第四节 非放射性标记的核酸探针
放射性标记核酸探针在使用中的限制，促使非放射性标记核酸探针的研制迅速发展，在许多方面已代替放射性标记，推动分子杂交技术的广泛应用。目前已形成两大类非放射标记核酸技术，即酶促反应标记法和化学修饰标记法。
酶促反应标记探针是用缺口平移法，随机引物法或末端加尾法等把修饰的核苷酸如生物素-11-dUTP掺入到探针DNA中，制成标记探针，敏感度高于化学修饰法，但操作程序复杂，产量低，成本高。
化学修饰法是将不同标记物用化学方法连接到DNA分子上，方法简单，成本低，适用于大量制备（>50μg）如光敏生物素标记核酸方法，不需昂贵的酶，只在光照10～20min，生物素就结合在DNA或RNA分子上。
非放射性标记核酸探针方法很多，现介绍常用的几种方法如下：
一、生物素标记核酸探针方法
生物素标记的核苷酸是最广泛使用的一种，如生物素-11-dUTP，可用缺口平移或末端加尾标记法。实验发现生物素可共价连接在嘧啶环的5位上，合成TTP或UTP的类似物。在离体条件下，这种生物素化dUTP可作为大肠杆菌多聚酶I（DNA酶I）的底物掺入带有缺口的DNA或RNA，得到生物素标记的核酸探针。这种标记方法称为缺口平移法。用标记在DNA上的生物素与链霉亲合素-酶（过氧化物酶或碱性磷酸酶）标记物进行检测。
缺口平移法标记生物素DNA探针：在硅化Eppendorf管（放入冰浴中）加下列反应液：
待标记DNA 0.1μg/μl 5μl
10×NTB 1μl
DNase I 2pg/μl 1μl
消毒三蒸水 3μl 总体积达10μl
混匀，37℃，15min。离心10000r/min 1min后，放入冰浴中，继续加入下列反应液：
dNTP(ACG)0.5μg/ml 2μl
Bio –11 –dUTP 0.5μg/ml 2μl
10×NTb 4μl
消毒三蒸水 31μl
混匀，短暂离心后，加入
DNA聚合酶I（5u/μl）1μl 总体积50μl
混匀，14℃过夜（10h以上），加入
终止液 2μl
经Sephadex –G –50柱分离，回收生物素标记DNA。
10×NTB配法：500mmol/l Tris –HCl, Ph7.5；100mol/L MgCl2；80mmol/L β-巯基乙醇，500μg/ml BSA。
终止液：0.25mol/L EDTA, 10mg/ml tRNA和10mmol/l Tris –HCl (pH7.5)。
缺口平移法标记探针少量多次标记效果较好，即每次标记DNA不超过1μ.Bio –11-dUTP要浓贮，分装，-20。C保存，反复冻融常会降解失活。Bio –11- dUTP贮存液：10mmol/L即100μg Bio-11-dUTP中加入11.6μl Bio-11 –dUTP稀释液，分装成3μl/支，-20℃保存。
地高辛-dUTP标记DNA也可按此法进行。
乙醇沉淀分离回收标记DNA比较方便，即加入5μl4mmol/l LiCl,125μl冷乙醇，混匀，-20℃放置30min,12000r/min离心5min，去上清，用70%乙醇和无水乙醇洗沉淀物，倒置离心管，晾干，用消毒三蒸水5μl溶解沉淀物（0.1μg/μl）-20。C保存。用LiCl 可较好地分离DNA和可溶性核苷酸，因为dNTPS的锂盐在乙醇中比钠盐溶解性更大。
二、光敏生物素标记核酸探针
光敏生物素有一个连接臂，一端连接生物素，另一端有芳基叠氮化合物。在可见光照射下，芳基叠氮化合物可能变成活化芳基硝基苯，很易与DNA或RNA的腺嘌呤N—7位置特异结合，大约每50个碱基结合一个生物素，所以只用于标记大于200个核苷酸的片段。光敏生物素的醋酸盐很易溶于水，与核酸形成的共价结合很稳定。此法有以下优点：方法简便易行，快速省时，不需昂贵的酶和dUTP等；只需光照，探针稳定，-20℃可保存12个月以上。适用于DNA和RNA，抗体和酶等的标记。在原位分子杂交，斑点杂交和Southern印迹杂交中应用，其特异性和灵敏性较高，价廉易购，国内已有试剂盒供应，军事医学科学院放射医学研究所马立人教授等研制和生产的光敏生物素核酸探针和检测试剂盒使用良好。
