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1、硕 士 学 位 论 文荧光原位杂交技术及其在环境领域内的应用Fluorescence in situ hybridization technology and its application in the field of environment作 者 姓 名： * 学科、 专业： 环境科学与工程 学 号： * 指 导 教 师： * 完 成 日 期： 2014/3/26 大连理工大学Dalian University of Technology光a摘 要荧光原位杂交（FISH）是现代分子生物学及基因工程中广泛应用的新技术，本文概述了FISH实验原理、实验流程以及技术问题等。总结了一些实验关键步
2、骤的操作要点和注意事项，并对荧光原位杂交技术在环境微生物监测方面的应用做了综述。利用FISH技术在环境样品上直接原位杂交，不仅可以测定不可培养微生物的形态特征及丰度，而且可原位分析它们的空间及数量分布。并且展望了FISH技术的未来。关键词：荧光原位杂交技术；探针；环境微生物；监测光aAbstractFluorescence in situ hybridization （FISH） is a new technology which is widely used in modern molecular biology and genetic engineering. This article s
3、ummarizes the experimental principle, process and technical issues of FISH .Also we summarize some operation points and matters needed attention of key steps, and review application of FISH in environmental microbe monitoring. Using FISH technology directly in the environmental samples, can not only
4、 measure the morphology and abundance of uncultured microorganisms, but also analyse their spatial distribution and quantity in situ. And look forward to the future of FISH.Key Words：Fluorescence in situ hybridization technology; Probe; Environmental microbes; monitoring光a目 录摘 要IAbstractII1 荧光原位杂交技术
5、简介41.1 FISH发展历史41.2 FISH原理51.3 FISH基本过程51.3.1 探针制备61.3.2 探针的标记71.3.3杂交前处理71.3.4 杂交81.3.5荧光检测与结果分析91.4 FISH技术特点91.5 常见的技术问题及解决措施91.5.1 FISH检测的假阳性91.5.2 FISH检测的假阴性102 FISH技术在环境领域的应用102.1 对硝化细菌的监测102.2 对除磷细菌的监测112.3 FISH技术在丝状微生物研究中的应用112.4 对厌氧颗粒污泥中微生物的监测122.5 对自然环境中微生物多样性的监测123 未来展望13参 考 文 献141 荧光原位杂交技
6、术简介荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，FISH）是在20世纪80年代末在放射性原位杂交技术的基础上发展起来的一种非放射性分子细胞遗传技术，以荧光标记取代同位素标记而形成的一种新的原位杂交方法，探针首先与某种介导分子结合，杂交后再通过免疫细胞化学过程连接上荧光染料。FISH技术是将DNA（或RNA）探针用特殊的核苷酸分子标记，然后将探针直接杂交到染色体或DNA纤维切片上，再用与荧光素分子偶联的单克隆抗体与探针分子特异性结合来检测DNA序列在染色体或DNA纤维切片上的定性、定位、相对定量分析。具有安全、快速、灵敏度高、探针能长期保存、能同时显示多
7、种颜色等优点。同时在荧光原位杂交基础上又发展了多彩色荧光原位杂交技术和染色质纤维荧光原位杂交技术。1.1 FISH发展历史1986年人们用异硫氰酸盐荧光素来标记探针，并在荧光显微镜下进行分析，从而建立了荧光原位杂交技术。1988年，Giovannoni等1首次将原位杂交技术引入细菌学研究中，使用放射性标记rRNA 寡核苷酸探针检测微生物。然而由于放射性物质对人体有害，加上实验周期长，操作比较繁杂，人们开始研究使用非放射性物质取代同位素来标记探针，如使用生物素和地高辛标记探针，由此建立了非放射性原位杂交技术。1989年，Delong2首次使用荧光标记寡核苷酸探针检测单个微生物细胞。从此，人们越来
