杜思昊,李冬日,王慧君,王 起
(南方醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院,廣東 廣州 510515)
RT-qPCR技術(shù)在法醫(yī)病理學(xué)研究中的應(yīng)用
杜思昊,李冬日,王慧君,王 起
(南方醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院,廣東 廣州 510515)
實時熒光定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(reverse transcription quantitative real-time polymerase chain reaction,RT-qPCR)是一種易操作且高效率檢測組織或體液樣本中mRNA的方法,具有操作容易、敏感性高、特異性強等特點。隨著其在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,RT-qPCR技術(shù)在法醫(yī)病理學(xué)領(lǐng)域的研究也得到一定發(fā)展。本文對RT-qPCR技術(shù)在法醫(yī)病理學(xué)科研工作中的應(yīng)用價值及現(xiàn)狀進行綜述,對國內(nèi)外研究進展進行了回顧,并總結(jié)了實驗過程中的檢材提取、RT-qPCR實驗及數(shù)據(jù)處理的注意事項,以期為法醫(yī)學(xué)研究及應(yīng)用提供參考。
法醫(yī)病理學(xué);逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng);綜述;實時熒光定量
實時熒光定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(reverse transcription quantitative real-time polymerase chain reaction,RT-qPCR)是一項能高通量、高效率檢測目的基因表達水平的技術(shù)。RT-qPCR的主要操作步驟包括總RNA的提取、質(zhì)量檢查、逆轉(zhuǎn)錄、定量PCR及數(shù)據(jù)分析,其主要原理即在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下以mRNA為模板合成cDNA的一條鏈,接著在DNA聚合酶的作用下進行擴增,期間通過qPCR儀檢測熒光信號的變化情況并測定目的產(chǎn)物的含量,再根據(jù)標準曲線計算mRNA的含量或與內(nèi)參基因含量比較后計算相對含量[1]。RT-qPCR技術(shù)于1992年由日本科學(xué)家Higuchi提出[2],因其具有操作簡便、效率高、特異性強等優(yōu)點,目前被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等多個領(lǐng)域中。
根據(jù)經(jīng)典遺傳學(xué)中心法則,控制生物遺傳信息的DNA分子需要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄形成mRNA、翻譯成多肽鏈,再進一步修飾成為有生物活性的蛋白質(zhì),因此mRNA的變化早于蛋白的表達變化。目前,RT-qPCR技術(shù)在法醫(yī)病理學(xué)科研方面也獲得了一定發(fā)展。
法醫(yī)病理學(xué)是研究與法律有關(guān)的傷、病、死及死后變化的發(fā)生發(fā)展規(guī)律的一門學(xué)科[3]。其主要工作內(nèi)容即對尸體及器官組織進行檢驗,分析死亡原因,為案件的偵破提供醫(yī)學(xué)證據(jù)。其需要解決的問題包括確定死亡原因、判斷死亡方式、推斷死亡時間、推斷損傷時間、推斷和認定致傷物以及個體識別等。當(dāng)前法醫(yī)病理工作者解決上述問題主要依靠的方法手段是現(xiàn)場勘驗、尸體檢驗、組織病理學(xué)檢驗、毒(藥)物檢驗等,并綜合案情分析得出鑒定意見。而一些致傷因素(如中暑、凍死、中毒)導(dǎo)致的死亡或缺乏典型形態(tài)學(xué)改變的疾?。ㄈ缂毙孕募∪毖?、內(nèi)分泌系統(tǒng)等)導(dǎo)致猝死的鑒定,僅利用傳統(tǒng)的法醫(yī)病理學(xué)方法進行鑒定相對困難。因此,近年來國內(nèi)外學(xué)者將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用到法醫(yī)病理學(xué)工作與研究中,利用法醫(yī)尸體解剖時提取的組織和體液等進行RT-qPCR檢測來協(xié)助分析死亡原因、推斷死亡時間、損傷時間等,RT-qPCR技術(shù)正逐漸成為目前法醫(yī)病理學(xué)研究的熱點之一。
