DNA微阵列(或芯片)技术原理及应用演示教学
DNA芯片的原理和应用
DNA芯片的原理和应用概述DNA芯片是一种用于分析和检测DNA序列的微芯片技术。
它采用高密度排列的DNA探针，能够迅速、准确地监测和识别DNA序列。
DNA芯片技术在生物学、医学和农业等领域具有广泛的应用前景。
原理DNA芯片的工作原理基于DNA的互补配对规则。
DNA芯片上存在着大量以已知DNA序列为基础的探针，这些探针能够与待检测样品中的DNA序列发生互补配对。
通过检测探针与样品中的DNA序列的结合情况，DNA芯片可以快速、准确地分析样品中的DNA信息。
具体的操作步骤如下：1.探针设计：首先需要设计合适的DNA探针，使其能够与待检测的DNA序列发生互补配对。
探针设计时需要考虑到探针的长度、碱基组成和互补配对的特异性。
2.样品处理：将待检测样品中的DNA提取、扩增、标记等处理，以便于与DNA芯片上的探针发生特异性的结合。
3.样品加工：将样品与DNA芯片上的探针进行反应。
通常采用液相杂交、固相杂交等方式使样品中的DNA序列与探针发生互补配对。
4.信号检测：通过光学、电化学等方式检测样品与探针结合的信号。
常见的检测方法有荧光检测、显色反应等。
5.数据分析：根据检测到的信号，分析样品中的DNA序列。
可以通过计算机技术对数据进行处理，进行DNA序列的测定、比对和注释。
应用DNA芯片技术在许多领域都有着广泛的应用。
以下列举了一些常见的应用领域：1.基因组学研究：DNA芯片可以用于对基因组的全面分析和研究。
通过检测样品中的DNA序列，可以分析基因的表达水平、变异情况等。
2.个性化医学：DNA芯片可以用于预测个体对药物的反应、预测疾病的风险等。
通过检测特定的DNA序列，可以为医生提供个性化治疗方案的依据。
3.人类遗传学研究：DNA芯片可以用于分析人类基因组中的遗传变异，探索基因与疾病之间的关联。
这对于研究复杂疾病的发病机制和治疗方法具有重要意义。
4.农业与植物育种：DNA芯片可以用于农作物的基因组分析和育种工作。
dna芯片的原理与应用
DNA芯片的原理与应用1. 什么是DNA芯片？DNA芯片是一种微阵列技术，它是一种实验室工具，用于检测和分析DNA分子的序列。
DNA芯片通过将数千或数百万个DNA片段固定在芯片表面上，提供了一种高通量、高效率的方法来研究DNA序列。
2. DNA芯片的原理DNA芯片主要包含了两部分：探针和检测芯片。
2.1 探针探针是DNA芯片上固定的DNA片段，它可以与待测样本中的DNA片段进行杂交反应。
探针的设计通常基于已知的基因序列或特定基因的已知变异情况。
探针的选择和设计是DNA芯片分析的关键步骤，它直接影响着芯片的灵敏度和特异性。
2.2 检测芯片检测芯片是DNA芯片上的芯片表面，它可以固定探针，并通过光学或电化学方法来检测杂交事件。
常见的检测方法包括荧光染料标记、射频标记等。
当待测样本中的DNA片段与探针杂交后，可以通过检测芯片上的信号来判断杂交事件的发生。
3. DNA芯片的应用DNA芯片在生物学和医学领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面。
3.1 基因表达分析DNA芯片可以用于研究基因的表达模式。
通过将不同组织或条件下的RNA提取出来，转化成cDNA，并标记上荧光标记物，然后与DNA芯片进行杂交反应。
通过检测芯片上的信号强度，可以确定不同基因的表达水平，从而了解基因在不同组织或条件下的活动情况。
3.2 基因突变检测DNA芯片可以用于检测基因的突变情况。
通过设计与突变位点相互匹配的探针，可以快速、高通量地检测基因的突变情况。
这对于研究遗传病的发生机制、个体基因信息的筛查等具有重要意义。
3.3 疾病诊断和预后DNA芯片可以用于疾病的早期诊断和预后评估。
通过检测芯片上与特定疾病相关的基因或基因组区域，可以提供疾病的分子诊断指标。
例如，在肿瘤领域，通过检测肿瘤相关基因的表达水平，可以为患者提供个体化的治疗方案。
3.4 药物研发DNA芯片在药物研发中也起到了重要的作用。
通过将不同药物作用下的基因表达模式与DNA芯片进行比较，可以筛选出与药物治疗反应相关的基因。
基因芯片的操作流程及步骤 ppt课件
目前美国Affymetrix公司已有同时检测6,500个已知人类基 因的DNA芯片，并且正在制备含500,000-1,000,000个寡核苷酸 探针的人类基因检测芯片。该公司每月投入基因芯片研究的经 费约100万美元。该产品不仅可用于基因表达分析和基因诊断 等，而且在大规模药物开发方面也具有诱人的前景。
