第七章基因芯片技术11
基因芯片技术简介
基因芯片技术简介引言随着基因组学的快速发展，基因芯片技术作为一种高通量、高效率的基因表达分析方法，越来越受到科学家们的关注和广泛应用。
本文将介绍基因芯片技术的定义、原理、应用领域以及发展趋势。
定义基因芯片技术，又称DNA芯片技术，是利用半导体芯片上固定携带有特定DNA序列或cDNA序列的探针，通过杂交技术测定样本中的基因表达水平的一种新兴技术。
它通过将大量DNA序列固定在芯片表面上，可以同时检测成千上万个基因的表达水平，从而实现了高通量、高灵敏度、高速度的基因表达分析。
基因芯片技术的原理主要包括芯片设计、样本处理、杂交和信号检测四个步骤。
芯片设计芯片设计是基因芯片技术的核心环节。
通过将感兴趣的DNA序列打印到芯片表面上，实现对这些DNA序列的同时检测。
芯片设计要考虑到实验的目的、样本来源、携带探针的芯片类型等因素。
样本处理样本处理是基因芯片技术中非常重要的一步。
首先，需要提取样本中的RNA，并转录成cDNA。
然后，对cDNA进行标记，常见的方法是采用荧光标记。
标记完成后，将标记的cDNA与芯片上的探针进行杂交。
杂交是将标记的cDNA与芯片上的DNA探针进行特异性结合的过程。
通过杂交反应，可以使标记的cDNA与芯片上的探针发生碱基配对，从而检测基因表达水平。
信号检测信号检测是基因芯片技术的最后一步。
常见的检测方法包括荧光扫描、激光检测和图像分析等。
这些方法可以量化样本中的基因表达水平，并生成可视化的热图或散点图，以方便科学家对数据进行分析和解读。
应用领域基因芯片技术在生物学、医学和农业等领域具有广泛的应用。
生物学研究基因芯片技术的高通量性能使其成为生物学研究的重要工具。
研究人员可以通过基因芯片技术分析不同组织、不同时间点或不同个体中的基因表达变化，探究基因在生物体发育、疾病发展等过程中的功能。
医学诊断基因芯片技术在医学诊断中有着重要的应用价值。
通过分析患者样本中的基因表达谱，可以为医生提供辅助诊断和治疗的信息。
基因芯片技术及其应用
基因芯片技术及其应用随着生物学、生命科学的发展，基因芯片技术越来越受到关注。
基因芯片又称为DNA芯片，是一种利用微阵列技术来检测基因表达水平的高通量方法。
基因芯片技术的发展带来了许多应用领域的新成果，包括疾病预测、药物研发等。
本文将介绍基因芯片技术及其应用。
一、基因芯片技术的原理基因芯片技术是一种高通量的生物技术，它利用微阵列生物芯片来检测基因表达的水平。
这种技术利用了DNA分子的特异性与完整性，它可以在任何生物样品中高效地检测出其蛋白质表达水平和基因组变异情况。
基因芯片技术的工作原理基于蛋白质表达水平与基因组变异情况的探测。
首先，需要将基因DNA序列通过逆转录过程转换成mRNA序列，进而使用荧光标记标记mRNA序列。
接下来将标记好的mRNA序列通过微阵列技术固定到芯片上，并使用高通量扫描技术来观察标记后荧光强度的变化程度。
荧光值越高，则说明该基因表达水平越高。
基因芯片技术不仅可以检测基因表达水平，还可以检测基因序列的变异情况，用于了解某种疾病或细胞状态的基因组变化情况。
比如，可以用这种技术针对某种疾病相关的单核苷酸多态性位点检测基因变异情况。
二、基因芯片技术的应用1. 癌症筛查基因芯片技术可用于癌症筛查，将肿瘤组织中的RNA与正常细胞组织的RNA进行比较，寻找表达水平具有显著差别的基因，进而确定这些基因是否与癌症发展相关。
利用这种方法可以更加准确地判断某个癌症的种类、发展程度等。
2. 个性化药物设计基因芯片技术可用于个性化药物设计，通过基因芯片可以确定某个病人，是否会对某种药物产生不良反应，从而确定是否使用该药物。
同时，可以利用基因芯片技术根据病人的基因组变异情况，设计出一种更加适合该病人的药物。
3. 遗传疾病筛查基因芯片技术可用于遗传疾病筛查，利用基因芯片技术可以检测出某些基因的表达水平是否异常，从而确定在某些疾病中，基因的表达水平是否存在异常。
4. 农业和环保应用基因芯片技术不仅可以应用在医学领域，还可以应用于农业和环保领域，例如种植业、畜牧业、水产养殖业等。
基因芯片技术的原理和发展
基因芯片技术的原理和发展随着科技的不断发展，人们对于基因的研究也越来越深入，基因芯片技术作为一种迅速发展的生物技术，具有重要的理论意义和实践价值。
基因芯片技术是一种高通量和高标准化的分子生物学技术，可以用于基因表达、基因变异、蛋白质量、DNA甲基化等领域的研究。
