环介导等温扩增技术在单核苷酸多态性检测中的应用

李 森，王源升，余红伟，李 瑜

(1．海军工程大学舰船工程系，湖北 武汉 430033；2．海军工程大学理学院，湖北 武汉 430033)

环介导等温扩增技术在单核苷酸多态性检测中的应用

李 森1，王源升2*，余红伟2，李 瑜2

(1．海军工程大学舰船工程系，湖北 武汉 430033；2．海军工程大学理学院，湖北 武汉 430033)

单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNP)是一种最常见的基因序列差异，在人类基因组序列中大约每一千个碱基就会出现一次。SNP基因分型检测方法在遗传疾病、疾病易感性和药理学指示物的相关基因识别的研究中有着重要的应用。环介导等温扩增(LAMP)技术是一种新型的核酸放大扩增技术，LAMP-SNP技术就是在同一反应体系中通过设计针对不同SNP基因的特异性引物，从而实现对SNP基因分型的检测。结合LAMP技术的优势，对其在SNP检测领域的应用进行了综述。

环介导等温扩增；快速检测；单核苷酸多态性

1 单核苷酸多态性的定义及其研究意义

人类基因组DNA序列的差异导致了个体之间的性状差异，包括发生疾病可能性的差异[1-2]。单核苷酸多态性(singlenucleotidepolymorphisms，SNP)是一种最常见的基因序列差异，在人类基因组序列中大约每一千个碱基就会出现一次[3]。SNP分型检测方法在遗传疾病和药物代谢相关基因识别的大规模研究和POCT(point-of-caretesting)中有重要应用[4]。

根据SNP发生基因位点的不同，在表型水平上也会产生不同的后果，SNP的这些特征常被用于常规分析诊断。在编码区域发生的SNP会引起控制蛋白结构和功能正常表达的基因的改变，这也是大部分隐性和显性遗传病发生的一个最重要的诱因[5]。然而大多数的SNP发生在非编码区基因组，对个体的基因表型并没有直接的影响。

SNP的另一个重要作用是改变涉及药物代谢的蛋白质的一级结构，因此，SNP不仅可以作为致病基因定位的标记物，还可以用于药物基因组学的研究[6-8]。对于一些临床研究中的药物，相同剂量的药物针对不同基因型的患者常常会产生药物反应的个体差异。如果一个人的基因信息在用药之前就进行了识别诊断，接下来的治疗就可以进行安全有效的个性化用药，从而降低毒副作用发生的风险[7]。此外，对于一些常见疾病，个体之间存在明显差异，而位于基因调控区域的SNP可能会影响到人体常见疾病的易感性[9-10]。

SNP在基因缺陷疾病诊断和大量SNP识别方面的进展可以推动大规模SNP检测新技术的建立。通过了解基因组级别的遗传变异和生物功能之间的关系，可以为人类及其它物种的生物学、进化理论和病理生理学提供新的认识[11]。因此，发展一种高通量、精准廉价的SNP基因分型检测新方法对于充分了解基因序列差异的机理是十分迫切的。

2 单核苷酸多态性的检测方法

由于SNP数量庞大，常常来自于一个碱基位点的突变，在6×109个人体二倍体染色体基因组中去识别一个错配碱基是一项艰巨的任务，因此需要发展一种高特异性、高精度的高通量自动化检测手段。传统的SNP检测方法通常借助于三代测序技术、凝胶电泳或MALDI-TOF质谱(matrix-associated laser desorption time-of-flight mass spectrometry)，分析周期长、耗费较高、操作程序复杂[12-17]。

现行的SNP检测方法分为以杂交技术为基础的分型方法和以酶应用为基础的分型方法。PCR技术的出现使得对SNP基因分型进行大规模有效的分析成为可能[18-19]。之后，PCR技术被发展用于SNP的等位基因特异性放大和基因分型检测。早期SNP基因分型的PCR产物分析多是基于斑点印迹法的等位基因特异性探针杂交(allele specific oligonucleotide hybridization，ASO)技术[15，20]。利用杂交探针或者PCR引物的ASO方法是PCR基因分型检测的基础，在本质上也是相同的，因为都不需要单独的分离步骤，而且可以实现实时监测[21]。ASO方法虽然可以实现SNP的检测，但是ASO探针和含有SNP位点的目标序列的杂交不仅需要严格控制实验条件，还需要考虑反应所产生的二级结构等影响因素。由于这些实验参数必须分别适应不同的SNP分型实验，因此对于所有种类的SNP基因分型不可能建立一整套全部适用的反应条件，这使得基于ASO的多重目标SNP检测几乎不可能实现。因此，对于ASO来说，反应条件或者探针的杂交程度都会影响到同一SNP等位基因的区分。