方法步骤：在一灭菌Eppendorf管中加待标记DNa 5μg/10μl，在暗室中加入5μg/5μl光敏生物素，充分混匀，插入冰浴中，置特制光源下10cm处照射20min。加入100mmol/l Tris –HCl pH9.0, 1.0mmol/L EDTA 10μl混匀。再加入等体积仲丁醇，混匀。离心1min（10000r/min）吸去上层仲丁醇，弃去。再加入仲丁醇25μl，重复提取游离的光敏生物素。吸去上层无色仲丁醇后，加入5μl 3mol/L醋酸钠，充分混匀，加入冷无水酒精100μl充分混匀，沉淀标记DNA，置-20℃过夜（或-70℃15min）15000r/min离心20min，沉淀物再用70%乙醇洗一次，离心，抽干，溶于0.1mmol/l EDTA或TE中，测定探针浓度，分装，保存于-20℃。
三、生物素-补骨脂素（Biotin -psoralen）标记法
生物素-补骨脂素是另一种生物素光敏物质，在长波长紫外线照射下与嘧啶碱基发生光化学反应，加成到DNA中，去除小分子后，得到生物素标记核酸探针。此法可标记单链或双链DNA或RNA，及寡核苷酸。灵敏度与放射性探针相当。标记方法：取DNA或片段0.5μg加50μlTE（pH8.0）缓冲液中，再加入5μlg生物素-补骨脂素，溶解后，置365nm紫外光下直接照射20min，距离5cm，加等体积TE，移入用TE平衡的Sephadex G—50 柱（高1.0cm），离心法过柱，收集液体即为Bio –DNA探针。
四、生物素-α-氨基乙酸-N-羟基琥珀标记化学修饰的DNA法
此法是在亚硫酸盐催化下，生物素酰肼可置换寡核苷酸探针中胞嘧啶上的氨基，使生物素结合到DNA分子上而制成生物素化DNA探针。此法优点是采用通用试剂和技术，检出敏感。Vicied 等人指出DNA和RNA中胞嘧啶N-4位置在亚硫酸氢盐存在下可用乙二胺连接臂修饰，此过程也可能介导C-6位的磺酸盐组分。在合适的条件下，可有3%～4%的碱基被修饰。新鲜配制亚硫酸氢钠-乙二胺混合液，两者混合液含量分别为1mol/L和3mol/l （pH6.0），加入对苯二酚，使终浓度为1mg/ml。将DNA用超声打成500～800bp长度的片段，煮沸法变性，取1份DNA与9份上述混合液混合，42℃水浴3.5h。用5mmol/L磷酸钠缓冲液（pH8.5）在40℃下充分透析，浓缩DNA，再溶于200μl 0.1mol/L磷酸钠缓冲液（pH8.5），再加入4mmol/L生物素-ε-氨基乙酸-N-羟基琥珀酰亚胺脂，室温反应2h，用含150mmol/l NaCl、1mmol/l EDTA的10mmol/L磷酸钠缓冲液（pH7.0）在40℃下充分透析，纯化，-20℃保存。
五、缺口平移法标记生物素DNA探针（二步法）
取HBV质粒DNA0.5μg,DNase I(SABC)2pg, 10×NBTμl，三蒸水补足体积至10μl，37℃，15min；加5mmol/l dATP dGTP dCTP Bio –11- dUTP各2μl，10×NBt 4μl，三蒸水补足体积至10μl,37℃，15min；三蒸水补足体积至49μl，DNA聚合酶i 5u，混匀，14℃过夜，加0.5mmol/l ED-TA(Ph8.0)1μl终止反应。
