第六章 生物信息学与基因芯片
生物信息学期末复习资料（小字）
生物信息学期末复习资料（小字）名词解释或辨析。
1.生物信息学：生物信息学是包含生物信息的获取、处理、贮存、分发、分析和解释的所有方面的一门学科，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具进行研究，目的在于了解大量的生物学意义。
2.基因芯片：固定有寡核苷酸、基因组DNA或互补DNA 等的生物芯片。
利用这类芯片与标记的生物样品进行杂交，可对样品的基因表达谱生物信息进行快速定性和定量分析。
3.人类基因组计划：HGP，是一项规模宏大，跨国跨学科的科学探索工程。
其宗旨在于测定组成人类染色体（指单倍体)中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而描绘人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的。
4.中心法则：分子生物学的基本法则，是1958年由克里克（Crick）提出的遗传信息传递的规律，包括由DNA到DNA的复制，由DNA到RNA的转录和由RNA 到蛋白质的翻译等过程。
20世纪70年代逆转录酶的发现，表明还有由RNA逆转录形成DNA的机制，是对中心法则的补充和丰富。
5.相似性和同源性：相似性（similarity）和同源性（homology）是两个完全不同的概念。
同源序列是指从某一共同祖先经过趋异进化而形成的不同序列。
相似性是指序列比对过程中检测序列和目标序列之间相同碱基或氨基酸残基序列所占比例的大小。
当两条序列同源时，他们的氨基酸或核苷酸序列通常有显著的一致性（identity）。
如果两条系列有一个共同进化的祖先，那么他们是同源的。
这里不存在同源性的程度问题，两条序列要么是同源的要么是不同源的。
1.生物信息学：综合计算机科学、信息技术和数学的理论和方法来研究生物信息的交叉学科。
包括生物学数据的研究、存档、显示、处理和模拟，基因组遗传和物理图谱的处理，核苷酸和氨基酸序列分析，新基因的发现和蛋白质结构的预测等。
2.蛋白质组：指由一个基因组，或一个细胞、组织表达的所有蛋白质。
生物信息学在基因芯片中的应用
生物信息学在基因芯片中的应用
基因芯片是一种高通量的基因检测技术，在生命科学研究中有着
广泛的应用。
基因芯片通过固定大量DNA序列在微芯片上，实现对数
百个或上千个基因同时进行检测和分析。
生物信息学的方法和技术在
基因芯片中的应用发挥了重要的作用。
首先，生物信息学在基因芯片数据的处理和分析中扮演着重要的
角色。
基因芯片所产生的数据量庞大，需要利用生物信息学技术进行
数据的清洗、预处理、分析和解释。
这些步骤包括基因表达量的计算、基因差异表达分析、信号通路分析、基因注释等等。
这些分析方法往
往涉及到统计学、机器学习、网络分析等生物信息学领域的技术。
其次，生物信息学还可以用于筛选和设计适合于基因芯片的探针
序列。
探针是基因芯片上的重要组成部分，其质量和性能关系到基因
芯片的检测能力和精度。
使用生物信息学的方法，可以预测和分析探
针序列的互补性、特异性、重复性等多个指标，从而设定设计和选择
优秀的探针序列。
总之，生物信息学在基因芯片技术中的应用是不可或缺的。
它为
基因芯片提供了强大的数据分析手段，可以更加深入地研究生命科学
中各种不同的生物过程。
生物信息学讲义——基因芯片数据分析
生物信息学讲义——基因芯片数据分析生物信息学是指运用计算机技术和统计学方法来解析和理解生物领域的大规模生物数据的学科。
基因芯片数据分析是生物信息学研究的一个重要方向，通过对基因芯片数据进行分析，可以揭示基因在生物过程中的功能和调节机制。
本讲义将介绍基因芯片数据的分析方法和应用。
一、基因芯片数据的获取与处理基因芯片是一种用于检测和测量基因表达水平的高通量技术，可以同时检测上千个基因的表达情况。
获取基因芯片数据的第一步是进行基因芯片实验，如DNA芯片实验或RNA芯片实验。
