第十讲肿瘤基因组和基因芯片
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。
基因芯片的原理和应用
其它应用
环境化学毒物的筛选 体质医学的研究
Affymetrix Price Sheet
H1HA-2 H1HA-8 H1HA-14 H1HA-20 H1NA-26 H3HA-32 H3HA-38 H3HA-44 H3NA-50 H3NA-56 H5HA-62 H5HA-68 H5NA-74 H9HA-80 H9NA-86
A-92 A-98 B-104 HEX
禽流感病毒的检测
（1）
（2）
HEX H1HA-3 H1HA-9 H1HA-15 H1NA-21 H1NA-27 H3HA-33 H3HA-39 H3HA-45 H3NA-51 H3NA-57 H5HA-63 H5HA-69 H5NA-75 H9HA-81 H9NA-87
A-93 B-99 B-105
禽流感病毒的检测
BC H1HA-4 H1HA-10 H1HA-16 H1NA-22 H1NA-28 H3HA-34 H3HA-40 H3HA-46 H3NA-52 H3NA-58 H5HA-64 H5HA-70 H5NA-76 H9NA-82 H9NA-88
基因芯片 容量大 速度快
系统误差小
传统方法
每次鉴定பைடு நூலகம்一样品
常规的DNA Hybridization需几小时 到几天时间
对于大量样品的单独 处理，极易产生误差
基因芯片技术流程
主要仪器设备
芯片点样仪
芯片杂交仪 芯片扫描仪
病原菌的种类
Level 3: 12属33种（5种可常规检查） Level 2: 340种 Level 1常见病原菌：約500种
72种为常见感染疾病病原菌
Genus of Mycobacterium
基因芯片
• 人体细胞都有23对染色体，由脱氧核糖 核酸（DNA）组成，基因是具有一定遗 传效应的核苷酸序列或DNA片段，每个 基因平均由1000个左右核苷酸组成，一 个DNA分子可包括几个乃至几百个基因。 人体内的基因通常是稳定的，但也会在 体内的代谢产物、各种射线或化学物质 等的作用下发生突变，且突变可以遗传。
基因芯片
• 基因芯片又叫DNA芯片，是最近一两年 发展起来的一新型分子生物学技术。它 用的也是一块小片，当然不是集成电路 片，而是五六平方厘米见方的玻璃片； 装在这种玻璃上的也不是电路元件，而 是一个个可长可短的DNA分子。
• 这些DAN分子通过一种特殊的方法粘在 玻璃上，而它们的DNA序列和所粘贴的 位置都作为最重要的信息被贮存在一台 计算机里，在一小块基因芯片上一般至 少可以粘20万个DNA分子。
• 基因突变实际上就是DNA分子中核苷酸 种类数量和顺序的改变，导致遗传信息 的改变而致病。由于癌变及遗传怀疾病 等是因体内某种基因缺乏、缺陷或突变 引起的，因此，对这种基因进行替代、 修复和增补，就能治疗这些疾病，从而 控制这些疾病的发生，故称基因治疗。
• 当然，目前这还只是一梦想，因为已克 隆的人的基因数目仍有限；不过随着人 类基因组计划的迅速进展，这种梦想将 会很快变成现实。
基因治疗
• 代医学与疾病的对抗中，尚有许多疾病 直到目前仍束手无策，如癌症、爱滋病、 先天性遗传病，以及老化所致的机能退 化等。按目前的医学发展显示，基因治 疗可能是解决上述问题的重要方向。
• 基因芯片的用途很多，它们可以用监测 基因表达的变化，可以用于基因序列的 分析，也可以用于寻找新的基因和新药 分子。基因芯片的工作原理其实很简单。
பைடு நூலகம்
• 以监测基因表达变化为例。如人大约有 10万个基因，人们可以把这些基因都粘 在一小片玻璃片上制成基因芯片，如果 有人对肿瘤细胞的基因表达感兴趣，只 需分别把肿瘤细胞和正常细胞中的DNA 放在基因芯片上反应，然后通过计算机 识别，就可以很快找出肿瘤细胞中的基 因表达与正常细胞有何差异，从而找出 与肿瘤相关的因素。
基因芯片设计的原理和应用
基因芯片设计的原理和应用1. 引言基因芯片是一种用于测定DNA或RNA序列的高通量技术，广泛应用于基因表达分析、突变检测、基因组重排等生物学研究领域。