为了提高SNP检测的效率和精度，DNA连接酶和聚合酶被引入了基因分型的固相分析检测[22-25]。与ASO方法相比，酶辅助的方法可以与多种分析检测策略相结合，提供更加精准的SNP基因检测平台。常见的酶辅助方法包括连接酶反应、单核苷酸引物延伸、酶切反应等。

在进行SNP基因分型实验之前，二倍体基因组的SNP基因分型方法都需要对基因组区域进行PCR放大扩增。PCR可以为区分大量复杂的纯合子和杂合子基因分型提供所需的灵敏度和特异性。当需要对多个SNP进行检测时，多重PCR体系需对超过10个目标DNA片段进行扩增，由于大量非特异性扩增产物的生成，SNP检测往往难以进行。因此，进行多重PCR反应的引物设计是制约当前SNP基因分型高通量检测的重要因素[26]。DNA芯片就是将大量的探针固定在玻璃或硅体材料表面的装置，DNA芯片技术已经成为多重SNP基因分型检测的常用方法。但是当前的DNA芯片技术往往需要大量复杂的荧光标记，因此只是用于实验室的研究分析阶段。

近年迅速发展起来的环介导等温扩增(loop-mediated isothermal amplification，LAMP)技术根据目标基因序列的特异性识别区域设计了2～3对引物，只有当引物与靶基因序列完全一一互补配对时，杂交双链在核酸聚合酶的作用下进行碱基序列的延伸与配对，扩增循环才得以继续进行，这种反应的高特异性足以识别单个碱基位点的突变。由于LAMP技术在自动化操作和检测速度等方面要优于传统方法，使用LAMP技术可以实现快速简便、廉价高效的SNP检测。

3 环介导等温扩增技术的原理

LAMP是一种新型的核酸信号放大扩增技术，是由日本荣研公司研究人员发明的[27]。和传统的PCR方法相比，LAMP引物可以识别靶基因序列上的6个特异性区域。内引物FIP由F1c和F2区域构成，F2区域和靶基因序列的F2c区域完美互补；BIP由B1c和B2组成，B2区域与靶基因的B2c区域完美互补。内引物与靶基因的响应区域杂交结合后，在Bst聚合酶的作用下开始链的合成，由此触发LAMP反应。接下来，外引物F3/B3分别与F3c和B3c结合，各自合成出一条单链进而置换出内引物合成的两条单链。由于这两条链的5′端各自有互补的区域，因此各自会形成一个环状结构。随后在另一条外引物的作用下，另一端也形成一个环状结构，由此形成了LAMP反应的初始哑铃结构[28]。

通过利用自身结构作为模板，以3′端的F1区域作为起点，内引物的F1c区域与哑铃结构的F1区域结合，F2区域和F2c区域结合，由此触发循环链置换放大扩增反应；同样BIP与哑铃结构的另一端茎环结构的B2c区域互补，启动下一轮放大扩增。由此周而复始，至LAMP反应结束，扩增体系里产生了大量由相同特异性序列的反向重复片段组成的DNA片段混合物。 除了4条内引物外，环引物的加入可以加快反应的扩增速率，但并不是LAMP反应所必需的[29]。LAMP的扩增效率使得扩增产物在15～60 min就可以达到初始模板量的1×109～1×1010倍[30]。

LAMP扩增产物是大小长短不一的重复序列，因此利用琼脂糖凝胶电泳分析成像可以观察到大小不同的阶梯条带。而产物的终点检测还可以通过加入Sybr Green Ⅰ、HNB等核酸染料来进行观察。由于目标序列的扩增过程中会产生大量的焦磷酸根，与LAMP反应体系中的镁离子结合，形成了扩增反应的副产物焦磷酸镁沉淀[31]，通过观察是否有白色沉淀产生就可以判断扩增反应发生与否。荣研公司基于此原理发明了浊度仪，从而实现了LAMP反应的实时检测。除此之外，基于生物发光技术、双链嵌入式荧光染料和荧光修饰探针等技术都可以实现实时LAMP检测[32]。

4 环介导等温扩增技术在SNP基因分型检测中的应用

LAMP技术对于SNP基因分型的检测常常借助于特异性识别引物。在进行LAMP的引物设计时，就需要在上下游内引物的序列中插入SNP识别位点，待检测目标序列是野生型时，引物与目标DNA的靶序列互补结合，在DNA聚合酶的作用下开始了链的合成，由此触发了靶基因序列的循环扩增反应；相反，当靶基因是突变型 (MUT)等位基因时，由于引物与靶基因序列不能完全互补，循环扩增的起始哑铃结构不能形成，LAMP循环扩增无法进行下去。扩增反应的高特异性使得只需将基因组DNA、DNA聚合酶和荧光染料等加入同一扩增反应体系，通过实时荧光检测或者可视化检测，就能实现SNP基因分型检测。

