基因芯片数据预处理过程
基因芯片的操作流程及步骤ppt课件
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。
生物芯片的制作步骤
细胞
对mRNA进行标记 杂交
基因表达资料
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
基因芯片研制的总体蓝图
检测样品 的制备
获取样品分子的 数量和序列信息
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
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。
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
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
基因芯片数据预处理过程
基因芯片数据预处理过程
基因芯片数据预处理是指对原始基因芯片数据进行处理、清洗和标准化的过程。
下面是基因芯片数据预处理的主要步骤：
1. 数据导入和存储：将基因芯片数据从原始格式导入到计算机中，并确定存储格式，如矩阵形式。
2. 数据清洗：去除无效数据、缺失数据、异常值和重复数据，以确保数据的质量和一致性。
3. 数据标准化：由于基因芯片数据通常具有不同的量级和分布，需要对数据进行标准化，以便在后续的分析中比较和综合不同样本或基因的表达数据。
常用的标准化方法有Z-score标准化
和最大最小值归一化等。
4. 数据变换：对数据进行变换，以满足统计分析的假设前提。
常见的变换方法包括对数变换、幂变换和Box-Cox变换等。
5. 数据分割：将数据按照实验组和对照组分割，以便在差异分析中进行比较。
6. 批次效应校正：由于实验过程中可能存在批次效应，即同一批次下的样本可能具有相似的表达模式，因此需要对数据进行批次效应校正，以消除批次效应对差异分析的影响。
7. 基因筛选：基因芯片数据通常包含大量的基因，为了减少多重比较问题和提高模型的可解释性，需要对基因进行筛选，选
择具有显著差异表达的基因进行后续分析。
8. 数据集成和整合：将不同芯片平台或实验中得到的数据进行整合，以增加样本量和数据的可靠性。
以上是基因芯片数据预处理的一般步骤，根据具体的研究目的和数据特点，可能还会有其他特定的处理方法。
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。
芯片数据预处理方法
2.3 提取表达值
由于芯片数据的小样本和大变量的特点，导致数据分布呈偏态、标准差大。 对数转换能使上调、下调的基因连续分布在0的周围，更加符合正态分布，同时 对数转换使荧光信号强度的标准差减少，利于进一步的数据分析。
cDNA芯片：对双通道数据使用Cy5（红）和Cys3（绿）两种荧光标记分别标记 case和control样本的cDNA序列。扫描仪采用两种波长对基因芯片的图像进行扫 描，根据每个点的光密度值计算相对应的绝对表达量(intensity)；然后图像分 析软件通过芯片的背景噪音以及杂交点的光密度分析，对每个点的intensity校 准，利用Cy5/Cy3的值获取case与control组不同基因的表达值ratio（（R/G ratio）；一般选择以2为底的对数转化数据，比如R/G=1，则 log2R/G=0，即认 为表达量没有发生变化，当R/G=2 或者，R/G=0.5，则log值为1 或–1，这是可 以认为表达量都发生两倍的变化。
信号检测与分析
基因芯片的实验流程（双通道）
单通道/双通道基因芯片实例
基因芯片数据分析：对从基因芯片高密度杂交点阵图中提取 的杂交点荧光信号进行定量分析，通过有效数据筛选和相关基因 表达谱聚类，发现基因的表达谱和功能之间的联系。
杂交完成后，要对基因芯片进行“读片”，即应用激光共聚焦荧光扫 描显微镜，对基因芯片表面的每个位点进行检测。
