主要組織相容性復合物(MHC)是脊椎動物體內最復雜且具有高度多態性的基因群。1984年George Snell 首次發現小鼠MHC即H-2,1958年Dausset 發現了人的MHC即HLA基因。MHC的表達產物稱為主要組織相容性抗原,MHC抗原是有核細胞表面膜蛋白分子,對抗原遞呈和免疫信號傳遞起關鍵作用。
HLA基因,位于6號染色體上短臂上,長約4000Kb。HLA是目前所知人體最復雜的遺傳多態性系統,有幾十個基因座位,每個基因座位又有幾十個等位基因,且呈共顯性表達。由于MHC基因位于同一條染色體上,其多基因座位上的基因型組合相對穩定,很少發生同源染色體間交換,這就構成了以單元型(HAPLOTYPE,即在同一條染色體上緊密連鎖的一系列等位基因的特殊組合)為特征的遺傳。按中國人常見的A座位基因有13個,B座位基因有30個計算,可組成的單元型約有13×30=390種之多。理論上估計,父母各給一串單元型給子女,便會形成4.3萬種HLA-AB血型。 事實上,HLA 各基因并非完全隨機地組成單元型,而是呈現出連鎖不平衡(linkage disequilibrium,LD)的特點。理論推測的HLA 分型數量巨大,但對一個具體的民族來說并非如此。世界上各個民族人群的HLA多態性和單元型都有各自的特點。總體來講,中國北方漢族、北美白人和北美黑人人群的多態性較中國南方漢族和日本人群豐富。即使在中國,地區間也存在差異。在中國漢族群體中抗原A1、A3、B13、B44和B51頻率呈北高南低分布,而抗原A24、B46、B60呈北低南高分布。在中國漢族群體中常見的A30-B13-DRB1*07,A1-B37-DRB1*10單體型頻率呈北高南低分布,在江浙滬漢族人群中頻率較北方漢族人群下降,而A2-B46-DRB1*09,A33-B58-DRB1*17,A33-B58-DRB1*13單體型頻率呈北低南高分布。HLA多態性程度可見一斑。
HLA研究涉及免疫學、生物學、遺傳學、分子生物學、醫學等多個學科,并已發展成為一個獨立的學科分支。迄今HLA研究已達到相當深入的水平,并在諸多方面取得顯著進展,包括HLA復合體結構;HLA分子結構及其表達的調控;HLA分子功能,尤其是在抗原處理、呈遞及T細胞識別中的作用;HLA的DNA分型及多態性研究;HLA與疾病的關系;HLA與移植的關系等。HLA研究不僅使器官移植成為一種極有價值的治療手段,并給基礎與臨床免疫帶來了突破性進展。已經證實,HLA復合體中存在控制免疫應答的基因以及HLA參與約束免疫細胞間相互作用,這表示HLA涉及生命活動的各個水平與多個方面。可以預期,對HLA的研究將繼續成為免疫遺傳學最活躍的部分;對HLA的應用將擴展到基礎、臨床、預防醫學的各個領域。
縱觀HLA系統的研究過程,其發展無不與技術的手段的突破與運用有密切關系。70年代到80年代末期主要是血清學研究;90年代以來,HLA進入了分子水平研究階段,進展尤為顯著。HLA分型技術同樣走過了這一歷程。
建立于60年代并不斷完善的血清學及細胞學分型技術主要側重于分析HLA產物特異性。
血清學分型借助的是微量淋巴細胞毒試驗(microlymphocytotoxicitytest)或稱補體依賴的細胞毒試驗(complement dependent cytotoxicity test,CDC)。取已知HLA抗血清加入待測外周血淋巴細胞,作用后加入兔補體,充分作用后加入染料,,著染的細胞為死亡細胞,依據特異性抗體介導的補體系統對靶細胞溶解的原理,待檢淋巴細胞表面具有已知抗血清所針對的抗原。血清學分型存在諸多缺點:①標準分型抗體親和力較弱、效價較低、易產生交叉反應,②缺少某些單價抗血清;③某些病理過程可能導致外周血淋巴細胞表面抗原性質發生改變.干擾抗原—抗體反應;④國內供HLA—I類抗原分型的血清板來源困難、質量欠佳。上述因素均嚴重影響了HLA分型結果的可靠性及該技術的推廣應用。