4.1 LAMP-SNP法在植物育种中的应用

分子标记技术在植物育种中的一个长期应用就是直接在DNA水平选出具有最优性状的个体。分子标记辅助选种技术的高效率可以减少选育所需植物的数量规模，因此分子标记辅助育种显示出了优于传统表型筛选的明显优势。

甜瓜是一种相对容易腐烂的肉质果实，在甜瓜的选种中，保质期是重要的参考因素，它与运输能力、贮藏特性和果实品质密切相关。Touyama等[33]从与甜瓜保质期相关的SNP基因分型中发展了一种酶切扩增多态性序列(cleaved amplified polymorphic sequences，CAPS)标记物C2。无论是长保质期系品种(O-3)和短保质期系品种(Nat-2)，C2引物都产生了一段单一的838 bp的片段(命名为C2片段)。长保质期系O-3在255碱基和384碱基处有一个AluⅠ识别位点，包含了C2片段，在酶切后产生了长度为255 bp、129 bp和454 bp的片段。短保质期系Nat-2在255碱基、299碱基和384碱基处各有一个AluⅠ酶切识别位点，在酶切后产生了长度为255 bp、129 bp和454 bp的片段。

虽然CAPS标记方法的检测结果是准确可靠的，但是在PCR扩增之后CAPS需要再进行大量的额外工作，有时还需要较为困难的处理步骤[34]。另外，CAPS并不便于实现自动化，不仅需要进行限制性内切酶处理，而且标记物的检测还需要进行凝胶电泳分析。而LAMP反应对于DNA模板的扩增是一种非常高效和特异性的方法。与传统的等位特异性PCR检测相比，LAMP可以在恒温条件下完成对核酸的扩增，而且这种方法使用了4条引物用于识别模板DNA上的6个区域。此外，扩增产生的焦磷酸镁白色沉淀还可以实现可视化检测。

Fukuta等[35]利用LAMP技术对影响甜瓜保质期的SNP基因进行了筛选。通过插入一段CAPS标记物C2来对甜瓜的保质期进行研究。来自长保质期系O-3和短保质期系Nat-2的CAPS-PCR片段被克隆进入LAMP的引物之中。根据C2片段的序列设计了LAMP反应所需的引物，长保质期和短保质期引物的差异在于SNP位点的不同。在对长保质期的SNP基因检测中，长保质期系O-3及其第一代F1、纯合和杂合F2代作为模板，在反应40 min后发现反应体系的浊度明显增加。而在对短保质期品种的检测中，短保质期系Nat-2及其F1代、纯合和杂合F2代作为模板，在40 min后发现浊度明显增加，而长保质期系O-3及其第一代F1、纯合和杂合F2代的DNA模板在反应90 min后也没有出现浑浊。同时本研究通过对CAPS标记物和LAMP标记物检测数据的拟合，发现所有的基因分型数据都是一致的。因此，证明LAMP方法可以用于SNP的辅助标记选择。

4.2 LAMP-SNP法在疾病易感性和药物基因组学方面的应用

在所有的基因序列差异中，SNP是基因组序列差异中最重要和常见的形式。SNP常常影响到人体的疾病易感性和药物反应的个体差异。通过使用电化学活性物质，6种与类风湿性关节炎相关的SNP基因缺陷可以通过电化学DNA芯片和LAMP技术得到检测[36]。人体的基因组DNA从血液中提取出来，含有这6种SNP基因缺陷的目标物通过LAMP反应得到放大扩增。整个检测过程只需要2 h，操作方便简单，因此，有望用于SNP基因分型的个性化药物研究。

SNP不仅可以作为致病基因研究的标记物，还可以用于药物基因组学的研究。对药物敏感的CYP2C19基因是细胞色素P450基因家族的一个成员，参与药物代谢和显示多态性。经证实，等位基因CYP2C19m2 和CYP2C19m3 与日本人代谢缺乏症患者群体分布密切相关[37]。奥美拉唑是CYP2C19基因产物代谢的抑制剂，用于治疗幽门螺旋杆菌感染。研究表明，感染幽门螺旋杆菌的代谢缺乏症患者服用奥美拉唑的治疗效果往往比强代谢者的效果更好[38]。因此，对于个性医疗护理来说，一种简便有效的药物代谢SNP分型技术是十分必要的，研究者针对CYP2C19基因发展了一种基于LAMP的SNP分型方法[39]。在进行LAMP引物设计时，错配的位点位于F1c和B1的共有碱基上，在内引物FIP和BIP的相应位置也设置了突变位点。当DNA模板中存在错配时，野生型引物和突变型引物就无法形成双哑铃结构，由此无法触发循环扩增反应。当DNA模板中不存在错配时，野生型引物与模板结合之后，触发了链置换循环放大扩增反应，同样BIP与哑铃结构的另一端茎环结构的B2C区域互补，启动了下一轮的放大扩增。而当突变型引物与模板结合后，由于3′端无法互补形成双哑铃结构，由此终止了下一轮扩增反应。