实验得到的数据一般为原始强度值或信号强度值。
接下来，需要对这些原始数据进行预处理，包括背景校正、归一化和过滤噪声等步骤，以消除实验误差和提高数据质量。
二、基因表达分析基因芯片数据的最主要应用之一是进行基因表达分析。
基因表达分析可以揭示在不同条件下基因的表达模式和差异表达基因。
常用的基因表达分析方法包括差异表达分析、聚类分析和差异共表达网络分析等。
差异表达分析常用来寻找在不同条件下表达差异显著的基因，如差异表达基因的筛选和注释；聚类分析可以将表达模式相似的基因分为一组，如聚类分析可以将不同样本中的基因按照表达模式进行分类；差异共表达网络分析可以找到一组在差异表达样本中共同表达的基因，揭示潜在的功能模块。
三、功能富集分析对差异表达基因进行功能富集分析可以帮助我们理解这些基因的生物学功能和参与的生物过程。
功能富集分析可以通过对差异表达基因进行GO(Gene Ontology)注释，找到在特定条件下富集的生物学过程、分子功能和细胞组分等。
另外，功能富集分析还可以进行KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)富集分析，找到差异表达基因在代谢通路和信号传导通路中的富集情况。
四、基因调控网络分析基因调控网络分析可以帮助我们揭示基因间的调控关系和寻找关键调控基因。
基因调控网络是基于差异表达数据构建的，它可以包括转录因子-靶基因调控网络和miRNA-mRNA调控网络等。
兰州大学生物信息学基因芯幻灯片
第三节 基因芯片设计
１、基因芯片设计的一般性原那么 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。
兰州大学生物信息学基因 芯幻灯片
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第一节. 基因芯片的概念
按物理学家的观点是应将存在于人类基因 组上的静的基因图谱，向时间、空间维上 展开。为了得到基因表达的功能谱，国际 上在核酸和蛋白质两个层次上都开展了新 技术。这就是在核酸层次上的 DNA 芯片 技术和在蛋白质层次上的大规模蛋白质别 离和序列鉴定技术，也称蛋白质谱技术和 蛋白质组研究。
❖ 为了进展SNPs研究，发现目标序列上可能出现的变 化，最直接的方法就是根据的目标序列设计一系列寡 核苷酸探针，其中每一个探针用于检测目标序列特定 位置上的核苷酸是否发生变化，探察位置位于探针的 中心。这种方法又称等长等覆盖移位法
❖ 第二种方法为单核苷酸分析法。针对目标序列每 个位置上所有可能出现的变化设计相应的探针。
生物芯片技术
生物芯片：指能储藏大量生物信息或快速 并行处理多个生物样品的微器件，它的加 工运用了微电子工业中十分成熟的光学光 刻技术和微机电系统加工中所采用的各种 方法，所处理的对象是生物样品，故称之 为生物芯片。
生物芯片
DNA芯片
亲和力 生物芯片
蛋白芯片 组织芯片
……
它们的应用原理都是基 于生物分子之间的亲和 作用力，如抗原和抗体 的免疫结合，核酸分子 的碱基配对作用等。
3、寻找基因功能
❖ DeRisi等应用酵母cDNA基因芯片研究在有丝分裂 和孢子状态下基因转录和表达水平的差异。
生物信息学在基因芯片中的应用
生物信息学在基因芯片中的应用
生物信息学是一种研究生物学信息的跨学科领域，其在基因芯片中的应用十分广泛。
基因芯片是一种高通量生物技术，可以同时检测成千上万个基因的表达情况，从而揭示生物体内基因表达的全局变化。
生物信息学在基因芯片中的应用主要包括以下几个方面：
1. 数据预处理和标准化：基因芯片实验所产生的数据量非常庞大，需要进行数据预处理和标准化，以去除实验误差和技术噪声，使数据更加可靠和准确。
生物信息学提供了各种算法和工具，如归一化、筛选、去除离群点等，可以对基因芯片数据进行有效的处理和分析。
2. 数据挖掘和分析：基因芯片实验所产生的数据可以用于发现
