基因掃描與DNA檢測（Genetic Screening and DNA Test）

基因掃描與DNA檢測（Genetic Screening and DNA Test）
臺北市立松山高級中學生物科莊雪芳老師/國立台灣大學動物學研究所陳俊宏教授責任編輯

一種生物的基因體（genome）是指該生物染色體上所有的遺傳物質，其大小常採用鹼基對的數目來表示。蛋白質體（proteome）則是指一個基因體的全部蛋白質產物及其表現情況。許多基因經過轉錄和轉譯作用後，產生的蛋白質不只一種，其原因主要有兩點：一是單一基因在轉錄成mRNA時發生選擇性剪接，導致有不同的外顯子組合，因而產生不同的蛋白質。另一是轉譯後的蛋白質經修飾，使得蛋白質有更多不同的結構和功能，故蛋白質體比基因體要複雜多了。此外，人類基因體的 30 億個鹼基中，大約每個 100 到 300 個鹼基就可能出現一處單一核苷酸（A、T、C、G）發生變異，因而使得 DNA 序列也隨之改變，稱為單核苷酸多型性（single nucleotide polymorphism，SNP）。因此，個體間 DNA 的構造雖然非常相似，但微觀下其差異卻非常大，導致了個體間顯著的差異。人類基因體解碼後，發現不同個體間的序列極為相似，其中僅有 0.1% 的差異，此些微的差異決定了每個人的身高、膚色、體型等各方面的差異，也決定了我們的體質是否容易罹患某些疾病等不同特點。

當我們利用不同的限制酶（restriction enzyme）處理 DNA 時，由於每個人的 DNA 序列具有獨特性，所以 DNA 被切割成的片段長度不盡相同，經過電泳分析的結果也不同。此種利用限制酶處理，得到不同 DNA 片段長度的多型性，稱為限制酶片段長度多型性（Restriction fragment length polymorphisms，RFLPs）。由於每個人的 RFLPs 都不同，就像我們的指紋一樣，因此 RFLPs 又被稱為 DNA 指紋（DNA fingerprinting）。RFLPs 技術已被廣泛應用在刑事案件和遺傳疾病的鑑定上。

RFLPs 技術也可應用於基因掃描（genetic screening），檢驗胚胎、胎兒或新生兒是否患有基因異常的疾病，以便快速施用藥物治療。若親戚患有基因疾病，自身卻無症狀的人，也可藉由基因掃描來確定是否帶有突變基因或可能發展出此疾病。此外，DNA 檢測（DNA Test）是檢測基因的最精確方式，可直接分析 DNA 的突變情形。由於PCR（polymerase chain reaction）技術的成熟，DNA 檢測只需幾個細胞即可完成，適用於一個或少數個突變所造成的疾病。基因掃描與 DNA 檢測技術最常被應用於鐮刀型貧血症（sickle-cell disease）的檢驗。

鐮刀型紅血球疾病是指由鐮刀型血紅蛋白─S血紅素（hemoglobin S，HbS）所導致的一系列遺傳性疾病的總稱。鐮刀型貧血症只是其中一種，起因於β-Hemoglobin基因發生點突變，造成血紅素β在轉譯過程中第6個胺基酸由正常的穀氨酸（glutamic acid）換成纈氨酸（valine）。由於穀氨酸帶負電，而纈氨酸是電中性，使得血紅蛋白結構改變，導致紅血球內生成細長針狀物，因而造成紅血球變形，嚴重者通常會早夭，較輕微者則可生長發育。

鐮刀型貧血症的檢驗方式有兩種：一是 DNA 序列藉由 PCR 放大，經 MstII 限制酶進行切割，再跑電泳（gel electrophoresis）。正常序列被限制酶切割後，其分子量較小，跑得較遠；而不正常序列無法被限制酶切割，其分子量較大，跑得較近，因而可檢驗出是否帶有突變的基因。另一是利用人工合成兩種DNA 試紙（一為正常序列 GGACTCCTC，另一為不正常序列 GGACACCTC），來與經 PCR 放大的正常或突變 DNA 序列結合，再以顏色的變化來辨識是否帶有突變的基因。

參考資料：
1. Campbell, N. A. & Reece, J. B. (2005). Biology, 7th Ed. The Benjamin Cummings Publishing Company.
2. Sadava, D., Hillis, D. M., Heller, H. C. & Berenbaum, M. R. (2009). Life: The Science of Biology. 9th Ed. W. H. Freeman and Company.
3. Starr, C. & Taggart, R. (2006). Biology: The Unity and Diversity of Life. 11th Ed. Brooks Cole Publishing Company.