法醫(yī)病理學(xué)的首要任務(wù)即確定死亡原因,而在一些缺乏特異性形態(tài)學(xué)改變的死亡案件中,若缺乏相關(guān)案情資料,傳統(tǒng)的法醫(yī)病理學(xué)檢查方法有時難以發(fā)現(xiàn)特征性改變[3]。如在急性心肌缺血導(dǎo)致死亡的鑒定中,因缺乏典型的組織病理學(xué)改變,往往給診斷帶來困難。XUE等[4]檢測心肌中Cx43和ZO1的mRNA表達變化,結(jié)果顯示,冠心病猝死組與對照組相比,Cx43和ZO1的mRNA表達明顯降低,提示心臟性猝死者可能發(fā)生心律失常。WANG等[5]檢測肺組織中水通道蛋白-1(aquaporin-1,AQP-1)和 AQP-5的 mRNA 表達變化,發(fā)現(xiàn)AQP-5在窒息組中顯著降低,此改變可能因窒息過程中缺氧引起,有助于對窒息死亡案件進行鑒定。
由于不同案件的死亡原因、機制和過程各不相同,機體組織中分子水平變化也會隨之改變,而常規(guī)組織病理學(xué)檢驗難以發(fā)現(xiàn)這些改變,因此檢測相關(guān)mRNA的變化可以反映死亡機制和過程,輔助進行死亡原因推斷。
死亡時間也稱死后間隔時間(postmortem interval,PMI)。法醫(yī)學(xué)中推斷死亡時間具有十分重要的意義,對于分析案情、劃定偵查范圍、判斷嫌疑人作案時間均有重要價值。但是,實際工作中受個體差異、周圍環(huán)境、死后變化等各因素的影響,準確推斷死亡時間仍是法醫(yī)病理學(xué)的難點。國內(nèi)學(xué)者[6-8]用RT-qPCR技術(shù)檢測死后不同時間大鼠的腦和脾等器官中管家基因GAPDH及β-actin mRNA的水平變化,測定了管家基因在推斷死亡時間中的變化情況,并檢測了不同環(huán)境溫度及濕度下mRNA降解的時序性,為死亡時間的推斷提供了重要數(shù)據(jù)。他們的研究提示,采用管家基因作為推斷死亡時間的研究對象,可以避免選用其他基因帶來的個體差異,并且在腦、脾組織中GAPDH及β-actin mRNA穩(wěn)定性較好,可有效地用于晚期PMI的推斷。呂葉輝等[9]選取12例已知死亡時間的尸體腦組織,通過RT-qPCR技術(shù)檢測8種基因mRNA表達,結(jié)果顯示,利用β-actin mRNA表達推斷PMI的誤差率為24.6%,利用GAPDH mRNA表達推斷PMI的誤差率為41.0%。因此,β-actin mRNA變化與死亡時間相關(guān)性良好,有望成為早期PMI推斷的輔助指標。
法醫(yī)病理學(xué)上的損傷時間是指從受傷到死亡所經(jīng)歷的時間,推斷損傷時間是法醫(yī)病理學(xué)工作的難點與重點,傳統(tǒng)的推斷方法主要是依據(jù)損傷組織的大體形態(tài)和組織病理學(xué)改變。通過多種分子生物學(xué)技術(shù),可以對損傷修復(fù)過程中特征性的分子水平變化進行研究。例如,在燒傷[10]和切創(chuàng)[11]的損傷時間確定上,均采用RT-qPCR技術(shù)檢測皮膚內(nèi)的細胞因子、趨化因子等標志物。在虐童案件中,皮膚燒傷時間的確定至關(guān)重要,KUBO等[10]研究了燒傷后傷口愈合過程中13個基因表達的時間變化,發(fā)現(xiàn)細胞因子、趨化因子、增殖因子及膠原蛋白等組合能準確估計燒傷年齡。 兔的切創(chuàng)模型中,白介素 1β(interleukin-1β,IL-1β)、環(huán)氧合酶(cyclooxygenase,COX) 2 及單核細胞趨化蛋白 1(monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)mRNA在損傷前期有明顯升高,有助于切創(chuàng)早期的時間推斷[11]。國內(nèi)有學(xué)者[12-13]制作大鼠骨骼肌挫傷模型,用RT-qPCR技術(shù)檢測骨骼肌中7種候選基因在不同時間點的mRNA表達水平,顯示其表達水平均與損傷時間有關(guān);檢測挫傷組織中興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運體3(excitatory amino acid transporter 3,EAAT3)、SLC1A1 mRNA的表達,發(fā)現(xiàn)其表達在挫傷后4~8 h升高,隨后逐漸降低,直至48h接近正常水平,說明編碼結(jié)構(gòu)蛋白的基因或執(zhí)行基礎(chǔ)功能的蛋白適用于損傷時間推斷。有研究[14-17]發(fā)現(xiàn),大鼠肌肉挫傷后組織內(nèi)核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、細胞間黏附因子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)、COX6C、腺苷酸琥珀酸裂解酶(adenylosuccinate lyase,ASL)的表達呈時序性變化,有望用于損傷時間推斷。