基因芯片976527202
基因芯片
基因芯片(gene chip)的原型是80年代中期提出的。
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。
在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。
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。
据此可重组出靶核酸的序列。
基因芯片的测序原理图基因芯片又称为DNA微阵列(DNA microarray)，可分为三种主要类型：1)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，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。
这种方法的优点是所需检测设备与目前分子生物学所用的放射显影技术相一致,相对比较成熟。
但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。
2)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。
这种方法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，但在标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。
3)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。
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，有着十分重要的发展潜力。
基因芯片原型它是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。
它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。
基因芯片通过应用平面微细加工技术和超分子自组装技术，把大量分子检测单元集成在一个微小的固体基片表面，可同时对大量的核酸和蛋白质等生物分子实现高效、快速、低成本的检测和分析。
基因芯片讲义
展望
尽管基因芯片技术已经在一些科学研究和医 学
临床实践中得到了一些应用，但是在一些领域 尤其
在兽医领域中基因芯片技术还尚处于初步的探 索发
–用生物素标记并经扩增（也可使用其它放大技术 ）的靶序列或样品然后再与芯片上的大量探针进 行杂交 –用链霉亲和素(streptavidin)偶联的荧光素（常用 的荧光素还有lassamine 和phycoerythrin）进行显 色 –图 象 的 采 集 用 落 射 荧 光 显 微 镜 (epifluorescence microscope)、激光共聚焦显微镜或其它荧光显微 装置对片基扫描 –由计算机收集荧光信号，并对每个点的荧光强度 数字化后进行分析。
光刻DNA合成法 点接触法 喷墨法
光刻DNA合成法
寡聚核苷酸原位光刻合成技术是由Affymetrix公司 开发的，采用的技术原理是在合成碱基单体的5‘ 羟基末端连上一个光敏保护基。
合成的第一步是利用光照射使羟基端脱保护，然 后一个5‘端保护的核苷酸单体连接上去，这个过 程反复进行直至合成完毕。使用多种掩盖物能以 更少的合成步骤生产出高密度的阵列，在合成循 环中探针数目呈指数增长。
优点： 合成效率高，点阵密度高，实现标准化和 批量化大规模生产
缺点： 设备昂贵，技术复杂，反应产率低
点接触法(点膜法)
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。采用的机器人有一套 计算机控制三维移动装置；多个打印/喷印针的打印/喷印 头；一个减震底座，上面可放内盛探针的多孔板和多个芯 片。根据需要还可以有温度和湿度控制装置；针洗涤装置 。打印/喷印针将探针从多孔板取出直接打印或喷印于芯 片上。直接打印时针头与芯片接触，而在喷印时针头与芯 片保持一定距离。
基因芯片
➢ 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。
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. 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