对数据的删除，通常是删去所在的列向量或行向量。一个比较常用的做法是，事 先定义个阈值M。若行（列）向量中的缺失数据量达到阈值M，则删去该向量。若未 达到M，有两种方法处理，一是以0或者用基因表达谱中的平均值或中值代替，另一 个是分析基因表达谱的模式，从中得到相邻数据点之间的关系，据此利用相邻数据点 估算得到缺失值（类似于插值）。填补缺失值（ k临近法）：利用与待补缺基因距离 最近的k个临近基因的表达值来预测待填补基因的表达值。根据邻居基因在样本中的 加权平均估计缺失值。
基因芯片（Affymetrix）分析2：芯片数据预处理
基因芯片（Affymetrix）分析2：芯片数据预处理基因芯片技术的特点是使用寡聚核苷酸探针检测基因。
前一节使用ReadAffy函数读取CEL文件获得的数据是探针水平的（probe level），即杂交信号，而芯片数据预处理的目的是将杂交信号转成表达数据（即表达水平数据，expression level data）。
存储探针水平数据的是AffyBatch类对象，而表达水平数据为ExpressionSet类对象。
基因芯片探针水平数据处理的R软件包有affy, affyPLM, affycomp, gcrma等，这些软件包都很有用。
如果没有安装可以通过运行下面R语句安装：Affy芯片数据的预处理一般有三个步骤：•背景处理（background adjustment）•归一化处理（normalization，或称为“标准化处理”）•汇总（summarization）。
最后一步获取表达水平数据。
需要说明的是，每个步骤都有很多不同的处理方法（算法），选择不同的处理方法对最终结果有非常大的影响。
选择哪种方法是仁者见仁智者见智，不同档次的杂志或编辑可能有不同的偏好。
1 需要了解的一点Affy芯片基础知识Affy基因芯片的探针长度为25个碱基，每个mRNA用11~20个探针去检测，检测同一个mRNA的一组探针称为probe sets。
由于探针长度较短，为保证杂交的特异性，affy公司为每个基因设计了两类探针，一类探针的序列与基因完全匹配，称为perfect match（PM）probes，另一类为不匹配的探针，称为mismatch （MM）probes。
PM和MM探针序列除第13个碱基外完全一样，在MM中把PM的第13个碱基换成了互补碱基。
PM和MM探针成对出现。
我们先使用前一节的方法载入数据并修改芯片名称：用pm和mm函数可查看每个探针的检测情况：上面显示的列名称就是探针的名称。
而基因名称用probeset名称表示：名称映射时会看到。
基因芯片数据处理流程与分析介绍
基因芯片数据处理流程与分析介绍关键词：基因芯片数据处理当人类基因体定序计划的重要里程碑完成之后，生命科学正式迈入了一个后基因体时代，基因芯片(microarray) 的出现让研究人员得以宏观的视野来探讨分子机转。
不过分析是相当复杂的学问，正因为基因芯片成千上万的信息使得分析数据量庞大，更需要应用到生物统计与生物信息相关软件的协助。
要取得一完整的数据结果，除了前端的实验设计与操作的无暇外，如何以精确的分析取得可信数据，运筹帷幄于方寸之间，更是画龙点睛的关键。
基因芯片的应用基因芯片可以同时针对生物体内数以千计的基因进行表现量分析，对于科学研究者而言，不论是细胞的生命周期、生化调控路径、蛋白质交互作用关系等等研究，或是药物研发中对于药物作用目标基因的筛选，到临床的疾病诊断预测，都为基因芯片可以发挥功用的范畴。
基因表现图谱抓取了时间点当下所有的动态基因表现情形，将所有的探针所代表的基因与荧光强度转换成基本数据(raw data) 后，仿如尚未解密前的达文西密码，隐藏的奥秘由丝丝的线索串联绵延，有待专家抽丝剥茧，如剥洋葱般从外而内层层解析出数千数万数据下的隐晦含义。
要获得有意义的分析结果，恐怕不能如泼墨画般洒脱随兴所致。
从raw data 取得后，需要一连贯的分析流程(图一)，经过许多统计方法，才能条清理明的将raw data 整理出一初步的分析数据，当处理到取得实验组除以对照组的对数值后(log2 ratio)，大约完成初步的统计工作，可进展到下一步的进阶分析阶段。
图一、整体分析流程。
基本上raw data 取得后，将经过从最上到下的一连串分析流程。