本文将介绍基因芯片设计的原理和应用。
2. 基因芯片设计原理基因芯片的设计原理主要包括芯片制备、探针设计和芯片检测等步骤。
2.1 芯片制备基因芯片的制备主要包括材料准备、芯片图案设计和芯片制作等过程。
•材料准备：选择合适的材料作为芯片基底，常用的有玻璃基板和硅基底。
同时准备所需的化学试剂和生物材料。
•芯片图案设计：根据研究目的和实验需求，设计芯片上的探针布局。
探针可以是DNA、RNA或蛋白质等，用于捕获目标序列。
•芯片制作：利用光刻技术将芯片图案转移到基底上，并进行化学修饰和功能化处理，使其能够与目标分子相互作用。
2.2 探针设计基因芯片的核心是探针，探针的设计需要考虑以下几个因素：•序列选择：根据研究需要选择特定的目标序列，如基因、mRNA或蛋白质，以确定需要设计的探针。
•序列特异性：探针的序列应具有特异性，能够与目标序列特异结合，避免对非特异序列的杂交。
•探针长度：探针的长度应适中，一般在20-100个碱基对之间，以保证特异性和杂交效率。
•探针浓度：根据目标浓度确定探针的浓度，以保证探针与目标分子的充分结合。
2.3 芯片检测基因芯片的检测主要通过杂交实验和芯片扫描等步骤完成。
•杂交实验：将待测分子标记，与芯片上的探针进行杂交反应。
标记分子的种类多样，如荧光标记、辐射标记等。
•芯片扫描：使用适当的扫描仪读取芯片上杂交信号的强度和位置信息。
根据信号强度确定目标序列的表达水平或特定突变的存在。
3. 基因芯片的应用基因芯片具有高通量、高灵敏度和高准确性等特点，在生物学研究和临床医学诊断中有着广泛的应用。
3.1 基因表达分析通过测定基因芯片上的探针对应的mRNA水平，可以了解基因在不同组织、不同时间点或不同疾病状态下的表达水平变化。
这有助于揭示基因在生物学过程中的功能和调控机制。
恶性肿瘤的基因诊断和治疗
恶性肿瘤的基因诊断和治疗癌症是一种非常复杂且危险的疾病，它会给患者和其家庭带来极大的痛苦。
近年来，随着科技的不断发展，恶性肿瘤的基因诊断和治疗已经得到了巨大的进展。
本文将探讨基因诊断和治疗对于恶性肿瘤的治疗的重要性以及其背后的科技。
基因诊断基因诊断是一种关键的工具，它可以帮助医生确定癌症患者的基因缺陷和突变，从而更好地指导治疗计划。
目前，基因诊断主要有两种方法：基因测序和基因芯片。
基因测序是一种全面的基因诊断方法，它可以直接对DNA的序列进行测定。
基因测序的好处是可以检测所有的基因，但是它也有一些限制。
它需要大量的时间和金钱，因为每个患者的DNA都是不同的。
此外，它还需要从患者的肿瘤中提取DNA样本，对一些患者的恶性肿瘤来说，这可能是有困难的。
基因芯片是另一种常用的基因诊断方法，它是一种小型的DNA芯片，上面印刷有许多不同的DNA序列。
医生可以将患者的DNA样本与基因芯片进行接触并进行比较。
通过生成与正常人群的差异，基因芯片可以为患者提供一个更加详细、更加快速的诊断。
基因治疗基因治疗是一种全新的肿瘤治疗方法，它是通过改变细胞的基因来治疗肿瘤。
目前，基因治疗主要有三种方法：基因敲除、基因敲入和基因修饰。
基因敲除指的是将有问题或不健康的基因从人体中删除或关闭。
这种方法可以防止这些基因产生危险的蛋白质，从而减轻病痛。
基因敲入是将一个健康的基因序列插入到患者的DNA序列中。
这种方法可以使患者的身体产生健康的蛋白质，并且可以从根本上解决患者的肿瘤问题。
基因修饰是指将一个有问题的基因进行修改，从而使其产生出更健康的蛋白质。
这种方法可以帮助患者的身体产生更多的健康蛋白质，并且可以在短时间内产生比较显著的效果。
总结尽管恶性肿瘤治疗的方法有着诸多的挑战，但是随着科技的不断发展，基因诊断和治疗的方法也越来越多。
总的来说，基因诊断和治疗的方法可以提高恶性肿瘤的治疗效果，从而帮助患者的身体恢复健康。
在未来，基因诊断和治疗的方法将会得到更多的发展，并且有可能会成为主流的治疗方法。
基因芯片的原理和临床应用
基因芯片的原理和临床应用1. 引言基因芯片是一种用于检测和分析大量基因表达的工具，它在基因组学研究和临床诊断中起着重要的作用。
本文将介绍基因芯片的原理和其在临床应用中的重要性。