8、越多地使用荧光原位杂交技术来检测环境中的微生物样品。进入20世纪90年代以后,FISH技术在方法上逐步形成了从单色向多色- FISH的发展趋势，灵敏度和分辨率也有了大幅度的提高。多色荧光原位杂交（M- FISH）的最大特点是可将多次繁琐的FISH实验和多种不同基因的定位在一次FISH实验中完成。Cremer等3用生物素和汞或氨基乙酰荧光素标记探针建立了双色FISH技术。 最近，多种标记的探针和荧光染料可以同时测多个靶序列，最新的多色FISH可同时用7种颜色进行检测。荧光染料具有不同的激发和散射波可以同时检测一个或更多微生物。FISH技术由于灵敏度高，具有较好的分辨力，实验周期短，操作安全，特别
9、是可以同时分析一种以上的探针，它将成为微生物系统发育学、微生物生态学、微生物诊断学和环境微生物学研究的有力工具，同时FISH技术本身也得到快速发展。1.2 FISH原理荧光原位杂交是利用荧光标记的特异核酸探针按照碱基互补的原则，与细胞内相应的靶DNA分子或RNA分子杂交，形成可被检测的杂交双链核酸，通过在荧光显微镜或共聚焦激光扫描仪下观察荧光信号，来确定与特异探针杂交后被染色的细胞或细胞器的形态和分布，或者是结合了荧光探针的DNA 区域或RNA 分子在染色体或其它细胞器中的定位，图1.1显示的是荧光原位杂交原理。图1.1荧光原位杂交原理图FISH技术的目标分子通常是16S rRNA，因为它在微
10、生物体内具有较高的拷贝数，分布广泛、功能稳定，而且在系统发育上具有适当的保守性。根据待测微生物体内16S rRNA中某段特异性序列，设计相应的寡核苷酸探针，就可实现对目标微生物的原位检测，而选取在分子遗传性质上保守性不同的特异序列，就可在不同水平（如属、种等） 上进行检测。目前，公共和商业数据库中已发布的16S rRNA序列逐渐增多，因此，基于16S rRNA的FISH技术的应用也越来越广泛，对环境样品中微生物的原位研究也越来越方便和准确。除16S rRNA 外，还可以23S rRNA 或mRNA 等作为研究的目标分子。1.3 FISH基本过程荧光原位杂交技术基本过程如图所示，主要包括探针制备
11、、探针标记、杂交、荧光检测与结果分析。图1.2所示的是荧光原位杂交方法标记细胞的基本流程： 图1.2荧光原位杂交方法标记细胞的基本流程1.3.1 探针制备进行荧光原位杂交试验首先需要有荧光探针。它是一段带有荧光色素的核酸序列。探针有很多种，包括：DNA探针，RNA探针，寡核苷酸探针等。每种探针的特点如表所示。表1.1各种探针优缺点4探针类型优点缺点DNA探针制备简单，放射比活性好，信号特异性强，杂交体稳定变性后才能使用，要基因克隆，穿透性差，易于退火RNA探针信号特异性强，不需变性，信噪比高，杂交体非常稳定易被降解，易吸附于器皿上，穿透性差，要做亚克隆寡核苷酸探针易制备，使用方便，穿透力强 ，
12、不用克隆，不会退火需核酸合成仪，需明确mRNA序列，杂交体不稳定，信噪比低寡核苷酸探针是一种人工合成的、根据探针靶序列的碱基顺序用化学方法合成的单链DNA，其长度为15-50个核苷酸。由于分子小，因此更容易渗透到细胞的目标区域，但也正由于分子小，限制了其所能携带的荧光基团或报告分子的数目，并最终导致杂交后荧光信号较弱。1.3.2 探针的标记对探针的标记是通过把荧光素标记的核苷酸引入探针序列来实现的，根据引入的过程不同，标记方法可分为缺口平移法、随机引物法、PCR法等；缺口平移法：基本方法是通过酶的作用在5-3核酸链上产生随机缺口，再通过酶将核苷酸添加到缺口的3端，从而把带有荧光色素的核苷酸引入
13、核酸链。随机引物法是以变性后的探针DNA链为模板，在随机引物的引导下，利用酶活性把标记核苷酸引入DNA链。PCR法是把荧光色素标记的核苷酸引入DNA链中。FISH 技术的目标分子通常是 16S rRNA，因为它在微生物体内具有较高的拷贝数，分布广泛、功能稳定，而且在系统发育上具有适当的保守性。根据待测微生物体内 16S rRNA中某段特异性序列，设计相应的寡核苷酸探针，就可实现对目标微生物的原位检测，而选取在分子遗传性质上保守性不同的特异序列，就可在不同水平（如属、种等） 上进行检测。1.3.3杂交前处理（1） 增强细胞通透性荧光原位杂交实验的程序中，如何增强细胞通透性，保证核酸探针能与目标核
14、苷酸结合是一个重要的问题。该步骤根据应用固定剂的种类，杂交样品的种类和核酸探针的长度来决定。某些固定剂能影响细胞的通透性，因此需要利用一些试剂如稀释后的酸、乙醇等进行处理。另外，使用表面活性剂对样品处理能够较好地增加细胞的通透性。（2）降低背景荧光原位杂交中背景的染色是由多种因素造成的，杂交后的洗涤能够降低背景染色。预杂交也是降低背景染色的一种有效手段，预杂交液与杂交液的不同是在于前者不含有探针。将玻片浸入到预杂交液中可达到封闭特异性杂交点的目的，从而降低背景染色。（3）变性单链的DNA/RNA探针不需要变性。双链DNA探针杂交前需要变性为单链，一种方式是样本与探针分别变性，其中双链DNA变性是在70-80条件下变性10分钟左右，然后立刻转移到冰浴中。而样本是放置在70-80的变性液中5-10分钟，用70%，85%，100%的系列乙醇脱水，吹干。另一种方式是共同变性：样本经过70%，85%，100%系列乙醇脱水快速吹干后，将探针溶液加至玻片上，盖上盖玻片，封片液封固边缘，放置在70-78的加热板上10分钟左右，然后立即转入37的湿盒中。1.3.4 杂交杂交前的一切准备工作都是为了能让荧光探针在杂交这一步骤中能够进入到细胞内，与目标核苷酸结合。杂交能否实现决定了整个实验的成败，因此，杂交是荧光原位杂交中最重要也是最关键的一步。在已经预处理好的样品上滴加杂交液，加盖盖玻片就可以完成