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)
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)
➢ 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
第十讲 基因芯片
第10 讲基因芯片Gene chip马永平2010.11内容提要 什么是基因芯片？基因芯片的原理基因芯片的种类基因芯片的应用领域基因表达谱数据分析基因芯片技术的发展与展望其它生物芯片DNATranscriptomicsDNA Microarray(Genechip)GenomicsSequencingSNP(Single nucleotidepolymorphism)Proteomics2DMSProtein ArrayRNAProtein为什么要发展DNA芯片技术？1 HUMAN BODY =100,000,000,000,000 CELLS1 CELL =23 PAIRS OF CHROMOSOMES23 PAIRS OF CHROMOSOMES=~ 3,200,000,000 BASES第一节概述基因芯片（Gene chip）也叫DNA芯片（DNA chip） 是指在固相载体（玻璃、硅等）上有序地、高密度地（点间距<500μm）排列固定了大量的靶基因或寡核苷酸（也叫探针）。
这些被固定的分子探针在基质上形成高密度的DNA微阵列，因此，DNA芯片又叫DNA微矩阵（DNA Microarray）。
第一块基因芯片1992年诞生在美国。
DNA Microarray DNA Chip DNA Microarray DNA MicroarrayGene ChipDNA芯片属于生物芯片（biochip）的范畴，生物芯片包括：1.基因（DNA）芯片2.RNA芯片3.蛋白质芯片4.抗体芯片5.细胞芯片6.组织芯片7.其它芯片（元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片、样品制备芯片、核酸扩增芯片、毛细管电泳芯片等）第二节DNA芯片的基本原理1.基因芯片技术是建立在Southern blot基础之上的，可以说它是Southern blot的改进和发展，它的原理是：变性DNA 加入探针后在一定温度下退火，同源片段之间通过碱基互补形成双链杂交分子。
基因芯片
※基因芯片技术在非霍奇金淋巴瘤研究中的 应用（2009年） ※基因芯片在中药抗肿瘤机制研究中的应用 （2010年） ※胃癌患者抑郁相关基因的基因芯片研究和 通路分析（2010年）
当前面临的困难
1、样品制备上 当前在标记和测定前都要对样品进行一定 程度的扩增以便提高检测的灵敏度，但仍有不 少人在尝试绕过该问题，这包括固相 PCR 扩 增体系以及大量并行固相克隆方法，两种方法 各有优缺点，但目前尚未取得实际应用。 2、探针的合成与固定复杂 特别是对于制作高密度的探针阵列。使用 光导聚合技术每步产率不高（ 95% ），难于 保证好的聚合效果。
2、肝组织RNA的提取和探针制备 肝组织RNA 肝组织RNA的提取和探针制备 提取各样本总RNA，将总RNA分离纯化为 mRNA。mRNA经逆转录标记eDNA探针并纯化。 在一链合成中掺入荧光标记dCTP，用cy3dCTP标记对照组，用Cy5-dCTP标记实验组。 3、杂交 杂交 将基因芯片和杂交探针分别置于水浴中 变性，立即将探针加在基因芯片上，盖玻片封片， 置于杂交舱中，密封，放入杂交箱内杂交。然后按 顺序用SSC和SDS溶液洗涤，室温晾干
1、白血病 人T细胞白血病病毒1(HTLV-1)是成 人T细胞白血病的致病因子，HTI·1引起 白血病的关键是造成异常T细胞的生长和 存活，HTLV．1感染的T细胞可以无限增殖 (不朽性)，从而导致恶性转化。
⑴用基因芯片发现有62个基因与VP-16 引起的细胞凋亡有关。 ⑵用基因芯片分析全反式维甲酸能诱 导急性早幼粒细胞白血病的分子机制。 ⑶利用基因表达模式的识别对白血病 进行了分类，发现用基因表达模式可将AML 和ALL区分开，而不必非有生物学或临床区 别。
什么是基因芯片？
基因芯片是将DNA或寡聚核苷酸固定 在固相支持物上，经过生物样品中的DNA 或RNA与之杂交，再通过特定的方法检测 并进行数字化处理，从而得出待测样品的 核酸信息。
基因芯片
基因芯片技术的应用
芯片测序 基因图绘制 突变检测 ……. …….
…Байду номын сангаас.
…….