新的基因、确定基因与疾病的关联性、预测药物反应等。
生物信息学提供了各种数据挖掘和分析方法，如聚类分析、差异表达分析、通路分析、功能注释等，可以帮助研究人员深入理解基因芯片数据的内在规律和生物学意义。
3. 基因芯片设计和优化：生物信息学可以帮助研究人员设计和
优化基因芯片，从而使其具有更高的灵敏度和特异性。
例如，可以利用生物信息学的方法预测基因座的SNP位点，设计SNP芯片，或者利用RNA序列信息设计基因表达芯片。
总之，生物信息学在基因芯片中的应用已经成为了现代生命科学领域中的重要组成部分，为生命科学研究提供了强有力的工具和方法。
- 1 -。
医学中的生物芯片和生物信息学
医学中的生物芯片和生物信息学生物芯片和生物信息学作为近年来生命科学领域的两项核心技术，被广泛应用于医学领域。
它们不仅拥有着重要的理论研究价值，更是为医学诊断、治疗和预防提供了重要的技术支持。
本文将围绕生物芯片和生物信息学展开讨论。
一、生物芯片生物芯片即基于微电子技术制备的一系列生物学试验芯片，是生物技术应用中的重要手段之一。
在医学领域，生物芯片已被广泛应用于基因诊断、药物筛选、肿瘤研究等多个方面。
其中，基因芯片是生物芯片中应用最为广泛的一种。
基因芯片是一种高通量可变电容器阵列，可以在同一个芯片上同时检测上千个基因表达水平，为医学研究提供了重要的技术支持。
基于基因芯片的基因诊断技术已被广泛应用于癌症、免疫系统疾病等多种疾病的诊断和治疗，极大地推进了医学诊断技术的进步。
除了基因芯片，蛋白芯片、细胞芯片、毒素芯片等生物芯片也在医学领域得到了广泛的应用。
这些芯片的出现不仅扩展了生物芯片在医学领域的应用范围，也为医学研究领域提供了更多的实验手段和技术手段。
二、生物信息学生物信息学是生物学、计算机科学、数学和统计学等学科融合的新兴交叉学科，是研究生物信息数据的存储、分析和解释的学科。
在医学领域，生物信息学可以有效地优化医学诊断、提升疾病治愈率、预防疾病发生。
疾病基因组学是生物信息学在医学领域的研究重点之一。
疾病基因组学研究的是不同人群基因组的遗传变异和与相关疾病的关联性。
通过对大量基因组学数据的分析，可以为医学研究提供指导，提高疾病的治疗效果和预测患病风险。
另外，生物信息学在药物研究以及疾病通路分析中也有很好的应用。
通过生物信息学技术可以较好地分析药物的靶点和机理，同时还可以通过分析疾病通路来发现新的治疗靶点。
三、生物芯片与生物信息学的结合生物芯片和生物信息学是密不可分的。
利用生物芯片分析得到的数据需要通过生物信息学方法进行分析，开发出符合实际情况的模型和算法，最终推动基于大数据分析的医学诊断和治疗技术进一步发展。
生物信息学在基因芯片中的应用
生物信息学在基因芯片中的应用
基因芯片是一种高通量的生物信息学技术，可以同时探测数千到数百万个基因表达水平和突变情况，对于生命科学、医学研究和药物开发等领域有着重要的应用。
生物信息学在基因芯片中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 数据分析与解释：基因芯片产生的原始数据较为复杂，需要进行数据预处理、质量控制、归一化处理等一系列数据分析与解释。
生物信息学提供了丰富的算法、工具和方法，可以对基因芯片数据进行生物学意义的解释和分析。
2. 基因表达的发现：基因芯片可以帮助研究人员识别不同组织、不同疾病状态下的基因表达模式，从而揭示基因调控网络和生物学机制。
生物信息学则可以帮助研究人员对基因表达数据进行聚类分析、差异表达分析和共表达网络分析等，从而挖掘出重要的生物学信息。
3. 基因突变的鉴定：基因芯片可以帮助研究人员鉴定基因的突变情况，从而寻找与疾病相关的基因变异。
生物信息学则可以帮助研究人员对基因突变数据进行注释和解释，确定突变的功能、通路和疾病相关性等信息。
4. 药物靶点的发现：基因芯片可以帮助研究人员鉴别不同疾病状态下的关键调控基因和信号通路，从而挖掘出药物靶点。