(1) Rosetta 软件会透过统计的model，给予不同的权重来评估数据的可信度，譬如一些实验操作的误差或是样品制备与处理上的瑕疵等，可已经过Rosetta error model 的修正而提高数据的可信值；(2) 移除重复出现的探针数据；(3) 移除flagged 数据，并以中位数对荧光强度的数据进行标准化(Normalized) 的校正；(4) Pearson correlation coefficient (得到R 值) 目的在比较技术性重复下的相似性，R 值越高表示两芯片结果越近似。
基因芯片的操作流程及步骤
02
基因芯片操作流程
基因芯片的设计与制备
01
02
03
确定目标基因
根据研究目的，确定需要 检测的目标基因或基因组 区域。
设计探针
根据目标基因序列，设计 特异性捕获探针，确保探 针的特异性、灵敏度和稳 定性。
制备芯片
将探针合成并固定在芯片 基质上，形成基因芯片。
样本准备
样本收集
采集待检测样本，如组织、 血液、细胞等。
背景校正
通过特定的算法和技术，对基因芯片中的背景信号进行校正，排除非特异性信号和背景 噪声的干扰，提高数据的准确性和可靠性。
数据分析与结果解读
数据分析
运用统计分析、机器学习等方法，对基 因芯片数据进行深入分析，包括差异表 达基因的筛选、基因功能注释、通路富 集分析等。
VS
结果解读
根据分析结果，结合生物学知识和文献资 料，对基因表达谱进行解释和推理，揭示 基因之间的相互作用和调控关系，为后续 实验提供理论依据和指导。
06
应用实例
基因表达谱分析
目的
了解不同组织或不同生长条件下基因的表达情况，寻找差异表达基 因。
操作步骤
提取组织或细胞的总RNA，逆转录为cDNA，将cDNA标记后与基 因芯片进行杂交，洗涤、检测并分析结果。
注意事项
确保RNA质量、标记效率和杂交条件的优化。
单核苷酸多态性检测
目的
检测基因组中单核苷酸的变异，如SNPs，了解遗传变异与疾病的 关系。
交，洗涤、检测并分析结果。
注意事项
03
确保DNA标记效率和杂交条件的优化，注意控制实验条件和背
景噪音。
THANKS
感谢观看
核酸提取
从样本中提取出所需的核 酸（DNA或RNA）。
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。
基因芯片的操作流程及步骤
基因芯片的操作流程及步骤基因芯片是一种用于检测和分析基因表达的高通量技术。
它能够同时检测上万个基因，在生物医学研究、生物工程和临床诊断等领域具有重要的应用价值。
基因芯片的操作流程主要包括前处理、杂交、显像和数据分析等步骤。
下面是详细的操作流程及各步骤的介绍。
1.前处理：a.提取RNA：从细胞或组织中提取总RNA，可以使用常规的酚/氯仿法或者商业化的RNA提取试剂盒等方法。
b.反转录：使用反转录酶将RNA逆转录成cDNA，以便进一步扩增和检测。
这一步骤可以使用随机引物或专用的引物结合反转录酶进行。
2.样品标记：a.样品标记：将cDNA样品标记为荧光基团，例如使用荧光染料dCTP 或其他标记物。
b.去除杂交物：通过水解或其他方法去除未反应的标记试剂，并纯化标记后的cDNA样品。
3.制备探针：a.设计探针：选择适当的探针序列，通常是与待检测基因的特定片段互补的DNA片段，用于检测基因表达。
b.生产探针：使用DNA合成技术或PCR等方法合成大量的探针，通常是固定在玻片上的寡核苷酸序列。
4.杂交：a.样品混合：将标记后的cDNA样品与探针混合，可以加入包含缓冲液、杂交解聚剂等的杂交液。
b.杂交反应：在恒温条件下，将混合物进行杂交反应，使探针与标记的cDNA靶标发生互补反应，形成探针-靶标复合物。
5.洗涤：a.洗涤：使用一系列含有不同浓度盐或洗涤缓冲液的溶液，去除没有结合的或非特异结合的探针-靶标复合物。
b.除去二级结构和非特异结合：使用高盐浓度的洗涤缓冲液或其他特定条件洗涤，去除可能形成的非特异结合和二级结构。
6.显像：a.扫描：使用光学设备测量芯片上的荧光强度，将探针-靶标复合物的检测结果转化为数字信号。
b.校准：对每个荧光信号进行校准，以消除技术偏差和背景噪声。
7.数据分析：a.数据提取：将荧光强度数据转化为基因表达的相对量，通常是使用专门的数据分析软件进行。
b.统计分析：使用统计学方法对基因表达数据进行分析，包括聚类分析、差异表达分析和信号通路分析等。
基因芯片的操作流程及步骤
结合患者的基因组信息，基因芯片技术可以 实现疾病的精准诊断，为后续治疗提供指导 。