1. 基因芯片技术的原理基因芯片技术是将DNA分子、RNA分子或蛋白质分子等多样化的生物大分子分子序列固定在一块小小的玻璃片或硅片上，然后利用微量的核酸或蛋白质的杂交反应来检测样品中这些生物大分子的存在或相对数量。
这些生物大分子的浓度水平可以用来衡量基因的表达情况、基因变异、蛋白质相互作用等生物学过程。
具体操作过程包括：1.1 表达谱芯片表达谱芯片是一种测量运用基因芯片技术研究基因表达的方法。
在表达谱芯片上可以固定多种类型的DNA序列，例如真核细胞DNA片段，互补DNA片段、探针、引物等。
对于鉴定被检测样品的物种，应选择特异而高丰度的探针或引物。
通过部分或大量存储的文献或数据库，研究人员首先确定所需的目标基因，然后通过设计合适的核酸杂交探针，将所需目标基因的序列在探针区域进行固定。
1.2 基因组芯片基因组芯片是一种利用基因芯片技术直接测量基因组中DNA 分子存在量的方法。
基因组芯片和其他一些技术类似，通常分三部分作用：建立样品库，设计并制备基因组芯片，通过基因芯片技术来测量DNA分子的存在量。
2. 基因芯片技术的发展基因芯片技术是一种非常年轻的生物技术，近年来其不断得到完善和发展，具有日益广泛的应用前景。
2.1 应用于生物医学基因芯片技术在生物医学领域得到广泛的应用，其中最具有代表性的应用是基因诊断和基因治疗。
通过基因芯片技术，可以对特定基因的表达情况和蛋白质质量进行分析和检测，为许多临床诊疗和治疗提供了关键方法。
2.2 应用于生态环境基因芯片技术也可以用于生态环境监测，特别是对于环境中的有害生物及其基因信息的监测。
基因芯片技术可以通过绿色监测来减轻生态环境对生物生态的影响。
《基因芯片技术》课件
STEP 02
公平性问题
基因信息属于个人隐私， 如何在科学研究与隐私保 护之间取得平衡是一个重 要问题。
STEP 03
误用风险
基因芯片技术可能被误用 于基因决定论或种族歧视 等不道德用途。
基因技术的应用可能带来 不公平的医疗资源和机会 分配。
展望与未来发展
高通量测序技术
随着测序技术的进步，基因芯片将与 高通量测序技术结合，提供更全面、 深入的基因组信息。
表面活性剂
为了提高芯片表面的亲水性和降低非特异性吸附，通常会 在芯片表面涂覆一层表面活性剂，如聚乙二醇（PEG）。
表面洁净度
芯片表面的洁净度对实验结果至关重要，必须严格控制表 面污染物的种类和浓度。
探针的合成与固定
探针设计
探针是基因芯片的关键组成部分，其设计应考虑特异性、长度、 GC含量等因素。常用的探针合成方法包括化学合成和生物合成。
详细描述
基因芯片可以快速检测和识别各种疾病相关基因的变异，如 癌症、遗传性疾病等。通过基因芯片技术，医生可以精确地 确定疾病的类型、分期和预后，为制定个性化治疗方案提供 依据。
药物研发与毒理学研究
总结词
基因芯片技术在药物研发和毒理学研究中具有重要作用，能够加速新药的发现和开发，同时降低药物研发成本和 风险。
通路和网络分析
通过生物信息学工具对差 异表达基因进行通路和网 络分析，揭示基因之间的 相互作用关系。
基因功能注释与富集分析
基因功能注释
利用生物信息学数据库对基因进 行功能注释，了解其生物学功能 和分类。
富集分析
通过统计方法检测差异表达基因 在特定生物学过程或通路中的富 集程度，揭示基因的功能特点和 潜在作用机制。
高灵敏度
C7 基因芯片技术简介
7.2 生物芯片的分类
按载体材料分： • 玻璃芯片：荧光背景低、应用方便，
材料易得，应用最广泛。 • 硅芯片 • 陶瓷芯片
按点样方式分
• 原位合成（ loci-synthetic DNA ）芯片 ：利用半导体光
蚀刻技术原位合成一定长度（~20 bp）的寡核甘酸片段。
• 微阵列（ microarray ） 芯片 ： DNA 直接点样（针点或喷
靶基因样品的标记
• 靶基因样品被标记后，与芯片上的探针分子杂交。
• 荧光标记；生物素和放射性同位素标记
• 双色荧光标记：常用标记物为荧光素Cy3和Cy5 ，分别用来 标记两中不同的样品（如样品和对照）。 • cy3：激发波长550 nm，发绿色荧光。 cy5：激发波长649 nm，发红色荧光。
标记方法
基因芯片技术的发展简史
Southern & Northern Blot
Dot Blot
Macroarray
Microarray