基因芯片
表达分析
药物研究 军事、司法
疾病诊断
农林业
一、芯片测序
1，未知序列的DNA与大量的寡核苷酸集合的杂交 2，完整的双链体的寡聚物的鉴定与分析
3，重建DNA序列 一百万个12核苷酸的点阵可测定1000个碱基 的序列
二、突变检测
四、杂交信号的检测
1、激光共聚焦扫描
光源：特定波长的光 激发面积：<100m2 ScanArray 3000 2、CCD 成像术 光源：连续波长的光（如弧光灯） 激发面积：同时激发多个1cm2
五、芯片数据的处理和分析
–
–
图像的处理
数据的获取、存储与显示
–
– –
芯片数据统一化
芯片数据的统计学分析 芯片数据的生物学分析
基因芯片的产生背景
• 传统技术的不断改进 • 基因信息分析规模不断扩大 -人类基因组计划的需求 （Human Genome Program) -后基因组时代的需求
Southern blot Northern blot Dot blot
多点Dot blot
基因芯片
基因芯片的历史
八十年代末期俄美科学家提出杂交法测序 1992年世界第一块原位合成基因芯片在美 国Affymetrix诞生 1995年世界第一块微矩阵基因芯片在 Stanford大学实验室诞生
基因芯片技术流程
基因芯片的制备
制备方法及点样仪器
•探针的制备：标记方法 •杂交：杂交液、杂交温度、
洗涤条件的选择 扫描仪:激光
CCD
杂交
何为基因芯片简述其原理及应用
何为基因芯片简述其原理及应用基因芯片（gene chip）是一种在一个固定的芯片上容纳了数千至数百万个特定DNA探针（DNA probe）的生物芯片。
它是通过标记特定DNA序列的方法，用于检测和分析DNA序列的存在和表达。
基因芯片可以帮助科学家了解某个生命体的基因组以及基因在不同条件下的表达情况，进而揭示基因与疾病之间的关联，以及基因与环境之间的相互作用。
基因芯片的原理是利用互补基因的碱基配对原则，通过将一个小小的、可能存在于样品中的DNA片段与芯片上的DNA序列进行杂交，来检测该DNA片段的存在。
基因芯片上的DNA序列由探针构成，探针的选择是根据以往的基因信息和预设的基因库来确定的。
当待测的DNA片段与探针杂交时，这个杂交信号会在芯片上通过荧光或其它信号的形式来探测和分析。
基因芯片的应用非常广泛。
主要应用有以下几方面：1. 基因表达分析：可以通过检测基因芯片上的探针与待测样品中的RNA分子杂交的信号强度来了解不同生物条件下基因的表达水平。
通过比较不同样品的表达谱，可以发现与特定生理和病理状态相关的基因，了解基因在不同组织器官、不同疾病及不同治疗方案下的表达差异。
2. 基因组分析：基因芯片可以用于整个基因组的分析，包括检测基因等位基因的表达和遗传突变等。
通过对不同个体基因组的比较和分析，可以寻找与多种遗传性疾病相关的突变以及基因变异。
基因芯片还可以用于寻找与抗生物药物抗性相关的基因突变，以指导个性化治疗。
3. 疾病诊断和预测：基因芯片可以用于不同疾病的诊断和预测，包括癌症、心脑血管疾病等。
通过检测样品中特定的基因表达谱，可以判断个体是否处于正常状态或疾病状态，以及预测个体患病的风险。
基因芯片还可以用于药物疗效预测，通过分析患者基因表达差异，预测特定药物对患者的疗效，并指导个性化治疗。
4. 细菌和病毒检测：基因芯片可以用于检测和鉴定细菌和病毒等微生物的存在和基因组成。
通过将待测细菌或病毒的DNA与芯片上的特定探针进行杂交，在芯片上检测出杂交信号，可以快速而准确地鉴定细菌或病毒的类型和数量。
基因芯片技术是什么？一文读懂基因芯片!
基因芯片技术是什么？一文读懂基因芯片！基因芯片技术是生物芯片的一种，它是生命科学领域里兴起的一项高新技术，它集成了微电子制造技术、激光扫描技术、分子生物学、物理和化学等先进技术。
生物芯片生物芯片是指将成千上万的靶分子（比如DNA、RNA或蛋白质等）经过一定的方法有序地固化在面积较小的支持物（如玻璃片、硅片、尼龙膜等）上，组成密集分子排列，然后将已经标记的样品与支持物上的靶分子进行杂交，经洗脱、激光扫描后，运用计算机将所得的信号进行自动化分析。
这种方法不仅节约了试剂与样品，而且节省了大量的人力、物力与时间，使检测更为快速、准确、敏感，是目前生物检测中效率高、最为敏感和最具前途的技术。
根据在支持物上所固定的靶分子的种类可将生物芯片分为基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片和芯片实验室等。
目前，技术比较成熟、应用最广泛的是基因芯片技术，其在基因组的表达分析、药物筛选、模拟生物的基因表达及功能研究、遗传疾病基因诊断、病原微生物的诊断等方面都有广泛的应用，是一种高效、大规模获取相关生物信息的重要手段。
基因芯片基因芯片也称DNA微阵列,是生物芯片的一种。
基因芯片原理最初是由核酸的分子杂交衍生而来的,即应用已知序列的核酸探针对未知序列的核酸序列进行杂交检测DNA芯片技术，实际上就是一种大规模集成的固相杂交。
是指在固相支持物上原位合成( situ synthesis)寡核苷酸或者直接将大量预先制备的DNA探针以显微打印的方式有序地固化于支持物表面，然后与标记的样品杂交。
通过计算机对杂交信号的检测分析，得出样品的遗传信息(基因序列及表达的信息)。
由于常计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片。
基因芯片采用大量特定的寡核苷酸片段或基因片段作为探针，有规律地固定于与光电测量。