已标记探针的提纯：10mg/ml tRNA 2μl,10mmol/L Tris –HCl (pH7.5) 150μl,2.5倍体积的95%乙醇，置液氮中15min或-20℃过夜。15000r/min，离心10min，真空干燥后，溶于适量三蒸水中，即为纯化的探针，-20℃备用。
使用闭环或线性双链质粒DNA，或分离的双链DNA片段均可进行此法标记，全质粒标记敏感性较高，因为标记物可同时掺入载体DNA。
此法也可用于放射性同位素和地辛标记DNA法。
六、生物素随机引物标记探针方法
以HBV DNA为例。取HBv DNA质粒0.5μg，随机引物（Pharmacia）2μg，用TE（pH8.0）补足体积至10μl；100℃，热变性5min，骤冷10min。加10×缓冲液（500mmol/l Tris –HCl (Ph6.6),100mmol/L MgCl2, 10mmol/L β巯基乙醇），BSa 500μg/ml 5μl，5mmol/l dATP/dGTP dCTP各1μl，按不同比例加入Bio –11-Dutp,和dTTP，用三蒸水补足体积至48μl，加DNA聚合酶（SABC）8u，混匀，37℃，2h，加0.5mol/l EDTA(Ph8.0)2μl，终止反应。
在随机引物标记体系中，加入不同梯度浓度比值的Bio-11-dUTP/dTTP(%)，发现二者比值明显影响探针标记率和显色灵敏度。Bio-11-Dutp/dTTP（%）比值为35%时，其标记率最高，显色灵敏度达0.2pg，杂交灵敏度为1～2pg。二步法缺口平移标记HBv DNA探针，其灵敏度低于随机引物标记。Mackeg等（Focus,1992；14：21）证实了用随机引物标记探针具有放大的效应。随机引物中加入一定比例的dTTP，能增加HBv DNA探针的标记率和灵敏度。其灵敏度接近同位素标记探针的灵敏度。
七、异羟基洋地黄毒甙（Digoxigenin）标记核酸探针
1988年德国Boehringer Manheims公司推出了一种地高辛标记DNA检测试剂盒。先将地高辛甙元通过一手臂联接至dUTP上，用随机引物法标记DNA制成探针。平均每20～25个核苷酸中标记一个地高辛甙元，然后用抗地高辛抗体的Fab片段与碱性磷酸酶的复合物和NBt – BCIP底物显色检测，灵敏度达0.1pg DNA，因此可做1μg哺乳动物DNA中单拷贝基因分析。此种探针有高度的灵敏性和特异性，安全稳定，操作简便，可避免内源性干扰，是一种很有推广价值的非放射性标记探针。
标记方法步骤：（1）取一小离心管（0.5ml）插入冰浴中，加入待标记DNa 1μg/5μl，95℃变性10min，迅速移入盐冰中3min。加入六核苷酸引物2μl，Dig-dNTP标记物2μl和消毒双蒸水10μl、大肠杆菌DNA聚合酶i Klenow片段1μl(单位)。（2）短时离心，37℃孵育至少60min（20h以内）。（3）加入2μl 0.2mol/L EDTA溶液中止反应。再加入2.5μl 4mol/L LiCl和75μl预冷的乙醇（-20℃），放入-70℃至少30min或-20℃过夜。（4）离心（12000g）10min，弃上清，再加入70%乙醇（冷）40μl洗一次，离心，抽干，再溶于50μl TE溶液（pH8.0）中，分装，-20℃存放备用。
八、光敏2，4-二硝基苯（光敏DNP）标记DNA法
光敏DNP由一连接臂组成，一端是2，4-二硝基苯，另一端有芳基叠氮化合物。此法适用于含氨基检测基团。其敏感性和光敏生物素标记探针相同，检测时需要抗DNP抗体和免疫化学显色。标记方法：（1）DNA不心变性，必须溶于水中，取2～10μg10μl，加入二甲亚砜25μl，每微克DNA加入光敏DNp 2μg（在避光条件下），混匀。（2）置入冰浴中，在特制灯10cm下照射10min。（3）加入水165μl，4mol/L醋酸钠20μl和异丙醇50μl，混匀。（4）用705和无水乙醇沉淀各一次，晾干，按50μg/ml溶于200μl水中，如探针不溶时，可在60℃水溶中加热10min，离心5min，除去不溶性杂质，分装，-20℃可保存1～2年。此法简便，不仅适用于核酸标记，也适用于蛋白质标记。