用RT-qPCR技術(shù)檢測大鼠腦挫傷模型mRNA的表達變化特點,發(fā)現(xiàn)caspase-1和caspase-3在挫傷后表達增加,可輔助診斷1h~14d的腦挫傷,而NF-κB只能輔助確定腦挫傷形成時間,但不能作為判斷腦挫傷程度的指標[18-20]。用RT-qPCR技術(shù)檢測小鼠皮膚切創(chuàng)組織的CB2R mRNA變化特點,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在小鼠皮膚切創(chuàng)愈合過程中CB2R的表達變化具有時間規(guī)律性,可為皮膚損傷時間的推斷提供參考[21-22]。除切創(chuàng)、挫傷外,也有學(xué)者[23-25]對脊髓損傷和腦組織缺血模型應(yīng)用RT-qPCR技術(shù)檢測目的基因的變化,發(fā)現(xiàn)脊髓損傷后缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)基因表達開始升高,對組織和細胞起低氧保護作用。而腦組織缺血后腦紅蛋白(neuroglobin,Ngb)mRNA的表達也呈時間依賴性變化,其表達的時序性規(guī)律有望用于法醫(yī)學(xué)損傷時間推斷。但上述研究主要集中在動物模型,人體組織的驗證較少,其法醫(yī)學(xué)價值尚需進一步挖掘。
死亡的過程和機制是法醫(yī)病理學(xué)研究的難點,利用RT-qPCR技術(shù)分析尸體組織樣本的mRNA變化來分析死亡當(dāng)時的相關(guān)分子水平情況,從而有助于推斷死亡當(dāng)時的病理生理學(xué)狀態(tài)。RT-qPCR技術(shù)可應(yīng)用于組織損傷的病理學(xué)分析、局部缺血缺氧、中毒或因中毒導(dǎo)致組織損傷部位的炎癥、對暴力或環(huán)境危害的反應(yīng)、中毒繼發(fā)的疾病等分析[26]。例如,CHEN等[27]發(fā)現(xiàn)死后肺質(zhì)量與生存時間相關(guān);ZHAO等[28]通過RT-qPCR技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)死后肺組織中葡萄糖轉(zhuǎn)運體1(glucose transporter 1,GLUT1)和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF) mRNA 表達量與存活時間相關(guān),部分說明了死亡當(dāng)時肺的病理生理學(xué)狀態(tài)。WANG等[29]利用RT-qPCR技術(shù)對肺水腫機制進行研究,發(fā)現(xiàn)中暑死亡者的肺組織中基質(zhì)金屬蛋白(matrix metallo protein,MMP)、ICAM-1、緊密連接蛋白(claudin,Cldn)5的表達均升高,而凍死者肺中只有MMP9的表達升高,提示細胞外基質(zhì)破壞、炎癥反應(yīng)、緊密連接改變等多種機制參與中暑死亡者肺水腫的發(fā)生和發(fā)展,而這些分子的變化情況也有助于中暑死亡的輔助診斷。
WANG等[30]研究損傷與肺水腫的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)AQP與MMP的mRNA變化情況在外傷與心臟性猝死組的肺組織中有明顯不同,提示不同類型外傷后肺水腫的發(fā)生和發(fā)展機制有差別;他們還研究了燒死者腦水腫的機制,發(fā)現(xiàn)AQP與MMP的mRNA變化情況與燒傷后腦水腫的發(fā)生也存在關(guān)系。CHEN等[31]用RT-qPCR技術(shù)檢測急性心肌缺血心臟組織中腦鈉肽(brain natriuretic peptide,BNP)與心房鈉尿肽(atrial natriuretic peptide,ANP)的含量變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)心臟死亡組左心室壁組織中ANP和(或)BNP mRNA的表達更高,顯示心肌鈉尿肽在心肌缺血死亡中的病理生理反應(yīng)特點。因此,檢測不同基因mRNA的表達水平,一方面可以用于分析死亡原因,另一方面也有助于加深法醫(yī)病理學(xué)工作者對死亡過程的理解。
但是RT-qPCR技術(shù)在法醫(yī)病理學(xué)中應(yīng)用依然存在局限性,目前其準確程度尚需進一步驗證。RT-qPCR技術(shù)對樣品要求比較高,但法醫(yī)病理學(xué)尸體檢材往往都存在不同程度的自溶,這也是國內(nèi)外使用RT-qPCR技術(shù)進行研究的對象主要集中于動物模型組織的原因,然而動物模型并不能完全代表人體組織檢材的特點,因此針對RT-qPCR實驗的各環(huán)節(jié),法醫(yī)病理學(xué)研究有其特殊需要注意的事項。
法醫(yī)病理學(xué)檢材由于受死后變化、個體差異、潛在疾病等因素的影響明顯,在應(yīng)用RT-qPCR技術(shù)時需要特別注意以下問題。