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4.我国主要研究单位
• 中科院遗传所人类基因组中心 • 北京大学 • 联合基因集团有限公司
我国第一家批量生产基因 芯片 拥有近2千条基因药物发明专利
• 东南大学吴健雄实验室 • 中科院计算所生物信息学实验室 • 上海生科院
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我国基因芯片的研究现状
• 目前，我国尚未有较成型的基因芯片问世，但据 悉已有几家单位组织人力物力从事该技术的研制 工作，并取得了一些可喜的进展。标志着我国相 关学科与技术正在走向成熟。
• 涉及领域：生命科学、计算机科学、精密机械科 学
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生物芯片分类
• 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（functionbiochip）。
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6400点的基因芯片
（面积 12X14 mm)
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基因芯片（gene chip）的原理
25ppt课件原理通过杂交检测信息一组寡核苷酸探针tatgcaatctagcgttagatacgttagaatacgttagatctacgttag由杂交位置确定的一组核酸探针序列gttagatc杂交探针组tatgcaatctag重组的互补序列靶序列tacgttagacgttagaatacgttacgttagatgttagatcatacgtta26ppt课件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结果分析探探针设计杂交27ppt课件提出问题芯片设计芯片制作点样方法在片合成试样处理芯片杂交杂交检测数据分析实际应用pcr扩增靶基因标记表达差异分析多态性分析再测序生物信息学数学优化数据库基因芯片的相关技术示意图28ppt课件二基因芯片基本操作流程?制备总rnamrna经rtpcr用cy3正常对照组和cy5实验组荧光标记目的基因得到cdna探针混合标记探针与表达谱芯片上核苷酸片段或基因杂交扫描分析杂交结果结论?载体寡核苷酸探针分子荧光染料点样仪扫描仪计算机专业软件29ppt课件基基因芯片流程样品制备芯片制备杂交杂交信号检测数据分析30ppt课件基因芯片的操作流程31ppt课件基因芯片流程一1
DNA芯片技术的原理与应用
基因测序：大规模、高通量基因 测序推动基因组学研究
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药物研发：加速药物筛选和研发 降低研发成本
个性化医疗：根据个体基因信息 制定个性化治疗方案提高治疗效 果
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汇报人：
阵列
化学合成技术： 通过化学合成 方法制造DN
片段
生物合成技术： 利用生物合成 方法制造DN
片段
芯片检测技术： 利用荧光标记 技术检测DN 芯片上的DN
片段
DN芯片上的分子识别机制
原理：利用DN分子与互补DN 分子之间的特异性结合
过程：将待测DN分子与芯片上 的DN探针进行杂交形成双链 DN
检测：通过荧光标记或电化学 方法检测杂交信号
技术挑战：DN芯片技术需要高精度、高灵敏度的检测设备以及复杂的数据 处理和分析方法。
成本挑战：DN芯片技术的研发和生产成本较高需要投入大量的资金和人力 资源。
应用挑战：DN芯片技术在临床诊断、药物研发等领域的应用还需要进一步 推广和普及。
解决方案：通过技术创新降低成本提高检测精度和灵敏度；加强与医疗机 构、制药企业的合作推动DN芯片技术的应用和普及。
基因组测序
原理：利用DN芯片技术对基因组进行测序 应用：用于研究基因突变、遗传病、肿瘤等 优势：快速、准确、成本低 挑战：数据量大需要强大的数据处理能力
药物筛选与个性化医疗
DN芯片技术在药物筛选中的应用：通过检测基因表达水平筛选出有效的药物 个性化医疗：根据患者的基因信息制定个性化的治疗方案 药物基因组学：研究基因与药物反应之间的关系为个性化医疗提供科学依据 药物研发：通过DN芯片技术加速药物研发进程降低研发成本