九、三硝基苯磺酸（TNBS）标记核酸探针
在温和的条件下，TNBS将核酸的胞嘧啶转化为N-甲氧基-5，6-二氢嘧啶-6-磺酸盐衍生物，对胞嘧啶残基进行磺化修饰制成磺化半抗原探针。此法十分简便，也可用于蛋白质的标记。标记方法：取变性单链的DNA5μg，溶于0.02mol/L硼酸钠缓冲液（pH8.6）中，加入TNBS5μg溶解，在室温中反应1h。移入冰浴中，加入无水乙醇和70%乙醇各洗1次，晾干，用50μl消毒双蒸水溶解，分装，-20℃保存备用。
十、生物素化的RNA探针标记
RNA探针比cDNA探针的敏感性提高10倍以上，在许多优点。它们是单链，不需变性，也没有互补链的干扰，与靶基因杂交比DNA探针更稳定。Bio-11-dUTP可通过Sp6、T3和T7RNA聚合酶掺入到RNA转录子中。标记方法：其下列反应体积为50μl：40mmol/l Tris HCl pH8.0、8mmol/l MgCl2、2mmol/L亚精胺、25mmol/l NaCl, 1mmol/L每一ATP、GTP、GTP，1mmol/L生物素Bio-11-Dutp,500ng模板，45u T3RNA聚合酶。混合，37℃反应1h。加入10%SDS终止反应。凝胶过滤分离标记RNA探针。
十一、辣根过氧化物酶标记核酸探针法
此法标记原理如下图所示：
标记的HRP部分催化底物化学发光反应：氨基苯二甲酰肼
氨基苯二甲酸
+N2+光→X-光片上感光10～20min显定影。
光亮子在酚、萘及胺类等增强剂促进下，而使光亮增强。
这种方法就是利用特殊的酶底物，氧化后把产生的能量转变为光能放出，称为化学发光。杂交后与探针结合的酶催化相应的发光剂，经增强剂将光能放大，在X光片上显示杂交信号。此方法灵敏度与同位素标记水平相当，简便快速，安全，是一种特异性好的检测手段，具有广泛的应用前景。
HBV-DNA的HRP标记方法：质粒中插入HBV全基因组DNA，长3.2kb，载体为PBR322质粒，4.3kb。将质粒DNA用三蒸水稀释成10ng/μl，取20μl放入EP管，100℃变性5min，加入20u HRP标记试剂，混匀，加入戊二醛20μl混匀，37℃10min，此时可立即使用，或放在冰浴中10～15min内使用，或加入50%去离子甘油-20℃保存供分子杂交用，可存放6个月。
十二、用聚合酶链反应标记高活性DNA探针
聚合酶链反应（PCR）或称体外基因倍增技术，它利用一对位于待扩增的DNA序列两端的取向相对的DNA引物，在DNA聚合酶的介导下，经过多次变性，退火和延伸过程的重复性循环，大量合成靶DNA序列。在标记dNTP存在时，经PCR反应产生的靶DNA片段均参入了标记物，用此法标记的探针标记率高达97.4%。此法重复性好，简便、快速、特异、不要求模板DNA的纯度，可以大量制备。此法有普遍应用价值。
标记方法如下：待标DNA模板1ng,50mmol/L KCl, 10mmol/L Tris-HCl(pH8.4),2.5mmol/L MgCl2 dATP、dCTP、dGTP各200μmol/l dTTP150μmol/Ll,Bio-11-dUTP 50μmol./L, 引物各1μmol/L，明胶200μg/ml，2u Taq DAN聚合酶，总反应体积为100μl。混匀后，加石蜡油封顶，94℃和55℃各2min，72℃3min，经25个循环后，可产生5～10μg标记探针，需时仅4h。乙醇沉淀扩增的产物后，溶于100μl TE中，分装-20℃。