2. 基因芯片的原理基因芯片是一种微型实验室，在一个非常小的芯片上集成了数千到数百万个基因探针。
基因探针是一种能够与特定基因或RNA分子结合的DNA片段或RNA片段。
基因芯片通过检测这些基因探针与样本中的基因或RNA分子的结合程度，来确定基因表达水平的高低。
基因芯片通常包括两个主要部分：探针和样本。
探针是在芯片上固定的DNA或RNA片段，用于特异性识别样本中的基因或RNA分子。
样本是待检测的基因或RNA样品。
当样本与探针结合时，基因芯片可以精确地测量探针与样本中目标基因或RNA的结合程度。
这种结合程度的强弱可以反映基因的表达水平。
3. 基因芯片的工作流程基因芯片的工作流程可以分为以下几个步骤：3.1 采集样本首先，需要采集待检测的样本，样本可以是组织、血液、唾液等。
采集样本的同时，需要记录样本的相关信息，如年龄、性别、病史等。
3.2 样本预处理为了准确地检测基因表达水平，需要对样本进行预处理。
预处理包括样本的RNA或DNA提取、质量检测、纯化等步骤。
这些预处理步骤可以确保样本中的基因或RNA分子的完整性和纯度。
3.3 杂交反应杂交反应是基因芯片最关键的步骤之一。
在这一步骤中，样本中的RNA或DNA与芯片上的探针发生特异性结合。
这种结合通常发生在高温下，并伴随着一系列的洗涤步骤，以去除非特异性结合的分子。
3.4 荧光染色为了检测探针与样本中基因或RNA分子的结合程度，常常在芯片上采用荧光标记的方法。
荧光染料会与结合的探针形成复合物，并在芯片上产生荧光信号。
3.5 数据分析基因芯片的数据分析是整个基因芯片实验中最关键的一步。
数据分析包括信号强度的计算、背景噪声的去除、数据归一化等步骤。
通过这些步骤，可以生成基因表达矩阵，用于后续的数据挖掘和生物信息学分析。
基因芯片技术及其在生物医学中的应用
基因芯片技术及其在生物医学中的应用随着科技日益发展，基因芯片技术受到了越来越多的关注和重视，因为它可以对数万个基因进行分析，并在更短的时间内获取更准确的基因信息。
在现代生物医学领域中，基因芯片技术可以被应用到许多方面，如研究疾病的原因、制定诊断方案和治疗方案等。
一、基因芯片技术的原理基因芯片技术以小而微的芯片为载体，通过高通量的技术对芯片表面上的核酸探针进行检测，从而检查目标核酸（如DNA, RNA）的序列和表达谱。
这些芯片上一般会固定几万甚至几十万个寡核苷酸探针，用于检测样本中的基因、蛋白质、代谢物等。
二、基因芯片技术在疾病研究中的应用1. 研究肿瘤的发生和发展基因芯片技术可以用于研究肿瘤的发生和发展，它可以检测数千个基因的表达谱，并找到可能与肿瘤相关的基因。
这些信息可以帮助人们了解肿瘤的细胞生长、代谢、分化和凋亡等生理和病理过程，从而为研究肿瘤的治疗和预防提供重要的基础数据。
2. 帮助筛选新的药物靶标基因芯片技术可以帮助科学家筛选新的药物靶标。
例如，专家可以通过比较病人的肿瘤基因组和正常组织样本的基因组数据，找到与肿瘤相关的基因。
然后，研究人员可以进一步研究这些基因的功能，验证其与肿瘤形成过程的相关性。
这样，基因芯片技术可以帮助研究人员快速准确地找到可能用于开发新药物的分子靶标。
3. 帮助制定个性化医疗方案基因芯片技术也可以使用个体化医疗的方法。
通过使用基因芯片技术，医生可以获得患者的基因组数据，并根据这些数据来制定个性化的治疗方案。
例如，基因芯片可以检测基因突变和异常表达以确定治疗某种癌症所需的化疗药物，甚至可以在治疗开始之前查明是否存在的不良反应风险。
三、基因芯片技术在生殖医学中的应用1. 早期孕期检测基因芯片技术可以作为一种早期孕期检测手段，通过检测孕妇血液中游离DNA的含量来确定胚胎的健康状况，并预测是否存在胎儿染色体异常，如唐氏综合征等。
这种方法使用基因芯片可以快速、精确和无创地确定胚胎的染色体状态。
基因芯片
a基因表达的检测 b发现新基因 c基因多态性的检测 d作物杂交优势预测 e鉴别假冒伪劣种子