• 1989年，Southern获得在刚性载体表面固定寡聚核苷酸及 杂交法测序的专利 • 1992年， Affymetrix公司成功应用光导向平板印刷技术， 直接在硅片上合成寡核甘酸点阵的高密度芯片，是世界上 第一块原位合成的基因芯片。 • 1997年，美国Stanford大学Brown实验室，制作了世界上 第一张全基因组芯片（含有6116个基因的酵母全基因组芯 片）。
7.5 基因芯片的应用
• • • • • • • • 基因表达分析 基因型及多态分析 杂交测序 核酸和蛋白质相互作用的研究 疾病的诊断与治疗 药物开发 营养与食品卫生领域 环境科学领域
参考书
• 马文丽 等，DNA芯片技术的方法与应用， 广东科技出版社，2002 • 马立人等，生物芯片，化学工业出版社， 1999（第一版）
基因芯片技术原理
技术背景
伴随老式技术旳不断改善，基因信 息分析规模不断扩大。
-人类基因组计划旳需求(HGP) -后基因组时代旳需求（功能基因 组学方向）
文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
生物芯片 (Biochips) 文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
将大量生物辨认分子按预先设置旳排列固定于一种载 体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子 旳特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来 分子多种生物分子存在旳量旳一种技术。
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analysis系改正。
Commercial chip
• Human • Rat • Mouse • Drosophila • E. coli • Yeast • Zebrafish
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Spotter head
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基因芯片技术流程
基因芯片旳设计制备 杂交 检测
数据分析
制备措施及点样仪器
靶基因旳标识制备：标识措施 杂交：杂交液、杂交温度、洗涤条件
芯片杂交与杂交信号检测
扫描仪:激光 CCD
分析软件（算法）旳开发
Syringe Pump
Reservoir
Switching Valve
Connecting Tubing
High-Speed MicroSolenoid Valve
Removable Tip Orifice
Controller
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直接点样法 (stanford, brown)
第七章_基因芯片技术11_图文
４、寡核苷酸探针的优化设计
基因芯片布局
Target T C C G T T A G C T G A C T G C A G C T
探针布局图
TG变异
杂交模式
5.基因芯片的制备
基因芯片使用步骤
芯片制作
样品处理
把探针固定于载体表面 目标分子富集
分子间的杂交 结果检测与数据分析
基因芯片的制 作方式
Байду номын сангаас
３、cDNA芯片与寡核苷酸芯片的设计
cDNA芯片设计的关键在于般采用点样法，多用于基因表 达的监控和分析。
寡核苷酸芯片制备一般采用在片合成方法。优化是寡 核苷酸芯片设计的一个重要环节，包括探针的优化和 整个芯片设计结果的优化。
4、点样法
点样法是将合成好的探针、cDNA或基因组DNA通过特定 的高速点样机器人直接点在芯片上。点样分子可以是核酸也可 以是寡核酸。
采用人工点样的方法将寡核苷酸分子点样于化学处理后的 载玻片上，经一定的化学方法处理非干燥后，寡核苷酸分子即 固定于载玻片上，制备好的DNA芯片可置于缓冲液中保存。
用多聚赖氨酸包被固相支待物玻片，经过分区后用计算机控 制的微阵列点样机按照预先设计顺序点上核酸分子，点样量很 小，约为5nl。大规模CDNA芯片多采用这种方法，与其寡核苷 酸微芯片相比。DNA芯片的潜在优越性是具有更强的亲和势和 特异性杂交，但是需要大量制备，纯化，量化，分类PCR产物 。