生物信息学则可以帮助研究人员对基因表达数据进行代谢通路、信号通路和蛋白互作网络分析等，寻找潜在的药物靶点和候选药物。
在基因芯片应用中，生物信息学的发展与创新对于其实践效果的提升具有重要作用。
未来，生物信息学技术将会进一步深入基因芯片领域，为基因组数据的分析和应用提供更加全面、准确的支持。
生物信息学在基因芯片中的应用-东南大学生物电子学国家重点
生物信息学和基因芯片是生命科学研究领域中的两种新方法和新技术，生物信息学与基因芯片 密切相关，生物信息学促进了基因芯片的研究与应用，而基因芯片则丰富了生物信息学的研究内容。 生物系统通过存贮、修改、解读遗传信息和执行遗传指令形成特定的生命活动，产生生物进化。 从信息学的角度来看，生物分子是生物信息的载体，如 ＤＮＡ 序列存贮对蛋白质序列的编码信息，蛋 白质序列决定蛋白质在生物体中的结构，而蛋白质的结构又决定了蛋白质的功能。归根到底，ＤＮＡ 序列包含着最基本的生命信息，生命的信息存贮在 Ａ、Ｔ、Ｃ、Ｇ 这 ４ 个字符所组成的 ＤＮＡ 序列中。而 基因芯片则是一种提取生物分子信息的有力工具，通过基因芯片可以大规模、并行提取 ＤＮＡ 或 ＲＮＡ 信息。对基因芯片所获取的大量数据进行分析和处理，能够发现数据之间的关系，挖掘、基因芯片简介 对于分子生物学、生物医学的研究来说，一个基本的前提是 ＤＮＡ 序列的测定和分析。在对传统 ＤＮＡ 测序方法和序列分析方法进行改进的过程中，以基因芯片为代表的生物芯片技术应运而生。基 因芯片技术将生命科学研究中所涉及的许多不连续的分析过程，如样品制备、化学反应和分析检测 等，通过采用微电子、微机械等工艺集成到芯片中，使之连续化、集成化和微型化。这一技术的成 熟和应用将在新世纪里给遗传研究、疾病诊断和治疗、新药发现和环境保护等生命科学相关领域带 来一场革命。 （１）基因芯片的基本原理及生物信息学的作用 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。在生命体中基因信息的阅读、贮存、 复制、转录和翻译均通过分子识别的规则来进行，对于核酸，可通过碱基互补匹配识别一个核酸分 子的序列。应用已知序列的核酸探针和样品进行杂交，对未知核酸序列进行检测，是分子生物学中常 用的研究手段之一。基因芯片把大量已知序列探针集成在同一个基片上，经过标记的若干靶核酸序 列通过与芯片特定位置上的探针杂交，便可根据碱基互补匹配的原理确定靶基因的序列。这样，利用 基因芯片杂交检测图像，可以对生物细胞或组织中大量的基因信息进行分析（Ｒａｍｓａｙ， １９９８）。基因 芯片能够在同一时间内分析大量的基因，实现生物基因信息的大规模检测（Ｃｈｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，１９９６； Ｍａｒｓｈａｌｌ ａｎｄ Ｈｏｄｇｓｏｎ，１９９８）。 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。 基因芯片是分子生物学和微电子学及信息学相互结合所形成的新型技术，其核心在于大规模并 行提取 ＤＮＡ 或 ＲＮＡ 信息，基因芯片为进行 ＤＮＡ 序列分析和基因表达分析提供了一种强有力的工具。 基因芯片的重要性可以与 ５０ 年代把单个晶体管组装成集成电路芯片相比，基因芯片技术将会对廿一 世纪生命科学和医学的发展产生无法估计的影响（Ｃｈｅｅ ｅｔ ａｌ． １９９６； Ｓｔｉｐｐ １９９７）。 基因芯片的相关技术包括：基因芯片设计，基因芯片制备，靶基因的制备、杂交和检测，检测 结果分析等。如图 ８．１ 所示，首先提出基因芯片所要解决的问题，确定研究目标， 例如，研究基因 单碱基多态性，检测或分析 ＤＮＡ 的变异，或者通过表达谱的差异寻找功能基因等。根据我们所要解
生物信息学讲义——基因芯片数据分析资料
生物信息学讲义——基因芯片数据分析资料基因芯片是一种高通量的技术，可以用于同时检测和量化数以千计的基因在一个样本中的表达水平。