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2120.10.21Wednes day, October 21, 2020
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。13:47:1413:47:1413:4710/21/2020 1:47:14 PM
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重组的互补序列
—TATGCAATCTAG
TATGCAATCTAG 靶序列
DNA芯片
DNA芯片分类
根据DNA芯片的制备方式可以将其分为两大类：
• 原位合成芯片 synthetic genechips:指采 用显微光蚀刻技术在芯片的特定部位合成 寡核苷酸而制成的芯片。 特点：合成的寡核苷酸链较短，密度较高。
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加强交通建设管理，确保工程建设质 量。13:47:1413:47:1413:47Wednesday, October 21, 2020
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安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.2120.10.2113:47:1413:47:14October 21, 2020
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踏实肯干，努力奋斗。2020年10月21日下午1时47分 20.10.2120.10.21
基因芯片
荧光标记的样品
共聚焦显微镜
获取荧光图象
杂交
探针设计
杂交结果分析
DNA芯片
DNA芯片的制备
芯片的制备包括 支持物的预处理、 原位合成芯片的准备 DNA微集陈列的制备
基因芯片结构示意图
DNA芯片
DNA芯片的制备
支持物的预处理:
支持物分两类 • 实性材料 包括硅芯片，玻璃，瓷片等。目
前最常用者为玻璃。预处理的目的是使其表 面形成羟基，氨基等活性基团，以便与单核 苷酸或DNA形成共价键 • 膜性材料 包括聚丙烯膜，尼龙膜，硝酸纤 维素膜等 通常要包被氨基硅烷或多聚赖氨 酸等，使其带上正电荷，以吸附DNA
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DNA芯片
原理 -- 通过杂交检测信息
制备原理
一组寡核苷酸探针
ATACGTTA
TACGTTAG
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
ACGTTAGACGTTAGAT GTTAGATC
ATACGTTAGATC
DNA芯片
• DNA芯片技术是指在固相支持物上原位合成（in situ synthesis）寡 核苷酸探针，或者直接将大量的DNA探针以显微打印的方式有序的 固化于支持物表面，然后与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测 分析即可得出样品的遗传信息（基因序列及表达的信息）。
• 由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片。DNA 芯片又被称为基因芯片（gene chips）、DNA阵列（DNA array）、 cDNA芯片（cDNA chips）、寡核苷酸阵列（oligonucleotide array）等。
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DNA芯片
疾病的诊断与治疗
基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤等疾病的临床诊 断方面具有独特的优势。与传统检测方法相比： 它可以在一张芯片同时对多个病人进行多种疾病的检测； 无需机体免疫应答反应，能及早诊断，待测样品用量小； 能检测病原微生物的耐药性，病原微生物的亚型； 极高的灵敏度和可靠性；检测成本低，自动化程度高，利于 大规模推广应用。 这些特点使得医务人员在短时间内，可以掌握大量的疾病诊 断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的治疗措 施。
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追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三下午1时47分 14秒13:47:1420.10.21
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 下午1时 47分20.10.2113:47Oc tober 21, 2020
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作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月21日星期 三1时47分14秒 13:47:1421 October 2020
点阵的制作
DNA芯片
样品的准备