2. 通道型微阵列芯片 ① 毛细管电泳芯片 ② PCR扩增芯片 ③ 集成DNA分析芯片 ④ 毛细管电层析芯片
3. 生物传感芯片 ① 光学纤维阵列芯片 ② 白光干涉谱传感芯片
小鼠基因表达谱芯片(MGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
基因芯片技术
图1基因芯片技术林晓强16307100046基因芯片又叫DNA 芯片是负责检测和分析基因的。
一.技术原理：基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法。
双链DNA 在高温等条件下双螺旋解开形成两条互补的单链，当消除变性条件后，变性DNA 两条互补链可以重新结合，利用DNA 的这种特性，将两个以上不同来源的多核苷酸链之间由于互补而使它们在复性过程中形成异源杂合分子的过程称为杂交。
双链DNA 加热变性成为单链，作为探针，将多个探针点在芯片上，然后将用同位素标记的靶基因接触基因芯片，在消除变性条件下，靶基因与互补的探针结合（如图1），最后通过确定荧光强度最强的探针位置（如图2），获得一组序列完全互补的探针序列。
据此可重组出靶核酸的序列。
这个原理看似简单，实际有几个技术难点1.如何将探针“点”在芯片上？以及芯片种类？其一：固定在聚合物基片(尼龙膜，硝酸纤维膜等)表面上的核酸探针或cDNA 片段，图2通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。
优点：技术比较成熟缺点：芯片上探针密度不高，样品和试剂的需求量大，定量检测存在较多问题。
其二：用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。
优点：点阵密度可有较大的提高，各个探针在表面上的结合量也比较一致缺点：标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。
其三：在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测。
优点：该方法把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以使基因芯片的探针密度大大提高，减少试剂的用量，实现标准化和批量化大规模生产。
2.如何通过探针序列重组出靶核酸序列？在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针（如图）。
当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。
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对于DNA序列变异分析，最基本的要求是能够检测出发 生变异的位置，进一步的要求是能够发现发生了什么样 的变化。 从杂交的单碱基错配辨别能力来看，当错配出现在探针 中心时，辨别能力强，而当错配出现在探针两端时，辨 别能力非常弱。所以，在设计检测DNA序列变异的探针 时，检测变化点应该对应于探针的中心，以得到最大的 分辨率。
基因芯片
根据探针的类型和长度，基因芯片可分为两类。 其中一类是较长的DNA探针（100mer）芯片 这类芯片的探针往往是PCR的产物，通过点样方 法将探针固定在芯片上，主要用于RNA的表达分 析。 另一类是短的寡核苷酸探针芯片 其探针长度为25 mer左右，一般通过在片（原位） 合成方法得到，这类芯片既可用于RNA的表达监 控，也可以用于核酸序列分析。
小鼠基因表达谱芯片(MGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
癌症相关基因表达谱芯片(CRGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
人类基因表达谱芯片(HGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
6400点的基因芯片
（面积 12X14 mm)
3. 基因芯片的原理
核酸杂交技术 是基因芯片应用的基础。
基因芯片的类型
一般基因芯片按其材质和功能，基本可分为以下几类
1.
2.
3.
