细胞化学技术（cytochemistry）-2

三、放射自显影技术

放射自显影（radioautography）是利用放射性核素（同位素）的射线作用于感光材料的卤化银晶体，产生潜影，然后通过显影过程把“像”显示出来，以研究用放射性核素标记的物质在生物体内的定位和定量的一种技术。放射自显影技术有光镜和电镜两个层次。光镜放射自显影研究同位素标记物在组织和细胞中的分布；电镜放射自显影研究同位素标记物在细胞超微结构水平上的分布。

放射自显影技术通过标记大分子的前体（precursor）来示踪大分子代谢的过程，分析它们不同时期在不同组织、细胞或细胞器中被摄取、转运、贮存及排出的动态变化，从而在不破坏组织和细胞结构的情况下了解细胞、组织和器官的代谢状态，如用放射性DNA前体3H胸腺嘧啶核苷酸标记细胞了解DNA的合成情况等。另外，也可以将放射性核素联结到能与特异大分子结合的探针上，显示特异大分子的定位和定量，如用35S标记的脱氧胞嘧啶核苷参入探针DNA分子，通过原位杂交使这一放射性探针与特异DNA或RNA分子结合，再通过放射自显影显示特异核酸分子在组织或细胞内的分布。

(一) 放射自显影技术基本原理

放射自显影技术基本原理是：将放射性核素标记的物质引入生物体或细胞，参与细胞的正常代谢过程，或联结到能与特异大分子结合的探针上，利用放射性核素放出的射线作用于核子乳胶而显像，从而达到对该放射性物质在组织或细胞内定位的目的，因此，放射性核素对核子乳胶的作用是放射自显影技术的关键。

1、核子乳胶 核子乳胶是卤化银晶体在明胶中形成的悬浮体，颗粒细小而均匀，具较好的灵敏度，能精确地测定显影颗粒的密度、离子射程和径迹的扩散。

2、放射性核素放出的射线 放射性核素在进行蜕变时主要放出三种射线，α、β、和γ射线。三种射线都能对感光材料发生作用，但情况各不相同。β射线具有较大的穿透本领和较小的电离作用，在放射自显影技术中有重要意义，在组成生物大分子的主要元素中都有发射β射线的核素如3H、32P、33P和35S等，是放射自显影的重要工具。

3、射线对核子乳胶的作用 放射自显影的过程和普通的照相过程很相似。射线作用于核子乳胶时，带电粒子和卤化银发生作用，把卤离子的一个轨道电子击出，使其成为卤原子，而被击出的电子为卤离子周围的银离子所俘获，使银离子变成银原子。这就是潜影形成的过程，再经过显影和定影，影像就呈现出来。

（二）实验方法

放射自显影的主要步骤包括：放射核素的标记、样品制备、核子乳胶膜的制备、自显影和显影及定影等。现以电镜放射自显影为例作简单介绍。

1、放射性核素标记所要研究的大分子 含有放射性核素、用来示踪大分子的物质叫作示踪化合物。要研究大分子的代谢过程，所选择的示踪化合物必须是所研究大分子的前体。方法是给动物注射示踪化合物，或对培养细胞在培养液中加入示踪化合物。要研究已合成的大分子的定位，则可以通过酶促反应令示踪化合物参入探针，再通过原位杂交反应令放射性探针与所要研究的大分子结合。

2、样品制备 电镜放射自显影中的样品制备过程与普通样品制备技术相同。

3、涂覆核子乳胶膜 在带有放射性核素的切片上覆盖一层核子乳胶膜，然后进行自显影过程。制备乳胶膜需在暗室内安全灯光下进行。制备方法包括环套法、浸涂法、平基法等。

4、自显影过程（曝光） 自显影指在无光条件（暗盒内）下让切片中放射性核素发射出来的带电粒子和乳胶中卤化银晶体作用的过程。自显影过程一般在低温（4℃）和干燥的条件下进行。

5、显影和定影 经过带电粒子作用而在核子乳胶的卤化银晶体中所产生的潜影，必须经过显影和定影才能把“像”显示出来。显影的作用是使潜影变成不稳定的影像，而定影使已显影的影像稳定下来。

6、基本实验过程

用于大分子合成过程研究的放射自显影技术：

同位素标记示踪化合物→注入动物体内→ 取下器官或组织→切片→

涂乳胶膜→自显影→显影和定影→染色→观察

用于大分子定位研究的放射自显影技术：

组织固定包埋→切片

↓

细胞化学反应→涂乳胶膜→自显影→显影和定影→染色→观察

↑

同位素标记示踪化合物

四、原位杂交技术

原位杂交技术（in situ hybridization）是以标记的核酸分子为探针，在组织细胞原位检测特异核酸分子的技术。这一技术不需要从组织细胞中提取核酸，对组织中含量极低的靶序列有很高的灵敏度，并可保持组织与细胞的结构完整，反映特异核酸分子的定位。特别是配合使用能定位特异蛋白分子的免疫细胞化学技术，就能对生理或病理条件下从DNA到mRNA到蛋白质这样一个基因表达过程进行定性和定位的分析，是基因表达研究强有力的手段。