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DN芯片技术的优势与挑战
dna芯片基本原理
dna芯片基本原理
DNA芯片，也被称为基因芯片或微阵列，是基于DNA碱基配对和互补的
基本原理，通过将DNA或RNA分解为一系列碱基数固定交错且重叠的寡
核苷酸并进行测序，然后进行序列拼接。
具体来说，其基本原理和步骤如下：
1. 待测基因的酶切：将待测基因切割成不同长度的片段。
2. 荧光标记：对切割后的基因片段进行荧光定位标记。
3. 杂交：标记的基因片段与DNA芯片上的寡核苷酸探针进行杂交。
4. 扫描和检测：应用激光共聚焦荧光显微镜扫描芯片，由于生物标记受激光激发后发出荧光，并且其强度与杂交程度有关，可以获得杂交的程度和分布。
5. 结果分析：根据探针的位置和序列，可以确定靶序列相应基因的序列或表达及突变情况。
以上步骤完成后，就可以通过分析杂交结果来反映样品中基因表达的情况，并根据探针的样品量进行计算。
在一张DNA芯片上，探针的数量与芯片的设计和制作方法有很大的关系，一般都是采取在一张芯片上杂交两种样本，这样可以避免不同芯片产生的误差。
以上信息仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询生物学家。
DNA芯片的原理及应用
DNA芯片的原理及应用1. DNA芯片的基本原理DNA芯片（DNA microarray chip）是一种用于检测DNA序列的高通量技术。
它利用固定在芯片表面的DNA探针与样品中的DNA序列发生特异性的杂交反应，从而实现对目标DNA序列的检测和分析。
DNA芯片的基本原理如下：1.芯片制备：首先，将DNA探针序列固定在玻璃片或芯片表面。
DNA探针可以是特定基因的特异性序列或全基因组的代表性序列。
2.样品制备：将待检测的DNA样品进行提取和纯化，获得纯化后的DNA。
3.DNA杂交：将经纯化的DNA样品与固定在芯片表面的DNA探针进行杂交反应。
通过互补配对，目标DNA序列与探针DNA序列发生特异性的结合。
4.信号检测：利用荧光或其他标记物，检测芯片表面的杂交信号。
杂交信号的强弱可以反映目标DNA序列在样品中的相对含量。
5.数据分析：对芯片上的信号进行图像分析和数据处理，得出目标DNA序列在样品中的相对含量和相关的生物信息。
DNA芯片的基本原理简单明了，其优势在于能够在一个实验中快速、高通量地检测大量的DNA序列。
2. DNA芯片的应用DNA芯片具有广泛的应用领域，下面将从生物医学、农业和环境等方面进行介绍。
2.1 生物医学领域在生物医学领域，DNA芯片可以用于以下方面：•基因表达分析：通过检测不同组织、不同状态下的基因表达谱，揭示细胞功能和疾病发生机制。
•突变检测：对特定基因进行突变检测，用于遗传性疾病的筛查和诊断。
•药物筛选：通过检测药物对基因表达的影响，评估药物的疗效和副作用。
•肿瘤分类和预后评估：通过检测肿瘤组织的基因表达谱，对肿瘤进行分类和评估预后。
2.2 农业领域在农业领域，DNA芯片可以用于以下方面：•育种优化：通过检测不同基因型植物品种的基因表达谱，优化育种方案，提高农作物的产量和品质。
•种子质量评估：通过检测种子中的基因表达谱，评估种子的质量和发芽能力。
•病原体检测：通过检测病原体的DNA序列，快速准确地检测和鉴定农作物病害。
教学课件第十三章DNA芯片技术
第三节 DNA芯片技术的应用
DNA测序；杂交测序（SBH） 基因表达分析：
基因组研究：作图、测序、和检测与疾病相关的基因 及在RNA水平上检测致病基因的表达
药物研究与开发：
cDNA microarray expression patterns of small (S) and large (L) neurons
2.压电打印法
压电毛细管喷射器 产率较高
喷墨打印技术
Syringe Pump
Reservoir
Switching Valve
Connecting Tubing
High-Speed MicroSolenoid Valve
Removable Tip Orifice
Controller
（三）DNA微集阵列的制备 方式：预先合成DNA或制备基因探针然后
产率较低
原位合成(In Situ Synthesis)
Light directed oligonucleotide synthesis.
