清进行 PCR
SSCP分析, 根据 SSCP图谱的不同,区别出汉城病毒
阳性血清与汉坦病毒阳性血清。 Szew czyk等 [ 21 ]利
用杆状病毒群的通用引物, 采用 PCRSSCP技术成
功区分出杆状病毒群所属各型病毒。
3. 3 PCRSSCP技术在监测微生物基因变异中的
应用
PCRSSCP可以用于监测细菌变异, Zhou等 [ 22]
收集了患腐蹄病动物的病患组织样品,用 PCRSSCP
分析法比较了坏死梭杆菌的 lktA基因,得到了 4种
截然不同的 SSCP图谱, 得出引起动物腐蹄病的坏
死梭杆菌很容易发生变异的结论。
董世娟等 [ 23]对引物进行标记, 对来自国内不同
地区不同宿主的片形吸虫 (Fasciola )的线粒体基因
组细胞色素氧化酶亚基 基因 ( pcox1)部分序列进
行 PCRSSCP分析,结果 76个虫体均成功地扩增出
约 450 bp的基因片段; SSCP分析显示,不同地区或
同一地区的不同样品在 pcox1的 SSCP带型上存在
多态性;代表性样品的测序结果表明,其碱基序列存
在差异。试验结果显示, 我国片形吸虫 pcox1序列
种内变异不明显,种间变异显著。
王永山等 [ 24]根据传染性法氏囊病病毒 ( IBDV )
cDNA序列, 在病毒 VP2区域设计 1对引物, 应用
RT /PCRSSCP方法, 对 4个不同时间及不同地域从
传染性法氏囊病 ( IBD )病鸡法氏囊组织中分离的
IBDV分离物进行了分析,发现 4个 IBDV分离物的
SSCP图谱均存在明显差异。试验表明, IBDV变异
在我国普遍存在, SSCP方法可用于 IBDV的变异性
分析。Pawe lcyzk等 [ 25]也运用 PCRSSCP检测出乙
肝病毒在复制时的变异。
3. 4 PCRSSCP技术在微生物群落研究中的应用
在环境科学与食品科学等研究领域中,对微生
物群落分布、种类及功能的分析是目前微生物群落
研究中的热点。Korthals等 [ 26]以不同农场的粉尘为
研究对象, 用细菌 16S rRNA为分子标记位点, 用
PCRSSCP技术分析了农场粉尘中的菌落构成, 为
研究农场环境中粉尘的分子流行病学提供了思路。
W ery等 [ 27]利用 PCRSSCP分析了污水处理厂流出
残渣的细菌群落, 有望得出评价污水处理厂人源排
泄物污染的新指标。PCRSSCP技术也可以应用于
食品安全与食品微生物群落之间的关系, Saubusse
等 [ 28]以细菌 16S rRNA V2区为靶对象, 采用 PCR
SSCP有效鉴定了能够抑制单核细胞增生利斯特菌
的细菌群落结构。
4 展望
在兽医临床诊断中多种病原菌的混合感染比较
普遍,这使得病原菌的检测更加复杂和费时。按常
规的病原分离方法,需要准备适合不同病原生长的
培养基并使用不同的鉴别方法, 且费时费力; 常规
PCR技术采用针对特定病原菌的特异性引物进行
病原的检测,但往往由于临床病原菌不明,需用多种
不同引物和扩增程序,不同病原菌多重感染亦加大
了常规 PCR实现快速检测的难度。然而, 以细菌
16S rRNA为标记位点,设计引物进行 PCRSSCP分
析能够克服常规方法的缺点, 具有简单、快速、廉价
的优点,有较好的应用前景。
不可否认,合理地使用抗生素能够治疗、预防一
些传染性疾病,但由滥用抗生素而衍生出的某些病
原微生物的耐药性越来越引起人们的重视。 Sheen
等 [ 29]与 Jiang等 [ 30]采用 PCRSSCP定位结核分枝杆
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2011年第 2期 顾真庆等: PCRSSCP技术在微生物检测中的应用
菌对一线抗结核药物吡嗪酰胺或利福平抗药基因,
为阐述结核分枝杆菌耐药性产生机制奠定基础。由
此可以预知, PCRSSCP技术可被用于易产生耐药
性微生物的研究中。
近年来, 一些重大动物疫病的流行特点发生了
很大的变化,呈非典型化态势。以猪瘟与新城疫为
例,临床上主要表现为隐性带毒和慢性感染,严重影
响了养殖业的健康发展。猪瘟兔化弱毒疫苗与新城
疫弱毒疫苗的广泛使用, 对控制以上两种重大疫病
起到了重要的作用, 但同时也给猪瘟与新城疫野毒
感染动物与疫苗接种动物的鉴别诊断带来困难。现
在单纯针对 CSFV与 NDV的检测已经不能满足生
产的需求,亟需建立一种方便、快捷的方法, 区分强
毒株与疫苗株,以便有针对性地采取相应的防控措
施。病原强弱毒株的差异往往源于基因的差异,在
选择合适的标记位点后运用 PCRSSCP技术可以检
测出基因的差异, 即 PCRSSCP技术可以用于探索
快速区别临床常见病原微生物的弱毒疫苗免疫与野
毒感染。
综上所述, PCRSSCP技术从问世至今已在微
生物检测领域得到了广泛的应用, 相信随着新技术
的发展,如 2DPCRSSCP,将大大改进 PCRSSCP分
析方法,使其灵敏度加强, 适用范围进一步拓展。
参 考 文 献
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(责任编辑 狄艳红 )
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