通过分析基因芯片数据，我们可以获得大量的基因表达信息，并进一步了解基因在不同条件和疾病状态下的调控和功能。
下面是一份关于基因芯片数据分析的讲义。
一、基因芯片数据的处理与预处理1.数据获取与质控-从基因芯片实验中获取原始数据（CEL文件）。
-进行质控，包括检查芯片质量、样本质量和数据质量。
2.数据预处理-背景校正：去除背景信号，减小非特异性杂音。
-样本标准化：对样本间进行标准化处理，消除技术变异和样本间差异。
-基因过滤：去除低表达和不变的基因，减少多重检验问题。
二、差异基因分析1.统计分析-基于统计学的差异表达分析方法，如t检验、方差分析（ANOVA）等。
-根据差异分析结果，获取差异表达的基因列表。
2.功能注释与生物学解释-对差异表达的基因进行功能注释，包括富集分析、通路分析和基因功能类别分析等。
-通过生物学数据库查询和文献阅读，解释差异表达基因的生物学意义和可能的调控机制。
三、基因共表达网络分析1.相关性分析-计算基因间的相关系数，筛选出相关性较高的基因对。
-构建基因共表达网络，通过网络可视化方式展示基因间的关系。
2.模块发现和功能注释-使用聚类算法将基因分组成不同的模块，每个模块表示一组具有相似表达模式的基因。
-对每个模块进行功能注释，了解模块内基因的共同功能或通路。
四、基因云图和热图分析1.基因云图-使用基因注释信息和基因表达水平，绘制基因表达的云图。
-通过颜色和大小表示基因的表达水平、功能注释等信息。
2.热图分析-根据基因表达水平计算基因间的相似性，将相似性转换为颜色，绘制热图。
-热图可用于显示基因表达模式的相似性和差异。
五、整合分析与生物信息学工具1.基因集富集分析-将差异表达的基因列表输入基因富集分析工具，寻找与特定通路、功能或疾病相关的基因集。
2.数据可视化工具- 使用生物信息学工具和软件，如R、Bioconductor、Cytoscape等，进行数据可视化和交互式分析。
基因芯片——“生物信息精灵”
基因芯片——“生物信息精灵”——浅谈数学、计算机在现代生命科学研究中的作用二十世纪是物理科学的世纪，而二十一世纪则是生命科学的世纪。
生命科学，尤其是生物技术的迅猛发展，不仅与人类健康，农业发展以及生存环境密切相关，而且还将对其它学科的发展起到促进作用，所谓"今天的科学，明天的技术，后天的生产"。
而生命科学的基础性研究是现代生物技术的源泉、科学和技术创新的关键。
现代生物技术，是一门领导尖端科技的学科，正因如此，我很想知道它与数学——我得专业课，计算机等理论或技术是怎样有机的联系在一起的。
基于此，我利用课余时间查阅了许多网站、书籍，并有了小小的收获。
现就“基因芯片”技术，浅谈如下。
一、基因芯片简介基因芯片，也叫DNA芯片，是在90年代中期发展出来的高科技产物。
基因芯片大小如指甲盖一般，其基质一般是经过处理后的玻璃片。
每个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小区。
在指定的小区内，可固定大量具有特定功能、长约20个碱基序列的核酸分子（也叫分子探针）。
由于被固定的分子探针在基质上形成不同的探针阵列，利用分子杂交及平行处理原理，基因芯片可对遗传物质进行分子检测，因此可用于进行基因研究、法医鉴定、疾病检测和药物筛选等。
基因芯片技术具有无可比拟的高效、快速和多参量特点，是在传统的生物技术如检测、杂交、分型和DNA测序技术等方面的一次重大创新和飞跃。
二、基因芯片技术生物芯片技术是于90年代初期随着人类基因组计划的顺利进行而诞生，它是通过像集成电路制作过程中半导体光刻加工那样的微缩技术，将现在生命科学研究中许多不连续的、离散的分析过程，如样品制备、化学反应和定性、定量检测等手段集成于指甲盖大小的硅芯片或玻璃芯片上，使这些分析过程连续化和微型化。
也就是说将现在需要几间实验室、检验室完成的技术，制作成具有不同用途的便携式生化分析仪，使生物学分析过程全自动化，分析速度成千上万倍地提高，所需样品及化学试剂成千上万倍地减少。