法醫(yī)病理學(xué)鑒定材料主要是尸體組織樣本,尸體腐敗導(dǎo)致mRNA降解。任廣睦等[8]對死后不同時間段大鼠腦組織中的GAPDH mRNA進行檢測,顯示不同腦區(qū)神經(jīng)組織的GAPDH mRNA表達均與死后經(jīng)過時間(死后即刻、1 d、5 d、9 d、12 d)有相關(guān)性;但不同腦區(qū)的mRNA降解速率不同。人體和動物試驗可能存在差異,呂葉輝等[9]對早期死亡的人體腦組織內(nèi)參基因的RNA進行檢測,顯示5S rRNA、miR-9和miR-125b等表達穩(wěn)定,而GAPDH的誤差率較高,可能與死后變化有關(guān)。VAN DEN BERGE等[32]對81例埋藏4~42年的尸體進行不同器官的DNA與RNA分析,發(fā)現(xiàn)DNA和RNA分子均能夠保持較穩(wěn)定的狀態(tài),其中大腦和心臟組織中RNA最為穩(wěn)定,這一結(jié)果表明,即使是埋藏時間較長的尸體,也有可能進行分子病理學(xué)分析。
提取檢材時應(yīng)考慮后期檢測的需要,盡量多留取。選取對照組時應(yīng)注意詳細審查案情及病歷資料,選取無潛在疾病或藥物干擾的案例。解剖中提取檢材應(yīng)使用潔凈、無污染的器械,提取目標組織樣本,大小不超過0.5cm×0.5cm,需要加入適量組織保存液進行RNA保護[33]。目前常用的組織保存液為RNA later,研究表明RNA later具有更好的保護作用,優(yōu)于冷凍法[33]。
從檢材中提取出高純度、完整的RNA是RT-qPCR的前提。最常用的RNA提取方法包括Trizol抽提加乙醇沉淀法和試劑盒硅膠膜離心柱法[34-35]。Trizol抽提加乙醇沉淀法可以保留比較完整的RNA分子,但是步驟繁多,容易污染,影響純度;試劑盒硅膠膜離心柱法往往只能留存大分子量的RNA,200nt以下的小分子量RNA容易被漏掉[36]。提取RNA最重要的指標包括濃度、純度和完整度[37]。濃度、純度的控制均按照RT-qPCR實驗的常規(guī)要求;而RNA分子完整性指對RNA進行毛細管電泳時,以軟件中的RNA完整性計數(shù)(RNA integrity number,RIN)進行評估[37]。 在尸體組織樣本中,RIN往往較低,由于RT-qPCR實驗十分靈敏,有少量合格的RNA也可以檢出。
目前最常用于mRNA檢測的熒光技術(shù)是SYBR?Green I和 TaqMan?探針[38-39]。 SYBR?Green I探針需要進行引物設(shè)計、合成、摸索PCR條件等,比較經(jīng)濟實惠;TaqMan?探針操作條件均已得到優(yōu)化,簡便易行,且結(jié)果穩(wěn)定,但價格較貴。在使用SYBR?Green I法進行檢測時,還需要注意溶解曲線的意義及形狀。
比較檢材中mRNA的表達差異有絕對定量與相對定量兩種方法。絕對定量即僅依賴Ct值,不考慮擴增效率對結(jié)果的影響。有研究[40-41]發(fā)現(xiàn),不同樣本的RNA組成不同,個體的逆轉(zhuǎn)錄抑制物差異造成擴增效率不足100%,因此應(yīng)慎重使用絕對定量。相對定量即使用內(nèi)參基因使結(jié)果標準化,從而消除非生物學(xué)變化對結(jié)果的影響。但傳統(tǒng)的內(nèi)參基因并不一定適用于所有的實驗條件,KOPPELKAMM等[42]的研究指出,人體死后組織的內(nèi)參基因建議至少選擇4個以供篩選。WANG等[43]對幾種不同內(nèi)參在尸體材料中表達的情況做過相關(guān)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),實驗中傳統(tǒng)內(nèi)參基因在法醫(yī)病理學(xué)研究中并不完全適用,須使用多個內(nèi)參基因以提高數(shù)據(jù)分析的準確性。在一項燒傷后腦水腫的分子病理學(xué)研究[29]中,使用不同的內(nèi)參基因進行相對定量,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用GAPDH或B2M作為內(nèi)參時,AQP和MMP的mRNA水平在燒傷組與對照組中有不同的結(jié)果。XUE等[4]研究發(fā)現(xiàn),選用傳統(tǒng)的管家基因GAPDH或ACTB與多選擇的幾個管家基因(EEF1A1、PPIA、TPT1和RPL13A)對心肌組織目的基因進行相對定量的結(jié)果也不同。DU等[44]在對甲基苯丙胺中毒死亡尸體組織進行研究,檢測了腦中不同內(nèi)參基因的穩(wěn)定性,結(jié)果RPL13A、YWHAZ和GUSB用于肺組織的內(nèi)參定量更為穩(wěn)定。因此,尸體檢材用于RT-qPCR時,應(yīng)對不同的器官組織進行內(nèi)參基因的篩選,避免單個內(nèi)參基因造成的相對定量誤差,考慮到時間和效率,建議選取3~4個內(nèi)參基因為宜。
準確定量mRNA的表達豐度不僅需要高靈敏性的檢測方法,而且還需要精確的數(shù)據(jù)分析方法。內(nèi)參的選擇對目的基因的表達矯正具有重要意義。