細胞學分型技術指的是通過純合分型細胞(homozygote typing cell,HTC)及預致敏淋巴細胞試驗(primed lymphocyte test,PLT)對HLA分型。二種方法的基本原理均是判斷淋巴細胞在識別非己HLA抗原決定簇后發生的增殖反應。由于分型細胞來源困難以及操作手續繁瑣,細胞學分型技術下正逐漸淘汰。
1991年第11屆國際HLA專題討論上提出了HLA的DNA分型方法,這類方法近年來在研究和應用方面發展非常快,有取代其他方法的趨勢。DNA分型方法主要分為兩種:基于核酸序列識別的方法和基于序列分子構型的方法。下面簡要的闡述各方法的原理和優缺點。
基于核酸序列識別的方法主要有:PCR-RFLP,PCR-SSO,PCR-SSP和PCR-SBT。
PCR-RFLP:其原理是將目的基因片段PCR擴增后,利用多種限制性內切酶對擴增產物進行酶切,不同的基因序列會產生不同的酶切產物,從而產生不同的電泳圖譜。它以其簡單、敏感、準確,無需同位素等優點成為目前較常用的HLA基因分型技術之一,但是無法分辨雜合子,且只能區分有限的多態性。
PCR-SSO(sequence specific oligonucleotide):也稱PCR-ASO(allele specific oligonuceotide)。用以同位素或非放射性標記的探針與PCR擴增的目標片斷產物雜交,根據陽性斑點判斷個體基因型。由于HLA等位基因非常多,就需要很多的探針對每個DNA樣品要進行多次雜交(甚至十幾次)才能完成定型分析操作也十分繁瑣。于是在此基礎上又發展起來一種反向雜交法(reverse hybridization)。將各種不同的探針固定于同一張膜上,再將PCR產物標記,以PCR產物(待檢測基因DNA)反過來與探針雜交。這樣一次雜交即可完成多個等位基因分析。此方法具有靈敏度、特異性強、需樣本量少等優點,但不同探針的雜交條件的須嚴格統一(如溫度,離子強度), 易出現誤差;不能檢測新等位基因,試劑盒需不斷升級; 對某些雜合子分辨率也不好;。很多HLA基因型含有相同的多態性,而僅僅由于排列方式不同,因此分辨率不及SSP和SBT(4.01#113)。此方法適宜大量和高純度樣本,雜交條帶將作為書面原始記錄長期保存(三種效果比較)。
PCR-SSP:上述的PCR/RFLP、PCR/SSO等,最終均需用標記的特性探針與擴增產物進行雜交,再分析結果。PCR/SSP方法用乃設計出一整套等位基因組特異性引物(sequence specific primer,SSP),借助PCR技術獲得HLA型別特異的擴增產物,可通過電泳直接分析帶型決定HLA型別,從而大大簡化了實驗步驟。優點是簡單易行, 分辨率可從低到高, 成本低 。缺點是不易自動化;不能檢測新的等位基因,試劑盒需不斷升級。此方法適宜零散和純度低樣本,重復實驗時要重提DNA和必須使用紫外凝膠成象儀保留原始資料,增加實驗成本(三種效果比較)。PCR-SSP和PCR-SSO均需大量試劑(引物),且不能識別非經典的HLA基因和假基因(綠)。針對HLA外顯子和內含子序列精心設計引物可避免這些問題。
PCR-SBT: 以PCR擴增所要分析的基因片斷,然后對DNA序列進行分析,可以直接得到基因型。分辨率高,可大規模進行,精確度高,能直接發現新的等位基因。但是由于雜合子的存在,無法分辨單元型。
以上各個方法都存在無法克服的缺陷,如能配合使用,則能大大提高分型能力。國外有學者對60個樣本進行研究,發現單用SBT,只有18%的樣本能將A,B位點同時分型成功,如結合SSO,則能將所有樣本成功分型。
基于核酸序列識別的分型方法始終無法越過雜合子的難關。HSE(Haplotype-specific extention)技術完美地解決了這一問題。它是利用磁珠與其中一條同源染色體的特異位點結合,達到分離同源染色體的目的,雜合子問題不攻自破。因此,HSE無論與SSO還是SBT結合使用,都有極好的效果(1.01#12,4.01#94)。