元件型微阵列芯片 ① 生物电子芯片 ② 凝胶元件微阵列芯片 ③ 药物控释芯片 通道型微阵列芯片 ① 毛细管电泳芯片 ② PCR扩增芯片 ③ 集成DNA分析芯片 ④ 毛细管电层析芯片 生物传感芯片 ① 光学纤维阵列芯片 ② 白光干涉谱传感芯片
基因芯片是信息时代的产物
横跨：
生命科学、 物理学、 计算机科学、微电子技术 光电技术、 材料科学 等现代高科技
2. 什么是基因芯片
生物芯片，将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于 一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生 物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反 应等来分子各种生物分子存在的量的一种技术。 基因芯片（gene chip），又称DNA微阵列 （microarray），是由大量DNA或寡核苷酸探针密集排 列所形成的探针阵列，其工作的基本原理是通过杂交检测 信息。
生物芯片的分类
生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、组
织芯片。 而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即 将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯 片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂 交的芯片。
生物芯片的分类
根据用途还可以把生物芯片分为两类：信息生物芯片 （information-biochip）和功能生物芯片（onbiochip）。
1
基因芯片的诞生
分子生物学的发展推动了基因的研究
五十年代DNA分子结构和半保留复制模型的建立， 六十年代基因编码的确定， 七十年代限定性内切酶的发现和DNA重组技术的建立， 八十年代PCR的发明， 九十年代人类基因组计划的实施。
生物科学正迅速地演变为一门信息科学。 我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。随着这个功能 基因组学问题的提出（后基因组时代，蛋白组学），涌现出许 多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质 二维凝胶电泳（2-D-gel）（及相应的质谱法测蛋白分子量）和 基因芯片（Genechip）技术
美国继开展人类基因组计划以后，于1998年正式启动基因芯片 计划，美国国立卫生部、能源部、商业部、司法部、国防部、 中央情报局等均参与了此项目。 同时斯坦福大学、麻省理工学院及部分国立实验室如Argonne Oakridge也参与了该项目的研究和开发。 英国剑桥大学、欧亚公司正在从事该领域的研究。 世界大型制药公司尤其对基因芯片技术用于基因多态性、疾病 相关性、基因药物开发和合成或天然药物筛选等领域感兴趣， 都已建立了或正在建立自己的芯片设备和技术。 目前全世界有几百家基因芯片公司，有多种生物芯片问世，而 且这些芯片的特点较以前密度更高，检测方法更精确，特异性 更强的特点。而主要仍以少数几家公司为主，如Affymetrix、 Brax、Hysep等。 国内目前主要如清华大学（程京）、中科院生命科学院、上海 复旦大学、北京军事医学科学院、南京东南大学、西安等四十 余家公司，而且可能还有一大批公司相继成立。
原理 -- 通过杂交检测信息
一组寡核苷酸探针
TACGTTAG ATACGTTA
由杂交位置确定的一组 核酸探针序列
ATACGTTA TACGTTAG ACGTTAGA CGTTAGAT GTTAGATC
杂交探针组
ACGTTAGA CGTTAGAT ATACGTTAGATC GTTAGATC —TATGCAATCTAG
基因芯片的基本原理
任何线状的单链DNA或RNA序列均可被分解为一个序列 固定、错落而重叠的寡核苷酸，又称亚序列 （subsequence）。例如可把寡核苷酸序列 TTAGCTCATATG分解成5个8 nt亚序列：
这5个亚序列依次错开一个碱基而重叠7个碱基。 亚序列中A、T、C、G 4个碱基自由组合而形成的所有可 能的序列共有65536种。 假如只考虑完全互补的杂交，那么48个8 nt亚序列探针中， 仅有上述5个能同靶DNA杂交。 可以用人工合成的已知序列的所有可能的n体寡核苷酸探 针与一个未知的荧光标记DNA/RNA序列杂交，通过对杂 交荧光信号检测，检出所有能与靶DNA杂交的寡核苷酸， 从而推出靶DNA中的所有8 nt亚序列，最后由计算机对大 量荧光信号的谱型（pattern）数据进行分析，重构靶 DNA 的互补寡核苷酸序列。
查询生物分子数据库
取得相应的DNA序列数据
序列对比分析
找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。
数据库搜索
得到关于序列突变的信息及其它信息。
在进行探针设计和布局时必须考虑以下
几个方面： (1)互补性 (2)敏感性和特异性 (3)容错性 (4)可靠性 (5)可控性 (6)可读性
２、DNA变异检测型芯片与基因表达型 芯片的设计
TATGCAATCTAG
重组的互补序列 靶序列
荧光标记的样品
共聚焦显微镜
基因芯片
获取荧光图象
杂交
探针设计 杂交结果分析
4. 基因芯片设计
一、基因芯片设计的一般性原则 基因芯片设计主要包括两个方面: 1. 探针的设计
指如何选择芯片上的探针
2.
探针在芯片上的布局
指如何将探针排布在芯片上。
确定芯片所要检测的目标对象