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基因芯片应用可分为两大类：一是用于研究基因
型，是利用基因芯片进行序列分析，其中包括识 别DNA序列的突变和研究DNA的多态性；一是用 于监控RNA表达，利用基因芯片研究基因的功能。 随着分子生物学的发展，我们将进一步的了解和 认识疾病，基因芯片作为一种大规模并行序列分 析技术，将有利于深入了解基因。除此以外，基 因芯片最令人振奋的应用是药物基因组学，可以 促进新药的发现过程。
2015-4-17
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基因芯片的类型（二）
按基因芯片点阵的制备方法，可以分为：
原位合成
适用于寡核苷酸。根据预先设计的点阵序列在每个位点通过有机 合成的方式直接聚合得到所要求的探针分子。两种途径：
• 光刻法：可合成30nt左右，每步缩合率较低为95％左右，产率仅20％， 需要特殊的合成试剂。 • 压电打印法：可合成50nt左右，每步缩合率为99％以上，产率可达74％ 不需要特殊的合成试剂。
2015-4-17 5
基因芯片的类型（三）
按基因芯片的支持物，可以分为：
薄膜型：如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。其点阵通过“点膜”形式制作，并 通过一定的方法使探针能够牢固地结合在上面。
玻片型：其点阵通过原位合成技术制作，点阵密度很高，必须借助于特殊的仪器对测 定结果进行解读和分析。 微板型：一种具有高密度、小容量测试孔的小型酶联免疫检测板 集成电路型 ：将杂交技术与微电子技术结合于一体有目的地通过电子装置检测或控 制DNA等生物大分子的作用过程。
2015-4-17 2
根据芯片上固定的探针不同，生物芯片包
括：基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、 组织芯片，根据原理还有元件型微阵列芯 片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等 新型生物芯片。
2015-4-17
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一、基因芯片简介
（一）基因芯片的基本原理及生物信息学的作用
基因芯片（gene chip），又称DNA微阵列
2015-4-17 4
基因芯片的类型（一）
基因芯片按其材质和功能，可以分为一下几类： 元件型微阵列芯片
• 生物电子芯片 • 凝胶元件毛细管电泳芯片 PCR扩增芯片 集成DNA分析芯片 毛细管电层析芯片
生物传感芯片
• 光学纤维阵列芯片 • 白光干涉谱传感器芯片
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常规的分子杂交过程是，将待检测样品固定于滤
膜上，与同位素标记的探针在一定杂交液及温度 下进行杂交，一般需较长时间才能完成分子杂交 过程，且一般每次只能检测为数不多的一个到几 个探针。基因芯片将已知序列的DNA探针，固化 于玻璃等基片的表面，而将待检测样品进行标记 并与微集成阵列进行杂交。这种方式不仅使检测 过程平行化，也可以同时检测成百上千个基因序 列，而且由于集成的显微化，使得杂交所需的探 针及检测样品均大为减少，杂交时间明显缩短， 一般的分子杂交过程可在30分钟内完成。
法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子 甚至组织切片、细胞等生物样品有序地固定于支 持物的表面，组成密集二维分子排列，然后与已 标记的待测生物样品中的靶分子杂交，通过特定 的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效 地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。由 于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程 模拟计算机芯片的制备技术，所以称为生物芯片 技术。