A solid support is derivatized with a covalent linker molecule terminated with a photolabile protecting group. Light is directed through a mask to deprotect and activate selected sites, and protected nucleotides couple to the activated sites. The process is repeated, activating different sets of sites and coupling different bases allowing arbitrary DNA probes to be constructed at each site.
DNA芯片技术及其应用
DNA芯片技术及其应用DNA芯片（又称基因芯片）技术是指通过微矩阵技术将高密度DNA片段阵列采用特殊的手段, 将D N A 分子以一定的顺序或排列方式使其附着在如玻璃片固相表面，以荧光标记的DNA探针，借助碱基互补杂交原理，进行大量的基因表达及监测等方面研究的最新革命性技术。
DNA芯片技术的特点是自动化程度高, 灵敏度高, 效率高, 能同时进行大规模的搜索式研究, 而且成本低, 污染小, 操作空间小【1】。
本文阐述了DNA 芯片技术及其广泛应用。
1.DNA芯片技术的原理DNA芯片技术的基本原理是：将大量探针分子固定于固相支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强弱来判断样品中靶分子的数量。
它基于荧光标记的靶序列与多重限定的探针杂交，而探针在固相支持物上有指定的位点。
荧光标记的片段结合于它们的配体上，发射光的强度可通过氩离子激光估计【2】。
DNA芯片操作的简单步骤为:支持物的处理；探针的制备；点样；样品的制备；样品的标记；样品的杂交；杂交结果的检测【3】。
2.DNA芯片技术的应用1）基因表达中的应用DNA芯片已经被许多研究团体用来解决各种与基因表达相关的研究问题。
Benedetti报道了DNA芯片技术不仅用于人类疾病发展过程中基因点突变、缺失和插入突变的检测，还可确定肿瘤组织中基因表达模式【4】。
2) 基因表达谱的研究的应用DNA芯片技术的快速发展极大地推动了病原微生物相关研究的进展。
Helmann 等研究了热休克状态下枯草芽孢杆菌的表达谱，发现100 多个上调基因，大部分是一个由sigma B 因子控制的通用压力反应调控子的成员，其他则受HrcB 或CstB 热休克调控子控制；同时通过对受控基因相邻基因的序列分析，预测了70 个新的Sigma B 因子调控子成员【5】。
3）微生物检测的应用利用DNA芯片进行疾病的诊断是目前芯片在医学中的主要应用之一。
针对各种病原体制作的诊断DNA芯片已开始商品化。
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DNA微阵列(或芯片)技术原理及 应用
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LOGO 1 概念理论
DNA微阵列或芯片是指在大规模集成电路所控制的 机器人在尼龙膜或硅片固相支持物表面，有规律 地合成成千上万个代表不同基因的寡核苷酸“探 针”，或液相合成探针后由阵列器（arrayer）或 机器人点样于固相支持物表面.这些“探针”可与 用放射标记物如32P或荧光物如荧光素、丽丝胺等 标记的目的材料中的DNA或cDNA互补核酸序列相结 合，通过放射自显影或激光共聚焦显微镜扫描后 ，对杂交结果进行计算机软件处理分析，获得杂 交信号的强度及分布模式图，以此反映目的材料 中有关基因表达强弱的表达谱.
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LOGO 3.4 DNA序列测定
❖ 虽然Sanger、Maxan、Gilbert均有其标准的 DNA测序方法，但对HGP这类大范围的测序 工作已显过时，而用DNA微阵列或芯片快速测 定待测DNA序列则具有十分诱人的前景 .Pease等阐述了该方法的原理并指出它是在人 类遗传学、诊断学、病理检测及DNA分子识别 等方面发挥作用的强有力工具.Hacia等用含有 48 000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑 猩猩和人BRCA1基因序列差异，结果发现在 外显子11约3.4kb长度范围内的核酸序列同源 性在98.2%至83.5 %之间,高度提示了二者 在进化上的相似性.