a在空间科学上的用途 采用生物芯片技术,许多研究工作就可以在太空 中进行,成本低,研究效果却非常好. b商品检验、检疫 针对商检的内容和对象的不同，检验、检疫基 因芯片可分为四种：食品卫生检验芯片、植物检验 芯片、动物检验芯片、转基因植物检测芯片。 c环境保护 检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、 动植物的污染和危害，同时也能够通过大规模的 筛选寻找保护基因、制备防治危害的基因工程药品 或能够治理污染源的基因产品。 d基因表达分析 e寻找新基因和基因功能研究
4完成了光敏保护试剂的全合成、对胸腺核苷 （T）5′﹣羟基的光敏保护N﹣酰基化和2′﹣脱 氧核苷的制备。
5开展了微型PCR装置、毛细血管电泳微芯片等方 面的研究工作，包括毛细血管制作、光学检测系统 温度控制系统等方面的研究工作。
中国的基因芯片的发展方向 1发展具有自主知识产权的高密度基因芯片制备的 关键技术，发展一个可进行高密度基因芯片加工基 因芯片的加工设备和工艺。 2发展和研制的基因芯片设计和分析软件。 3发展出高集成度的生物活性单元微阵列芯片，包 括DNA、PNA、多肽、蛋白质、病毒、细胞组和细 胞以及微小生物组织等生物活性微阵列芯片。玻片修饰技术、固定技术的研究， 以满足cDNA在不同修饰玻片上的高效率固定、杂 交的需要，成功地制作了每平方厘米超过25000点 的DNA芯片。 2多病毒基因检测芯片的研究，主要完成了4﹣6种 病毒基因的PCR共扩增、DNA探针的固化和简易 信号检测技术研究。 3高灵敏度的DNA芯片检测系统研究，现已初步建 立了DNA芯片检测仪，包括成像系统、软件和样品 平台等
一药物筛选 A 通过基因芯片的筛选，可以了解中药在基因水平 的调控机制，为中药的应用奠定坚实的理论基础。 B 通过基因芯片的筛选，能为中药的进一步开发和 设计提供理论指导，有利于研制单位重新组织中 药复方中的有效组分，得到专一性更强、疗效更 显著、毒性更低的新药。 C 基因芯片技术可以筛选药物的毒副作用和致畸 致突变作用。 意义：应用生物芯片来进行药物筛选寻找，查检药 物的毒性或副作用，用芯片做大规模的筛选研究可 以省略大量的动物试验，缩短药物筛选所用的时间 从而带动创新药物的研究和开发。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Stage 0 Tis N0 M0
• T2 Tumor > 2.0 cm –5.0 cm in greatest dimension
• T3 Tumor > 5.0 cm in greatest dimension
• T4 Tumor of any size with direct extension to chest wall or skin
• Precancerous and incipient（初始 的） lesions
• Molecular targets：Oncogenes, tumor suppressor genes & DNA repair genes
肿瘤的促进（promotion）
• Expansion of initiated cells • Repetitive process
肿瘤的发展（progression）
• 肿瘤组织浸润相邻组织 • 淋巴结转移和血道转移 • 远端转移
Apoptosis and Tumorigenesis
小结
• 肿瘤发生发展的三个阶段
基于基因表达谱的分子分型
• 为什么提倡利用分子水平进行肿瘤的分型？
肿瘤的一般临床学知识
• 肿瘤的诊断 肿瘤的临床分期（stage） 肿瘤的临床分级（grade） • 肿瘤的治疗 放疗 化疗 辅助治疗 靶点治疗
肿瘤的临床分期(stage)
• TNM分期 肿瘤的大小(T, tumor size) 肿瘤是否发生临近的淋巴结转移(N, node) 肿瘤是否有远处转移(M, metastasis)
乳腺癌 分 期
• Tis Carcinoma in site • T1 Tumor ≤ 2.0 cm in greatest dimension
Apoptosis
Senescence
Neoplasms Evolve in Multiple Steps