近年來,測序新技術發展層出不窮,紛紛運用到HLA分型中。如MSNE(multiplex single nucleaotide extention),應用鏈中止法原理,根據等位基因SNP位點設計特異性引物和生物素熒光標記的ddNTP進行分型,有重復性好,可分辨雜合子等優點,已應用到A位點的分型中。(4.01#93)又如pyrosequencing 法分型,分辨率好,可分辨雜合子,自動化程度也高。()DNA芯片技術,作為一項檢測SNP的成熟技術,也已應用到HLA 分型中()
基于序列分子構型的分型方法在理論上就避開了雜合子這個難題。SSCP(PCR單鏈構象多態性分析,PCR-single strand conformational polymorphism)是最常用的根據構型的分型方法。擴增的目標產物變形后形成單鏈,不同的序列,甚至僅有一個堿基的差異,就會形成不同的莖環結構,從而電泳速率不同。但此方法僅限于分辨僅限于200-300bp(綠16),且即使是同一單鏈DNA在相同情況下也會形成不同的構型,使得電泳條帶很難分析;也有可 能會出現當某些位置的點突變對單鏈DNA分子立體構象的改變不起作用或作用很小的情況,使聚丙烯酰胺凝膠電泳無法分辨造成漏檢。
HA(異源二聚體電泳多態性,Heteroduplex Analysis)是另一種基于序列分子構型的分型方法,根據異源二聚體未配對區域的長度和分布而顯示出電泳條帶不同(綠18)。但與單鏈DNA相比,異源二聚體電泳條帶過于復雜,難以分析。
新發展的RSCA(Reference Strand Mediated Conformation Analysis)技術根據HA的原理,設計了位點特異性熒光標記的參照DNA片段,與樣本DNA分子的正反鏈形成異源二聚體.帶有熒光標記的電泳條帶易于分析,能夠克服HA的不足。
另外,提取基因組模板的技術也在不斷發展。用于分型的DNA來源也已不局限于血液,口腔涂片、唾液中提取的DNA也有相似的效果(7.01#261)。針對微量基因組模板的情況,現已開發出基于滾環復制的全基因組擴增技術,可以將1ng的模板擴大至100ng,足以應付PCR-RFLP、PCR-SBT等分型技術的要求。
相信隨著分子生物學技術的發展,未來HLA分型技術會向著更便捷,準確的方向前進。
HLA基因,位于6號染色體上短臂上,長約4000Kb。HLA是目前所知人體最復雜的遺傳多態性系統,有幾十個基因座位,每個基因座位又有幾十個等位基因,且呈共顯性表達。由于MHC基因位于同一條染色體上,其多基因座位上的基因型組合相對穩定,很少發生同源染色體間交換,這就構成了以單元型(HAPLOTYPE,即在同一條染色體上緊密連鎖的一系列等位基因的特殊組合)為特征的遺傳。按中國人常見的A座位基因有13個,B座位基因有30個計算,可組成的單元型約有13×30=390種之多。理論上估計,父母各給一串單元型給子女,便會形成4.3萬種HLA-AB血型。 事實上,HLA 各基因并非完全隨機地組成單元型,而是呈現出連鎖不平衡(linkage disequilibrium,LD)的特點。理論推測的HLA 分型數量巨大,但對一個具體的民族來說并非如此。世界上各個民族人群的HLA多態性和單元型都有各自的特點。總體來講,中國北方漢族、北美白人和北美黑人人群的多態性較中國南方漢族和日本人群豐富。即使在中國,地區間也存在差異。在中國漢族群體中抗原A1、A3、B13、B44和B51頻率呈北高南低分布,而抗原A24、B46、B60呈北低南高分布。在中國漢族群體中常見的A30-B13-DRB1*07,A1-B37-DRB1*10單體型頻率呈北高南低分布,在江浙滬漢族人群中頻率較北方漢族人群下降,而A2-B46-DRB1*09,A33-B58-DRB1*17,A33-B58-DRB1*13單體型頻率呈北低南高分布。HLA多態性程度可見一斑。