當(dāng)前國內(nèi)外法醫(yī)病理學(xué)者使用RT-qPCR技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域依然是mRNA的表達分析,近年來也有學(xué)者開始利用RT-qPCR技術(shù)檢測非編碼RNA(noncoding RNA,ncRNA)。李文燦等[45]檢測了大鼠心肌組織中的microRNA、18S rRNA的降解和死亡時間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)microRNA可能與尸體腐敗導(dǎo)致的降解相關(guān),但在死亡早期(死后120 h)內(nèi)microRNA-1-2含量保持穩(wěn)定,提示死亡早期可以作為一個穩(wěn)定的內(nèi)參指標反映其他生物學(xué)標志物的變化。陳維忠[46]研究了創(chuàng)傷性腦損傷后,大鼠海馬組織microRNA的表達變化與認知功能障礙的相關(guān)性,結(jié)果傷后海馬microRNA表達與P300變化存在一定相關(guān)性,microRNA可能在腦損傷后遺留的認知功能障礙中發(fā)揮調(diào)控作用。有報道[47-50]發(fā)現(xiàn),不同體液中microRNA的表達特異性也有差異,但是研究體液中microRNA的數(shù)量有限,而且采用不同的檢測方法和分析模型,導(dǎo)致研究的結(jié)果不一致,重復(fù)性差。這些問題可以通過建立復(fù)合檢測體系來解決。隨著RT-qPCR技術(shù)的推廣,相信未來mRNA和ncRNA在法醫(yī)病理學(xué)中的應(yīng)用會更加廣泛。
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2016-11-07)
(本文編輯:黃 平)
Application of RT-qPCR in the Study of Forensic Pathology
DU Si-hao,LI Dong-ri,WANG Hui-jun,WANG Qi
(School of Forensic Medicine,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China)
Reverse transcription quantitative real-time polymerase chain reaction (RT-qPCR) is a convenient and highly efficient method for the detection of mRNA in tissues or body fluid samples.It has the characteristics of easy operation,high sensitivity and specificity,etc.With a wide application in medicine,biology and other fields,RT-qPCR technique has made some progresses in the research field of forensic pathology.This paper reviews the application value of RT-qPCR in the study of forensic pathology and current situation,as well as the research progress at home and abroad reviews.It also summarizes the notes of samples extraction,RT-qPCR experiments and data processing,which aims to provide reference for the forensic research and its application.
forensic pathology;reverse transcriptase polymerase chain reaction;review;real-time quantification
DF795.2
A
10.3969/j.issn.1004-5619.2017.05.017
1004-5619(2017)05-0526-06
國家自然科學(xué)基金資助項目(81401556);廣東省自然科學(xué)基金資助項目(2014A030310293)
杜思昊(1992—),男,博士,主要從事法醫(yī)病理學(xué)科研、鑒定;E-mail:sihaodu@foxmail.com
王起,男,博士,副教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要從事法醫(yī)學(xué)教學(xué)、科研和鑒定;E-mail:wangqi_legmed@126.com