根据基因芯片的检测目的不同，可以把样品制备
方法分为： 用于表达谱测量的mRNA样品制备 用于多态性(或突变)研究的基因样品的制备 靶基因的制备需要运用常规手段从细胞和组织中 提取模板分子，在模板扩增过程中对靶基因进行 标记。要根据基因芯片探针阵列设计的方式和研 究对象选择基因扩增和标记方法。
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（二）药物研究中的应用 1、新药开发 高通量的DNA芯片可发现众多的新基因和新的靶 分子用于新药的设计，同时，有时同一种药物的 作用是多方面的，基因芯片有助于发现一种药物 的新的功能，原先设想的作用是针对某一靶标的， 但在全基因或广范围筛选中却发现该药物在另一 方面具有很强的抑制作用，从而开发成另一种新 药。 2、调查药物处理细胞后基因的表达情况 这类研究既有利于阐明药物的作用机制，也有助 于确定药物作用的靶基因，为新药研究提供线索。
（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。 基因芯片把大量已知序列探针集成在同一个基片 上，经过标记的若干靶核酸序列通过与芯片特定 位置上的探针杂交，便可根据碱基互补匹配的原 理确定靶基因的序列。 通过处理和分析基因芯片 杂交检测图像，可以对生物细胞或组织中大量的 基因信息进行分析。
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二、基因芯片对于生物分子信息检测的作用 和意义
在生命科学领域中，基因芯片为分子生物学、生
物医学等研究提供了强有力的手段。 利用基因芯片技术，可研究生命体系中不同部位、 不同生长发育阶段的基因表达，比较不同个体或 物种之间的基因表达，比较正常和疾病状态下基 因及其表达的差异。 基因芯片技术也有助于研究不同层次的多基因协 同作用的生命过程，发现新的基因功能，研究生 物体在进化、发育、遗传过程中的规律。
2015-4-17
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一是在片合成法，
– 在片合成法是基于组合化学的合成原理， 它通过一组定位模板来决定基片表面上 不同化学单体的偶联位点和次序。在片 合成法制备 DNA 芯片的关键是高空间分 辨率的模板定位技术和固相合成化学技 术的精巧结合。 – 关键步骤：首先使支持物羟基化，使其 表面衍生出羟基，并与保护基建立共价 连接。
中医学中应用基因芯片技术，还处于初始阶段，目前主要
集中以下三方面： 1、中药的研究 在中药学中引入基因芯片技术，可大大推动中药研究的国 际化进程，为阐明中药的作用机理，具有重要的意义。 2、中医“证”本质的研究 中医“证”是中医药的临床治疗核心，但“证”的本质研 究一直难以有重大进展。主要因为中医理论涉及到生命的 整体，牵涉到许多基因和蛋白质，传统的方法无法弄清 “证”的实质，而利用基因芯片技术，对不同“证”状态 下的基因组进行扫描，再绘出不同“证”的基因表达谱， 通过相关分析，可以从分子水平揭示“证”的本质。
第六章：生物信息学与基因芯片
生物信息学和基因芯片是生命科学研究领
域中的两种新方法和新技术，生物信息学 与基因芯片密切相关，生物信息学促进了 基因芯片的研究与应用，而基因芯片则丰 富了生物信息学的研究内容。
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第一节：概述
什么是生物芯片（biochip）？
生物芯片是指采用光导原位合成或微量点样等方