HLA研究涉及免疫學、生物學、遺傳學、分子生物學、醫學等多個學科,并已發展成為一個獨立的學科分支。迄今HLA研究已達到相當深入的水平,并在諸多方面取得顯著進展,包括HLA復合體結構;HLA分子結構及其表達的調控;HLA分子功能,尤其是在抗原處理、呈遞及T細胞識別中的作用;HLA的DNA分型及多態性研究;HLA與疾病的關系;HLA與移植的關系等。HLA研究不僅使器官移植成為一種極有價值的治療手段,并給基礎與臨床免疫帶來了突破性進展。已經證實,HLA復合體中存在控制免疫應答的基因以及HLA參與約束免疫細胞間相互作用,這表示HLA涉及生命活動的各個水平與多個方面。可以預期,對HLA的研究將繼續成為免疫遺傳學最活躍的部分;對HLA的應用將擴展到基礎、臨床、預防醫學的各個領域。
縱觀HLA系統的研究過程,其發展無不與技術的手段的突破與運用有密切關系。70年代到80年代末期主要是血清學研究;90年代以來,HLA進入了分子水平研究階段,進展尤為顯著。HLA分型技術同樣走過了這一歷程。
建立于60年代并不斷完善的血清學及細胞學分型技術主要側重于分析HLA產物特異性。
血清學分型借助的是微量淋巴細胞毒試驗(microlymphocytotoxicitytest)或稱補體依賴的細胞毒試驗(complement dependent cytotoxicity test,CDC)。取已知HLA抗血清加入待測外周血淋巴細胞,作用后加入兔補體,充分作用后加入染料,,著染的細胞為死亡細胞,依據特異性抗體介導的補體系統對靶細胞溶解的原理,待檢淋巴細胞表面具有已知抗血清所針對的抗原。血清學分型存在諸多缺點:①標準分型抗體親和力較弱、效價較低、易產生交叉反應,②缺少某些單價抗血清;③某些病理過程可能導致外周血淋巴細胞表面抗原性質發生改變.干擾抗原—抗體反應;④國內供HLA—I類抗原分型的血清板來源困難、質量欠佳。上述因素均嚴重影響了HLA分型結果的可靠性及該技術的推廣應用。
細胞學分型技術指的是通過純合分型細胞(homozygote typing cell,HTC)及預致敏淋巴細胞試驗(primed lymphocyte test,PLT)對HLA分型。二種方法的基本原理均是判斷淋巴細胞在識別非己HLA抗原決定簇后發生的增殖反應。由于分型細胞來源困難以及操作手續繁瑣,細胞學分型技術下正逐漸淘汰。
1991年第11屆國際HLA專題討論上提出了HLA的DNA分型方法,這類方法近年來在研究和應用方面發展非常快,有取代其他方法的趨勢。DNA分型方法主要分為兩種:基于核酸序列識別的方法和基于序列分子構型的方法。下面簡要的闡述各方法的原理和優缺點。
基于核酸序列識別的方法主要有:PCR-RFLP,PCR-SSO,PCR-SSP和PCR-SBT。
PCR-RFLP:其原理是將目的基因片段PCR擴增后,利用多種限制性內切酶對擴增產物進行酶切,不同的基因序列會產生不同的酶切產物,從而產生不同的電泳圖譜。它以其簡單、敏感、準確,無需同位素等優點成為目前較常用的HLA基因分型技術之一,但是無法分辨雜合子,且只能區分有限的多態性。
PCR-SSO(sequence specific oligonucleotide):也稱PCR-ASO(allele specific oligonuceotide)。用以同位素或非放射性標記的探針與PCR擴增的目標片斷產物雜交,根據陽性斑點判斷個體基因型。由于HLA等位基因非常多,就需要很多的探針對每個DNA樣品要進行多次雜交(甚至十幾次)才能完成定型分析操作也十分繁瑣。于是在此基礎上又發展起來一種反向雜交法(reverse hybridization)。將各種不同的探針固定于同一張膜上,再將PCR產物標記,以PCR產物(待檢測基因DNA)反過來與探針雜交。這樣一次雜交即可完成多個等位基因分析。此方法具有靈敏度、特異性強、需樣本量少等優點,但不同探針的雜交條件的須嚴格統一(如溫度,離子強度), 易出現誤差;不能檢測新等位基因,試劑盒需不斷升級; 對某些雜合子分辨率也不好;。很多HLA基因型含有相同的多態性,而僅僅由于排列方式不同,因此分辨率不及SSP和SBT(4.01#113)。此方法適宜大量和高純度樣本,雜交條帶將作為書面原始記錄長期保存(三種效果比較)。