个性化治疗方案设计
通过分析患者的基因变异信息，可以为每位患者量 身定制个性化的治疗方案，提高治疗效果。
预后评估
基因芯片技术可用于评估患者的预后情况， 为医生制定后续治疗方案提供参考。
06
基因芯片技术挑战与展望
固定化效果检测
通过荧光标记等方法检测 探针的固定化效果，确保 芯片质量。
探针合成与标记
01
探针合成
根据设计序列，通过化学合成方 法合成探针，并进行纯化和质量 控制。
探针标记
02
03
标记效果检测
将合成好的探针进行荧光标记或 其他标记，以便于后续的信号检 测。
通过荧光扫描仪等设备检测探针 的标记效果，确保标记成功且均 匀。
VS
意义
基因芯片技术的出现和发展为生命科学研 究和医学诊断等领域带来了革命性的变革 。它不仅提高了检测效率和准确性，还为 我们提供了更加全面和深入的基因信息， 有助于揭示生命活动的本质和规律，为疾 病的预防、诊断和治疗提供更加有效的手 段。
02
基因芯片制备流程
芯片设计与制造
芯片类型选择
根据实验需求，选择合适的芯片类型，如cDNA芯 片、寡核苷酸芯片等。
质量控制与标准化管理
1 2
实验设计
制定合理的实验设计方案，包括样本选择、实验 重复次数等，以确保实验结果的可靠性和可重复 性。
标准化操作
建立标准化的实验操作流程和质量控制标准，确 保实验过程中各项操作的准确性和一致性。
3
数据质量评估
采用多种方法对实验数据进行质量评估，如信噪 比、动态范围、重复性等指标，以确保数据的准 确性和可靠性。
- 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)。
基因芯片数据预处理过程
一、引言
基因芯片是一种高通量的生物技术工具，可以用于同时检测和分析大量基因的表达水平、突变状态或基因组的DNA甲基化等信息。
然而，原始的基因芯片数据常常存在噪音干扰、背景信号、批次效应等问题，因此需要进行预处理以提高数据质量和可靠性。
本文将介绍基因芯片数据预处理的一般过程。
二、数据质量控制
基因芯片数据预处理的第一步是对数据进行质量控制。
这包括对原始数据进行质量评估、样本间和芯片间的一致性检验、检测异常值和缺失值等。
通过这些步骤可以排除数据中的异常样本或异常数据点，保证后续分析的准确性和可靠性。
三、背景校正和归一化
基因芯片数据中常常包含了背景信号，这是由芯片材料、杂交实验等因素引起的非特异性信号。
为了排除这些背景信号的影响，需要进行背景校正。
常用的方法有全局背景校正和局部背景校正。
全局背景校正是通过对所有探针的背景信号进行估计和减法来实现的，而局部背景校正则是根据每个探针的邻近探针计算出背景信号并进行减法。
背景校正后，还需要进行归一化处理，以消除不同芯片、批次和实验之间的技术差异。
常用的归一化方法有全局归一化和局
部归一化。
四、探针注释和基因表达估计
基因芯片中的探针与具体基因之间的关系需要进行注释，以确定每个探针对应的基因。
注释的过程可以借助公开数据库和基因注释软件来实现。
完成注释后，可以通过一定的统计模型和算法来估计基因的表达水平。
常用的方法有基于强度的表达估计和基于比例的表达估计。
五、差异分析和功能富集
基因芯片数据预处理后，可以进行差异分析来寻找在不同样本或条件下表达差异显著的基因。
差异分析的方法有很多，包括t检验、方差分析、贝叶斯方法等。
差异分析得到的显著差异基因可以进一步进行功能富集分析，以了解这些基因在生物学功能和通路上的富集情况。
六、数据可视化和结果解释
基因芯片数据预处理的最后一步是将结果进行可视化展示，并进行解释和分析。
通过数据可视化可以直观地了解数据的分布、差异和模式，辅助研究人员进行结果解释和进一步的研究设计。
常用的可视化方法包括散点图、箱线图、热图等。
七、总结
基因芯片数据预处理是基因芯片分析的重要环节，通过对原始数据
进行质量控制、背景校正、归一化、探针注释、基因表达估计、差异分析和功能富集等处理，可以提高数据的可靠性和可解释性，为后续的生物学研究提供有力的支持。
在进行基因芯片数据预处理时，需要根据具体的研究目的和数据特点选择合适的方法和工具，同时注意数据的质量评估和结果的解释。
通过规范的预处理过程，可以更好地挖掘基因芯片数据中的生物学信息，为生命科学研究提供有益的帮助。