（一）原位杂交技术的原理

原位杂交技术的原理是：使含有特异序列、经过标记的核酸单链即探针，在适宜条件下与组织细胞中的互补核酸单链即靶核酸发生杂交，再以放射自显影或免疫细胞化学方法对标记探针进行探测，从而在细胞原位显示特异的DNA或RNA分子。
1、核酸分子杂交

DNA双链分子在一定条件下可以发生变性和复性的过程。分子杂交技术利用的就是两条互补的DNA单链能够复性的性质。分子杂交是碱基互补的两条异质核酸单链在一定条件下缔合形成双链分子的过程。这一过程相当于DNA的复性，只是核酸单链的来源不同。

原位杂交技术中，以经过标记的已知核酸分子为探针，以细胞内与探针序列互补的特异核酸分子为靶分子，造成一定条件使探针与靶核酸分子在原位发生杂交，然后再对其探测。

2、探针标记

探针是经过标记的核酸分子，与待测DNA或RNA序列互补。探针主要有cDNA、RNA和寡核苷酸。

探针标记物有放射性的和非放射性的两类。常用的放射性标记物主要有35S、32P、33P和3H。非放射性标记物主要有荧光素、生物素、地高辛和溴脱氧尿嘧啶等。通常标记物被导入某个单核苷酸而形成标记分子，如四甲基罗达明-UTP、生物素-UTP、地高辛-dUTP等。然后通过各种酶促反应，如随机引物法或PCR法，使标记分子参入探针。

3、杂交

不同来源的序列互补的单链核酸分子在一定条件下借氢键相连而形成双链杂交分子的过程为杂交。杂交可发生于RNA与DNA、DNA与DNA、RNA与RNA之间。形成的双链杂交分子为杂交体（hybrids）。

4、杂交体的探测

对杂交体的探测根据探针标记物的不同而采用各种方法，目的是使标记的杂交体在光镜或电镜下可见。

⑴ 放射自显影 如果探针是同位素标记的，显示杂交反应的方法就是光镜或电镜水平的放射自显影技术。方法是在切片上涂覆核子乳胶膜后置于暗盒中于4℃自显影一段时间，然后经显影和定影后观察银离子在细胞和细胞器分布情况。

⑵ 免疫细胞化学 对于非同位素标记的探针，可根据免疫细胞化学原理用直接法或间接法将探针标记物显示出来。也就是采用那些在光镜或电镜下具有可见性的免疫细胞化学标记物来直接或间接地显示杂交探针标记物。如用地高辛标记探针杂交后，需加入碱性磷酸酶联结的抗地高辛抗体，再加入酶的底物来显示杂交体。

（二）实验方法

原位杂交技术的实验方法主要包括：标记探针的准备，组织样品制备，杂交和杂交体探测。

1.标记探针的准备 对cDNA、RNA和寡核苷酸三种探针的选择，要考虑

所要检测的靶核酸分子的性质，如cDNA 和RNA 适宜于检测mRNA分子，寡核苷酸对mRNA的杂交效率和特异性都不如RNA探针。

2.组织样品制备 光镜原位杂交标本的固定多使用4%多聚甲醛，常规石蜡包埋和切片，但在操作过程中应提防RNA酶污染。电镜原位杂交标本的固定也采用4%多聚甲醛。与免疫细胞化学技术一样，电镜水平的原位杂交可以在未经包埋的组织切片上进行，称包埋前技术；也可以在超薄切片上进行，称包埋后技术。冷冻切片能较好的保存靶核酸因而较易获得杂交信号，但对细胞结构的保存较差。

3.杂交 杂交是在一定温度和离子强度条件下让标记探针与组织中靶分子结

合的过程。杂交的效率和特异性是优化杂交条件的出发点，也是需要兼顾的两个方面。影响因素主要是探针的结构、杂交温度、杂交液中的甲酰胺浓度和离子强度、杂交后漂洗等。要通过实验对条件进行优化。

4.杂交体探测 根据探针标记物的不同采用放射自显影方法或免疫细胞化学

方法显示杂交结果。

5.基本实验过程

探针标记→纯化→(变性)

↓→涂覆乳胶→放射自显影

原位杂交→杂交体探测：→加酶联抗体→加酶底物显色

↑→金银染色

样品制备→切片→通透处理