PCR-SSP:上述的PCR/RFLP、PCR/SSO等,最終均需用標記的特性探針與擴增產物進行雜交,再分析結果。PCR/SSP方法用乃設計出一整套等位基因組特異性引物(sequence specific primer,SSP),借助PCR技術獲得HLA型別特異的擴增產物,可通過電泳直接分析帶型決定HLA型別,從而大大簡化了實驗步驟。優點是簡單易行, 分辨率可從低到高, 成本低 。缺點是不易自動化;不能檢測新的等位基因,試劑盒需不斷升級。此方法適宜零散和純度低樣本,重復實驗時要重提DNA和必須使用紫外凝膠成象儀保留原始資料,增加實驗成本(三種效果比較)。PCR-SSP和PCR-SSO均需大量試劑(引物),且不能識別非經典的HLA基因和假基因(綠)。針對HLA外顯子和內含子序列精心設計引物可避免這些問題。
PCR-SBT: 以PCR擴增所要分析的基因片斷,然后對DNA序列進行分析,可以直接得到基因型。分辨率高,可大規模進行,精確度高,能直接發現新的等位基因。但是由于雜合子的存在,無法分辨單元型。
以上各個方法都存在無法克服的缺陷,如能配合使用,則能大大提高分型能力。國外有學者對60個樣本進行研究,發現單用SBT,只有18%的樣本能將A,B位點同時分型成功,如結合SSO,則能將所有樣本成功分型。
基于核酸序列識別的分型方法始終無法越過雜合子的難關。HSE(Haplotype-specific extention)技術完美地解決了這一問題。它是利用磁珠與其中一條同源染色體的特異位點結合,達到分離同源染色體的目的,雜合子問題不攻自破。因此,HSE無論與SSO還是SBT結合使用,都有極好的效果(1.01#12,4.01#94)。
近年來,測序新技術發展層出不窮,紛紛運用到HLA分型中。如MSNE(multiplex single nucleaotide extention),應用鏈中止法原理,根據等位基因SNP位點設計特異性引物和生物素熒光標記的ddNTP進行分型,有重復性好,可分辨雜合子等優點,已應用到A位點的分型中。(4.01#93)又如pyrosequencing 法分型,分辨率好,可分辨雜合子,自動化程度也高。()DNA芯片技術,作為一項檢測SNP的成熟技術,也已應用到HLA 分型中()
基于序列分子構型的分型方法在理論上就避開了雜合子這個難題。SSCP(PCR單鏈構象多態性分析,PCR-single strand conformational polymorphism)是最常用的根據構型的分型方法。擴增的目標產物變形后形成單鏈,不同的序列,甚至僅有一個堿基的差異,就會形成不同的莖環結構,從而電泳速率不同。但此方法僅限于分辨僅限于200-300bp(綠16),且即使是同一單鏈DNA在相同情況下也會形成不同的構型,使得電泳條帶很難分析;也有可 能會出現當某些位置的點突變對單鏈DNA分子立體構象的改變不起作用或作用很小的情況,使聚丙烯酰胺凝膠電泳無法分辨造成漏檢。
HA(異源二聚體電泳多態性,Heteroduplex Analysis)是另一種基于序列分子構型的分型方法,根據異源二聚體未配對區域的長度和分布而顯示出電泳條帶不同(綠18)。但與單鏈DNA相比,異源二聚體電泳條帶過于復雜,難以分析。
新發展的RSCA(Reference Strand Mediated Conformation Analysis)技術根據HA的原理,設計了位點特異性熒光標記的參照DNA片段,與樣本DNA分子的正反鏈形成異源二聚體.帶有熒光標記的電泳條帶易于分析,能夠克服HA的不足。
另外,提取基因組模板的技術也在不斷發展。用于分型的DNA來源也已不局限于血液,口腔涂片、唾液中提取的DNA也有相似的效果(7.01#261)。針對微量基因組模板的情況,現已開發出基于滾環復制的全基因組擴增技術,可以將1ng的模板擴大至100ng,足以應付PCR-RFLP、PCR-SBT等分型技術的要求。
相信隨著分子生物學技術的發展,未來HLA分型技術會向著更便捷,準確的方向前進。