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3、针灸原理研究 针灸的原理涉及全身各个部分、针灸不同方法、不同穴位、 经络是否具有不同的作用，也即是经脉与脏腑间的相关联 系是否具有相对特异性。通过基因芯片测量不同组织中基 因表达的差异，判断基因表达是否具有特异性来解决这一 问题。 另外，基因芯片还有助于揭示针灸的作用机制。针灸的作 用是与神经内分泌网络系统密切相关的，它涉及到细胞信 使、神经递质、调质、神经肽、细胞因子、内分泌激素等 多种因子，但针灸的信号是如何在细胞间和细胞内传递的 过程仍不明朗，如果引入基因芯片，可以高通量的检测细 胞内基因表达的时空特征，有助于了解针灸促进基因表达 的时空特征，有助于了解针灸促进基因表达的特点，进而 再利用蛋白组学相关技术，揭示针灸作用机理。
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点样法的优越性在于可以充分利用原有的
合成寡核苷酸的方法和仪器或cDNA探针库， 探针的长度可以任意选择，且固定方法也 比较成熟，灵活性大适合于研究单位根据 需要自行制备科研型基因芯片，制作点阵 规模较小的商品基因芯片。
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（三）靶基因样品的制备及芯片杂交
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3、对药物进行毒性评价 应用芯片查找药物的毒性或副作用，进行毒理学
研究，尤其是慢性毒性和副作用，往往涉及基因 或基因表达的改变。如果药物能抑制重要基因的 表达，则对它的深入研究就值得考虑。用芯片做 大规模的表达研究可省略大量的动物试验。
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（三）在中医领域的应用
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另一种方法是点样法。
– 基因芯片点样法首先按常规方法制备cDNA （或寡核苷酸）探针库，然后通过特殊的针头 和微喷头，分别把不同的探针溶液，逐点分配 在玻璃、尼龙或者其它固相基底表面上不同位 点，并通过物理和化学的结合使探针被固定于 芯片的相应位点。 – 支持物的前处理：为使其带上正电荷以吸附带 负电荷的探针分子，通常需包被以氨基硅烷或 多聚赖氨酸。 – 现已有成型的点样装置出售。
片 根据探针模式：一是将靶DNA固定于支持物上，适合于大 量不同靶DNA的分析；二是将大量探针分子固定于支持物 上，适合于对同一靶DNA进行不同的探针序列的分析 从应用方面：研究基因型和监控RNA表达。
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基因芯片的相关技术包括：基因芯片的设计，基
因芯片的制备、靶基因的制备、杂交和检测、检 测结果分析等。
– 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，主要用于基因的表达分析。 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。
根据探针的内容：寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯
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四、基因芯片的应用
（一）疾病的诊断与治疗 1、遗传病相关基因的定位 HGP使得许多遗传病的基因得以定位，因此，可 以应用基因芯片技术筛查遗传病，且方便可靠。 2、肿瘤诊断 已用基因芯片可检测人鼻咽癌、肺癌基因表达谱、 肿瘤原癌基因和抑癌基因的定位。 例：人类恶性肿瘤中，约有60%与人类P53抑癌基 因的突变有关，现研究人员研制成功了可检测P53 基因所有编码区错位突变和单碱基缺失突变的基 因芯片。