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第10章DNA指纹图谱分析方法

10.1DNA指纹图谱产生的原理

10.1.1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（hyper
variableregions，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（variablenumberoftandem
repeat，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（sisterchromatids）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（geneconversion）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（coresequence），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。

本章作者：丁波，张亚平
第10章DNA指纹图谱分析方法119

10.1.2DNA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（DNAfingerprint），又名遗传指纹图谱（geneticfingerprint）。产生DNA指纹图
谱的过程就叫做DNA指纹分析（DNAfingerprinting）。

10.l.3DNA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