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2.2 液相探针的合成及在固相表面的 排列
由已知基因序列在液相中化学合成寡核苷酸链 探针，或通过PCR技术扩增已知基因的编码区 部分序列，或克隆的基因组片段，均需通过纯 化产物后再定量分析.再由具有多个微细加样 孔的阵列复制器（arraying and replicating device,ARD）或阵列机（arrayer）及由电脑 控制的机器人，准确、快速地将不同探针样品 定量点样于带正电荷的尼龙膜或预处理好的硅 片相应位置上，再由紫外线胶联固定后即得到 DNA微阵列或芯片
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而每次所添加的脱氧核酸是由“面具”上的顺 序所决定的,而后者又是由计算机根据设计者 需要所控制的,因此一个限定长度的寡核苷酸 则排列在预定位置上.对于N个碱基的探针，需 4N个化学合成循环步骤可达到4n个探针数，如 探针长度为4个碱基，化学合成循环步骤为16 次,探针数为256个；如探针长度为8个碱基， 则合成循环需32步即可达到65 536个探针.这 些探针在不同的照相平板印刷分辨率作用下, 可在单位面积上合成不同的位点数.如分辨率 为200 μm，合成密度为2 500个位点/cm2 ， 如分辨率为20 μm，合成密度为250 000个位 点/cm2等，由此构成高密度寡核苷酸微阵列
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LOGO 2.3 探针的杂交和检测
DNA微阵列或芯片用于检测基因表达、多态性 或突变等实际上是一种反向斑点杂交技术.代 表不同待检测基因的“探针”被固定于微阵列 或芯片上，而被检测核酸DNA或由mRNA逆转录 而来的cDNA群体用放射性32P/33P或荧光物标 记后与固相阵列杂交.如被检测核酸中有与阵 列上“探针”互补的序列存在，则二者以氢键 结合.在被检测核酸浓度、温度、缓冲液及盐 浓度等相同条件下,结合在“探针”上的被检 测核酸量与其碱基构成和靶-探针匹配的量所 决定.对于一个相同长度的探针, GC含量较高
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LOGO 2 DNA微阵列或芯片的制作和原理
2.1 固相表面高密度寡核苷酸探针的合成 及排列
采用光导化学合成和照相平板印刷技术可在硅 片表面合成寡核苷酸探针，如图1.当光通过照 相平板印刷的“面具”到达固相合成特定区域 时,则激活这些区域内的酶底物（如α-甲基-6氮胡椒酮甲羰基）,而产生自由羟基和使受光 保护的基团去除,继而脱氧核酸盐通过化学连 接键添加于去保护位点上;当光通过另一个新 的“面具”到达酶底物的另一个区域发生同样 反应,如此循环直到所需要的核酸全部被合成.
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LOGO 2.3 探针的杂交和检测
的与靶结合的强度高于AT含量较高者,靶-探针 完全匹配者结合强度远高于二者间存在不匹配、 插入或缺失.结合在“探针”上的被检测核酸 可通过放射自显影或激光共焦显微镜检测杂交 信号强弱和分布,再通过计算机软件处理分析, 得到有关基因的表达谱.
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LOGO 3.2 寻找可能致病基因或疾病相关基 因
❖ 用cDNA微阵列技术通过比较组织细胞基因的 表达谱差异，可以发现新的可能致病基因或疾 病相关基因
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LOGO 3.3 基因点突变及多态性检测
❖ 根据已知基因的序列信息可设计出含有成千上 万个不同寡核苷酸探针的DNA芯片，再用荧光 标记待测DNA，如二者完全匹配则杂交后结合 牢固荧光强度高，如不全匹配则荧光强度弱或 无.由此可判断点突变的存在与否及部位和个 数.根据这一原理如对N个碱基长度序列的每个 碱基进行筛查，则需4×N个探针即可.
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LOGO 3 应用 3.1 基因表达水平的检测
❖ DNA微阵列或芯片应用于基因表达水平检测的 最大优越性是可自动、快速检测目的材料中成 千上万个基因的表达情况. DNA微阵列或芯片 技术已在某些植物、细菌、真菌的整个基因组 范围内对各基因表达水平进行快速的检测.而 在HGP完成之后，用于检测在不同生理、病理 条件下的人类所有基因表达变化的基因组芯片 为期定不会遥远。
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LOGO 4 展望
❖ DNA微阵列或芯片几乎可用于所有核酸杂交技 术的各个方面,而在同时比较各组织或同一组 织在不同状态下上成千上万个基因的表达状况、 DNA序列分析等方面具有更大的优越性.有人誉 赞“微阵列技术铺平了通往21世纪的医学之 路”，美国在该技术的方法与应用上召开过两 次会议，并得到克林顿总统在国会演讲上的赞 赏与肯定, 目前全美已有25家公司投身于该技 术的研制与开发.相信在不久的将来，DNA芯片 或微阵列技术将会广泛应用于基础及临床医学 各个方面，而发挥出巨大的经济、社会效益.