• Initiation: presumably occurs through irreversible or stable damage to DNA
• Promotion: an process bringing about a clonal expansion of initiated cells
肿瘤基因组学与基因芯片
第十讲
肿瘤的研究
• 美国1971年颁布国家癌症条例开始抗癌大 战
• 使癌症成为“慢性病”
Concept of Neoplasm（瘤）
“… is an abnormal mass of tissue, the growth of which exceeds and is uncoordinated with that of the normal tissues, and persists in the same excessive manner after cessation of the stimuli which evoked the change”
• N0 No regional lymph nodes metastasis
Stage I T1 Stage IIa T1
T2 Sபைடு நூலகம்age IIb T2
T3
N0 M0 N1 M0 N0 M0 N1 M0 N0 M0
• N1 Metastasis to moveable ipsilateral axillary node(s)(同侧腋下淋巴结)
Initiation & Promotion
Gr. 1 Gr. 2 Gr. 3 Gr. 4 Gr. 5 Gr. 6
= Initiator = Promoter
No tumor Tumor Tumor No tumor No tumor No tumor
Time
Initiation & Promotion Target Genes
Initiation & Promotion
• 致癌剂 • 肿瘤促进剂 • 低黄曲霉素B1Aflaloxin B1，高杀草强
Amitrole，砷和其化合物Arsenic & compounds，高三氧化二砷Arsenic trioxide，高三硫化砷Arsenic trisulfide，高 石棉Asbestos • 癌基因（如myc 、ras） • 需要反复刺激
• N2 Metastasis to ipsilateral axillary node(s) fixed to one another or other structures
• N3 Metastasis to ipsilateral internal mammary
Stage IIIa T1,2 N2 M0 T3 N1,2 M0
Stage IIIb T4 Any N M0 Any T N3 M0
node(s)
Stage IV Any T Any N M1
• M0 No distant metastasis
• M1 Distant metastasis (includes metastasis to ipsilateral supraclavicular（锁骨） lymph node(s)
Willis, 1952
Basic Biologic Features of Neoplasms
Differentiation
Abnormal Proliferation
Angiogenesis
Invasion
Oncogenic Lesion (e.g. RAS, MYC, E2F Activation)
• Progression: results when genetic instability leads to further mutagenic and epigenetic changes
肿瘤的发生（Initiation）
• Tumor initiation：Cooperative DNA lesions as common final pathway
问题：这样的分期是否准确反映了病人的预后情况？
肿瘤的临床分级(grade)
• 分级指标: 细胞的异常形态，细胞的恶性生长速度。 • 肿瘤细胞生长的分级: 1 到 3分别对应级别的低，