基因芯片讲义
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。
生物信息学和基因芯片PPT讲稿
• 基因芯片的制备中支持物有多种，如玻片、硅片、聚
丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。
片基
钢性片基如玻片、半 导体硅片等
薄膜片基如 NC、 Nylon 膜等
探针固定方式
原位合成（in situ synthesis）
预先合成后点样 (off-chip synthesis)
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。
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• 3、感染性疾病的诊断
• 利用基因芯片对一些感染性的疾病疾病如HIV的诊断现
已成为事实。
• 4、耐药菌株和药敏检测
• 例：据WHO报告，全球每年约有800万的结核病患者，
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• 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。
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生物信息学和基因芯片课件
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。
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。
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。
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.
《基因芯片技术》PPT课件
五、基因芯片的应用
基因表达分析：人类基 因组编码大约100,000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。
高密度芯片的分析一般采用荧光素标记探针，通过适当 内参的设置及对荧光信号强度的标化可对细胞内mRNA的 表达进行定量检测。近年来运用的多色荧光标记技术可 更直观地比较不同来源样品的基因表达差异，即把不同 来源的探针用不同激发波长的荧光素标记，并使它们同 时与基因芯片杂交，通过比较芯片上不同波长荧光的分 布图获得不同样品间差异表达基因的图谱，常用的双色 荧光试剂有Cy3-dNTP和Cy5-dNTP。
（二）样品的准备
样品的分离纯化：DNA , mRNA 扩增：PCR, RT—PCR，固相PCR 探针的标记：已克隆的基因片段、PCR，RT-PCR扩增的基 因片段、人工合成的DNA片段，单链、双链、DNA或RNA 均可作为探针。 荧光标记（常用Cy3、Cy5），生物素、放射性标记,通常 是在待测样品的PCR扩增、逆转录或体外转录过程中实现 对探针的标记。对于检测细胞内mRNA表达水平的芯片,一 般需要从细胞和组织中提取RNA,进行逆转录,并加入偶联 有标记物的dNTP,从而完成对探针的标记过程。
十 基因芯片技术
1 生物芯片简介及分类 2 基因芯片制备及应用
第一节 生物芯片简介及分类
一、生物芯片(biochip)的概念 指通过机器人自动印迹或光引导化学合成技术在硅片、 玻璃、凝胶或尼龙膜上制造的生物分子微阵列，根据分 子间的特异性相互作用的原理，将生命科学领域中不连 续的分析过程集成于芯片表面，以实现对细胞、蛋白质 、基因及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测 。 生物芯片主要特点是高通量、微型化和自动化。
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光刻DNA合成法 点接触法 喷墨法
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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。
剖面图
探针
支持物
平面局部放大
1.支持物：如玻片、硅片、NC膜、Nylon膜
2.探针：高密度的探针序列按照一定的次序固定 在支持物上，每个位点的序列是已知的
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基因芯片技术流程
探针的设计与制备 支持物的类型与预处理 芯片的制作 点样后处理 样品的准备 杂交与杂交后清洗 检测分析
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基本过程
优点：设备廉价，技术简便，研制周期短，灵活性高 缺点：点阵密度低
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喷墨法
芯片原位喷印合成原理与喷墨打印类似， 不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装 的是四种碱基等液体而不是碳粉。喷印头 可在整个芯片上移动并根据芯片上不同位 点探针的序列需要将特定的碱基喷印在芯 片上特定位置。该技术采用的化学原理与 传统的DNA固相合成一致，因此不需要特 殊制备的化学试剂。
基因组计划后的另一项重要计划：蛋白组计划； 正常与癌变细胞蛋白谱的差异分析。 3. 基因突变检测与遗传病和肿瘤诊断 点突变，基因缺失、扩增、插入、重复、倒位等。 4. 药物筛选 在基因水平上寻找药物靶标，毒性对基因的影响。 5. 微型化分析仪器 快速、平行、重复性检测。
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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 展阶段，在基因治疗和基因疫苗的研制等方面基因 芯片技术还没有得到广泛的应用，但随着生物信息 学的进步和发展，基因芯片技术一定会进一步成 熟，必将给人类提供越来越多的方便，发挥越来越 大的重要作用，从而帮助人们认识、掌握和利用生 命科学的规律。
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THE END
THANK YOU
不同的分类方法： ① 按其片基不同可分为无机片基芯片和有机
合成片基芯片； ② 按其应用不同，可分为表达谱芯片、诊断
芯片、检测芯片； ③按其结构不同可分为DNA 阵列和寡核苷酸
芯片； ④ 按其制备方法不同可分为原位合成芯片和
合成后交联芯片(合成后点样芯片)。
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制作方法
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三 种 制 作 芯 片 方 法 的 示 意 图
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normal DNA
cancer DNA
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GENERAL SCANNING - ScanArray System
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检测分析
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芯片技术的应用
1. DNA序列测定 基因芯片不仅可对大量基因或序列同时、快速进行定性、定量分析，而且作为 一种极有发展前途的测序策略也倍受人们的重视。 2. 蛋白质芯片
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
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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 (Gene Chip)
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定义
基 因 芯 片 又 称 DNA 芯 片 （DNA Chip）或生物 芯片(Biological chip), 是指将大量探针分子 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 信号的强度及分布进 而对靶分子的序列和 数量进行分析。
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基本构造
外观