样品的准备包括 样品的分离纯化 扩增 标记
DNA芯片
样品准备
分离纯化
分离纯化：样品来源于活的细胞，使用一定方法分离 并纯化DNA或RNA（特别是mRNA）。只有达到一 定纯度的样品，才能保证后续操作的正确。
目前分离纯化使用的试剂均有商品出售，品牌繁多， 原理也不尽相同，产物收率和耗时也相差甚远
DNA芯片
杂交测序
芯片技术中杂交测序(sequencing by hybridization，SBH) 技术是一种新的高效快速测序方法。 用含65,536个8聚寡核苷酸的微阵列，采用SBH技术，可测定 200bp长DNA序列。采用67,108,864个13聚寡核苷酸的微阵 列，可对数千个碱基长的DNA测序。SBH技术的效率随着微 阵列中寡核苷酸数量与长度的增加而提高，但微阵列中寡核 苷酸数量与长度的增加则提高了微阵列的复杂性，降低了杂 交准确性。
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作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月21日星期 三1时47分14秒 13:47:1421 October 2020
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好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午1时47分14秒 下午1时47分13:47:1420.10.21
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一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2120.10.2113:4713:47:1413:47:14Oc t-20
DNA芯片
DNA芯片的制备
原位合成芯片的制备
1 显微光蚀刻技术 优点：合成速度快，步骤少 缺点：合成的探针短，效率低 2 压电打印法 合成的探针可达40-50 nt，合成效率较高
DNA芯片
DNA芯片的制备
DNA微阵列的制备
采用事先合成的DNA或制备基因探针，然后打印 在支持物上 喷墨打印
优点：速度快，量准，对支持物表面要求低； 缺点：斑点大，探针密度低，液滴分配不均 针式打印 优点：简便，价低，液滴小，探针密度大； 缺点：准性和重现性差
DNA芯片
喷墨打印技术
Syringe Pump
Reservoir
Switching Valve
Connecting Tubing
High-Speed MicroSolenoid Valve
Removable Tip Orifice
Controller
DNA芯片
针式打印法（接触式点样）
Best!
DNA芯片
DNA芯片
DNA芯片
基因芯片扫描结果
不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记 的核酸分子数的差异。红〉黄〉绿〉兰〉紫
DNA芯片 DNA芯片技术的应用
基因表达分析
2 疾病的诊断与治疗,
1
杂交测序
3
DNA芯片
基因表达分析
人类基因组编码大约 30,000个不同的基因，仅 掌握基因序列信息资料， 要理解其基因功能是远远 不够的。 因此，具有监测大量 mRNA的实验工具很重要。 基因芯片技术可清楚地直 接快速地检测出以 1:300,000水平出现的 mRNA，且易于同时监测 成千上万的基因。
DNA芯片
分子杂交
芯片的杂交： 将已知序列的DNA探针显微固化于支持物表面，将已标
记好的样品与之进行杂交，杂交过程一般在30分钟 完成。样品与DNA芯片上的探针阵列进行杂交。 与经典分子杂交的区别： 杂交时间短，30分钟内完成 可同时平行检测许多基因序列 影响杂交反应的因素： 盐浓度、温度、反应时间、DNA二级结构
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踏实肯干，努力奋斗。2020年10月21日下午1时47分 20.10.2120.10.21
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追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三下午1时47分 14秒13:47:1420.10.21
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 下午1时 47分20.10.2113:47Oc tober 21, 2020
DNA芯片技术
DNA芯片原理及分类 DNA芯片的操作 DNA芯片技术的应用与展望
DNA芯片
DNA芯片的基本原理 基因芯片的原理是基于核酸分子碱基之间(A-T/C-G互补 配对的原理,利用分子生物学、基因组学、信息技术、微 电子、精密机械和光电子等技术将基因或DNA分子排列 在特定固体物表面构成的微点阵。然后将标记的样品分 子与微点阵上的DNA杂交,以实现多达数万个分子之间的 杂交反应,高通量大规模地分析检测样品中多个基因地表 达状况或者特定基因(DNA)分子的是否存在的目的 基因芯片的优点： 高通量·大规模·高度平行性·快速高效·高灵敏度·高度自动 化 缺点：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。