基于LAMP的SNP基因分型检测全程在恒温下反应，反应结果还可以进行可视化检测，不需要进行大量的荧光标记和复杂的热循环仪器，因此，在SNP基因分型检测中得到广泛应用。

SNP分型技术依然是药物研发和医疗应用中的一个瓶颈，而目前使用的SNP基因分型技术几乎毫无例外都是分两步进行：第一步，目标序列的放大扩增；第二步，SNP的检测。虽然现行的技术比较成熟，但是为了缩短反应时间和精简检测步骤，亟须发展一种新型的一步法检测手段，也就是说扩增产物本身就可以产生SNP的检测信号。研发这样一种技术的关键是要抑制扩增反应的背景信号，比如对于等位基因特异性PCR来说，引物是针对SNP错配位点设计的，但是非目标扩增产物也得到了成倍的放大扩增，产生了较强的背景信号。

Mitani等[40]在LAMP技术优化改进的基础上建立了一种新型快捷的SNP基因分型检测方法SMAP 2 (smart amplification process version 2)。虽然野生型引物和野生型基因位点的杂交促进了扩增反应的进行，但是野生型LAMP引物设计时在靠近3′端常常会产生包含SNP位点的错配。事实上，非目标扩增常常发生在使用野生型识别引物的错配位点上，这种错配扩增往往产生了含有SNP错配碱基对的双链DNA。因此，在SMAP 2技术中，事先往LAMP反应体系中加入了TaqMutS(ThermusaquaticusMutS)蛋白。当目标序列存在错配时，TaqMutS蛋白的加入会抑制核酸扩增延伸的进程，除此之外，构建引物时采用的不对称茎环结构避免了非特异性扩增的发生，抑制了扩增反应的背景信号，保证了LAMP扩增检测体系的特异性和灵敏度。

5 结语

LAMP技术以其方便快捷、简便高效、特异性强以及扩增产物检测方便的特点，近年来得到了广泛应用。LAMP-SNP技术在传统LAMP技术的基础上，实现了在同一体系中对SNP基因缺陷的筛选检测。

随着与微流控技术、芯片实验室和毛细管实验室等微型实验室技术的结合，LAMP的反应体系也越来越微型化和自动化[24-25]。由于微型实验室技术在加样、样本提取、反应体系构建等方面的优良特性，为LAMP技术提供了优良的技术支撑，未来LAMP-SNP技术也将朝着更少的试剂消耗、更多的样本加载和更低的检测限的方向发展，在一定程度上也将大大降低非特异性扩增和核酸污染的几率。以LAMP技术为基础的SNP基因分型检测方法将有着更高的可靠性及更广阔的应用前景。

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版权声明

《化学与生物工程》编辑部

Application of Loop-Mediated Isothermal Amplification in Detection of Single Nucleotide Polymorphisms

LI Sen1，WANG Yuan-sheng2*，YU Hong-wei2，LI Yu2

(1.DepartmentofNavalArchitectureEngineering,NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China；2.CollegeofScience，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China)

Singlenucleotidepolymorphisms(SNP)，themostcommonformofsequencevariationinthegene，occuraboutat1outofevery1 000basesinthehumangenomesequence.ThereareimportantapplicationsforSNPgenetypingmethodintherelatedgeneidentificationresearchesofgeneticdiseases，diseasesusceptibilityandpharmacogeneticindicator.Loop-mediatedisothermalamplification(LAMP)isanewtypeofnucleicacidamplificationtechnology.LAMP-SNPtechnologyistodesignthespecificprimersaccordingtodifferentSNPgenesinthesamereactionsystemtorealizethedetectionofSNPgenetyping.CombiningwiththeadvantagesofLAMPtechnology，theapplicationofLAMPtechnologyintheSNPdetectionfieldisreviewed.

loop-mediatedisothermalamplification(LAMP);rapiddetection;singlenucleotidepolymorphisms(SNP)

总装备部武器装备预研项目(9140A26030214JB11418)

2016-11-15

李森(1989-)，男，河南南阳人，博士研究生，研究方向：生物传感器，E-mail：qianxun8965@163.com；通讯作者：王源升，教授，博士生导师。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.001

Q81

A

1672-5425(2017)03-0001-06

国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，本刊已被《中国学术期刊

总库》及CNKI系列数据库、《万方数据——数字化期刊群》、《中文科技期刊数据库(全文版)》、《台湾华艺数据库》等收录。如作者不同意论文被收录，请在来稿时向本刊声明，本刊将作适当处理。

李森，王源升，余红伟，等.环介导等温扩增技术在单核苷酸多态性检测中的应用[J].化学与生物工程，2017，34(3)：1-6.